摘 要： 温室垄行种植果蔬施药装备短缺，目前仍多采用背负式喷雾器逐行递株施药，存在劳动强度大、工作效率低、损伤作物及化学药剂对作业人员危害大的问题。针对以上问题，设计了温室果蔬高效风送施药车，该施药车主要由轨道式移动平台、电能输送装置、升降喷雾装置和基于ＰＬＣ 的控制系统组成，具有温室内长距离行驶、定点启停、供电电缆自动收放和风力雾化药液并吹送至作物冠层的功能。工作过程中，移动平台搭载喷雾及电能输运装置沿轨道行驶，电缆随平台移动同步收放，保证电能供给，移动平台于作物冠行处停止；风机、主路电磁阀和水泵工作，喷头沿作物冠层高度方向匀速移动，对整行喷雾完成时喷头关闭，平台移动至下一作物冠行，重复上述操作。本设计实现了在温室垄行种植模式下，施药车自动远距离、大面积施药功能，提高了温室施药效率，避免了化学药剂对温室管理人员造成伤害。
关键词：温室垄行种植；风送施药；ＰＬＣ 控制系统
中图分类号：Ｓ２２４．３；Ｓ６２５．３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００３－１８８Ｘ（２０１８）０８－００６３－０７
０ 引言
随着温室面积的逐年增加，温室自动化施药设备及施药技术在国内外得到广泛研制［１］。日本、德国、美国等发达国家研制的一些温室自动喷药机器人实现了无人施药，降低了温室作业人员的劳动强度，避免了化学药物对劳动人员的伤害；但作业效率、喷雾均匀性仍有待提高，且输电装置，占用空间大，造价较高［２－４］。
国内的一些温室自动化施药设备还处于研究阶段，性能不稳定，仍需改进推广［５－８］。国内外的施药设备主要采用的是喷杆喷雾技术，施药方式以“大雾量、雨淋式”的喷雾为主，药液浪费严重，污染环境；同时，作物冠层高度较大时，中、下部作物药液沉积率低［９］。与传统施药技术相比，风助施药能够使雾滴细化均匀、飘散距离远、在冠层中穿透力强，从而达到更好的施药效果［１０］。为此，本文结合风送施药技术和ＰＬＣ控制技术研发了一套针对温室黄瓜、番茄类蔬菜施药的温室果蔬高效风送施药车。
１ 整机结构与工作原理
１．１ 整机结构
温室果蔬高效风送施药车主要由轨道式移动平台、电能输送装置、升降喷雾装置和控制系统组成，如图１ 所示。
１．光电传感器 ２．Ｔ 形丝杠 ３．龙门架 ４．拖链 ５．风机 ６．喷头
７．升降平台 ８．控制箱 ９．电缆线 １０．Ｖ 形导轨 １１．绕线轮
１２．电极环 １３．轨道车 １４．挡板 １５．电磁阀 １６．球阀 １７．药箱
图１ 温室果蔬高效风送施药车结构示意图
轨道式移动平台由轨道车、轨道和挡板组成，轨道车前后两侧设置有红外光电传感器，用于检测轨道两端终点处设置的固定挡板，用于将轨道车按轨道范围行驶，外侧轨道上安装有可随作物行宽调节间距的挡板。电能输送装置由绕线轮、排线机构和电极环组成，排线机构利用往复丝杠螺母组随绕线轮旋转左右移动使电缆线整齐缠绕在绕线轮上。升降喷雾装置由龙门架、升降平台、拖链、风机和喷头等组成，丝杠竖直安装在龙门架中间位置，由龙门架底部的直流电机带动旋转；出口处固定有喷头的风机安装在升降平台上，升降平台与丝杠螺母紧固并随丝杠的旋转沿竖直方向上下移动；拖链的两端固定在升降平台和龙门架底端，喷头药管和风机输电线置于拖链内。控制系统硬件由型号为ＣＰＵ ２２４ＸＰ ＣＮ 的西门子ＰＬＣ、电机驱动器、继电器、电源，以及控制器外围各光电传感器、限位开关及控制箱上的电源接通按钮、喷头升降
手动控制按钮和自动工作启动按钮组成，控制着电机、风机及水泵的启停和主路电磁阀的通断。
１．２ 工作过程
施药作业时，将绕线轮上的电缆线与温室的电源插座连接，电源接通后将风机降到龙门架的下方传感器处，按下控制箱上的自动工作启动按钮，施药车沿轨道行进，行进过程中绕线轮转动，电缆线伸长。当喷头与作物行对齐时轨道车停止，水泵、主路电磁阀、风机和驱动丝杠的电机启动，从喷头中心射出的液柱被喷头侧壁吹出的高速旋转气流吹散形成细小的雾滴，并受风力作用到达作物冠层，因温室作物每行长度约为６ｍ，雾滴能够覆着到整行作物上。喷雾过程中，升降平台沿丝杠上升，上升高度达２ｍ，行程１７０ｃｍ。因此，喷头可对黄瓜、番茄类作物沿作物冠层高度方向从底部到顶端依次施药。当龙门架上方的红外光电限位传感器检测到风机时，水泵、主路电磁阀、风机和驱动丝杠的电机停止，轨道车继续行进，当喷头到达下一行作物时，轨道车停止，喷头从上向下对行施药，重复上述操作，沿各行喷雾。当施药车对所有的作物行施药完成后，施药车继续行进，当车前端的红外光电传感器检测到轨道末端的挡板时施药车停止，随后施药车沿轨道后退，同时绕线轮反转，将行进过程中伸出的电缆经排线机构整齐缠绕在绕线轮上。施药车后退过程中不再进行施药作业，当车后端的传感器检测到轨道前端的挡板时，施药车停止，至此，施药车完成所有的工作过程。
２ 关键部件设计
２．１ 轨道式移动搭载平台
常见的移动搭载平台分３ 种：轮胎式、履带式和轨道式［１１］。该移动平台采用轨道式可使施药车沿轨道定向移动，平台搭建简便，对温室内地面要求不高，车子运行平稳，机械振动小，如图２ 所示。由试验测得，当施药车以超过０．４ｍ／ ｓ 的速度行进突然停车时，升降装置有轻微晃动。为保证平稳启动和停车，选定行进速度为０．１ ～ ０．３ｍ／ ｓ。为便于施药车行进过程中便于调速和换向选用直流电机［１２］，轨道车正常运行时所需功率为４５０Ｗ。由于轨道轮直径为０．２４ｍ，当以最大速度０．３ｍ／ ｓ 行进时，车轮转速约为３０ｒ ／ ｍｉｎ，因此最终选用重庆茂田机械有限公司生产的有刷直流减速电机，型号为ＭＴ２３，电机额定功率为５００ ～ １ ２００Ｗ，电压２４Ｖ，减速比为１９：１，并选用型号为ＤＣ４８ＲＴ５０ＢＬ－ＸＷ 的直流电机控制器调节喷雾车的行进速度。为使移动平台上搭载的电能传送装置、药箱和喷雾升降装置布局紧凑，通过三维建模将移动平台尺寸确定为长×宽×高为１ ３００ｍｍ×５００ｍｍ×３００ｍｍ。
２．２ 电能传送装置
为了满足大功率风机ＡＣ２２０Ｖ 供电及施药车行进过程中持续供电需求，设计了一套电能传送装置，通过绕线轮上的电缆线传输到施药车上的用电设备，如图３ 所示。施药车前进和后退过程中绕线轮正转和反转，实现卷线和放线功能。为便于调控绕线轮的速度，选用型号为８６ＨＳ３５ 的两相步进电机和型号为ＨＳＴ２８４２Ａ 的两相步进电机细分驱动器。为解决电缆线错乱缠绕的问题，在绕线轮前端设计了一个排线机构，使电缆线整齐排列在绕线轮上。排线机构采用八字往复丝杠螺母组实现电缆线的位置随丝杠螺母左右往复移动［１３］。该装置的动力源是步进电机，步进电机通过链传动使绕线轮转动，绕线轮通过链传动使往复丝杠转动，丝杠螺母随丝杠转动自动左右往复移动。电缆线直径为８ｍｍ，往复丝杠导程为１０ｍｍ，为使电缆线排列整齐，绕线轮与往复丝杠传动应满足如下关系，即
施药车前进过程中，步进电机处于断电状态，无自锁，电缆线的张紧力带动绕线轮转动，解决了放线问题。当施药车后退时，步进电机通电转动，带动绕线轮转动。绕线轮转动过程中电缆线缠绕层数增多，缠绕直径变大，致使电缆放线端线速度增大，为使电缆线随车后退回收，必须满足各层电缆线在绕线轮上的切向速度与施药车的移动速度相同。实际上，由于电缆线缠绕过程中会发生扭转，导致绕线轮上每层电缆线的圈数不一致，因此难以实现各层电缆线的切向速度与施药车的速度相同。
为解决这一问题，在排线机构前方设计了一种矩形框，矩形框可绕排线机构的导向光轴转动，其上、下各有一个限位开关。当绕线轮转速过快，穿过矩形框的电缆线张紧，提升矩形框触碰上限位开关，此时，通过控制器降低绕线轮转动速度；当绕线轮转速过慢，
电缆线下垂，矩形框下端触碰下限位开关，此时，通过控制器加快绕线轮转速。绕线轮以电缆线理论缠绕直径最大时的转速为矩形框触碰上限位开关后的转速Ｎｍｉｎ，以电缆线理论缠绕直径最小时的转速为矩形框触碰下限位开关后的转速Ｎｍａｘ 。
实际要通过输入到步进电机驱动器的脉冲频率改变绕线轮的转速。绕线轮转速和脉冲频率的计算公式为
步进电机上的链轮与绕线轮上链轮传动比为Ｉ ＝０．３３，驱动器细分数为Ｃ ＝ ４，步进电机步进角为θ ＝１．８°。在允许的施药车移动速度范围内，以最小移动速度Ｖｍｉｎ ＝ ０．１ｍ／ ｓ，电缆线最大绕线半径０．１６ｍ，计算出Ｎｍｉｎ ＝ ０．１ｒ ／ ｓ，ｆｍｉｎ ＝ ２４２。以最大移动速度Ｖｍａｘ ＝０．３ｍ／ ｓ，电缆线最小绕线半径Ｒｍｉｎ ＝ ０． ０８ｍ，计算出Ｎｍａｘ ＝ ０．６ｒ ／ ｓ，ｆｍａｘ ＝ １ ４５４。
２．３ 施药装置
２．３．１ 喷雾升降装置
黄瓜、番茄类作物植株高度约２ｍ，给这类作物施
药需要沿作物冠层从低到高或从高到低连续进行，因
此设计了一套喷雾升降装置，如图４ 所示。利用长度为１．７ｍ、导程为２５ｍｍ 的Ｔ 型丝杠螺母组作为升降导向机构，喷头固定在风机出风口上，风机固定于升降平台上，升降平台安装在丝杠螺母上。升降平台一侧安装有两个导向轮，龙门支架的侧方矩形管位于导向轮之间，使平台能够随丝杠的旋转上下移动。升降平台另一侧安装有拖链，用于封装管路和电线。驱动丝杠旋转的电机选用扭矩为５Ｎ／ ｍ，功率为５０Ｗ 的涡轮蜗杆直流减速电机，输出轴转速为１２０ｒ ／ ｍｉｎ。电机的正转和反转控制升降平台的上升和下降，上下光电开关起到限位作用，经计算每完成一行喷雾作业需要３４ｓ，比人工作业效率高１ 倍。
２．３．２ 喷头的结构设计
传统风送喷雾方式通常是将扇形喷头或者液力式喷头安放在风机出风口，利用风机吹出的高速气流将喷头雾化的雾滴吹送到靶标［１０］。喷头已经将药液雾化成细小雾滴，经过高速气流的二次雾化作用使雾滴变得极其细小：一方面造成雾滴飘移性过大；另一方面雾滴过于细小难以到达距离较远处的靶标［１４］。为解决传统风送喷雾方式的弊端，设计了一种风力雾化喷头，如图５ 所示。图５ 中，药液管道内的箭头代表液流方向，喷头壳体与药液管道之间的箭头代表气流方向。出液口锥体结构避免了平板结构对气流的阻挡作用，锥体内的液体流道直径为２．５ｍｍ，形成细小液柱。喷头出口处的雾滴形成原理如图６ 所示。喷头出口处有６ 片导流板，相邻２ 片导流板夹角为１２０°，每两个相对的导流板末端与出液口中心在一条直线上。喷头壳体内的气流经过导流板改变方向后在喷雾出口处形成涡流，高速旋转的气流将中心液柱打散，在圆形喷雾出口范围内的导流板壁上形成液膜，液膜经过喷雾出口后撕裂形成液丝，液丝又经过喷雾出口吹出的高速旋转气流吹散形成细雾滴，并送至远处的靶标。
２．３．３ 风机风量的计算
目前，风送喷雾风量的计算普遍采用置换原
则［１５］，如图７ 所示。温室风送喷雾过程中风机出风口风速和喷头上升速度不变，根据置换原则，风机的风量为图中虚线所示三角形立方体的体积，即
于作物的阻挡，衰减系数取值１．５，由此得出风量Ｑ ＝０．１８ｍ３ ／ ｓ。选取的风机风量必须大于０．１８ｍ３ ／ ｓ，最终选择风量为０．４５ｍ３ ／ ｓ、功率为１ ２００Ｗ 的吸尘器风机作为喷雾风机［１６］。
３ 结论
１）针对温室人工施药劳动强度大、工作效率低、易损伤作物且化学药剂易引起作业人员中毒的问题，设计了一套温室果蔬高效风送施药车，实现了轨道式移动平台定点启停、电缆收放，以及喷头定点升降喷雾的功能。
２）构建电能传动装置电缆绕线轮转速控制的数学表达式，设计了一套跟随轨道移动平台速度变化的电缆自动收放线装置。
３）针对传统风送喷雾方式弊端，设计了一种风力雾化喷头，并分析了药液在喷头出口处形成雾滴的原理。
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