环保型烟草喷雾机的研发与实现

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  引言

  烟草作为吸食品,其农药残留问题已经引起世界各国的重视。烟草是我国重要的经济作物,病虫害是影响我国烟草生产的重要因素之一[1 -3].病虫害的防治工作以防为主,主要结合化学药剂综合进行防治。

  烟草种植过程中,从团棵期到旺长期、打顶期及采收期,对于农药和液态肥的使用始终贯穿其中。我国现阶段植保机械发展水平的相对落后,直接导致农药有效利用率低、农药残留超标、操作者药物中毒和环境污染等一系列问题[4 -6].目前,对于烤烟的喷药主要采取自上而下的喷洒方式。在烟草生长的团棵期到旺长期中,烟叶低矮,冠层相对稀疏,适宜采用喷杆喷雾方式作业; 但在烟草打顶期与采收期,烟叶茂密,如果仍采用自上而下的喷药方式,由于上层烟叶遮挡住中下层烟叶,不仅使中下层烟叶无法获得均匀的药液沉积,防治效果大打折扣,而且上层过量喷施的药液还会落入土壤中,污染农田环境,并且造成了农药的巨大浪费,加大了种植成本,此时宜采取半封闭式喷雾方式作业。

  我国烟叶生产已基本实现农场式生产和适度规模化种植方式。农药高效、精量、高利用率、低飘失率的合理组合对于保证烤烟的产量、降低农药残留、降低生产成本、提高烤烟品质、降低环境污染至关重要。因此,针对传统喷雾农业机械药液喷施功能单一、喷洒质量不高、农药利用率低等问题,根据烤烟各生长期喷药生产实际的特点,发明一种 3 行和 7 行复用的烟草喷雾机,以完成烟草在团棵期和旺长期的喷杆式喷雾,在打顶期和采收期进行半封闭式喷雾,并实现残余药液回收和精确对靶的农药高效喷施,具有十分重要的推广应用价值。

  1 整机结构设计与功能实现

  本文设计的烟草喷雾机针对烟草不同生长期实现了 3 行隧道式和 7 行复用精量喷雾,且具备对靶喷雾和药液回收功能。该喷雾机由滑移变形机构、机架收拢机构、机架升降装置、药液喷洒系统和药液收集循环系统组成,如图 1 所示。

  1. 1 机架滑移变形机构

  机架滑移变形机构如图 2 所示。侧翼喷架包括滑移框、连接架、侧翼门架和叶片拨动板。其中,滑移框由侧梁盖、侧梁轨道杆、电机固定座、链条固定座和环杆连接杆构成。侧梁盖同侧梁轨道杆焊接在一起构成框架式结构; 连接架横杆和连接架纵杆焊接在一起构成框架式结构; 叶片拨动板铆接在侧架竖杆上;电机固定座、链条固定座和环杆连接杆焊接在侧梁轨道杆上; 连接架通过两侧的滚轮安放在滑移框上; 滚轮卡放在滑移架的侧梁轨道杆中,实现侧翼门架水平方向上的运动。侧翼门架螺栓联结于连接架上,变形电动推杆一端通过侧架纵杆固定铰链铰接于侧架纵杆上,链条另一端通过侧架竖杆固定铰链铰接于侧架竖杆上; 侧架横杆通过侧翼门架铰链与和侧架竖杆相铰接,使侧翼门架能够实现水平状态和竖直状态的相互转换。
  
  1. 2 机架收拢机构

  机架收拢机构主要包括环杆架和收拢电动推杆,如图 3 所示。环杆组由环杆、上环套和下环套组成。

  上环套焊接在中间架斜杆和中梁上; 下环套焊接在中间架纵杆上; 环杆焊接在环杆连接杆上,环杆同轴套入上环套和下环套中。收拢电动推杆一端通过中梁固定铰链铰接于中梁上,另一端通过侧梁盖固定铰链铰接于侧梁盖上,从而使侧翼喷架绕环杆组在水平方向上旋转运动。
  
  1. 3 机架升降装置

  机架升降装置其结构如图 4 所示。其主要包括固定架、滑移架、中间架和链杆机构。固定架螺栓联结于自走式龙门架的龙门式固定架上。链杆机构转向齿轮固定在滑移架上; 链条一端通过中间架固定铰链铰接于中间架上,链条另一端绕过转向齿轮连接到电动推杆上; 电动推杆螺栓联结于滑移架。中间架通过两侧的滚轮安放在滑移架上; 滚轮卡放在滑移架的槽型轨道杆中,从而实现中间架竖直方向上的运动。
  
  1. 4 药液喷洒装置

  药液喷洒装置包括药液箱、喷药隔膜泵、雾化喷头组及药液输送管道。雾化喷头组分为喷杆式喷头组和隧道式喷头组。药液箱、雾化喷头组与喷雾隔膜泵之间通过药液输送管连通,喷雾隔膜泵将药液抽出药液箱,由药液输送管分两路输送到各雾化喷头组:第 1 路是喷杆式喷头组,经管路开关将药液输送到喷杆式喷头组的雾化喷头进行药液喷施; 第 2 路是隧道式喷头组,经管路开关将药液输送到隧道式喷头组的雾化喷头进行药液喷施,喷头的个数依据喷雾覆盖率确定。
  
  1. 5 药液收集循环装置

  药液收集循环装置如图 5 所示。药液收集循环装置包括药液过滤网、药液回收槽、药液回收管、回收液位开关和药液回收泵。药液过滤网能够有效防止植被落叶、乱枝等杂物进入药液回收槽,从而保证药液顺利由药液回收管回流至药液箱。药液回收槽铆接于侧翼门架上; 药液回收管一端连接于药液回收槽下端流液口,另一端连接于药液箱流液口。药液回收泵螺栓连结于侧翼门架下端,回收液位开关螺栓连结于药液回收槽内部。回收液位开关随药液回收槽内回收药液量来控制药液回收泵,从而保证残余药液的顺利回收。
  
  2 喷雾控制系统设计

  2. 1 硬件系统设计

  系统构成分为主、从机两个部分。主机采用台达DVP - SV2 系列 PLC,搭配台达 DOP - B 系列 7S410人机界面。主机通过人机界面接受控制指令,完成喷雾机形态切换和喷雾模式切换; 通过 RS -232 接受从机指令,控制电磁阀的开和关来实现对靶喷雾。从机采用意法半导体公司 STM32F103VET6 单片机作为核心控制芯片,负责采集精确对靶需要的距离数据。整个系统结构如图 6 所示。整个系统由主、从机两个部分组成,具体包括: ①stm32 单片机最小系统,包括中央处理单元机器外围扩展模块,通过分析超声波距离传感器数据对主机发送控制喷雾的指令。②超声波距离传感器组,包括若干对植物传感器和 1 个参考传感器。③人机交互界面。主机由触摸屏按键完成喷雾形态的切换及喷雾模式的选择,其中喷雾形态的切换是由主机 PLC 驱动电动推杆实现的。PLC 接通从机电源时,从机对距离数据进行采集,从而进行对吧喷雾。④电磁阀组,包括若干个电磁阀,电磁阀由 PLC 驱动,控制喷头的开启与闭合。⑤电源模块,主从机和电磁阀都采用喷雾机机载 24V 电源进行供电。

  2. 2 软件系统设计

  主机主程序流程图如图 7 所示。主机位于驾驶室,安放在驾驶员方便操作的位置。开机后,系统进行初始化,包括人机界面初始化、I/O 初始化及通信端口初始化等; 初始化完成后,人机界面显示控制系统界面,根据需要通过人机界面向主机发送喷雾形态切换的指令; 形态切换完成后,通过人机界面进行喷雾模式的选择。从机主程序流程图如图 8 所示。从机主要负责采集喷杆到地面距离及喷杆到植株冠层距离,测量数据在单片机内进行处理,处理过的数据经分析后由单片机做出判断,根据判断出的是否为靶标作物从而进行喷雾或停止喷雾的决策。

  超声波传感器作物示意图如图 9 所示。超声波传感器采集两部分距离信号: 一部分是参考传感器采集喷杆到地面距离; 另一部分是对植物传感器采集喷杆到植物冠层或喷杆到垄上地面的距离。单片机将这两部分数据进行处理并分析,通过两部分距离数据进行比较,根据对植物传感器的数据与参考传感器数据是否有差异,可判断出喷头将要到达的位置下方是植物还是垄上地面; 然后对 PLC 发送指令,以控制电磁阀的开关动作。
  
  3 烟草喷雾田间试验

  为了对环保型高地隙烟草喷雾机的工作性能做出合理评价,针对烟草不同生长期形态,对团棵期与旺长期的烟叶测试喷杆喷雾性能,对打顶期和采收期的烟叶测试隧道式喷雾方性能。

  测试地点: 诸城市辛兴镇西元烟叶农场; 测试烟田面积 1. 3hm2,南北长 180m,东西宽 74m.测试方式为喷杆式喷雾和隧道式喷雾作业。测试方法如下:

  用甲基紫生物染色剂加蒸馏水配制体积分数为0. 1% 的溶液代替农药作为喷雾液进行喷雾试验,并使用半径为 11cm 定性滤纸作为雾滴沉积载体[6].每次试验开始前,在每个采样点上用回形针固定一张滤纸,用于测定叶片正反面的雾滴沉积量。行走机架前进速度为 0. 4m/s( 此速度选择以喷雾机田间行走速度为依据) ,在这个速度下分别进行隧道式喷雾系统与喷杆式喷雾结构的模拟田间喷雾作业。喷雾后,将每个采样点的滤纸分别收集至干燥的密封袋中。将滤纸置于玻璃皿中进行无水乙醇洗脱,时间为 3min,最后用分光光度计测定洗脱液中甲基紫的吸光度,并根据转换公式计算出每个采样点的单位面积雾滴沉积量[7].测试结果如表 1 所示。由表 1 可以看出: 烟草喷雾机单位喷药量达到烟草病虫害防治要求; 特别是在烟草打顶期和采收期的隧道式喷雾作业中,药液雾滴雾化和烟叶正反面附着比传统的喷杆式喷雾效果好,且几乎无烟叶损伤。

  4 结论

  1) 该环保型高地隙烟草喷雾机针对烟草不同生长周期,经过喷雾机构调整后,实现了 3 行隧道式和七行喷杆式的喷雾作业,提高了烟草不同生长期的药物喷施效果,在保证作业效果的同时提高了喷药机的全年作业利用率。

  2) 对靶喷雾装置和药液回收装置的使用有效控制了药液浪费,提高了农药的利用率,减轻了农药对烟田生态环境的影响。

  3) 对机架收拢装置的使用有效地实现了机架工作状态与运输状态之间的转换,方便了机架的运输,促进了烟草生产机械化的实现。

  4) 大田试验验证了该机在烟草上作业的有效性。

  在不同压力下,隧道式喷雾系统在打顶期和采收期对上层烟叶正面和下层烟叶正反两面单位面积雾滴沉积量比普通喷杆式喷雾系统大得多。

  参考文献:

  [1] 陈恩明,朱志伟,张晓辉。 我国烟草田间生产机械化现状及发展对策[J]. 农机化研究,2008( 10) : 227 -230.
  [2] 林选知,殷寿安,张瑞勤,等。 现代烟草农业机械化技术体系构建探讨[J]. 农机化研究,2012,34( 1) : 249 -252.
  [3] 何雄奎。 改变我国植保机械和施药技术严重落后的现状[J]. 农业工程学报,2004,20( 1) : 13 -15.
  [4] 傅泽田。 农药喷施技术的优化区[M]. 北京: 中国农业科学技术出版社,2002.
  [5] 傅泽田,祁力钧。 国内外农药使用状况及解决农药超量使用问题的途径田[J]. 农业工程学报,1998,14( 2) :7 -12.
  [6] 刘雪美,苑进,张晓辉,等。 3MQ - 600 型导流式气流辅助喷杆弥雾机研制与试验[J]. 农业工程学报,2012,28( 10) : 8 -12.

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