小型辣椒农药喷洒机结构设计_马登秋.pdf

107 辣椒是我国栽培面积最大的蔬菜之一，绝大多数省份均有不同规模的种植，其中贵州种植面积居全国首位，多地将辣椒产业作为经济支柱，如贵州遵义1。随着技术的发展，农业机械装备越来越自动化和智能化2,3，农业生产效率得到迅速提高。为了控制与防治病虫害，人们开发了各种农药喷洒装置，可分为手动农药喷洒装置和机动农药喷洒装置4，例如，手动背负式喷雾器、手动压缩式喷雾器、手动踏板式喷雾器、手摇喷粉器等手动农药喷洒装置；背负式机动喷雾喷粉机、担架式机动喷雾机、风送式喷雾机、喷烟机、航空喷雾喷粉和超低量喷雾装置等机动农药喷洒装置5-9。现有辣椒种植农药喷洒装置存在诸多不足，如对辣椒植株进行农药喷洒时，喷洒位置不够精准，药液易大量洒落到地上造成浪费；不能根据辣椒植株行间距的宽度和植株高度来调节喷洒装置的水平位收稿日期：2022-04-15基金项目：遵义师范学院服务地方产业革命项目（遵合产业革命202001 号）；遵义市辣椒加工机械关键技术研究与应用创新人才团队项目(遵市科人才20212 号)；遵义市科技局市校联合基金项目（遵市科合 HZ 字202010 号）；国家级大学生创新创业训练计划项目（202010664004）作者简介：马登秋，男，贵州遵义人，遵义师范学院工学院高级实验师，硕士。研究方向：辣椒种植与加工技术。小型辣椒农药喷洒机结构设计马登秋，蒋兵，叶振环，袁孟梅，宋良友，魏蓉，喻登攀（遵义师范学院 工学院，贵州 遵义 563006）摘要：现有的农药喷洒装置存在不可调节喷头喷洒高度和间距、叶子背面不能有效喷洒、不适于辣椒全生长周期喷洒等问题。作者根据辣椒生长和种植特点以及农药喷洒装置功能需求，设计了一款具有助力机构、易转向、可调节喷头间距和高度、实现叶片正反两面喷洒，同时能够充分将农药喷洒至叶片的小型农药喷洒机。该装置主要由机架、助力机构、转向机构及喷洒机构四个部分组成，其中喷洒机构具备农药雾化功能，可周期性变换喷洒范围。最后建立了农药喷洒机三维模型，加工了农药喷洒机样机并进行测试，测试效果良好。关键词：农药喷洒；辣椒；结构设计；喷头中图分类号：S232.3文献标识码：A文章编号：1009-3583（2023）-0107-04Structural Design of Small Pepper Pesticide SprayerMA Deng-qiu,JIANG Bing,YE Zhen-huan,YUAN Meng-mei,SONG Liang-you,WEI Rong,YU Deng-pan(School of Engineering and Technology,Zunyi Normal University,Zunyi 563006,China)The existing pesticide spraying devices have some problems,such as unadjustable sprinkler height and spacing,ineffectivespraying on the back of leaves,and not suitable for the whole growth cycle spraying of pepper.According to the growth and plantingcharacteristics of pepper and the functional requirements of pesticide spraying device,a small pesticide spraying machine with powerassist mechanism,easy steering,adjustable nozzle spacing and height is designed,which can realize the positive and negative sprayingof leaves,and can fully spray pesticides to the leaves.The device is mainly composed of four parts:frame,power assist mechanism,steering mechanism and spraying mechanism.The spraying mechanism has the function of pesticide and can periodically change thespraying range.Finally,the 3D model of pesticide spraying machine was established,the prototype of pesticide spraying machine wasprocessed and tested,and the test effect was good.pesticide spraying;pepper;structure design;sprinkler第 25 卷第 1 期2023 年 2 月遵义师范学院学报Journal of Zunyi Normal UniversityVol.25,No.1Feb.2023 108 第 25 卷第 1 期遵义师范学院学报2023 年 2 月置和喷洒高度，且灵活性差。如果一套农药喷洒装置不能对辣椒全生长周期以及辣椒苗的正反叶片进行精准喷洒，就不能有效预防辣椒病虫害。针对上述问题，结合贵州遵义辣椒种植的山地地形，作者设计了一款适合于山地辣椒种植全生长周期高效精准农药喷洒机械装置。该装置可有效解决辣椒苗农药喷洒问题，促进辣椒增产和产业发展，具有应用推广价值。1 设计要求及设计方案1.1 设计要求针对辣椒喷洒装置普遍存在山地机械化程度低、农药喷洒不均匀和不精准、农药液浪费严重、不可调节喷头间距和高度、叶子背面不能有效喷洒、不适于辣椒全生长周期喷洒等不足，设计的辣椒农药喷洒装置需满足以下功能需求：有效助力、转向灵活、农药喷洒均匀、精准高效、喷洒高度宽度可调、适于全生长周期、可有效喷洒叶子背面、适于遵义山地地形使用等。1.2 设计方案农药喷洒装置最初动力装置采用三轮结构设计，前轮为一个主动轮，后轮为两个万向轮，原动机通过链轮链条对前主动轮进行传动以方便转向；喷洒支撑结构设计为工字形，以便农药喷洒装置能顺利地在辣椒种植地中工作，采用齿轮齿条结构，使喷头上下移动，以适合不同高度辣椒植株农药的喷洒；采用回形管设计，喷头反向安装，反向喷洒，实现辣椒叶片正反面喷洒，提高农药喷洒的有效性。经实地测试，发现三轮结构设计重心不稳，不适于山地地形，改为四轮结构；使用链轮链条进行转向，难度较大，改为变速箱与电手柄结合控制转向；工字型的喷洒支撑结构不能横向收缩，不能适用于任何地形，改为双“n”字形喷洒支撑结构，以方便横向纵向收缩和拆卸，并适用于任何地形。采用一杆四喷头的旋转结构设计能够有效对辣椒叶片正反面进行均匀喷洒。2 主体结构设计2.1 机架结构设计根据实际工作条件、辣椒苗的种植情况（行距、行宽）及地形，合理设计机架的结构，使之具有足够的刚度和满足各部分空间尺寸约束关系。同时，为减轻机器重量，节约成本，机架全身由钢管折弯或者焊接而成，如图 1 所示。图 1 机架结构2.2 动力机构设计农药喷洒装置采用手推式前驱四轮结构设计，动力装置具有两个主动轮和两个万向轮，为适应山地复杂多变的工况，该机械的主动轮选择具有安全保障的实心轮。动力由电动机经变速箱传输到左右两个实心轮，操作人员通过扶手控制万向轮的方向实现农药喷洒机的转向，如图 2 所示。图 2 动力机构结构2.3 喷洒支撑架移动结构设计针对植株不同的生长高度和多行植株的农药喷洒问题，整个喷洒支撑架的结构呈双“n”字形，双“n”字形喷洒支撑架由伸缩杆构成，可调节高度和宽度。为解决辣椒叶背面农药喷洒问题，每个支撑杆安装四个喷头，两个向下喷洒、两个向上喷洒，实现对辣椒植株正反叶面的农药喷洒，并可根据实际情况安装和拆卸喷头，如图 3 所示。图 3 喷洒支撑架移动结构示意图 109 3 喷头设计3.1 可变式雾化喷头设计与常规锥面喷头和扇形喷头相比，该喷头具有离心式雾化和多方位旋转喷洒功能，且结合辣椒植株生长特性，在喷头内部设计流量控制装置，可实现周期性变换喷洒范围，减少药液浪费，扩大喷洒范围，提高喷洒覆盖率。喷头由旋转结构、喷嘴结构和挡风罩三个部分组成，如图 4 所示。图 4喷头结构旋转结构依靠万向球实现多方位旋转功能，可根据植株生长高度和所在方位调整喷洒方向，植株生长全周期都能进行喷洒，图 5 所示。图 5 喷头旋转结构局部喷嘴结构是实现喷头雾化和周期性变换喷洒范围的重要结构，内部细化为三个部分：螺旋式滤网、流量控制装置、移动装置，如 6 所示。1-防风罩；2-旋流器磁铁；3-防风罩磁铁；4-出水帽；5-内橡胶紧套；6-外橡胶紧套；7-凹形滑槽；8-万向球；9-螺旋式滤网；10-旋转过水片；11-防漏片；12-固定过水片；13-推程片；14-球形塞；15-弹簧；16-旋流器；17-液腔；18-切向槽；19-防风罩橡胶圈图 6喷头结构名称（1）螺旋式滤网螺旋式滤网能过滤药液中的残渣，避免造成喷头堵塞，过滤网上的孔设计为倾斜孔，即整体的孔洞呈现出螺旋式，当药液通过滤网孔时，过滤出的药液是旋转的，在下一阶段可以更好地控制流量，如图 7所示。图 7螺旋式滤网（2）流量控制装置图 8 所示为流量控制装置，由旋转过水片、固定过水片、防漏片、轴承组成。旋转过水片和防漏片安装在与外壳一体的固定过水片上，通过轴承转动。旋转过水片和固定过水片都有三个过水孔，旋转过水片由高压冲击带动旋转时，当二者的过水孔重合，药液才能通过，从而达到控制流量的目的。（a）剖视图（b）内部结构图 8 流量控制装置（3）移动机构图 9 所示为移动装置，由推程片、球形塞、弹簧、旋流器、出水帽、一对同极磁铁和固定磁铁的橡胶紧套组成。球形塞和旋流器通过弹簧连接在一起，在未受到冲击时，弹簧处于原长，球形塞与推程片贴合在一起。旋流器通过凹形滑槽与外壳实现上下移动，磁铁通过橡胶紧套固定于旋流器上，同时旋流伞上的锥形凸起与出水帽的锥形孔相互嵌合，出水帽由螺纹与外壳连接。（a）整体结构（b）内部结构图 9 移动装置图 10 所示为挡风罩，该结构能有效避免雾化药液受风力的影响而偏离喷洒方向，以达到减少药液马登秋等小型辣椒农药喷洒机结构设计 110 第 25 卷第 1 期遵义师范学院学报2023 年 2 月浪费和实现精准喷洒的目的，同时在内部安装一块磁铁，能与旋流器上的同极磁铁产生排斥力。图 10挡风罩3.2 工作原理（1）雾化过程当药液汇集到推程片时，高压水流推动球形塞向上移动，药液进入腔体内，药液只能通过旋流器上的切向槽流入离心室，流入离心室的药液高速旋转，撞击到内壁时破碎化，分散成小的液滴后完成雾化过程，最后由出水帽上的出水孔喷出。（2）周期喷洒过程某一时刻大流量的药液顶开球形塞进入腔体，高压水流推动旋流器向上移动，旋流器上的锥形凸起与出水帽上的出水孔逐渐嵌合，当旋流器向上移动距离逐渐变大时，与出水帽的间隙逐渐变小，在这一过程中药液从小孔喷出的范围越来越小，即观察药液喷出的效果是由较大角度的锥形面变化为较小角度的锥形面，最后变化为一条直线。当下一时刻小流量的药液顶开球形塞进入腔体时，其推动旋流器的力较小，旋流器在同极磁铁斥力的作用下，旋流器反向移动使得喷头内的变化与上述过程相反，从而实现大小流量交替喷出和周期性变化喷洒范围的目的。4 测试与调试图 11 为小型辣椒农药喷洒机样机，通过实际测试可知：助力系统满足设计要求，操作人员可根据需要调节速度；水箱可以完全注满水，农药喷洒机具备足够的刚度和强度；喷头周期性地变化喷洒范围，喷头农药雾化效果好；上下喷头均可喷洒，可满足植株叶子正反面农药喷洒的要求。图 11 小型辣椒农药喷洒机样机5 结论本文根据辣椒全生长周期及种植特点，分析了其对农药喷洒装置的功能需求，设计了一款农药喷洒机，该装置主要由机架、助力机构、转向机构及喷洒机构四个部分组成，其中喷头具备雾化功能，可周期性变化喷洒范围。利用 SolidWorks 进行农药喷洒机的三维造型设计，进而完成设备加工制造，经功能测试，所设计小型农药喷洒机满足设计和使用要求。该设计可有效降低工作人员劳动强度、提高喷洒效率。参考文献：1关晓溪,隋常玲,李金红.生物农药防治辣椒疫病研究进展J.农药,2020,59(7):473-476.2熊中刚,陈坤.基于PLC控制的收割机作业信息监测装置设计J.遵义师范学院学报,2019,21(5):92-94.3张强,刘小雍,陈孝玉,等.一种小型智能浇灌系统的电路设计J.遵义师范学院学报,2021,23(3):102-105.4周凤芳.背负式喷雾机农药药水在线混合方法的研究D.南京：南京林业大学,2012.5朱月秋,陈小兵.浅谈我国植保机械的现状与发展机遇J.农业开发与装备,2007(10):11-13.6杨华,孙庆峰,周洪富.植保机械的现状与选用J.北方果树,2007(3):55-57.7杨学军,严荷荣,徐赛章.植保机械的研究现状及发展趋势J.农业机械学报,2002,33(6):129-131.8赵明宇,王英姿,邱立春,等.我国植保机械的使用现状及发展趋势J.中国农机化学报,2004(3):37-38.9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.（责任编辑：朱彬）