果园风送喷雾风力调控试验台设计及试验

李 琪,窦汉杰,翟长远,高原源,杨 硕,赵春江

(1. 江苏大学 农业工程学院,江苏 镇江 212000; 2. 北京市农林科学院智能装备技术研究中心,北京 100097;3. 西北农林科技大学 机械与电子工程学院,陕西 杨凌 712100)

0 引言

果园病虫害的有效防治可挽回巨大经济损失,目前病虫害防治主要靠化学农药,可挽回66%～90%的果树产量损失[1-2]。为了提高药液穿透能力,果树冠层较大且枝叶稠密的果园开始逐渐推广使用风送喷药技术[3-4]。果树冠层内外沉积分布很大程度上取决于风送系统风力供给[5-6],而风力调控的重要性不亚于药量调控,只有风力和药量均得到精确控制,才能实现果园精准对靶喷药。

近年来,随着药量按需调控方法的突破,风送喷雾风力调控方法与装备受到国内外研究者的广泛关注。风力三要素中,风向的调控主要采用风箱旋转和导流板角度调节来实现[7-9],风送系统风速风量的控制主要通过改变风箱出风口面积、进风口面积和风机转速等方法实现,通过调节风箱喷头到喷雾靶标的距离也可以实现风力供给调控。吕晓兰等采用ICEM建立几何模型,调节风送喷雾机出风口上、下导流板角度,改变出风口风速风量,模拟分析风机外部气流场分布[10]。Pai等[11]和Ryszard等[12]通过改变风机导流板倾斜角度改变气流方向,实现出风口处风速风量调节。邱威等[13]在风箱内部设置导风板调风板,以根据需求调节风箱内部和出口处气流方向,改变喷雾机风速风量。Khot等[14]设计了一种可调节出风口风速和风量的机构,开展了柑橘园试验,发现风速和风量的调节可提高药液沉积和减少50%的药液使用。Khot等[15]通过在风送喷雾机出风口增加遮挡板改变出风口面积,以调节风送风力,为提高雾滴靶标内部沉积、降低飘移提供了一种新的方法和思路。李龙龙等[16]针对果园喷雾风量调节需求,设计了可以根据经验参数公式调节风量的风送喷雾机。Qiu等[17]设计了一种风机转速可调的风送喷雾机,开展梨树试验,研究表明不同类型果树冠层对风速和风量需求不同。Osterman等[18]和周良富等[19]设计的果园风送喷雾机,虽然不改变风箱出口风力大小,但能够移动风箱出口位置,以调节喷雾靶标处风速风量大小。

综上所述,目前设计的风速风量调节装置大都为单一的调节结构,其优点是机械结构和调控系统均相对简单,但无法实现出风口风速和风量的独立控制。针对这一问题,基于塔式果园风送喷雾机,创新设计了风机转速、进风口面积和出风口导流板倾斜角度可独立调控的风速风量调控试验台,并通过开展风力调控试验获取3种方式独立调控下喷雾机出风口风速变化,基于风速变化提出一种适用于塔式果园风送喷雾机出风口风速风量调控的方法。

1 风速风量调控试验台设计

1.1 风机转速、进出风口面积调节装置设计

基于塔式果园风送喷药机(3WG-1200A,江苏南通黄海药械有限公司),利用风机转速、进风口面积和出风口面积对风速风量的异向调控作用,设计了支持风机转速、进风口面积和出风口导流板倾斜角度独立调控的风速风量调控试验台,实现了对喷雾机进风口、喷雾机出风口和风机转速的独立调控,如图1所示。

试验台由直流电机、进风口调节机构、出风口调节机构、风机和喷头等组成。其中,风机驱动机构采用直流大功率电机,向变频器发送不同频率值,调整电机功率,进而控制直流电机转速,实现风机转速的调节,风机转速调节范围0～1800r/min;喷雾机进风口调节装置采用百叶窗结构,通过步进电机驱动电动推杆伸缩,进而控制百叶窗开启角度,实现进风口0～100%开度大小的调节;喷雾机出风口调节装置采用塔式结构,气流通过风箱内部导流板输送至喷雾机出风口位置[20],同时出风口高度方向不同位置处风速风量分布与内部导流板安装方式有关。为了实现根据果树冠层不同位置处枝叶稠密情况进行风速和风量按需调控,在出风口不同高度的导流板位置安装舵机,通过控制舵机转动角度实现导流板不同倾斜角度调控,进而实现出风口不同位置处开度大小的调节,出风口开度调节的具体参数如表1所示。

表1 出风口开度调控参数Table 1 Regulation parameter of air outlet area

1.2 控制系统设计

在上述试验台硬件基础上,根据控制需求设计了果园风送喷雾风速风量调控试验控制系统,如图2所示。控制系统主要由工业平板电脑、电子控制单元(ECU)、变频器、舵机及电动推杆等组成。试验过程中,工业平板电脑通过上位机控制界面实现人机交互,操作者根据试验需求输入当前试验控制参数,工业平板电脑通过CAN总线将控制指令发送给电子控制单元(ECU);ECU成功接收到指令后,根据指令解析结果控制变频器、电动推杆和舵机执行相应的运动,进而实现风机转速、进风口面积和出风口面积的调节,并将风机转速、进风口开度大小和出风口开度大小实时传输给ECU;ECU通过CAN总线传送给工业平板电脑,平板电脑根据解析结果在上位机界面实时显示风机转速、进风口开度大小和出风口开度大小信息;同时,ECU根据反馈信息分别建立风机转速、进风口开度大小和出风口开度大小闭环PID控制,实现对风机转速、进风口面积和出风口导流板倾斜角度的精确调控。

图2 果园风送试验台控制系统Fig.2 Control system of orchard airflow adjustment test bench

1.3 上位机控制界面设计

为了便于试验操作,基于C#语言开发了果园风送喷雾风速风量调控系统上位机控制界面,如图3所示。

图3 上位机界面Fig.3 Host computer interface

界面依据功能可划分为以下5个区块,即通讯参数设置区、出风口电机参数配置区、出风口面积调控区、进风口面积调控区和风机转速调控区。其中,通讯参数设置区的功能为设定通讯串口参数,控制串口打开和关闭,可以根据数据发送和接收类型选择数据发送和接收模式;出风口电机参数配置区的功能为出风口布置22路舵机,控制出风口不同位置开度大小,可以根据实际控制需求进行每路舵机ID号、PWM信号控制范围、转向和扭矩等参数的配置,便于对每路舵机的工作模式进行设置;出风口面积调控区的功能为出风口面积通过22路舵机控制,每路舵机配置不同ID号,通过ID号实现每路舵机转动角度控制,可实时显示每路舵机转动角度和每路舵机控制出风口位置开度大小,实现对风机出风口不同位置开度大小的独立调控;进风口面积调控区的功能为通过滑动条设定进风口位置开度大小,进风口面积控制装置旋转角度和开度大小可实时显示;风机转速调控区的功能为通过滑动条设定风机转速大小,同时根据滑动条设定实时显示风机转速。

2 风速测量平台设计

为了便于采集果园塔式风送喷雾机出风口不同高度位置风速变化,设计了风速测量平台,如图4所示。

图4 风速测量平台Fig.4 Air speed measurement platform

平台主要由滚珠丝杠,步进电机,步进电机驱动器,风速传感器(8455-300,TSI Incorporated,American)及数据采集模块等组成。风速测量过程中,上位机界面向驱动器和数据采集模块发送控制指令,驱动器接收到控制指令后控制步进电机转动,进而带动滚珠丝杠在垂直方向等间距上下移动;步进电机每次移动间距可进行设置,滚珠丝杠螺母每次运动到指定位置后,固定在滚珠丝杠螺母上的风速传感器采集当前位置风速大小,并将采集风速信息发送给数据采集模块,进而发送给上位机控制软件;上位机根据接收到的风速探头位置信息和风速大小信息进行对应存储,便于后期数据分析。整个风速测量过程实现了全自动数据采集和存储,为喷雾机风速风量解耦调控方法研究提供了便利。

3 试验与结果分析

利用上述果园塔式风送喷雾风速风量调控试验台和风速测量平台,开展基于风机转速、进风口面积和出风口面积独立调控的出风口风速风量变化特性试验,如图5所示。试验过程中,风速测量平台放置在距出风口水平距离为2.0m的位置(根据正常喷药作业喷雾机出风口距离果树冠层的位置),风速传感器探头位于出风口中间位置,在风机转速分别为500、600、700、800、900、1000r/min条件下测量出风口在垂直方向不同高度位置处的风速大小,在进风口面积分别为575、1175、1738、2313、2924、3116cm2条件下测量出风口在垂直方向不同高度位置处的风速大小,在出风口面积分别为403、552、701、848、1000、1150cm2条件下测量出风口在垂直方向不同高度位置处的风速大小,进而获取风机转速、进风口面积和出风口导流板倾斜角度独立调控试验条件下喷雾机出风口风速变化特性。

图5 风机转速、进风口面积和出风口面积独立调控试验Fig.5 Independent control test of fan speed,air inlet area and air outlet area

对上述试验获取的出风口风速数据进行分析,分别获取风机转速、进风口面积和出风口导流板倾斜角度独立调控试验条件下果园风送喷雾机出风口风速在垂直方向上的变化情况,分别如图6～图8所示。

图6 风机出风口风速随风机转速变化情况Fig.6 Variation of air speed with fan speed at fan outlet

图7 风机出风口风速随进风口面积变化情况Fig.7 Variation of air speed with air inlet area at fan outlet

图8 风机出风口风速随出风口面积变化情况Fig.8 Variation of air speed with air outlet area at fan outlet

由风机转速独立调控试验数据分析可知:不同风机转速条件下果园风送喷雾机出风口风速变化趋势一致,随着风机转速增加,出风口风速增加,反之风速减小;同时,出风口最大风速位置随风机转速变化近似保持不变,采用线性模型对出风口最大风速与风机转速进行拟合分析,如图9所示。其中,R2=0.9537,其拟合方程为

图9 出风口最大风速随风机转速变化情况Fig.9 Variation of the maximum air speed with fan speed at fan outlet

y=0.0075x-0.1762

(1)

由图7数据分析可知:进风口面积调节过程中,风送喷雾机出风口风速变化趋势始终一致,且随着进风口面积增加,出风口风速增加,反之风速减小;而随着进风口面积变化,出风口最大风速位置近似不变。对出风口最大风速与进风口面积进行线性拟合分析,如图10所示。其中,R2=0.902,其拟合方程为

图10 出风口最大风速随进风口面积变化情况Fig.10 Variation of the maximum air speed with air inlet at fan outlet

y=0.0013x+3.2031

(2)

上述风机转速和进风口面积独立调控试验结果说明:风机转速和进风口面积调节与出风口风速变化呈正相关,与出风口最大风速呈线性关系;以上两种调节方式下,喷雾机出风口面积保持不变,出风口风量与风机转速和进风口面积变化也呈正相关,出风口最大风量位置近似保持不变,出风口最大风量与风机转速和进风口面积调节也呈线性关系。

由图8出风口面积独立调控试验数据分析可知:随着出风口不同位置导流板倾斜角度变化,喷雾机风速在垂直方向分布位置发生变化,随着导流板倾斜角度增加,出风口风速增加,且最大风速位置向垂直方向下方移动。这是由于导流板倾斜角度变化,在改变出风口面积的同时出风口风向也在发生了变化,可以通过建立导流板倾斜角度和出风口最大风速分布位置之间的关系模型,实现出风口最大风速在果树冠层上分布位置调节。由表2可知:在出风口面积为1000cm2时,出风口最大风速约为7.19m/s,最大风速在垂直方向高度约为144.5m,符合一般果园果树最大冠层分布位置,能够达到良好的施药效果。

综合上述3种果园喷雾机风力调节方式,风机转速和进风口面积变化可以实现出风口风速大小的调节,出风口不同位置导流板倾斜角度的变化可以调节出风口风速分布位置。果园实际喷药作业中,可通过风机转速与出风口导流板倾斜角度调节或进风口面积与出风口导流板倾斜角度调节实现果树冠层不同位置处风速风量调节。

4 结论

1)基于果园塔式风送喷雾机,创新设计了支持风机转速、进风口面积和出风口面积独立调控的果园风送喷雾机风速风量调控试验台。同时,为便于采集塔式风送喷雾机出风口不同高度位置风速变化,设计了风速测量平台。

2)开展了风机转速、进风口面积和出风口导流板倾斜角度3种调节方式下出风口风速独立调控试验,得知风口风速风量变化与风机转速和进风口面积调节呈正相关关系,出风口风速在垂直方向不同位置的分布随导流板倾斜角度增加发生改变,并分别建立了风机转速与出风口最大风速风量和进风口面积与出风口最大风速风量的关系模型。

3)根据试验数据提出一种适用果园塔式风送喷雾机的风速风量在线调控方法,可通过风机转速与导流板倾角调节或进风口面积与导流板倾斜角度调节实现果树冠层不同位置处风速风量调节。本研究为实现根据果树冠层体积和枝叶稠密度变化进行风力在线调控提供了一种新方法,对加快风力在线调控方法研究具有重要意义。