果品产业是我国农业农村经济的重要组成部分，是地方脱贫攻坚的重要依托产业。近年来，随着全球气候的变化，低温霜冻灾害成为北方果园主要自然灾害之一，严重影响和阻碍着果品产业的发展。以山东省为例，作为北方水果生产大省，省内丘陵山地是主要的果树种植基地，但受地形条件影响，果园管理机械化水平较低，果园防霜主要以人工作业为主，劳动强度大、作业效率低、人工成本高，难以满足丘陵果园防霜保护的需要。因此，果园防霜机械设备的研制与应用对降低丘陵果园霜冻灾害损失，提升丘陵果园经济效益具有重要的意义。本文以丘陵果园为研究对象，基于丘陵果园防霜的农艺要求，结合计算机数值模拟与电子控制技术，研制了一套基于丘陵果园输运轨道的烟雾防霜机。国内对机械化防霜领域的研究起步较晚，目前国内大部分果园仍采用灌封冻水、燃烧、树盘覆盖等传统方法进行防霜作业，存在劳动强度大、防霜作业效率低的问题。近年来，随着果园霜冻灾害的频繁发生，果园防霜问题得到越来越多的关注，我国在果园防霜机械上取得了较大的进步，提高了果园防霜机械化水平。但随着果品产业的不断发展，对果园防霜机械也提出了更高的性能要求。目前我国果园防霜机械的研制及使用过程中还存在以下问题：

（1）果园防霜机械种类单一、防霜保护局限性较大。目前国内的防霜机械主要以风送式防霜机为主，该防霜机对逆温条件下发生的低温霜冻灾害具有较好的防护作用，而对寒流冻害无法提供有效的防霜保护。

（2）果园防霜机械与农艺结合程度较低

丘陵果园是北方果树主要的种植基地，也是霜冻灾害的频发地区。受地形条件影响，丘陵果园海拔高度差距较大，果树种植分散较强，而国内现有风送式防霜机固定的安装方式及结构设计，在丘陵果园防霜作业过程中存在较大的防霜盲区，较难满足丘陵果园的防霜要求。

（3）果园防霜机械购置成本高、闲置率高

由于果园防霜机械现阶段在国内的推广应用较少，防霜机的购置及安装成本较高。同时，现有防霜机械在设计上普遍专机专用、功能单一，防霜风机安装后，仅在霜冻灾害发生时开机作业，其余时间处于关机闲置状态，机械利用率极低。

（4）针对果园防霜机的结构设计方面缺乏研究

目前对于果园防霜机械的研究主要集中在防霜机参数的优化设计方面，而在果园防霜机械的结构创新设计上缺乏系统的研究。

命题内容：

主要研究内容及结论如下：

（1）以丘陵果园为研究对象，根据丘陵果园地形特征及果树种植特点，确定防霜机的整体设计方案。以丘陵果园输运轨道牵引车为动力装置，以高浓度烟雾为防霜保护介质，完成丘陵果园烟雾防霜机的关键部件包括发动机、传动系统、轨道结构和啮合机构的选型与设计。同时，利用ADAMS软件对啮合机构进行动力学仿真分析，仿真结果表明，驱动销轮与轨道齿条啮合连续性良好，当啮合机构运行速度为749.98 mm/s、负载转矩为120935 N·mm时，销齿与齿条啮合产生的接触力Fx平均值为2401.88 N，与理论值的误差为5.12%，啮合机构的虚拟样机动力学分析可靠。

（2）采用Fluent软件，基于离散相模型对烟雾扩散过程中烟雾质量浓度和温度的时空分布特性进行仿真分析。研究表明，烟雾从出口处以6 m/s的速度持续喷发，受环境中风流方向的影响，沿水平方向扩散；在1~7 s内，烟羽体积逐渐增大，烟羽外形呈倒V形，9 s后，烟雾达到稳定扩散状态；扩散过程中，高温烟雾主要集中在烟羽中心处，随着烟羽体积的增加，烟雾与环境中的冷空气不断发生热量交换，烟雾温度逐渐降低至环境温度。

（3）基于建立的烟雾扩散仿真模型，以烟雾出口速度、烟雾出口角度、烟雾出口直径三个工作参数为试验因素，以果树冠层附近的增温幅度为指标，进行虚拟正交试验。试验表明，果树冠层附近增温幅度最大时，防霜机烟雾出口处工作参数的最佳组合为烟雾出口速度为10 m/s，烟雾出口角度为60°，烟雾出口直径为140 mm。同时，进一步探究烟雾出口处工作参数对烟雾扩散的影响，为防霜机烟雾出口处的结构设计提供理论支持。

（4）为提高丘陵果园烟雾防霜机的自动化程度，以三菱FX1N-24MT型PLC为主控制器，设计了烟雾防霜机牵引车控制系统和烟雾发生输送控制系统。通过变换供电线路的正负极性，实现电动推杆的伸长与收缩，完成牵引车档位的实时切换；通过遥控器触发烟雾发生剂引燃模块及风机启动模块，实现烟雾的发生与输送作业。

命题要求：整机结构主要由丘陵果园输运轨道牵引车、烟雾发生输送部件及控制箱构成，丘陵果园烟雾防霜机进行防霜作业时，烟雾发生输送部件通过连接装置与丘陵果园轨道输运牵引车相连，通过牵引车的运行带动烟雾发生与输送部件的移动，从而实现丘陵果园的移动防霜作业。果园防霜作业过程中，防霜机的运行控制系统主要由PLC（可编程控制器）和电动推杆组成，利用遥控器向防霜机控制系统发出信号，通过改变系统电路的正负极性变换，实现电动推杆的伸缩运动，从而实现对防霜机运行的控制。防霜机的烟雾发生输送部件主要由烟雾发生剂、风机及系统控制元件组成。烟雾发生输送控制系统以PLC为核心主控制器，通过控制烟雾发生剂的引燃及风机的启闭，实现烟雾的发生输送。烟雾发生剂通过与氧气作用，生成高分散度的氧化物颗粒，在风机的作用下输出并扩散形成大量烟雾，烟雾较长时间的漂浮在一定高度的空气中形成烟幕，可有效地减少果园的热辐射散失。同时，生成的大量烟雾将果园的湿冷空气化解成水，释放出一定的潜热，可有效的提高周围环境温度，实现果园防霜的目的。

控制系统技术要求：

（1）防霜机遥控运行。通过设计丘陵果园输运轨道牵引车运行控制系统实现烟雾防霜机的遥控运行作业。

（2）烟雾智能发生与输送。通过遥控器向烟雾发生输出控制系统发送动作指令，能够实现烟雾发生剂的自动引燃及风机的自动启闭与调速。

（3）低温环境预警。利用温度传感器和智能控制器设计低温声光预警系统。当环境温度低于微控单元内设定的温度阈值时，通过控制系统，发出声光报警提示并触发烟雾发生输送系统。