盧鑫羽，龔艷，陳曉，王果，劉德江，張曉

(農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京市，210014)

0 引言

設(shè)施農(nóng)業(yè)是在環(huán)境相對(duì)可控條件下，采用工程技術(shù)手段進(jìn)行動(dòng)植物高效生產(chǎn)的一種現(xiàn)代農(nóng)業(yè)方式。與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)起步較晚，但自20世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)水平的不斷提升，以及國(guó)民對(duì)瓜果、蔬菜等農(nóng)產(chǎn)品數(shù)量與品質(zhì)需求的日益增長(zhǎng)，我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)進(jìn)入高速發(fā)展階段[1]。據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年我國(guó)溫室面積達(dá)1 963.7 khm2，占全世界的80%，設(shè)施園藝年產(chǎn)值達(dá)9 800 億元，我國(guó)已經(jīng)成為設(shè)施農(nóng)業(yè)大國(guó)[2-3]。然而我國(guó)每年設(shè)施栽培作物因病蟲(chóng)害導(dǎo)致的減產(chǎn)減收損失率達(dá)20%～30%[4-6]，設(shè)施溫室常用的病蟲(chóng)害防治手段仍是噴施化學(xué)農(nóng)藥。

而在目前設(shè)施農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程中，仍存在著機(jī)械化水平較低，適用裝備缺乏，勞動(dòng)力需求大、成本高等問(wèn)題。目前設(shè)施溫室內(nèi)仍采用背負(fù)式手動(dòng)(電動(dòng))噴霧器或擔(dān)架(推車)式機(jī)動(dòng)噴霧機(jī)，不僅施藥量高、噴霧均勻性差、農(nóng)藥有效利用率低，且大容量雨淋式的噴霧會(huì)造成設(shè)施棚室內(nèi)濕度驟增，極易造成二次病害[7-12]。施藥過(guò)程中，因缺乏專業(yè)的技術(shù)知識(shí)和操作規(guī)范，密閉的棚室環(huán)境中造成操作人員的農(nóng)藥中毒，威脅人身安全的現(xiàn)象數(shù)見(jiàn)不鮮。而且目前設(shè)施溫室大棚中瓜菜(西甜瓜、番茄、辣椒等)多采用吊蔓、分行密植，行間距較窄(約為500 mm)，作物生長(zhǎng)中后期植株較高且枝繁葉茂，普通植保作業(yè)機(jī)具通過(guò)性較差，難以進(jìn)入行間進(jìn)行施藥作業(yè)。因此從設(shè)施溫室植保作業(yè)的施藥技術(shù)要求出發(fā)，并考慮到機(jī)具遠(yuǎn)程作業(yè)的需求，以農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝融合為目標(biāo)，本文設(shè)計(jì)一款電動(dòng)履帶式立式噴桿噴霧機(jī)，并進(jìn)行相應(yīng)的樣機(jī)試制與田間試驗(yàn)等工作。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

電動(dòng)履帶式立式噴桿噴霧機(jī)主要有底盤、行走系統(tǒng)、噴桿高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、噴桿平衡系統(tǒng)、噴霧系統(tǒng)、電動(dòng)控制系統(tǒng)和電控系統(tǒng)組成，其工作原理流程圖如圖1所示。此噴霧機(jī)采用自走式遙控作業(yè)，通過(guò)遙控系統(tǒng)傳遞信號(hào)至電動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)而驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)履帶輪，進(jìn)而帶動(dòng)履帶底盤前進(jìn)、后退及轉(zhuǎn)向。噴霧機(jī)電池、液泵、電磁閥等安裝在履帶底盤腔體內(nèi)。藥箱架、控制箱、噴桿高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)等通過(guò)螺栓連接與履帶底盤連為一體，噴桿高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、噴桿安裝座、噴霧系統(tǒng)等通過(guò)銷釘、滾珠絲杠、伸縮電機(jī)等連接，電動(dòng)控制系統(tǒng)與遙控系統(tǒng)安裝在控制箱中。

圖1 履帶式立式噴桿噴霧機(jī)工作原理流程圖Fig.1 Flow chart of the working principle of the crawler vertical boom sprayer

履帶式立式噴桿噴霧機(jī)噴霧系統(tǒng)采用液力霧化原理，以蓄電池為動(dòng)力源。藥液從藥箱通過(guò)輸液管送至液泵，通過(guò)隔膜泵將藥液進(jìn)行加壓，部分藥液通過(guò)穩(wěn)壓閥回流至藥箱帶動(dòng)藥液進(jìn)行攪拌混合，部分藥液通過(guò)管路進(jìn)入噴頭進(jìn)行霧化。該噴霧系統(tǒng)可快速更換噴頭，改變噴霧壓力，調(diào)節(jié)噴頭間距、噴霧角度、噴霧距離等；并可針對(duì)不同生長(zhǎng)期作物的施藥需求，進(jìn)行單側(cè)或雙側(cè)噴霧，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施藥、對(duì)靶施藥的需求。

基于調(diào)查研究獲得的聯(lián)棟大棚與日光溫室的建筑尺寸、種植模式與植保需求，確定了電動(dòng)履帶式立式噴桿噴霧機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 噴霧機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of sprayer

2 主要零部件設(shè)計(jì)

2.1 行走系統(tǒng)

為節(jié)約用地，增加種植面積，目前設(shè)施溫室大棚中吊蔓類作物行間距在500 mm左右，大棚預(yù)留的作業(yè)通道寬度多在800 mm以內(nèi)，行間未實(shí)現(xiàn)路面硬化，已有的大田施藥機(jī)具難以適用。因此為適應(yīng)設(shè)施溫室大棚吊蔓作物起壟種植的種植條件，行間地形相對(duì)平坦、土質(zhì)主要為壤土和粘土、溫室相對(duì)潮濕的作業(yè)環(huán)境，要求噴霧機(jī)可實(shí)現(xiàn)行間施藥作業(yè)，底盤與機(jī)具具有較小寬度；行走系統(tǒng)及其結(jié)構(gòu)參數(shù)應(yīng)滿足在潮濕土地工作需求，具有較好的爬坡、直線行駛與轉(zhuǎn)向能力。因此選用轉(zhuǎn)向性能好、負(fù)載質(zhì)量高、越障能力優(yōu)越的履帶底盤。綜合各方因素，要求底盤平均對(duì)地比壓不超過(guò)50 kPa，履帶底盤寬度為500 mm以內(nèi)，最大爬坡角為20°，滿載質(zhì)量為130 kg。

因金屬履帶造價(jià)較低、通過(guò)性強(qiáng)、對(duì)地比壓小，后期維護(hù)保養(yǎng)方便，易于拆卸與更換，因此采用合金履帶，并在連接軸處選用銅套連接，增強(qiáng)其耐磨性。由于整機(jī)采用電力驅(qū)動(dòng)，因此驅(qū)動(dòng)輪采用四驅(qū)形式，在履帶底盤前后各安裝一個(gè)電機(jī)帶動(dòng)減速機(jī)進(jìn)行底盤驅(qū)動(dòng)，增加其動(dòng)力輸出，通過(guò)控制左右側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速與進(jìn)行轉(zhuǎn)向、掉頭等工作。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，支重輪可有效削弱履帶底盤行走過(guò)程中的起伏差，改善行走的平穩(wěn)性并減少阻力。一般來(lái)說(shuō)，支重輪越多，其對(duì)地壓力越均勻，考慮到設(shè)計(jì)總體需求對(duì)地比壓p不超過(guò)50 kPa，因此采用每側(cè)設(shè)計(jì)安裝5個(gè)支重輪，并每側(cè)安放3個(gè)托帶輪。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，平均接地比壓為整機(jī)質(zhì)量除以履帶接地面積，此指標(biāo)為履帶車輛設(shè)計(jì)總體參數(shù)選擇的依據(jù)[13]。履帶行走時(shí)接地面積、整機(jī)質(zhì)量與平均對(duì)地比壓應(yīng)滿足式(1)。

(1)

式中：A——總接地面積，A=2Lb，m2；

G——機(jī)具重力，G=mg，N；

m——機(jī)具滿載質(zhì)量，m=130 kg；

g——重力加速度。

根據(jù)履帶噴霧機(jī)實(shí)際滿載作業(yè)工況，取G為1.3 kN，由式(1)得式(2)。

(2)

式中：L——履帶總接地長(zhǎng)度，m；

b——履帶寬度，m。

查閱文獻(xiàn)可知，履帶底盤的履帶接地長(zhǎng)度L與履帶軌距B0的比值對(duì)底盤整體穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)向性能與功耗損失有較大影響，兩者之間比值若低于1，底盤直線行走能力較差；比值若大于1.7難以轉(zhuǎn)向，因此綜合考慮到履帶底盤行走能力與轉(zhuǎn)向能力，一般L/B0≈1.2～1.4，此處履帶底盤履帶接地長(zhǎng)度L與軌距B0比值取L/B0=1.2。根據(jù)履帶底盤整體設(shè)計(jì)要求，為保障機(jī)具通過(guò)性，履帶底盤寬度應(yīng)小于500 mm，取履帶軌距B0為0.32 m，計(jì)算得L=1.2×B0=0.32×1.2=0.384 m。同時(shí)，履帶寬度b與履帶總接地長(zhǎng)度L應(yīng)滿足b/L≈0.18～0.22，取b/L=0.2，計(jì)算得履帶寬度b=L×0.2=0.076 8 m，查找相關(guān)資料并分析后選用履帶寬度b=0.07 m。帶入式(2)計(jì)算得2Lb=2×0.384×0.07=0.537 6 m2>0.2 m2，滿足履帶底盤的設(shè)計(jì)需求。

電動(dòng)履帶式立式噴桿噴霧機(jī)的作業(yè)環(huán)境多為溫室濕軟土地路面，地面無(wú)較大坡度，且履帶底盤行走時(shí)不允許同時(shí)轉(zhuǎn)向和行走，因此根據(jù)行走裝置直行所需驅(qū)動(dòng)力選擇電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率，并運(yùn)用水平路面拐彎時(shí)所需驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行校核。電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率

(3)

式中：N——電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率，kW；

Q1——直線行走時(shí)履帶底盤驅(qū)動(dòng)力，kN；

v1——履帶底盤直線行走時(shí)額定行駛速度，取噴霧機(jī)最高行進(jìn)速度為1.5 m/s；

η1——電機(jī)傳動(dòng)效率，η1=0.98；

η2——履帶底盤行走效率，η2=0.95。

底盤驅(qū)動(dòng)力主要受到運(yùn)行阻力F1、內(nèi)部阻力F2與慣性力Fi做功，因此得到底盤驅(qū)動(dòng)力

Q1=F1+F2+Fi=(f1+f2)mg+0.02mg

(4)

式中：f1——履帶底盤滾動(dòng)阻力系數(shù)，查閱資料得濕土路f1=0.08～0.10，取f1=0.09；

f2——零件內(nèi)部摩擦力，取f2=0.06；

Fi——慣性阻力，N，F(xiàn)i=(0.01～0.02)mg。

=0.356 kW

由于履帶底盤采用四只電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)底盤運(yùn)動(dòng)，選擇電機(jī)儲(chǔ)備系數(shù)為2.15，因此電機(jī)輸出功率應(yīng)高于0.766 kW，每個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率應(yīng)高于0.766÷4=0.191 kW，即可滿足履帶噴霧機(jī)的行駛需要。經(jīng)過(guò)調(diào)研與分析后，選擇DZ050-895型號(hào)直流電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)速為6 000～12 000 r/min，配有雙動(dòng)力輸出軸，電機(jī)功率0.368 kW，額定工作電壓DC12～24 V，此時(shí)履帶底盤總功率為1.472 kW。

根據(jù)履帶式立式噴桿噴霧機(jī)水平路面拐彎時(shí)受力，對(duì)所選電機(jī)總驅(qū)動(dòng)功率進(jìn)行校核。根據(jù)劉海燕[14]的研究，履帶底盤轉(zhuǎn)彎時(shí)底盤主要受到運(yùn)行阻力F1、內(nèi)部阻力F2、轉(zhuǎn)彎阻力Fr與慣性阻力Fi等，其中轉(zhuǎn)彎阻力

Fr=(0.7～0.9)f3mg

(5)

其中，f3為摩擦系數(shù)，與土壤性質(zhì)和轉(zhuǎn)彎半徑相關(guān)，在實(shí)際計(jì)算中，f3的取值范圍一般為0.4～0.7，此處選擇0.5。因此底盤驅(qū)動(dòng)力

Q2=(F1+F2+Fi+Fr)v2

=[(f1+f2)mg+0.02mg+

(0.7～0.9)f3mg]v2

(6)

式中：v2——噴霧機(jī)轉(zhuǎn)彎時(shí)的速度，取噴霧機(jī)轉(zhuǎn)彎速度為0.5 m/s。

代入計(jì)算得

0.5=0.371 kW<1.472 kW

經(jīng)過(guò)水平路面直線行走的功率計(jì)算與轉(zhuǎn)彎時(shí)的功率校核，所選電機(jī)適用于履帶式立式噴桿噴霧機(jī)底盤。

(7)

式中：D——驅(qū)動(dòng)輪直徑，m；

P——履帶節(jié)距，m；

n——驅(qū)動(dòng)輪齒數(shù)。

查閱資料選擇n=9，代入式(7)計(jì)算得驅(qū)動(dòng)輪直徑為D=0.13 m。

與其他齒輪減速機(jī)相比，行星齒輪減速機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)精度高、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。且該設(shè)計(jì)的履帶底盤內(nèi)部腔體空間有限，因此需要體積較小、結(jié)構(gòu)緊湊的減速機(jī)。同時(shí)根據(jù)電機(jī)功率與行駛速度要求，選用傳動(dòng)效率高、結(jié)構(gòu)緊湊的行星齒輪減速機(jī)作為減速機(jī)。設(shè)減速機(jī)的減速比為i，根據(jù)式(8)

(8)

式中：n1——電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，額定轉(zhuǎn)速為8 000 r/min；

i——傳動(dòng)比。

求得i=41.02，因此選取的行星齒輪減速機(jī)的減速比為41。通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算后，確定選用的行星減速機(jī)為PG42行星齒輪減速機(jī)，齒圈材料為金屬40Cr，減速比為41，主軸最大承載力矩為196.13 N。完成對(duì)履帶式立式噴桿噴霧機(jī)底盤與傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、計(jì)算與分析后，進(jìn)行履帶底盤試制加工。試制加工的底盤采用304不銹鋼作為機(jī)身，履帶底盤尺寸為0.86 m×0.45 m×0.25 m(長(zhǎng)×寬×高)，底盤自重35 kg。

2.2 噴桿噴霧系統(tǒng)

2.2.1 噴頭選型

目前我國(guó)設(shè)施大棚因地制宜，根據(jù)環(huán)境存在兩種不同的結(jié)構(gòu)形式。南方多采用普通簡(jiǎn)易大棚，一般東西跨度為6～8 m，南北跨度30～60 m，脊高1.5～2 m；北方多采用日光溫室大棚，南北跨度8～10 m，東西跨度80～100 m，脊高2.6～3 m。較之簡(jiǎn)易大棚，日光溫室建筑面積大、棚內(nèi)高度高，因此本設(shè)計(jì)參考日光溫室大棚的設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行噴桿噴霧系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算。根據(jù)實(shí)際測(cè)量，設(shè)施溫室內(nèi)吊蔓西甜瓜生長(zhǎng)中后期株高約為180～220 cm，且作物上中下層葉面積不同，作物壟寬1 m左右，壟間距0.5 m。因此依據(jù)作物高度及葉面積選用1 700 mm長(zhǎng)度的噴桿，噴桿上安裝四只噴頭，噴頭間距為50 cm，噴霧機(jī)雙側(cè)同時(shí)進(jìn)行噴霧的施藥方式。根據(jù)馬國(guó)義等[15]的研究，設(shè)施溫室作物施藥量為200 L/hm2，該噴霧機(jī)底盤的額定作業(yè)速度為1.8～3.6 km/h，單側(cè)噴霧幅度為2.2 m，雙側(cè)噴幅為4.4 m。

(9)

Vm——單位面積施藥量，L/hm2；

vf——機(jī)車額定作業(yè)速度，km/h；

PF——噴幅，m。

計(jì)算得噴頭總流量

(10)

如果使用8個(gè)大小相同的噴頭，分布在兩側(cè)噴桿。則每個(gè)噴頭的流量為5.28÷8=0.66 L/min。需要選用流量大于0.66 L/min的噴頭。目前植保作業(yè)中常用的噴頭種類為扇形霧噴頭或圓錐霧噴頭，可根據(jù)病蟲(chóng)害種類的不同進(jìn)行噴頭的更換和選型。根據(jù)德國(guó)Lechler公司生產(chǎn)的噴頭進(jìn)行選型，當(dāng)噴施殺蟲(chóng)劑時(shí)，選用圓錐霧TR80-02型號(hào)噴頭進(jìn)行施藥作業(yè)，其在0.2 MPa壓力下的理論流量為0.65 MPa；當(dāng)噴施除草劑等時(shí)，選用ST110-02型號(hào)噴頭，進(jìn)行施藥。因此選用ST110-02、TR80-02噴頭進(jìn)行施藥，工作壓力0.2～0.4 MPa，額定流量范圍為0.65～0.92 L/min。

2.2.2 藥箱選型

藥箱具有可在噴霧機(jī)作業(yè)過(guò)程中儲(chǔ)存藥液，為液泵不間斷的輸送藥液以及攪拌藥液防止藥液沉積的功能，在施藥過(guò)程中發(fā)揮重要作用。若不考慮噴霧機(jī)的負(fù)載和作業(yè)性能，在理論上藥箱的容積越大，噴霧機(jī)的工作效率越高，但是由于整機(jī)負(fù)載的限制以及作業(yè)面積的需求，藥箱的設(shè)計(jì)選型需要采用相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式并結(jié)合實(shí)際植保作業(yè)需求。根據(jù)已有的研究，藥箱的選型取決于液泵的流量、機(jī)具單次作業(yè)面積、機(jī)具行進(jìn)速度以及噴頭流量等。具體計(jì)算過(guò)程如下。

2.2.3 液泵選型

通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研與研究總結(jié)，目前植保機(jī)械常用的液泵種類包含容積式泵、葉片泵、活塞泵、離心泵、和蠕動(dòng)泵等等。其中隔膜泵借助隔膜將藥液與活柱和泵體隔開(kāi)，對(duì)活柱和泵體具有一定的保護(hù)作用，增加隔膜泵的耐磨損性、耐腐蝕性并增加使用壽命，被廣泛應(yīng)用到目前的植保機(jī)械中。依據(jù)噴霧機(jī)的設(shè)計(jì)需求，采用蓄電池對(duì)整機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，因此選用隔膜泵作為本設(shè)計(jì)的泵體。液泵的選型需綜合考慮泵體的壓力與流量。而在設(shè)計(jì)中，考慮到液泵在給噴霧系統(tǒng)提供穩(wěn)定的壓力與流量的同時(shí)，兼顧到部分藥液將回流至藥箱，起到壓力調(diào)節(jié)和對(duì)藥箱藥液的攪拌與沖洗作用，防止藥劑在藥箱底部沉淀。由于噴頭的總流量為5.28 L/min，藥箱容量為55 L，因此依據(jù)式(11)對(duì)液泵流量進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。因此選擇的液泵理論流量應(yīng)大于噴頭的總流量。

Qp≥QL+V·k

(11)

式中：Qp——液泵流量，L/min；

QL——噴頭總流量，L/min；

V——藥箱容量，L；

k——液力攪拌系數(shù)。

一般地，選用液力攪拌系數(shù)為0.1，計(jì)算得到液泵流量Qp≥10.68L。因噴頭的額定工作壓力為0.2～0.5 MPa，選用SEAFLO型號(hào)高壓智能泵，最大流量為26.5 L/min，額定工作電壓24 V，最大壓力0.6 MPa，液泵壓力可調(diào)，最大電流11.2 A，最高功率268.8 W。該隔膜泵采用一端連接藥箱出水口、另一端通過(guò)四通管道分別連接至左側(cè)、右側(cè)噴桿裝置電磁閥以及藥箱回水管路，實(shí)現(xiàn)對(duì)噴霧機(jī)兩側(cè)的噴桿輸送藥液以及藥箱回水?dāng)嚢琛?/p>

2.3 電動(dòng)控制系統(tǒng)

電動(dòng)履帶式立式噴桿噴霧機(jī)的電動(dòng)控制系統(tǒng)主要分為兩個(gè)部分，一部分是對(duì)于底盤的前進(jìn)、后退與轉(zhuǎn)向，另一部分是對(duì)噴霧系統(tǒng)的控制?？刂葡到y(tǒng)主要包括信號(hào)接收器、遙控器、處理器、傳感器等組成。其中遙控器上左右推桿分別控制履帶底盤左側(cè)與右側(cè)電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)履帶底盤的加速、減速、轉(zhuǎn)向與停止。同時(shí)可通過(guò)遙控器上的按鈕進(jìn)行噴霧系統(tǒng)的控制，通過(guò)控制電磁閥、液泵的開(kāi)啟與關(guān)閉進(jìn)行施藥作業(yè)；通過(guò)控制噴桿高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的電機(jī)正反轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)噴桿的高度；通過(guò)姿態(tài)傳感器采集到的信號(hào)傳遞至處理器得到噴桿的角度，進(jìn)而處理器進(jìn)行處理后作用至伸縮電機(jī)，進(jìn)而控制噴桿姿態(tài)，保持噴桿垂直狀態(tài)。

3 樣機(jī)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

為評(píng)估電動(dòng)履帶式立式噴桿噴霧機(jī)的性能與田間噴霧效果，進(jìn)行電動(dòng)履帶式立式噴桿噴霧機(jī)的性能進(jìn)行試驗(yàn)，噴霧機(jī)樣機(jī)如圖2所示。試驗(yàn)包括噴霧系統(tǒng)霧化性能測(cè)試以及田間試驗(yàn)。其中噴霧系統(tǒng)霧化性能測(cè)試包括施藥量誤差率測(cè)定與霧滴粒徑；此部分在農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所檢驗(yàn)與測(cè)試中心的國(guó)家植保機(jī)械質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心進(jìn)行，測(cè)試時(shí)間為2020年7月26日，室內(nèi)溫度26.52 ℃，濕度50.4%。自然風(fēng)速小于0.5 m/s。

圖2 噴霧機(jī)樣機(jī)Fig.2 Prototype of sprayer

田間試驗(yàn)包括噴霧機(jī)實(shí)際沉積量、霧滴密度的測(cè)定；此部分于中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院壽光蔬菜研發(fā)中心36#設(shè)施溫室大棚中進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)對(duì)象為設(shè)施吊蔓甜瓜。甜瓜作物平均株高為2.2 m，采用雙行起壟的種植方式，壟寬1 m，壟距0.7 m，株距0.5 m。試驗(yàn)時(shí)間為2021年1月8日，室內(nèi)平均溫度為27.16 ℃，濕度38.54%，溫室為無(wú)自然風(fēng)狀態(tài)。施藥時(shí)額定作業(yè)速度為1 m/s，噴霧壓力為0.2 MPa，噴頭型號(hào)為ST110-02型號(hào)噴頭。

3.2 噴霧系統(tǒng)霧化性能測(cè)試

噴頭施藥量、霧滴粒徑關(guān)乎到藥液是否能均勻的、有效的抵達(dá)作物葉片，達(dá)到施藥效果，因此需要對(duì)噴霧系統(tǒng)的霧化性能進(jìn)行測(cè)試。噴霧系統(tǒng)霧化性能測(cè)試主要包括施藥量的誤差率與霧滴粒徑。施藥量誤差率的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17997—2008《農(nóng)藥噴霧機(jī)(器)田間操作規(guī)程及噴灑質(zhì)量評(píng)定》；霧滴粒徑的評(píng)價(jià)指標(biāo)為Himel和Uk提出的生物最佳粒徑理論[1]，即不同種類的病蟲(chóng)害所需的最佳粒徑不同，飛行類昆蟲(chóng)的生物最佳粒徑為10～50 μm，葉面爬行類害蟲(chóng)幼蟲(chóng)的生物最佳粒徑為30～150 μm，對(duì)植物病害和雜草的生物最佳粒徑為30～150 μm和100～300 μm。常用的霧滴粒徑表示方式為：體積中值粒徑和數(shù)量中值粒徑，本文采用體積中值粒徑Dv50進(jìn)行噴霧機(jī)霧滴粒徑分布規(guī)律試驗(yàn)，并作為評(píng)價(jià)噴霧機(jī)噴霧性能的重要指標(biāo)。

試驗(yàn)開(kāi)始前，在噴霧機(jī)中加入試驗(yàn)介質(zhì)(清水)，并將機(jī)具調(diào)至額定工況。首先進(jìn)行各噴頭施藥量進(jìn)行檢驗(yàn)，開(kāi)啟噴霧機(jī)后將壓力依次調(diào)至0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa，運(yùn)用量筒分別采集各個(gè)噴頭的實(shí)際噴藥量，每次采集時(shí)間為60 s，運(yùn)用秒表進(jìn)行記時(shí)。每組試驗(yàn)結(jié)束后用天平對(duì)采集到的藥液進(jìn)行稱重并記錄至試驗(yàn)記錄本，兩側(cè)噴桿共8只噴頭，需采集TR80-02與ST110-02兩種噴頭的施藥液量，每組試驗(yàn)重復(fù)三次，取其平均值。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 噴頭流量記錄表Tab.2 Nozzle flow record table

測(cè)定完各噴頭的實(shí)際噴藥量后，運(yùn)用Brttersize2000S型號(hào)百特激光粒度分析儀對(duì)噴桿不同高度的霧滴粒徑值進(jìn)行測(cè)量。將噴霧機(jī)噴霧距離調(diào)整至距激光粒度儀激光線500 mm，將底部噴頭軸線與激光線的交點(diǎn)設(shè)定為零點(diǎn)，軸線以下為負(fù)，軸線以上為正，每間隔10 cm進(jìn)行一個(gè)點(diǎn)的采樣，最低點(diǎn)為-45 cm，最高處為170 cm，超出最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的位置均無(wú)有效數(shù)據(jù)，各采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)如表3所示。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖3所示。

表3 不同噴霧高度的噴頭霧滴粒徑分布Tab.3 Nozzle droplet size distribution of different spray heights

圖3 霧滴粒徑測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.3 Field diagram of droplet size test

3.3 機(jī)具田間對(duì)比試驗(yàn)

圖4為試驗(yàn)時(shí)的布樣點(diǎn)示意圖，沿行走方向布置2個(gè)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)布置5個(gè)布樣點(diǎn)，每個(gè)布樣點(diǎn)分上、中、下三層進(jìn)行布樣(圖5)。

圖4 布樣方案Fig.4 Layout plan

圖5 布樣點(diǎn)示意圖Fig.5 Schematic diagram of layout points

其中濾紙、水敏紙均布置正反兩層，布樣中應(yīng)保持各層濾紙、水敏紙無(wú)遮蓋情況。試驗(yàn)以誘惑紅溶液作為示蹤劑，按照0.5%的濃度(質(zhì)量比)加入清水中。噴霧結(jié)束后，待水敏紙和濾紙完全干燥后立即回收，將水敏紙進(jìn)行掃描并保存，濾紙放入密封袋存放?；氐綄?shí)驗(yàn)室后運(yùn)用Deposit Scan霧滴分析軟件(美國(guó)農(nóng)業(yè)部開(kāi)發(fā))對(duì)水敏紙進(jìn)行圖像處理，分析霧滴密度。將濾紙樣本放入一定量清水充分浸泡至濾紙上的誘惑紅完全析出，在可見(jiàn)光分光光度計(jì)上測(cè)定洗出溶液的吸光度值，并按照換算公式換算成洗出溶液中誘惑紅的濃度值(其中，誘惑紅溶液濃度值與對(duì)應(yīng)的吸光度值函數(shù)關(guān)系預(yù)先通過(guò)分光光度計(jì)測(cè)定)，按照式(12)計(jì)算各采樣濾紙上的誘惑紅示蹤劑的單位面積沉積量。

(12)

式中：c——單位面積藥液沉積量，μg/cm2；

a——洗出的誘惑紅溶液吸光度值；

f(a)——洗出的誘惑紅溶液中誘惑紅的濃度，μg/mL；

Vw——浸泡濾紙樣本時(shí)加入的清水量，mL；

S——圓盤濾紙的面積，cm2；

r——圓盤濾紙半徑，cm。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果

由表2可以看出，噴頭的噴藥量隨噴霧壓力升高而不斷增加，同一壓力下兩種噴頭的噴藥量區(qū)別很小，各噴頭之間施藥液量也無(wú)顯著變化。同一型號(hào)不同噴頭之間的流量變異系數(shù)較小，均低于10%，滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)噴桿噴霧機(jī)各噴頭間流量的差異不得大于流量平均值的10%、各噴頭噴量分布均勻性系數(shù)不高于15%的規(guī)定。

通過(guò)對(duì)表3中不同噴霧高度的霧滴粒徑進(jìn)行分析，ST110-02和TR80-02噴頭軸線附近的霧滴粒徑值最小，隨噴霧高度增加或減小，霧滴粒徑不斷增加，在兩噴頭中間位置出現(xiàn)粒徑峰值。同時(shí)發(fā)現(xiàn)隨壓力升高霧滴粒徑不斷減小，但各個(gè)采樣點(diǎn)之間的霧滴粒徑變異系數(shù)均在15%以下，其霧滴粒徑也符合最佳生物粒徑理論中葉面爬行類害蟲(chóng)幼蟲(chóng)和植物病害和雜草生物防治的最佳粒徑范圍的要求。因此，采用ST110-02和TR80-02噴頭進(jìn)行施藥作業(yè)可滿足設(shè)施溫室中植保作業(yè)的霧滴粒徑需求。

冠層不同位置的霧滴密度與沉積量分布如表4和表5所示。通過(guò)表4我們可以看出，其不同采樣點(diǎn)的霧滴密度均高于25個(gè)/cm2，同一位置各采樣點(diǎn)霧滴密度變異系數(shù)均低于20%，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于植保機(jī)械霧滴密度的要求。對(duì)于葉片正面，其葉片上層與中層的霧滴密度數(shù)值相當(dāng)，差距較小，而葉片下層霧滴密度偏低；對(duì)于葉片反面，其霧滴密度最高值出現(xiàn)在葉片中層，最低值出現(xiàn)在葉片下層反面。通過(guò)表5可以看出，植株上、中、下層作物葉片正面的平均霧滴沉積量均在1.8～2.0 μg/cm2之間，中層沉積量最高，為1.98 μg/cm2；上層次之，為1.92 μg/cm2；下層最低，為1.83 μg/cm2。葉片正面不同采樣位置之間的沉積量差距較小，最下層沉積量約為最上層的92.42%。同一位置各采樣點(diǎn)之間的沉積量變異系數(shù)均低于20%，其中上層變異系數(shù)最低，為10.37%，中層變異系數(shù)為17.8%，下層最高為18.19%。而作物葉片背面的總沉積量明顯低于正面，僅有正面沉積量的15%～25%，同時(shí)作物背面沉積量差值略大于正面，最低值(下層反面)約為最高值(上層反面)的55%；其不同采樣點(diǎn)之間的變異系數(shù)以及總體變異系數(shù)均大于葉片正面，其總沉積量低于葉片正面，葉片正面為5.72 μg/cm2，反面為1.26 μg/cm2。

表4 不同采樣點(diǎn)的霧滴密度表Tab.4 Droplet density table of different sampling points

表5 不同采樣點(diǎn)的霧滴沉積量Tab.5 Amount of droplets deposited at different sampling points

結(jié)合表4與表5，可以看出霧滴在作物葉片正面的總沉積量與總霧滴密度數(shù)值均高于背面，其中葉片正面總沉積量為5.72 μg/cm2，總霧滴密度為237.7個(gè)/cm2，葉片反面總沉積量為1.26 μg/cm2，總霧滴密度為181.5個(gè)/cm2。且作物葉片正面霧滴密度與沉積量的變異系數(shù)(分別為5.47%和15.45%)均大于葉片反面(分別為5.37%和26.95%)。結(jié)果表明電動(dòng)履帶式立式噴桿噴霧機(jī)可在吊蔓作物中取得較好的分布均勻性與穿透性，且其在冠層不同部位(上、中、下部)均可形成有效沉積。

4 結(jié)論與展望

本文研制了一款電動(dòng)履帶式立式噴桿噴霧機(jī)。根據(jù)前期調(diào)研與文獻(xiàn)檢閱，確定了噴霧機(jī)的整機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)。確定了電動(dòng)履帶式立式噴桿噴霧機(jī)主要有底盤、行走系統(tǒng)、噴桿高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、噴桿平衡系統(tǒng)、噴桿安裝座、噴霧系統(tǒng)、電動(dòng)控制系統(tǒng)和遙控系統(tǒng)等組成。對(duì)履帶噴霧機(jī)的主要零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)、計(jì)算與選型，其中噴霧系統(tǒng)可快速更換噴頭，改變噴霧壓力，調(diào)節(jié)噴頭間距、噴霧角度、噴霧距離等；并可針對(duì)不同生長(zhǎng)期作物的施藥需求，進(jìn)行單側(cè)或雙側(cè)噴霧，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施藥、對(duì)靶施藥的需求。設(shè)計(jì)結(jié)果可滿足目前設(shè)施溫室大棚的施藥需求。

對(duì)電動(dòng)履帶式立式噴桿噴霧機(jī)進(jìn)行了樣機(jī)性能測(cè)試與田間試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：各噴頭之間的流量變異系數(shù)較小，數(shù)值均低于10%；各個(gè)采樣點(diǎn)之間霧滴粒徑的變異系數(shù)均在15%以下，其霧滴粒徑大小也符合葉面爬行類害蟲(chóng)幼蟲(chóng)和植物病害和雜草生物防治的最佳粒徑范圍，適用于最佳生物粒徑理論；額定工作壓力下霧滴連續(xù)、均勻且霧型完整。作物葉片不同冠層位置與葉片正面平均沉積量均高于1.8 μg/cm2，背面均高于0.3 μg/cm2，其變異系數(shù)在10%～35%之間，正面沉積量顯著高于背面。不同采樣點(diǎn)的不同位置的冠層霧滴密度的均高于25個(gè)/cm2，變異系數(shù)均低于20%。結(jié)果表明電動(dòng)履帶式立式噴桿噴霧機(jī)可在吊蔓作物中取得較好的分布均勻性與穿透性，且其在冠層不同部位(上、中、下部)均可形成有效沉積。

綜上可知，電動(dòng)履帶式立式噴桿噴霧機(jī)符合設(shè)施溫室吊蔓甜瓜植保作業(yè)要求，達(dá)到了農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝結(jié)合的目標(biāo)。在進(jìn)一步的試驗(yàn)中可進(jìn)一步將冠層與施藥結(jié)合起來(lái)，改善作物葉片背部沉積，進(jìn)一步提高沉積分布均勻性和穿透性。