一種適于直升機(jī)的智能播撒設(shè)備設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

劉超 戴文浩 馮智慧 呂春鶴 唐健 白鴻巖

摘要：針對(duì)現(xiàn)有的飛機(jī)氣力式播撒設(shè)備在實(shí)際作業(yè)中存在的有效播幅窄、不均勻等問(wèn)題，基于離散式播撒設(shè)備工作原理，設(shè)計(jì)一種適宜適用于直升機(jī)的智能播撒設(shè)備，并對(duì)播散裝置播散速率和播幅進(jìn)行播撒測(cè)試試驗(yàn)。結(jié)果表明：智能播撒器流量一檔至四檔的播撒量分別為33.11，77.52，138.89，227.27 kg/min;播幅一檔至四檔分別可達(dá)48，54，66，84 m;一檔至四檔藥劑播撒均勻，各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，可滿足直升機(jī)飛播作業(yè)要求。

關(guān)鍵詞：直升機(jī);飛播;播撒器

中圖分類號(hào)：S223.2? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：1674-1161（2022）03-0033-04

近年來(lái)，我國(guó)草原鼠害整體危害偏重，年平均發(fā)生面積3 000萬(wàn)hm2以上。從年際間發(fā)生趨勢(shì)來(lái)看，草原鼠害2007—2018年平均發(fā)生面積總體呈下降趨勢(shì)，而從2018年至今，年平均發(fā)生面積總體呈增加趨勢(shì)。目前，我國(guó)草原鼠害防治主要以藥劑防控為主，施藥方式存在施藥不均勻、精確性低和效率低等問(wèn)題。飛播種草、造林具有成本低、效率高、適用條件廣的突出優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)土綠化中發(fā)揮了重要作用。飛播種草、造林技術(shù)的發(fā)展對(duì)鼠害飛機(jī)防控提供了技術(shù)借鑒，內(nèi)蒙古、青海、新疆等地相繼開展了大面積的鼠害飛防。在鼠害飛機(jī)防治中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的氣力式播撒設(shè)備在實(shí)際作業(yè)中存在有效播幅窄、不均勻等情況。目前，國(guó)內(nèi)飛機(jī)播撒裝置主要有氣力式和離散式兩種，氣力式播撒設(shè)備主要依靠氣流吹送種子顆粒，播幅及播種均勻程度受播撒物和氣流影響較大。在早期的飛播中，劉春暉等設(shè)計(jì)出FB-85型飛機(jī)播種器，應(yīng)用于固定翼飛機(jī)，在播撒試驗(yàn)測(cè)算及推廣應(yīng)用中均取得較好的播撒效果。宋燦燦等經(jīng)過(guò)仿真和測(cè)試試驗(yàn)，對(duì)現(xiàn)有氣力式播撒器進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)出一種氣力式無(wú)人機(jī)水稻撒播裝置。該播撒裝置可通過(guò)調(diào)整鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)速和排種輪的轉(zhuǎn)速，調(diào)整牧草種子顆粒的畝撒播量和撒播幅寬。離散式播撒設(shè)備依靠機(jī)械動(dòng)力產(chǎn)生的離心力播撒種子、肥料等，具有作業(yè)穩(wěn)定、播撒均勻的特點(diǎn)。離心圓盤通用性好，適于顆粒狀種子、化肥的拋撒，拋撒幅寬較大，應(yīng)用范圍較廣。秦朝民等為提高肥料播撒效率，設(shè)計(jì)出2SF-10型圓盤離心撒肥機(jī)，工作效率高、肥箱容積大、肥料撒施均勻、作業(yè)成本低。張青松等設(shè)計(jì)一種離心槽輪式油菜撒播機(jī)，在離心圓盤周圍設(shè)計(jì)了圓盤罩殼實(shí)現(xiàn)半邊拋撒，使撒播幅寬可調(diào)。借鑒離散式播撒設(shè)備研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，研制一種適用于直升機(jī)的智能播撒設(shè)備，通過(guò)飛播作業(yè)質(zhì)量因素分析，對(duì)排藥裝置出藥速率、播幅等進(jìn)行試驗(yàn)，以期提高直升機(jī)播撒效率及穩(wěn)定性，為大面積飛機(jī)播撒提供參考。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

智能航空投藥播撒器以直升機(jī)作為動(dòng)力平臺(tái)，由錐形裝藥桶、播撒圓盤、和播撒流量控制系統(tǒng)組成，設(shè)備裝置總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單精巧，節(jié)省空間，播撒裝置位于儲(chǔ)藥裝置下方，可將落下的藥丸或種子旋轉(zhuǎn)攤落到撒料裝置中灑出，以保證撒藥的均勻性。出藥口裝置由流量控制器分為4檔，以控制出藥量。播撒裝置由一個(gè)動(dòng)力裝置驅(qū)動(dòng)，通過(guò)同步帶傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)撒料裝置的運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，降低了制作成本，保證了施藥連續(xù)性。

這種離心式播撒器在作業(yè)過(guò)程中，出藥口按照擋位調(diào)節(jié)出藥速度，均勻等量地落入被分隔成塊的播撒圓盤，借助播撒圓盤旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力在分隔區(qū)域內(nèi)滾動(dòng)后被播藥立板拋出。藥劑播撒主要包括隨著圓盤離心所做的復(fù)合運(yùn)動(dòng)和藥劑離開圓盤后座的拋射運(yùn)動(dòng)。

2 主要裝置部件設(shè)計(jì)

2.1 錐形裝藥桶

錐形裝藥桶是藥劑的直接裝載部件，與流量控制器相連接，用以實(shí)現(xiàn)藥劑的輸送，結(jié)構(gòu)如圖2所示。藥桶所承受的壓力始終垂直于承載面。方形藥桶底部通常為平面，不利于藥粒持續(xù)穩(wěn)定進(jìn)入出藥口，古斯將藥桶設(shè)計(jì)成倒錐形，以增加飛行過(guò)程的穩(wěn)定性并控制出藥流量。播撒器自重約135 kg，直徑1.7 m，高1.3 m，容積約為850 L。

2.2 流量調(diào)節(jié)器

流量調(diào)節(jié)器是整個(gè)播散裝置的主要控藥部件，由檔位控制桿、換檔箱、無(wú)線控制器和閥門組成（如圖3），在錐形裝藥桶內(nèi)與出藥口相連接。設(shè)有一個(gè)由無(wú)線控制器連接控制桿控制的閥門，控制桿部件底部連接一個(gè)活塞，通過(guò)4個(gè)檔位控制出料口大小，用以控制藥粒流量。播撒器流量控制在25～100 kg/min。

2.3 播撒盤

播撒盤是整個(gè)裝置的核心部件，其轉(zhuǎn)速和分區(qū)直接影響播撒的均勻性和播撒幅寬。播撒盤呈圓形，主要包括播撒盤和撥藥立板。播撒盤分為3個(gè)區(qū)域，可均勻分裝藥粒，便于藥粒均勻拋射，用以提高播撒幅寬和均勻性，如圖4所示。圓盤的主要作用是承接藥粒和安裝撥藥立板，并通過(guò)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)播撒幅寬和均勻性，還可根據(jù)不同地區(qū)不同藥劑的施藥量更換不同大小的圓盤，用以改變藥粒在圓盤上的滯留時(shí)間和拋灑角速度，進(jìn)一步擴(kuò)大或縮小施藥幅寬。

2.4 藥劑拋灑運(yùn)動(dòng)分析

為使藥劑播撒更加均勻，撥藥立板將播撒圓盤均勻分成3個(gè)區(qū)域。增加撥藥立板內(nèi)側(cè)面積，從而增加藥劑在播撒圓盤上的滯留時(shí)間，以獲得更大的初速度。藥粒因曲度而產(chǎn)生斜向上的力，會(huì)改變離開立板時(shí)的拋射角度，提升藥劑播撒的均勻度及幅寬。根據(jù)拋射原理，離心式播撒圓盤在同一轉(zhuǎn)速下，斜向上拋撒時(shí)可以拋射較遠(yuǎn)距離，并可增加圓盤滯留時(shí)間和滯空時(shí)間差，進(jìn)而提高播撒的均勻性。采用撥藥立板設(shè)計(jì)與不使用立板分區(qū)設(shè)計(jì)相比，在藥粒落地的位置上會(huì)產(chǎn)生變化。

3 播撒設(shè)備測(cè)試分析

田間作業(yè)過(guò)程中，藥粒經(jīng)出藥口落入播撒圓盤向外播撒時(shí)會(huì)受到風(fēng)力、飛行速度、飛行高度等因素的影響。為驗(yàn)證田間作業(yè)效果，選擇晴朗微風(fēng)天氣。錐形裝料桶出藥檔位變化會(huì)對(duì)播藥均勻度產(chǎn)生影響，因此，開展不同檔位播藥量和播撒寬幅試驗(yàn)，借以測(cè)試播撒器的作業(yè)質(zhì)量及穩(wěn)定性。

3.1 測(cè)試方法

設(shè)置帶狀收集點(diǎn)，樣地在300 m×50 m的矩形區(qū)域內(nèi)。兩側(cè)橫向（播撒寬幅方向）每間隔5 m設(shè)置一塊藥粒收集白布，共設(shè)8塊收集白布。由中心向兩側(cè)方向依次為1號(hào)到16號(hào)，收集白布規(guī)格為1 m×1 m的正方形（如圖5）。圖5中的箭頭為飛行路線及飛行方向，直升機(jī)高度約120 m，航速120 km/h，檔位分別設(shè)置為一檔、二檔、三檔、四檔。在試驗(yàn)樣地中心沿飛行路線通過(guò)后，分別收集每塊白布上的藥粒，并按編號(hào)分別記錄落藥數(shù)量、不同檔位播撒時(shí)間、單位時(shí)間播撒量，每個(gè)試驗(yàn)重復(fù)3次。

3.2 試驗(yàn)材料及地點(diǎn)

試驗(yàn)材料：為避免試驗(yàn)樣地污染，藥粒由小麥種子替代。播撒器單次裝藥量400 kg，所用小麥種子千粒質(zhì)量約為38 g，單粒種子大小約為6.3 mm×3.1 mm。

試驗(yàn)地點(diǎn)：內(nèi)蒙古通遼市試驗(yàn)樣地。

3.3 測(cè)試結(jié)果與分析

播撒器播撒流量見圖6，播撒器不同檔位平均落粒量見圖7。

由圖6可知，隨著播撒器檔位的增加，單位時(shí)間播撒流量逐漸增大，單次飛行作業(yè)時(shí)間逐漸縮短。其中，一檔單次作業(yè)平均播撒時(shí)間最長(zhǎng)為12.08 min，單位時(shí)間播撒量最低為33.11 kg/min。二檔至四檔單次作業(yè)平均播撒時(shí)間依此為5.16，2.88，1.76 min，單位時(shí)間播撒量依次為77.52，138.89，227.27 kg/min。這表明播撒量與播撒時(shí)間具有一定相關(guān)性，實(shí)際作業(yè)時(shí)，四檔單次播撒時(shí)間不足2 min，單位面積內(nèi)播撒量較大。

由圖7可知，在播撒寬幅試驗(yàn)中，隨著檔位的增加，每塊白布的平均落粒數(shù)在逐漸增加。一檔至四檔兩側(cè)白布平均落粒量依次為5.1，7.2，10.2，12.9粒。在播撒均勻性方面，因檔位不同導(dǎo)致播撒寬幅也不同，從左自右編號(hào)為1號(hào)到16號(hào)的白布落粒數(shù)呈中間向兩側(cè)遞減的趨勢(shì)，即典型的正太分布。其中，一檔落粒主要集中于3號(hào)到8號(hào)白布，二檔落粒主要集中于2號(hào)到10號(hào)白布，三檔落粒主要集中于2號(hào)到12號(hào)白布，四檔落粒主要集中于2號(hào)到15號(hào)白布，僅二檔拋撒時(shí)6號(hào)白布未發(fā)現(xiàn)種粒。根據(jù)白布距離測(cè)算出1檔至4檔播撒直徑分別可達(dá)48，54，66，84 m，4 種檔位1號(hào)白布的落粒數(shù)均為0粒。

4 結(jié)論與討論

結(jié)合設(shè)計(jì)和田間試驗(yàn)，新型智能播撒器基本實(shí)現(xiàn)播撒寬幅、均勻度高、播撒速度可控等設(shè)計(jì)要求，具有工作效率高、單次播撒量大、時(shí)間短、作業(yè)成本低的特點(diǎn)，符合草原、高原和荒漠林等大面積航空投藥滅鼠及其他播種要求。核心部件流量控制器和播撒圓盤的速度調(diào)節(jié)和布置形式直接影響播撒性能，播撒圓盤的分塊設(shè)計(jì)和撥藥立板進(jìn)一步保證了撒藥的均勻性。播撒器流量從一檔至四檔的播撒量控制在30～200 kg/min，可以滿足不同密度的播撒作業(yè)。播撒器有效播幅為40～80 m，藥劑播撒均勻，漏播情況較少，基本滿足設(shè)計(jì)需求。新型智能播撒器的研發(fā)可為大面積飛播種草、造林、施肥、投藥等提高參考。

在分析離心式、氣力式、均分桿式等播撒方式，以及機(jī)械式、氣力式流量調(diào)控方式的優(yōu)點(diǎn)和劣勢(shì)后，本設(shè)計(jì)主要通過(guò)改變出藥口大小控制流量，利用離心力將藥粒從高速旋轉(zhuǎn)的播撒盤上拋出。這與秦朝民等設(shè)計(jì)的2SF-10型離心式撒肥機(jī)和湯遠(yuǎn)菊等設(shè)計(jì)的一種離心圓盤式油菜播撒機(jī)所采用的設(shè)計(jì)原理相同，試驗(yàn)結(jié)果相一致。離心式圓盤通用性好，顆粒狀藥粒和拌種藥劑均可使用，播撒寬幅大。同時(shí)，由于藥粒大小、粒重和形狀不盡相同，藥粒在播撒圓盤上的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)使得藥粒與藥粒之間、藥粒與播撒圓盤之間產(chǎn)生摩擦和發(fā)生碰撞，進(jìn)而改變運(yùn)動(dòng)軌跡，所產(chǎn)生的播撒寬幅小于計(jì)算值。目前，我國(guó)尚無(wú)航空播撒器施藥作業(yè)場(chǎng)地試驗(yàn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，本研究所采集的數(shù)據(jù)樣本較少，可能存在試驗(yàn)誤差，后續(xù)應(yīng)進(jìn)一步測(cè)試，以增加數(shù)據(jù)量、保證穩(wěn)定性。此外，本研究?jī)H對(duì)1種類型藥粒進(jìn)行不同檔位播撒量和播撒寬幅試驗(yàn)研究，對(duì)播撒裝置與航空器的普適性、播撒均勻性控制、飛機(jī)旋翼產(chǎn)生氣流和天氣環(huán)境等因素產(chǎn)生的影響及其在實(shí)際應(yīng)用中的防治效果，尚有待進(jìn)一步研究。

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Design and Experimental Research of an Intelligent Sowing

Equipment Suitable for Helicopter

LIU Chao， DAI Wenhao， FENG Zhihui， Lü Chunhe， TANG Jian， BAI Hongyan

（National Forest and Grassland Administration Biological Disaster Control and Prevention Center/Key Laboratory of Biological Disaster Monitoring and Early Warning， National Forestry and Grassland Administration， Shenyang 110034， China）

Abstract： In view of the problems of narrow and uneven effective sowing range of the existing aircraft pneumatic sowing equipment in practical operation， an intelligent sowing equipment suitable for helicopter is designed based on the working principle of discrete sowing equipment， and the sowing rate and sowing range of the device are tested and experimented. The results show that： The sowing amount of intelligent sowing flow 1～4 gears are 33.11， 77.52， 138.89， 227.27 kg/min， respectively. The range from 1 to 4 can reach 48， 54， 66 and 84 m respectively; The 1～4 gear agent is evenly sown， and all the performance indexes of the 1～4 gears are all up to the design requirements， which can meet the requirements of helicopter aerial sowing.

Key words： helicopter; aerial sowing; spreader