崔功佩,孫雄杰,劉家威,史云輝,李俊瑩,李昱岐,于暢暢,程上上,3,李赫

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,河南 鄭州 450002;2.琿春市農(nóng)業(yè)廣播電視學(xué)校,吉林 延邊朝鮮族自治州 133300;3.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)電子工程學(xué)院(人工智能學(xué)院),廣東 廣州 510642)

大豆是中國(guó)重要的油料和蛋白飼料原料,需求量隨經(jīng)濟(jì)發(fā)展及消費(fèi)結(jié)構(gòu)升級(jí)而逐年增長(zhǎng)[1-2]。為緩解巨大的市場(chǎng)供需缺口,大豆玉米帶狀復(fù)合種植模式得到大力推廣。該模式可以令“玉米不減產(chǎn)、多收一季豆”,提升大豆產(chǎn)量及自給率,保障中國(guó)糧油安全[3-5]。植保作業(yè)是大豆和玉米生產(chǎn)過(guò)程中病蟲草害防治的關(guān)鍵環(huán)節(jié),植保機(jī)械化水平直接影響作業(yè)效率及作物產(chǎn)量[6-8]。

目前,大豆和玉米田間植保作業(yè)均以噴桿噴霧機(jī)為主,其作業(yè)效率高,適應(yīng)性強(qiáng),且噴霧質(zhì)量和均勻性較好[9-10]。在大豆植保領(lǐng)域,DE等[11]利用噴霧沉積特性及大豆作物產(chǎn)量參數(shù),對(duì)不同噴施技術(shù)進(jìn)行了評(píng)價(jià),以提升大豆銹病的防治效率。張鐵等[12]針對(duì)大豆生長(zhǎng)中后期施藥難、效果差等問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種輪距可調(diào)且具有風(fēng)幕輔助噴霧系統(tǒng)的輕便型高地隙噴桿噴霧機(jī)。李赫等[13]針對(duì)黃淮海地區(qū)大豆種植農(nóng)藝差異大、機(jī)械通用性低等問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種輪距和地隙可調(diào)的折腰轉(zhuǎn)向無(wú)人駕駛植保車。LI等[14]利用高速攝影及FLUENT流體仿真技術(shù),對(duì)液滴撞擊大豆葉片表面的運(yùn)動(dòng)行為進(jìn)行了研究,為大豆植保機(jī)械提高農(nóng)藥利用效率等提供依據(jù)。在玉米植保領(lǐng)域,王俊等[15]利用3WQ-3000型牽引式風(fēng)幕噴桿噴霧機(jī),在玉米小喇叭口期對(duì)常用扇形噴頭進(jìn)行了田間試驗(yàn),研究了風(fēng)幕對(duì)農(nóng)藥利用率、霧滴覆蓋率和流失率的影響。王韋韋等[16]針對(duì)玉米中后期封行后傳統(tǒng)噴霧機(jī)噴藥穿透性差等問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種3YZ-80A型履帶自走式玉米行間噴霧機(jī)。PUTRI等[17]研制了一種半自動(dòng)懸臂噴霧器,并與傳統(tǒng)背負(fù)式噴霧器進(jìn)行了性能對(duì)比,有效提升了玉米植保質(zhì)量和效率。然而,由于大豆和玉米分屬禾本科(Poaceae)和豆科(Leguminosae),植保作業(yè)時(shí)各自所需藥劑類型不同,且會(huì)對(duì)相鄰帶間的另一作物產(chǎn)生藥害[18]。因此上述研究的大豆、玉米大田單作植保機(jī)械均不適用于大豆玉米帶狀復(fù)合種植模式。

針對(duì)上述問(wèn)題,結(jié)合黃淮海地區(qū)大豆玉米帶狀復(fù)合種植模式,本研究設(shè)計(jì)了一種大豆玉米帶狀復(fù)合種植分帶式噴桿噴霧機(jī),以滿足大豆和玉米高低位帶狀分布的植保作業(yè)需求,有效降低人工勞動(dòng)成本,提升作業(yè)效率,并為農(nóng)作物復(fù)合種植模式植保機(jī)械的研發(fā)提供設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)參考。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 大豆玉米帶狀復(fù)合種植農(nóng)藝要求

大豆玉米帶狀復(fù)合種植模式采用大豆和玉米帶狀間作,充分發(fā)揮了邊行效應(yīng),可實(shí)現(xiàn)作物協(xié)同共生、一季雙收,從而有效解決大豆玉米爭(zhēng)地問(wèn)題,如圖1所示。其中,科學(xué)合理的大豆玉米行比配置能夠有效減緩種內(nèi)種間競(jìng)爭(zhēng)[19-20],結(jié)合黃淮海地區(qū)大豆玉米帶狀復(fù)合種植的農(nóng)藝要求,本研究主要進(jìn)行適用于4～6行大豆與2行玉米間作套種的噴桿噴霧機(jī)設(shè)計(jì),主要農(nóng)藝參數(shù)如表1所示。

表1 大豆玉米帶狀復(fù)合種植模式農(nóng)藝要求Table 1 Agronomic requirements for strip compound planting mode of soybean and maize

1為玉米植株;2為大豆植株。Rm為玉米間行距;Pm為玉米株距;Rb為帶間行距;Rs為大豆間行距;Ps為大豆株距;n為帶狀大豆總行數(shù)。1 meas maize plant; 2 means soybean plant. Rm means row spacing between maize; Pm means plant spacing of maize; Rb means row spacing between strips; Rs means row spacing between soybeans; Ps means plant spacing of soybeans; n means total number of rows for soybeans.

1.2 總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)大豆玉米帶狀復(fù)合種植模式下大豆與玉米分帶施藥的作業(yè)需求,并結(jié)合黃淮海地區(qū)該模式下的大豆玉米行比配置等參數(shù),本研究設(shè)計(jì)了一種大豆玉米帶狀復(fù)合種植分帶式噴桿噴霧機(jī),主要由動(dòng)力裝置、四輪驅(qū)動(dòng)高地隙底盤、輪距調(diào)節(jié)裝置、駕駛系統(tǒng)、大豆藥箱、玉米藥箱、雙噴霧系統(tǒng)、水平折疊式升降噴桿裝置和防漂移裝置等組成,如圖2所示,其主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 大豆玉米帶狀復(fù)合種植分帶式噴桿噴霧機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Table 2 Main technical parameters of boom sprayer for strip compound planting of soybean and maize

1.防漂移裝置;2.雙噴霧系統(tǒng);3.輪距調(diào)節(jié)裝置;4.大豆藥箱;5.駕駛系統(tǒng);6.動(dòng)力裝置;7.玉米藥箱;8.四輪驅(qū)動(dòng)高地隙底盤;9.水平折疊式升降噴桿裝置。1.Anti-drift device; 2.Double spray system; 3.Wheel base adjustment device; 4.Soybean cabinet; 5.Driving system; 6.Power unit; 7.Maize cabinet; 8.Four wheel drive with high gap chassis; 9.Horizontal folding type lifting spray boom.

1.3 工作原理

首先,通過(guò)輪距調(diào)節(jié)裝置將大豆玉米帶狀復(fù)合種植分帶式噴桿噴霧機(jī)輪距調(diào)整至作業(yè)地塊的規(guī)定輪距,以保證行駛通過(guò)性;其次,通過(guò)液壓元件驅(qū)動(dòng)水平折疊式升降噴桿機(jī)構(gòu)展開至規(guī)定幅寬處,并通過(guò)四連桿機(jī)構(gòu)調(diào)整至適宜高度;再通過(guò)雙噴霧系統(tǒng)分別從放置在四輪驅(qū)動(dòng)高地隙底盤上的大豆藥箱和玉米藥箱內(nèi)汲取藥液,并由噴頭向?qū)?yīng)作物帶進(jìn)行施藥;整機(jī)以柴油發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力裝置,由于大豆和玉米帶間設(shè)置了防漂移裝置進(jìn)行遮擋,可有效避免藥液帶間漂移造成的藥害;最后,通過(guò)操縱駕駛系統(tǒng)完成大豆玉米帶狀復(fù)合種植模式下大豆和玉米的同步施藥作業(yè)。

2 關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 底盤機(jī)架

2.1.1 四輪驅(qū)動(dòng)高地隙底盤 根據(jù)大豆玉米帶狀復(fù)合種植農(nóng)藝需求以及各關(guān)鍵部件的空間分布,設(shè)計(jì)了四輪驅(qū)動(dòng)高地隙底盤,如圖3所示。由于大豆玉米帶狀復(fù)合種植分帶式噴桿噴霧機(jī)作業(yè)環(huán)境復(fù)雜且載藥量大,該底盤采用空間框架式結(jié)構(gòu),由前橫梁、中橫梁、后橫梁、尾梁和豎梁等焊接組成。

1.豎梁; 2.前橫梁; 3.藥箱橫梁; 4.藥箱支撐架; 5.差速器支撐架; 6.中橫梁; 7.工字梁; 8.后橫梁; 9.尾梁。1.Vertical beam; 2.Front beam; 3.Cabinet beam; 4.Cabinet support frame; 5.Differential mechanism support frame; 6.Middle beam; 7.I-type beam; 8.Rear beam; 9.Tail beam.

2.1.2 輪距調(diào)節(jié)裝置 為了提升大豆玉米帶狀復(fù)合種植分帶式噴桿噴霧機(jī)的作業(yè)適應(yīng)性,設(shè)計(jì)了一種輪距調(diào)節(jié)裝置,如圖4所示。該機(jī)構(gòu)由花鍵套和花鍵軸連接,并通過(guò)2個(gè)液壓缸伸縮作業(yè)調(diào)整前橋橫梁和前輪支臂橫梁的相對(duì)位置,實(shí)現(xiàn)了輪距的動(dòng)態(tài)調(diào)整,滿足了不同大豆玉米行比配置和行距等種植農(nóng)藝,可以有效減少壓苗傷苗等現(xiàn)象,提高作業(yè)通過(guò)性。

1.液壓缸;2.前橋橫梁;3.花鍵套;4.前輪支臂橫梁;5.花鍵軸。1.Hydraulic cylinder; 2.Front axle beam; 3.Spline housing; 4.Arm beam on front wheel; 5.Spline shaft.

根據(jù)表2中設(shè)計(jì)的滿載質(zhì)量可知,由于前橋承載相對(duì)較大,其最大載質(zhì)量按1 750 kg計(jì)算,液壓缸推力應(yīng)滿足式(1):

(1)

式中:F為液壓缸推力;G1為前橋最大載重力;ξ為橡膠輪胎與路面的摩擦系數(shù),取值為0.7[21]。

由式(1)計(jì)算可得,液壓缸推力的理論值為6 125 N,為保證液壓缸運(yùn)動(dòng)的可靠性,將其增設(shè)為7 000 N。與此同時(shí),液壓缸的結(jié)構(gòu)參數(shù)還應(yīng)滿足式(2)和式(3):

(2)

(3)

式中:S為液壓缸截面積;D為液壓缸缸筒內(nèi)徑;ηm為機(jī)械傳動(dòng)效率;p1為系統(tǒng)壓力;p2為系統(tǒng)背壓;φ為液壓缸長(zhǎng)徑比;d為液壓缸推桿直徑。

根據(jù)液壓工程師技術(shù)手冊(cè)[22]和大豆玉米帶狀復(fù)合種植分帶式噴桿噴霧機(jī)作業(yè)需求,液壓缸的機(jī)械傳動(dòng)效率確定為0.9,液壓缸長(zhǎng)徑比確定為0.7,系統(tǒng)壓力選取為16 MPa,系統(tǒng)背壓選取為1.5 MPa。將上述參數(shù)代入式(2)和式(3)可得,液壓缸缸筒內(nèi)徑為25.5 mm。進(jìn)一步參照《流體傳動(dòng)系統(tǒng)及元件 缸徑及活塞桿直徑》(GB/T 2348—2018)[23],液壓缸直徑確定為40 mm,液壓缸推桿直徑為25 mm,運(yùn)動(dòng)總行程為300 mm。

此外,液壓缸流量計(jì)算方法如式(4):

(4)

式中:q1為液壓缸推桿進(jìn)程時(shí)的流量;v1為液壓缸推桿的運(yùn)動(dòng)線速度,結(jié)合作業(yè)需求取值為0.05 m·s-1;q2為液壓缸推桿回程時(shí)的流量。

將液壓缸結(jié)構(gòu)參數(shù)代入式(4)可得,液壓缸推桿進(jìn)程和回程時(shí)的流量分別為3.77和2.30 L·min-1,故選用HSG40型液壓缸作為輪距調(diào)節(jié)裝置的液壓缸。

2.2 雙噴霧系統(tǒng)

根據(jù)大豆玉米帶狀復(fù)合種植農(nóng)藝要求,設(shè)計(jì)了分段獨(dú)立控制的雙噴霧系統(tǒng),以實(shí)現(xiàn)對(duì)大豆和玉米噴施不同藥劑,如圖5所示。實(shí)際作業(yè)時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)變速箱分別為行走系統(tǒng)和雙噴霧系統(tǒng)提供動(dòng)力,大豆噴霧系統(tǒng)和玉米噴霧系統(tǒng)均有獨(dú)立的液泵、藥箱、藥箱濾網(wǎng)、壓力表、空氣室、泄壓閥、回水管、液路和噴頭;變速箱將部分動(dòng)力通過(guò)分動(dòng)箱和雙帶輪傳遞至液泵,對(duì)藥箱內(nèi)的藥液進(jìn)行加壓和攪拌,進(jìn)而經(jīng)過(guò)液路輸送至噴頭處,最終實(shí)現(xiàn)分帶噴霧作業(yè)。

1.玉米植株;2.玉米噴頭;3.玉米液路;4.壓力表;5.空氣室;6.泄壓閥;7.回水管;8.藥箱濾網(wǎng);9.玉米藥箱;10.液泵;11.雙帶輪;12.大豆藥箱;13.大豆液路;14.大豆噴頭;15.大豆植株;16.發(fā)動(dòng)機(jī);17.變速箱;18.分動(dòng)箱。1.Maize plant; 2.Maize nozzle; 3.Maize liquid path; 4.Pressure gauge; 5.Air plenum; 6.Decompression valve; 7.Wet return; 8.Strainer of medicine cabinet; 9.Maize cabinet; 10.Liquid pump; 11.Double belt wheel; 12.Soybean cabinet; 13.Soybean liquid path; 14.Soybean nozzle; 15.Soybean plant; 16.Engine; 17.Gearbox; 18.Transfer case.

2.2.1 藥箱 結(jié)合雙噴霧系統(tǒng)作業(yè)原理及結(jié)構(gòu)組成,大豆藥箱和玉米藥箱采用兩側(cè)對(duì)稱分布,以提高整機(jī)的田間作業(yè)及運(yùn)輸穩(wěn)定性。綜合考慮機(jī)械負(fù)載能力和加藥頻次,藥箱的容積計(jì)算需要滿足式(5):

(5)

式中:V為藥箱容積;n1為作業(yè)往返次數(shù);B為作業(yè)等效幅寬;L為地塊單次往返作業(yè)長(zhǎng)度;E為單位面積內(nèi)藥液使用量。

由大豆玉米帶狀復(fù)合種植模式及分帶式噴桿噴霧機(jī)工作原理可知,實(shí)際作業(yè)時(shí)玉米的施藥量遠(yuǎn)小于大豆的施藥量,故藥箱的容積設(shè)計(jì)以大豆的作業(yè)參數(shù)為依據(jù)。根據(jù)實(shí)地調(diào)研結(jié)果可知,本機(jī)單次作業(yè)覆蓋3條完整的大豆帶,其等效幅寬為6.6 m,單位面積內(nèi)藥液使用量為280 L·hm-2;加藥后應(yīng)能完成4次往返作業(yè),且單次往返作業(yè)的長(zhǎng)度不超過(guò)700 m。將上述數(shù)據(jù)代入式(5)可得,藥箱容積應(yīng)不小于517.44 m3。為避免藥液過(guò)滿在作業(yè)過(guò)程中發(fā)生外溢損失,大豆藥箱和玉米藥箱的容積最終確定為600 L。

2.2.2 液泵 液泵是雙噴霧系統(tǒng)的動(dòng)力核心,其性能參數(shù)直接影響藥液噴施效果。本研究選用隔膜泵作為動(dòng)力元件,其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、體積小且流量大,適用于田間植保復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境。實(shí)際作業(yè)時(shí),隔膜泵除了為噴頭提供流量供給,還同時(shí)將部分流量回流至藥箱進(jìn)行藥液攪拌,因此,液泵的流量應(yīng)滿足式(6):

(6)

式中:Q0為液泵總流量;Q1為藥液攪拌流量;Q2為藥液噴施流量;ηv為藥液回流比例,一般為5%～10%;Bmax為等效幅寬最大值;vmax為行駛速度最大值。

由式(6)推導(dǎo)可得式(7):

(7)

根據(jù)表2主要技術(shù)參數(shù)可知,行駛速度最大值為6 km·h-1。此外,由上述結(jié)果可知,單個(gè)液泵對(duì)應(yīng)的藥箱容積為600 L,藥液回流比例設(shè)定為6%,等效幅寬最大值為6.6 m。將上述結(jié)果代入式(7)可得,液泵總流量應(yīng)不低于54.48 L·min-1。進(jìn)一步結(jié)合相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[24],選用JY-MB270/2.5型活塞式隔膜泵,其流量為70 L·min-1,滿足植保作業(yè)需求。

2.2.3 噴頭 為減少雙噴霧系統(tǒng)田間作業(yè)時(shí)的帶間漂移,并保證其沿噴桿方向的分布均勻性,本研究設(shè)計(jì)了一種組合式噴頭,如圖6所示。具體來(lái)說(shuō),玉米帶和大豆帶兩側(cè)均選用霧錐角為80°的扇形偏心噴頭,大豆帶內(nèi)部選用霧錐角為110°的扇形防漂移噴頭,且大豆和玉米帶間設(shè)置有防漂移裝置。

1.玉米植株;2.大豆植株;3.防漂移裝置。Am為玉米噴霧高度;Dm為玉米噴頭間距;Db為帶間噴頭間距;Ds為大豆噴頭間距;Ni為扇形偏心噴頭;Si為扇形防漂移噴頭;As為大豆噴霧高度。1.Maize plant; 2.Soybean plant; 3.Anti-drift device. A mis spray height for maize; Dm is spacing of nozzles for maize; Db is spacing of nozzles between adjacent strips; Ds is spacing of nozzles for soybeans; Ni is fanshaped eccentric nozzle; Si is fanshaped anti-drift nozzle; As is spray height for soybeans.

結(jié)合大豆玉米帶狀復(fù)合種植分帶式噴桿噴霧機(jī)結(jié)構(gòu)可知,該組合式噴頭單次作業(yè)可實(shí)現(xiàn)3個(gè)大豆玉米帶的植保噴霧作業(yè),各噴頭間距均初步設(shè)置為45 cm,則大豆噴頭共計(jì)15個(gè),玉米噴頭共計(jì)6個(gè)。此外,各噴頭間距和噴霧高度可根據(jù)實(shí)際種植情況進(jìn)行微調(diào),以保證植保作業(yè)精度和質(zhì)量。

2.3 水平折疊式升降噴桿與防漂移裝置

2.3.1 水平折疊式升降噴桿 為提升大豆玉米帶狀復(fù)合種植分帶式噴桿噴霧機(jī)在不同生長(zhǎng)時(shí)期的適用性,且避免噴桿在作業(yè)過(guò)程中損傷作物植株,在實(shí)驗(yàn)室前期研究[13]的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一種水平折疊式升降噴桿機(jī)構(gòu),如圖7所示。該機(jī)構(gòu)主要由平行四桿升降機(jī)構(gòu)、中心噴桿、左側(cè)折疊噴桿、右側(cè)折疊噴桿、升降液壓缸和水平展開液壓缸等組成,并通過(guò)緊固件、U型連接件等與防漂移裝置搭配使用。水平折疊式升降噴桿通過(guò)平行四桿升降機(jī)構(gòu)與機(jī)架連接,中心噴桿與平行四桿升降機(jī)構(gòu)焊接固定,并與左側(cè)折疊噴桿和右側(cè)折疊噴桿鉸連接。實(shí)際田間作業(yè)時(shí),通過(guò)水平展開液壓缸控制左側(cè)折疊噴桿和右側(cè)折疊噴桿展開,再通過(guò)升降液壓缸控制平行四桿升降機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)噴桿整體噴霧高度的調(diào)節(jié),藥液噴施后,再經(jīng)升降液壓缸和水平展開液壓缸將噴桿折疊返回至初始狀態(tài),以便于田間轉(zhuǎn)運(yùn)和機(jī)器停放。

1.右側(cè)折疊噴桿;2.防漂移裝置;3.緊固件;4.中心噴桿;5.升降液壓缸;6.平行四桿升降機(jī)構(gòu);7.水平展開液壓缸;8.左側(cè)折疊噴桿;9.U形連接件。1.Right folding spray boom; 2.Anti-drift device; 3.Fastener; 4.Center spray boom; 5.Hydraulic cylinder for lifting; 6.Parallel four-bar lifting mechanism; 7.Hydraulic cylinder for horizontal unfolding; 8.Left folding spray boom 9.U-shaped connector.

2.3.2 防漂移裝置 為減少大豆玉米帶狀復(fù)合種植模式下藥液的帶間漂移,避免藥害的發(fā)生,設(shè)計(jì)了一種防漂移裝置,如圖7所示。該裝置采用3 mm厚的聚酯板材料,既能有效阻隔霧滴帶間漂移,又能避免傷苗折苗;通過(guò)緊固件和U形連接件安裝在左側(cè)折疊噴桿和右側(cè)折疊噴桿上,方便其在噴桿方向調(diào)整位置,且便于非作業(yè)狀態(tài)的裝卸,提升該裝備的農(nóng)藝適用性和行駛機(jī)動(dòng)性。

防漂移裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)直接影響其作業(yè)性能,當(dāng)其參數(shù)過(guò)大時(shí),機(jī)器的行駛通過(guò)性變差;而當(dāng)參數(shù)過(guò)小時(shí),無(wú)法有效降低帶間漂移。因此,本研究借助Fluent軟件對(duì)其進(jìn)行霧滴漂移仿真分析,以確定最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)。具體步驟如下:

(1)考慮霧滴粒徑及運(yùn)動(dòng)方向的差異性,其從離開噴頭直至撞擊靶標(biāo)之間的運(yùn)動(dòng)屬于多相流范疇,故本研究采用遵循歐拉-拉格朗日的離散相模型將空氣和農(nóng)藥?kù)F滴分別作為連續(xù)相和離散相,且忽略溫度變化和霧滴蒸發(fā)相變過(guò)程。

(2)連續(xù)相氣流控制需遵守質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量守恒方程。

(3)根據(jù)國(guó)內(nèi)外風(fēng)洞試驗(yàn)仿真及分帶式噴桿噴霧機(jī)大豆和玉米的作業(yè)區(qū)域,設(shè)計(jì)其仿真計(jì)算區(qū)域,該區(qū)域規(guī)格分別為3.0、2.2和1.2 m;噴頭的空間坐標(biāo)設(shè)置為(1.1,0.5,1.0),霧滴粒徑設(shè)置為382 μm。

(4)結(jié)合田間植保實(shí)際作業(yè)標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)出口都以風(fēng)速為邊界條件,其密度設(shè)置為1.225 kg·m-3,壓力設(shè)置為101 325 Pa,邊界條件設(shè)置為trap,氣流速度設(shè)置為3 m·s-1。

上述條件下的霧滴軌跡散點(diǎn)云圖如圖8所示,此時(shí)已有少量霧滴發(fā)生漂移現(xiàn)象,最遠(yuǎn)漂移距離達(dá)0.86 m。因此,根據(jù)上述仿真結(jié)果,防漂移裝置末端至噴桿上噴頭距離設(shè)置為1.0 m,防漂移裝置前端至噴桿上噴頭距離設(shè)置為0.5 m,防漂移裝置的總長(zhǎng)度共計(jì)為1.5 m。

圖8 霧滴漂移仿真結(jié)果Fig.8 Simulation results of fog drops drift

3 樣機(jī)田間性能試驗(yàn)

3.1 材料與設(shè)備

根據(jù)關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計(jì),對(duì)大豆玉米帶狀復(fù)合種植分帶式噴桿噴霧機(jī)進(jìn)行了樣機(jī)試制,如圖9所示。2021年6月,在河南省永城市新橋鄉(xiāng)大豆玉米帶狀復(fù)合種植試驗(yàn)示范基地,參照《噴桿噴霧機(jī) 試驗(yàn)方法》(GB/T 24677.2—2009)[25]、《植物保護(hù)機(jī)械 噴霧飄移的田間測(cè)量方法》(GB/T 24681—2009)[26],對(duì)該裝備進(jìn)行作業(yè)通過(guò)性、噴頭噴霧量均勻性和霧滴帶間漂移等田間性能試驗(yàn)。

圖9 大豆玉米帶狀復(fù)合種植分帶式噴桿噴霧機(jī)樣機(jī)Fig.9 Prototype of boom sprayer for strip compound planting mode of soybean and maize

該試驗(yàn)示范基地為5行大豆和2行玉米帶狀復(fù)合種植模式,其大豆間行距為40 cm,玉米間行距為40 cm,帶間行距為70 cm。田間試驗(yàn)時(shí),大豆株高為15～23 cm,玉米株高為38～52 cm,環(huán)境溫度范圍為20～29 ℃,風(fēng)速范圍為1.2～2.8 m·s-1。

涉及的試驗(yàn)設(shè)備還包括比利時(shí)AAMS公司生產(chǎn)的222018型噴頭壓力檢測(cè)儀(量程0～1 MPa,精度為1.0 Pa),比利時(shí)AAMS公司生產(chǎn)的S-monitor型噴頭流量測(cè)量?jī)x(單噴頭測(cè)量范圍0.10～8.00 L·min-1,精度為1%),瑞士Syngenta公司生產(chǎn)的BOUSSAC型水敏紙(規(guī)格30 mm×80 mm),中國(guó)?，攦x表公司生產(chǎn)的風(fēng)速儀(量程0.3～45 m·s-1,測(cè)量誤差為±2.5%),以及自制的水敏紙支撐架。

3.2 試驗(yàn)方法

3.2.1 作業(yè)通過(guò)性試驗(yàn) 在試驗(yàn)示范基地內(nèi)選取一塊長(zhǎng)度300 m的大豆玉米帶狀復(fù)合種植地塊,從中隨機(jī)選取3段長(zhǎng)度為20 m的區(qū)域進(jìn)行作業(yè)通過(guò)性試驗(yàn)。試驗(yàn)前將大豆玉米帶狀復(fù)合種植分帶式噴桿噴霧機(jī)的輪距調(diào)整至2 200 mm,以4 km·h-1的速度進(jìn)行作業(yè),為植保作業(yè)提供實(shí)際指導(dǎo)意義。本試驗(yàn)以作物損傷率作為衡量作業(yè)通過(guò)性的指標(biāo),計(jì)算方法如式(8):

(8)

式中:Rp為作業(yè)通過(guò)率;Rs為作物損傷率;ns為損傷的植株數(shù)量,包括壓倒、折斷和破損的植株;Na為統(tǒng)計(jì)的植株總數(shù)。

3.2.2 噴頭噴霧量均勻性 由于大豆玉米帶狀復(fù)合種植分帶式噴桿噴霧機(jī)采用雙噴霧系統(tǒng),兩者相互獨(dú)立,因此本試驗(yàn)分別對(duì)大豆和玉米所對(duì)應(yīng)的噴頭進(jìn)行噴霧量均勻性試驗(yàn)。為便于后續(xù)試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析,將大豆和玉米對(duì)應(yīng)的噴頭分別從左向右依次標(biāo)號(hào),即大豆帶噴頭編號(hào)為1～15,玉米帶噴頭編號(hào)為16～21。

噴頭噴霧量均勻性試驗(yàn)具體步驟如下:將噴頭壓力檢測(cè)儀的噴帽連接器與選擇的噴頭連接;分別打開大豆和玉米施藥所用的液泵,將噴霧壓力設(shè)置為0.3 MPa;使用噴頭流量測(cè)量?jī)x對(duì)各噴頭的流量進(jìn)行測(cè)量統(tǒng)計(jì),每組試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次,取其平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

3.2.3 霧滴帶間漂移試驗(yàn) 大豆玉米帶狀復(fù)合種植分帶式噴桿噴霧機(jī)在田間作業(yè)時(shí),霧滴受空間氣流的影響會(huì)向非靶標(biāo)區(qū)域產(chǎn)生漂移趨勢(shì),易造成藥害,故本研究對(duì)該樣機(jī)的霧滴帶間漂移特性進(jìn)行試驗(yàn),如圖10-a所示。具體試驗(yàn)步驟如下:

圖10 霧滴帶間漂移試驗(yàn)Fig.10 Fog drops drift test in filed

(1)雙噴霧系統(tǒng)設(shè)置。當(dāng)進(jìn)行玉米帶間漂移試驗(yàn)時(shí),將雙噴霧系統(tǒng)中的玉米帶對(duì)應(yīng)的噴頭打開,大豆帶對(duì)應(yīng)的噴頭關(guān)閉;反之,進(jìn)行大豆帶間漂移試驗(yàn)時(shí),大豆帶噴頭打開,玉米帶噴頭關(guān)閉。

(2)水敏紙分布設(shè)置。玉米帶間漂移試驗(yàn)時(shí),在大豆地塊中部成行放置水敏紙進(jìn)行霧滴檢測(cè),其距地高度為15 cm,并以100 cm的間距沿機(jī)具行駛方向放置3行,形成5×3矩陣,如圖10-b所示。同理,大豆帶間漂移試驗(yàn)時(shí),在玉米地塊中部距地15、30 cm處分別成行放置水敏紙,并以100 cm的間距沿機(jī)具行駛方向放置3行,形成2×2×3空間矩陣,如圖10-c所示。

(3)大豆玉米帶狀復(fù)合種植分帶式噴桿噴霧機(jī)在離水敏紙?jiān)囼?yàn)區(qū)域20 m處開始作業(yè),噴霧壓力設(shè)置為0.3 MPa,行駛速度為3 km·h-1。

(4)將各位置的水敏紙收集并放置在密封袋內(nèi),并用記號(hào)筆做好標(biāo)記。

(5)通過(guò)人工計(jì)數(shù)對(duì)各水敏紙表面的霧滴沉積密度進(jìn)行計(jì)算,取其平均值作為試驗(yàn)結(jié)果,計(jì)算方法如式(9):

(9)

式中:D為霧滴沉積密度;CN為水敏紙采集霧滴數(shù)量;ST為水敏紙有效面積。

(6)分別將行駛速度設(shè)置為4、5和6 km·h-1,重復(fù)試驗(yàn)步驟(1)至步驟(5),得到上述行駛速度下對(duì)應(yīng)的霧滴帶間漂移試驗(yàn)結(jié)果。

3.3 結(jié)果與分析

3.3.1 作業(yè)通過(guò)性 大豆玉米帶狀復(fù)合種植分帶式噴桿噴霧機(jī)作業(yè)通過(guò)性的試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。其中,損傷的植株數(shù)平均值為(2.67±0.58)株,植株總數(shù)平均值為(432±8.89)株,作業(yè)通過(guò)率平均值為(99.38±0.14)%,滿足田間作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 作業(yè)通過(guò)性試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results of passability test

3.3.2 噴頭噴霧量均勻性 大豆玉米帶狀復(fù)合種植分帶式噴桿噴霧機(jī)噴頭噴霧量均勻性試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。其中,大豆帶噴頭噴霧量平均值為(1.196±0.055) L·min-1,變異系數(shù)為4.6%;玉米帶噴頭噴霧量平均值為(1.213±0.043) L·min-1,變異系數(shù)為3.5%,均滿足田間植保作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

表4 噴頭噴霧量均勻性試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Results of spray volume uniformity test

3.3.3 霧滴帶間漂移試驗(yàn) 玉米霧滴帶間漂移試驗(yàn)結(jié)果如表5所示,當(dāng)大豆玉米帶狀復(fù)合種植分帶式噴桿噴霧機(jī)分別以3、4、5和6 km·h-1的行駛速度進(jìn)行作業(yè)時(shí),其對(duì)應(yīng)的霧滴沉積密度平均值分別為(0.22±0.08)、(0.84±0.32)、(2.11±0.62)和(5.54±0.89)個(gè)·cm-2。

表5 玉米霧滴帶間漂移試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Fog drops drift test from maize strips

同理,大豆霧滴帶間漂移試驗(yàn)結(jié)果如表6所示,該裝備分別以3、4、5和6 km·h-1的行駛速度進(jìn)行作業(yè)時(shí),其對(duì)應(yīng)的霧滴沉積密度平均值分別為(0.64±0.20)、(1.57±0.22)、(2.68±0.55)和(9.60±0.84)個(gè)·cm-2。

表6 大豆霧滴帶間漂移試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Fog drops drift test from soybean strips

通過(guò)表5和表6對(duì)比可知,隨著大豆玉米帶狀復(fù)合種植分帶式噴桿噴霧機(jī)行駛速度的提升,玉米帶間和大豆帶間的霧滴沉積密度也逐漸增多。其中,行駛速度在3～5 km·h-1范圍內(nèi),霧滴沉積密度增速較為緩慢;而行駛速度從5～6 km·h-1時(shí),霧滴沉積密度急劇增加,故該裝備田間作業(yè)的行駛速度建議為3～5 km·h-1。此外,兩者橫向?qū)Ρ劝l(fā)現(xiàn),相同行駛速度條件下,大豆帶間霧滴漂移明顯高于玉米帶間霧滴漂移,有可能是由于大豆帶幅度較寬且植株高度偏低,使該區(qū)域霧滴更易受空間氣流的脅迫擾動(dòng)而產(chǎn)生漂移,后續(xù)將對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行進(jìn)一步研究?jī)?yōu)化。

4 結(jié)論與討論

本研究結(jié)合黃淮海地區(qū)大豆玉米帶狀復(fù)合種植模式,設(shè)計(jì)了一種大豆玉米帶狀復(fù)合種植分帶式噴桿噴霧機(jī),主要由動(dòng)力裝置、四輪驅(qū)動(dòng)高地隙底盤、輪距調(diào)節(jié)裝置、駕駛系統(tǒng)、大豆藥箱、玉米藥箱、雙噴霧系統(tǒng)、水平折疊式升降噴桿裝置和防漂移裝置等組成。與王俊等[15]和吳彥強(qiáng)等[27]研發(fā)的噴桿噴霧機(jī)不同之處在于,該裝備創(chuàng)新性設(shè)計(jì)了分段獨(dú)立控制的雙噴霧系統(tǒng)和防漂移裝置,能夠針對(duì)大豆和玉米帶狀種植模式進(jìn)行精準(zhǔn)分類施藥,提高作業(yè)精度和質(zhì)量,避免藥液霧滴帶間漂移產(chǎn)生的藥害,并為農(nóng)作物復(fù)合種植模式植保機(jī)械的研發(fā)提供設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)參考。

經(jīng)理論計(jì)算和虛擬仿真,確定了大豆玉米帶狀復(fù)合種植分帶式噴桿噴霧機(jī)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)。通過(guò)液壓驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)輪距調(diào)節(jié),與朱洋洋等[21]研發(fā)的高地隙可調(diào)節(jié)底盤原理相似,本研究采用更為穩(wěn)定可靠的花鍵配合,并選用HSG40型液壓缸作為輪距調(diào)節(jié)裝置的液壓缸,以滿足不同的大豆玉米行比配置和行距等種植農(nóng)藝。雙噴霧系統(tǒng)中,選用JY-MB270/2.5型活塞式隔膜泵,大豆藥箱和玉米藥箱的容積設(shè)計(jì)為600 L,并將霧錐角為80°的扇形偏心噴頭和霧錐角為110°的扇形防漂移噴頭進(jìn)行組合使用。水平折疊式升降噴桿采用液壓驅(qū)動(dòng)和平行四桿升降機(jī)構(gòu),與朱洋洋等[21]和吳彥強(qiáng)等[27]研制的噴桿噴霧機(jī)噴桿機(jī)構(gòu)類似。防漂移裝置采用3 mm厚的聚酯板材料,并根據(jù)霧滴軌跡散點(diǎn)云圖,將其總長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為1.5 m,其中,防漂移裝置末端至噴桿上噴頭距離為1.0 m,防漂移裝置前端至噴桿上噴頭距離為0.5 m。

經(jīng)樣機(jī)田間性能試驗(yàn)可知,該裝備作業(yè)通過(guò)率平均值為(99.38±0.14)%,大豆帶噴頭噴霧量平均值為(1.196±0.055)L·min-1,變異系數(shù)為4.6%;玉米帶噴頭噴霧量平均值為(1.213±0.043) L·min-1,變異系數(shù)為3.5%,符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《噴桿噴霧機(jī) 試驗(yàn)方法》(GB/T 24677.2—2009)[25]、《植物保護(hù)機(jī)械 噴霧飄移的田間測(cè)量方法》(GB/T 24681—2009)[26]。大豆玉米帶狀復(fù)合種植分帶式噴桿噴霧機(jī)的行駛速度建議為3～5 km·h-1,且該參數(shù)范圍內(nèi)玉米帶間和大豆帶間的霧滴漂移沉積密度隨行駛速度的增加而逐漸增多,這與蔣煥煜等[28]研究結(jié)果一致。