3WP-500型噴桿式果園噴霧機的設(shè)計與試驗

李亞麗，湛小梅，王圓明，崔晉波，劉汶樹

(重慶市農(nóng)業(yè)科學院，重慶　401329)

0　引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展和農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整，果園的種植面積在整體上呈現(xiàn)逐年增加的趨勢。果園果樹的種植、水果品種的培育及其附加的產(chǎn)業(yè)逐漸成為帶動農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展的支柱性產(chǎn)業(yè)，由此帶來的經(jīng)濟效益已成為促進農(nóng)村經(jīng)濟繁榮和增加農(nóng)民收入的重要手段。但由于果樹長期受到施藥技術(shù)水平低、霧化性能差、藥物嚴重流失等因素的影響，發(fā)生病蟲害的頻率較高，且無法得到有效控制，進而導(dǎo)致大量的果實出現(xiàn)次果、劣果甚至落果等不良現(xiàn)象。

目前，我國植保機械的不發(fā)達和農(nóng)藥使用技術(shù)的不規(guī)范[1]，遠不能滿足我國果園種植面積不斷加大對植保機械和農(nóng)藥的日益需求，嚴重妨礙了對果園果樹病蟲害的防治。同時，不規(guī)范使用農(nóng)藥也帶來了很多不良影響，如污染環(huán)境、農(nóng)產(chǎn)品中農(nóng)藥殘留超標、操作者中毒、作物藥害及農(nóng)藥有效利用率低等負面影響[2-3]，造成了極大的損失，已成為制約果農(nóng)收入的主要因素之一。目前，我國種植的果樹普遍枝葉茂密且樹冠高大，而國內(nèi)果園植保技術(shù)大多采用的是液力霧化技術(shù)[4]，霧滴穿透果樹冠層能力低，在葉面上沉積不均勻，霧滴也受到樹冠外層茂密樹葉的阻擋，大量聚集形成水滴滾落流失，藥液未被冠層內(nèi)部及樹干有效吸收，病蟲害未根除，為其卷土重來埋下隱患。我國大部分地區(qū)果園施藥仍以手動藥械為主，主要品種有背負式[5-6]、踏板式[7-8]噴霧器。此類噴霧器工作效率低，在適合施藥期間無法適期防治，同時操作人員的勞動強度大，耗時耗力[9-12]。因此，急需研發(fā)應(yīng)用先進的新型植保機械，改善施藥方法與規(guī)范農(nóng)藥使用技術(shù)，進而采用新型果園噴霧機械推廣正確且高效的果園病蟲害防治技術(shù)[13-17]。

因此，為了解決上述問題，需設(shè)計一種能夠跟拖拉機直接懸掛，可安裝6個噴頭的豎直可調(diào)節(jié)式噴桿，能夠?qū)崿F(xiàn)快速、高效、大面積、均勻噴灑農(nóng)藥的新型噴桿式果園噴霧機。

1　整機結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1　整機結(jié)構(gòu)

3WP-500型噴桿式果園噴霧機主要由機架、藥箱、噴霧裝置、傳動裝置及柱塞泵等部件組成，如圖1所示。機架前端設(shè)有三點懸掛裝置與拖拉機進行掛接，機架前端上方的主動帶輪與拖拉機動力輸出軸部連接，為整機提供動力。柱塞泵通過螺栓固定在機架上，噴藥裝置的最下端焊接在機架上。

1.2　工作原理

果園作業(yè)時，3WP-500型噴桿式果園噴霧機與拖拉機后方三點懸掛機構(gòu)掛接，拖拉機的動力通過PTO輸出軸、萬向節(jié)傳動軸驅(qū)動三缸柱塞泵，對藥液進行加壓；加壓后的藥液流經(jīng)柱塞泵出水閥、高壓輸液管、噴桿直至噴頭，由噴頭對藥液進行霧化；噴出的藥液克服空氣阻力、液體粘滯性和表面張力并形成風力翻轉(zhuǎn)葉片，霧化成多個細小的液體顆粒均勻沉積在果樹葉片的正反面。

1.機架　2.軸　3.軸承組合4.大皮帶輪　5.噴霧裝置　6.三缸柱塞泵　7.小皮帶輪

1.3　主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)西南丘陵山區(qū)現(xiàn)有的果樹種植模式及類似機型的相關(guān)技術(shù)參數(shù)[18-19]，3WP-500型噴桿式果園噴霧機整個機型的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表13WP-500型噴桿式果園噴霧機主要技術(shù)參數(shù)

Table 1Technology parameters of 3WP-500 type of spray rod orchard sprayer

參數(shù)單位數(shù)值外形尺寸 (長×寬×高) mm800×400×1700質(zhì)量kg60掛接方式三點懸掛配套動力kW40作業(yè)速度km/h1.8～3.6工作幅寬mm18000-20000生產(chǎn)率hm2 /h0.8～1.0

2　關(guān)鍵部件的設(shè)計

2.1　機架的設(shè)計

3WP-500型噴桿式果園噴霧機的機架采用角鋼和矩形管封閉斷面框架式焊接而成，前端焊有三點懸掛架，三點懸掛架和支撐腿使用方形鋼端管，三缸柱塞泵懸掛架等其他承重桿均采用5#角鋼，如圖2所示。在整個機架構(gòu)件中，前機架主要承受軸承組件及大皮帶輪的質(zhì)量，軸承和皮帶的連接部分承受工作阻力。在滿足強度和剛度的要求下，采用最小的機架尺寸減輕質(zhì)量，提高其對丘陵山丘區(qū)果園的適應(yīng)性。

1.連接部分　2.三缸柱塞泵懸掛架　3.銷　4.支撐腿　5.萬向輪

2.2　液泵的選擇

三缸柱塞泵是一種高效植保機械壓力泵，具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量小、流量小節(jié)水、壓力高、工作可靠及故障率低等優(yōu)點。常用三缸柱塞泵有90型、120型、220型等。對于采用高效植保機械壓力泵來說，液泵的排量除滿足噴灑的要求外，還應(yīng)考慮足夠的回液量，滿足攪拌的需要[20-22]，則

其中，Q噴為噴桿噴頭總噴量(L/hm2)；Q公頃為施藥量(L/hm2)；v為拖拉機前進速度(m/s)；B為機具工作總幅寬(m)。

當Q公頃=200L/hm2、v=6 km/h時，Q噴=16 L/min。攪拌用的回液量一般為藥箱容積的5%～10%。采用回液攪拌，回液量為Q回，選取Q回為藥箱容積的5%，則Q回=32.5L/min。該機液泵的流量Q泵=Q噴+Q回，帶入已知條件得Q泵=48.5L/min，選用120型三缸柱塞泵。

2.3　噴頭噴桿機構(gòu)

為了能夠均衡地噴灑柑橘果樹的樹冠、樹干等部位，在機架兩邊并排設(shè)置了兩根豎向的噴桿，按照果樹樹冠結(jié)構(gòu)，每根噴桿是由4段不同長度的噴桿、1個活接頭、2個三通管和1個彎管組成，每根噴桿上安裝3個萬向噴頭，如圖3所示。在實際噴霧作業(yè)時，為防止豎向的噴桿由于機具前進和噴霧壓力造成的擺動，從而影響噴霧作業(yè)質(zhì)量，在并排豎向的兩噴桿之間設(shè)置了兩根橫向固定結(jié)構(gòu)，以增加兩噴桿的噴霧效果，保證噴霧質(zhì)量。設(shè)置的萬向噴頭可進行水平方向的自由調(diào)節(jié)，噴桿可進行豎直方向的長度調(diào)節(jié)，對應(yīng)不同的植株大小變化，可進行相應(yīng)的匹配調(diào)節(jié)，達到良好的作業(yè)狀態(tài)。

圖3　噴桿機構(gòu)圖

3　性能試驗及分析

3.1　試驗?zāi)康?/h3>

田間試驗是檢驗3WP-500型噴桿式果園噴霧機噴霧性能的一種方法，噴霧機的霧化性能是評價施藥機具性能最為重要的指標[23-25]。該指標不僅決定著霧滴的分布，而且決定著霧滴在果樹冠層中的分布、運動、飄失、附著、穿透和沉積，進而影響果樹病蟲害的防治效果和噴霧機生產(chǎn)效率的高低。霧化性能關(guān)鍵指標主要包括噴幅與霧滴沉淀的均勻性。農(nóng)藥霧滴的沉積均勻性對于農(nóng)藥霧滴是否能夠更好沉積到蟲害的靶標部位具有重要的指導(dǎo)意義[26-27]，而噴幅反映的是機具的生產(chǎn)效率和噴霧的覆蓋能力。

3.2　試驗條件與方案

測量的工具有：配套動力為40kW潤田履帶式拖拉機、小夾子、塑封袋、米尺、水敏霧滴測試卡、麗春紅2R水溶液、一次性手套、722N可見分光光度儀、燒杯、量筒、蒸餾水及微距相機等。

3WP-500型噴桿式果園噴霧機于2016年8月24日在重慶市江津區(qū)先鋒鎮(zhèn)果樹所實驗基地進行柑橘噴霧試驗，如圖4所示。天氣溫度32°～36°，無風；柑橘冠形為紡錘形，柑橘葉面積平均指數(shù)3.8；樹高(2.6±0.2)m，樹圍直徑5.5±0.3m，樹干高0.7±0.1m，行距4m，株距3m；藥箱中的試驗液體采用不含雜質(zhì)的清水。為了科學統(tǒng)計與減少誤差，每棵果樹應(yīng)至少放置5張檢測卡，以便在觀察判斷分析霧滴沉積分布是否合理。霧滴采集點布置如圖5所示。

圖4　3WP-500型噴桿式果園噴霧機作業(yè)過程

圖5　霧滴采集點布置示意圖

3WP-500型噴桿式果園噴霧機采用正交試驗的方法在田間進行噴霧性能測試工作。在測試區(qū)內(nèi)，隨機選取沿著噴霧機噴幅方向上的10棵柑橘果樹，在每棵果樹不同冠層部位的葉片上夾放水敏霧滴測試卡，可觀察霧滴沉積量。當霧滴與水敏霧滴測試卡碰撞時，1個霧滴便形成1個全痕沉淀在檢測卡上，然后將紙卡取下并封裝防止藥物揮發(fā)，保證后期實驗室處理數(shù)據(jù)的準確性。將試驗帶回的紙卡每一張都放入單獨的燒杯中，各加入一定量的蒸餾水進行清洗，測量時使用722N可見分光光度儀，得到每一燒杯溶液的吸光度a，從而計算出單位面積的藥液沉淀量m，即

其中，V為加入蒸餾水體積(mL)；S為試驗紙卡的面積(cm2)；K為吸光度比值系數(shù)。

影響霧滴沉淀均勻性和噴幅的因素較多，壓力不穩(wěn)定促使噴霧器的流量、霧滴大小隨時都會發(fā)生變化，直接影響噴霧的霧滴細微程度和噴灑均勻性，造成藥液在葉面上的沉積量不一，很難達到預(yù)期效果。挑選其中影響較大者作為試驗影響因素，經(jīng)過分析主要有噴嘴直徑、噴霧壓力、藥液流量影響霧滴沉淀均勻性和幅寬這兩試驗指標，即以噴嘴直徑A、藥箱壓力B、機具前進速度C為試驗因素。選用試驗用的噴嘴為美國TeeJet公司生產(chǎn)的TXA8004VK型圓錐型噴嘴，3種噴嘴直徑分別為1.1、1.4、1.8mm，藥箱壓力分別為2.4、3.0、3.6MPa，機具前進速度分別為1.6、3.2、4.8m/s。通過霧化性能試驗獲得噴霧壓力、噴嘴直徑及機具前進速度的最佳匹配組合，達到最好的霧滴沉淀均勻性。試驗因素和水平如表2所示。

表2　因素水平表

3.3　試驗結(jié)果與分析

采用L9(33)正交表來安排試驗，結(jié)果如表3所示。

表3　綜合平衡法試驗結(jié)果

續(xù)表3

根據(jù)上述試驗結(jié)果統(tǒng)計表，對沉淀量和幅寬兩個指標分別進行分析，得出的兩個最優(yōu)方案為A2B3C1和A3B3C3。按影響大小的次序分別為沉淀量A2C1B3和幅寬A3B3C3，這兩種方案不完全相同。就指標單獨考慮來看，對沉淀量和幅寬來說是好方案；將各因素綜合起來看，方案的效果卻不然[28]。因此，為便于綜合分析，將沉淀量和幅寬隨因素水平變化的情況分別用圖形表示出來，如圖6所示。

圖6　因素對指標的影響曲線圖

依據(jù)因素對指標的影響曲線圖可以看出：在噴霧作業(yè)過程中，沉淀量和幅寬兩個指標越大，噴霧的效果就越好。通過各因素對各指標影響的綜合分析，得出的最優(yōu)方案為A1B3C2，即噴嘴直徑1.1mm、藥箱壓力3.6MPa、機具前進速度3.2m/s是3WP-500型噴桿式果園噴霧機械的最佳噴霧參數(shù)。以此參數(shù)進行多次重復(fù)試驗，得到噴霧幅寬的平均值19.4m，藥物沉淀量的平均值為3.48μg/cm2，噴霧噴幅和藥液沉淀量達到設(shè)計要求，藥液分布均勻，霧化性能好。

4　結(jié)論

1)針對我國植保機械的不足及果園需求量大現(xiàn)狀，設(shè)計了3WP-500型噴桿式果園噴霧機。該機可一次性完成果園的農(nóng)藥噴灑，噴霧均勻，且噴霧高度可調(diào)節(jié)，適宜不同地區(qū)、不同植株的農(nóng)藥噴灑。

2)田間試驗結(jié)果表明：在噴嘴直徑1.1mm、藥箱壓力3.6MPa、機具前進速度3.2m/s時，平均藥液沉淀量為3.48μg/cm2，平均噴幅為19.4m。藥液沉淀量和噴幅均達到技術(shù)要求，藥液分布均勻，霧化性能好。