自走式水田高地隙噴桿噴霧機噴霧試驗研究

彭才望，孫松林，蔣 蘋，嚴串串，唐琦軍，胡文武

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)東方科技學(xué)院，湖南長沙 410128；2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖南長沙 410128)

我國水稻種植面積約占全國谷物種植面積的40%，同時，水稻是病蟲害發(fā)生頻率最大的農(nóng)作物[1]。在水稻種植過程中，植保作業(yè)對水稻產(chǎn)量起著關(guān)鍵作用。水田高地隙植保噴桿噴霧系統(tǒng)目前被廣泛應(yīng)用于農(nóng)藥噴灑，但水田高地隙噴桿噴霧系統(tǒng)在作業(yè)過程中因為路面不平的影響容易使噴桿發(fā)生變形，導(dǎo)致噴霧不均勻。另外，噴桿噴霧系統(tǒng)的噴頭噴霧壓力、噴霧角度、噴霧高度直接影響農(nóng)藥噴灑的均勻性和農(nóng)藥的有效利用率。因此，研究水田高地隙噴桿噴霧系統(tǒng)的噴霧效果對減少農(nóng)藥的浪費、提升噴霧質(zhì)量有重要的意義。

目前，國內(nèi)關(guān)于噴桿的理論研究大多集中在霧化理論等方面，而有關(guān)噴桿彈性變形的研究則較少[2-8]。吳吉麟等[9]根據(jù)一種寬幅噴霧系統(tǒng)懸架和噴桿的幾何特征建立一種懸架-噴桿模型，分析不同頻率激勵源下該模型的動態(tài)特性。葉連民等[10]指出，影響噴桿式噴霧系統(tǒng)全面噴霧作業(yè)霧量分布均勻性的因素主要有噴霧高度、噴頭工作壓力、噴頭噴霧量分布特性、噴頭安裝距離，以及地面平整程度和風(fēng)力等。楊君[11]對影響噴霧分布均勻性的主要因素工作壓力、噴嘴直徑和噴桿高度進行了正交試驗，得出噴嘴類型對噴霧的均勻性影響最大，工作壓力對噴霧分布均勻性的影響最小。陳志剛等[5]指出，間距增大、噴桿高度增加時，噴桿分布的變異系數(shù)呈波浪式變化。

筆者在前期研究成果的基礎(chǔ)上，針對水田高地隙噴桿噴霧系統(tǒng)的噴霧效果進行研究，通過搭建噴霧試驗綜合平臺，對噴霧壓力、噴霧高度、噴霧噴幅寬度進行試驗，通過試驗數(shù)據(jù)分析得到較佳噴霧效果。

1 水田高地隙噴桿噴霧機整體結(jié)構(gòu)

水田高地隙噴桿噴霧機由底盤車架、發(fā)動機總成、駕駛室總成、液壓系統(tǒng)、噴桿升降液壓系統(tǒng)、噴桿伸展液壓系統(tǒng)、輪胎等其他部分組成，如圖1、2所示。液壓系統(tǒng)負責噴桿系統(tǒng)的升降、伸展功能，噴頭噴霧由液壓系統(tǒng)供給流量和壓力。發(fā)動機總成提供驅(qū)動行駛動力。

注：1.升降液壓系統(tǒng)；2.噴桿支架；3.伸展液壓系統(tǒng)；4.噴頭；5.液壓系統(tǒng)；6.輪胎；7.發(fā)動機總成；8.底盤車架；9.駕駛室總成 Note:1.Lift hydraulic system;2.Spray rod support;3.Extension hydraulic system;4.Sprinkler;5.Hydraulic system;6.Tire;7.Engine assembly;8.Chassis frame;9.Driver chamber assembly圖1 自走式水田高地隙噴桿噴霧機結(jié)構(gòu)總成Fig.1 Structure of self-propelled paddy field boom sprayer

圖2 自走式水田高地隙噴桿噴霧機試驗Fig.2 Experiment of self-propelled paddy field boom sprayer

2 噴霧性能研究

南方水田農(nóng)藥施藥方法中，噴霧施藥是其中最主要的一種施藥方法[12]。我國植保機整體性能不高，噴霧分布不均，據(jù)估算，僅有25%～50%農(nóng)藥可以有效噴灑到農(nóng)作物表面上，作業(yè)效率低[13]。水田高地隙噴桿噴霧系統(tǒng)的噴霧高度、噴霧壓力、噴幅直接影響噴霧作業(yè)分布的均勻性[10]。因此，研究噴霧的均勻性，提高農(nóng)藥的利用率，從而改善農(nóng)藥生態(tài)環(huán)境，尤為重要。該研究主要從噴霧壓力、噴霧高度、噴副寬度3個方面進行試驗研究。試驗儀器設(shè)備等主要包括：10 m噴桿、電子秤、壓力表、卷尺、量杯、水。

2.1噴頭噴霧壓力研究試驗過程：以水作為樣本液體，通過壓力表調(diào)節(jié)噴霧壓力，噴霧壓力分別設(shè)置為0.20、0.25、0.30、0.35、0.40 MPa，單個噴頭下均用量杯收集噴頭所噴出的噴霧液體，噴霧時間持續(xù)60 s，然后將各自量杯置于電子秤上，得到量杯所收集的液體質(zhì)量(圖3)。單個試驗噴霧壓力下，循環(huán)試驗5次，試驗結(jié)果取平均值，試驗所得噴桿上20個噴頭流量數(shù)值如表1所示。

注：1.量杯；2.噴頭；3.噴桿；4.壓力表Note:1.Measuring cups;2.Sprinkler heads;3.Spray rods;4.Pressure gauges圖3 噴霧量試驗示意Fig.3 Diagram of spray flow

從表1中可以得出，隨著噴頭壓力的增大，噴霧流量呈正相關(guān)關(guān)系也隨之增大，在噴頭壓力為0.30 MPa時候，變異系數(shù)最小值為0.052 925，此時，噴頭噴霧的流量穩(wěn)定性最高。

2.2噴頭噴霧高度研究為研究噴桿噴霧系統(tǒng)在額定噴霧壓力下的噴霧均勻性，將噴桿放置在支撐桿上，支撐桿上有限位孔，限位孔距離水平地面高度可設(shè)計為0.3、0.4、0.5、0.6、0.7 m，額定壓力根據(jù)噴霧壓力試驗結(jié)果選定為0.30 MPa，各噴頭下安放有一個收集槽，用于收集各噴頭噴出的噴霧液體(圖4)。噴霧試驗時間90 s，噴霧結(jié)束后，用精度為0.01 g的電子秤計算收集槽的噴霧質(zhì)量。各個高度下循環(huán)試驗5次，計算噴霧變異系數(shù)，試驗結(jié)果如表2所示。

注：1.收集槽；2.噴頭；3.噴桿；4.支撐桿；5.壓力表；6.限位孔 Note:1.Collecting tank;2.Sprinkler head;3.Spray rod;4.Supporting rod;5.Pressure gauge;6.Limit hole圖4 噴霧高度示意Fig.4 Diagram of spray height

試驗結(jié)果表明，在噴桿處于0.5 m高度時，噴桿噴霧的均勻性相比之下最好，變異系數(shù)為0.025 430 101，最小。

2.3噴頭噴幅寬度研究考慮上述研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，噴桿處于0.5 m高度時，噴霧變異系數(shù)最小，均勻性最好。為此，基于上述研究結(jié)果，研究噴桿噴霧系統(tǒng)在限定高度0.5 m下的噴霧噴幅寬度，如圖5所示。將噴桿放置在支撐桿限位孔上，限位孔距離水平地面高度為0.5 m，額定壓力根據(jù)噴霧壓力分別設(shè)定0.20、0.25、0.30、0.35、0.40 MPa，試驗采用0.65%的紅色水溶液代替農(nóng)藥，噴桿下安置干燥試紙，用于檢測噴霧噴幅寬度。單次噴霧試驗時間持續(xù)10 s，噴霧結(jié)束后，用卷尺測量噴桿下的噴幅寬度。0.5 m高度下循環(huán)試驗5次，計算噴霧變異系數(shù)，試驗結(jié)果如表3所示。

表2 不同噴霧高度下的噴霧量

注：1.水平地面線；2.噴頭；3.噴桿；4.支撐桿；5.壓力表；6.限位孔；a.噴孔間距；b.噴頭高度；c.噴幅寬Note:1.Horizontal ground line;2.Sprinkler head;3.Spray rod;4.Supporting rod;5.Pressure gauge;6.Limit hole;a.Nozzle spacing;b.Nozzle height;c.Width圖5 噴幅寬度示意Fig.5 Diagram of sprinkling width

試驗用噴頭的噴霧錐角為110°，理論計算噴頭距離水平地面線0.5 m高度時，單個噴頭的噴霧寬度均為1.421 8 m，現(xiàn)10 m的噴霧噴桿理論噴霧噴幅為10.928 1 m。試驗結(jié)果所測，噴霧壓力處于0.20～0.40 MPa時，實際噴幅的均值為10.414 6～10.554 0 m，實際噴幅的數(shù)值均小于理論噴霧噴幅寬度10.928 1 m。其主要原因是理論計算噴霧噴幅寬度基于噴桿完全水平狀態(tài)下計算所得，實際作業(yè)中，水田農(nóng)用拖拉機工作振動頻率處于0～10 Hz，噴桿受重力和振動等多方面因素的影響，噴桿在作業(yè)行駛中，噴桿因為振動帶來一定的彎曲，所以，噴霧噴幅寬度會小于理論噴幅寬度，相對誤差3.4%～4.6%。同時，試驗發(fā)現(xiàn)，隨著噴霧壓力增加，噴霧寬度一定程度隨之增大。但在噴霧壓力處于0.30 MPa時候，噴霧噴幅寬度為10.502 1 m，噴幅變異系數(shù)為0.002 802，相對其他噴霧壓力情況下，噴霧噴幅最為穩(wěn)定。

表3 不同噴霧壓力下的噴幅寬度

3 結(jié)論與討論

該研究以自走式水田高地隙噴桿噴霧機10 m的噴桿作為研究對象，通過搭建試驗平臺分別進行噴頭噴霧量試驗、噴頭噴霧高度試驗、噴頭噴幅寬度試驗。試驗結(jié)果表明，隨著噴霧壓力增加，噴霧流量與噴頭壓力呈正相關(guān)，在噴頭壓力為0.30 MPa時候，流量變異系數(shù)值最小為5.292 5%，噴霧流量穩(wěn)定性最高；在噴桿噴霧機的噴桿處于距水平地面0.5 m高度時，噴桿噴霧均勻性最好，變異系數(shù)為2.543 010 1%，變異系數(shù)值最小；隨著噴霧壓力增加，噴霧寬度與噴霧壓力呈一定程度的正相關(guān)。尤其在噴頭噴霧壓力為0.30 MPa，噴桿高度距離水平地面0.5 m時，噴霧噴幅寬度為10.502 1 m，噴幅變異系數(shù)為0.280 2%，相對其他噴霧壓力情況下，噴霧噴幅最為穩(wěn)定。田間試驗結(jié)果表明，在噴霧壓力0.30 MPa，噴桿高度距離作物頂端表面0.5 m時，自走式水田高地隙噴桿噴霧均勻性和噴幅寬度均滿足水田農(nóng)作物噴藥作業(yè)要求。