棉花噴霧機(jī)“Π”型噴桿噴霧系統(tǒng)試驗(yàn)臺架的研究與設(shè)計

王喃喃 ，代亞猛 ，賈首星 ※，周 艷 ，張 景 ，李 帆

（1.石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000；2.新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所）

0 引言

棉花是植保作業(yè)類型較多，同時對植保機(jī)具作業(yè)質(zhì)量要求高的作物。特別是棉花機(jī)械化采收前的脫葉劑噴施作業(yè)，其施藥質(zhì)量和脫葉效果的好壞，直接影響著機(jī)械化采收后棉花的質(zhì)量等級[1-3]。新疆棉花現(xiàn)行多普遍采用行距為10+66 cm機(jī)采棉矮化密植種植模式，棉花種植密度大，具有行距狹窄、植株超密、枝葉超多的特點(diǎn)，相鄰兩行棉花葉片交叉重疊嚴(yán)重，普通噴桿式噴霧機(jī)單純依靠純液力霧化從棉花冠層上方向下噴藥，藥液霧滴往往難以穿透棉花的稠密冠層將藥液均勻地噴施到棉花中下層葉片和葉片背面，農(nóng)藥有效利用率低、施藥效果不佳[4-5]。

為解決霧滴難以穿透棉花密集冠層的問題，提高霧滴在棉花中下層葉片和葉片背面的覆蓋率，多年來墾區(qū)廣大農(nóng)機(jī)工作者進(jìn)行了大量的探索與實(shí)踐，一方面，為力求實(shí)現(xiàn)對棉花植株的全方位噴霧施藥，在常規(guī)噴桿噴霧機(jī)的基礎(chǔ)上集成應(yīng)用了吊桿噴霧技術(shù)、“噴桿頂噴+吊桿側(cè)噴”組合式噴霧技術(shù)以及雙藥液雙管路噴霧技術(shù)等[6-8]，打破了常規(guī)噴桿噴霧機(jī)單純從棉花頂部豎直向下的噴霧方式的局限，有效提高了藥液霧滴在棉花中下層葉片和葉片背面的附著率，改善了噴霧施藥效果[9]；但另一方面，目前對棉花噴霧系統(tǒng)尚缺乏科學(xué)系統(tǒng)的全面研究，如對頂噴和側(cè)噴噴頭類型的選擇與優(yōu)化組合、噴頭的安裝位置和間隔距離以及空間配置、側(cè)噴吊桿的間距和離地高度以及噴頭的安裝角度等，主要還是依靠經(jīng)驗(yàn)來確定。特別在對噴桿噴霧系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化時，研究其農(nóng)藥霧滴沉積分布和霧滴穿透能力的方法還主要是通過戶外田間試驗(yàn)進(jìn)行。由于影響棉花噴霧均勻性、霧滴穿透和霧滴沉積的因素很多（包括風(fēng)速、噴霧機(jī)行走速度、噴頭類型、藥液比例、噴頭距離目標(biāo)高度和霧滴直徑等），加之戶外田間試驗(yàn)不確定性因素多、可控性及可重復(fù)性差，若通過逐一變換參數(shù)進(jìn)行田間試驗(yàn)的方法對噴霧系統(tǒng)改進(jìn)優(yōu)化，不僅工作量大、成本高、周期長，而且很難獲得最優(yōu)結(jié)果。

針對上述問題，我們研究和搭建了棉花噴霧機(jī)“Π”型噴桿噴霧系統(tǒng)試驗(yàn)臺架，利用試驗(yàn)臺架可以方便地模擬不同噴頭類型組合與空間配置的噴桿噴霧系統(tǒng)，并通過對其沉積在靶標(biāo)上的霧滴檢測分析，對影響棉花噴霧施藥效果的關(guān)鍵因素以及噴霧系統(tǒng)的霧流場分布規(guī)律和沉積規(guī)律進(jìn)行研究，為進(jìn)一步改進(jìn)提高棉花脫葉劑噴施技術(shù)與裝備提供依據(jù)與參考。

1 試驗(yàn)臺架的設(shè)計思路與要求

多年的攻關(guān)實(shí)踐表明，對于棉花這種密集種植的作物，單純的水平噴霧施藥技術(shù)已經(jīng)不能滿足其植保需求。目前在新疆兵團(tuán)墾區(qū)，基于噴桿頂噴+吊桿側(cè)噴“Π”型組合式噴霧系統(tǒng)的噴桿噴霧機(jī)被廣泛應(yīng)用于棉花中后期病蟲害防治和催熟脫葉劑噴施的一類機(jī)型[10]。設(shè)計搭建基于不同噴頭類型及空間配置的“Π”型噴霧系統(tǒng)試驗(yàn)臺架，摸清其不同噴頭類型組合及空間配置下霧滴霧流場分布規(guī)律和沉積規(guī)律、找出其系統(tǒng)運(yùn)行的最佳控制參數(shù)，得到噴頭最佳配置方式，對于改進(jìn)提高該類棉花噴霧植保機(jī)具的技術(shù)性能具有重要意義。

噴霧作業(yè)過程中，霧滴沉積量、沉積分布均勻性和飄移率是衡量噴霧質(zhì)量的主要因素和指標(biāo)，另外，在棉花密植種植模式下，提高霧滴的穿透能力具有重要意義?！唉啊毙蛧婌F系統(tǒng)試驗(yàn)臺架圍繞上述影響噴霧質(zhì)量的各因素設(shè)計開發(fā)，試驗(yàn)臺能夠測量和需要控制調(diào)整的參數(shù)包括：藥液壓力與流量、氣泵壓力與氣體流量、霧滴沉積量、噴桿頂噴噴頭和吊桿側(cè)噴噴頭的安裝角度以及與靶標(biāo)的距離、靶標(biāo)的移動速度、霧滴沉積量、沉積分布、溫度、濕度等。要求能夠方便地搭載和組合不同類型的噴頭（包括氣力式靜電噴頭），噴頭安裝數(shù)量、安裝位置、安裝角度和間距均可調(diào)整，能夠模擬不同噴頭類型及空間配置時的噴霧系統(tǒng)工作狀態(tài)。

2 整體結(jié)構(gòu)與功能

“Π”型噴霧系統(tǒng)試驗(yàn)臺架主要由藥液供給系統(tǒng)、壓力氣體供給系統(tǒng)、噴桿噴頭搭載裝置、靶標(biāo)臺架及運(yùn)動控制系統(tǒng)、靜電發(fā)生器等組成，如圖1所示。

圖1 噴霧試驗(yàn)裝置總體結(jié)構(gòu)

該試驗(yàn)臺架的藥液供給系統(tǒng)可滿足多種噴桿噴霧系統(tǒng)（包括雙藥液雙管路噴霧系統(tǒng)、靜電噴霧系統(tǒng)）的試驗(yàn)研究，包括兩組電機(jī)驅(qū)動的隔膜泵、高精度調(diào)壓閥及流量閥等。藥液泵可通過調(diào)壓閥及流量閥控制其泵出藥液的壓力和流量；壓力氣體供給系統(tǒng)包括電機(jī)驅(qū)動的羅茨風(fēng)機(jī)、高精度調(diào)壓閥及流量閥等，用于搭載氣力式靜電噴頭試驗(yàn)時提供大流量壓力氣體，可通過調(diào)壓閥及流量閥控制氣體的壓力和流量；噴桿噴頭搭載裝置由“Π”型結(jié)構(gòu)支架、可調(diào)整高度的頂噴噴桿和可調(diào)整側(cè)噴間距的側(cè)噴噴桿以及噴頭固定裝置組成，可以安裝搭載常用的各種噴頭以及氣力式靜電噴頭；靶標(biāo)臺架及運(yùn)動控制系統(tǒng)由靶標(biāo)臺車、直線導(dǎo)軌、驅(qū)動電機(jī)、變頻控制系統(tǒng)、傳動裝置等組成，靶標(biāo)臺架電機(jī)驅(qū)動其沿著直線導(dǎo)軌運(yùn)動，其運(yùn)動速度由變頻調(diào)速裝置控制。

該試驗(yàn)臺架可以通過在“Π”型支架上安裝搭載不同類型的噴頭，模擬組合頂噴（圓錐噴頭或扇形噴頭）+吊桿側(cè)噴（圓錐噴頭或扇形噴頭）、頂噴（圓錐噴頭或扇形噴頭）+吊桿側(cè)噴（靜電噴頭）、頂噴（靜電噴頭）+吊桿側(cè)噴（圓錐噴頭或扇形噴頭）等多種”Π“型噴霧系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。試驗(yàn)臺架的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 噴霧裝置技術(shù)參數(shù)

3 主要部件選型與設(shè)計

3.1 噴桿噴頭搭載裝置

噴桿噴頭搭載裝置由“Π”型結(jié)構(gòu)支架、可調(diào)整高度的頂噴噴桿和可調(diào)整側(cè)噴間距的側(cè)噴噴桿以及噴頭固定裝置組成，噴桿噴頭搭載裝置外形尺寸為18×5×2.5m，整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

“Π”型結(jié)構(gòu)支架、頂噴噴桿支架和側(cè)噴噴桿支架均由帶有滑槽的高強(qiáng)度鋁合金管材加工而成，如圖3所示。頂噴噴桿支架通過4個角狀連接滑板和異形緊定螺栓與“Π”型支架的4根豎立支腿連接，松開異形緊定螺栓即可推動頂噴噴桿支架在“Π”型支架的4根豎立支腿滑槽中上下移動，調(diào)整頂噴噴桿支架離地高度。每個側(cè)噴噴桿支架由兩根帶有滑槽的高強(qiáng)度鋁合金管材組合而成，成T形結(jié)構(gòu)，共兩組，側(cè)噴噴桿支架在通過角狀連接滑板和異形緊定螺栓與頂噴噴桿支架連接，同樣可以通過松緊異形緊定螺栓，實(shí)現(xiàn)兩組側(cè)噴噴桿支架間的間距調(diào)整和前后錯位調(diào)整。

圖2 “Π”型支架及噴桿噴頭搭載裝置

圖3 支架連接方式

頂噴噴桿噴霧裝置和側(cè)噴噴桿噴霧裝置分別通過連接固定裝置安裝在頂噴噴桿支架和側(cè)噴噴桿支架上，并且頂噴噴桿噴霧裝置和側(cè)噴噴桿噴霧裝置分別由獨(dú)立的兩組藥液供給系統(tǒng)和壓力氣體供給系統(tǒng)泵入藥液和壓力氣體，這樣通過更換不同類型的噴頭，并與相應(yīng)的藥液供給系統(tǒng)和壓力氣體供給系統(tǒng)連接，即可方便地模擬組合頂噴（圓錐噴頭或扇形噴頭）+吊桿側(cè)噴（圓錐噴頭或扇形噴頭）、頂噴（圓錐噴頭或扇形噴頭）+吊桿側(cè)噴（靜電噴頭）、頂噴（靜電噴頭）+吊桿側(cè)噴（圓錐噴頭或扇形噴頭）等多種“Π”型噴霧系統(tǒng)，對其進(jìn)行全面系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究。

3.2 氣液供給系統(tǒng)

由于常規(guī)噴頭（包括圓錐噴頭、扇形噴頭和防滴漏）和氣力式靜電噴頭對氣液供給的要求差異較大，為滿足由“常規(guī)噴頭+氣力式靜電噴頭”組合而成的“Π”型噴霧系統(tǒng)氣液供給需要，該試驗(yàn)臺架設(shè)計采用了兩組獨(dú)立的氣液供給系統(tǒng)，分別介紹如下。

3.2.1 常規(guī)噴頭藥液供給液泵的選擇

液泵采用隔膜泵，這種泵工作時藥液不與精密運(yùn)動件接觸，使用可靠性好，且具備可以短時間脫水運(yùn)轉(zhuǎn)的優(yōu)點(diǎn)。

根據(jù)設(shè)計要求，“Π”型噴霧系統(tǒng)中常規(guī)噴頭安裝數(shù)量一般不超過8個噴頭，每個噴頭的噴霧量為0.50～2.48 L/rain（0.5 MPa 壓力下），總噴霧量為 6～20 L／rain。考慮到藥箱內(nèi)藥液攪拌的需要，一般攪拌流量為藥箱容量的5%～10%，經(jīng)計算，該實(shí)驗(yàn)裝置所需攪拌流量為30 L／min，按照上述兩部分流量的要求，所需隔膜泵排量為36～50 L／rain即可滿足需求，綜合考慮選用國內(nèi)生產(chǎn)的ZMB245型隔膜泵，該泵最大工作壓力 2.5 MPa，工作轉(zhuǎn)速 700～800 r／min。

3.2.2 氣力式靜電系統(tǒng)氣液供給系統(tǒng)

（1）風(fēng)機(jī)選擇

氣力式靜電噴頭霧化主要是依靠高速氣流通過環(huán)形細(xì)縫時的射吸作用，將通道中的藥液帶出，并進(jìn)一步在高速氣流的沖擊下破碎成更細(xì)小的霧滴。氣力式靜電噴頭與常規(guī)液力式噴頭相比霧滴穿透力強(qiáng)、霧滴飄失少、覆蓋均勻、農(nóng)藥施用量低，相應(yīng)地，氣力式霧化噴頭與常規(guī)霧化噴頭相比，霧化能耗也要大很多，要求氣體供給系統(tǒng)能夠提供大流量的壓力氣體。但由于氣力式霧化噴頭的最佳氣耗率確定與噴頭流量變化、霧滴大小、滴徑分布等多種因素相關(guān)[11-16]，目前尚缺乏系統(tǒng)的研究與實(shí)驗(yàn)。為簡化設(shè)計過程，我們采用經(jīng)驗(yàn)類比的方法確定了其風(fēng)機(jī)及驅(qū)動電機(jī)。風(fēng)機(jī)選用URAI-42V型羅茨鼓風(fēng)機(jī)，驅(qū)動電機(jī)為15kW三相異步交流電機(jī)。

（2）流量閥選擇

由于靜電噴霧屬于低量、超低量噴霧范疇，噴霧量的微小變化將帶來噴霧量變異系數(shù)的顯著增加，加之氣力式靜電噴頭噴霧量對藥液壓力的變化非常敏感，采用普通精度的流量閥無法滿足靜電噴霧流量控制精度的要求，該試驗(yàn)臺架氣力式靜電系統(tǒng)氣液供給系統(tǒng)中的流量閥選用AR2000-02型高精度流量閥，壓力：0.01 mPa～0.1 mPa，額定流量 550 l/min、接管口徑1/4、壓力表口徑1/8。

（3）穩(wěn)壓罐

為避免氣力式靜電系統(tǒng)氣液供給系統(tǒng)頻繁啟動，保證測試期間氣體供給系統(tǒng)壓力平穩(wěn)，在該驗(yàn)臺架氣液供給系統(tǒng)中設(shè)置了穩(wěn)壓罐，型號QY1803A01026，設(shè)計壓力0.84 mPa，耐壓試驗(yàn)1.26 mPa，容積1m3。

（4）供藥單元液泵的選擇

氣力式靜電噴霧供藥單元如圖4所示，液泵采用隔膜泵，型號為：MB3120/2.5。該隔膜泵的主要特點(diǎn)是流量大、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、操作維護(hù)方便，且短時間缺水條件下可持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖4 氣力式靜電噴霧供藥單元

（5）高壓靜電發(fā)生器

該試驗(yàn)臺架用于為氣力式靜電噴頭提供直流高壓供電的高壓靜電發(fā)生器，選用東文高壓電源股份有限公司生產(chǎn)的DW-P-1ACF0型高壓靜電發(fā)生器，該電源具有時漂、溫漂小，穩(wěn)定度高，輸出紋波低，抗干擾性能強(qiáng)，轉(zhuǎn)換效率高，輸出電壓連續(xù)可調(diào)，輸出電壓及電流的數(shù)字監(jiān)測顯示精度高等特點(diǎn)。該電源輸入電壓為 AC220V±10%，50 Hz，輸出 DC0～+30 000 V/1mA。

3.3 靶標(biāo)臺架及進(jìn)給裝置

該試驗(yàn)臺架是通過固定噴頭支架不動、移動靶標(biāo)臺架模擬噴霧機(jī)田間工作狀態(tài)的，靶標(biāo)臺架及進(jìn)給裝置如圖5所示，主要由由靶標(biāo)臺架、直線導(dǎo)軌、驅(qū)動電機(jī)、減速器、傳動裝置、驅(qū)動輪軸和變頻控制系統(tǒng)組成。

圖5 靶標(biāo)臺架及進(jìn)給裝置

靶標(biāo)作物（棉株或仿真棉花）通過托盤安放在靶標(biāo)臺架上，由電機(jī)通過減速器驅(qū)動靶標(biāo)臺架的驅(qū)動輪使其沿直線導(dǎo)軌往返，其控制電路如圖6所示。

靶標(biāo)臺架移動速度由變頻調(diào)速裝置控制，可在0～12 km/h范圍內(nèi)無級調(diào)速，配套動力為小型三相交流異步電機(jī)，為使靶標(biāo)臺架在較高速度時仍能以平穩(wěn)的速度通過噴霧測區(qū)，直線導(dǎo)軌兩端設(shè)置了較長的緩沖預(yù)備區(qū)，直線導(dǎo)軌設(shè)計長度為18 m。

圖6 控制電路

4 結(jié)束語

該試驗(yàn)臺架主要用于研究“Π”型配置噴桿噴霧施藥系統(tǒng)霧流場空間分布規(guī)律和荷電霧滴沉積分布規(guī)律，通過檢測不同噴頭類型組合與空間配置下靶標(biāo)作物不同部位的霧滴沉積率，對比分析不同配置狀態(tài)下“Π”型噴桿噴霧系統(tǒng)的霧滴穿透能力、沉積分布規(guī)律和霧流場空間分布規(guī)律，為噴霧機(jī)具合理選取最佳的噴霧模式和噴頭配置方案提供依據(jù)。

該試驗(yàn)臺架既可用于科研單位開展相關(guān)應(yīng)用基礎(chǔ)研究，進(jìn)行新型機(jī)具的檢測分析和新產(chǎn)品的開發(fā)，也可用于植保檢測站對相關(guān)噴霧機(jī)產(chǎn)品沉降性能進(jìn)行檢測，還可用于模擬“Π”型噴桿噴霧系統(tǒng)大田噴霧施藥狀態(tài)，對學(xué)生進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)。通過加裝高速攝像機(jī)以及圖像處理工具，還可進(jìn)一步拓展其功能。