我國自走式噴霧機(jī)技術(shù)進(jìn)展

關(guān)鍵詞：噴霧機(jī)；自走式；技術(shù)特點(diǎn)；植保機(jī)械

0 引言

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，高產(chǎn)種植離不開高效的有害生物防治工作，植保機(jī)械起到至關(guān)重要的作用。為適應(yīng)不同工作環(huán)境，植保機(jī)械研發(fā)種類繁多，其中噴桿式噴霧機(jī)在現(xiàn)有植保機(jī)械中，具有霧化粒徑細(xì)、覆蓋能力強(qiáng)、噴灑均勻、作業(yè)效率高及對人身危害程度低等特點(diǎn)，有較高的研發(fā)價(jià)值。但我國現(xiàn)有自走式噴霧機(jī)在噴嘴技術(shù)、噴霧控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和智能化程度等方面與國外先進(jìn)水平還存在一定差距。本研究通過對自走式噴霧機(jī)技術(shù)研究進(jìn)展分析，提出發(fā)展建議，以期為提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量、滿足農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的需求及推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供一定的借鑒。

1 研究概況

我國自走式噴霧機(jī)研究方向主要集中在噴藥系統(tǒng)和行走系統(tǒng)兩方面。其中噴藥系統(tǒng)主要通過控制施藥量、噴霧壓力、噴霧助劑和噴頭種類等來研究相應(yīng)工作效果，完成數(shù)據(jù)采集，找出不同作物的最佳需求量。行走系統(tǒng)主要針對不同作物高度，利用各式傳感器、聯(lián)合仿真等保障不同作業(yè)的高效性能。

針對不同噴霧壓力與施藥量對作物不同階段作業(yè)的影響情況，徐德進(jìn)等[1]研究比較了不同噴霧壓力和施藥量下自走式噴桿噴霧機(jī)在水稻不同生長期的農(nóng)藥利用率和霧滴分布。結(jié)果顯示，在水稻分蘗期使用1.2MPa壓力、375L/hm2施藥量時(shí)，農(nóng)藥沉積減少56%，而在孕穗期，同樣參數(shù)下沉積量顯著增加。適當(dāng)?shù)膰婌F參數(shù)能使分蘗期、孕穗期和揚(yáng)花期的農(nóng)藥利用率分別達(dá)到40.57%、54.97%和55.50%。噴霧壓力顯著影響水稻莖基部霧滴密度，研究建議在生長前期避免高壓大量噴霧，在中后期為提高防效可增加壓力。

針對不同高度作物的工作場景，喬白羽等[2]研究開發(fā)了一種基于三維LiDAR掃描的高地隙寬幅噴霧機(jī)變量施藥系統(tǒng)，適用于甘蔗等高稈作物。系統(tǒng)通過16線激光雷達(dá)傳感器實(shí)時(shí)獲取作物三維信息，并結(jié)合噴霧機(jī)速度數(shù)據(jù)，通過脈寬調(diào)制控制器和Python程序精準(zhǔn)控制噴霧量。田間試驗(yàn)表明，系統(tǒng)能準(zhǔn)確測量甘蔗株高，平均誤差4.59%，并實(shí)現(xiàn)根據(jù)株高調(diào)整噴霧量，霧滴沉積均勻且有效。相較常規(guī)施藥，采用變量施藥減少28.5%的農(nóng)藥用量，提高了作物病蟲害防治的精準(zhǔn)度和效率，為高稈作物精準(zhǔn)防治提供了新方法。

針對助劑、噴嘴和噴霧壓力的不同，楊銳等[3]通過田間試驗(yàn)，以紅色素AC85為指示劑，考察了6種噴霧助劑（紅日、佩勒、麥斯、榮頭、苦楝油和哈蘇騰）、3種噴嘴類型（TEEJET-VP80015、ASJ-VP110015和LICHENG-VP11003）及3種噴霧壓力（0.2、0.4、0.6MPa）對240g/L噻蟲嗪懸浮劑在水稻紋枯病防治及產(chǎn)量上的影響。結(jié)果表明，哈蘇騰在0.4MPa壓力下配合TEEJET-VP80015噴嘴的噴霧分布均勻度最高。麥斯助劑對藥滴密度和沉積利用率的影響顯著，后者達(dá)到83.88%。提高噴霧壓力可顯著提高沉積利用率，0.6MPa壓力時(shí)利用率達(dá)78.19%。LICHENG-VP11003噴嘴在0.4MPa壓力下噴霧均勻性最佳。麥斯助劑的添加顯著提高了噻蟲嗪的防治效果，達(dá)到89.27%。當(dāng)噴霧壓力0.6MPa時(shí)，防治效果提升至88.67%。使用TEEJET-VP80015噴嘴與0.4MPa壓力時(shí)水稻產(chǎn)量最高，顯著高于手工噴霧。因此，助劑和噴嘴的選擇對自走式噴桿噴霧器的噴霧沉積率、霧滴分布均勻度和防治效率具有重要影響。

針對噴嘴、工作壓力和高度的不同，蘇旺蒼等[4]通過田間試驗(yàn)評估了不同噴嘴（No.1.5、No.2）、壓力（0.2、0.4MPa）和高度（30、60cm）的自走式噴霧機(jī)在小麥田中使用除草劑混合物的效果和安全性。最佳參數(shù)為No.2噴嘴、0.4MPa壓力和60cm高度，顯示出超過95%的除草效果，并且對小麥安全無害，能顯著提高產(chǎn)量。42d后，除草效能超過98%，表明自走式噴霧機(jī)在正確設(shè)置下可以安全有效地控制小麥田中的闊葉雜草。

針對傳統(tǒng)噴霧機(jī)效率低、環(huán)境污染和靈活性差等問題，王子杰等[5]研究提出了一種適用于無人駕駛的四輪獨(dú)立驅(qū)動（4WID）的高地隙噴霧機(jī)。采用混合動力、前后雙轉(zhuǎn)向橋，具有小轉(zhuǎn)向半徑且前后輪軌跡一致，減少了壓苗現(xiàn)象。為應(yīng)對水田極端環(huán)境，基于線性時(shí)變模型（LTV），采用分層路徑跟蹤控制，上層使用模型預(yù)測控制（MPC）實(shí)現(xiàn)路徑跟蹤，下層結(jié)合模糊控制與積分分離PID控制驅(qū)動輪滑移。Adams/Matlab聯(lián)合仿真顯示，驅(qū)動輪滑移率控制在±20%內(nèi)，提高了噴霧機(jī)的穩(wěn)定性和路徑跟蹤精度，能夠適應(yīng)更復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境。

針對變量噴霧系統(tǒng)存在的精度和農(nóng)藥利用率問題，王亞林等[6]開發(fā)了一種基于PWM的電控精量噴霧系統(tǒng)。以PIC18F258單片機(jī)為核心，系統(tǒng)由上位機(jī)、控制器、電子開關(guān)和電控噴嘴體組成，通過HMI串口屏輸入噴藥設(shè)置，CAN總線通訊調(diào)節(jié)PWM占空比來控制噴頭。試驗(yàn)在不同系統(tǒng)壓力和脈沖頻率下進(jìn)行，結(jié)果顯示，噴頭流量與PWM占空比呈線性關(guān)系，擬合度超過0.95，噴嘴通斷時(shí)間誤差和響應(yīng)時(shí)間均在合理范圍內(nèi)，證明系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)精確控制，提高噴藥效率。

針對玉米后期施藥難的問題，王韋韋等[7]研發(fā)了3YZ-80A型履帶自走式噴霧機(jī)，專為600mm以下行距設(shè)計(jì)，具備自適應(yīng)仿形履帶、Y形雙噴頭、噴藥監(jiān)控系統(tǒng)。通過試驗(yàn)確定最優(yōu)噴管參數(shù)：噴射角60°、噴嘴位置610mm、噴施距離2.37m。該機(jī)提高了作業(yè)效率和噴霧質(zhì)量，降低了勞動強(qiáng)度。

為了提高噴桿噴霧機(jī)作業(yè)精確度、操控穩(wěn)定性等問題，研究人員進(jìn)行深入研究。陳彬等[8]為實(shí)現(xiàn)噴桿噴霧機(jī)的精準(zhǔn)變量控制，研發(fā)了一款測試系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡(luò)RTK測速，高精度傳感器監(jiān)測流量和壓力，并采用CAN總線與無線傳輸實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，輔以Android設(shè)備和數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和分析。試驗(yàn)結(jié)果顯示，網(wǎng)絡(luò)RTK測速偏差極小，流量和壓力傳感器精度高，系統(tǒng)能有效記錄噴霧機(jī)在加速減速階段的流量調(diào)節(jié)響應(yīng)時(shí)間和偏差，滿足噴桿噴霧機(jī)變量控制特性的測試要求。

李中祥等[9]通過分析高地隙自走式噴霧機(jī)底盤懸架的減振特性，增強(qiáng)其在田間作業(yè)的穩(wěn)定性。利用振動加速度傳感器收集不同路面上噴霧機(jī)車架的振動數(shù)據(jù)，結(jié)果表明，氣液組合懸架能顯著降低振動加速度，在不同路面均展現(xiàn)出優(yōu)良的減振性能。在田間以3、5和8km/h行駛時(shí)減振效果分別為70.43%、68.49%和66.10%，在砂石路面減振效果略低，但也達(dá)到69.61%、67.32%和64.74%。

馮景安等[10]為提高低速條件下自走式高地隙噴霧機(jī)的操控穩(wěn)定性，提出了一種直接偏航力矩控制方案。建立了包含Dugoff非線性輪胎模型的7自由度車輛模型，設(shè)計(jì)了縱向與橫向控制的車輛扭矩控制器?？v向控制通過PID閉環(huán)控制驅(qū)動輪，根據(jù)實(shí)際車速與預(yù)期車速的誤差進(jìn)行調(diào)節(jié)；橫向控制由滑?？刂破骱团ぞ胤峙淦鹘M成，以彌補(bǔ)縱向控制在驅(qū)動力控制上的不足。設(shè)計(jì)了五輪控制方案以實(shí)現(xiàn)直接偏航力矩，通過二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)，利用DesignExpert軟件結(jié)合響應(yīng)面方法，研究不同車速和荷載質(zhì)量下的直接偏航力矩控制方案，優(yōu)化操控穩(wěn)定性。仿真測試結(jié)果表明，車輛扭矩控制器在1.25m/s工作速度和1000kg載荷條件下，優(yōu)化指標(biāo)高達(dá)55.2%，有效提升了操控穩(wěn)定性。

李偉等[11]針對大型高地隙自走式噴霧機(jī)的需求，研發(fā)了一套轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)，并通過ADAMS/Car軟件進(jìn)行輪跳試驗(yàn)仿真，再利用ADAMS/Insight進(jìn)行轉(zhuǎn)向定位參數(shù)的優(yōu)化。仿真結(jié)果顯示，優(yōu)化后的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在輪跳試驗(yàn)中前輪前束和外傾角變化幅度顯著下降，立軸內(nèi)傾角變化減小，進(jìn)而提升了車輛的操縱穩(wěn)定性和減少輪胎磨損。3WPG-3000型噴霧機(jī)實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果顯示，兩輪和四輪轉(zhuǎn)向模式下轉(zhuǎn)向半徑分別為6.85和5.12m，證實(shí)了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能夠適應(yīng)不同工況，改善噴霧機(jī)的轉(zhuǎn)向性能。

黃瑞海等[12]為了提升自走式噴霧機(jī)的效率，改進(jìn)設(shè)計(jì)將噴嘴安裝于可垂直移動的支撐桿上，支撐桿可左右移動，各噴嘴的噴霧量和軸流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速均可調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了噴液的二次霧化。這些改進(jìn)使得噴霧機(jī)能更有效地應(yīng)對壟距寬、株距大和植株高的藤本植物噴霧作業(yè)的挑戰(zhàn)，解決了傳統(tǒng)方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力、成本高、噴撒穿透力不足和藥液分布不均的問題，提高了噴霧效果，增強(qiáng)了機(jī)器的便攜性和智能性。

經(jīng)過對現(xiàn)存問題多維度的探索提升，我國自走式噴桿式噴霧機(jī)取得了多項(xiàng)階段性研究成果[13-14]。

2 產(chǎn)品技術(shù)特征

我國目前生產(chǎn)自走式噴霧機(jī)的企業(yè)主要有富錦市豐諾植保機(jī)械制造有限公司、現(xiàn)代農(nóng)裝科技股份有限公司、山東邁特智能科技有限公司、曲阜志成機(jī)械有限公司和青州森盈農(nóng)業(yè)裝備有限公司等，其中，富錦市豐諾植保機(jī)械制造有限公司和現(xiàn)代農(nóng)裝科技股份有限公司生產(chǎn)的自走式噴霧機(jī)以藥箱容量大、噴霧效果好等特點(diǎn)，在市場上表現(xiàn)突出，用戶滿意度較高。

2.1 3WPYZ-2000A-125型自走式噴桿噴霧機(jī)

由富錦市豐諾植保機(jī)械制造有限公司生產(chǎn)，藥箱容量2000L，發(fā)動機(jī)功率91.9kW，在噴灑效果方面，具有霧化好和防漂移的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了獨(dú)特的4路分水器，噴灑效果好，并且噴桿可自動伸縮，可控性好。噴桿長度、噴灑高度和輪距行走寬度可根據(jù)作物不同生長時(shí)期的高矮和不同種植行距調(diào)節(jié)。4+1段噴灑控制系統(tǒng)采用4級過濾，噴嘴防堵效果好；噴灑藥量均勻，無須噴灑的區(qū)域可任意關(guān)閉開關(guān)，節(jié)約藥量。噴霧機(jī)后部可加裝玉米去雄機(jī)和中耕施肥機(jī)，擴(kuò)展了整機(jī)功能，提高了機(jī)器的利用率。3WPYZ-2000A-125型自走式噴桿噴霧機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示[15]。

2.2 3WZG-3000A型自走式高地隙噴桿噴霧機(jī)

由現(xiàn)代農(nóng)裝科技股份有限公司生產(chǎn)，四輪液壓驅(qū)動，關(guān)鍵液壓件采用進(jìn)口元件；地隙高可達(dá)1.9m，通過性能好；輪距可調(diào)，可適用不同地區(qū)多種作物的種植行距；行走速度無級可調(diào)，機(jī)動性好；采用進(jìn)口噴藥控制系統(tǒng)，可依據(jù)前進(jìn)速度的變化實(shí)時(shí)變量噴藥；噴幅寬，工作效率高。可廣泛適用于大田作物的病蟲害防治、噴灑葉面肥，以及化調(diào)劑和脫葉劑等，如小麥、玉米、棉花、大豆和油菜等作物。

該機(jī)底盤實(shí)現(xiàn)了多功能，可配套切頂機(jī)，實(shí)施棉花或玉米的切頂作業(yè)；也可配套抽雄裝置，進(jìn)行玉米去雄作業(yè)。3WZG-3000A型高地隙自走式噴桿式噴霧機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表2所示[16]。

3 存在問題及發(fā)展建議

3.1 存在問題

我國自走式噴霧機(jī)在產(chǎn)品技術(shù)方面存在系列化程度較低、產(chǎn)品種類少、關(guān)鍵部件噴嘴加工精度差及技術(shù)開發(fā)能力不足等問題。

（1）產(chǎn)品系列化程度較低。與國外植保機(jī)械產(chǎn)品相比，我國植保機(jī)械產(chǎn)品系列化程度不高，無法滿足植保機(jī)械針對不同作物、不同生長期和不同病蟲害的防治作業(yè)需求。

（2）產(chǎn)品品種規(guī)格少。現(xiàn)有植保機(jī)械產(chǎn)品品種規(guī)格較少，缺乏針對不同作物和防治需求的定制化產(chǎn)品。植保機(jī)械應(yīng)用范圍有限，無法滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)對精準(zhǔn)、高效、環(huán)保的植保作業(yè)需求。

（3）制造設(shè)備及制造工藝相對落后。產(chǎn)品加工精度低，產(chǎn)品質(zhì)量和穩(wěn)定性較差，機(jī)器作業(yè)時(shí)故障率高，維修成本高。

（4）關(guān)鍵部件噴嘴噴孔加工一致性較差。這直接影響到農(nóng)藥的噴灑效果和精準(zhǔn)度。農(nóng)藥噴灑不均勻，甚至出現(xiàn)過量噴灑或噴灑不足的現(xiàn)象，從而影響防治效果。

（5）技術(shù)開發(fā)投入不足，基礎(chǔ)薄弱。我國從事植保機(jī)械研究的科研院所、高等院?？蒲薪?jīng)費(fèi)不足，植保機(jī)械生產(chǎn)企業(yè)對植保機(jī)械關(guān)注度不夠，導(dǎo)致植保機(jī)械技術(shù)開發(fā)投入不足，這不僅制約了植保機(jī)械新產(chǎn)品的開發(fā)，也使老產(chǎn)品的改進(jìn)速度偏慢，對植保機(jī)械整體技術(shù)水平的提高有較大影響。

自走式噴霧機(jī)應(yīng)用范圍相對較窄，主要應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。建議多研發(fā)系列機(jī)型以滿足園林、環(huán)保、消防等領(lǐng)域作業(yè)，拓展作業(yè)范圍。

3.2 發(fā)展建議

針對目前國內(nèi)自走式噴霧機(jī)存在的問題，提供一些發(fā)展建議供從事植保機(jī)械研究的高校、科研院所和生產(chǎn)企業(yè)參考。

（1）國家和企業(yè)應(yīng)加大對植保機(jī)械科研項(xiàng)目的投入，鼓勵科研院所、高等院校與企業(yè)合作，共同推動植保機(jī)械技術(shù)的研發(fā)與創(chuàng)新。構(gòu)建以企業(yè)為主體、市場為導(dǎo)向、產(chǎn)學(xué)研用相結(jié)合的技術(shù)研發(fā)平臺，促進(jìn)植保機(jī)械技術(shù)的快速轉(zhuǎn)化和應(yīng)用。加強(qiáng)植保機(jī)械技術(shù)成果的知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)，激發(fā)創(chuàng)新活力，為行業(yè)發(fā)展提供源源不斷的創(chuàng)新動力。

（2）針對不同作物、不同生長期、不同病蟲害的防治需求，開發(fā)多樣化的植保機(jī)械產(chǎn)品，滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的多樣化需求。制定統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，提高植保機(jī)械產(chǎn)品的規(guī)格化水平，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量和穩(wěn)定性。

（3）引進(jìn)國內(nèi)外先進(jìn)的制造設(shè)備，提高植保機(jī)械產(chǎn)品的加工精度和制造效率。優(yōu)化植保機(jī)械產(chǎn)品的制造工藝，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性。建立嚴(yán)格的質(zhì)量控制體系，確保植保機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量和穩(wěn)定性，提高用戶滿意度。

（4）引進(jìn)高精度噴嘴噴孔加工設(shè)備，優(yōu)化噴嘴噴孔的加工工藝流程，加強(qiáng)加工過程中的質(zhì)量控制和檢測，確保噴嘴噴孔的加工質(zhì)量。研發(fā)新型噴嘴，提高農(nóng)藥噴灑的均勻性和精準(zhǔn)度，降低農(nóng)藥施用量，提高防治效果。

（5）加強(qiáng)植保機(jī)械專業(yè)人才的培養(yǎng)，提高從業(yè)人員的專業(yè)素養(yǎng)和技能水平。組建由科研人員、工程師、技術(shù)工人等組成的高效團(tuán)隊(duì)，共同推動植保機(jī)械技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用。加強(qiáng)與國際先進(jìn)企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)的交流與合作，引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)和管理經(jīng)驗(yàn)，提高國內(nèi)植保機(jī)械行業(yè)的整體水平。

（6）結(jié)合市場需求和產(chǎn)品特點(diǎn)，制定有效的市場推廣策略，提高植保機(jī)械產(chǎn)品的知名度和美譽(yù)度。加強(qiáng)品牌宣傳和推廣，樹立品牌形象，提高用戶對國內(nèi)植保機(jī)械產(chǎn)品的認(rèn)可度和信任度。拓展線上和線下銷售渠道，方便用戶購買和使用植保機(jī)械產(chǎn)品，提高市場占有率。

4 結(jié)束語

隨著科技不斷進(jìn)步和國家對環(huán)境保護(hù)要求不斷嚴(yán)格，未來國內(nèi)自走式噴霧機(jī)需要在技術(shù)方面加強(qiáng)創(chuàng)新，采用更先進(jìn)的技術(shù)使產(chǎn)品功能更加完善，如智能控制、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)技術(shù)等，以提高噴霧效果和效率，同時(shí)減少對環(huán)境的負(fù)面影響。

隨著市場競爭的加劇，自走式噴霧機(jī)企業(yè)越來越注重產(chǎn)品品質(zhì)的提升，以滿足不同客戶對高質(zhì)量產(chǎn)品的需求。智能化是當(dāng)前農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展的重要趨勢，自走式噴霧機(jī)也不例外。未來，自走式噴霧機(jī)可能會實(shí)現(xiàn)更加智能化的發(fā)展，如自動導(dǎo)航、智能噴灑、遠(yuǎn)程控制等，以提高作業(yè)效率和精度。隨著環(huán)保意識的日益增強(qiáng)，未來自走式噴霧機(jī)可能會采用更加環(huán)保的設(shè)計(jì)，如使用生物降解材料、減少農(nóng)藥施用等，以降低對環(huán)境的污染。隨著農(nóng)業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和現(xiàn)代化程度的提高，自走式噴霧機(jī)的市場規(guī)模和應(yīng)用領(lǐng)域有望進(jìn)一步擴(kuò)大，如林業(yè)、城市綠化等。

未來國內(nèi)自走式噴霧機(jī)的發(fā)展形勢向好，但也需要企業(yè)在技術(shù)創(chuàng)新、品質(zhì)提升、智能化發(fā)展、環(huán)保意識增強(qiáng)和市場規(guī)模擴(kuò)大等方面做出努力。