3WP-650自走式喷杆喷雾机水稻施药试验研究

蔡晨刘卫华 薛新宇沈启扬孙竹 秦维彩

0 引言

水稻作为我国种植面积最大的粮食作物，具有病虫害发生频繁、防治任务繁重的特点，水稻安全生产关乎重大[1-2]。自走式喷杆喷雾机因其通过性强、作业效率高、作业成本低等优势，得到了广泛的应用并发展迅速[3]。然而，常规喷杆喷雾机存在作业精度不理想、喷杆晃动剧烈、喷雾系统压损大等问题，造成沉积覆盖均匀性差，影响防治效果并易产生局部药害[4-6]。针对以上存在的问题，近年来，一些具有GPS对行作业、喷杆平衡系统、喷洒量车速联动的高效智能化自走式喷杆喷雾机应运而生[7]。

在“江苏省三新工程项目”支持下，项目组对3WP-650自走式喷杆喷雾机进行水稻田间喷洒性能试验，以考查其可靠性、适用性与经济性，为该机具的优化改进与推广应用提供参考。

1 试验机具

试验机具为3WP-650自走式喷杆喷雾机（泰州樱田农机制造有限公司）。该机特点：具有GPS路线规划辅助系统；喷杆为可伸缩被动钟摆平衡悬架，可根据田块条件改变喷幅；喷雾量与车速联动，四轮驱动，前后独立转向；组合式可调喷头（圆锥雾喷头、双扇形喷头），喷头数量53个。试验采用圆锥雾喷头。喷雾机主要技术参数见表1。作业现场如图1所示。

2 材料与方法

2.1 试验材料

试验用仪器与材料包括：2900ET型气象站、U45Q型超声波传感器、植保作业质量评价系统（水平位置精度：静态±1.1 cm，动态±2.5 cm）。雾滴采集使用76 mm×76 mm浅蓝色便签纸，以质量浓度为0.3%的立春红R2染色剂溶液代替农药进行喷洒，喷杆运动数据采集与处理采用DAHAS测试系统，雾滴数据处理采用图像分析软件DepositScan。

表1 3WP-650自走式喷杆喷雾机主要参数

图1 3WP-650自走式喷杆喷雾机

2.2 试验对象与条件

试验水稻品种为“南梗9108”。分别于2018年7月26日在泰州市姜堰区华安种植家庭农场开展喷洒精度和喷杆稳定性试验，2018年9月6日在东台市溱东镇进行喷洒均匀性试验。喷洒均匀性试验期间，水稻生育近扬花期，株高0.7±0.1 m，平均行距30 cm，株距15 cm。天气阴，平均温度25.6℃ ，阵风2～3 m/s，相对湿度为63%。

2.3 试验依据

试验主要参照《喷杆喷雾机技术条件》（GB/T 24677.1－2009）、《喷杆喷雾机试验方法》（GB/T 24677.2－2009）、《农用喷雾机喷杆稳定性试验方法》（GB/T 24680－2009）和《植物保护机械通用试验方法》（JB/T 9782－2014）进行。

2.4 试验设计

试验前进行喷杆分段流量均匀性测试，喷头额定工况（0.5 Mpa）下，在喷杆喷雾机5段喷杆内各随机选取1个喷头，采用称重法测试1 min内喷雾量，重复测试3次。喷杆各段流量见表2。喷杆流量一致性较好，喷头平均流量为1.74 L/min。

2.4.1 作业精度测定

为考查机具配置的GPS路线规划辅助系统的准确度，试验时应尽量避开旧车辙以免对测试过程造成影响，因此选在临近育秧田块开展试验。喷雾机驾驶员拥有各种农机具和拖拉机驾龄16年，能熟练操控机具进行田间作业。

将农业部南京农业机械化研究所自主开发的植保作业质量评价系统安装在喷雾机震动干扰较小的驾驶室顶部，保持天线传输信号畅通（如图2所示）。喷雾机正常作业时，植保作业质量评价系统对喷杆喷雾机作业轨迹GPS信息进行实时追踪，并直接通过4G模块反映在移动终端。同步完成状态信息的采集和上传，作业完成后导出数据，通过软件得出轨迹偏差。

图2 喷洒精度测试装置

表2 喷杆各段流量

2.4.2 喷杆稳定性测试

测试开始前将DAHAS测试硬件与超声波传感器固定在喷雾机上。因喷杆两端位移量即可表征喷杆最大位移，超声波传感器安装于两侧喷杆外端（见图3）。调试设备，以地面为参照，喷杆初始位置为平衡点。在试验田块内选取小区，最小长度保证喷雾机行驶30 s，行驶距离不低于20 m。以正常喷洒速度行驶，样本记录时长不小于3 min。

图3 喷杆稳定性测试装置

2.4.3 喷洒沉积分布均匀性

根据喷雾机喷幅以及轮距确定采样点数和位置，在喷雾机17 m喷幅下，以喷杆中心驶过位置为基准插1根采样杆，左右每隔0.5 m布置1根采样杆，共布35根（一个重复）。每个采样杆在高度方向上布置2层便签纸，上层距离水稻顶端10 cm，下层距离地面20 cm，上下便签纸呈180°交错布置，防止上层对下层收集产生影响。在行驶方向上间隔10 m再设置一个重复，共设置2个重复（如图4所示）。将喷雾系统内充分洗净后排空，配置50 kg质量分数为0.3%的丽春红R2水溶液，并注入药箱。试验工况：喷雾压力为0.5 MPa，作业速度为1 m/s。待喷洒的药液晾干后，依次收集样本，放置自封袋中并置于干燥、避光处，带回试验室进行数据处理。

图4 喷洒沉积分布测试布样示意图

3 试验处理与结果

3.1 喷洒路径准确度

植保作业质量评价系统将采集到的GPS点数据利用坐标转换、数据映射等算法，进行轨迹偏移误差分析。图5为手机终端上显示的作业路线图。由图5可看出有GPS辅助对行作业行距一致性更好。软件处理输出得到轨迹偏差，有无GPS辅助轨迹最大偏差分别为0.205 m、1.743 m，有GPS辅助作业精度提高88.2%。

图5 手机终端作业轨迹显示

3.2 喷杆稳定性

运用DAHAS测试软件导出喷杆水平速度与时间曲线（如图6所示）。结合田间实际情况，排除喷雾机转场以及转弯前后区间范围，得到有效行程所在时间区间，选择 10∶40∶12－10∶41∶33 和10∶50∶13－10∶51∶24两个区间为有效区间。

图6 试验全过程喷杆水平速度曲线

在此二区间内随机选取5个小区间进行分析，每个小区间有效行驶距离为10 m。导出数据并进行处理，左右喷杆外端相对平衡位置垂直位移曲线如图7所示。

由图7可知，在稳定作业过程中，左右喷杆同一时刻的垂直摆动方向呈相反趋势。相对平衡位置而言，右喷杆最大垂直位移为向上320.6 mm，此时左喷杆外端向下148.7 mm；左喷杆最大垂直位移为向下296.9 mm，此时右喷杆外端向上位移303.7 mm。

图7 喷杆垂直位移

图8 DepositScan软件处理界面

3.3 雾滴沉积覆盖率

在试验室内将2次重复采集的便签纸逐一用雾滴图像分析软件DepositScan进行覆盖率分析，合理框选便签纸卡内处理区域，应能充分体现该区域内的覆盖情况。软件处理界面如图8所示。

计算覆盖率平均数dˉ，标准差S，变异系数Cv：

式中：d1、d2… dn为各采样点便签卡上覆盖密度。

图9为水稻上下层2次平均得到的沉积覆盖率。由图9可见，上层覆盖率明显高于下层。上下层平均覆盖率分别为81.5%、54.2%，上下层覆盖率变异系数分别为24%与50%。

图9 水稻上下层平均沉积覆盖率

4 结论

以3WP-650自走式喷杆喷雾机田间作业可靠性与适用性作为考核目的，重点考查了作业过程中的喷杆稳定性，喷洒精度以及沉积分布均匀性。根据试验研究结果可以得出到以下结论：

（1）沿喷杆流量变异系数为6.63%，表明该机具喷雾系统流量分配合理，沿喷杆流量损失小，流量一致性好。

（2）具有丰富经验的操作人员在GPS路径规划辅助系统下驾驶该机具作业可大幅提高作业精度，表明GPS路径规划系统田块划分准确，但机具作业质量依然会受到驾驶员操作习惯的影响。

（3）在有效采样区内，喷杆左右两端同一时刻垂直摆动方向呈相反趋势，表明喷杆整体刚度较好；喷杆平均垂直摆动在200 mm范围，被动钟摆平衡悬架减震作用明显，表明喷杆具有良好的平衡能力。

（4）上下层覆盖率分别大于80%和50%，表明该机具的喷雾系统具有较好的喷洒性能，能够满足作业需求；下层覆盖率一致性为上层的50%，表明喷雾机在作业过程中的颠簸以及环境风对沉积均匀性有一定影响。建议优化底盘减震系统并选用抗飘喷嘴。