棉花喷雾机“Π”型喷杆喷雾系统试验台架的研究与设计

王喃喃 ，代亚猛 ，贾首星 ※，周 艳 ，张 景 ，李 帆

（1.石河子大学机械电气工程学院，新疆 石河子 832000；2.新疆农垦科学院机械装备研究所）

0 引言

棉花是植保作业类型较多，同时对植保机具作业质量要求高的作物。特别是棉花机械化采收前的脱叶剂喷施作业，其施药质量和脱叶效果的好坏，直接影响着机械化采收后棉花的质量等级[1-3]。新疆棉花现行多普遍采用行距为10+66 cm机采棉矮化密植种植模式，棉花种植密度大，具有行距狭窄、植株超密、枝叶超多的特点，相邻两行棉花叶片交叉重叠严重，普通喷杆式喷雾机单纯依靠纯液力雾化从棉花冠层上方向下喷药，药液雾滴往往难以穿透棉花的稠密冠层将药液均匀地喷施到棉花中下层叶片和叶片背面，农药有效利用率低、施药效果不佳[4-5]。

为解决雾滴难以穿透棉花密集冠层的问题，提高雾滴在棉花中下层叶片和叶片背面的覆盖率，多年来垦区广大农机工作者进行了大量的探索与实践，一方面，为力求实现对棉花植株的全方位喷雾施药，在常规喷杆喷雾机的基础上集成应用了吊杆喷雾技术、“喷杆顶喷+吊杆侧喷”组合式喷雾技术以及双药液双管路喷雾技术等[6-8]，打破了常规喷杆喷雾机单纯从棉花顶部竖直向下的喷雾方式的局限，有效提高了药液雾滴在棉花中下层叶片和叶片背面的附着率，改善了喷雾施药效果[9]；但另一方面，目前对棉花喷雾系统尚缺乏科学系统的全面研究，如对顶喷和侧喷喷头类型的选择与优化组合、喷头的安装位置和间隔距离以及空间配置、侧喷吊杆的间距和离地高度以及喷头的安装角度等，主要还是依靠经验来确定。特别在对喷杆喷雾系统进行改进优化时，研究其农药雾滴沉积分布和雾滴穿透能力的方法还主要是通过户外田间试验进行。由于影响棉花喷雾均匀性、雾滴穿透和雾滴沉积的因素很多（包括风速、喷雾机行走速度、喷头类型、药液比例、喷头距离目标高度和雾滴直径等），加之户外田间试验不确定性因素多、可控性及可重复性差，若通过逐一变换参数进行田间试验的方法对喷雾系统改进优化，不仅工作量大、成本高、周期长，而且很难获得最优结果。

针对上述问题，我们研究和搭建了棉花喷雾机“Π”型喷杆喷雾系统试验台架，利用试验台架可以方便地模拟不同喷头类型组合与空间配置的喷杆喷雾系统，并通过对其沉积在靶标上的雾滴检测分析，对影响棉花喷雾施药效果的关键因素以及喷雾系统的雾流场分布规律和沉积规律进行研究，为进一步改进提高棉花脱叶剂喷施技术与装备提供依据与参考。

1 试验台架的设计思路与要求

多年的攻关实践表明，对于棉花这种密集种植的作物，单纯的水平喷雾施药技术已经不能满足其植保需求。目前在新疆兵团垦区，基于喷杆顶喷+吊杆侧喷“Π”型组合式喷雾系统的喷杆喷雾机被广泛应用于棉花中后期病虫害防治和催熟脱叶剂喷施的一类机型[10]。设计搭建基于不同喷头类型及空间配置的“Π”型喷雾系统试验台架，摸清其不同喷头类型组合及空间配置下雾滴雾流场分布规律和沉积规律、找出其系统运行的最佳控制参数，得到喷头最佳配置方式，对于改进提高该类棉花喷雾植保机具的技术性能具有重要意义。

喷雾作业过程中，雾滴沉积量、沉积分布均匀性和飘移率是衡量喷雾质量的主要因素和指标，另外，在棉花密植种植模式下，提高雾滴的穿透能力具有重要意义。“Π”型喷雾系统试验台架围绕上述影响喷雾质量的各因素设计开发，试验台能够测量和需要控制调整的参数包括：药液压力与流量、气泵压力与气体流量、雾滴沉积量、喷杆顶喷喷头和吊杆侧喷喷头的安装角度以及与靶标的距离、靶标的移动速度、雾滴沉积量、沉积分布、温度、湿度等。要求能够方便地搭载和组合不同类型的喷头（包括气力式静电喷头），喷头安装数量、安装位置、安装角度和间距均可调整，能够模拟不同喷头类型及空间配置时的喷雾系统工作状态。

2 整体结构与功能

“Π”型喷雾系统试验台架主要由药液供给系统、压力气体供给系统、喷杆喷头搭载装置、靶标台架及运动控制系统、静电发生器等组成，如图1所示。

图1 喷雾试验装置总体结构

该试验台架的药液供给系统可满足多种喷杆喷雾系统（包括双药液双管路喷雾系统、静电喷雾系统）的试验研究，包括两组电机驱动的隔膜泵、高精度调压阀及流量阀等。药液泵可通过调压阀及流量阀控制其泵出药液的压力和流量；压力气体供给系统包括电机驱动的罗茨风机、高精度调压阀及流量阀等，用于搭载气力式静电喷头试验时提供大流量压力气体，可通过调压阀及流量阀控制气体的压力和流量；喷杆喷头搭载装置由“Π”型结构支架、可调整高度的顶喷喷杆和可调整侧喷间距的侧喷喷杆以及喷头固定装置组成，可以安装搭载常用的各种喷头以及气力式静电喷头；靶标台架及运动控制系统由靶标台车、直线导轨、驱动电机、变频控制系统、传动装置等组成，靶标台架电机驱动其沿着直线导轨运动，其运动速度由变频调速装置控制。

该试验台架可以通过在“Π”型支架上安装搭载不同类型的喷头，模拟组合顶喷（圆锥喷头或扇形喷头）+吊杆侧喷（圆锥喷头或扇形喷头）、顶喷（圆锥喷头或扇形喷头）+吊杆侧喷（静电喷头）、顶喷（静电喷头）+吊杆侧喷（圆锥喷头或扇形喷头）等多种”Π“型喷雾系统进行实验研究。试验台架的主要技术参数见表1。

表1 喷雾装置技术参数

3 主要部件选型与设计

3.1 喷杆喷头搭载装置

喷杆喷头搭载装置由“Π”型结构支架、可调整高度的顶喷喷杆和可调整侧喷间距的侧喷喷杆以及喷头固定装置组成，喷杆喷头搭载装置外形尺寸为18×5×2.5m，整体结构如图2所示。

“Π”型结构支架、顶喷喷杆支架和侧喷喷杆支架均由带有滑槽的高强度铝合金管材加工而成，如图3所示。顶喷喷杆支架通过4个角状连接滑板和异形紧定螺栓与“Π”型支架的4根竖立支腿连接，松开异形紧定螺栓即可推动顶喷喷杆支架在“Π”型支架的4根竖立支腿滑槽中上下移动，调整顶喷喷杆支架离地高度。每个侧喷喷杆支架由两根带有滑槽的高强度铝合金管材组合而成，成T形结构，共两组，侧喷喷杆支架在通过角状连接滑板和异形紧定螺栓与顶喷喷杆支架连接，同样可以通过松紧异形紧定螺栓，实现两组侧喷喷杆支架间的间距调整和前后错位调整。

图2 “Π”型支架及喷杆喷头搭载装置

图3 支架连接方式

顶喷喷杆喷雾装置和侧喷喷杆喷雾装置分别通过连接固定装置安装在顶喷喷杆支架和侧喷喷杆支架上，并且顶喷喷杆喷雾装置和侧喷喷杆喷雾装置分别由独立的两组药液供给系统和压力气体供给系统泵入药液和压力气体，这样通过更换不同类型的喷头，并与相应的药液供给系统和压力气体供给系统连接，即可方便地模拟组合顶喷（圆锥喷头或扇形喷头）+吊杆侧喷（圆锥喷头或扇形喷头）、顶喷（圆锥喷头或扇形喷头）+吊杆侧喷（静电喷头）、顶喷（静电喷头）+吊杆侧喷（圆锥喷头或扇形喷头）等多种“Π”型喷雾系统，对其进行全面系统的实验研究。

3.2 气液供给系统

由于常规喷头（包括圆锥喷头、扇形喷头和防滴漏）和气力式静电喷头对气液供给的要求差异较大，为满足由“常规喷头+气力式静电喷头”组合而成的“Π”型喷雾系统气液供给需要，该试验台架设计采用了两组独立的气液供给系统，分别介绍如下。

3.2.1 常规喷头药液供给液泵的选择

液泵采用隔膜泵，这种泵工作时药液不与精密运动件接触，使用可靠性好，且具备可以短时间脱水运转的优点。

根据设计要求，“Π”型喷雾系统中常规喷头安装数量一般不超过8个喷头，每个喷头的喷雾量为0.50～2.48 L/rain（0.5 MPa 压力下），总喷雾量为 6～20 L／rain。考虑到药箱内药液搅拌的需要，一般搅拌流量为药箱容量的5%～10%，经计算，该实验装置所需搅拌流量为30 L／min，按照上述两部分流量的要求，所需隔膜泵排量为36～50 L／rain即可满足需求，综合考虑选用国内生产的ZMB245型隔膜泵，该泵最大工作压力 2.5 MPa，工作转速 700～800 r／min。

3.2.2 气力式静电系统气液供给系统

（1）风机选择

气力式静电喷头雾化主要是依靠高速气流通过环形细缝时的射吸作用，将通道中的药液带出，并进一步在高速气流的冲击下破碎成更细小的雾滴。气力式静电喷头与常规液力式喷头相比雾滴穿透力强、雾滴飘失少、覆盖均匀、农药施用量低，相应地，气力式雾化喷头与常规雾化喷头相比，雾化能耗也要大很多，要求气体供给系统能够提供大流量的压力气体。但由于气力式雾化喷头的最佳气耗率确定与喷头流量变化、雾滴大小、滴径分布等多种因素相关[11-16]，目前尚缺乏系统的研究与实验。为简化设计过程，我们采用经验类比的方法确定了其风机及驱动电机。风机选用URAI-42V型罗茨鼓风机，驱动电机为15kW三相异步交流电机。

（2）流量阀选择

由于静电喷雾属于低量、超低量喷雾范畴，喷雾量的微小变化将带来喷雾量变异系数的显著增加，加之气力式静电喷头喷雾量对药液压力的变化非常敏感，采用普通精度的流量阀无法满足静电喷雾流量控制精度的要求，该试验台架气力式静电系统气液供给系统中的流量阀选用AR2000-02型高精度流量阀，压力：0.01 mPa～0.1 mPa，额定流量 550 l/min、接管口径1/4、压力表口径1/8。

（3）稳压罐

为避免气力式静电系统气液供给系统频繁启动，保证测试期间气体供给系统压力平稳，在该验台架气液供给系统中设置了稳压罐，型号QY1803A01026，设计压力0.84 mPa，耐压试验1.26 mPa，容积1m3。

（4）供药单元液泵的选择

气力式静电喷雾供药单元如图4所示，液泵采用隔膜泵，型号为：MB3120/2.5。该隔膜泵的主要特点是流量大、体积小、结构紧凑、操作维护方便，且短时间缺水条件下可持续运转。

图4 气力式静电喷雾供药单元

（5）高压静电发生器

该试验台架用于为气力式静电喷头提供直流高压供电的高压静电发生器，选用东文高压电源股份有限公司生产的DW-P-1ACF0型高压静电发生器，该电源具有时漂、温漂小，稳定度高，输出纹波低，抗干扰性能强，转换效率高，输出电压连续可调，输出电压及电流的数字监测显示精度高等特点。该电源输入电压为 AC220V±10%，50 Hz，输出 DC0～+30 000 V/1mA。

3.3 靶标台架及进给装置

该试验台架是通过固定喷头支架不动、移动靶标台架模拟喷雾机田间工作状态的，靶标台架及进给装置如图5所示，主要由由靶标台架、直线导轨、驱动电机、减速器、传动装置、驱动轮轴和变频控制系统组成。

图5 靶标台架及进给装置

靶标作物（棉株或仿真棉花）通过托盘安放在靶标台架上，由电机通过减速器驱动靶标台架的驱动轮使其沿直线导轨往返，其控制电路如图6所示。

靶标台架移动速度由变频调速装置控制，可在0～12 km/h范围内无级调速，配套动力为小型三相交流异步电机，为使靶标台架在较高速度时仍能以平稳的速度通过喷雾测区，直线导轨两端设置了较长的缓冲预备区，直线导轨设计长度为18 m。

图6 控制电路

4 结束语

该试验台架主要用于研究“Π”型配置喷杆喷雾施药系统雾流场空间分布规律和荷电雾滴沉积分布规律，通过检测不同喷头类型组合与空间配置下靶标作物不同部位的雾滴沉积率，对比分析不同配置状态下“Π”型喷杆喷雾系统的雾滴穿透能力、沉积分布规律和雾流场空间分布规律，为喷雾机具合理选取最佳的喷雾模式和喷头配置方案提供依据。

该试验台架既可用于科研单位开展相关应用基础研究，进行新型机具的检测分析和新产品的开发，也可用于植保检测站对相关喷雾机产品沉降性能进行检测，还可用于模拟“Π”型喷杆喷雾系统大田喷雾施药状态，对学生进行演示实验。通过加装高速摄像机以及图像处理工具，还可进一步拓展其功能。