浓度调节式农药变量喷施系统设计与试验研究

孔辉 伊丽丽 兰玉彬 白京波 韩鑫

摘   要：针对目前我国在植保作业方面存在的问题，设计了一套浓度调节式农药变量喷施系统，系统作业时可以根据目标作业区域的病虫草害严重程度调节施药浓度的大小，同时根据不同的喷施药剂类型调节喷洒雾滴粒径的大小，以提高作业效果。经过对系统试验验证可知：该系统工作性能良好，浓度误差不超过3%，雾滴沉积密度在55个/cm2左右，且系统在运行过程中，当用药浓度发生改变时，对系统的喷洒效果影响很小。

关键词：浓度调节式;变量喷施系统;设计试验

文章编号： 1005-2690（2020）10-0020-01       中图分类号： S49       文献标志码： B

我国在植保作业方面严重存在农药有效利用率低、环境污染严重等问题，农药的不合理使用不仅对生态环境有着严重危害，还会影响人类身体健康[1-2]。農药的减量增效合理使用及农业机械智能化，是目前我国亟需解决的难题。近年来，我国虽然大力推广农业机械化，但大多数农业机械仍旧存在科技水平较低、智能化不足的现象[3]。

近年来，以实现精准施药为目的的变量喷施技术得到了广泛推广，根据现有变量喷施技术的分析，结合各种调节方式的优缺点以及市场对此调节方式的需求，设计了一种在保证作业效果以及系统性能的同时，喷洒雾滴粒径以及喷洒浓度均可调节的农药变量喷施系统。该系统能有效提高农药利用率，减少资源浪费以及人员操作不当造成的农药中毒现象，且作业结束后，剩余农药可回收使用。

1   系统结构设计与工作原理

系统整体结构如图1所示，系统采用水药分离的放置方法，作业时分别调节水箱出水量和药箱的出药量达到改变施药浓度的效果。通过改变蠕动泵的转速，可以调节单位时间的液体流通量，两个蠕动泵分别用于调节用水量和用药量;变量喷施控制装置盒内有单片机开发板、电子调速器，放在盒内可以防止农药对控制元件的腐蚀;喷杆为两节碳纤维管连接而成，中间用套管连接，调节喷杆长度;离心喷头作业时，可以通过调节喷头电机转速来调节离心喷头的离心力，进而改变喷洒雾滴粒径的大小;混药器内有混药单元，用于快速将流过的水和药加速混合，提高混药的均匀性。

系统作业前，要采集目标作业区域的病虫草害信息，根据病虫草害的严重程度对其进行等级划分，不同的等级代表不同的用药浓度，作业前将作业区域的病虫草害等级信息导入单片机，单片机可根据病虫草害的等级信息生成脉冲信号，并相应控制蠕动泵电机的转速，进而控制单位时间水箱的出水量和药箱的出药量，流出的水和药在经过混药器的搅拌后加速水药混合，混合均匀的药液经喷杆流入喷头进行喷洒作业，单片机持续读取病虫草害信息直至完成作业。

2   系统试验验证

本文设计的农药变量喷施系统其施药浓度以及雾滴粒径大小均可调节，现分别就系统的浓度调节精度、系统喷洒效果、喷头转速与雾滴粒径关系进行测试。

2.1   浓度变化及喷洒效果测试

主要测试内容为系统实际喷洒浓度与预期喷洒浓度的误差以及雾滴喷洒效果。测试方法是用试纸夹夹住水敏纸，在试验台水箱内装满水，在药箱内装有柠檬红染色剂代替农药，然后打开系统开关，手持试纸夹在喷头下方滑过，水敏纸收集从喷头喷洒出的雾滴，用HP DS1610扫描仪扫描逐一扫描水敏纸，用遥控器依次更改5个喷洒浓度等级，测试5个喷洒浓度下的雾滴沉积量、雾滴沉积密度以及雾滴粒径大小是否有差异，同时用紫外分光光度计对雾滴浓度进行测试，为避免操作误差，每个浓度测试5次。

由表1可以看出，浓度误差不超过3%，且当用药浓度改变时，雾滴沉积量、雾滴沉积密度以及雾滴粒径几乎不变，说明系统在运行过程中，当用药浓度发生改变时，对系统的喷洒效果影响很小。

2.2   喷头转速与雾滴粒径关系测试

一般来说，雾滴粒径越小，越能避免大雾滴落到叶片上产生反弹的现象，雾滴覆盖率越高，雾滴落在作物上作物吸收越快，药效发挥越快，但并不是雾滴粒径越小越好。当雾滴粒径小到一定程度，容易产生漂移，同时温度较高时会蒸发，反而影响作业效果。不同的作物以及不同的农药所要求的雾滴粒径大小并不相同，如除草剂要求雾滴粒径大一些，避免雾滴飘移对周围作物产生药害，一般除草剂的雾滴粒径在100～300 μm;防治叶面爬行类害虫的试剂雾滴粒径在30～150 μm防治效果较好;防治飞行类害虫最好使用10～50 μm的细小雾滴;灭杀真菌类的农药一般要求雾滴粒径在30～150μm。测试喷头转速是为了测试电机转速与雾滴粒径的关系，以便系统在喷洒不同农药时对喷头电机的转速进行调整，提高作业效果。

试验时要在水箱和药箱内装满水，调节喷头的转速。用水敏纸收集喷头喷洒的雾滴，分析不同转速下的雾滴粒径大小。

由表2可以看出，随着电机转速的增加，雾滴粒径的大小随之减小，雾滴粒径越小，越容易覆盖到作物上，雾滴覆盖率会随着雾滴粒径的减小而增大，但温度较高、风速较大时，一些雾滴粒径很小的雾滴容易蒸发漂移，不同的药剂有不同的雾滴粒径适用范围。由雾滴粒径可以看出，当喷施除草剂时，可以将喷头转速调节在2 000～5 000 r/min之间;喷施灭杀真菌类和防治叶面爬行类害虫的试剂时，将喷头转速调节在12 000 r/min左右;喷施防治飞行类害虫的试剂时，将喷头转速调节在13 000 r/min以上。

3   结论

第一，设计的这种浓度调节式农药变量喷施系统，可以根据作业区域的病虫草害程度改变喷施药液的浓度。第二，系统工作时，浓度误差不超过3%，雾滴沉积密度在55个/cm2左右，且系统在运行过程中，用药浓度的改变对系统的喷洒效果影响很小。第三，系统喷洒的雾滴粒径大小可进行调节，以有效提高试剂利用率。

参考文献：

[ 1 ] 何雄奎.改变我国植保机械和施药技术严重落后的现状[J].农业工程学报，2004，20（1）：13-15.

[ 2 ] 丛舒艺.农业机械自动化现状及发展策略[J].农业技术与装备，2019（11）：85-86.

[ 3 ] 杨学军，严荷荣，徐赛章，等.植保机械的研究现状及发展趋势[J].农业机械学报，2002，33（6）：129-137.