3YZ-80A型履带自走式玉米行间喷雾机设计与试验

王韦韦 谢进杰 陈黎卿 刘立超 权龙哲 刘 路

(1.安徽农业大学工学院， 合肥 230036； 2.合肥综合性国家科学中心人工智能研究院， 合肥 230036)

0 引言

黄淮海平原小麦玉米轮作区麦秸覆盖还田负效应使得夏玉米中后期病虫次生害加剧，影响玉米接穗质量和产量水平[1-2]。夏玉米中后期处于8月中下旬，田间温度高，传统人工背负式喷雾施药效率低下且易造成人员中暑中毒；秸秆还田后，土壤表层、耕层秸秆覆盖量大，致使大型高地隙喷雾机行间行走困难，压苗伤苗率高[3]；乳熟期玉米植株密度大、覆盖遮挡严重，行间窄且病发多集中于冠层中部叶片下方，无人机喷药难以穿透叶面，雾滴沉积、均匀性和覆盖率等方面均难以达到满意效果，综合防治效果不佳[4-5]。

近年来国内外诸多学者针对不同作物喷雾机械开展的研究与静电喷雾系统相结合的方法，设计了一种双气流辅助静电果园喷雾机；苑进等[6]设计了一种基于高地隙喷杆式与隧道式一体的烟草喷雾机；李龙龙等[7]基于变量喷雾技术设计了一种果园自动仿形喷雾机；CHEN等[8-9]设计一种适用高秆作物环境的履带自走式行走装置及转向控制系统；同时在喷雾机的喷头雾化、施药沉积、雾滴漂移等方面开展了性能试验[10-13]。喷雾机械在恶劣农田地面环境下工作，履带式行走机构由于稳定性和通过性好，成为农业机器人移动平台的首选，刘路等[14]、姜红花等[15]均采用不同驱动形式的移动平台搭载喷药、施肥、采摘、收获等装置完成作业。针对高秆作物、林果树木等冠层高大、枝叶茂密的病虫害防治问题，目前喷雾机均采用脉冲式发动机热力雾化药液，以实现药液空间弥散喷施[16-19]。

本文针对玉米中后期封行后人工施药劳动强度大、作业效率低、传统喷雾机喷药穿透性差，且窄行距下机具行走稳定性差等问题，结合玉米种植农艺和作物冠层病虫害防治的要求，设计一种3YZ-80A型履带自走式玉米行间喷雾机，满足600 mm以下的窄行距玉米冠层中部叶片下方病虫害防治的空间要求，并对喷雾系统作业过程中喷管参数进行优化，以期为高秆作物窄行距喷雾机具研发与改进提供技术支撑和借鉴。

1 整机方案确定

1.1 设计依据

针对夏玉米中后期封行后叶下病虫害防治存在的问题，结合玉米种植农艺和作物冠层病虫害防治的要求，确定了履带自走式玉米行间植保喷雾机的设计依据：

(1)喷雾机底盘行走适应性：目前小麦秸秆全量还田下玉米免耕直播技术得到大力的推广与应用，行间地表覆盖大量秸秆使得传统轮式底盘行走通过性差；根据种植农艺要求玉米行距600 mm为最佳，增产效果最为明显[20]。

(2)喷施方式：玉米中后期病虫害主要为纹枯病、穗腐病、螟、蚜虫等，且发病区多集中玉米冠层中部叶片下方，因此选用行间热雾弥散的喷施方式，将药液喷施于冠层中部的叶面及穗部，有效提高了雾滴沉积量和作业效率。

(3)喷施幅宽及雾滴沉积：根据已有研究和喷雾经验，药液喷口向行间单侧喷施有效幅宽确定为3～4 m，雾滴体积中径(VMD)大于等于30 μm。

1.2 整机结构

3YZ-80A型履带自走式玉米行间喷雾机主要由履带底盘行走系统、脉冲式热喷雾系统、控制系统组成，整机结构如图1所示。其中履带底盘行走系统由仿形履带底盘、双驱动电机、减速器等组成；脉冲式热喷雾系统由Y型喷管、电控化油器、电磁流量阀、药箱等组成；控制系统由STM32单片机、电机驱动器等组成，其控制系统操作界面如图2所示，包括远程遥控和行间自主行走2种作业模式，其中远程遥控作业模式主要以W5500以太网芯片为核心，采用奥维通BreezeNET DS.11无线网桥构建局域网，人工通过操作控制系统界面按键完成无线路由器与网桥数据信号传输，可实现远程在线作业状态监控、点火、喷雾、熄火等功能。当履带底盘行走系统完全进入玉米行间时，通过切换操作界面自走作业模式按键，启动安装在底盘正前方的激光雷达传感器感知行间两侧玉米根茎信息，上位机实时处理、规划行走底盘作业路径并将驱动信号传输至底盘控制系统实现自主行走作业[21]，整机主要技术参数如表1所示。

表1 履带自走式玉米行间喷雾机主要技术参数Tab.1 Major performance parameters of crawler self-propelled sprayer

1.3 工作原理

履带自走式玉米行间喷雾机田间作业时，履带底盘行走系统根据预先规划路径自主在玉米行间喷施，其工作原理如图3所示，上位机根据行间作业环境确定喷雾机航向偏差、热喷雾系统状态等信息，通过SBUS协议将控制指令传达至STM32F4单片机，控制器通过解析整机状态指令，实现对履带自走式玉米行间喷雾机驱动转向系统及热喷雾系统的控制。其中航向偏差由左右直流无刷电机的驱动器调节PWM占空比方式进行控制。通过I/O接口为脉冲式热喷雾系统提供控制信号，完成药液流量控制、药箱压力安全监测以及热雾机喷雾启停控制。

2 喷雾机关键部件设计

2.1 履带底盘行走系统设计

2.1.1履带自走式驱动底盘结构

履带底盘具有接地比压小、附着性能优、转弯半径小、越障能力强等优点[22]，成为玉米行间喷雾机驱动底盘首选，其底盘结构如图4所示，由于玉米行间地表覆盖大量秸秆，加之耕层崎岖不平，喷雾机作业过程中易出现颠簸、侧翻等情况，采用对称式承重轮、多连杆铰接支架和减震弹簧等设计了一种嵌入在履带内槽的自适应仿形减震悬架，确保单侧履带底盘的形状或姿态在遇障碍地形时迅速进行自适应调整，有效提高了喷雾机作业地形适应能力。同时，采用2个功率为0.5 kW、额定扭矩45 N·m的直流无刷电机直联差速器作为履带底盘的驱动转向装置，两侧的张紧轮及张紧弹簧确保作业过程的脱带松动现象。根据玉米播种行距要求，确定履带底盘外形尺寸(长×宽×高)为1 400 mm×380 mm×250 mm。

2.1.2转向系统驱动功率计算

履带自走式驱动底盘作业阻力包括作业阻力和转向阻力，其中转向时的功率消耗远远大于直线作业功率消耗。图5为履带底盘接触地面核心域受力图，O为履带底盘转向中心，图中箭头方向表示履带底盘转动方向。

假定喷雾机底盘重心位于履带底盘接地面核心区域以内，阴影区域长、宽分别代表整机横向偏心距C、纵向偏心距e，由转向时的平衡条件可得

(1)

式中B——履带中心距，m

G——履带质心位置总重量，N

f——滚动阻力系数

Fl——左侧履带转向阻力，N

Fr——右侧履带转向阻力，N

履带驱动底盘转向阻力矩为

(2)

其中

(3)

(4)

式中L——履带接地长度，m

μ——转向阻力系数

Mμ——履带底盘转向阻力矩，N·m

Ml——左侧履带转向阻力矩，N·m

Mr——右侧履带转向阻力矩，N·m

当履带驱动底盘向左侧转向时，则左、右履带轮转向驱动力为

(5)

由式(5)可知，左右驱动力随着纵向偏心距的增加而减小，横向偏心距偏于一侧，则该侧的驱动力增加，同时另一侧的驱动力减小。

履带驱动底盘的转向驱动力矩、功率分别为

(6)

式中Mmax——履带驱动轮最大驱动力矩，N·m

Wmax——履带驱动轮最大驱动功率，kW

r——驱动轮节圆半径，m

v——驱动轮线速度，m/s

本文所设计的3YZ-80A型履带自走式玉米行间喷雾机满载质量m为100 kg，履带中心距B为0.35 m，履带接地长度L为1.0 m，驱动轮节圆半径r为0.02 m，横向偏心距C取0.175 m，纵向偏心距e取0.16 m，转向阻力系数μ和滚动阻力系数f分别取0.6、0.11[14]。计算可得履带驱动轮最大驱动力矩Mmax为15.68 N·m，履带驱动轮最大驱动功率Wmax为0.94 kW。

2.2 脉冲式热喷雾系统设计

脉冲式发动机启动后喷管内的高温热能和脉冲紊流动能将进入喷管内的药液流热力雾化成细小雾滴群流向喷雾对象弥散[23]。图6为脉冲式烟雾机结构示意图，主体结构由燃烧室与喷管构成，整个喷雾系统主要依靠脉冲发动机燃烧后管内气流的自激自吸形成脉动燃烧振荡过程，并利用振荡过程中燃烧室内热气流的压力波动实现油箱自动吸油、化油器吸气及药箱自动泵药，无需额外安装供油泵、供气泵及供药泵等装置。结合玉米成熟期果穗层高度为600～1 000 mm，整机高度确定为780 mm，喷管口设计成Y形结构，确保有效雾化流液呈扇形向玉米行间两侧弥散。为了使喷药系统的启停、喷药量实现智能化控制，将传统化油器节气门设计为电控开关阀，同时在主药液管道中部安装单向电磁流量阀，通过远程端完成调控。设计容积15 L的长方体药箱安装于履带底盘中部，提高整机底盘接地面重心作业稳定性。

药液雾滴粒径决定热喷雾系统性能评价指标，雾滴粒径越小，覆盖面积就越大，随着覆盖面积的增大，药液与病虫害接触的几率会增加。当脉冲式发动机功率确定时，喷管的结构参数是影响药液雾化程度及雾滴粒径的关键因素[24]。

3 试验设计与结果分析

3.1 试验设计与方法

为了验证所设计的3YZ-80A型履带自走式行间喷雾机性能的可靠性，为寻求喷雾系统作业过程中喷管参数的最优状态，选取对喷雾质量影响较大的喷射角x1、药液嘴在喷管上的位置x2、喷施距离x3作为试验因素，以雾滴体积中径(Volume median diameter，VMD)D50为喷雾系统性能评价指标，采用HELOS型激光粒度分析仪进行雾滴粒径测定，每个工况下油门开度及药液流量一致，正交试验的每组试验重复5次，统计后取平均值。试验因素与编码如表2所示，3种不同参数的喷管组合如图7所示。

表2 试验因素与编码Tab.2 Factors and codes of experiment

3.2 试验结果与分析

根据Box-Behnken中心组合设计三因素三水平分析试验，共进行17组试验，试验方案及结果如表3所示，X1、X2、X3为试验因素编码值。

表3 Box-Behnken试验设计及结果Tab.3 Design and results of Box-Behnken experiment

3.3 回归模型构建与显著性分析

应用Design-Expert 软件对试验结果进行多元回归拟合分析，得雾滴体积中径D50的回归模型为

(7)

表4 Box-Behnken二次回归模型方差分析Tab.4 ANOVA of modified model of Box-Behnken

3.4 响应面分析

为了分析因素间交互作用对评价指标的影响，采用固定某一因素处于中间水平，分析其他两个因素对评价指标的交互影响，喷射角、药液嘴位置、喷施距离等交互因素对评价指标雾滴体积中径D50影响的响应面如图8所示。由图8a可知，当喷口与受液表面的喷施距离处于中间水平，即x3=2.0 m，药液嘴在喷管上的位置和喷射角交互项对雾滴体积中径D50影响显著，在同一喷头角度下，D50随着药液嘴在喷管上的位置的增大呈先增大后减小，药液嘴在喷管上同一位置时，D50随着喷射角的增加呈先减小后增大趋势。由图8b可知，当药液嘴在喷管上的位置为中间水平，即x2=700 mm，喷射角与喷施距离对雾滴体积中径D50的交互作用极显著，当喷施距离为较低水平时，D50随着喷射角的增大而减小，喷施距离处于较高水平时，D50随着喷射角的增大而增大。由图8c可知，当喷射角处于中间水平时，即x1=90°，药液嘴位置与喷施距离对雾滴体积中径D50的交互作用显著，当药液嘴在喷管上同一位置时，D50随着喷施距离的增加呈先减小后缓慢增加趋势，当喷雾机喷施距离处于同一水平时，雾滴体积中径D50随着药液嘴在喷管上位置的增大呈先增大后减小趋势。

3.5 最优参数确定

根据方差分析和响应面分析结果，在满足玉米行间喷雾作业要求的前提下，利用Design-Expert 8.0.6软件中的优化模块对回归模型进行求解，剔除弱显著项，结合热烟雾机性能试验等相关理论依据确定优化约束条件方程为

(8)

求解的最优水平组合参数为：喷射角为60°、药液嘴在喷管的位置为距离燃烧室末端610 mm、烟雾机喷口与受液表面的喷施距离为2.37 m。

4 田间试验

4.1 试验条件

试验于2020年8月28日在安徽省宿州市埇桥区灰古镇安徽农业大学皖北试验站(116°97′E、33°63′N)玉米种植基地进行。参照DG/T 031—2019《热烟雾机性能试验方法的一般规定》和JB/T 9782—2014《喷雾机械 通用试验方法》进行3YZ-80A型履带自走式行间喷雾机田间作业性能测定[25]。如图9所示，试验地块面积为800 m2，土壤类型为砂姜黑土，含水率为12.8%，坚实度为0.75 MPa，种植模式采用秸秆全量覆盖地免耕直播模式，试验玉米品种为安农591，行距为60 m，株距为25 cm，株高为1.8 m，种植密度为4 200株/hm2，玉米行间地表秸秆覆盖量均值为1.02 kg/m2，试验期间脉冲式热喷雾机油门开度为90°，脉冲频率为100 Hz，外界风速低于0.5 m/s，试验用介质为清水、雾加宝稳定剂。

4.2 试验指标及测量方法

田间喷雾区域雾滴沉积分布特性参数检测多利用油盘或水敏试纸[26-27]。为检测履带自走式行间喷雾机作业速度和雾滴沉积量的关系，控制履带底盘行走系统作业速度为0.6、0.9、1.1、1.3、1.5 m/s，在玉米行间两侧由近至远每隔400 mm的方式在叶片上布置编号1～10的水敏试纸，设置布样高度为1.2 m。田间水敏试纸分布情况如图10所示。

4.3 试验结果与分析

利用Deposit scan雾滴扫描软件对布样的水敏试纸进行扫描，获取单面面积雾滴个数和雾滴覆盖率；由于每个工况下履带自走式行间喷雾机作业速度恒定，玉米行两侧的每一列相同编号的水敏试纸均视为重复试验，取测量平均值。

如图11所示，当速度为0.6 m/s时，1～3列的叶片上雾滴覆盖率维持于较高水平，当喷施幅宽大于2 m时雾滴覆盖率下降增快；其中7～9列的雾滴覆盖率维持于一个较低水平，药液弥散至第10列时，雾滴覆盖率不足10%。根据检测的雾滴粒径，前3列雾滴覆盖率较高，雾滴粒径散度较大，所测得均值粒径误差较大。随后随着距离增加，雾滴体积中径D50逐步减小。当距离到喷雾有效区域边缘时，雾滴粒径较小，可能受空气影响较大。

结果表明作业速度在0.6～1.1 m/s范围内，前3列的同一冠层高度的雾滴覆盖率基本相同，喷施较远区域的雾滴覆盖率随着作业速度增加而降低，雾滴覆盖率大于10%的有效喷施幅宽为6～8 m；作业速度为1.5 m/s时，雾滴覆盖率逐步降低，雾滴覆盖率大于10%的有效喷施幅宽不足4 m。由此可得，随着作业速度提高，3YZ-80A型履带自走式行间喷雾机有效防控作业面积明显下降。

5 结论

(1)针对夏玉米中后期封行后叶下病虫害防治难的问题，结合玉米种植农艺和作物冠层病虫害防治的要求，设计了3YZ-80A型履带自走式玉米行间植保喷雾机，整机设计紧凑，能够满足于600 mm的窄行距玉米冠层中部作业的空间要求，操作简便，智能化程度高。

(2)设计了自适应地表的仿形履带驱动底盘，有效提升喷雾机在大秸秆量地表的越障能力；设计了Y形喷头，有效提高行间作业幅宽，并通过三因素三水平二次旋转正交组合试验，建立了喷管评价指标与各影响因素的数学回归模型，分析了显著因素对评价指标的影响变化规律，得到喷管最优组合参数：喷射角60°、药液嘴在喷管的位置为距离燃烧室末端610 mm、烟雾机喷口与受液表面的喷施距离为2.37 m。

(3)田间试验表明随着作业速度提高，3YZ-80A型履带自走式行间喷雾机有效防控区域显著降低。当作业速度在0.6～1.1 m/s范围内，雾滴覆盖率大于10%的有效喷施幅宽为6～8 m；当作业速度为1.5 m/s时，雾滴覆盖率大于10%的有效喷施幅宽不足4 m。