自走式水田高地隙噴桿噴霧機噴霧試驗研究

彭才望，孫松林，蔣 蘋，嚴串串，唐琦軍，胡文武

(1.湖南農業大學東方科技學院，湖南長沙 410128；2.湖南農業大學工學院，湖南長沙 410128)

我國水稻種植面積約占全國谷物種植面積的40%，同時，水稻是病蟲害發生頻率最大的農作物[1]。在水稻種植過程中，植保作業對水稻產量起著關鍵作用。水田高地隙植保噴桿噴霧系統目前被廣泛應用于農藥噴灑，但水田高地隙噴桿噴霧系統在作業過程中因為路面不平的影響容易使噴桿發生變形，導致噴霧不均勻。另外，噴桿噴霧系統的噴頭噴霧壓力、噴霧角度、噴霧高度直接影響農藥噴灑的均勻性和農藥的有效利用率。因此，研究水田高地隙噴桿噴霧系統的噴霧效果對減少農藥的浪費、提升噴霧質量有重要的意義。

目前，國內關于噴桿的理論研究大多集中在霧化理論等方面，而有關噴桿彈性變形的研究則較少[2-8]。吳吉麟等[9]根據一種寬幅噴霧系統懸架和噴桿的幾何特征建立一種懸架-噴桿模型，分析不同頻率激勵源下該模型的動態特性。葉連民等[10]指出，影響噴桿式噴霧系統全面噴霧作業霧量分布均勻性的因素主要有噴霧高度、噴頭工作壓力、噴頭噴霧量分布特性、噴頭安裝距離，以及地面平整程度和風力等。楊君[11]對影響噴霧分布均勻性的主要因素工作壓力、噴嘴直徑和噴桿高度進行了正交試驗，得出噴嘴類型對噴霧的均勻性影響最大，工作壓力對噴霧分布均勻性的影響最小。陳志剛等[5]指出，間距增大、噴桿高度增加時，噴桿分布的變異系數呈波浪式變化。

筆者在前期研究成果的基礎上，針對水田高地隙噴桿噴霧系統的噴霧效果進行研究，通過搭建噴霧試驗綜合平臺，對噴霧壓力、噴霧高度、噴霧噴幅寬度進行試驗，通過試驗數據分析得到較佳噴霧效果。

1 水田高地隙噴桿噴霧機整體結構

水田高地隙噴桿噴霧機由底盤車架、發動機總成、駕駛室總成、液壓系統、噴桿升降液壓系統、噴桿伸展液壓系統、輪胎等其他部分組成，如圖1、2所示。液壓系統負責噴桿系統的升降、伸展功能，噴頭噴霧由液壓系統供給流量和壓力。發動機總成提供驅動行駛動力。

注：1.升降液壓系統；2.噴桿支架；3.伸展液壓系統；4.噴頭；5.液壓系統；6.輪胎；7.發動機總成；8.底盤車架；9.駕駛室總成 Note:1.Lift hydraulic system;2.Spray rod support;3.Extension hydraulic system;4.Sprinkler;5.Hydraulic system;6.Tire;7.Engine assembly;8.Chassis frame;9.Driver chamber assembly圖1 自走式水田高地隙噴桿噴霧機結構總成Fig.1 Structure of self-propelled paddy field boom sprayer

圖2 自走式水田高地隙噴桿噴霧機試驗Fig.2 Experiment of self-propelled paddy field boom sprayer

2 噴霧性能研究

南方水田農藥施藥方法中，噴霧施藥是其中最主要的一種施藥方法[12]。我國植保機整體性能不高，噴霧分布不均，據估算，僅有25%～50%農藥可以有效噴灑到農作物表面上，作業效率低[13]。水田高地隙噴桿噴霧系統的噴霧高度、噴霧壓力、噴幅直接影響噴霧作業分布的均勻性[10]。因此，研究噴霧的均勻性，提高農藥的利用率，從而改善農藥生態環境，尤為重要。該研究主要從噴霧壓力、噴霧高度、噴副寬度3個方面進行試驗研究。試驗儀器設備等主要包括：10 m噴桿、電子秤、壓力表、卷尺、量杯、水。

2.1噴頭噴霧壓力研究試驗過程：以水作為樣本液體，通過壓力表調節噴霧壓力，噴霧壓力分別設置為0.20、0.25、0.30、0.35、0.40 MPa，單個噴頭下均用量杯收集噴頭所噴出的噴霧液體，噴霧時間持續60 s，然后將各自量杯置于電子秤上，得到量杯所收集的液體質量(圖3)。單個試驗噴霧壓力下，循環試驗5次，試驗結果取平均值，試驗所得噴桿上20個噴頭流量數值如表1所示。

注：1.量杯；2.噴頭；3.噴桿；4.壓力表Note:1.Measuring cups;2.Sprinkler heads;3.Spray rods;4.Pressure gauges圖3 噴霧量試驗示意Fig.3 Diagram of spray flow

從表1中可以得出，隨著噴頭壓力的增大，噴霧流量呈正相關關系也隨之增大，在噴頭壓力為0.30 MPa時候，變異系數最小值為0.052 925，此時，噴頭噴霧的流量穩定性最高。

2.2噴頭噴霧高度研究為研究噴桿噴霧系統在額定噴霧壓力下的噴霧均勻性，將噴桿放置在支撐桿上，支撐桿上有限位孔，限位孔距離水平地面高度可設計為0.3、0.4、0.5、0.6、0.7 m，額定壓力根據噴霧壓力試驗結果選定為0.30 MPa，各噴頭下安放有一個收集槽，用于收集各噴頭噴出的噴霧液體(圖4)。噴霧試驗時間90 s，噴霧結束后，用精度為0.01 g的電子秤計算收集槽的噴霧質量。各個高度下循環試驗5次，計算噴霧變異系數，試驗結果如表2所示。

注：1.收集槽；2.噴頭；3.噴桿；4.支撐桿；5.壓力表；6.限位孔 Note:1.Collecting tank;2.Sprinkler head;3.Spray rod;4.Supporting rod;5.Pressure gauge;6.Limit hole圖4 噴霧高度示意Fig.4 Diagram of spray height

試驗結果表明，在噴桿處于0.5 m高度時，噴桿噴霧的均勻性相比之下最好，變異系數為0.025 430 101，最小。

2.3噴頭噴幅寬度研究考慮上述研究結果發現，噴桿處于0.5 m高度時，噴霧變異系數最小，均勻性最好。為此，基于上述研究結果，研究噴桿噴霧系統在限定高度0.5 m下的噴霧噴幅寬度，如圖5所示。將噴桿放置在支撐桿限位孔上，限位孔距離水平地面高度為0.5 m，額定壓力根據噴霧壓力分別設定0.20、0.25、0.30、0.35、0.40 MPa，試驗采用0.65%的紅色水溶液代替農藥，噴桿下安置干燥試紙，用于檢測噴霧噴幅寬度。單次噴霧試驗時間持續10 s，噴霧結束后，用卷尺測量噴桿下的噴幅寬度。0.5 m高度下循環試驗5次，計算噴霧變異系數，試驗結果如表3所示。

表2 不同噴霧高度下的噴霧量

注：1.水平地面線；2.噴頭；3.噴桿；4.支撐桿；5.壓力表；6.限位孔；a.噴孔間距；b.噴頭高度；c.噴幅寬Note:1.Horizontal ground line;2.Sprinkler head;3.Spray rod;4.Supporting rod;5.Pressure gauge;6.Limit hole;a.Nozzle spacing;b.Nozzle height;c.Width圖5 噴幅寬度示意Fig.5 Diagram of sprinkling width

試驗用噴頭的噴霧錐角為110°，理論計算噴頭距離水平地面線0.5 m高度時，單個噴頭的噴霧寬度均為1.421 8 m，現10 m的噴霧噴桿理論噴霧噴幅為10.928 1 m。試驗結果所測，噴霧壓力處于0.20～0.40 MPa時，實際噴幅的均值為10.414 6～10.554 0 m，實際噴幅的數值均小于理論噴霧噴幅寬度10.928 1 m。其主要原因是理論計算噴霧噴幅寬度基于噴桿完全水平狀態下計算所得，實際作業中，水田農用拖拉機工作振動頻率處于0～10 Hz，噴桿受重力和振動等多方面因素的影響，噴桿在作業行駛中，噴桿因為振動帶來一定的彎曲，所以，噴霧噴幅寬度會小于理論噴幅寬度，相對誤差3.4%～4.6%。同時，試驗發現，隨著噴霧壓力增加，噴霧寬度一定程度隨之增大。但在噴霧壓力處于0.30 MPa時候，噴霧噴幅寬度為10.502 1 m，噴幅變異系數為0.002 802，相對其他噴霧壓力情況下，噴霧噴幅最為穩定。

表3 不同噴霧壓力下的噴幅寬度

3 結論與討論

該研究以自走式水田高地隙噴桿噴霧機10 m的噴桿作為研究對象，通過搭建試驗平臺分別進行噴頭噴霧量試驗、噴頭噴霧高度試驗、噴頭噴幅寬度試驗。試驗結果表明，隨著噴霧壓力增加，噴霧流量與噴頭壓力呈正相關，在噴頭壓力為0.30 MPa時候，流量變異系數值最小為5.292 5%，噴霧流量穩定性最高；在噴桿噴霧機的噴桿處于距水平地面0.5 m高度時，噴桿噴霧均勻性最好，變異系數為2.543 010 1%，變異系數值最小；隨著噴霧壓力增加，噴霧寬度與噴霧壓力呈一定程度的正相關。尤其在噴頭噴霧壓力為0.30 MPa，噴桿高度距離水平地面0.5 m時，噴霧噴幅寬度為10.502 1 m，噴幅變異系數為0.280 2%，相對其他噴霧壓力情況下，噴霧噴幅最為穩定。田間試驗結果表明，在噴霧壓力0.30 MPa，噴桿高度距離作物頂端表面0.5 m時，自走式水田高地隙噴桿噴霧均勻性和噴幅寬度均滿足水田農作物噴藥作業要求。