植保機械分禾裝置的設計及試驗

潘佛雛 ，溫浩軍 ，黃春輝 ，李國祥 ，婁朝霞 ，緱海嘯

（1.石河子大學機械電氣工程學院，新疆 石河子 832000；2.新疆科神農(nóng)業(yè)裝備科技開發(fā)股份有限公司）

新疆地區(qū)的棉花種植方式采用的是矮化密植，棉花冠層稠密，若使用普通的橫桿噴藥，藥液霧滴無法穿透冠層到達棉花的中下部，導致在棉花生長的中后期噴藥均勻性差。因此設計者根據(jù)本地需要設計了將吊桿噴霧裝置與橫噴桿相結合的門式噴霧系統(tǒng)，吊桿噴霧方式是在噴架上懸掛一個裝有分禾器的吊桿，將施藥作業(yè)的噴頭從上到下依次安裝在吊桿上。

作為噴藥機上的重要部件，分禾器不僅對棉花起到分行和保護噴頭的作用，還在分禾裝置后方產(chǎn)生較大的空間，為霧滴的漂移和擴散提供了良好的條件，避免了上層葉片和噴頭周圍葉片的阻擋作用。另外，分禾裝置撥動莖稈引起葉片的擾動，為葉片背部著附霧滴提供一定的條件。在分禾裝置隨著噴霧機向前移動的過程中，被分禾裝置分開的棉花會恢復到正常生長狀態(tài)，在這個回位過程中，棉花的葉片與空間中的藥液霧滴完全接觸，進一步提高了藥液的使用效率。分禾器結構與吊桿噴霧裝置及橫噴桿的結合，提高了霧滴在植株不同高度水平層面的噴灑均勻性。

1 分禾裝置和噴桿的總體結構特點

整個噴桿由懸掛桿、吊桿、分禾器和噴頭組成，分禾器安裝在懸掛桿上，懸掛桿安裝于噴桿噴架下方，吊桿也通過螺絲安裝在懸掛桿上，在裝有噴頭的吊桿上，安裝有彈簧，同時在懸掛桿上有鉸接裝置，避免分禾器在碰到棉枝交叉纏繞時由于阻力過大而損傷棉桃，故引入鉸接裝置和彈簧的配合，來提高對棉桃的保護。

1.1 分禾裝置的整體設計

本研究涉及的曲面型分禾裝置的吊桿上安裝有彈簧，同時在懸掛桿上有鉸接裝置，避免分禾器在碰到棉枝交叉纏繞時由于阻力過大而損傷棉桃。分禾器不僅對棉株起到分行和保護噴頭的作用，還可以在棉株冠層內部撐開一個有利于霧滴擴散的空間，提高噴霧機的施藥效果。

噴霧機前進作業(yè)時，分禾器自下向上撥開稠密的棉株冠層內部枝葉對棉株進行分行，從而可以使霧滴在分禾器后部沒有枝葉遮擋的區(qū)域自由擴散，霧滴可以擴散至分禾器后部區(qū)域及兩側的棉株冠層，從而進一步提升冠層內部的霧滴分布均勻性和藥液沉積量。

由于新疆棉花采用矮化密植，棉株高約0.8～0.9m，棉株第一分枝點位置大約0.15 m，故地面到結點的高度范圍內基本沒有棉桃和枝葉，所以要撐開棉花中下部冠層，考慮到噴桿在田間作業(yè)時還存在上下顛簸的情況，故將分禾器高度設為0.55 m。考慮到分禾器的中下部要安裝噴頭，結點附近的枝葉數(shù)量不多，為增加噴頭的施藥效果，在拋物線形分禾曲面下部設計成U型曲面，如圖1所示。

圖1 拋物線形曲面

該機分禾器采用Solidwork三維參數(shù)化軟件設計，其結構如圖1。其中分禾器寬度為300mm，高度為550mm。棉株高度及分禾器示意如圖2。

圖2 棉株高度及分禾器示意圖

1.2 噴霧質量參數(shù)的選擇

噴霧質量決定了噴藥作業(yè)的施藥作業(yè)效果，因此，合理的選擇霧化噴頭，掌握正確的噴霧參數(shù)，可以有效地提高噴霧質量。

綜合所查閱文獻以及試驗臺的實際情況，本次試驗所選取的影響噴霧分布均勻性的主要因素有以下幾方面：

（1）工作壓力。增加液體工作壓力可以增加霧錐角，減小粒徑，增加分布面積，但壓力的增加也會造成霧滴穿透能力下降，造成霧滴漂移，浪費農(nóng)藥，污染環(huán)境。減小液體工作壓力又無法滿足噴霧分布均勻性的要求，目前市面上噴桿式噴霧機常規(guī)選擇的工作壓力為0.3～0.4 Mpa，本文選取工作壓力為0.3 Mpa。

（2）噴頭流量。噴頭將藥液分散成細小霧滴，然后分布到靶作物表面，合適的流量大小可以節(jié)省藥液，同時產(chǎn)生合適的霧錐角和噴霧射程，本文選取常規(guī)噴霧流量120 L/min。

（3）噴頭孔徑。噴頭是決定噴霧作業(yè)時噴霧質量的重要裝置，噴頭孔徑的大小會影響霧滴的粒徑大小、噴頭流量、霧錐角以及噴霧射程。選擇合適的噴頭孔徑將是影響噴藥質量的重要因素。我們采用的是壓力式噴頭中的圓錐霧噴頭，根據(jù)工作壓力0.3 Mpa與流量120 L/min，選擇噴頭孔徑為1.6 mm。

（4）霧錐角。霧錐角作為評價噴頭霧化質量高低的重要指標，指從噴頭噴出后的藥液，擴散到霧化室內以后形成霧炬，霧炬呈現(xiàn)出非標準型的圓錐形，霧錐角表示霧炬的擴散程度，也就是噴頭口到霧炬圓錐形邊界兩條切線的夾角，本文選用角度為90°圓錐霧。

1.3 噴頭安裝位置設計

噴頭的結構、尺寸和安裝位置都會影響霧滴的均勻性和藥液噴灑的面積，故設計合適安裝噴頭的位置極為重要。

表1 頂噴穿透性能霧滴覆蓋率（單位：%）

（1）噴頭高度。在一定范圍內，隨著噴頭高度的增加，噴霧分布的均勻性也會增加；但噴頭安裝高度并不是越高越好，太高會造成霧滴漂移，過低會降低噴霧分布的均勻性。經(jīng)過前期的調研，選用的棉花植株的高度的范圍是0.7～0.9m。以棉花行距為（66+10）cm確定水平方向噴頭間距為38 cm，由90°霧錐角確定頂噴與棉花冠層距離為38 cm。目前新疆市場頂噴主要選用霧錐角為90°的圓錐霧噴頭，經(jīng)試驗，該類型噴頭的穿透距離為300 mm，頂噴穿透試驗數(shù)據(jù)如表1。

經(jīng)過理論計算，噴頭的高度分布如圖3。

由前期棉花物理特性調研數(shù)據(jù)可知，棉花的平均高度按830 mm計，底層葉片平均離地高度為150 mm，頂噴與棉花冠層距離L1與頂噴沿噴桿橫向排布的間隔距離相同，即380 mm。噴頭的穿透距離L2為頂噴的噴霧穿透距離300 mm，根據(jù)以上條件，計算噴頭安裝高度及吊桿長度。由于棉花上層300 mm已經(jīng)被吊噴的噴霧穿透，棉花下部生長后期有棉葉下垂，將下層無需施藥范圍設定為100 mm，噴頭的噴射距離為棉株橫向寬度的一半，即220 mm，由此選定與頂噴相同的90°圓錐霧噴頭即可滿足要求，而后進行噴頭高度排布計算。

圖3 噴頭的高度分布

由噴頭霧錐角計算可得：

（2）兩噴頭角度。兩噴頭合適的夾角，可以使霧滴最大效用地擴散至分禾器后部區(qū)域及兩側的棉花冠層，從而進一步提升棉花冠層內部的霧滴分布均勻性和藥液沉積量。結合新疆棉花種植的特點，達到最佳噴霧效果，通過田間試驗，將兩噴頭角度優(yōu)選為90°，以提高噴霧效果。兩噴頭角度分布如圖4。

圖4 兩噴頭角度分布示意

分禾器曲線端點和頂點坐標 A（-150，10），B（0，150），C（150，0）。噴頭長度L4為選用噴頭的結構尺寸80 mm，噴頭距分禾器頂點L1為噴桿固定位置中心線與分禾器頂端的最小距離，為確保噴桿螺栓等可以正常安裝，該尺寸最小為69mm，由此可計算得出L2與L3。

經(jīng)過理論計算，兩噴頭夾角為α3=74°。

1.4 棉株的防拖掛設計

為提高噴藥效率，吊桿上裝有四個噴頭，每個噴頭都有獨立的開關，噴頭的離地高度是經(jīng)過采樣試驗確定的最佳高度。

懸掛桿上兩部分由鉸接軸連接，鉸接軸處設有仿形機構，且在吊桿上裝有彈簧，鉸接軸和彈簧的配合如圖5所示。當分禾器遇到棉枝交叉纏繞阻力過大時，凸起的塊狀體和相應的凹狀體將處于扭力狀態(tài)以鉸接軸擺動，同時彈簧會產(chǎn)生壓縮變形，鉸接軸和彈簧的配合使用除了起保護棉花的作用外還保證機架不發(fā)生晃動，在阻力變小后鉸接軸和彈簧可以自動復位。

圖5 鉸接軸和彈簧的配合

噴藥過程中藥液要從橫桿經(jīng)過藥液管道到達底部的噴頭，藥液管道安裝在彈簧繞徑內，由于彈簧和鉸接裝置在遇到棉枝相互纏繞時會產(chǎn)生鉸接裝置的扭轉以及彈簧的壓縮變形，所以藥液管道應具備相應的變形能力，防止管道因拉伸發(fā)生破裂，此處彈簧內部的部分藥液管道選擇有良好變形能力的膠管，以膠管連接來保證隨動。

為確保彈簧的選型符合作業(yè)要求，根據(jù)前期試驗，棉枝纏繞點位置高度如表2，彈簧變形力試驗數(shù)據(jù)如表3，將棉桃平均分離力24.5 N作為啟動彈簧向施力點以上避讓的選型條件，根據(jù)棉枝纏繞點的位置測試，確定彈簧變形力測試的施力點位置高度為平均值520mm，即距離分禾器下部370mm位置，著力點在該位置時，分禾曲面與豎直方向夾角約為28°，因此選擇絲徑為5.02mm的彈簧。

表2 棉枝纏繞點位置

2 分禾裝置作業(yè)性能試驗

根據(jù)前期理論分析及試驗結論，選取拋物線曲面為最佳分禾曲面，為驗證分禾裝置整體結構設計的合理性，根據(jù)設計要求，確定撞落棉桃數(shù)、霧滴分布均勻性和霧滴漂移率為評價指標，影響因子為作業(yè)速度，來驗證本研究所設計的分禾裝置能否滿足整株均勻噴霧、霧滴分布均勻、有效避讓棉桃纏繞等要求。此次試驗地塊仍然選取位于新疆石河子市北泉鎮(zhèn)三分場3連北荒2號地塊。

表3 彈簧變形力（N）

2.1 試驗目的

噴霧機噴霧性能是分禾器分禾效果、噴頭排布、分禾器與噴頭相對位置關系、噴頭霧化效果等多種因素綜合作用的結果，通過噴霧性能試驗可以同時檢測前述多種因素的作業(yè)效果及設計合理性，確定現(xiàn)有設計能否達到設計要求。

2.2 試驗設備

試驗設備包括約翰迪爾754拖拉機、科神3WP-1800型噴桿式噴霧機、拋物線形分禾裝置、水敏試紙、曲別針、自封袋等。

2.3 評價指標

根據(jù)《GB/T24677.2-2009噴桿噴霧機試驗方法》，以棉株上中下三層、葉片正反面均能均勻受藥，沿噴霧方向噴霧量均勻性變異系數(shù)不大于20%，撞落棉桃率每2 m2不超過1個，為設計合格的判定依據(jù)。

2.3.1 撞落棉桃數(shù)

在作業(yè)田塊中隨機布置9個測區(qū)，每個測區(qū)之間橫向和縱向間隔均大于5 m，以相鄰四行（10+66+10）cm為一個測區(qū)，單個測區(qū)長度為1 m。試驗前對測區(qū)內及前進方向前段1 m范圍進行地面清理，確保地表無已脫落棉桃，試驗后采集分禾裝置在測區(qū)內及行走方向向前20 cm區(qū)域內撞落棉桃個數(shù)。

表4 撞落棉桃數(shù)（個）

2.3.2 霧滴分布均勻性

在前述每個測區(qū)內隨機選取1株，共9株進行標定，分別在植株的上、中、下層3層葉片正反面各布置1張水敏紙。田間試驗結束后，收集試驗卡紙，放入自封袋中，進行霧滴密度分布的測定。測定時分別按照行走速度4 km/h和5 km/h進行測定，將收集的霧滴采集卡逐一用掃描儀掃描，掃描后的圖像通過圖像處理軟件image j進行分析，得出霧滴的覆蓋率。

表5 行走速度為4km/h時霧滴覆蓋率

圖6 不同行走速度下的霧滴覆蓋率

表6 行走速度為5km/h時霧滴覆蓋率

2.4 試驗結論

本分禾裝置達到設計要求，滿足沿噴霧方向噴霧量均勻性變異系數(shù)不大于20%，撞落棉桃率每2 m2不超過1個的條件。

3 結論

本文根據(jù)設計要求對分禾裝置進行了設計與試驗，通過對分禾部件施藥效果的試驗，證實本分禾部件結構設計可以滿足技術及農(nóng)藝要求，具備推廣的可行性，但在結構設計上仍然停留在二維曲線的直線拉伸階段，未來可以進行三維曲線優(yōu)化設計，以提升作業(yè)性能。