棉花噴霧機“Π”型噴桿噴霧系統試驗臺架的研究與設計

王喃喃 ，代亞猛 ，賈首星 ※，周 艷 ，張 景 ，李 帆

（1.石河子大學機械電氣工程學院，新疆 石河子 832000；2.新疆農墾科學院機械裝備研究所）

0 引言

棉花是植保作業類型較多，同時對植保機具作業質量要求高的作物。特別是棉花機械化采收前的脫葉劑噴施作業，其施藥質量和脫葉效果的好壞，直接影響著機械化采收后棉花的質量等級[1-3]。新疆棉花現行多普遍采用行距為10+66 cm機采棉矮化密植種植模式，棉花種植密度大，具有行距狹窄、植株超密、枝葉超多的特點，相鄰兩行棉花葉片交叉重疊嚴重，普通噴桿式噴霧機單純依靠純液力霧化從棉花冠層上方向下噴藥，藥液霧滴往往難以穿透棉花的稠密冠層將藥液均勻地噴施到棉花中下層葉片和葉片背面，農藥有效利用率低、施藥效果不佳[4-5]。

為解決霧滴難以穿透棉花密集冠層的問題，提高霧滴在棉花中下層葉片和葉片背面的覆蓋率，多年來墾區廣大農機工作者進行了大量的探索與實踐，一方面，為力求實現對棉花植株的全方位噴霧施藥，在常規噴桿噴霧機的基礎上集成應用了吊桿噴霧技術、“噴桿頂噴+吊桿側噴”組合式噴霧技術以及雙藥液雙管路噴霧技術等[6-8]，打破了常規噴桿噴霧機單純從棉花頂部豎直向下的噴霧方式的局限，有效提高了藥液霧滴在棉花中下層葉片和葉片背面的附著率，改善了噴霧施藥效果[9]；但另一方面，目前對棉花噴霧系統尚缺乏科學系統的全面研究，如對頂噴和側噴噴頭類型的選擇與優化組合、噴頭的安裝位置和間隔距離以及空間配置、側噴吊桿的間距和離地高度以及噴頭的安裝角度等，主要還是依靠經驗來確定。特別在對噴桿噴霧系統進行改進優化時，研究其農藥霧滴沉積分布和霧滴穿透能力的方法還主要是通過戶外田間試驗進行。由于影響棉花噴霧均勻性、霧滴穿透和霧滴沉積的因素很多（包括風速、噴霧機行走速度、噴頭類型、藥液比例、噴頭距離目標高度和霧滴直徑等），加之戶外田間試驗不確定性因素多、可控性及可重復性差，若通過逐一變換參數進行田間試驗的方法對噴霧系統改進優化，不僅工作量大、成本高、周期長，而且很難獲得最優結果。

針對上述問題，我們研究和搭建了棉花噴霧機“Π”型噴桿噴霧系統試驗臺架，利用試驗臺架可以方便地模擬不同噴頭類型組合與空間配置的噴桿噴霧系統，并通過對其沉積在靶標上的霧滴檢測分析，對影響棉花噴霧施藥效果的關鍵因素以及噴霧系統的霧流場分布規律和沉積規律進行研究，為進一步改進提高棉花脫葉劑噴施技術與裝備提供依據與參考。

1 試驗臺架的設計思路與要求

多年的攻關實踐表明，對于棉花這種密集種植的作物，單純的水平噴霧施藥技術已經不能滿足其植保需求。目前在新疆兵團墾區，基于噴桿頂噴+吊桿側噴“Π”型組合式噴霧系統的噴桿噴霧機被廣泛應用于棉花中后期病蟲害防治和催熟脫葉劑噴施的一類機型[10]。設計搭建基于不同噴頭類型及空間配置的“Π”型噴霧系統試驗臺架，摸清其不同噴頭類型組合及空間配置下霧滴霧流場分布規律和沉積規律、找出其系統運行的最佳控制參數，得到噴頭最佳配置方式，對于改進提高該類棉花噴霧植保機具的技術性能具有重要意義。

噴霧作業過程中，霧滴沉積量、沉積分布均勻性和飄移率是衡量噴霧質量的主要因素和指標，另外，在棉花密植種植模式下，提高霧滴的穿透能力具有重要意義。“Π”型噴霧系統試驗臺架圍繞上述影響噴霧質量的各因素設計開發，試驗臺能夠測量和需要控制調整的參數包括：藥液壓力與流量、氣泵壓力與氣體流量、霧滴沉積量、噴桿頂噴噴頭和吊桿側噴噴頭的安裝角度以及與靶標的距離、靶標的移動速度、霧滴沉積量、沉積分布、溫度、濕度等。要求能夠方便地搭載和組合不同類型的噴頭（包括氣力式靜電噴頭），噴頭安裝數量、安裝位置、安裝角度和間距均可調整，能夠模擬不同噴頭類型及空間配置時的噴霧系統工作狀態。

2 整體結構與功能

“Π”型噴霧系統試驗臺架主要由藥液供給系統、壓力氣體供給系統、噴桿噴頭搭載裝置、靶標臺架及運動控制系統、靜電發生器等組成，如圖1所示。

圖1 噴霧試驗裝置總體結構

該試驗臺架的藥液供給系統可滿足多種噴桿噴霧系統（包括雙藥液雙管路噴霧系統、靜電噴霧系統）的試驗研究，包括兩組電機驅動的隔膜泵、高精度調壓閥及流量閥等。藥液泵可通過調壓閥及流量閥控制其泵出藥液的壓力和流量；壓力氣體供給系統包括電機驅動的羅茨風機、高精度調壓閥及流量閥等，用于搭載氣力式靜電噴頭試驗時提供大流量壓力氣體，可通過調壓閥及流量閥控制氣體的壓力和流量；噴桿噴頭搭載裝置由“Π”型結構支架、可調整高度的頂噴噴桿和可調整側噴間距的側噴噴桿以及噴頭固定裝置組成，可以安裝搭載常用的各種噴頭以及氣力式靜電噴頭；靶標臺架及運動控制系統由靶標臺車、直線導軌、驅動電機、變頻控制系統、傳動裝置等組成，靶標臺架電機驅動其沿著直線導軌運動，其運動速度由變頻調速裝置控制。

該試驗臺架可以通過在“Π”型支架上安裝搭載不同類型的噴頭，模擬組合頂噴（圓錐噴頭或扇形噴頭）+吊桿側噴（圓錐噴頭或扇形噴頭）、頂噴（圓錐噴頭或扇形噴頭）+吊桿側噴（靜電噴頭）、頂噴（靜電噴頭）+吊桿側噴（圓錐噴頭或扇形噴頭）等多種”Π“型噴霧系統進行實驗研究。試驗臺架的主要技術參數見表1。

表1 噴霧裝置技術參數

3 主要部件選型與設計

3.1 噴桿噴頭搭載裝置

噴桿噴頭搭載裝置由“Π”型結構支架、可調整高度的頂噴噴桿和可調整側噴間距的側噴噴桿以及噴頭固定裝置組成，噴桿噴頭搭載裝置外形尺寸為18×5×2.5m，整體結構如圖2所示。

“Π”型結構支架、頂噴噴桿支架和側噴噴桿支架均由帶有滑槽的高強度鋁合金管材加工而成，如圖3所示。頂噴噴桿支架通過4個角狀連接滑板和異形緊定螺栓與“Π”型支架的4根豎立支腿連接，松開異形緊定螺栓即可推動頂噴噴桿支架在“Π”型支架的4根豎立支腿滑槽中上下移動，調整頂噴噴桿支架離地高度。每個側噴噴桿支架由兩根帶有滑槽的高強度鋁合金管材組合而成，成T形結構，共兩組，側噴噴桿支架在通過角狀連接滑板和異形緊定螺栓與頂噴噴桿支架連接，同樣可以通過松緊異形緊定螺栓，實現兩組側噴噴桿支架間的間距調整和前后錯位調整。

圖2 “Π”型支架及噴桿噴頭搭載裝置

圖3 支架連接方式

頂噴噴桿噴霧裝置和側噴噴桿噴霧裝置分別通過連接固定裝置安裝在頂噴噴桿支架和側噴噴桿支架上，并且頂噴噴桿噴霧裝置和側噴噴桿噴霧裝置分別由獨立的兩組藥液供給系統和壓力氣體供給系統泵入藥液和壓力氣體，這樣通過更換不同類型的噴頭，并與相應的藥液供給系統和壓力氣體供給系統連接，即可方便地模擬組合頂噴（圓錐噴頭或扇形噴頭）+吊桿側噴（圓錐噴頭或扇形噴頭）、頂噴（圓錐噴頭或扇形噴頭）+吊桿側噴（靜電噴頭）、頂噴（靜電噴頭）+吊桿側噴（圓錐噴頭或扇形噴頭）等多種“Π”型噴霧系統，對其進行全面系統的實驗研究。

3.2 氣液供給系統

由于常規噴頭（包括圓錐噴頭、扇形噴頭和防滴漏）和氣力式靜電噴頭對氣液供給的要求差異較大，為滿足由“常規噴頭+氣力式靜電噴頭”組合而成的“Π”型噴霧系統氣液供給需要，該試驗臺架設計采用了兩組獨立的氣液供給系統，分別介紹如下。

3.2.1 常規噴頭藥液供給液泵的選擇

液泵采用隔膜泵，這種泵工作時藥液不與精密運動件接觸，使用可靠性好，且具備可以短時間脫水運轉的優點。

根據設計要求，“Π”型噴霧系統中常規噴頭安裝數量一般不超過8個噴頭，每個噴頭的噴霧量為0.50～2.48 L/rain（0.5 MPa 壓力下），總噴霧量為 6～20 L／rain。考慮到藥箱內藥液攪拌的需要，一般攪拌流量為藥箱容量的5%～10%，經計算，該實驗裝置所需攪拌流量為30 L／min，按照上述兩部分流量的要求，所需隔膜泵排量為36～50 L／rain即可滿足需求，綜合考慮選用國內生產的ZMB245型隔膜泵，該泵最大工作壓力 2.5 MPa，工作轉速 700～800 r／min。

3.2.2 氣力式靜電系統氣液供給系統

（1）風機選擇

氣力式靜電噴頭霧化主要是依靠高速氣流通過環形細縫時的射吸作用，將通道中的藥液帶出，并進一步在高速氣流的沖擊下破碎成更細小的霧滴。氣力式靜電噴頭與常規液力式噴頭相比霧滴穿透力強、霧滴飄失少、覆蓋均勻、農藥施用量低，相應地，氣力式霧化噴頭與常規霧化噴頭相比，霧化能耗也要大很多，要求氣體供給系統能夠提供大流量的壓力氣體。但由于氣力式霧化噴頭的最佳氣耗率確定與噴頭流量變化、霧滴大小、滴徑分布等多種因素相關[11-16]，目前尚缺乏系統的研究與實驗。為簡化設計過程，我們采用經驗類比的方法確定了其風機及驅動電機。風機選用URAI-42V型羅茨鼓風機，驅動電機為15kW三相異步交流電機。

（2）流量閥選擇

由于靜電噴霧屬于低量、超低量噴霧范疇，噴霧量的微小變化將帶來噴霧量變異系數的顯著增加，加之氣力式靜電噴頭噴霧量對藥液壓力的變化非常敏感，采用普通精度的流量閥無法滿足靜電噴霧流量控制精度的要求，該試驗臺架氣力式靜電系統氣液供給系統中的流量閥選用AR2000-02型高精度流量閥，壓力：0.01 mPa～0.1 mPa，額定流量 550 l/min、接管口徑1/4、壓力表口徑1/8。

（3）穩壓罐

為避免氣力式靜電系統氣液供給系統頻繁啟動，保證測試期間氣體供給系統壓力平穩，在該驗臺架氣液供給系統中設置了穩壓罐，型號QY1803A01026，設計壓力0.84 mPa，耐壓試驗1.26 mPa，容積1m3。

（4）供藥單元液泵的選擇

氣力式靜電噴霧供藥單元如圖4所示，液泵采用隔膜泵，型號為：MB3120/2.5。該隔膜泵的主要特點是流量大、體積小、結構緊湊、操作維護方便，且短時間缺水條件下可持續運轉。

圖4 氣力式靜電噴霧供藥單元

（5）高壓靜電發生器

該試驗臺架用于為氣力式靜電噴頭提供直流高壓供電的高壓靜電發生器，選用東文高壓電源股份有限公司生產的DW-P-1ACF0型高壓靜電發生器，該電源具有時漂、溫漂小，穩定度高，輸出紋波低，抗干擾性能強，轉換效率高，輸出電壓連續可調，輸出電壓及電流的數字監測顯示精度高等特點。該電源輸入電壓為 AC220V±10%，50 Hz，輸出 DC0～+30 000 V/1mA。

3.3 靶標臺架及進給裝置

該試驗臺架是通過固定噴頭支架不動、移動靶標臺架模擬噴霧機田間工作狀態的，靶標臺架及進給裝置如圖5所示，主要由由靶標臺架、直線導軌、驅動電機、減速器、傳動裝置、驅動輪軸和變頻控制系統組成。

圖5 靶標臺架及進給裝置

靶標作物（棉株或仿真棉花）通過托盤安放在靶標臺架上，由電機通過減速器驅動靶標臺架的驅動輪使其沿直線導軌往返，其控制電路如圖6所示。

靶標臺架移動速度由變頻調速裝置控制，可在0～12 km/h范圍內無級調速，配套動力為小型三相交流異步電機，為使靶標臺架在較高速度時仍能以平穩的速度通過噴霧測區，直線導軌兩端設置了較長的緩沖預備區，直線導軌設計長度為18 m。

圖6 控制電路

4 結束語

該試驗臺架主要用于研究“Π”型配置噴桿噴霧施藥系統霧流場空間分布規律和荷電霧滴沉積分布規律，通過檢測不同噴頭類型組合與空間配置下靶標作物不同部位的霧滴沉積率，對比分析不同配置狀態下“Π”型噴桿噴霧系統的霧滴穿透能力、沉積分布規律和霧流場空間分布規律，為噴霧機具合理選取最佳的噴霧模式和噴頭配置方案提供依據。

該試驗臺架既可用于科研單位開展相關應用基礎研究，進行新型機具的檢測分析和新產品的開發，也可用于植保檢測站對相關噴霧機產品沉降性能進行檢測，還可用于模擬“Π”型噴桿噴霧系統大田噴霧施藥狀態，對學生進行演示實驗。通過加裝高速攝像機以及圖像處理工具，還可進一步拓展其功能。