可變行距探入式水稻均勻噴霧系統研制和試驗

黃糧糧,周重軍,劉木華,蔡金平,肖麗萍,鄧方遷,葉洋洋,蒲 闖,蔡 翰

(1.江西農業大學 工學院,南昌 330045;2.江西省通用技術工程學校,江西 九江 330306)

0 引言

我國南方農作物種植主要以水田為主,北方旱地適用的比較先進的大型植保機械并不適合水田作業[1]。若使用無人機作業,存在低空飛行的穩定性難以保證、霧滴普寬及漂移等問題[2]。若以實際到達標靶上的農藥量計算,我國農藥有效利用率僅在35%左右[3],部分農藥滲透污染土壤、水環境,威脅農田生態安全。水稻種植比較密集,很多病蟲害發生在水稻中下部,藥液很難穿透葉冠層,真正到達病蟲害位置的藥液更少。例如,褐飛虱與灰飛虱卵產于稻株下部葉鞘或葉片中脈兩側組織中;稻瘟病在水稻根部,莖節、穗頸部谷子和葉片都有發生[4-5]。為此,改善噴霧技術,保護生態環境,提高農藥利用率已經刻不容緩[6]。本研究結合山東眾合3WP-300自走式噴桿噴霧機動力部分,設計了一種適用于南方水田,可以改變行距,自動調節噴霧高度,且噴頭能夠探入水稻中下部,可對發生在水稻中下部病蟲害施藥的噴霧系統。

1 噴霧系統總體結構和工作原理

1.1 總體結構

自走式噴桿噴霧機隔膜泵工作壓力為0～3MPa,流量80～100L/min,最大速度8km/h,最大展開噴幅寬5m,整機結構如圖1所示(非最大展開狀態)。該機主要由車體、控制系統及噴桿系統等組成。其中,離合器控制噴藥動力傳遞,可選擇不同的工作狀態;控制系統控制藥液回路開關及噴桿系統的運動。噴霧系統以車體中心線左右對稱,主要由翼支架,一、二級轉動裝置,升降系統,超聲波測距裝置,藥液回路,噴桿支架和噴頭等組成。噴桿以30cm間隔均勻分布在噴桿支架上,共計16個。噴霧作業時,該系統能夠自動改變噴霧行距,自動調整噴頭施藥高度,左右兩段分開噴藥。

1.車體 2.控制系統 3.藥箱 4.隔膜泵 5.一級轉動裝置

1.2 工作原理

噴霧系統工作原理如圖2所示。工作時,發動機動力除用于行走外,分別引出部分動力供給柱塞泵和發電機,柱塞泵液送藥箱中藥液至各噴頭,控制裝置控制噴桿系統的旋轉動作和藥液管路開啟。超聲波傳感器安裝在噴桿支架上,顯示噴頭相對于冠層的實時位置,施藥時調整噴頭工作高度。

圖2 工作原理圖

根據不同水稻種植行距,電推桿驅使一級轉動裝置旋轉,改變翼支架與主支架之間的夾角,從而改變噴頭在行進方向的作業間距。為方便非作業轉場行進,兩個噴桿支架中間部分裝有折疊裝置,與一級轉動裝置配合,使噴桿支架能夠自動折疊與展開。

水稻病蟲害發生位置不同,如稻縱卷葉螟啃食水稻冠層葉片、葉蟬主要吸食水稻莖稈和葉鞘汁液、水稻水象甲象咬食水稻根部[7-9]。為把藥液有效噴施在水稻冠層以下病蟲害發生位置,由主支架安裝位置、噴桿安裝位置和自動升降裝置3部分決定噴頭探入水稻葉冠以下對靶施藥。前兩部分直接在安裝時確定,作業時自動升降裝置可根據超聲波傳感器測得距離調整噴桿支架上下運動,最終決定噴頭施藥高度。

每個主水管上安裝2個五通分流閥,分流口通過軟管與噴桿逐一連接,可使噴頭壓力均勻分布。為實現噴頭探入水稻叢內時360°噴藥,選用十字五眼噴頭,其中4個噴頭水平方向均勻分布,1個噴頭豎直向下。

2 控制系統設計

控制系統控制整個噴霧系統的工作和管路系統開合,所有控制開關集中在駕駛座左邊部位。

左右兩邊藥液管路通過2個2W-160-15常閉型電磁閥(流量口徑16mm,工作電壓12V)分別控制,施藥時電磁閥通電,噴幅為5m。在邊緣施藥時,關閉一個電磁閥噴幅為一半,可以避免田塊邊緣重噴。一級轉動裝置選擇HBA805型電推桿,行程160mm,推力6 000N控制,控制翼支架收攏和展開。二級轉動裝置的電推桿為LX800型,推力2 000N,行程150mm,控制副噴桿支架。通過兩個轉動裝置之間的配合,實現噴桿的折疊和噴頭工作間距在0～300mm之間調節。

升降系統控制噴頭工作高度,主要由LX402型電推桿、導向軌和測距系統構成。測距系統基于ArduinoUno開發板,由HC-RS40超聲波測距傳感器和1602LCD顯示屏組成。電推桿負載2 000N,行程400mm;HC-SR04超聲波測距模塊探測距離2～450cm。對水稻冠層以下施藥時,由于葉片和稻穗的干擾,超聲波傳感器測不到噴頭與地面的距離,所以將噴頭與冠層距離顯示在LCD屏幕上,該值為傳感器與噴頭、水稻冠層距離的差。圖3為控制系統面板。根據顯示值調整噴頭到達施藥前調查的病蟲害部位對靶噴藥,在保證傳感器可用的情況下,噴頭可探入水稻冠層下60cm。

圖3 控制系統面板

3 噴霧機試驗

為了驗證自動變行距探入式噴霧機噴霧效果,現對樣機進行室內噴霧均勻性試驗和田間防治試驗。

3.1 室內試驗

試驗于2018年8月在江西農業大學江西省現代農業裝備實驗室進行。

3.1.1 試驗材料

噴霧均勻性檢測試驗使用本課題噴霧機樣機進行,試劑為普通自來水,噴頭為十字霧化噴頭(昆明優網科技有限公司),實際工作壓力0.2～0.4MPa,流量50～90L/h。標靶為水敏試紙(重慶六六山下植保科技有限公司),寬3cm、長4cm,是常用檢測噴霧效果試紙,遇水在表面形成藍點污點。使用該公司霧滴分析軟件,可計算按規定格式掃描后的水敏試紙上霧滴沉積的覆蓋率及霧滴大小等參數。

3.1.2 試驗方法

試紙由雙面膠固定在小木樁上,每個木樁間隔30cm,成直線水平放置在樣機噴頭下方50cm處。噴霧機以8km/h的速度勻速行走,邊走邊噴灑在水敏試紙上方,重復4次,每次取出水敏試紙晾干后掃描,用霧滴分析軟件分析。

根據美國農業與生物工程學會( ASABE) 和美國國家標準局572.1標準[10],選取DV0.1、DV0.5、DV0.9標定霧滴粒徑分布情況,NMD、DR和霧滴覆蓋率(Coverage)作為計算指標。DV0.1、DV0.5、DV0.9分別指按照從小到大的順序,選取霧滴排序并體積累加,總體積達到10%、50%、90%時所對應的霧滴直徑。NMD(Number Median Diameter)是指所排序霧滴序號為所有霧滴序號中間數的霧滴直徑。DR(Droplet Diffusion Ratio)表示霧滴擴散比,為NMD與DV0.5的比值,當DR≥0.67時,表明噴灑質量良好[11]。

3.1.3 試驗結果與分析

試驗表明:通過一級轉動裝置,可以使翼支架收攏和展開,噴頭工作間距在0～300mm之間。

圖4為某次試驗的噴霧系統半邊噴霧效果圖。圖4中,白點部分為水敏試紙上的霧滴陰影。通過imagepy軟件分析霧滴相關噴霧參數。

圖4 噴霧機用清水對試紙噴霧效果圖

為減少噴霧機振動產生的誤差累積,重復多次試驗,數據去除最大最小值后取平均值。表1給出十字霧化噴頭在0.35MPa壓力下的部分霧滴參數。由表1可知,DV0.1、DV0.5和NMD變化差異不大,只有在DV0.9上差異較明顯。根據生物最佳粒徑理論[12]:防治頁面爬蟲類害蟲類和防治植物病害的霧滴最佳理論分別為40～100μm和30～150μm,將NMD與DV0.5進行比較,發現大部分霧滴直徑在上述最佳霧滴譜范圍之內。

結合圖5數據和圖4可知:各個噴頭霧滴覆蓋率差異不大,霧滴粒徑分布較為均勻,且霧滴擴散比DR均不小于0.67水平。試驗結果表明,噴霧系統藥液管路優化后噴霧均勻性明顯提高。

(a) 各噴頭霧滴粒徑

(b) 各噴頭霧滴覆蓋率和擴散比

3.2 田間施藥試驗

第1次試驗時間為2017年10月,第2次試驗為2018年5月,地點為江西農業大學試驗田(見圖6)。

圖6 水稻農藥噴灑試驗

3.2.1 試驗材料

參照何木蘭等的25%吡蚜酮WP防治稻飛虱田間藥效試驗[13],試驗藥劑為25%吡蚜酮,用量600g/hm2,兌水量675L/hm2。第1次施藥水稻品種甬優538,處于成熟區,株高112.8cm;第2次施藥品種為中嘉早17,株高42.7cm。種植方式均為插秧機種植,行距7寸,即230mm。

3.2.2 試驗方法

試驗田分A、B、C3塊,每塊寬10m、長20m,且設立寬為2m的保護行。在風速不大于4m/s,天氣狀況良好情況下噴藥。噴霧機行駛速度為5km/h,調節一級轉動裝置使噴頭工作間距達到230mm。在A區藥箱裝載25%吡蚜酮藥液,以常規施藥方式即噴頭在葉冠上方約20cm處施藥;在B區藥箱裝載同樣藥液,通過調節自動升降裝置將噴頭下降至葉冠下方對水稻中下部施藥;C區為對照區,不做處理。施藥時保持勻速、不重噴與漏噴[14]。為了防止稻飛虱在不同小區內轉移,在試驗后將3個區域用網膜隔開。

施藥前用盆拍法調查害蟲數量并記錄,用水潤濕后的臉盆輕輕插入水稻底部,快速拍擊植株中下部,記錄震落在臉盆里的稻飛虱數量。分別在施藥后4天和7天統計水稻中下部稻飛虱數量(不限蟲齡),參照吳詠梅等[15]使用的平行跳躍法,每小區調查5點,每點調查5叢。

計算公式為

(1)

(2)

3.2.3 試驗結果與分析

試驗完成后,將各項數據進行處理,其平均值如表1所示。

表1 噴霧機不同噴藥方式對稻飛虱的防治效果

兩次田間施藥結果顯示:探入式噴藥7天后的防治效果分別比常規噴藥方式高出18%和14.4%,防治效果均有很大的提高,但在水稻成熟期不同噴藥方式防治效果差距更大,因為水稻成熟期冠層密集,藥液更難到達根部區域;探入施藥時噴頭離靶區距離更短,飄移量更少,霧滴有更強的穿透力,沉積量更大。試驗表明:該噴霧機相同用藥量時,探入式施藥在水稻中下部有更大的覆蓋率,相對常規施藥消耗更少藥液即可保證防治效果。

4 結論

針對南北氣候差異各地區水稻行距不同,且病蟲害發生在水稻不同位置,充分結合實際,研發了一種可變行距探入式水稻噴霧系統。該噴霧系統噴桿支架可以自動折疊與展開,噴頭工作間距能在0～30cm任意定點調節;噴頭離地高度最大為130cm,最小為10cm,可以探入到水稻冠層以下,對不同位置病蟲害施藥。試驗表明:相同施藥量時,該噴霧系統探入施藥在水稻中下部有更大的覆蓋率,有效提高了農藥的利用率,可節約資源、保護環境;且霧滴平均覆蓋率較為均勻,霧滴粒徑分布差異不大,有良好的噴霧效果。