遠射程噴霧機噴霧參數優化與試驗

呂林碩,邊永亮,李建平,陳春皓,劉玉肖

(河北農業大學 機電工程學院,河北 保定 071000)

0 引言

目前,在糧食和蔬菜之后,水果已成為我國第三大種植產業[1]。在果園的整體勞動作業過程中,果樹的施藥噴霧占到30%左右,且果樹一年中大約需要噴藥8～15次[2-3],導致農藥使用量大[4-5]、浪費嚴重,造成經濟損失。與此同時,農藥在果品上殘留量超標、土地污染等環境健康問題也隨之而生[6-8]。2021年,農村農業部、發改委等印發《“十四五”全國農村綠色發展規劃》[9],明確提出:到2025年,持續減少化肥、農藥的使用量,全面遏制農藥面源污染,保護生態系統。為解決果園施藥過程中藥液浪費嚴重、施藥不均等問題,相關學者對目前施藥技術進行研究并對噴霧參數進行優化。邱威等[10]通過對風送式多通道霧化裝置的研究,提出了一種角度可調的仿形施藥方法,進而提升了霧滴覆蓋率及均勻度。夏侯炳等[11]以遠射程、寬噴幅風送噴霧機為研究平臺,針對6種噴霧壓力、兩種機型進行試驗,結果表明:在射程方向的7m處,噴霧壓力提升可促進噴霧質量的提高,但在2.5m處噴霧壓力對噴霧質量的影響不顯著。代秋芳等[12]通過激光粒度儀對3種不同孔徑噴頭在8種噴霧壓力作用下的霧滴直徑分布情況進行分析,結果表明:TR80-03C等3種噴頭在0.7～1.4MPa條件下,小粒徑霧滴占比較高,且噴頭孔越小噴霧壓力越大、霧滴越小。宋淑然[13]等人通過對遠射程風送式噴霧機平臺進行研究,發現噴射出的霧滴粒徑均大于50um,霧滴粒徑較均勻,重力作用使霧滴匯聚成大顆粒。程湞湞等[14]設計出一種果園電力噴霧機,通過試驗得出對霧滴分布變異系數影響的大小次序為噴頭擺動速度、距離、流量、機器行走速度,并找出最優參數組合。

筆者以遠射程噴霧機為試驗平臺,針對施藥過程中因噴霧參數不準確而造成的藥液附著率低、藥液浪費量大等問題,通過改變噴射角度來達到霧滴對整體樹形覆蓋的目的,調節噴霧壓力以改善霧滴的運動距離與噴霧施藥的效果[15-16],調節噴霧機到樹干的距離以提升霧滴的沉積密度及霧滴附著均勻度。通過多因素響應面試驗優化遠射程噴霧機噴霧參數,提高遠射程噴霧機的施藥效果。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗設備及儀器材料

1.1.1 試驗設備

3WF-100型遠射程噴霧機主要由柱塞泵、汽油發動機、水箱、環形噴管及角度調節風筒等組成,如圖1所示。風筒安裝在框架上,其端口安裝有環形噴管,風筒可調節噴射角度。噴霧設備的結構參數如表1所示。

表1 噴霧設備結構參數Table 1 Structure parameters of spray equipment

1.環形噴管 2.角度調節風筒 3.可伸縮旋轉絲杠 4.水箱 5.汽油發動機 6.柱塞泵 7.底座框架 8.風筒支架圖1 3WF-100型遠射程噴霧機結構圖Fig.1 3WF-100 long range sprayer structure diagram

1.1.2 試驗儀器與材料

采用重慶六六山下科技公司生產的水敏試紙檢測霧滴;Epson Perfection 1670掃描儀掃描水敏紙;希瑪公司AS856S風速儀測量環境風速;精創公司RC-4溫濕度測量儀測量環境溫濕度;卷尺標定噴霧機到樹干距離;量角器標定風筒仰角;秒表計算噴霧時間。

試驗采用按照1:1還原的紡錘形蘋果樹,仿真樹高h=3.5m,冠層寬度上層a=1.2m、中層寬度b=1.5m,下層寬度c=1.8m。仿真蘋果樹及整體尺寸如圖2所示。仿真樹依據矮砧密植果園果樹的葉面積指數、樹形特征及樹枝稠密度仿制而來[17-18],可保證仿真樹與真實果樹一致。

圖2 仿真蘋果樹及整體尺寸Fig.2 Simulated apple tree and overall size

1.2 試驗采樣

在多因素試驗中,為試驗數據能夠全面反映果樹的藥液附著情況,選取正對噴霧機的方向(果樹南側)作為取樣方向,分別為上、中、下3層(將樹冠層豎直方向三等分),內、中、外3層(將樹枝外緣到樹干的距離三等分),共計9個位置粘貼水敏紙,水敏紙粘貼位置示意圖如圖3所示。水敏紙尺寸為35mm×15mm,試驗結束后揭下粘于收集紙上并封袋保存。

圖3 水敏紙粘貼位置Fig.3 Water sensitive paper paste position

2 噴霧機施藥試驗及結果分析

2.1 試驗環境與過程

1)試驗環境:試驗于2021年8月15日在河北農業大學工科樓外大院中進行,環境濕度32%,環境溫度32℃,自然風速0.42m/s。

2)試驗過程:將水敏紙在仿真果樹上粘貼牢靠,確保噴霧過程中水敏紙不會因葉片的翻動而脫落,并調整好噴霧的距離與角度。準備工作完成后,秒表計時,啟動噴霧機進行噴霧試驗,試驗過程如圖4所示。

圖4 噴霧試驗場景Fig.4 Spray test scene

啟動3s后(模擬正常拖拉機行進速度下噴到樹上的時間為3s),關閉噴霧機,噴霧結束后迅速收集水敏紙。根據試驗設計方案表,調整施藥參數,更換水敏紙,重復試驗過程,依次完成各組試驗。

每組試驗重復3次,取平均值。采用水敏紙來測試霧滴分布情況,試驗完成后用掃描儀掃描水敏紙,并用分析軟件Image-master分析出霧滴附著情況[19]。

2.2 單因素試驗與結果分析

選取霧滴沉積量、霧滴沉積覆蓋率、霧滴沉積密度及變異系數等作為果樹藥液附著量與施藥效果的評價指標[20]。其中,霧滴沉積覆蓋率計算如式(1)所示。為確定各個因素合理的取值范圍,研究噴霧壓力、噴射角度、噴霧距離對噴霧效果的影響規律,設計單因素試驗,分別以噴霧壓力、噴霧距離、噴射角度作為自變量,以霧滴沉積覆蓋率、霧滴沉積密度及變異系數、霧滴沉積量為指標[21],確定合適的單因素范圍。

(1)

其中,C為霧滴沉積覆蓋率;A為水敏紙上藥液覆蓋面積(mm2);S為水敏紙面積(mm2)。

2.2.1 噴霧壓力

在遠射程噴霧機對果樹的施藥作業過程中,為尋求合適的噴霧壓力,使果樹的藥液附著量達到最大值,進行噴霧壓力的測定試驗。結合果園噴霧機性能以及農藝要求,選取噴霧壓力范圍為0～1.0MPa,噴霧距離3m,噴射角度45°,將霧滴沉積覆蓋率作為果樹藥液附著量的檢測指標,每隔0.1MPa進行1次試驗測量,并保存數據,繪制在不同噴霧壓力作用下藥液在果樹冠層上的霧滴沉積覆蓋率-噴霧壓力曲線,如圖5所示。

圖5 霧滴沉積覆蓋率隨噴霧壓力變化曲線Fig.5 Change curve of droplet deposition coverage rate with spray pressure

由霧滴沉積覆蓋率-噴霧壓力曲線可知:隨著噴霧機噴霧壓力的升高,霧滴沉積覆蓋率先急劇增加而后緩慢降低。在噴霧壓力較小時,提高噴霧壓力可以使更多的霧滴運動到果樹的位置,增加了霧滴在果樹上的附著率,霧滴沉積覆蓋率得以急劇增加。當噴霧壓力大于0.45 MPa時,隨著柱塞泵壓力增大,霧滴獲得的動能增大,使霧滴穿透冠層、藥液飄移損失增大,冠層上有效霧滴沉積覆蓋率降低;在噴霧壓力為0.4MPa時,葉面霧滴沉積覆蓋率最大,為71.8%;噴霧壓力為0.45MPa時,葉背霧滴沉積覆蓋率最大,為32.4%。為了更加精確地探究噴霧壓力以及噴霧壓力與其他因素交互作用對施藥效果的影響,選取噴霧壓力范圍為0.3～0.5MPa進行后續多因素試驗。

2.2.2 噴霧距離

噴霧距離是指噴頭出口與果樹樹干中心線之間的距離,通過試驗探究不同噴霧距離對噴霧機施藥效果的影響,施藥效果評價指標采用霧滴沉積密度來反映。選取噴霧壓力為0.4MPa,噴射角度為45°,噴霧距離選取范圍為1.5～5m,每隔0.5m做一次噴霧試驗,共計8次,試驗數據如表2和表3所示。

表2 不同位置、不同距離的霧滴沉積密度(葉面)Table 2 Droplet deposition density at different locations and distances (leaf surface)

表3 不同位置、不同距離的霧滴沉積密度(葉背)Table 3 Droplet deposition density at different locations and distances (leaf back)

以上、中、下層的3個數據的變異系數[22]與平均值來反映藥液附著均勻度與果樹藥液附著量的大小。利用Excel 2016對試驗結果進行數據分析處理,霧滴沉積密度變異系數隨噴霧距離變化曲線如圖6所示。

圖6 霧滴沉積密度變異系數隨噴霧距離變化曲線Fig.6 Change curve of droplet deposition density variation coefficient with spray distance

由圖6可知:當噴霧距離增加時,霧滴沉積密度變異系數減小,施藥噴霧更均勻;當噴霧距離為2.5m時,霧滴沉積密度的變異系數為葉面15.8%、葉背17.1%,噴霧機施藥均勻[23]。因此,為提高果樹藥液附著均勻度,噴霧距離應大于2.5m,后續分析霧滴沉積密度應在噴霧距離大于2.5m的基礎上進行。

霧滴沉積密度隨噴霧距離變化曲線如圖7所示。

圖7 霧滴沉積密度隨噴霧距離變化曲線Fig.7 Change curve of droplet deposition density with spray distance

由圖7可知:當噴霧距離超過2.5m并且繼續增大時,霧滴沉積密度變小,即果樹藥液附著量減小;當噴霧距離為3.5m時,其葉面霧滴沉積密度為164.28滴/cm2、葉背為81.32滴/cm2,滿足果園施藥作業要求[24](霧滴沉積密度≥70滴/cm2);當噴霧距離為4m時,葉背霧滴沉積密度為69.56滴/cm2,不符合果園施藥作業要求。因此,噴霧距離范圍選取2.5～3.5m。

2.2.3 噴射角度

通過角度調節風筒來改變霧流的噴射角度。為使藥液噴施范圍盡可能覆蓋果樹冠層位置,使得藥液最大程度地噴灑在果樹上,減少藥液漂移,提高藥液附著率,進行了遠射程噴霧機噴射角度范圍的測定試驗。根據遠射程噴霧機的結構尺寸、噴霧距離、果樹冠層厚度等數據,結合藥液噴出后因重力作用[25]而造成的下落影響,試驗選取噴霧壓力0.4MPa、噴環到果樹樹干距離L為3m、噴射角度30°和60°,以霧滴沉積量為評價指標,探究不同噴射角度下的霧滴覆蓋范圍。不同噴射角度的噴霧機作業示意圖如圖8所示。本次試驗于果樹冠層位置,沿豎直方向等間距布置10處采集點,采集點由果樹冠層底層到頂層依次編號1～10,并粘貼水敏紙觀測霧滴沉積情況。

圖8 噴霧作業示意圖Fig.8 Schematic diagram of spraying operation

不同噴射角度下的霧滴分布情況試驗結果如表4和圖9所示。

表4 不同噴射角度、不同采集點的霧滴沉積量Table 4 The amount of droplets deposited at different spray angles and different collection points

圖9 不同噴射角度下霧滴流分布情況Fig.9 Distribution of droplet flow under different spray angles

由圖9可知:當噴射角度為30°時,果樹下層霧滴沉積量較大,且在采集點3處霧滴沉積量最大;當噴射角度為60°時,果樹上層霧滴沉積量較大,且在采集點8處霧滴沉積量最大,滿足噴出霧滴覆蓋果樹的要求。為使交互作用中對噴射角度影響的探究更為全面,后續多因素試驗噴射角度選取30°、45°、60°來進行。

2.3 多因素試驗與結果分析

為探究遠射程噴霧機對果樹噴藥過程中噴霧距離、噴射角度、噴霧壓力及其交互作用對施藥效果的影響,設計3因素3水平試驗。以噴霧距離(噴頭到樹干中心線的距離)、角度(角度調節風筒的角度)、噴霧壓力(泵壓)為自變量因素,3個因素分別記為A、B、C,霧滴沉積量為果樹藥液附著量的衡量指標,記為Y,采取響應面法建立自變量與響應值的回歸方程,得出響應值最優解。其中,各個因素的取值范圍依據單因素試驗結果確定,試驗因素水平編碼表如表5所示。采用Design Expert 12.0中的Box-Design模塊設計試驗方案[26],共17組試驗,具體參數如表6所示。在試驗采樣位置粘貼水敏紙,按照試驗設計方案表6中的噴霧參數,啟動噴霧機進行施藥試驗。1次試驗結束后,更換水敏紙,調節噴霧參數,進行下一組,直至完成全部試驗。試驗結果如表6所示。

表5 因素水平編碼表Table 5 Factor level coding table

表6 霧滴沉積量設計方案與試驗結果Table 6 Design scheme and test results of droplet deposition

采用Design Expert 12.0對沉積量響應值結果進行方差分析,分析結果及顯著性水平如表7所示。

表7 霧滴沉積量回歸方程顯著性及方差分析Table 7 Significance and variance analysis of regression equation for droplet deposition

霧滴沉積量的編碼自變量的回歸方程為

Y=4.18-1.32A+0.67B+1.02C-

0.20AB+0.48AC+0.57BC+0.92A2-

1.21B2-0.23C2

(2)

試驗值的擬合回歸方程為

Y=39.17-27.32A+0.46B-16.99C-

0.03AB+9.5AC+0.38BC+3.68A2-

0.01B2-22.9C2

(3)

因素對霧滴沉積量交互作用響應曲面圖如圖10所示。

圖10 因素對霧滴沉積量交互作用響應曲面圖Fig.10 Response surface plot of interaction of factors on droplet deposition

由圖10得到噴霧距離、噴射角度、噴霧壓力兩兩因素之間的交互作用對霧滴沉積量的影響,以及在其他兩個因素取值固定時單因素對響應值的影響。

噴霧壓力C位于中心水平(即0.4MPa)時,由圖10(a)可知:噴霧距離A與噴射角度B對霧滴沉積量影響的響應面呈現馬鞍狀。當噴射角度B取值一定時,霧滴沉積量隨著噴霧距離的增加而逐漸減小,且其減小趨勢逐漸趨緩,即在噴霧機與果樹距離較近時噴霧距離的變動對噴霧霧滴沉積量的影響更為顯著。當噴霧距離A一定時,伴隨噴射角度的增加,霧滴沉積量呈現出先增加而后降低的趨勢,即噴射角度30°～60°之間存在一個值使得霧滴在果樹上藥液附著量達到最大值。

噴霧壓力B位于中心水平(即45°)時,由圖10(b)可知:當噴霧距離A一定時,霧滴沉積量隨噴霧壓力的減小而降低,且噴霧距離越大時響應值隨噴霧壓力減小而降低的趨勢越急,說明噴霧距離越遠噴霧壓力對霧滴沉積量的影響越大;當噴霧壓力C固定且取值較小(如C=-1)時,霧滴沉積量隨著噴霧距離的增加而逐漸減小,且其趨勢逐漸趨緩,與前面圖10(a)中分析一致;當噴霧壓力C固定且取值較大(例如C=1)時,藥液在果樹上沉積量隨距離增加而逐步降低,而后又有輕微的反彈回升現象,原因是當噴霧距離較近時,一部分霧滴穿透果樹飄失,但當噴霧距離增大時穿透飄失霧滴由于重力作用呈拋物線形式掉落的果樹葉片上,增大了其沉積量。

噴霧壓力A位于中心水平(即3m)時,由圖10(c)可知:當噴霧壓力C一定時,隨噴射角度的增加,霧滴沉積量先增大而后減小,呈現出拋物線形式;當噴霧壓力變大時,最佳噴射角度也會增大。當噴射角度一定時,隨著噴霧壓力的降低,霧滴沉積量也會變小,且當噴射角度取值越大時沉積量隨壓力降低而引起的下降越顯著。

由表6可知:在響應面試驗中,霧滴沉積量最大的組別是第7組,其噴霧距離為2.5m,噴射角度為45°,噴霧壓力為0.5MPa,霧滴沉積量為7.05μL/cm2。

為求取各因素最優參數組合,利用Design Expert軟件中的Optimization-Numerical模塊進行求解,設置霧滴沉積量最大為求解目標,其他自變量因素根據單因素試驗結果設置求解范圍,數學模型為

(4)

由式(4)得出:遠射程噴霧機對果樹施藥作業的最優參數組合為噴霧距離為2.5m、噴射角度為54°、噴霧壓力為0.48MPa時,霧滴沉積量最高,達7.09μL/cm2,略高于多因素試驗中第7組的最高值。

3 結論

1)通過噴霧壓力、噴霧距離、噴射角度的單因素試驗與分析,得到遠射程噴霧機施藥作業的參數取值范圍為噴霧壓力0.3～0.5MPa、噴射角度30°～60°、噴霧距離2.5～3.5m時,3個因素試驗條件下果樹的藥液附著性能較優。

2)通過多因素試驗分析得出:影響霧滴在果樹上沉積量大小的主次因素為噴霧距離>噴霧壓力>噴射角度,且3個因素的影響均呈極顯著(P<0.01);兩因素交互作用中,噴射角度與噴霧壓力、噴霧距離與噴霧壓力交互作用影響顯著(0.01