自走式水田高地隙喷杆喷雾机喷雾试验研究

彭才望，孙松林，蒋 蘋，严串串，唐琦军，胡文武

(1.湖南农业大学东方科技学院，湖南长沙 410128；2.湖南农业大学工学院，湖南长沙 410128)

我国水稻种植面积约占全国谷物种植面积的40%，同时，水稻是病虫害发生频率最大的农作物[1]。在水稻种植过程中，植保作业对水稻产量起着关键作用。水田高地隙植保喷杆喷雾系统目前被广泛应用于农药喷洒，但水田高地隙喷杆喷雾系统在作业过程中因为路面不平的影响容易使喷杆发生变形，导致喷雾不均匀。另外，喷杆喷雾系统的喷头喷雾压力、喷雾角度、喷雾高度直接影响农药喷洒的均匀性和农药的有效利用率。因此，研究水田高地隙喷杆喷雾系统的喷雾效果对减少农药的浪费、提升喷雾质量有重要的意义。

目前，国内关于喷杆的理论研究大多集中在雾化理论等方面，而有关喷杆弹性变形的研究则较少[2-8]。吴吉麟等[9]根据一种宽幅喷雾系统悬架和喷杆的几何特征建立一种悬架-喷杆模型，分析不同频率激励源下该模型的动态特性。叶连民等[10]指出，影响喷杆式喷雾系统全面喷雾作业雾量分布均匀性的因素主要有喷雾高度、喷头工作压力、喷头喷雾量分布特性、喷头安装距离，以及地面平整程度和风力等。杨君[11]对影响喷雾分布均匀性的主要因素工作压力、喷嘴直径和喷杆高度进行了正交试验，得出喷嘴类型对喷雾的均匀性影响最大，工作压力对喷雾分布均匀性的影响最小。陈志刚等[5]指出，间距增大、喷杆高度增加时，喷杆分布的变异系数呈波浪式变化。

笔者在前期研究成果的基础上，针对水田高地隙喷杆喷雾系统的喷雾效果进行研究，通过搭建喷雾试验综合平台，对喷雾压力、喷雾高度、喷雾喷幅宽度进行试验，通过试验数据分析得到较佳喷雾效果。

1 水田高地隙喷杆喷雾机整体结构

水田高地隙喷杆喷雾机由底盘车架、发动机总成、驾驶室总成、液压系统、喷杆升降液压系统、喷杆伸展液压系统、轮胎等其他部分组成，如图1、2所示。液压系统负责喷杆系统的升降、伸展功能，喷头喷雾由液压系统供给流量和压力。发动机总成提供驱动行驶动力。

注：1.升降液压系统；2.喷杆支架；3.伸展液压系统；4.喷头；5.液压系统；6.轮胎；7.发动机总成；8.底盘车架；9.驾驶室总成 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图1 自走式水田高地隙喷杆喷雾机结构总成Fig.1 Structure of self-propelled paddy field boom sprayer

图2 自走式水田高地隙喷杆喷雾机试验Fig.2 Experiment of self-propelled paddy field boom sprayer

2 喷雾性能研究

南方水田农药施药方法中，喷雾施药是其中最主要的一种施药方法[12]。我国植保机整体性能不高，喷雾分布不均，据估算，仅有25%～50%农药可以有效喷洒到农作物表面上，作业效率低[13]。水田高地隙喷杆喷雾系统的喷雾高度、喷雾压力、喷幅直接影响喷雾作业分布的均匀性[10]。因此，研究喷雾的均匀性，提高农药的利用率，从而改善农药生态环境，尤为重要。该研究主要从喷雾压力、喷雾高度、喷副宽度3个方面进行试验研究。试验仪器设备等主要包括：10 m喷杆、电子秤、压力表、卷尺、量杯、水。

2.1喷头喷雾压力研究试验过程：以水作为样本液体，通过压力表调节喷雾压力，喷雾压力分别设置为0.20、0.25、0.30、0.35、0.40 MPa，单个喷头下均用量杯收集喷头所喷出的喷雾液体，喷雾时间持续60 s，然后将各自量杯置于电子秤上，得到量杯所收集的液体质量(图3)。单个试验喷雾压力下，循环试验5次，试验结果取平均值，试验所得喷杆上20个喷头流量数值如表1所示。

注：1.量杯；2.喷头；3.喷杆；4.压力表Note:1.Measuring cups;2.Sprinkler heads;3.Spray rods;4.Pressure gauges图3 喷雾量试验示意Fig.3 Diagram of spray flow

从表1中可以得出，随着喷头压力的增大，喷雾流量呈正相关关系也随之增大，在喷头压力为0.30 MPa时候，变异系数最小值为0.052 925，此时，喷头喷雾的流量稳定性最高。

2.2喷头喷雾高度研究为研究喷杆喷雾系统在额定喷雾压力下的喷雾均匀性，将喷杆放置在支撑杆上，支撑杆上有限位孔，限位孔距离水平地面高度可设计为0.3、0.4、0.5、0.6、0.7 m，额定压力根据喷雾压力试验结果选定为0.30 MPa，各喷头下安放有一个收集槽，用于收集各喷头喷出的喷雾液体(图4)。喷雾试验时间90 s，喷雾结束后，用精度为0.01 g的电子秤计算收集槽的喷雾质量。各个高度下循环试验5次，计算喷雾变异系数，试验结果如表2所示。

注：1.收集槽；2.喷头；3.喷杆；4.支撑杆；5.压力表；6.限位孔 Note:1.Collecting tank;2.Sprinkler head;3.Spray rod;4.Supporting rod;5.Pressure gauge;6.Limit hole图4 喷雾高度示意Fig.4 Diagram of spray height

试验结果表明，在喷杆处于0.5 m高度时，喷杆喷雾的均匀性相比之下最好，变异系数为0.025 430 101，最小。

2.3喷头喷幅宽度研究考虑上述研究结果发现，喷杆处于0.5 m高度时，喷雾变异系数最小，均匀性最好。为此，基于上述研究结果，研究喷杆喷雾系统在限定高度0.5 m下的喷雾喷幅宽度，如图5所示。将喷杆放置在支撑杆限位孔上，限位孔距离水平地面高度为0.5 m，额定压力根据喷雾压力分别设定0.20、0.25、0.30、0.35、0.40 MPa，试验采用0.65%的红色水溶液代替农药，喷杆下安置干燥试纸，用于检测喷雾喷幅宽度。单次喷雾试验时间持续10 s，喷雾结束后，用卷尺测量喷杆下的喷幅宽度。0.5 m高度下循环试验5次，计算喷雾变异系数，试验结果如表3所示。

表2 不同喷雾高度下的喷雾量

注：1.水平地面线；2.喷头；3.喷杆；4.支撑杆；5.压力表；6.限位孔；a.喷孔间距；b.喷头高度；c.喷幅宽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图5 喷幅宽度示意Fig.5 Diagram of sprinkling width

试验用喷头的喷雾锥角为110°，理论计算喷头距离水平地面线0.5 m高度时，单个喷头的喷雾宽度均为1.421 8 m，现10 m的喷雾喷杆理论喷雾喷幅为10.928 1 m。试验结果所测，喷雾压力处于0.20～0.40 MPa时，实际喷幅的均值为10.414 6～10.554 0 m，实际喷幅的数值均小于理论喷雾喷幅宽度10.928 1 m。其主要原因是理论计算喷雾喷幅宽度基于喷杆完全水平状态下计算所得，实际作业中，水田农用拖拉机工作振动频率处于0～10 Hz，喷杆受重力和振动等多方面因素的影响，喷杆在作业行驶中，喷杆因为振动带来一定的弯曲，所以，喷雾喷幅宽度会小于理论喷幅宽度，相对误差3.4%～4.6%。同时，试验发现，随着喷雾压力增加，喷雾宽度一定程度随之增大。但在喷雾压力处于0.30 MPa时候，喷雾喷幅宽度为10.502 1 m，喷幅变异系数为0.002 802，相对其他喷雾压力情况下，喷雾喷幅最为稳定。

表3 不同喷雾压力下的喷幅宽度

3 结论与讨论

该研究以自走式水田高地隙喷杆喷雾机10 m的喷杆作为研究对象，通过搭建试验平台分别进行喷头喷雾量试验、喷头喷雾高度试验、喷头喷幅宽度试验。试验结果表明，随着喷雾压力增加，喷雾流量与喷头压力呈正相关，在喷头压力为0.30 MPa时候，流量变异系数值最小为5.292 5%，喷雾流量稳定性最高；在喷杆喷雾机的喷杆处于距水平地面0.5 m高度时，喷杆喷雾均匀性最好，变异系数为2.543 010 1%，变异系数值最小；随着喷雾压力增加，喷雾宽度与喷雾压力呈一定程度的正相关。尤其在喷头喷雾压力为0.30 MPa，喷杆高度距离水平地面0.5 m时，喷雾喷幅宽度为10.502 1 m，喷幅变异系数为0.280 2%，相对其他喷雾压力情况下，喷雾喷幅最为稳定。田间试验结果表明，在喷雾压力0.30 MPa，喷杆高度距离作物顶端表面0.5 m时，自走式水田高地隙喷杆喷雾均匀性和喷幅宽度均满足水田农作物喷药作业要求。