植保机械分禾装置的设计及试验

2019-01-11潘佛雏温浩军黄春辉李国祥娄朝霞缑海啸

新疆农机化 2018年5期

潘佛雏，温浩军，黄春辉，李国祥，娄朝霞，缑海啸

（1.石河子大学机械电气工程学院，新疆石河子 832000；2.新疆科神农业装备科技开发股份有限公司）

新疆地区的棉花种植方式采用的是矮化密植，棉花冠层稠密，若使用普通的横杆喷药，药液雾滴无法穿透冠层到达棉花的中下部，导致在棉花生长的中后期喷药均匀性差。因此设计者根据本地需要设计了将吊杆喷雾装置与横喷杆相结合的门式喷雾系统，吊杆喷雾方式是在喷架上悬挂一个装有分禾器的吊杆，将施药作业的喷头从上到下依次安装在吊杆上。

作为喷药机上的重要部件，分禾器不仅对棉花起到分行和保护喷头的作用，还在分禾装置后方产生较大的空间，为雾滴的漂移和扩散提供了良好的条件，避免了上层叶片和喷头周围叶片的阻挡作用。另外，分禾装置拨动茎秆引起叶片的扰动，为叶片背部着附雾滴提供一定的条件。在分禾装置随着喷雾机向前移动的过程中，被分禾装置分开的棉花会恢复到正常生长状态，在这个回位过程中，棉花的叶片与空间中的药液雾滴完全接触，进一步提高了药液的使用效率。分禾器结构与吊杆喷雾装置及横喷杆的结合，提高了雾滴在植株不同高度水平层面的喷洒均匀性。

1 分禾装置和喷杆的总体结构特点

整个喷杆由悬挂杆、吊杆、分禾器和喷头组成，分禾器安装在悬挂杆上，悬挂杆安装于喷杆喷架下方，吊杆也通过螺丝安装在悬挂杆上，在装有喷头的吊杆上，安装有弹簧，同时在悬挂杆上有铰接装置，避免分禾器在碰到棉枝交叉缠绕时由于阻力过大而损伤棉桃，故引入铰接装置和弹簧的配合，来提高对棉桃的保护。

1.1 分禾装置的整体设计

本研究涉及的曲面型分禾装置的吊杆上安装有弹簧，同时在悬挂杆上有铰接装置，避免分禾器在碰到棉枝交叉缠绕时由于阻力过大而损伤棉桃。分禾器不仅对棉株起到分行和保护喷头的作用，还可以在棉株冠层内部撑开一个有利于雾滴扩散的空间，提高喷雾机的施药效果。

喷雾机前进作业时，分禾器自下向上拨开稠密的棉株冠层内部枝叶对棉株进行分行，从而可以使雾滴在分禾器后部没有枝叶遮挡的区域自由扩散，雾滴可以扩散至分禾器后部区域及两侧的棉株冠层，从而进一步提升冠层内部的雾滴分布均匀性和药液沉积量。

由于新疆棉花采用矮化密植，棉株高约0.8～0.9m，棉株第一分枝点位置大约0.15 m，故地面到结点的高度范围内基本没有棉桃和枝叶，所以要撑开棉花中下部冠层，考虑到喷杆在田间作业时还存在上下颠簸的情况，故将分禾器高度设为0.55 m。考虑到分禾器的中下部要安装喷头，结点附近的枝叶数量不多，为增加喷头的施药效果，在抛物线形分禾曲面下部设计成U型曲面，如图1所示。

图1 抛物线形曲面

该机分禾器采用Solidwork三维参数化软件设计，其结构如图1。其中分禾器宽度为300mm，高度为550mm。棉株高度及分禾器示意如图2。

图2 棉株高度及分禾器示意图

1.2 喷雾质量参数的选择

喷雾质量决定了喷药作业的施药作业效果，因此，合理的选择雾化喷头，掌握正确的喷雾参数，可以有效地提高喷雾质量。

综合所查阅文献以及试验台的实际情况，本次试验所选取的影响喷雾分布均匀性的主要因素有以下几方面：

（1）工作压力。增加液体工作压力可以增加雾锥角，减小粒径，增加分布面积，但压力的增加也会造成雾滴穿透能力下降，造成雾滴漂移，浪费农药，污染环境。减小液体工作压力又无法满足喷雾分布均匀性的要求，目前市面上喷杆式喷雾机常规选择的工作压力为0.3～0.4 Mpa，本文选取工作压力为0.3 Mpa。

（2）喷头流量。喷头将药液分散成细小雾滴，然后分布到靶作物表面，合适的流量大小可以节省药液，同时产生合适的雾锥角和喷雾射程，本文选取常规喷雾流量120 L/min。

（3）喷头孔径。喷头是决定喷雾作业时喷雾质量的重要装置，喷头孔径的大小会影响雾滴的粒径大小、喷头流量、雾锥角以及喷雾射程。选择合适的喷头孔径将是影响喷药质量的重要因素。我们采用的是压力式喷头中的圆锥雾喷头，根据工作压力0.3 Mpa与流量120 L/min，选择喷头孔径为1.6 mm。

（4）雾锥角。雾锥角作为评价喷头雾化质量高低的重要指标，指从喷头喷出后的药液，扩散到雾化室内以后形成雾炬，雾炬呈现出非标准型的圆锥形，雾锥角表示雾炬的扩散程度，也就是喷头口到雾炬圆锥形边界两条切线的夹角，本文选用角度为90°圆锥雾。

1.3 喷头安装位置设计

喷头的结构、尺寸和安装位置都会影响雾滴的均匀性和药液喷洒的面积，故设计合适安装喷头的位置极为重要。

表1 顶喷穿透性能雾滴覆盖率（单位：%）

（1）喷头高度。在一定范围内，随着喷头高度的增加，喷雾分布的均匀性也会增加；但喷头安装高度并不是越高越好，太高会造成雾滴漂移，过低会降低喷雾分布的均匀性。经过前期的调研，选用的棉花植株的高度的范围是0.7～0.9m。以棉花行距为（66+10）cm确定水平方向喷头间距为38 cm，由90°雾锥角确定顶喷与棉花冠层距离为38 cm。目前新疆市场顶喷主要选用雾锥角为90°的圆锥雾喷头，经试验，该类型喷头的穿透距离为300 mm，顶喷穿透试验数据如表1。

经过理论计算，喷头的高度分布如图3。

由前期棉花物理特性调研数据可知，棉花的平均高度按830 mm计，底层叶片平均离地高度为150 mm，顶喷与棉花冠层距离L1与顶喷沿喷杆横向排布的间隔距离相同，即380 mm。喷头的穿透距离L2为顶喷的喷雾穿透距离300 mm，根据以上条件，计算喷头安装高度及吊杆长度。由于棉花上层300 mm已经被吊喷的喷雾穿透，棉花下部生长后期有棉叶下垂，将下层无需施药范围设定为100 mm，喷头的喷射距离为棉株横向宽度的一半，即220 mm，由此选定与顶喷相同的90°圆锥雾喷头即可满足要求，而后进行喷头高度排布计算。

图3 喷头的高度分布

由喷头雾锥角计算可得：

（2）两喷头角度。两喷头合适的夹角，可以使雾滴最大效用地扩散至分禾器后部区域及两侧的棉花冠层，从而进一步提升棉花冠层内部的雾滴分布均匀性和药液沉积量。结合新疆棉花种植的特点，达到最佳喷雾效果，通过田间试验，将两喷头角度优选为90°，以提高喷雾效果。两喷头角度分布如图4。

图4 两喷头角度分布示意

分禾器曲线端点和顶点坐标 A（-150，10），B（0，150），C（150，0）。喷头长度L4为选用喷头的结构尺寸80 mm，喷头距分禾器顶点L1为喷杆固定位置中心线与分禾器顶端的最小距离，为确保喷杆螺栓等可以正常安装，该尺寸最小为69mm，由此可计算得出L2与L3。

经过理论计算，两喷头夹角为α3=74°。

1.4 棉株的防拖挂设计

为提高喷药效率，吊杆上装有四个喷头，每个喷头都有独立的开关，喷头的离地高度是经过采样试验确定的最佳高度。

悬挂杆上两部分由铰接轴连接，铰接轴处设有仿形机构，且在吊杆上装有弹簧，铰接轴和弹簧的配合如图5所示。当分禾器遇到棉枝交叉缠绕阻力过大时，凸起的块状体和相应的凹状体将处于扭力状态以铰接轴摆动，同时弹簧会产生压缩变形，铰接轴和弹簧的配合使用除了起保护棉花的作用外还保证机架不发生晃动，在阻力变小后铰接轴和弹簧可以自动复位。

图5 铰接轴和弹簧的配合

喷药过程中药液要从横杆经过药液管道到达底部的喷头，药液管道安装在弹簧绕径内，由于弹簧和铰接装置在遇到棉枝相互缠绕时会产生铰接装置的扭转以及弹簧的压缩变形，所以药液管道应具备相应的变形能力，防止管道因拉伸发生破裂，此处弹簧内部的部分药液管道选择有良好变形能力的胶管，以胶管连接来保证随动。

为确保弹簧的选型符合作业要求，根据前期试验，棉枝缠绕点位置高度如表2，弹簧变形力试验数据如表3，将棉桃平均分离力24.5 N作为启动弹簧向施力点以上避让的选型条件，根据棉枝缠绕点的位置测试，确定弹簧变形力测试的施力点位置高度为平均值520mm，即距离分禾器下部370mm位置，着力点在该位置时，分禾曲面与竖直方向夹角约为28°，因此选择丝径为5.02mm的弹簧。

表2 棉枝缠绕点位置

2 分禾装置作业性能试验

根据前期理论分析及试验结论，选取抛物线曲面为最佳分禾曲面，为验证分禾装置整体结构设计的合理性，根据设计要求，确定撞落棉桃数、雾滴分布均匀性和雾滴漂移率为评价指标，影响因子为作业速度，来验证本研究所设计的分禾装置能否满足整株均匀喷雾、雾滴分布均匀、有效避让棉桃缠绕等要求。此次试验地块仍然选取位于新疆石河子市北泉镇三分场3连北荒2号地块。

表3 弹簧变形力（N）

2.1 试验目的

喷雾机喷雾性能是分禾器分禾效果、喷头排布、分禾器与喷头相对位置关系、喷头雾化效果等多种因素综合作用的结果，通过喷雾性能试验可以同时检测前述多种因素的作业效果及设计合理性，确定现有设计能否达到设计要求。

2.2 试验设备

试验设备包括约翰迪尔754拖拉机、科神3WP-1800型喷杆式喷雾机、抛物线形分禾装置、水敏试纸、曲别针、自封袋等。

2.3 评价指标

根据《GB/T24677.2-2009喷杆喷雾机试验方法》，以棉株上中下三层、叶片正反面均能均匀受药，沿喷雾方向喷雾量均匀性变异系数不大于20%，撞落棉桃率每2 m2不超过1个，为设计合格的判定依据。

2.3.1 撞落棉桃数

在作业田块中随机布置9个测区，每个测区之间横向和纵向间隔均大于5 m，以相邻四行（10+66+10）cm为一个测区，单个测区长度为1 m。试验前对测区内及前进方向前段1 m范围进行地面清理，确保地表无已脱落棉桃，试验后采集分禾装置在测区内及行走方向向前20 cm区域内撞落棉桃个数。

表4 撞落棉桃数（个）

2.3.2 雾滴分布均匀性

在前述每个测区内随机选取1株，共9株进行标定，分别在植株的上、中、下层3层叶片正反面各布置1张水敏纸。田间试验结束后，收集试验卡纸，放入自封袋中，进行雾滴密度分布的测定。测定时分别按照行走速度4 km/h和5 km/h进行测定，将收集的雾滴采集卡逐一用扫描仪扫描，扫描后的图像通过图像处理软件image j进行分析，得出雾滴的覆盖率。