棉花后期冠内风送式喷雾机分行器设计与试验

王爱臣，高斌洁，李林，解禄观，魏新华

(1 山东省园艺机械与装备重点实验室，山东 泰安 271018；2 江苏大学农业工程学院，江苏 镇江 212013； 3 南通黄海药械有限公司，江苏 南通 226600)

新疆优越的地理环境使其成为全国棉花重要产区，2018年新疆棉花产量达511.1万t，占全国棉花总产量的83.8%[1]。新疆地区棉花普遍采用矮化密植种植模式，其生长后期冠层稠密、枝叶交错，中下部冠层的施药难度较大。传统喷杆喷雾机通过喷头从棉花冠层上部对棉株进行施药，由于药液穿透力不足，冠层中下部受药量较低，施药效果不理想[3]。为解决上述问题，新疆兵团第八师农机推广站先后研发、引进吊杆式喷杆喷雾机和风幕式喷杆喷雾机[4]。吊杆式喷杆喷雾机[5]依靠沉入冠层内部的喷头实现分行冠内施药，可大幅增加棉花冠层中下部的受药量，但棉花冠层内部稠密的枝叶依然会遮挡雾滴的扩散路径，导致冠层内部的雾滴分布均匀性较差；风幕式喷杆喷雾机[6]依靠风送气流增强雾滴的穿透能力，减少了雾滴飘移，能显著提高棉花冠层内部的雾滴分布均匀性，但风送气流对棉花较稠密区域扰动有限，仍难以达到理想的施药效果。

为提高矮化密植棉花生长后期的施药效果，本课题组设计了一种分行器结合风送系统的吊杆式喷杆喷雾机[10]，该喷雾机在传统顶喷式喷雾机的基础上增设了分行器和风送系统。喷雾机机架通过液压悬挂装置挂接在拖拉机上[12-14]；喷杆高度调节装置和喷杆折叠装置由拖拉机液压系统驱动，通过喷杆高度调节油缸和喷杆折叠油缸可以实现喷杆高度的升降和喷杆的折叠与展开[15]；风送系统由风幕、风筒及风机组成，风筒置于分行器腔体内；隔膜泵和药液搅拌装置和风机由拖拉机动力输出轴经变速箱提供动力。作业过程中，分行器撑开棉花冠层内部枝叶，其出风口气流对雾滴进行二次加速后裹挟着雾滴进入棉花冠层内部，气流进一步扩撑冠层内部枝叶，雾滴到达棉花冠层内部叶片的机率增加，施药效果得到明显提高[16]。

采用分行器结合风送系统的施药方式能明显提高棉花生长后期冠内施药效果[10]。为进一步提高施药效果，本文针对新疆矮化密植棉花生长后期喷施脱叶剂的施药需求，对分行器及其配套喷洒装置结构做进一步优化设计，并通过实地试验分析其作业效果。

1 分行器及喷洒装置设计

1.1 分行器1及喷洒装置

分行器1总成如图1所示，其结构主要包括半圆形曲面前导机构和后部空腔。

为使分行器能有效撑开棉花冠层内部枝叶且尽量避免对棉株及棉桃造成损伤，需确定合适的尺寸。由于棉花植株各部位抗形变能力不同，确定分行器尺寸之前，通过测量茎秆在承受载荷过程中的载荷大小及茎秆挠度，求出棉株各部位杨氏模量用以表示棉株主杆以及上、中、下各侧枝的抗形变能力。

图1 分行器1总成实物图

杨氏模量计算公式为

(1)

式(1)中，F是梁中部的集中载荷，kN；L是梁的有效长度，mm；ω为梁中部的挠度，mm；J是对中心轴的惯性矩，mm4。

由于棉花茎秆为实心结构，可以将其简化为实心圆管，则其惯性矩为

(2)

式(2)中D是茎秆外径，mm。

结合公式(1)与(2)得

(3)

棉花茎秆试验样本采自新疆生产建设兵团第八师121团棉花地，采集试样为2019年9月棉花生长后期郁闭度较高时的矮化密植棉花茎秆。将棉花主杆整体分为7段，从底部开始，每隔10 cm截取一段作为主杆样本，侧枝按其生长时所处位置分为上部、中部和下部侧枝。对棉田不同生长区域的10株棉花进行测量，求出不同样本各部位的杨氏模量均值，结果如表1所示。

表1 棉花各部位杨氏模量

由表1可知棉花主杆、侧枝的抗形变能力与离地距离呈负相关，故分行器整体结构尺寸应为上小下大。基于仿真模拟实验，确定分行器尺寸顶部为0.13 m，向下缓慢增大，底部尺寸为0.28 m。半圆形曲面前导机构中央凸出一条加强筋，进一步提高分行器行进过程中的稳定性。为避免分行器下沉分行时对棉花植株造成伤害，对加强筋和分行器底部分别做圆角、向后折弯处理(4)。分行器底部做水平处理，以防止分行器插入泥土。

1—导风筒;2—喷头机构;3—导流板;4—固定板;5—分行器图2 分行器1总成结构图

分行器1配套的喷洒装置结构如图2所示，该装置主要由导流板正上方、关于风筒位置对称的喷头机构组成，单个喷头机构包括1个药液输入口和2个开口方向朝上的喷头。喷头喷出的雾滴经导流板中的气流二次加压，在冠层内部的穿透力增强，进而达到更好的施药效果。如图3所示，喷头喷出雾滴的速度为v1，喷雾机行车速度为vc，则雾滴脱离喷头瞬间相对于地面的水平v2、垂直速度v3分别可表示为

v2=v1sinα-vc，

v3=v1cosα。

(4)

式(4)中α为喷头相对地面夹角。

图3 雾滴速度示意图

为保证雾滴在冠层内的穿透效果，在保证雾滴具有一定水平初速度的前提下应尽量避免垂直方向雾滴动能衰减过快[17]，因此将喷头相对地面夹角α设置为40°。喷头方向垂直于导风筒中心轴，分行器的折弯角度则为130°。考虑到棉株在离地0.30 m内基本没有棉桃和枝叶，且行车过程中分行器会随喷杆上下颠簸，不宜将喷头设置与棉花叶片最低处距离过近，确定喷头高度设置在相对分行器底部面0.15 m处。

1.2 分行器2及喷洒装置

分行器2总成如图4所示，分行器2结构如图5所示。分行器2主要由前部V形导向机构与后部空腔组成。导向机构横截面采用V形圆弧过渡，防止分行过程中分行器刮伤棉桃。导向机构开口侧竖直加工处理，能有效避免分行器边缘阻挡喷洒装置喷出雾滴。为提高分行器作业效率，对导向机构的V形横截面尖端部分做下凸弧形处理，下凸弧与导向机构底部面之间形成的折弯弧能有效防止分行器陷入泥土，优选折弯弧与底部面之间的夹角为30°。

1—导风筒;2—上支撑板;3—分行器; 4—喷洒装置;5—导流板;6—下支撑板图4 分行器2总成实物图

图5 分行器2左视图、轴测图

分行器2参数设计如图6所示。同分行器1，分行器2导向机构的最大宽度为0.28 m。确定开口深度时需考虑其与的比例，宽度与深度比例过大不利于分行器固定，过小则分行器在行进过程中易刮擦棉桃，优选V形导向机构的开口深度为0.40 m。棉田中棉花平均株高约为0.80 m，在离地0.30 m内基本没有棉桃和枝叶，采用高度为0.35 m的分行器即可撑开棉花中下部冠层，但考虑到实际田间作业时分行器随喷杆上下颠簸，为避免分行器触地，优选分行器高度H为0.50 m。

图6 分行器2参数示意图

分行器2配套的喷洒装置如图7所示，其结构主要包括上三通、下三通、喷头、上防滴阀体和下防滴阀体。上防滴阀体设置在2个上三通之间，下防滴阀体设置在下三通和上三通之间，上阀体和下阀体上均设有防滴开关。如图4所示，2个上三通的喷头固定在导流板出风口的上、下边缘，风送装置的高压气流与雾滴在喷头口充分混合实现二次雾化，提高雾滴在冠层内的穿透力，进而提高施药效果。

1—上三通;2—下三通;3—下防滴阀体;4—上防滴阀体图7 喷洒装置右视图及正视图

2 棉花施药雾滴沉积分布试验

2.1 水敏纸布置

棉花施药时要求药液均匀喷洒到棉株的上、中、下部，，叶片受药率不低于95%。为获取棉花冠层内部叶片的受药情况，将水敏纸布置于棉花叶片表面[19]，试验所用喷雾液为清水。水敏纸布置方式如图8所示，棉株上、中、下三层离地高度分别为70、55、40 cm。棉株结构为类树形且中部叶片较为稠密，考虑到新疆棉地采用小行0.10 m、大行0.66 m的种植模式，且分行器只行走在大行内，因此将中部位置细分为中部内侧和中部外侧。本文所设计分行器的主要目的在于提高棉花脱叶剂的喷施效果，脱叶剂喷施到棉花叶片任意一面后都能起到脱叶效果，同时考虑到喷杆喷雾机的顶部喷头难以喷到下部冠层叶片背面、底部喷头难以喷到上部冠层叶片正面，故将水敏纸布置于中上部冠层叶片正面和下部冠层叶片的背面，以验证分行器作用下全冠层的脱叶剂喷施效果。试验样本选取2行棉花，在3个区域分别布置水敏纸，每个区域长度约为2 m。

图8 水敏纸布置示意图(黄色方块为水敏纸)

2.2 水敏纸图像处理

喷雾机完成田间作业后，待水敏纸晾干后将其收集到塑料袋中做好标记并带回室内进行扫描，对获得的数字图像进行二值化处理。单张水敏纸的灰度值分布直方图如图9c所示，呈明显的双峰分布，因此利用Ostu自动阈值法分割背景及药液分布区域[20]，分割效果如图9a、b所示。

图9 水敏纸图像二值化效果

本试验采用水敏纸的雾滴平均覆盖率和单位面积内水敏纸雾滴覆盖率的变异率(CV)描述雾滴沉积分布的均匀性[22]，变异率计算公式为：

(5)

(6)

测量一张水敏纸雾滴沉积面积的过程如下：设一张水敏纸的图片像素大小为m×w，扫描初始位置为水敏纸最左端，间隔5像素向右逐一扫描一块像素面积为5×w的矩形区域，至水敏纸最右端后停止扫描，统计所有矩形区域内的黑色像素点所占面积之和即为此水敏纸的雾滴沉积面积[22]。该过程的示意图如图10所示。

图10 数据集生成过程示意图

3 结果与分析

统计所有水敏纸的雾滴平均覆盖率和变异率，对同一位置水敏纸的雾滴平均覆盖率和变异率取平均值，结果如表2所示。图11为部分棉花植株不同位置叶片的雾滴沉积效果图。

图11 棉花各部位雾滴沉积

表2 棉花各部位雾滴沉积覆盖率及变异率

结合表2和图11可知:在二种分行器作用下，棉花植株上部叶片的雾滴覆盖率较高，且分布较为均匀。分行器1和分行器2作用下棉花上部叶片雾滴平均覆盖率分别为0.478和0.524，变异率分别为0.198和0.168。棉花中部叶片(内侧和外侧)的雾滴沉积率较低，在0.182～0.277之间，变异率也较大，在0.334～0.567之间；棉花下部叶片雾滴沉积率最小，最高只有0.059，变异率也最大，最大值达到1.926。对比使用不同分行器时的施药效果，发现分行器2作用下的叶片雾滴沉积效果较好。为进一步分析对比不同分行器以及同一分行器在棉株不同部位的施药效果，对采集到的雾滴沉积数据进行单因素方差分析，结果如表3所示。

结合表3和图11可知：在分行器1和分行器2的作用下，施药效果无显著差异，而在同一种分行器作用下棉花植株不同部位的施药效果差异显著。棉花植株上部的施药效果与中部内侧、中部外侧、下部的施药效果存在显著差异；中部内侧与中部外侧的施药效果相近，差异不显著；中部(包括内侧和外侧)的施药效果与下部的施药效果差异显著。综上所述，棉花上部的施药效果最好，棉花中部有一定的施药效果，但是相对于上部施药效果欠佳，棉花下部施药效果最差，雾滴平均覆盖率明显不如其余部位。分析其原因，一方面是由于棉花下部的水敏纸布置在了叶片背面，机手在实际施药时为防止分行器触地，没有把分行器放到最低位置，导致棉花下部叶片背面难以沉积雾滴，同时由于分行器相对于棉花植株的位置较高，对下部的分行效果也没有达到设计目的；另一方面，分行器的形状和风送参数与实际棉花匹配度不佳，仍有进一步优化空间。

表3 雾滴沉积平均覆盖率单因素方差分析结果

4 结论

(1)针对棉花生长后期全冠层均匀施药脱叶剂的农艺要求，设计了2种用于棉花后期冠内风送式喷雾机的分行器和喷洒装置。

(2)对2种分行器及其喷洒装置在棉田的实际作业效果进行了试验，通过分析布置在棉花植株不同位置水敏纸的雾滴沉积效果发现，2种分行器的实际作业效果没有显著差异，棉花植株上部冠层雾滴沉积效果最好，棉花植株下部雾滴沉积效果最差。