高地隙自走式喷杆喷雾机研究现状及展望

张国彬 孙立伟 鲍清校 王守峰 刘江涛 胡敏英 王锦轩

1、河北中农博远农业装备有限公司 2、河北农业大学机电工程学院

引言

农业为国家之本，人民之根，有着不可撼动的地位。国家的发展立足于农业生产得到保障的前提之下。植保作业作为农业生产的重要环节之一，对农业收成起着至关重要的作用。随着我国社会的进步与经济的发展，对农业的关注程度越来越高，对生产作业环境、农业产品质量以及农业生产技术等方面都不断地提出了新的要求。作为农作物都不可或缺的植保环节也同样得到重视，植保机械的选择、应用与发展成为如今农业绿色生产的重要话题。

随着农业生产机械化的不断发展，各种植保装备不断得到发展。高地隙自走式喷杆喷雾机因为其工作效率高、工作性能稳定、通过性好等优点得到迅速普及。高地隙喷雾机通常以高地隙拖拉机作为动力，搭载可以伸展或可折叠式的横向喷杆进行植保作业[1]。因为其有着离地距离高、作业范围大的特点，适合大面积农田及现代化农场种植模式下高秆作物，如玉米、小麦、水稻、棉花等的植保作业[2]。

本文从高地隙自走式喷杆喷雾机的研究、应用现状、存在问题及未来展望等方面进行介绍，希望对农作物植保作业的应用和发展有所帮助。

2 国内外应用及研究现状

2.1 国外研究及应用现状

欧美等国家由于其农业现代化起步早，农业机械化装备经过长时间的研究发展已经较为成熟且完备，在高地隙喷雾机方面也已适应当地生产模式且成系列化，拥有全球大部分的农机市场，其中以约翰迪尔、泰科诺玛等具有代表性公司生产的高地隙自走式喷杆喷雾机得到了广泛应用[3]。

图1 国外机型

美国划分了多个农业带，农作物分类集中种植，欧洲农业区域也较为集中，便于管理，有利于大型机械的使用与发展，因此高地隙自走式喷杆喷雾机在欧美等发达国家已经相当普及。

国外经过多年的研究探索，对喷雾机喷杆的减震、平衡性能、运动控制，底盘对地形的适应调整都进行了大量的试验研究，积累了大量数据[4-5]。并且高地隙喷雾机种类丰富，且以大型喷雾机为主，可实现喷杆多节分段喷雾，还可以进行地面仿形喷雾，适应不同地形及工况，应用GPS 技术对车辆和喷杆进行智能控制驾驶与喷洒[6]。

在人性化与自动化方面，国外高地隙喷雾机也更加完善，驾驶员在驾驶室内便可操纵喷杆的展开、升降、喷洒等各项功能，还可以实现在线混药功能，避免了人员与农药的直接接触，降低了中毒风险，提高了作业效率[7]。此外，欧美国家往往有专业的农业服务公司承担农作物生产的各个环节，植保机械更加专业且丰富，全程对农作物的病虫害进行监控，其高地隙自走式喷杆喷雾机也在朝着智能化、无人化、精量靶向施药等方面发展[8]。

2.2 国内研究及应用现状

我国是传统的农业大国，农业分布广泛。由于我国农业机械化和现代化起步晚，虽然早期高地隙喷杆喷雾机引入受到了广泛的关注，但始终由于其价格昂贵，且我国存在大量零散个体农户，大部分农户难以承担大型植保机械的开销，因此并没有在国内普及。

我国耕地分布广泛，地形多样复杂，对植保机械要求不同。由于高地隙喷雾机作业范围大，喷杆较长，因此提高喷杆作业稳定性是重要的研究内容之一。

庄腾飞[9]针对大型高地隙喷杆喷雾机喷杆稳定性差等问题，对振动理论进行了分析，设计了一种基于弹簧和阻尼器组合减震的喷杆悬架结构，应用于18m 三角形截面喷杆的高地隙喷雾机上，并进行了仿真和试验，可合理设置减震装置参数以提高喷杆作业寿命。

薛涛[10]等针对喷杆被动悬架摆动性能问题，提出了基于自适应模糊滑模控制算法的喷杆主动悬架控制方法，对主动悬架系统进行了建模和仿真，提高了大型高地隙喷雾机喷雾均匀性和喷杆作业稳定性。

由于我国地貌多样，在山地丘陵地区，地形起伏对高地隙喷雾机的行走平稳性、地形的适应性以及驾驶员的乘坐舒适性都提出了要求，对底盘的研究与设计也一直是高地隙喷雾机的重点之一。

武秀恒[11]对喷雾机有限频域主动悬架减振与整车姿态综合控制策略进行了研究，具体研究了主动油气悬架有限频域控制器设计方法与时频控制器设计方法，可保证喷雾机在提升驾驶员乘坐舒适性与整机平稳性的同时进行坡地仿形喷雾作业，提升了复杂工况下喷雾机行驶安全性与环境适应性，为其他类型主动悬架系统控制设计与研发提供了参考。

王麒淦[12]等基于ADAMS 软件建立了适应于高地隙喷雾机田间作业工况的E 等级随机路面模型，得出了影响高地隙喷雾机作业平顺性各因素的规律，优化悬架参数，提高了高地隙喷雾机作业平顺性。

另外，出于国情考虑，我国很多农作物采用密植的种植模式，这就对高地隙喷杆喷雾机在作业时雾滴穿透性提出了更高的要求。由于高地隙喷雾机离地距离高，而密植作物在生长的中后期枝叶密度逐渐提高，自上而下的喷施方式使药液液滴难以穿过密植作物的冠层达到植物底部。张铁[13]首次在国内开展了高地隙喷雾机风幕式高穿透施药技术在高秆作物施药作业过程中雾滴的沉积分布特性和飘移规律的研究。王俊[14]等以玉米为对象，研究了牵引式高地隙喷雾机在风幕作用下雾滴的穿透效果。除此之外，国内其他学者也在为国产高地隙喷雾机适应国内不同农业生产模式而不断地努力。

在实际应用方面，随着我国经济的发展，国内各个高校、科研院所对农业机械研究的深入，诸多关键技术被掌握。同时，国家对农业管理更加合理化，零散农田被集中管理，使得大型植保机械有用武之地，国内高地隙自走式喷杆喷雾机也出现在人们的视野中，如中农丰茂、立兴植保等企业根据国内农业环境设计出较为先进的高地隙自走式喷雾机。

图2 国内机型

综上所述，虽然我国在高地隙自走式喷杆喷雾机方面的研究取得了很多成果，但就目前为止，受我国地貌、农户个体经济等因素的限制，国内高地隙自走式喷杆喷雾机多以中小型以及改进型机器为主[15]，虽然近些年在新疆等新兴农业基地运用了许多大型植保机械，但总体上喷幅在20m 以上的大型喷雾机占比不高。

3 讨论与展望

3.1 存在问题

我国虽然在高地隙自走式喷杆喷雾机方面攻克了许多难题，但由于早期建设重点放在了工业方面，对农业机械现代化的研究投入相对较晚，目前还面临着许多问题。如（1）喷杆的工作稳定性、喷杆的伸缩折叠控制、喷幅的提升；（2）车辆底盘对地形的适应、控制和调节；（3）喷头存在“跑、冒、滴、漏”现象，雾滴的穿透性有待提高，以及车辆对植株的保护等问题[16-17]。

3.2 发展趋势

近几年来，随着我国对农业机械的重视，对高地隙自走式喷杆喷雾机的研究力度也在不断加大，我们还需要从以下几方面对其进行更加深入的研究：

（1）喷杆方面。喷杆的减震效果不理想、减震方式较少，对于喷杆的智能化控制及末端晃动问题都有待改善[18]。另外，喷杆结构刚度问题、喷杆姿态检测与调整控制技术也是急需攻克的难题。

（2）底盘方面。由于我国地貌状况复杂，高地隙喷雾机底盘种类少，缺少对整车姿态的控制调整，大型机器难以在丘陵地区作业，机车行驶平稳性需要改进。随着对作业环境要求的提高，驾驶员驾驶舒适性要求也相应提高，对车辆底盘减震效果及减小噪音等也需纳入考虑范围。

（3）其他方面。由于我国存在密植化种植模式，有些农作物在生长中后期会出现封田，高地隙喷杆喷雾机在农田中行驶时难免会出现碾压植株的现象。尽管许多高地隙喷杆喷雾机加装了分禾器，但仍需要对保护植物、预留田间掉头空间等进行完善。另外，在线混药装置、静电喷雾技术、驾驶室操作终端的智能化、作业情况可视化等方面也有待提高。

4 结语

我国高地隙自走式喷杆喷雾机从无到有，从模仿到自主研发，始终在追赶国际先进水平。通过国内外现状对比，可以发现我国与国外还存在一定技术差距。目前我国加大了喷杆、底盘、喷头、智能化等重要技术领域研究投入。随着我国科研水平的提高，将来也会不断地研制出适合我国不同区域、不同农业种植模式要求的多样化高地隙喷杆喷雾机。