设施离心雾化喷雾机的雾化性能探究试验

针对无行间硬化路与悬挂导轨的南北垄种植的日光温室，可采用离心雾化与气流辅助技术进行行侧施药作业。针对搭载对行间歇施药控制系统的推车式电动离心雾化喷雾机，以体积中值直径、相对跨度为指标，喷雾距离、雾化器转速、泵流量为试验因素，进行雾滴粒径影响因素试验和雾滴粒径模型标定试验。试验结果表明：流量、雾化器转速与其控制电机占空比均可进行线性拟合；针对体积中值直径，仅在雾化器电机占空比为15%时，喷雾距离呈负相关的显著性影响；任一喷雾距离或流量，雾化器转速对其呈负相关的显著性影响；任一雾化器转速，泵流量呈正相关的显著性影响；雾化器转速、泵流量均对相对跨度呈正相关的显著性影响；采用非线性回归法，建立喷雾距离在0.50~1.00 m下雾化器转速和泵流量相关的初始雾滴粒径模型，在有效占空比范围内，雾滴粒径在469~1003 μm范围可调，满足不同情况下的雾滴粒径需求。     

M18系列飞机不同施药浓度下的雾滴沉积分布

针对航空施药中存在的雾滴飘移严重、利用率低等问题,对水稻田施药后药液的沉积分布进行了分析。通过M18系列飞机在水稻田进行田间试验,在施药作业中雾化喷头在50m/s的喷洒速度下,进行了3种不同的液体直径对雾滴的直径、数量和沉积密度的比较。结果表明:-40～50m的水敏纸均有药液沉积,主要集中在-25～-20m之间,且随着漂移距离的增加,药液沉积量逐渐减少。分析结果表明:3个采样区中液体直径越大,相应的雾滴粒径越大,雾滴数量越少,沉积点数主要分布在-25m和至0m范围内。本研究对合理喷施农药、提高喷洒效率、防治病虫害大面积暴发具有重要意义。     

农用无人机喷头类型及其在农业航空中的应用

近年来,农业航空植保技术得到了快速发展和广泛应用,其喷雾效果的好坏与雾滴粒径大小、雾滴飘移及沉降速度等因素密切相关。其中,雾滴粒径主要是由喷头类型决定的,是农药喷雾技术中相对容易控制的参数,也是直接影响到农用无人机喷雾质量及作业效果的关键因素之一。为了减少环境污染,节约农药资源,提高喷施效率,解决当前农用无人机在农业领域的发展问题,课题组阐述了农业航空喷洒中常用的喷头种类,并且指出了不同喷头类型对农业航空喷施质量产生的不同影响,最后根据农业航空喷施的特点,提出了可控雾滴施药技术是无人机喷头发展重要趋势的论断。研究结果表明：在农药喷洒技术中,雾滴直径是最容易控制的因素,它的大小对喷洒的品质和病虫害的防治效果有很大的影响;为了减少环境污染,达到最好的病虫害防治效果,还应对喷雾颗粒尺寸进行适当的控制。     

设施农业可控雾滴喷雾机的设计与试验

“江苏省农业三项工程”项目“设施农业可控雾滴施药技术（CDA）研究及设备开发”主要针对我国设施农业棚室作物病虫害防治的特殊要求,以可控雾滴（离心雾化）技术为核心技术,通过对离心雾化机理研究、离心雾化质量影响因素研究等基础理论研究以及新型离心雾化喷射部件、低压小流量潜水液泵、电子控制夹管流量阀、风筒三维转向机构、共基座双转子双速电机、机电一体化自动控制系统等基础部件研究。研制开发了遥控式风送变量可控雾滴喷雾机,为我国设施农业棚室作物病虫害防治提供了适用性强、可靠性好、安全性高、防治效果显著的新型施药技术装备。     

电动转笼二次残差补偿雾化模型建立与试验

为解决航空施药作业时雾滴粒径变量精细控制的难题，采用二次回归正交试验与机器学习相结合的方法建立了二次残差补偿雾滴粒径模型。在以Aerial-E型电动转笼雾化器为控制对象的雾化试验平台上进行了二次回归正交试验，分析了雾滴粒径与风速、施药流速、雾化器转速之间的相关性，建立了雾滴粒径模型；为了提高雾滴粒径模型预测精度，添加补偿因子建立了第1次优化雾滴粒径补偿模型；利用机器学习构建了第2次残差预测模型，将第2次残差预测模型与第1次优化雾滴粒径补偿模型线性叠加，得到了二次残差补偿雾滴粒径模型。为验证二次残差补偿雾滴粒径模型的有效性，进行了模型验证试验与对比试验，试验结果表明，二次残差补偿雾滴粒径模型预测偏差绝对值最大为10.78%，其预测值与测量值的决定系数R2为0.95，比无补偿雾滴粒径模型提高了0.06，比第1次优化雾滴粒径补偿模型提高了0.05。将二次残差补偿雾滴粒径模型进行了等效变形，得到了电动转笼二次残差补偿雾化模型，基于该模型设计了电动转笼雾化系统，并进行了系统应用试验，结果表明，该系统雾滴粒径设定值与测量值的决定系数R2为0.94，雾滴相对分布跨度均小于1.6，实现了在恒定风速、施药流速条件下雾滴粒径的控制。本研究结果可实现航空施药作业时雾滴粒径变量精细控制。     

雾滴粒径测量技术及激光粒度分析仪测量不确定度评定*

雾滴粒径是评价植保机械雾化性能及作业质量的重要指标,是实现精准施药,农药零增长目标的关键技术参数。农药使用技术中的生物最佳粒径理论、雾滴飘移模型和雾滴蒸发沉积模型等重要理论的研究都与雾滴粒径的大小相关。本文针对各种雾滴粒径测试技术进行了总结分析,对植保机械常用圆锥雾系列喷头喷孔直径分别为Φ0.3 mm、Φ0.7 mm、Φ1.0 mm、Φ1.3 mm、Φ1.6 mm,采用激光粒度分析仪测量雾滴粒径的结果不确定度进行了评定,分析测量过程中的各项不确定度来源。结果表明当包含概率为95%时,其测量结果的最小扩展不确定度为6.63%,最大扩展不确定度为9.18%,平均扩展不确定度为7.38%。激光粒度分析仪测量雾滴粒径结果是准确可靠的,能满足植保机械雾滴粒径测试需求。     

旋翼气流式静电雾化装置的试验研究

将静电喷雾技术和气流辅助喷雾技术结合,设计旋翼气流式离心静电雾化装置,应用于设施农业的病虫害防治。研制环状电极使雾化后的雾滴荷电,并在旋翼气流的作用下增加雾滴的穿透性,从而提高雾滴在中下层的沉积量。建立包括荷质比测试、雾滴粒径测试和雾滴沉积效果试验的雾化性能测试系统,并开展试验研究。研究结果表明,雾滴的荷质比会随充电电压的增大而增大,随转盘转速的增大有增大的趋势,荷质比最大值为1.58mC/kg;转盘转速对雾滴粒径有明显影响,随着转盘转速增加,雾滴粒径变小,其变化范围为86.55~118.62μm,能够满足设施农业超低量喷洒作业要求。当离心式喷头转盘转速为6 000r/min、旋翼转速1 200r/min、充电电压8kV时,雾滴在靶标中层、下层的均匀性和沉积效果较好。研究结果对旋翼气流式离心静电雾化装置在设施农业上的应用提供技术参数。     

无人机飞行高度和速度对喷药效果的影响分析

为深入分析无人机进行施药作业过程中飞行高度和飞行速度对喷药效果带来的影响,对无人机喷药系统进行了设计。以无人机整体施药运作机理为载体,结合作业过程中的喷雾流量、雾滴粒径及飞行速度等核心参数,选择雾滴沉积密度、雾滴沉积覆盖率、雾滴沉积均匀度为衡量指标,建立喷药系统理论控制模型,并进行喷药系统的硬件系统设计和软件程序编写,展开无人机施药效果试验。结果表明:在一定的施药流量控制条件下,不同飞行高度的雾滴沉积平均覆盖率整体呈现出下降趋势,且当无人机选择飞行高度H=1.4m、飞行速度V=0.5m/s组合参数条件下,该喷药系统的雾滴沉积覆盖率为26.9%,雾滴粒径分布均匀度达90%以上,雾滴沉积密度保持在70%以上,为最佳施药参数组合。     

微型无人机低空变量喷药系统设计与雾滴沉积规律研究

针对我国施药机械和农药使用技术严重落后带来的农药用量大、资源有效利用率低、农作物产量和品质下降等问题,设计了微型无人机脉宽调制型变量喷药系统,并利用风洞的可控多风速环境,通过荧光粉测试方法对悬停无人机变量喷药的雾滴沉积规律进行了试验研究。变量喷药系统由地面测控单元和机载喷施系统两部分组成,基于Lab Windows/CVI的地面测控软件,采用频率为10 Hz、占空比可调的脉冲信号经无线数传模块远程控制机载喷施系统;机载喷施系统以ARM Cortex-M3系列的STM32F103VC微处理器为核心,接收地面控制信号实时调节电动隔膜泵电动机转速,以改变系统喷雾压力和喷药量,实现变量喷雾调节。悬停风洞试验中,选择了PWM占空比、喷孔直径、电动离心喷头转速等变量,对不同距离和风速条件下雾滴沉积效果进行了试验研究。试验结果表明,风速是影响雾滴沉积效果的最显著因素,雾滴沉积以抛物线形式分布在采集区域,沉积高峰区随风速增加不仅远离喷头,且飘移沉积量逐渐减少;雾滴粒径在风速小于3 m/s时对沉积效果影响不显著,当风速大于3 m/s时,不同粒径的雾滴均发生飘移,飘移沉积量明显减少且沉积范围向远离喷头运动;粒径101.74μm的雾滴更易发生飘移,沉积高峰区集中在距离喷头4 m以外,且飘移沉积量明显低于粒径164.00μm与228.16μm的雾滴。     

作物冠层雾滴沉积研究进展与展望

精准施药的目标是实现冠层内雾滴的全覆盖和均匀沉积。然而,作物冠层形态、郁闭度和枝叶力学参数等特征差异大,需综合靶标特征参数、器械施药能力、施药环境条件等作业工况参数,才能实现最少药液用量和最佳雾滴沉积的双重目标,从而提高药液利用率、确保防治效果、降低环境污染。雾滴沉积机理、检测与分析是精准施药参数优化与控制的决策依据,成为数字化、智能化植保作业装备技术发展的研究热点。首先分析了不同施药方式下冠层内雾滴沉积过程及辅助手段对沉积性能的影响机理,归纳了改善作物冠层内雾滴沉积的不同研究视角、方法和层次。然后从沉积性能田间试验研究、沉积机理分析与建模、雾滴沉积检测与评价、施药作业参数优化等方面重点阐述,分析了近年来冠层雾滴沉积中雾滴、枝叶、气流等交互作用研究的共性关键问题,归纳了该领域技术研究的开放性问题。最后总结了精准施药技术中作物冠层雾滴沉积相关研究面临的挑战和机遇,提出了融合多源传感技术和大数据分析及深度学习等人工智能技术,构建作物冠层雾滴运移及沉积数字孪生体,实现冠层雾滴运移沉积过程数字化描述与分析的研究建议。     

两种离心雾化喷头性能试验研究

研究离心雾化喷头的性能是为了得到精密喷洒的工作参数，丰富我国在该领域的知识。从一系列转速、直径、网目以及有无齿等多因子试验，来评价雾滴分布曲线和雾滴尺寸．通过作规律性的探索．得到离心雾化喷头性能的主要影响因素取决于转速大小。     

植保无人机飞行作业参数对玉米施药作业效果影响研究

为了研究植保无人机在玉米病虫害防治及叶面肥喷洒中的作业效果,以无人机的飞行高度和飞行速度为试验因素进行正交试验,分析植保无人机在不同的作业参数下,玉米上、中、下3个层级的雾滴沉积密度和雾滴沉积均匀度,并结合极差和方差分析选择最优作业参数。试验结果表明：无人机在飞行高度为2.5 m、飞行速度为5 m/s时,无人机施药作业效果较好,上、中、下层的雾滴沉积密度分别为10.89、4.18、2.65个/cm²,雾滴沉积均匀度分别为25.06%、27.40%、48.56%。同时,考虑无人机作业参数受作业地点限制,无人机在不同飞行高度下的最优飞行速度参数分别为：高度2 m时速度为5 m/s、高度2.5 m时速度为5 m/s、高度3 m时速度为5 m/s。     

气流作业下雾滴粒径稻株间分布特性与风洞模拟试验

为探究气流涡旋作业方式对航空喷施雾滴粒径分布的影响,以XR-Teejet 110015型压力式扇形航空喷头为研究对象,在风洞和田间环境中进行了雾滴粒径测试试验。风洞测试模拟田间环境风速设置气流速度,同时设置了3种喷施压力,使用激光粒度分析仪测量雾滴粒径。田间试验以四旋翼无人机为施药载体,对杂交水稻进行精准对靶喷施,并对各架次无人机旋翼气流与冠层互作程度不同所形成的涡旋形态对应的雾滴粒径分布特性进行了分析。结果表明:风洞条件下,各测试喷头均处于非常细的雾化等级,雾化性能良好且稳定;田间试验中,涡旋形态对雾滴粒径分布影响显著; 3种涡旋形态下,小于200μm的雾滴粒径综合平均占比分别为73. 52%、74. 21%和84. 20%,与风洞测试结果较为一致,但田间试验所得雾滴粒径值明显偏高;明显的涡旋形态与小范围涡旋形态雾滴粒径在作物各层位分布趋势较为平缓,各层雾滴体积中径变异系数均处于3. 96%～10. 66%之间,无涡旋形态各层雾滴粒径分布则体现较大的波动性,变异系数也较高,处于9. 49%～17. 11%之间,说明较为明显的涡旋形态有助于雾滴在作物冠层垂直空间的穿透,达到更好的施药效果。研究结果可为农用无人机田间精准喷施作业提供参考。     

设施农业施药技术装备机械化研究进展

首先,指出了设施农业对施药技术装备要求的特殊性;其次,分析了目前国内设施农业施药技术装备的应用现状;然后,从工作原理、结构特点、创新点等方面详细论述了现有应用于设施农业可控雾滴施药技术装备,指出设施农业可控雾滴施药技术装备已有的研究成果和未来有待进一步研究的模块。最后,针对设施农业可控雾滴施药技术装备引发的思考及未来该领域的研究重点及发展方向,提出了相关的建议与对策。本文旨在为我国设施农业施药技术装备的应用发展提供借鉴。     

冬小麦田植保无人飞机喷施除草剂雾滴粒径及沉积飘移分布特性评估

随着植保无人飞机作业面积的增加，雾滴飘移风险也日益凸显，尤其以除草剂飘移风险危害最高。为明确除草剂溶液对雾滴粒径的影响及植保无人飞机喷施除草剂雾滴沉积飘移分布特性，本研究通过室内雾化室测定了植保无人飞机安装的离心转盘雾化喷头喷洒清水及常用的15种麦田除草剂溶液的雾滴粒径分布，并通过田间试验在药箱中添加荧光示踪剂（60 g/hm²）测定喷施作业区和飘移区的雾滴沉积量分布。室内测定结果表明，与清水相比，除草剂溶液对雾滴粒径影响显著。除唑草酮水分散粒剂外，其余溶液经离心转盘雾化喷头喷洒后，雾滴体积中径较清水均有所降低，且最大降低22.0%；小雾滴（V<150 μm）比例均有所增加，最大增加50.8%。田间飘移试验表明，植保无人飞机喷洒150 μm雾滴，在环境侧风风速为3.76 m/s时，作业区的雾滴沉积覆盖度和雾滴沉积密度仅为风速0.74 m/s时的41.3%和42.2%，且均匀性显著降低。在飘移区下风向12 m位置，雾滴沉积量为作业区的10%以下；下风向50 m处，雾滴沉积量低于检测限（0.0002 μL/cm²）。飘移比率随风速的增加而增加，当风速达到3.76 m/s时，雾滴飘移比率达到46.4%。不同侧风风速下，90%的累积飘移位置在4.8~22.4 m。对飘移区沉积量与飘移距离、侧风风速拟合，结果表明下风向沉积量与风速呈正比。本研究为植保无人飞机冬麦田不同风速作业下的雾滴飘移距离提供数据支持，为喷雾飘移缓冲带、飘移风险评估提供依据。     

影响超低量喷雾机液体雾化效果的因素分析

悬挂式超低量喷雾机是一种喷洒化学农药进行草原蝗虫防治的机具,超低量喷头喷出液体的雾化效果是农药利用率和蝗虫防治效果的决定性因素,本文从理论上对影响液体雾化效果的因素作了详细分析,并找出喷嘴直径对雾滴均匀性的影响最大,其次是流量,而喷管内风速对喷雾均匀性的影响最小的规律。     

玉米植保无人机热雾喷施系统设计与雾滴分布特性试验

针对玉米中后期封行后高地隙植保机难以下田、传统植保无人机雾滴穿透性差导致病虫害难以防控等问题,本文将脉冲烟雾机的热力雾化和低量喷雾技术与高效率的植保无人机进行结合,提出了植保无人机搭载热雾喷施系统的植保作业方案,设计了热雾喷施管路与遥控作业系统,并开展了灌浆期玉米植保作业试验。以清水代替农药进行喷雾作业,在试验区域设置水平和垂直采样点,通过水敏试纸收集沉积在各采样点的雾滴,并利用雾滴分析软件测出热雾植保无人机雾滴在不同采样区域的沉积分布结果。试验结果表明：喷雾区域采样范围-2~6m的雾滴粒径和雾滴密度分布差异较为明显,在距喷口0~2m水平位置雾滴较为集中,垂直方向玉米冠层至底层的雾滴粒径和密度依次减小,整个采样区域内雾滴密度均超过20个/cm2。雾滴覆盖率和沉积量总体变化趋势一致,其中,距喷口前方1m位置各垂直采样层叶片正面的雾滴覆盖率均取到最大值,从上层到地表依次为18.02%、13.48%、4.37%和2.11%,冠层叶片正面雾滴沉积量在此区域也达到最大值,为0.36μL/cm2,整体上叶片正面的雾滴覆盖率和雾滴沉积量均大于同位置叶片反面数值。此外,除少数采样点位置因雾滴重叠、黏连导致雾滴谱宽度大于2μm以外,其他采样点的数据均符合低容量喷洒条件下雾滴谱宽度小于等于2.0μm的技术指标。该研究可为热雾植保无人机在玉米等高秆作物中后期植保作业的参数优化和使用提供参考依据。     

植保无人飞机油菜杂草防治与效果评估研究

为探索油菜田杂草看麦娘的有效防治,进行植保无人飞机低量施药防治试验,分析不同雾滴粒径、不同飞行高度、不同飞行速度和不同施药液量下雾滴沉积覆盖率、雾滴密度等,结果表明在其他条件相同时,小雾滴粒径(195μm)喷洒的雾滴覆盖率和沉积密度明显大于大雾滴粒径(235μm)喷洒。选取雾滴粒径195μm、高度1.5 m、速度4 m/s、施药液量12 L/hm~2条件下植保无人飞机施药(UAV)与空白对照(CK)、人工施药(Manual)对比,采用反射光谱信息和植被指数进行防治后10天的效果评估,敏感波段区间光谱反射值和植被指数(NDVI、PRI)值均是CK>UAV>Manual,表明常规药液量的人工施药较优,建议植保无人飞机防治杂草看麦娘应增加单位面积的施药液量以提高防效。研究结论为植保无人飞机防治油菜田杂草看麦娘提供参考。     

温室自走式黄瓜超声喷雾施药机设计与试验

针对黄瓜机械化病虫害防治中存在农药利用率低、劳动强度大、环境污染和操作人员易中毒等问题,基于超声雾化技术,设计了温室自走式黄瓜超声喷雾施药机。装置的设计主要包括整机结构、履带底盘行走系统和超声气力喷雾系统,并通过样机性能试验进行验证。试验结果表明:样机行走稳定、无明显震动,施药参数为超声发生器功率300W,气压50kPa,喷头流量3.3mL/min;施药距离20cm、喷头角度0°情况下,行驶速度取1m/s时,能够同时保证黄瓜叶片雾滴沉积量与作业效率,上、中、下三层叶片雾滴覆盖率分别78.63%、79.97%、72.23%,作业效率2.25 hm~2/h,几乎无叶片损伤,符合植保的要求。     

基于风送辅助的螺旋风送装置结构设计与试验研究

针对目前喷雾作业中的雾滴雾化效果差、沉积率小、叶片背面药液附着率低等问题,设计了一套由风箱和螺旋风口套组成的风送装置。运用CFD技术对风送装置的流场进行了仿真,结果表明:该风箱结构具备较好的分布风压的能力,螺旋风口套结构能够极大地提高出口风速且改变风向。对装有螺旋风口套和未装有螺旋风口套的两种工况下的试验平台进行喷雾作业,并对雾滴覆盖率和雾滴粒径体积中值等参数进行测量,结果表明:螺旋风口套安装后,提高了树冠各层的雾滴覆盖率,叶片背面药液附着率提高了2.7%,叶片正反面的药液附着率差值缩小至9.6%;树冠的雾滴体积中值直径相比减小了21.6%,说明螺旋风口套的设计细化了雾滴直径,提高了雾滴覆盖率和药液利用率。