电动背负式风送喷雾器设计与作业性能试验

针对作物冠层高大、枝叶茂密的情况,现有的施药机具存在雾滴穿透性能差、药液沉积不均匀、不适合作业条件等问题研制了电动背负式风送喷雾器。利用水敏纸、激光粒径分析仪、高速摄影仪测试了其射程、雾滴粒径、液膜雾化形态。利用液质联用仪测试了使用该喷雾器时农药在作物上的沉积分布,并测试了生物防治效果。结果表明:该喷雾器在有风送的条件下雾滴粒径变大、喷雾角减小、液膜变短,在最大风速下射程提高2倍以上。该喷雾器可以改善农药在作物叶片正背两面分布均匀性,使用TR80-01和TR80-02号喷头时农药利用率较手动喷雾器分别提高了1.38倍和1.14倍,在分别使用TR80-01和TR80-02喷头时用药量比手动喷雾器减少1/2和1/3的情况下药效没有明显的差异且增加了农药的持效期。该喷雾器可以提高农药的沉积分布均匀性和利用率,实现减量施药。     

喷雾参数与飘移相关性分析

飘移是评价液体农药喷洒质量的重要指标。在影响喷雾飘移的因素中，喷头类型、喷头的大小(流量)和风速都有重要影响。分析它们对飘移的影响对于合理选择喷头和喷雾条件有重要意义。该文在试验的基础上，应用数学建模方法分析不同喷雾参数与飘移量之间的相关关系，并通过回归分析，确定它们对飘移量的作用程度，从而分离主要参数，为参数优化提供依据。研究结果说明，喷头类型、喷头大小和风速都对飘移有显著的影响，但作用强度不同，由强到弱依次为风速、喷头类型和大小。     

静电喷雾的多喷头雾化特性及田间试验

针对传统喷杆喷雾机作业时需水量大、叶片背面雾滴沉积量不足和雾滴分布不均匀等问题,该研究提出一种静电喷雾与喷杆喷雾相结合的施药技术。为探究静电喷杆喷雾机的最佳工作参数,明确不同参数对雾滴雾化效果的影响,利用Fluent软件建立了流场、离散雾场和空间电场耦合仿真模型。仿真试验结果表明,多喷头的空间电场分布均匀性优于单喷头,静电喷雾的雾滴体积中径比非静电喷雾减小12.7%。搭建静电喷雾试验平台,以喷雾水压、充电电压和喷头间距为试验因素,以雾滴的荷质比、粒径、分布均匀性和沉积量为试验指标进行雾滴的荷电特性和沉积特性试验。试验结果表明,多喷头喷雾的雾滴荷质比最大值为0.26 mC/kg,比单喷头喷雾提高52.9%,雾滴均匀性变异系数比非静电喷雾减小32.1%,体积中径减小14.8%,上、中、下层叶片正面的雾滴附着率分别提高27.1%、37.3%和45.2%;静电喷雾的最佳作业参数组合为充电电压6 kV、喷雾水压0.4 MPa和喷头间距250 mm。田间试验表明,静电喷头与常规喷头喷雾施药的病虫害防治效果基本一致,静电喷头的施药用水量减少了60%。在满足防控效果的前提下,静电喷雾能增加雾滴在植株下层和叶片背面的沉积量,有效减少田间作业的需水量,研究结果可为静电喷雾技术在大型喷杆喷雾机上的应用提供参考。     

喷杆式喷雾机雾滴飘移测试系统研制及性能试验

为了测试并分析雾滴的实时飘移情况及飘移分布规律,该文研发了一套雾滴飘移测试系统,用于研究不同喷雾设备喷雾时产生的雾滴飘移特性并评价其飘移潜力。依照国际飘移分级标准ISO 22369-2-2010,在室内环境条件下对喷杆式喷雾机上6种扇形雾喷头的雾化性能参数进行了测试,对其飘移特性进行了对比试验并评价其飘移潜力dPV。结果表明:喷头与工作压力对飘移潜力影响显著(P0.05)。喷雾压力为0.3 MPa时,常规喷头XR110-04的飘移潜力最高,为33%。ID、IDK等气吸式喷头飘移潜力明显小于常规喷头(P0.05)。Lechler ID120-025喷头的飘移潜力最小,仅为6%。提高喷雾压力会使飘移潜力变大。研究结果可为减少雾滴飘移的施药技术研究与飘移分级的制定提供参考。     

航空静电喷雾装置的改进及效果试验

航空静电喷头结构和性能的好坏是影响航空静电喷雾效果的主要因素。该文针对应用于轻型飞机上的单喷嘴航空静电喷头从静电电极、喷头材料、喷头加工工艺、高压导线与电极的连接方式、旋拧接头、溢流阀体等几个方面进行了改进设计,并就其雾化荷电机理及性能进行了理论分析和试验研究,将改进后的静电喷头挂载于轻型蜜蜂飞机上与原有的静电喷头及传统的扇形喷头进行了松毛虫防治对比试验研究。研究结果表明,改进后的航空静电喷头在压力为0.35Mpa,喷孔直径为0.8mm时,喷雾角度为96°,雾流速度较高并且均匀,荷质比最大可达到2.26mC/kg;与常规扇形航空喷雾相比,雾滴沉积平均提高18个/cm2,不仅作业时间短,使用农药量减少5.22L/hm2,而且有效防治率提高了33.8%,完全可以满足航空喷雾的需要,并可以达到满意的病虫害防治效果。     

施药条件对施药者体表污染的影响

该文主要研究了在夏季高温季节使用3WS-16型手动喷雾器和WFB-18AC型机动喷雾器施药对施药者体表的农药污染情况及影响施药者体表污染的主要施药条件。结果表明：使用手动喷雾器,左手、右手、右上臂和右前臂污染较多;使用机动喷雾器,左上臂和左前臂污染较多;施药者体表主要污染部位与次要污染部位间具有高度的线性相关;施药机具和喷头流量、作业环境、作物因素和施药方式等单因素均影响施药者体表污染;单因素交互作用后,风速和作物高度是影响施药者体表污染的主要因素。此研究结果对于改进施药技术,减少施药者体表污染具有实际的应用价值。     

喷雾接种生物颗粒两相流及其对菌种活性的影响

纯种固态发酵喷雾接种的喷雾系统可能会直接影响微生物的活性,造成微生物的死亡。该文利用固-液两相流理论分析了喷雾接种两相流体中微生物的受力状况,并对该两相流流态特征进行了定性,分析了流体微元体对微生物损伤程度综合衡量参数——黏性能量耗散率公式的理论依据,为后续喷头内部流场仿真奠定了基础。在FLUENT里创建了一个通过流场信息来计算黏性能量耗散率的用户自定义函数,在合理设置边界条件和初始条件的基础上,对在不同孔口尺寸、入口压力条件下空心锥雾喷头的黏性能量耗散率等内部流场进行了数值模拟;设计并制造了一套喷雾接种试验系统,确定了相应的测试试验酵母菌活性的方法。采用CFD仿真和试验验证的方法量化分析了喷头孔口尺寸、喷雾参数等因素对喷雾后生物活性的影响。结果表明,用喷雾接种实现纯种固态发酵过程的自动化、保证接种的均匀性是可行的;接种时喷雾压力越大、喷头孔口尺寸越大,喷头内部流场内能量耗散率极值也越大,菌种死亡率越高,据此可以找到保证接种后微生物存活率的最佳喷雾特性参数。该文的研究为固态发酵喷雾接种或病虫害防治喷施生物农药的应用提供了基础,并可为进一步研究其他喷头对微生物活性的影响提供借鉴。     

手动喷雾器组合充电式静电喷雾装置的雾化效果试验

在常用手动喷雾器基础上,采用组合充电式静电喷雾装置,并对其工作原理和关键结构进行了理论探讨,进行了常规喷雾与静电喷雾的雾化质量对比试验,结果表明,所设计装置能够达到静电喷雾的效果,静电喷雾的雾滴谱较窄,雾滴粒径细小,均匀度较高,组合充电方式和液力式雾化原理的结合较好地实现了静电喷雾。     

果树喷雾机防风罩对喷雾射程的影响

在对果树施药中，为减少风力因素导致的雾滴漂移，经济而有效的方法是采用防风罩。该文对防风罩进行研究与设计，制作了6种防风罩。针对防护罩防风效果，在密闭实验室条件下进行喷雾试验，选用日本池内公司生产的两种喷头；喷头移动速度为：0.51、1.21、1.91、2.60、3.30、4.00 km/h；试验的内容包括喷雾射程和雾滴的沉积均匀度。试验结果表明：两种喷头在不同速度下采用防风罩＃4时的喷雾射程比采用其他防风罩和无防风罩时分别平均提高了1.3%～13.2%和9.1%～17.3%。     

基于LIDAR技术的喷雾量三维空间分布测试方法

为解决喷雾量分布测试中耗时长、工序繁琐、无法进行实时动态三维空间分布测量的问题,该研究开发了一种基于激光雷达探测技术的喷雾量三维空间分布的测试方法。针对植保作业过程中常用的空心圆锥雾、防飘空心圆锥雾、扇形雾和防飘扇形雾4类共7种喷头,采用喷雾量实测方法对距离喷头50 cm处雾流区截面的雾量分布进行测试;利用十六线激光雷达对雾流区进行三维探测,实时获取喷雾量点云数据信息,通过数据包解析、仿射矩阵空间转换、坐标系解算获取点云坐标及密度,并利用神经网络将喷雾量实测结果与激光雷达测试结果进行拟合。结果显示,7种喷头训练集拟合相关系数r≥0.995,验证集r≥0.935,测试集r≥0.877,扇形雾喷头总体拟合相关系数r≥0.990,证明激光雷达探测是一种可行且准确的喷雾量分布测试方法;进一步对各喷头喷雾量点云数据进行分层网格化计算得到雾流区三维空间雾滴分布特征,结果表明3种圆锥雾喷头空心段长度大小依次为ITR、TR和HCI喷头,IDK喷头等距离喷雾截面积均大于LU喷头。该方法可准确地完成三维空间喷雾量化分析,同时也可为喷雾设备雾化质量检测、室内和田间雾滴飘移测量、植保机械田间快速调校及作业质量在线监测提供一种新思路。     

远射程风送式喷雾机气流场分布及喷雾特性试验

由于远射程风送式喷雾机的空间风场及喷雾特性尚未明确,该文利用风速测量定位网架,进行了远射程风送式喷雾机空间风场特性试验和喷幅试验。试验结果发现,远射程风送式喷雾机轴心上的纵向时均风速随采样点距喷嘴距离的增加而衰减,两者呈负对数关系,这一特征符合淹没射流的流速变化规律;远射程风送式喷雾机轴心方向同一采样点上的风速与风机供电频率之间呈线性正相关,决定系数最低为0.609 1;远射程风送式喷雾机的水平喷幅关于喷筒轴心方向左右对称;而垂直喷幅在喷筒轴心方向的上下方呈现为不对称;远射程风送式喷雾远射程风送式喷雾机的送风量及出风口气流的时均风速均与风机供电电源的频率成正比;采用纸卡法测量了喷雾机的水平作业幅宽,该试验样机的水平作业幅宽为22 m。卷吸引起的伯努利效应和附壁效应是形成垂直喷幅不对称的重要原因,采用喷筒仰角喷雾可消除此效应。研究结果为远射程风送式喷雾机的生产和使用提供理论基础与参考。     

风机电源频率对风送式喷雾机喷雾沉积的影响

风送式喷雾机的风机速度影响雾滴的沉积分布及喷幅。以D400型风送式喷雾机为试验平台,用染色剂Rhodamine－B与水混合成1 g/L浓度的溶液代替农药进行喷雾试验。改变风机供电电源的频率进行喷雾,借助于荧光分光光度计计算雾滴在采样点上的沉积量。结果表明：喷嘴在喷口处不同高度上的分布在喷筒轴向上形成了3个雾滴沉积高峰区;随着风机供电频率的降低,雾滴沉积的高峰区向喷口处移动,沉积高峰区数目及沉积高峰区之间的间距变小;喷幅试验中（44.5～49.5 Hz）,距离喷筒轴线±2 m以内的采样点上雾滴沉积量占喷幅范围内采样点上雾滴沉积总量的百分比的平均值为97.11%,越偏离这部分区域,雾滴沉积量越小,表明风送式喷雾具有很好的方向性,能防止雾滴漂移,且变频喷雾不会改变这一特性;环境自然风对喷口前方前8 m以外的雾滴沉积有明显的影响。在实际喷雾作业时,可根据喷施目标物与风送式喷雾机间的距离,调节合适的供电频率,使雾滴主要沉积在目标区域,减少雾滴在非目标区域的沉积;减小喷头位置在高度层间的差异,可以改善喷雾效果。     

果园风送喷雾精准控制方法研究进展

果园风送喷雾技术与装备正在朝着精准化和智能化方向发展。果园喷雾控制对象主要为喷施药量和风力供给量,二者需要协同精准调控,其按需调控的前提是果园靶标精准探测。该文从果园靶标探测方法、喷施药量控制方法、风力调控方法 3个方面对现有研究进展进行综述,阐述了基于光电感知、超声波传感、激光雷达、图像、光谱和电子鼻技术探测果树位置、冠层外形轮廓、冠层体积、冠层内部结构、枝叶稠密程度、病虫害程度等特征信息的技术方法;分析了喷施药量调控方法中管道总药量控制方法在管道设计、混药方式、药液流量控制策略方面技术和产品化上取得的巨大突破,以及喷头药量独立控制方法研究方面获得的大量成果;综述了果园风送喷雾风速风量需求理论原则、风场雾场建模方法、风力调控方法与调控装备研究进展,指出了其基本理论原则、建模调控方法等科学问题还有待深入探索。同时,还分析了目前研究在果园靶标探测方法、喷施药量调控方法和风送喷雾风力调控方法中面临的困难和挑战,主要包括冠层稠密程度和病虫害程度高效感知方法探索、靶标风力需求普适模型构建、风场建模风力按需调控方法研究和精准喷雾技术与系统集成开发。最后指出了果园风送喷雾精准控制方法未来发展方向:1)果园靶标冠层枝叶稠密程度和病虫害程度在线探测方法将成为新的研究热点;2)果园风送喷雾风速风量供给需求理论原则、风场快速模拟仿真和风力调控方法与装备是未来重要研究方向;3)随着高新科技的涌现,科研院所和公司有望在果园喷雾药量和风力调控系统优化设计及精准喷雾机系统集成研发方面获得更大发展。     

不同侧风和静电电压对静电喷雾飘移的影响

为研究不同侧风和静电电压对静电喷雾雾滴飘移的影响规律,设计不同侧风(恒速风1、2、4 m/s及0~4 m/s变化的模拟自然风)及静电电压(0,2,4,6,8 k V),进行喷杆式静电喷雾机的雾滴飘移试验,测定不同静电电压下的雾滴粒径与荷质比,并对比分析雾滴飘移质量中心距和飘失率。结果表明:随着静电电压的增大,雾滴粒径减小,雾滴荷质比增大,0~8 k V电压下电极干燥和电极打湿对雾滴荷质比没有显著影响。在侧风风速为1 m/s时,0~8 k V静电喷雾的雾滴飘移中心距小于0.55 m,雾滴飘失率低于15%。在侧风风速2 m/s时,非静电喷雾的雾滴飘失率为11.9%,6~8 k V静电喷雾的雾滴飘失率超过20%,其中静电电压8 k V的雾滴飘失率(23.9%)比非静电喷雾增加100.8%。在侧风风速4 m/s时,4~8 k V静电喷雾的雾滴飘移中心距在0.9 m以上,雾滴飘失率在30%以上,其中静电电压8 k V下的雾滴飘移中心距为967.2 mm比非静电喷雾下增加了13.7%,雾滴飘失率为35.4%比非静电喷雾下增加了59.5%。相同静电电压下,2 m/s的恒速风和0~4 m/s变化的模拟自然风之间对雾滴飘失率无显著差异。该研究为优化喷雾技术参数和提高雾滴抗飘移的能力提供参考。     

远射程风送式喷雾机风场中雾滴粒径变化规律

对风送式喷雾机的研究集中在喷雾机结构的优化、雾滴沉积、雾滴飘移及回收方面,但远射程风送式喷雾机雾滴在空间风场中的变化规律尚未明确。该文以远射程风送式喷雾机为试验平台,研究雾滴由喷嘴喷出后在风力的裹挟运动过程中雾滴参数(主要指粒径或直径)在喷幅内和射程内的变化规律。结果表明,远射程喷雾机喷出的雾滴粒径均大于50μm,雾滴中粒径大于400μm的粗雾滴体积累计所占的百分比在0.4%以下;在远射程风送式喷雾机方向水平喷出的雾滴柱中,距离喷嘴7、8、9 m处的7个高度上,雾滴体积中值直径呈现出从上到下逐渐变大的规律;雾滴在风场中向前运动的过程中,雾滴体积中值直径的变化分为3个阶段:近出风口处高速气流对雾滴的破碎使得雾滴体积中值直径变小;在中速气流作用下,雾滴之间发生碰撞与聚合,雾滴体积中值直径变大;低速气流使雾滴发生扩散弥漫、浓度变低,雾滴体积中值直径在空气的蒸发作用下变小;风场中的雾滴谱分布中出现了2个谱峰。研究可为远射程风送式喷雾机的喷雾技术参数的优化提供参考。     

3WQ-400型双气流辅助静电果园喷雾机设计与试验

为解决农药雾滴难以沉积到果树叶片背面,克服荷电雾滴荷电量在环境空间中快速衰退的难题。该文提出双气流辅助系统与静电喷雾系统相结合的方法,以拖拉机动力输出轴为液压传动系统动力源,研制了牵引式双气流辅助静电果园喷雾机。试验结果表明,19 kW 的拖拉机动力配置可以满足系统动力要求,轴流风机和离心风机的转速分别为1400、1800 r/min 可以满足所选试验对象对气流速度的要求;单个喷头喷出的雾滴在0.2 m 处的荷质比为1.0 mC/kg,且在喷雾距离为1.8 m 处依然带电;风送喷雾系统的垂直雾量分布规律、气流速度分布规律与纺锤型果树生物量分布规律相一致,其最大雾量与气流速度均出现在0.5～1.5 m 范围内;在施药量为3.5 L/min,作业速度为0.84 m/s 条件下,单侧喷雾时果树叶片正反面雾滴覆盖密度分别为115和47个/cm2,可以满足防治害虫的要求;冠层前部静电喷雾雾滴覆盖密度比非静电喷雾提高了20%,而冠层后部雾滴覆盖密度仅提高了7.2%。该研究为风送静电喷雾机设计与使用提供了参考。     

考虑自然风的气辅式喷雾雾滴飘失特性建模与补偿

气流辅助喷雾在雾滴减飘方面确有效果,然而大田作业时,其减飘效果受到自然风、喷雾流量、风筒出口风速、喷雾角等多种工况的严重影响。该文采用多相流计算流体动力学软件,建立三维流场几何模型,依据不同工况参数对雾滴漂移特性的影响,利用均匀设计安排试验方案,研究雾滴在自然风、辅助气流综合作用下在连续相和雾滴粒子离散相的耦合规律,通过流体动力学仿真完成训练样本采集,采用多元相关向量机回归方法建立不同自然风速下减飘模型,并通过模糊决策支持系统对作物茂密程度和喷嘴与冠层间垂直距离进行控制参数修正。试验结果表明：多元相关向量机回归模型预测飘失率的平均绝对百分比误差为2.56%,自然风扰动中实测和预测飘失率平均误差为8.92%,其飘失规律与所建飘失模型基本吻合。研究结果可为面向雾滴沉积效果的喷雾主动控制系统设计提供参考。     

幼树靶标探测器设计与试验

针对果园对靶喷药中幼树靶标难以精准探测的难题,该文基于红外传感器设计了幼树靶标探测器,该探测器能同时探测喷药机两侧果树树干,根据用户设置的喷雾宽度和延迟距离等参数计算出靶标喷雾位置,并准确控制电磁阀开闭以进行对靶喷药。实验室试验表明,在传感器探测范围内探测距离和树干直径对探测器探测准确性几乎没有影响,速度对探测准确性有微小量影响,速度不大于1m/s时喷雾总宽度计算精度不小于96.1%。果园试验表明,行走速度不大于0.94m/s时,幼树靶标探测器能100%探测到树干并准确计算出喷雾位置和喷雾宽度。