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。     

宽喷幅风送式喷雾机扩幅喷筒优化设计及试验

风送式喷雾机喷筒结构的不同,影响其流场的分布及喷幅的大小,该文提出在原有的圆形喷筒喷雾机的基础上附加扩幅段的方法,使同一台风送式喷雾机具有不同的喷雾特性。利用数值计算方法,采用RNG k-ε模型,对附加3种不同类型扩幅段的喷筒进行了数值计算与分析。仿真分析发现,喷筒中气流运动分为3个阶段：靠近风扇区域中,气流呈紊流状态,在柱形喷筒与收缩喷筒区域中,层流与紊流并存,而在扩幅喷筒中,气流存在紊流并发生了流速的重新分布。其中,3种类型的喷筒中,在柱形喷筒及收缩喷筒内,I型和III型喷筒内气流速度的突变区域较多,II型喷筒中气流速度的突变区域较少;在扩幅喷筒中,I型和III型喷筒内的紊流区域较多,使得I型和III型喷筒效率较低。以喷筒效率高为优化目标,获得了宽喷幅风送式喷雾机扩幅段喷筒的优化结构,并试制了试验样机;利用试验样机,对宽喷幅风送式喷雾机的出风口风速及喷幅进行了实际测试。试验结果表明,采用优化后的扩幅喷筒,在出风口处实测的流场数据与仿真结果之间的误差在-1.49%～1.91%内;宽喷幅风送式喷雾机喷幅与送风距离间成二次多项式变化规律,在喷筒轴线方向上距出风口4.5 m处出现的喷幅最宽为3.56 m,与同功率下的未加扩幅喷筒的风送式喷雾机最大喷幅2.29 m相比,喷幅扩大了55.46%。     

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。     

基于变量喷雾的果园自动仿形喷雾机的设计与试验

为提高果园喷雾机自动化与精准喷雾作业性能,设计了一种基于变风量与变喷雾量的果园自动仿形喷雾机,喷雾系统以冠层分割模型作为变量处方,采用扫描精度高的激光传感器作为探测源,以电磁阀和无刷直流风机为执行元件,通过探测果树冠层体积调节电机和电磁阀的脉宽调制(pulse width modulation,PWM)信号以实时调节风机转速和喷头流量。设计了可独立调节风量和喷雾量的雾化单元,通过各个独立风机产生的高速气流协助雾滴穿透冠层;喷雾机最大作业高度4.2 m。田间试验结果表明,在行株距为5 m×2 m的单株苹果树左右两侧平均沉积量分别为1.92和1.37 u L/cm2,最少雾滴数为46.2个/cm2,大于常用方法对风送喷雾中雾滴喷幅界定的20个/cm2;树冠轮廓与沉积量和风速变化拟合结果显示,设计的喷雾机能够根据树冠信息实现仿形变量施药。该研究为果树病虫害防治提供新方法与新装备,为精准植保机具的结构设计和性能优化提供理论与方法参考。     

高地隙喷杆式与隧道式一体喷雾机的设计与试验

针对烟草移栽后团棵期到打顶期植株形态差异显著,采用单一喷杆式喷雾病虫害防治效果差的问题,设计了一种集喷杆式和隧道式两位一体喷雾机,以实现在烟叶低矮稀疏的幼苗期进行喷杆式喷雾,在烟叶高大茂密的成熟期进行隧道式喷雾,并实现滴落药液的回收再利用。喷雾机固定在高地隙通用机架上;喷架升降和变形机构实现喷杆式和隧道式2种药液喷施模式;喷架收拢机构实现机器工作态和运输态2种机架形态的变换。试验表明:在相同行进速度和喷雾量的情况下,两位一体喷雾机与普通喷杆式喷雾系统相比,烟草打顶期和采收期时,在植株竖直方向上下层叶片正面平均单位面积雾滴沉积量提高50%左右,上下层叶片反面平均单位面积雾滴沉积量分别提高了30.56%和61.54%;在植株水平方向上内中外各层叶片正面平均单位面积雾滴沉积量提高42%以上;内中外各层叶片反面平均单位面积雾滴沉积量分别提高了46.23%、61.17%和24.11%。田间试验表明:药液雾滴雾化烟叶附着效果良好,并且几乎无烟叶损伤。在大田种植烟草的全生命周期中,该喷雾机具有更好的雾滴沉积效果和整机利用率。     

果园仿形变量喷雾与常规风送喷雾性能对比试验

为深入研究不同果园喷雾机的喷雾性能及影响规律,探究仿形变量喷雾技术在果园植保作业中的适应性,该文采用一种基于(LiDAR)扫描探测技术的果园自动仿形变量喷雾机,与常用的传统风送果园喷雾机、定向风送喷雾机进行对比,分析了3种机具的主要喷雾指标:药液消耗、冠层内部沉积、仿形喷雾效果、地面流失及空中飘移.试验结果表明:与常规喷雾方式相比,仿形变量喷雾有效地提高了农药利用率和作业效率,最多可节省药液45.7％;传统和定向风送喷雾机纵向沉积呈现从上部到下部逐渐增加的趋势,仿形变量喷雾机能够根据树冠特征实时调节喷雾参数,纵向沉积呈仿形分布;与传统风送喷雾机和定向风送喷雾机相比,仿形变量喷雾机的雾滴飘移分别减少23.2％和42.7％,地面流失分别减少67.4％和58.8％.该研究为果树病虫害防治减量施药提供新方法与新装备,为精准植保机具的结构设计和性能优化提供参考.     

风送静电喷雾覆盖率响应面模型与影响因素分析

针对农药雾滴难以穿透果树冠层,雾滴在叶背面附着率低等问题,提出风送喷雾与静电喷雾技术相结合的方法,为阐明各因素对喷雾覆盖率影响的显著性。采用4因素3水平的中心组合设计与响应面分析方法,研究感应电压、风机频率、喷雾距离和喷雾压力对雾滴覆盖率的影响,以正面、反面雾滴覆盖率及其比值为响应值分别建立了二次回归模型。模型的决定系数分别为95.14%、93.68%、93.95%,相对误差分别小于5%、10%和15%。各因素对背正面覆盖率比影响的显著性排序为:充电电压风机频率喷雾距离喷雾压力;对反面覆盖率影响的显著性排序为:充电电压喷雾距离喷雾压力风机频率;对正面覆盖率影响的显著性排序为:喷雾距离喷雾压力风机频率充电电压;荷电雾滴主要受气流曳力和静电力作用,风机频率、感应电压、喷雾距离之间的交互作用对响应面模型有显著性影响,因此合理匹配工作参数有利于提高反面的雾滴覆盖率。该研究为风送静电喷雾机设计与工作参数选择提供依据。     

无人直升机喷雾参数对玉米冠层雾滴沉积分布的影响

为了阐明喷洒药械N-3型无人直升机(N-3 UAV)在玉米生长后期雾沉积效果及应用前景,研究了喷洒参数对玉米冠层雾滴沉积分布的影响。该试验研究以染料Rhodamine-B溶解成一定浓度的溶液代替农药进行喷雾,通过改变飞机的作业高度和横向喷洒幅度进行喷雾试验;采样点设置沿玉米高度方向分4层,用聚酯卡作为雾滴取样器采集雾滴。用荧光分光光度计测定雾滴在玉米某一区域的沉积量,由此获得雾滴沉积量在玉米植株不同层间分布的规律。结果表明:作业高度为5 m时,雾滴在目标上的总沉积量最少,离散程度最大,极差值为0.17;作业高度为7 m时,雾滴在目标上的总沉积量比作业高度为5和9 m时的沉积量大,雾滴沉积量的离散程度最小,极差为0.10;不同作业高度时,雾滴在玉米顶部、上部、穂部、下部的沉积效果和分布均匀性的变异系数不同,雾滴在玉米上部和穗部的沉积量高于顶部和下部的沉积量。在同一作业高度下(7 m),横向喷幅为5和9 m时,多喷幅雾滴沉积百分比的极差为38.4%和38.1%,变异系数为41%和34.4%;横向喷幅为7 m时,多喷幅雾滴沉积百分比的极差为26.3%,变异系数为25%,雾滴分布均匀性最好。小型无人直升机在玉米生长后期喷洒农药时,作业高度和横向喷洒幅度会影响雾滴在植株上的沉积量和分布均匀性,综合考虑雾滴沉积特性和喷洒效果情况下,应该选择飞行高度为7 m,横向喷洒幅度为7 m作为作业参数。该研究可为喷雾器具的优化设计、性能改进以及正确使用等提供技术依据;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。     

宽喷幅风送式喷雾机空间气流速度分布规律

为了研究宽喷幅风送式喷雾机外部空间气流的分布,以期为优化其设计提供技术依据。该文对自制的宽喷幅风送式喷雾机样机外部气流速度场进行了测试,应用自由紊动射流理论对试验数据进行分析,获得了气流速度场的分布规律与变化机理。结果表明：风机在不同供电频率44、46、48、50 Hz时,宽喷幅风送式喷雾机轴心上的纵向时均风速随送风距离的变化均呈幂函数变化规律,气流中心速度符合三维自由紊动射流纵向中心速度幂函数衰减规律;宽喷幅风送式喷雾机的喷幅与送风距离成线性关系。根据试验数据,回归了射流边界曲线,射流与地面之间的涡结构使出风口长轴方向的射流边界曲线上下不同,两射流边界线相交点的"虚源"不在水平轴线上,上下射流边界线与轴向水平线之间的夹角分别为20.5°和28.8°;同时,沿出风口短轴方向的两射流边界曲线变化规律基本相同,两射流边界线相交点的"虚源"处在水平轴线上,射流边界线与轴向水平线之间的夹角分别为4.18°和4.23°;在纵向送风距离分别为0.5、1、1.5、2和2.5 m处的断面上,气流纵向时均速度的分布沿出风口的短轴方向上分布相似、而沿长轴方向上分布不相似;气流速度场三维曲面重构后发现,沿出风口的长轴方向上,在外边界层的内侧,风速的分布出现2个高风速区。     

组合圆盘式果园风送喷雾机设计与试验

针对药液难以穿透篱笆型果树冠层,施药机具对果树冠层的适应性差等问题,提出双侧同时气流辅助喷雾方法,采用电动丝杆调节雾化器的上下左右运动,以变频法调节风机转速,设计了可根据果树外形来调节喷雾位置的组合圆盘式果树风送喷雾机。设计的圆盘式雾化器为单叶轮级(R级),风机叶轮直径为400 mm,当风机转速大于1 300 r/min时,风量大于1 m3/s;试验结果表明,组合喷雾执行装置完成升降、伸缩和旋转的时间分别为51.3、50.5、26.5 s;在0.4 MPa工作压力、风机转速为1 400 r/min时,不同喷头的喷雾量差异较小;雾滴粒径在射程方向上先增大后减小;垂直雾量分布的范围为1~2.4 m,雾量分布较均匀;在叶面积指数为37.6的非洲茉莉上,树冠外围的正反面覆盖率一致,冠层内叶片正反面覆盖率分别达到为12.77%和9.74%,最小雾滴数为47滴/cm2,大于通用试验方法对风送喷雾中喷幅界定的20滴/cm2。该研究为篱笆型果树病虫害防治提供新装备,为果园风送喷雾机改进设计提供参考。     

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。     

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。     

低矮果园环流式循环风送喷雾机设计与试验

传统果园风送施药气流输送模式为出风口到冠层的一维流动,气流经过冠层时会衰减、停滞,存在穿透难、内膛与叶片背面沉积难等问题。该研究采用顶置风机方式,利用风机负压吸风引导气流在冠层内改变运动方向,实现雾滴由外及内、再由下而上运动。在分析环流作用下雾滴运动的基础上,设计一种适应于低矮果园的环流循环风送喷雾机,并开展气流场的分布规律分析与田间试验。试验结果表明:在冠层内膛(高度0.8～1.8 m)、树干中心线两侧0.25 m的中心区域气流角度变化较大,气流环绕对内膛平均风速有显著性影响(P0.05)。相较于无气流环绕模式,气流环绕风送施药的冠层总体叶片背面雾滴平均覆盖率提高了33.7%;冠层内膛叶片正面雾滴平均覆盖率提高了42.9%,叶片背面雾滴平均覆盖率提高了40.4%。研究结果可为果园风送式施药提供新的思路。     

果园在线混药型静电喷雾机的设计与试验

为提高果园轻型机动喷雾机的作业性能,设计了一种果园在线混药型静电喷雾机,进行了混药均匀性与稳定性试验和静电喷雾沉积试验。试验测得混药均匀性和混药稳定性的最大变异系数分别为4.46%和3.51%。采用风辅静电喷雾方式的无冠层采样架上采样点正面的雾滴附着率相对于无风辅无静电喷雾方式分别提高了9.3%、46.3%和53.2%,采样点反面的雾滴附着率分别提高了82.9%、164.3%和184.2%。风辅静电喷雾下在仿真柑橘树冠层内部叶片正面的雾滴附着率为48个/cm2左右,叶片反面为37个/cm2,相对于无风辅无静电方式分别提高了166.7%和428.6%。试验结果表明：所设计的在线混药系统具有良好的混药性能,风辅静电式喷雾系统可提高雾滴吸附能力和穿透能力,能够满足25个/cm2的病虫害防治附着率要求。该研究为果园喷雾机的机构设计和性能优化提供参考。     

3MQ-600型导流式气流辅助喷杆弥雾机研制与试验

为减少药液的飘失和雾滴的穿透力,提高药液利用率,设计了3MQ-600型导流式气流辅助喷杆弥雾机,利用拖拉机液压和动力输出带动液压马达、轴流风机、隔膜泵等部件工作。在风筒内部加装的新型栅格状导流器,优化了风筒内的流场结构,减小了因涡流而导致的能量损耗。试验结果证明,与无风幕喷雾相比,沿喷杆方向的雾滴个数平均值提高了29.5%,变异系数降低了78.5%;飘失量减少45%以上;在雾滴对作物冠层穿透性方面,雾滴在作物中下层沉积量50.8%。该机具有较高的减飘性能和雾滴沉积性能,农药利用率更好。     

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。     

梨树风送喷雾关键作业参数优化与试验

针对目前不同叶面积体密度果树风送喷雾关键作业参数设置缺少可操作性依据,该文通过叶面积体密度、出口风速、穿透距离对雾滴在树冠中的穿透率、沉积率及飘移率的影响试验,并以穿透率、沉积率和飘移率为评价指标,分析得出不同叶面积体密度果树喷雾的最佳出口风速。同时,根据叶单位面积所需药量标准,提出了估算喷雾机行驶速度的方法,从而优化了梨树风送喷雾的关键作业参数。该文还在试验基础上,建立了树冠内的雾量衰减模型。经检验,雾量衰减模型决定系数R2在0.90以上,平均预测误差在20%以内,有较高预测精度,能较好地预测树冠内各点雾量的分布,可对出口风速、行驶速度等参数的优化作进一步的定量分析。该文为实际喷雾作业参数的优化设置提供了参考。     

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。     

风送喷雾雾滴冠层穿透模型构建及应用

研究雾滴在树冠内的分布规律,对优化喷雾参数,提高喷雾效果有重要意义。该文以叶密度、出口风速和取样深度为试验变量,用试验法研究了树冠内雾滴穿透比例分布规律;试验结果表明:雾滴穿透比例随叶密度、取样深度的增加而减小,随喷雾机出口风速的增大而增大,其中取样深度对穿透比例影响最为显著。在此基础上,结合试验数据与统计学方法,构建了雾滴穿透比例二次指数数学模型,并确定了模型的待定系数,其模型精度R2高于0.95,经检验模型有一定的合理性和可靠性。基于此模型,计算了雾滴冠后飘移率,与实测值相比,平均相对误差为16.73%。进一步对雾滴冠后飘移率影响因素、双面喷雾机理、喷雾参数优化进行了分析,拓展了模型应用,对模型局限性和进一步优化模型的后续研究设想展开了说明。研究对风送喷雾雾滴分布规律研究具有一定的参考价值。