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。     

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。     

葡萄园立管风送式喷雾机的研制与试验

针对传统的轴流式果园弥雾机在葡萄园作业时,喷药量分配不均匀、农药大量浪费的现象,研制了一种以小四轮拖拉机为动力源,适用于葡萄园作业的立管风送式喷雾机。该立管风送式喷雾机通过设置在拖拉机变速箱左侧的变速取力器把拖拉机的动力传递给后方的柱塞泵和离心风机,离心风机吹出的气流,通过固定在竖直喷架两侧的风筒出风口高速吹出,这不仅防止了雾滴的飘移,而且二次雾化了雾滴,增加了雾滴在葡萄冠层间的穿透性。利用室内试验和样机田间试验测试了该立管风送式结构的防飘、二次雾化功能以及雾滴在树冠中的附着率,结果表明:在自然风速为3.5和4.5m/s,风管出风口风速为30和35m/s的条件下,立管风送辅助喷雾技术能够有效地减少雾滴的飘失,雾滴体积中值直径在150μm以下,雾滴扩散比在0.74以上,二次雾化性能良好;在喷头距离植株30cm,拖拉机前进速度为1.5m/s,柱塞泵压力为0.25MPa、风机转速为2500r/min时,树体内部枝叶正反面雾滴附着率分别为70.2%和30.2%,树膛外部枝叶正反面附着率分别为85.6%和49.3%,满足葡萄园喷雾标准的要求。     

手持式风送授粉机研制与试验

针对中国果树授粉大多采用人工点授、蜜蜂授粉等作业方式,迫切需要机械授粉机具的现状,研制了手持式风送授粉机。该机采用可变速的直流电机驱动离心风机,依照流体力学射流原理,计算授粉出口风速并设计了离心风机,叶片型式采用径向直板叶片,叶轮型式为平前盘,叶轮直径38 mm,叶片数为6,叶片宽度为18 mm。通过室内试验和样机田间试验分别测试了风机性能特性和气流速度对花粉分布的影响及猕猴桃柱头处的花粉覆盖率,试验结果表明:风机转速在8 000 r/min时风量为3.0×10-3 m3/s,满足风送授粉作业要求,风机转速9 000 r/min时全压效率较高,达到43%;花粉分布受风速影响较大,花粉竖直分布量以及喷粉量与出口风速成正比,且水平分布、竖直分布峰值随着风速的增加而后移,竖直分布峰值在距出口一定距离内保持稳定,显示花粉在一定速度的定向气流中能保持较好的直线传播;随着出口风速的增加,柱头处花粉覆盖率提高,当出口风速达到19.5 m/s时,花朵柱头平均有57.66%的花粉覆盖率。研究结果可为进一步研究风送授粉机的结构设计和作业参数优化提供依据。     

植保无人机昼夜作业的雾滴沉积特性及棉蚜防效对比

针对无人机在棉蚜防治过程中夜间作业雾滴沉积特性和防效未知、目标喷洒区域雾滴沉积规律不明确等问题,该研究采用P20植保无人机进行棉蚜防治试验,对比了无人机白天和夜间作业时棉花植株不同部位的雾滴沉积规律及棉蚜防效,以常规喷杆喷雾机和喷枪为对照。结果表明,无人机白天和夜间作业的雾滴沉积数量及覆盖率差异显著,相同作业参数下,夜间作业的雾滴沉积数量平均比白天多42.82%,覆盖率平均比白天增加51.04%;夜间作业的雾滴穿透性较好,棉花植株的中下层及叶片背面雾滴沉积数量均多于白天。夜间作业时,棉花植株中、下层的雾滴沉积数量平均占垂直方向上雾滴总数量的比例分别为34.79%和22.07%,白天平均占33.27%和21.89%,喷枪为29.50%和19.98%,喷杆喷雾机为43.30%和15.84%;无人机夜间作业的叶片背面雾滴沉积数量平均占正反面总雾滴沉积数量的19.80%,白天作业占14.18%,夜间比白天多39.63%,各层叶片背面的雾滴沉积数量表现为上层下层中层;总体上,无人机作业的叶片背面雾滴沉积数量比例不超过25%,喷枪及喷杆喷雾机作业的叶片背面雾滴数量少,分别占7.09%和0.20%;在棉花花铃期和蕾期作业时,为提高雾滴沉积数量和雾滴穿透性,建议将无人机作业参数设置为飞行高度1.5～2 m,飞行速度3～4 m/s,选用较大的喷洒量,因为只有无人机下压风场不削弱、雾滴不大量损失的前提下,旋翼风场才能有效促进雾滴穿透性。就雾滴沉积数量和棉蚜防效关系而言,药后第1天棉蚜减退率与叶片背面雾滴沉积数量呈正相关关系,因受天敌影响药后第10天二者关联性不高。试验表明,无人机夜间作业更有利于棉蚜防治,其防效显著优于白天作业和其他2种常规设备,且农药剂量减少20%对棉蚜防效无显著影响。该研究结果可为植保无人机作业参数的合理设置提供参考,为棉蚜有效防控提供科学依据。     

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。     

果园喷雾机风速对雾滴的沉积分布影响研究

果园喷雾机利用风机产生的气流将雾滴输送至靶标，携带有细小雾滴的气流驱动果树叶片翻动，使叶面的正、反面都能着药，大大提高了药液在靶标上的覆盖密度和均匀度，可使药液的利用率达到30％以上。雾滴在果树上的沉积分布主要受果园风送式喷雾机风机风速的影响，而风机的风速主要由风量来决定。该文通过改变风机风量，探讨了树冠内风速的变化规律对农药在靶标上沉积量的影响，得到了雾滴在冠层内的穿透性和沉积量与风速呈正相关的结论。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

果园风送喷雾机导流板角度对气流场三维分布的影响

风送喷雾条件下,雾滴是在空气流携带下进入果树冠层的各个部位,所以喷雾机气流场的运动和分布对雾滴的分布和穿透非常重要。为了研究果园风送喷雾机导流板角度变化对外部气流速度场三维空间分布的影响,该文采用ICEM建立几何模型,并进行全结构网格划分,采用k-ε湍流模型和CFX求解器进行数值求解。通过变换上导流板角度(30°、45°、60°、90°)与下导流板角度(0°、10°、20°、30°),来模拟分析风机外部流场在各工况下的空间稳态流场、湍流状态,以及对气流场空间分布的影响。结果表明,下导流板角度由0°增加至30°过程中,由于地面摩擦阻力对气流的影响逐渐减小,同时地面摩擦阻力与两侧空气阻力形成的夹角越来越大,因此单一气流束逐渐分成3条气流束,这样的气流分布优于单一方向气流对果树枝叶的吹动效果,有利于气流携带雾滴进入果树冠层;上下导流板导向气流主要集中在导流板指向区域,因此,导流板的角度设置应根据树冠高度、树干高度来调整。通过设置合理的导流板角度,使得风场分布与果树冠形相吻合,达到仿形喷雾效果。对于行距4 m、树高3.0~3.2 m的果园喷雾,上、下导流板角度均为30°;对于棚架果园,上导流板角度为90°(或卸掉上导流板),下导流板为30°。该研究有利于指导田间喷雾作业、喷雾参数调整,可达到更好的喷雾效果、减少环境污染。     

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。