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。     

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。     

大型高地隙喷雾机喷杆主动悬架自适应模糊滑模控制

针对喷杆被动悬架在低频下隔离干扰性车身摆动性能不足的问题,该文在双连杆梯形喷杆被动悬架的基础上加装作动液压缸而获得喷杆主动悬架,并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;在建立了喷杆主动悬架动力学模型和液压系统模型的基础上,应用Matlab/Simulink对主动悬架系统进行整体仿真分析,验证了该文控制方法的有效性;基于课题组开发的大型高地隙喷雾机搭建了实车试验平台,分别进行了实车静态跟随试验和田间试验。试验结果表明：采用基于自适应模糊滑模控制算法的喷杆主动悬架控制方法,喷杆倾角实车静态跟随响应时间和误差分别为2 s和0.002 rad,相较于PID控制的4 s和0.002 rad响应时间减小;同时,喷杆倾角田间试验摆动范围保持在-0.005～0.005 rad内。结论表明,该文提出的喷杆主动悬架控制方法具有良好的响应性、稳定性和准确性,可有效隔离干扰性车身摆动并保持喷杆稳定。该研究有利于提高中国大型高地隙喷雾机喷雾均匀性和喷杆作业稳定性。     

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%。     

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（P<0.05）。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。     

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。     

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。     

基于LiDAR扫描的高地隙宽幅喷雾机变量施药系统研制

为提高甘蔗等高茎秆作物的机械化病虫害防治水平,解决普通喷雾机进地困难、农药用量大且利用率低等问题,该研究研制了一套基于三维LiDAR实时扫描的高地隙宽幅喷雾机变量施药系统。该系统搭载的喷雾机作业幅宽24 m、地隙1.35 m,喷杆喷雾高度在0.5～2.5 m可调。变量施药系统采用16线激光雷达传感器,对作物的三维信息实时探测,安装于机具后端的脉宽调制（PWM,Pulse-Width Modulation）控制器从CAN总线上获取喷雾机的速度信息并传递给计算机,采用Python控制程序,融合激光雷达数据与实时速度信息绘制喷雾量处方图并发送给PWM控制器。建立了作物冠层高度与施药量之间的数学模型,根据作物冠层所需要的喷雾量,由控制器控制电磁阀的开闭实现精准变量施药。系统组装完成后,在甘蔗地进行田间试验测试。结果显示：激光雷达能够准确识别甘蔗株高,最大识别误差为8.42%,最小识别误差为0.17%,平均误差为4.59%,激光雷达将识别到的株高信息准确传递给变量施药系统。变量系统开启后,喷雾机会根据株高变化实时改变喷雾量,雾滴沉积密度满足相关标准要求。在变量施药条件下,植株上中下3层的雾滴沉积密度变异系数均小于15%,满足喷雾机(器)作业质量标准要求,机具整体作业性能良好。变量施药时布样区施药总量为56.43 L, 相比常量施药的施药总量78.96 L,减少农药用量22.53 L,减幅28.5%。该研究可为高茎秆作物病虫害高效精准防治提供新的思路和方法,为新型精准变量施药机械的结构设计和高效施药技术性能优化提供参考。     

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。     

喷杆式喷雾机雾流方向角对药液沉积影响的试验研究

为了研究喷杆式喷雾机的雾流方向角对靶标上药液沉积量的影响,设置±40°、±30°、±20°、±10°、0° 9个雾流方向角,选用标准扇形雾喷头ST120-015,喷雾压力0.25 MPa,分别以1.18 m/s、0.59 m/s的前进速度,按照150 L/hm²和300 L/hm²的喷量针对水平靶标和垂直靶标进行喷雾试验。试验结果表明,改变雾流方向角会增加药液在水平靶标上的沉积量,药液在中部和下部靶标沉积量的增加程度比上部显著,喷量150 L/hm²和300 L/hm²的最佳喷雾雾流方向角分别为20°和30°;对于垂直靶标,喷量150 L/hm²时改变雾流方向角只会增加上部和下部靶标的药液沉积量,而喷量300 L/hm²时改变雾流方向角会使上、中、下三部分靶标的沉积量都增加,且增加程度一致。当喷量150 L/hm²时垂直靶标的最佳雾流方向角为20°～40°,喷量300 L/hm²时的最佳雾流方向角为30°。试验结果表明喷杆前进速度会对最佳雾流方向角产生影响。     

水田风送低量喷杆喷雾机设计及其参数研究

为适应水稻病虫害防治的需要,研制了一种轻便、高效、省药、能减少对环境污染、与目前中国水稻插秧机通用底盘配套、可实现水稻低量风送精确喷雾的水田风送低量喷杆喷雾机。采用机电一体化技术,气流辅助技术,低量喷雾技术为中国设计生产出第一代用于水稻病虫害防治的喷杆喷雾机,提高了插秧机通用底盘的利用率;作业效率2 hm²/h(作业速度0.82～0.98 m/s),可进行150～180 L/hm²的低容量喷雾作业;风送系统风速达14 m/s;将喷雾不均匀度由常规喷雾的50%降低到10%,农药利用率达35%;并能对喷雾轨迹进行标识,同时还解决了喷杆的自动折叠问题。     

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%。     

大型喷杆及其摆式悬架减振系统动力学特性分析与试验

针对摆式悬架减振系统对喷杆动力学行为影响机理的复杂性,利用第二类拉格朗日方法建立了描述喷杆-悬架系统倾斜运动、垂向运动的数学模型。在MATLAB/Simulink中进行了瞬态响应分析、频率响应分析,研究了动力参数对其特性的影响。在此基础上,以某大型喷杆及其摆式减振悬架为试验对象,通过六自由度运动模拟平台输出翻滚和垂向运动激励,采用超声波距离传感器、IVDT位移传感器等进行数据采样分析,测得喷杆瞬态动力学响应及频率响应特性,并与模型预测进行对比,验证了数学模型的准确性。最后通过扫频振动试验确定了系统的频率响应峰值及对应频率,着重分析了阻尼、刚度系数对喷杆振动特性的影响规律:在一定范围内增加阻尼可以减弱系统振荡,增加刚度有利于提高悬架响应速度。研究为大型喷杆悬架参数优化配置提供理论依据与试验方法,有利于中国大型喷杆(大于12 m)动力学特性试验方法、检测标准的完善。     

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。     

基于电容法的施肥量检测系统设计与试验

为了实现施肥机施肥量的在线检测,根据肥料与空气介电特性差异,设计了一种基于电容法的施肥量在线检测系统。采用电容转换芯片PCAP01和单片机STM32F103C8T6搭建电容检测电路,实现了差分电容传感器微电容信号输出的有效获取。研究了环境温度变化对流量传感器的影响规律,建立了氮磷钾肥料质量流量与电容输出的关系模型,并对模型进行了验证。试验结果表明,差分型肥料流量传感器对环境温度变化有很好的适应性,系统能够准确的对肥料质量进行在线检测,最大测量误差为3.75%。另外系统能够准确识别管路堵塞故障,识别准确率达到100%,最大识别响应时间为1.22 s。电容式施肥量在线检测系统为施肥机肥料流量的在线获取提供了有效途径,对于高精度变量施肥作业的实施具有重要的意义。