噴桿運動與噴霧沉積分布變異系數關系試驗研究

崔龍飛，薛新宇，樂飛翔，秦維彩，周晴晴

(農業(yè)部南京農業(yè)機械化研究所，南京 210014)

0 引言

噴霧機被廣泛用于作物病蟲草害的防治，可使農作物產量增大[1-3]。當噴霧機在田間作業(yè)時，噴桿水平面和豎直面內的運動導致重噴或者漏噴[4]。噴霧機在起伏不平的田間行駛時，影響噴霧分布的有害運動主要包括噴桿的滾轉、橫擺和振蕩，MahalingaIyer和 Wills等最早開始了噴霧機的噴桿晃動對噴霧分布形態(tài)的影響研究[5-10]。噴桿噴霧分布仿真模型揭示：噴桿水平運動導致噴霧分布變異系數在20%～600%之間變化，噴桿垂向振動導致噴霧分布變異系數在0%～1 000%之間變化[11-14]。

許多學者開始研究使用懸架來衰減由地面?zhèn)鬟f到噴桿上的振動，有兩種懸架控制技術：被動懸架和主動懸架。被動懸架主要通過使用彈簧、阻尼來保持系統(tǒng)剛度，減小振動強度[15-17]，能夠較好地衰減來自路面不平整產生的高頻振動，主動懸架能夠使噴桿跟蹤低頻的地面起伏變化[18-19]，因此許多學者開始在理論和試驗兩方面研究主動噴桿懸架系統(tǒng)[20-21]。迄今為止，雖然噴桿的不規(guī)律運動被認為較大地限制了噴霧均勻性，但懸架的應用仍然較少，傳統(tǒng)主動控制方法僅在噴霧機低速工作時能滿足性能要求[22]。懸架設計過程中需要考慮噴何種運動范圍內的噴霧均勻性是滿足病蟲害防治要求的，因此開展噴桿運動對噴霧沉積分布的影響規(guī)律研究對噴桿懸架的設計具有重要的指導意義。

本文在噴桿末梢安裝超聲波測距傳感器和加速度傳感器，測量噴桿的運動和垂向振動加速度。在田間布置水敏紙，測量沿著噴桿方向和行駛方向的霧滴分布均勻性變異系數。通過GPS輔助慣性測量系統(tǒng)獲取噴霧機底盤的運動姿態(tài)，通過對試驗數據分析，探明車體晃動、噴桿運動、噴霧分布變異系數之間的關系。

1 噴桿式噴霧機

試驗噴霧機為天鵝集團埃森SWAN3WP-500噴桿式噴霧機，如圖1所示。噴桿臂展長9.5m，外側噴頭增加噴幅至12m；噴桿通過平行四邊形機構與車架相連，無減振懸架，通過雙作用油缸實現噴桿整體離地高度在0.46～1.39m調節(jié)；噴桿上等間距0.47m安裝21個陶瓷錐形噴嘴，噴桿末梢裝有側噴嘴4個，藥箱容量500L，發(fā)動力功率17.1kW，作業(yè)速度4km/h；噴桿上使用的噴嘴為ITALY MAODEN系列80°雙聯陶瓷錐形噴嘴，最大工作壓力2MPa，試驗時工作壓力2MPa，噴嘴流量0.7L/min。

圖1 試驗噴霧機Fig.1 Test sprayer

2 材料與方法

2.1 噴桿運動測量

由于噴桿采用鋁合金材質，在田間作業(yè)過程中，地面激勵導致噴桿發(fā)生側傾和彈性變形等無規(guī)律運動，因此噴桿的運動使用超聲波距離傳感器及加速度傳感器共同測量。如圖2(a)所示：噴臂上加速度傳感器的安裝在噴臂中間位置，該傳感器為IEPE壓電式加速度傳感器(東華測試，型號105E，軸向靈敏度1 006mV/g，量程±5g，工作溫度 -20℃～80℃)。如圖2(b)所示：超聲波感器安裝在末梢上，超聲波距離傳感器型號為U-GAGE U45Q( Banner，美國)，響應時間可調節(jié)范圍為 40～1 280ms，供電電壓15～24V，輸出模擬電壓0～10V，量程0.25～3.0m。動態(tài)采集分析儀器型號東華測試DH5902，共8通道，每通道具有獨立的16位 A/D, 獨立的DSP，并行同步采樣；所有通道連續(xù)同步采樣，每通道10到100k(Hz)分檔切換，噴霧機行駛速度4km/h，試驗采樣頻率設置為1 000Hz。濾波的范圍根據快速傅里葉變換(FFT)和功率譜曲線的能量分布，在采用分析軟件設置帶通濾波器的頻率范圍0.1～15Hz，數據采用方式為離線采集方式。

圖2 傳感器安裝Fig.2 Installation position of sensors

使用雙GPS輔助的慣性測量系統(tǒng)SBG Ellipse-D-G4A2B1(SBG System ,法國)進行噴霧機車身運動姿態(tài)信號采集，內置加速度計測量范圍±8g，陀螺儀角速度測量范圍±450°/s，零偏穩(wěn)定性±0.2°/s，姿態(tài)測量誤差橫滾0.1°、俯仰0.1°、偏航角0.2°，輸出頻率設置為20Hz。慣性測量系統(tǒng)的數據通過DTK 2617C無線串口模塊發(fā)送至遠程接收模塊，該數據傳輸模塊使用ZigBee協(xié)議，波特率設為115 200MBPS，可以實現1.5km以內的數據無線傳輸。如圖3所示：將其為安裝于噴霧機底板上，在采集分析軟件SbgCenter 中設置噴霧機中心到測量單元的相對位置及GPS天線到測量單元的相對位置。

圖3 GPS輔助的慣性測量系統(tǒng)Fig.3 GPS assisted inertial measurement system

試驗過程中，由于試驗人員跟隨噴霧機進行數據采樣存在人身安全問題，DH5902數據采集器與上位機通過點對點無線網絡通訊，SBG Ellipse-D慣性測試單元與上位機通過DTK2617C無線串口模塊通訊，將筆記本電腦連接的無線模塊設置為網絡主節(jié)點，與SBG Ellipse-D慣性測試單元連接的無線模塊設置為從節(jié)點，并在軟件SBG Center中實時顯示并記錄噴霧機的運動姿態(tài)等參數。

2.2 噴霧沉積量的測量

噴霧的沉積分布通過水敏紙來測量，水敏紙通過桿子和夾子布置在田間小麥的上層，進行A、B、C這3組重復試驗。如圖4所示：每組布置7片水敏紙，水敏紙編號1～7，水敏紙1～5沿噴桿方向從左到右布置，用于測量橫向的噴霧均勻性，水敏紙4、6、7位于前進方向，用于測量沿著行駛方向的噴霧均勻性。勻速通過試驗區(qū)，每次噴霧試驗后，等水敏紙上的霧滴晾干后，用鑷子或帶防水手套收取，并做好標記，放入自封袋，帶回實驗室進行分析。

3 試驗與結果分析

本研究于2017年4月27日上午10點在江蘇省宿遷市泗洪縣洪澤湖農場進行小麥試驗，株高90～100cm。為了降低葉面積指數對霧滴覆蓋率的影響，在試驗之前，選取株高和長勢相對均勻、面積約為45m×100m的地塊作為試驗處理區(qū)。試驗用Kestrel4500便攜式氣象站(美國Nielsen-Kellerman公司)測量并記錄試驗過程中的溫度、濕度和風速，溫度最高值為32.8℃，最低值為20.5℃，平均為27.56℃；濕度最高值為83.2%，最低值為47.6%，平均為65.2%；風速最高值為3.2m/s，最低值為0 m/s，平均為0.77 m/s。試驗現場如圖5所示，經緯度如圖6所示。

圖4 試驗區(qū)內水敏紙的布置方案Fig.4 Layout of water sensitive papers in the test area

圖5 試驗現場Fig.5 Test site

圖6 噴霧機行駛軌跡Fig.6 Driving trajectory of the sprayer

田間試驗結束后，將采集霧滴分布的水敏紙帶回實驗室掃描處理，A組試驗沿噴桿方向布置的5張水敏紙沿噴霧機行駛方向布置的3張水敏紙，如圖7所示。

圖7 霧滴覆蓋率測試Fig.7 Test of droplets coverage

霧滴覆蓋率可以通過圖像中分析區(qū)域霧滴的像素個數的分析區(qū)域之比求得，其計算公式為

(1)

其中，M、N分別為分析區(qū)域的寬度和高度；f(i,j)為圖像分析區(qū)域中像素相對坐標為(i,j)處的像素灰度值標志。若像素為黑色，則f(i,j)=1；否則，f(i,j)=0。

針對A、B、C這3組試驗的水敏紙，通過圖像分析法計算霧滴覆蓋率，沿噴桿方向的霧滴分布覆蓋率及覆蓋率的變異系數如表1所示。沿噴霧機行駛方向的霧滴分布覆蓋率及覆蓋率變異系數如表2所示。從表1和表2可以看出：沿噴桿方向的霧滴覆蓋率變異系數大于行駛方向的霧滴覆蓋率變異系數。這說明，噴桿傾斜導致的噴嘴距離作物高度變化，對噴霧均勻性的影響更大。

表1 沿噴桿方向的霧滴覆蓋率及變異系數Table 1 Droplet coverage and coefficient of variation along the direction of the boom

表2 沿噴霧機行駛方向的霧滴覆蓋率及變異系數Table 2 Droplet coverage and coefficient of variation along the driving direction of the sprayer

試驗過程中，慣性測量系統(tǒng)Ellipse-D測得噴霧機前進方向的前進方向加速度均方根值1.002m/s2，最大值為3.25m/s2，如圖8(a)所示；垂直方向加速度均方根值2.36m/s2，最大值為11.29m/s2，如圖8(b)所示。垂向振動導致噴桿發(fā)生垂直面內的往復震蕩，影響的是沿噴桿方向的噴霧分布變異系數；前進方向的速度變化導致噴桿水平面內的往復震蕩，影響的是噴霧機前進方向的噴霧分布變異系數。由加速度曲線可以看出：噴霧機垂向振動加速度比前進方向的加速度大，導致噴桿垂直面內的振動較大，是沿噴桿方向的霧滴覆蓋率變異系數較大的原因之一。

圖8 底盤振動加速度Fig.8 Vibration acceleration of chassis

噴霧機沿著前進方向的滾轉角變化曲線如圖9所示。其中，滾轉角均方根1.146°，加速度最大絕對值4.51°。由于噴桿與車架之間采用的剛性連接，車體的滾轉運動直接傳遞到噴桿上，且地勢不是絕對水平，測得的車體側傾角存在趨勢項。圖10為左右噴臂的振動加速度曲線，其左側噴臂振動加速度均方根3.586m/s2，右側噴臂振動加速度均方根2.89m/s2。

圖9 底盤滾轉角時間歷程曲線

圖10 噴臂測點垂向振動加速度Fig.10 Vertical vibration acceleration of the measuring point of the boom arm

測試系統(tǒng)得到的噴桿末梢距離作物高度數據經過低通濾波和平滑處理，如圖11所示。噴桿兩側高度差最大值為421.713 0mm，A、B、C這3組水敏紙布置在220m、240m、260m位置附近。由圖11可以看出：220m位置處噴桿高度差374mm，對應的橫向噴霧分布變異系數為80.38%；240m位置處噴桿高度差118mm，對應的橫向噴霧分布變異系數為65.48%。由此可知：噴桿傾斜導致的噴嘴高度不一，對噴霧分布影響較大，噴臂兩側高度差越大，霧滴分布的變異系數越大。

圖11 噴桿末梢距離作物高度變化曲線Fig.11 The height of the end of the boom from the crop

4 結論

噴霧機在起伏不平的田間行駛時，地面起伏會導致噴桿的發(fā)生不規(guī)律運動，通過在噴桿末梢安裝超聲波測距傳感器和加速度傳感器，測量噴桿的滾轉運動及垂向振動加速度。同時，在田間布置水敏紙，測量沿著噴桿方向和行駛方向的霧滴分布均勻性變異系數。使用雙GPS輔助的慣性測量系統(tǒng)獲取噴霧機底盤的運動姿態(tài)和運動軌跡，將測得的噴桿運動與水敏紙測得的沉積分布量對應起來，通過試驗數據可知：噴霧機垂向振動加速度比前進方向的加速度大，噴桿垂直面內的振動較大，是沿噴桿方向的霧滴覆蓋率變異系數較大的原因之一。進一步分析可知：A組噴霧覆蓋率均勻性采樣位置處噴桿高度差較大，對應的橫向噴霧分布變異系數為80.38%；B組位置處噴桿高度差較小，對應的橫向噴霧分布變異系數為65.48%；噴臂兩側高度差越大，霧滴分布的變異系數越大。噴桿方向的霧滴覆蓋率變異系數大于行駛方向的霧滴覆蓋率變異系數，說明噴桿傾斜導致的噴嘴距離作物高度變化，對噴霧均勻性的影響更大。