棉花后期冠內(nèi)風(fēng)送式噴霧機(jī)分行器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王愛臣，高斌潔，李林，解祿觀，魏新華

(1 山東省園藝機(jī)械與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 泰安 271018；2 江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013； 3 南通黃海藥械有限公司，江蘇 南通 226600)

新疆優(yōu)越的地理環(huán)境使其成為全國棉花重要產(chǎn)區(qū)，2018年新疆棉花產(chǎn)量達(dá)511.1萬t，占全國棉花總產(chǎn)量的83.8%[1]。新疆地區(qū)棉花普遍采用矮化密植種植模式，其生長后期冠層稠密、枝葉交錯(cuò)，中下部冠層的施藥難度較大。傳統(tǒng)噴桿噴霧機(jī)通過噴頭從棉花冠層上部對棉株進(jìn)行施藥，由于藥液穿透力不足，冠層中下部受藥量較低，施藥效果不理想[3]。為解決上述問題，新疆兵團(tuán)第八師農(nóng)機(jī)推廣站先后研發(fā)、引進(jìn)吊桿式噴桿噴霧機(jī)和風(fēng)幕式噴桿噴霧機(jī)[4]。吊桿式噴桿噴霧機(jī)[5]依靠沉入冠層內(nèi)部的噴頭實(shí)現(xiàn)分行冠內(nèi)施藥，可大幅增加棉花冠層中下部的受藥量，但棉花冠層內(nèi)部稠密的枝葉依然會(huì)遮擋霧滴的擴(kuò)散路徑，導(dǎo)致冠層內(nèi)部的霧滴分布均勻性較差；風(fēng)幕式噴桿噴霧機(jī)[6]依靠風(fēng)送氣流增強(qiáng)霧滴的穿透能力，減少了霧滴飄移，能顯著提高棉花冠層內(nèi)部的霧滴分布均勻性，但風(fēng)送氣流對棉花較稠密區(qū)域擾動(dòng)有限，仍難以達(dá)到理想的施藥效果。

為提高矮化密植棉花生長后期的施藥效果，本課題組設(shè)計(jì)了一種分行器結(jié)合風(fēng)送系統(tǒng)的吊桿式噴桿噴霧機(jī)[10]，該噴霧機(jī)在傳統(tǒng)頂噴式噴霧機(jī)的基礎(chǔ)上增設(shè)了分行器和風(fēng)送系統(tǒng)。噴霧機(jī)機(jī)架通過液壓懸掛裝置掛接在拖拉機(jī)上[12-14]；噴桿高度調(diào)節(jié)裝置和噴桿折疊裝置由拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，通過噴桿高度調(diào)節(jié)油缸和噴桿折疊油缸可以實(shí)現(xiàn)噴桿高度的升降和噴桿的折疊與展開[15]；風(fēng)送系統(tǒng)由風(fēng)幕、風(fēng)筒及風(fēng)機(jī)組成，風(fēng)筒置于分行器腔體內(nèi)；隔膜泵和藥液攪拌裝置和風(fēng)機(jī)由拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸經(jīng)變速箱提供動(dòng)力。作業(yè)過程中，分行器撐開棉花冠層內(nèi)部枝葉，其出風(fēng)口氣流對霧滴進(jìn)行二次加速后裹挾著霧滴進(jìn)入棉花冠層內(nèi)部，氣流進(jìn)一步擴(kuò)撐冠層內(nèi)部枝葉，霧滴到達(dá)棉花冠層內(nèi)部葉片的機(jī)率增加，施藥效果得到明顯提高[16]。

采用分行器結(jié)合風(fēng)送系統(tǒng)的施藥方式能明顯提高棉花生長后期冠內(nèi)施藥效果[10]。為進(jìn)一步提高施藥效果，本文針對新疆矮化密植棉花生長后期噴施脫葉劑的施藥需求，對分行器及其配套噴灑裝置結(jié)構(gòu)做進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過實(shí)地試驗(yàn)分析其作業(yè)效果。

1 分行器及噴灑裝置設(shè)計(jì)

1.1 分行器1及噴灑裝置

分行器1總成如圖1所示，其結(jié)構(gòu)主要包括半圓形曲面前導(dǎo)機(jī)構(gòu)和后部空腔。

為使分行器能有效撐開棉花冠層內(nèi)部枝葉且盡量避免對棉株及棉桃造成損傷，需確定合適的尺寸。由于棉花植株各部位抗形變能力不同，確定分行器尺寸之前，通過測量莖稈在承受載荷過程中的載荷大小及莖稈撓度，求出棉株各部位楊氏模量用以表示棉株主桿以及上、中、下各側(cè)枝的抗形變能力。

圖1 分行器1總成實(shí)物圖

楊氏模量計(jì)算公式為

(1)

式(1)中，F(xiàn)是梁中部的集中載荷，kN；L是梁的有效長度，mm；ω為梁中部的撓度，mm；J是對中心軸的慣性矩，mm4。

由于棉花莖稈為實(shí)心結(jié)構(gòu)，可以將其簡化為實(shí)心圓管，則其慣性矩為

(2)

式(2)中D是莖稈外徑，mm。

結(jié)合公式(1)與(2)得

(3)

棉花莖稈試驗(yàn)樣本采自新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第八師121團(tuán)棉花地，采集試樣為2019年9月棉花生長后期郁閉度較高時(shí)的矮化密植棉花莖稈。將棉花主桿整體分為7段，從底部開始，每隔10 cm截取一段作為主桿樣本，側(cè)枝按其生長時(shí)所處位置分為上部、中部和下部側(cè)枝。對棉田不同生長區(qū)域的10株棉花進(jìn)行測量，求出不同樣本各部位的楊氏模量均值，結(jié)果如表1所示。

表1 棉花各部位楊氏模量

由表1可知棉花主桿、側(cè)枝的抗形變能力與離地距離呈負(fù)相關(guān)，故分行器整體結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)為上小下大。基于仿真模擬實(shí)驗(yàn)，確定分行器尺寸頂部為0.13 m，向下緩慢增大，底部尺寸為0.28 m。半圓形曲面前導(dǎo)機(jī)構(gòu)中央凸出一條加強(qiáng)筋，進(jìn)一步提高分行器行進(jìn)過程中的穩(wěn)定性。為避免分行器下沉分行時(shí)對棉花植株造成傷害，對加強(qiáng)筋和分行器底部分別做圓角、向后折彎處理(4)。分行器底部做水平處理，以防止分行器插入泥土。

1—導(dǎo)風(fēng)筒;2—噴頭機(jī)構(gòu);3—導(dǎo)流板;4—固定板;5—分行器圖2 分行器1總成結(jié)構(gòu)圖

分行器1配套的噴灑裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示，該裝置主要由導(dǎo)流板正上方、關(guān)于風(fēng)筒位置對稱的噴頭機(jī)構(gòu)組成，單個(gè)噴頭機(jī)構(gòu)包括1個(gè)藥液輸入口和2個(gè)開口方向朝上的噴頭。噴頭噴出的霧滴經(jīng)導(dǎo)流板中的氣流二次加壓，在冠層內(nèi)部的穿透力增強(qiáng)，進(jìn)而達(dá)到更好的施藥效果。如圖3所示，噴頭噴出霧滴的速度為v1，噴霧機(jī)行車速度為vc，則霧滴脫離噴頭瞬間相對于地面的水平v2、垂直速度v3分別可表示為

v2=v1sinα-vc，

v3=v1cosα。

(4)

式(4)中α為噴頭相對地面夾角。

圖3 霧滴速度示意圖

為保證霧滴在冠層內(nèi)的穿透效果，在保證霧滴具有一定水平初速度的前提下應(yīng)盡量避免垂直方向霧滴動(dòng)能衰減過快[17]，因此將噴頭相對地面夾角α設(shè)置為40°。噴頭方向垂直于導(dǎo)風(fēng)筒中心軸，分行器的折彎角度則為130°。考慮到棉株在離地0.30 m內(nèi)基本沒有棉桃和枝葉，且行車過程中分行器會(huì)隨噴桿上下顛簸，不宜將噴頭設(shè)置與棉花葉片最低處距離過近，確定噴頭高度設(shè)置在相對分行器底部面0.15 m處。

1.2 分行器2及噴灑裝置

分行器2總成如圖4所示，分行器2結(jié)構(gòu)如圖5所示。分行器2主要由前部V形導(dǎo)向機(jī)構(gòu)與后部空腔組成。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)橫截面采用V形圓弧過渡，防止分行過程中分行器刮傷棉桃。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)開口側(cè)豎直加工處理，能有效避免分行器邊緣阻擋噴灑裝置噴出霧滴。為提高分行器作業(yè)效率，對導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的V形橫截面尖端部分做下凸弧形處理，下凸弧與導(dǎo)向機(jī)構(gòu)底部面之間形成的折彎弧能有效防止分行器陷入泥土，優(yōu)選折彎弧與底部面之間的夾角為30°。

1—導(dǎo)風(fēng)筒;2—上支撐板;3—分行器; 4—噴灑裝置;5—導(dǎo)流板;6—下支撐板圖4 分行器2總成實(shí)物圖

圖5 分行器2左視圖、軸測圖

分行器2參數(shù)設(shè)計(jì)如圖6所示。同分行器1，分行器2導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的最大寬度為0.28 m。確定開口深度時(shí)需考慮其與的比例，寬度與深度比例過大不利于分行器固定，過小則分行器在行進(jìn)過程中易刮擦棉桃，優(yōu)選V形導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的開口深度為0.40 m。棉田中棉花平均株高約為0.80 m，在離地0.30 m內(nèi)基本沒有棉桃和枝葉，采用高度為0.35 m的分行器即可撐開棉花中下部冠層，但考慮到實(shí)際田間作業(yè)時(shí)分行器隨噴桿上下顛簸，為避免分行器觸地，優(yōu)選分行器高度H為0.50 m。

圖6 分行器2參數(shù)示意圖

分行器2配套的噴灑裝置如圖7所示，其結(jié)構(gòu)主要包括上三通、下三通、噴頭、上防滴閥體和下防滴閥體。上防滴閥體設(shè)置在2個(gè)上三通之間，下防滴閥體設(shè)置在下三通和上三通之間，上閥體和下閥體上均設(shè)有防滴開關(guān)。如圖4所示，2個(gè)上三通的噴頭固定在導(dǎo)流板出風(fēng)口的上、下邊緣，風(fēng)送裝置的高壓氣流與霧滴在噴頭口充分混合實(shí)現(xiàn)二次霧化，提高霧滴在冠層內(nèi)的穿透力，進(jìn)而提高施藥效果。

1—上三通;2—下三通;3—下防滴閥體;4—上防滴閥體圖7 噴灑裝置右視圖及正視圖

2 棉花施藥霧滴沉積分布試驗(yàn)

2.1 水敏紙布置

棉花施藥時(shí)要求藥液均勻噴灑到棉株的上、中、下部，，葉片受藥率不低于95%。為獲取棉花冠層內(nèi)部葉片的受藥情況，將水敏紙布置于棉花葉片表面[19]，試驗(yàn)所用噴霧液為清水。水敏紙布置方式如圖8所示，棉株上、中、下三層離地高度分別為70、55、40 cm。棉株結(jié)構(gòu)為類樹形且中部葉片較為稠密，考慮到新疆棉地采用小行0.10 m、大行0.66 m的種植模式，且分行器只行走在大行內(nèi)，因此將中部位置細(xì)分為中部內(nèi)側(cè)和中部外側(cè)。本文所設(shè)計(jì)分行器的主要目的在于提高棉花脫葉劑的噴施效果，脫葉劑噴施到棉花葉片任意一面后都能起到脫葉效果，同時(shí)考慮到噴桿噴霧機(jī)的頂部噴頭難以噴到下部冠層葉片背面、底部噴頭難以噴到上部冠層葉片正面，故將水敏紙布置于中上部冠層葉片正面和下部冠層葉片的背面，以驗(yàn)證分行器作用下全冠層的脫葉劑噴施效果。試驗(yàn)樣本選取2行棉花，在3個(gè)區(qū)域分別布置水敏紙，每個(gè)區(qū)域長度約為2 m。

圖8 水敏紙布置示意圖(黃色方塊為水敏紙)

2.2 水敏紙圖像處理

噴霧機(jī)完成田間作業(yè)后，待水敏紙晾干后將其收集到塑料袋中做好標(biāo)記并帶回室內(nèi)進(jìn)行掃描，對獲得的數(shù)字圖像進(jìn)行二值化處理。單張水敏紙的灰度值分布直方圖如圖9c所示，呈明顯的雙峰分布，因此利用Ostu自動(dòng)閾值法分割背景及藥液分布區(qū)域[20]，分割效果如圖9a、b所示。

圖9 水敏紙圖像二值化效果

本試驗(yàn)采用水敏紙的霧滴平均覆蓋率和單位面積內(nèi)水敏紙霧滴覆蓋率的變異率(CV)描述霧滴沉積分布的均勻性[22]，變異率計(jì)算公式為：

(5)

(6)

測量一張水敏紙霧滴沉積面積的過程如下：設(shè)一張水敏紙的圖片像素大小為m×w，掃描初始位置為水敏紙最左端，間隔5像素向右逐一掃描一塊像素面積為5×w的矩形區(qū)域，至水敏紙最右端后停止掃描，統(tǒng)計(jì)所有矩形區(qū)域內(nèi)的黑色像素點(diǎn)所占面積之和即為此水敏紙的霧滴沉積面積[22]。該過程的示意圖如圖10所示。

圖10 數(shù)據(jù)集生成過程示意圖

3 結(jié)果與分析

統(tǒng)計(jì)所有水敏紙的霧滴平均覆蓋率和變異率，對同一位置水敏紙的霧滴平均覆蓋率和變異率取平均值，結(jié)果如表2所示。圖11為部分棉花植株不同位置葉片的霧滴沉積效果圖。

圖11 棉花各部位霧滴沉積

表2 棉花各部位霧滴沉積覆蓋率及變異率

結(jié)合表2和圖11可知:在二種分行器作用下，棉花植株上部葉片的霧滴覆蓋率較高，且分布較為均勻。分行器1和分行器2作用下棉花上部葉片霧滴平均覆蓋率分別為0.478和0.524，變異率分別為0.198和0.168。棉花中部葉片(內(nèi)側(cè)和外側(cè))的霧滴沉積率較低，在0.182～0.277之間，變異率也較大，在0.334～0.567之間；棉花下部葉片霧滴沉積率最小，最高只有0.059，變異率也最大，最大值達(dá)到1.926。對比使用不同分行器時(shí)的施藥效果，發(fā)現(xiàn)分行器2作用下的葉片霧滴沉積效果較好。為進(jìn)一步分析對比不同分行器以及同一分行器在棉株不同部位的施藥效果，對采集到的霧滴沉積數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，結(jié)果如表3所示。

結(jié)合表3和圖11可知：在分行器1和分行器2的作用下，施藥效果無顯著差異，而在同一種分行器作用下棉花植株不同部位的施藥效果差異顯著。棉花植株上部的施藥效果與中部內(nèi)側(cè)、中部外側(cè)、下部的施藥效果存在顯著差異；中部內(nèi)側(cè)與中部外側(cè)的施藥效果相近，差異不顯著；中部(包括內(nèi)側(cè)和外側(cè))的施藥效果與下部的施藥效果差異顯著。綜上所述，棉花上部的施藥效果最好，棉花中部有一定的施藥效果，但是相對于上部施藥效果欠佳，棉花下部施藥效果最差，霧滴平均覆蓋率明顯不如其余部位。分析其原因，一方面是由于棉花下部的水敏紙布置在了葉片背面，機(jī)手在實(shí)際施藥時(shí)為防止分行器觸地，沒有把分行器放到最低位置，導(dǎo)致棉花下部葉片背面難以沉積霧滴，同時(shí)由于分行器相對于棉花植株的位置較高，對下部的分行效果也沒有達(dá)到設(shè)計(jì)目的；另一方面，分行器的形狀和風(fēng)送參數(shù)與實(shí)際棉花匹配度不佳，仍有進(jìn)一步優(yōu)化空間。

表3 霧滴沉積平均覆蓋率單因素方差分析結(jié)果

4 結(jié)論

(1)針對棉花生長后期全冠層均勻施藥脫葉劑的農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)了2種用于棉花后期冠內(nèi)風(fēng)送式噴霧機(jī)的分行器和噴灑裝置。

(2)對2種分行器及其噴灑裝置在棉田的實(shí)際作業(yè)效果進(jìn)行了試驗(yàn)，通過分析布置在棉花植株不同位置水敏紙的霧滴沉積效果發(fā)現(xiàn)，2種分行器的實(shí)際作業(yè)效果沒有顯著差異，棉花植株上部冠層霧滴沉積效果最好，棉花植株下部霧滴沉積效果最差。