高地隙自走式噴桿噴霧機(jī)研究現(xiàn)狀及展望

張國彬 孫立偉 鮑清校 王守峰 劉江濤 胡敏英 王錦軒

1、河北中農(nóng)博遠(yuǎn)農(nóng)業(yè)裝備有限公司 2、河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院

引言

農(nóng)業(yè)為國家之本，人民之根，有著不可撼動(dòng)的地位。國家的發(fā)展立足于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)得到保障的前提之下。植保作業(yè)作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)之一，對(duì)農(nóng)業(yè)收成起著至關(guān)重要的作用。隨著我國社會(huì)的進(jìn)步與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)農(nóng)業(yè)的關(guān)注程度越來越高，對(duì)生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境、農(nóng)業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)等方面都不斷地提出了新的要求。作為農(nóng)作物都不可或缺的植保環(huán)節(jié)也同樣得到重視，植保機(jī)械的選擇、應(yīng)用與發(fā)展成為如今農(nóng)業(yè)綠色生產(chǎn)的重要話題。

隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化的不斷發(fā)展，各種植保裝備不斷得到發(fā)展。高地隙自走式噴桿噴霧機(jī)因?yàn)槠涔ぷ餍矢摺⒐ぷ餍阅芊€(wěn)定、通過性好等優(yōu)點(diǎn)得到迅速普及。高地隙噴霧機(jī)通常以高地隙拖拉機(jī)作為動(dòng)力，搭載可以伸展或可折疊式的橫向噴桿進(jìn)行植保作業(yè)[1]。因?yàn)槠溆兄x地距離高、作業(yè)范圍大的特點(diǎn)，適合大面積農(nóng)田及現(xiàn)代化農(nóng)場種植模式下高稈作物，如玉米、小麥、水稻、棉花等的植保作業(yè)[2]。

本文從高地隙自走式噴桿噴霧機(jī)的研究、應(yīng)用現(xiàn)狀、存在問題及未來展望等方面進(jìn)行介紹，希望對(duì)農(nóng)作物植保作業(yè)的應(yīng)用和發(fā)展有所幫助。

2 國內(nèi)外應(yīng)用及研究現(xiàn)狀

2.1 國外研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

歐美等國家由于其農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化起步早，農(nóng)業(yè)機(jī)械化裝備經(jīng)過長時(shí)間的研究發(fā)展已經(jīng)較為成熟且完備，在高地隙噴霧機(jī)方面也已適應(yīng)當(dāng)?shù)厣a(chǎn)模式且成系列化，擁有全球大部分的農(nóng)機(jī)市場，其中以約翰迪爾、泰科諾瑪?shù)染哂写硇怨旧a(chǎn)的高地隙自走式噴桿噴霧機(jī)得到了廣泛應(yīng)用[3]。

圖1 國外機(jī)型

美國劃分了多個(gè)農(nóng)業(yè)帶，農(nóng)作物分類集中種植，歐洲農(nóng)業(yè)區(qū)域也較為集中，便于管理，有利于大型機(jī)械的使用與發(fā)展，因此高地隙自走式噴桿噴霧機(jī)在歐美等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)相當(dāng)普及。

國外經(jīng)過多年的研究探索，對(duì)噴霧機(jī)噴桿的減震、平衡性能、運(yùn)動(dòng)控制，底盤對(duì)地形的適應(yīng)調(diào)整都進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，積累了大量數(shù)據(jù)[4-5]。并且高地隙噴霧機(jī)種類豐富，且以大型噴霧機(jī)為主，可實(shí)現(xiàn)噴桿多節(jié)分段噴霧，還可以進(jìn)行地面仿形噴霧，適應(yīng)不同地形及工況，應(yīng)用GPS 技術(shù)對(duì)車輛和噴桿進(jìn)行智能控制駕駛與噴灑[6]。

在人性化與自動(dòng)化方面，國外高地隙噴霧機(jī)也更加完善，駕駛員在駕駛室內(nèi)便可操縱噴桿的展開、升降、噴灑等各項(xiàng)功能，還可以實(shí)現(xiàn)在線混藥功能，避免了人員與農(nóng)藥的直接接觸，降低了中毒風(fēng)險(xiǎn)，提高了作業(yè)效率[7]。此外，歐美國家往往有專業(yè)的農(nóng)業(yè)服務(wù)公司承擔(dān)農(nóng)作物生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，植保機(jī)械更加專業(yè)且豐富，全程對(duì)農(nóng)作物的病蟲害進(jìn)行監(jiān)控，其高地隙自走式噴桿噴霧機(jī)也在朝著智能化、無人化、精量靶向施藥等方面發(fā)展[8]。

2.2 國內(nèi)研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

我國是傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)分布廣泛。由于我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化和現(xiàn)代化起步晚，雖然早期高地隙噴桿噴霧機(jī)引入受到了廣泛的關(guān)注，但始終由于其價(jià)格昂貴，且我國存在大量零散個(gè)體農(nóng)戶，大部分農(nóng)戶難以承擔(dān)大型植保機(jī)械的開銷，因此并沒有在國內(nèi)普及。

我國耕地分布廣泛，地形多樣復(fù)雜，對(duì)植保機(jī)械要求不同。由于高地隙噴霧機(jī)作業(yè)范圍大，噴桿較長，因此提高噴桿作業(yè)穩(wěn)定性是重要的研究內(nèi)容之一。

莊騰飛[9]針對(duì)大型高地隙噴桿噴霧機(jī)噴桿穩(wěn)定性差等問題，對(duì)振動(dòng)理論進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)了一種基于彈簧和阻尼器組合減震的噴桿懸架結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于18m 三角形截面噴桿的高地隙噴霧機(jī)上，并進(jìn)行了仿真和試驗(yàn)，可合理設(shè)置減震裝置參數(shù)以提高噴桿作業(yè)壽命。

薛濤[10]等針對(duì)噴桿被動(dòng)懸架擺動(dòng)性能問題，提出了基于自適應(yīng)模糊滑?？刂扑惴ǖ膰姉U主動(dòng)懸架控制方法，對(duì)主動(dòng)懸架系統(tǒng)進(jìn)行了建模和仿真，提高了大型高地隙噴霧機(jī)噴霧均勻性和噴桿作業(yè)穩(wěn)定性。

由于我國地貌多樣，在山地丘陵地區(qū)，地形起伏對(duì)高地隙噴霧機(jī)的行走平穩(wěn)性、地形的適應(yīng)性以及駕駛員的乘坐舒適性都提出了要求，對(duì)底盤的研究與設(shè)計(jì)也一直是高地隙噴霧機(jī)的重點(diǎn)之一。

武秀恒[11]對(duì)噴霧機(jī)有限頻域主動(dòng)懸架減振與整車姿態(tài)綜合控制策略進(jìn)行了研究，具體研究了主動(dòng)油氣懸架有限頻域控制器設(shè)計(jì)方法與時(shí)頻控制器設(shè)計(jì)方法，可保證噴霧機(jī)在提升駕駛員乘坐舒適性與整機(jī)平穩(wěn)性的同時(shí)進(jìn)行坡地仿形噴霧作業(yè)，提升了復(fù)雜工況下噴霧機(jī)行駛安全性與環(huán)境適應(yīng)性，為其他類型主動(dòng)懸架系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)與研發(fā)提供了參考。

王麒淦[12]等基于ADAMS 軟件建立了適應(yīng)于高地隙噴霧機(jī)田間作業(yè)工況的E 等級(jí)隨機(jī)路面模型，得出了影響高地隙噴霧機(jī)作業(yè)平順性各因素的規(guī)律，優(yōu)化懸架參數(shù)，提高了高地隙噴霧機(jī)作業(yè)平順性。

另外，出于國情考慮，我國很多農(nóng)作物采用密植的種植模式，這就對(duì)高地隙噴桿噴霧機(jī)在作業(yè)時(shí)霧滴穿透性提出了更高的要求。由于高地隙噴霧機(jī)離地距離高，而密植作物在生長的中后期枝葉密度逐漸提高，自上而下的噴施方式使藥液液滴難以穿過密植作物的冠層達(dá)到植物底部。張鐵[13]首次在國內(nèi)開展了高地隙噴霧機(jī)風(fēng)幕式高穿透施藥技術(shù)在高稈作物施藥作業(yè)過程中霧滴的沉積分布特性和飄移規(guī)律的研究。王俊[14]等以玉米為對(duì)象，研究了牽引式高地隙噴霧機(jī)在風(fēng)幕作用下霧滴的穿透效果。除此之外，國內(nèi)其他學(xué)者也在為國產(chǎn)高地隙噴霧機(jī)適應(yīng)國內(nèi)不同農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式而不斷地努力。

在實(shí)際應(yīng)用方面，隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國內(nèi)各個(gè)高校、科研院所對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械研究的深入，諸多關(guān)鍵技術(shù)被掌握。同時(shí)，國家對(duì)農(nóng)業(yè)管理更加合理化，零散農(nóng)田被集中管理，使得大型植保機(jī)械有用武之地，國內(nèi)高地隙自走式噴桿噴霧機(jī)也出現(xiàn)在人們的視野中，如中農(nóng)豐茂、立興植保等企業(yè)根據(jù)國內(nèi)農(nóng)業(yè)環(huán)境設(shè)計(jì)出較為先進(jìn)的高地隙自走式噴霧機(jī)。

圖2 國內(nèi)機(jī)型

綜上所述，雖然我國在高地隙自走式噴桿噴霧機(jī)方面的研究取得了很多成果，但就目前為止，受我國地貌、農(nóng)戶個(gè)體經(jīng)濟(jì)等因素的限制，國內(nèi)高地隙自走式噴桿噴霧機(jī)多以中小型以及改進(jìn)型機(jī)器為主[15]，雖然近些年在新疆等新興農(nóng)業(yè)基地運(yùn)用了許多大型植保機(jī)械，但總體上噴幅在20m 以上的大型噴霧機(jī)占比不高。

3 討論與展望

3.1 存在問題

我國雖然在高地隙自走式噴桿噴霧機(jī)方面攻克了許多難題，但由于早期建設(shè)重點(diǎn)放在了工業(yè)方面，對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械現(xiàn)代化的研究投入相對(duì)較晚，目前還面臨著許多問題。如（1）噴桿的工作穩(wěn)定性、噴桿的伸縮折疊控制、噴幅的提升；（2）車輛底盤對(duì)地形的適應(yīng)、控制和調(diào)節(jié)；（3）噴頭存在“跑、冒、滴、漏”現(xiàn)象，霧滴的穿透性有待提高，以及車輛對(duì)植株的保護(hù)等問題[16-17]。

3.2 發(fā)展趨勢

近幾年來，隨著我國對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械的重視，對(duì)高地隙自走式噴桿噴霧機(jī)的研究力度也在不斷加大，我們還需要從以下幾方面對(duì)其進(jìn)行更加深入的研究：

（1）噴桿方面。噴桿的減震效果不理想、減震方式較少，對(duì)于噴桿的智能化控制及末端晃動(dòng)問題都有待改善[18]。另外，噴桿結(jié)構(gòu)剛度問題、噴桿姿態(tài)檢測與調(diào)整控制技術(shù)也是急需攻克的難題。

（2）底盤方面。由于我國地貌狀況復(fù)雜，高地隙噴霧機(jī)底盤種類少，缺少對(duì)整車姿態(tài)的控制調(diào)整，大型機(jī)器難以在丘陵地區(qū)作業(yè)，機(jī)車行駛平穩(wěn)性需要改進(jìn)。隨著對(duì)作業(yè)環(huán)境要求的提高，駕駛員駕駛舒適性要求也相應(yīng)提高，對(duì)車輛底盤減震效果及減小噪音等也需納入考慮范圍。

（3）其他方面。由于我國存在密植化種植模式，有些農(nóng)作物在生長中后期會(huì)出現(xiàn)封田，高地隙噴桿噴霧機(jī)在農(nóng)田中行駛時(shí)難免會(huì)出現(xiàn)碾壓植株的現(xiàn)象。盡管許多高地隙噴桿噴霧機(jī)加裝了分禾器，但仍需要對(duì)保護(hù)植物、預(yù)留田間掉頭空間等進(jìn)行完善。另外，在線混藥裝置、靜電噴霧技術(shù)、駕駛室操作終端的智能化、作業(yè)情況可視化等方面也有待提高。

4 結(jié)語

我國高地隙自走式噴桿噴霧機(jī)從無到有，從模仿到自主研發(fā)，始終在追趕國際先進(jìn)水平。通過國內(nèi)外現(xiàn)狀對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)我國與國外還存在一定技術(shù)差距。目前我國加大了噴桿、底盤、噴頭、智能化等重要技術(shù)領(lǐng)域研究投入。隨著我國科研水平的提高，將來也會(huì)不斷地研制出適合我國不同區(qū)域、不同農(nóng)業(yè)種植模式要求的多樣化高地隙噴桿噴霧機(jī)。