基于大豆玉米帶狀復(fù)合種植下的分帶式噴桿噴藥機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

摘要：針對(duì)大豆玉米帶狀復(fù)合種植模式下的現(xiàn)有噴藥機(jī)無(wú)法分帶定向噴施、適用性差的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一款適應(yīng)于該模式、具有藥物分帶定向噴施、噴施高度分帶可調(diào)節(jié)、防止藥物發(fā)生帶間飄移功能的自走式噴桿噴藥機(jī)。根據(jù)4+2大豆玉米帶狀復(fù)合種植模式的農(nóng)藝要求，確定整機(jī)機(jī)構(gòu)方案；確定噴藥機(jī)的噴桿高度調(diào)節(jié)裝置、噴桿折疊裝置和防飄移裝置三個(gè)關(guān)鍵裝置方案并進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在灌云縣大豆農(nóng)場(chǎng)種植基地，對(duì)樣機(jī)的高度調(diào)節(jié)性、可折疊性及防飄移性進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，高度調(diào)節(jié)、折疊裝置可以有效滿足作業(yè)需求，防飄裝置能夠減少92.52%的液滴飄移，能夠滿足對(duì)玉米大豆的化學(xué)除草階段及化學(xué)控旺階段作業(yè)要求。

關(guān)鍵詞：大豆；玉米；帶狀復(fù)合種植；噴藥機(jī)；防飄移

中圖分類號(hào)：S513； S565.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：20955553 （2024） 070060

08

Design and experiment of striped spray rod sprayer based on soybean and

corn strip composite planting

Wang Baoliang1， Wang Zheng2， Meng Weiguo2， Lu Kai3， Jia Shouliang4， Xue Jinlin2

（1. Jiangsu Vocational College of Electronics and Information， Huai’an， 223003， China; 2. College of Engineering，

Nanjing Agricultural University， Nanjing， 210031， China; 3. Agricultural Mechanization Service Station of

Jiangsu Province， Nanjing， 210017， China; 4. Department of Laboratory and Base，

Nanjing Agricultural University， Nanjing， 210095， China）

Abstract：

In order to solve the challenges of unable to perform targeted spraying and poor applicability in the strip intercropping of soybean and corn， A self-propelled spray boom sprayer designed for this planting mode has been developed. This spray machine is capable of directional and height-adjustable spraying， preventing drift between rows. Firstly， based on the agricultural requirements of the new planting mode， the spraying plan is determined. Then， the specific parameters of the 4+2 planting mode in Jiangsu Province are used to determine the design of key devices for the spray machine， including the height adjustment device for the spray boom， the folding device for the spray boom， and the drift prevention device. Finally， soybean-corn strip intercropping spraying experiments are conducted at the soybean farm in Guanyun County. The prototype’s height adjustment， folding device， and drift prevention performance are tested and verified. The results show that the height adjustment and folding devices can effectively carry out chemical weed control and chemical growth regulation for corn and soybean. The drift prevention device reduces liquid droplet drift by 92.52%.

Keywords：

soybean; corn; band compound planting; sprayer; anti-drift

0 引言

為保證國(guó)家糧食安全，減少對(duì)于大豆進(jìn)口的依賴，國(guó)家出臺(tái)了“大豆振興計(jì)劃實(shí)施方案”，擴(kuò)大黃淮海和西南地區(qū)大豆種植面積。為響應(yīng)國(guó)家政策，江蘇省在2022年大豆種植規(guī)模需要達(dá)到40khm2，同時(shí)為解決糧食爭(zhēng)地的矛盾，全國(guó)多地包括江蘇省都在積極探索大豆玉米復(fù)合種植模式［1］，即大豆玉米帶狀復(fù)合種植，該種植模式是適當(dāng)縮緊玉米行間距，利用玉米行間隙種植大豆，在保證不減少玉米產(chǎn)量的同時(shí)能夠多收一季大豆，目前對(duì)于該種植模式的農(nóng)藝探索已比較成熟，但是大豆玉米帶狀復(fù)合種植機(jī)械化面臨的問(wèn)題主要有缺少除草劑噴施專用機(jī)具［2］，現(xiàn)在市面上沒(méi)有專門針對(duì)于大豆玉米帶狀復(fù)合種植的噴藥機(jī)械，導(dǎo)致該模式種植機(jī)械化程度低，農(nóng)戶種植意愿不高，大大制約了該種植模式的推廣應(yīng)用。

西方發(fā)達(dá)國(guó)家和亞洲發(fā)達(dá)國(guó)家噴藥機(jī)械的研發(fā)完全符合各國(guó)的農(nóng)業(yè)發(fā)展模式［3］。例如美國(guó)、德國(guó)的噴桿式噴藥機(jī)，其噴藥機(jī)噴幅達(dá)到了39m［4］，因?yàn)闅W美國(guó)家施行的是農(nóng)場(chǎng)主種植模式，種植規(guī)模大且耕地平整集中，特別適合大型機(jī)械的作業(yè)，由于作業(yè)器具大，藥液的浪費(fèi)也比較嚴(yán)重，因此西方國(guó)家也越來(lái)越注重精準(zhǔn)精量噴施作業(yè)。我國(guó)對(duì)于噴桿式噴藥機(jī)械的研究起步較晚。曹鵬鵬等［5］采用了風(fēng)幕式防飄技術(shù)，設(shè)計(jì)一款高地隙大型的噴桿式噴藥機(jī)，解決了因?yàn)樗幬镲h移對(duì)自然環(huán)境造成的破壞問(wèn)題，但該款噴藥機(jī)主要解決的是玉米生長(zhǎng)中后期的問(wèn)題，由于加裝了風(fēng)幕系統(tǒng)導(dǎo)致噴藥機(jī)整體結(jié)構(gòu)更大，內(nèi)部系統(tǒng)也更復(fù)雜。周瑞瓊等［6］在不同的噴藥參數(shù)下對(duì)噴藥機(jī)藥物飄移的情況進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)研究［7］，但是必須在合適的風(fēng)速下作業(yè)、選用合理的噴藥壓力、合適的噴頭從多方面減少藥物的飄移，而對(duì)于防飄移要求更嚴(yán)格的大豆玉米帶狀復(fù)合種植的新模式，這些防飄移手段是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

因此本文針對(duì)大豆玉米帶狀復(fù)合種植機(jī)械化水平不高、現(xiàn)有噴藥機(jī)難以分帶噴施、適應(yīng)作物生長(zhǎng)過(guò)程中不同的高度等問(wèn)題，設(shè)計(jì)自走式大豆玉米帶狀復(fù)合種植噴藥機(jī)，適應(yīng)于該模式、具有藥物分帶定向噴施、噴施高度分帶可調(diào)節(jié)、防止藥物發(fā)生帶間飄移功能。為積極響應(yīng)國(guó)家關(guān)于大力發(fā)展大豆玉米帶狀復(fù)合種植技術(shù)，擴(kuò)大大豆種植面積，促進(jìn)農(nóng)民減本增效，助力鄉(xiāng)村振興，提供了適宜的裝備支持。

1 整機(jī)機(jī)構(gòu)與工作原理

1.1 設(shè)計(jì)要求

對(duì)于玉米大豆復(fù)合種植的植保作業(yè)，除了要考慮到作物的用藥區(qū)別、噴施高度不同、作物生長(zhǎng)用藥階段等問(wèn)題，防飄移對(duì)于該種種植模式也是十分重要的；除此之外，在除草或防病蟲害作業(yè)時(shí)，藥物噴施高度通常是高出作物25cm左右，但是在帶狀復(fù)合種植模式下，大豆玉米在生長(zhǎng)過(guò)程中其高度并不一致，甚至高度差距很大，這就需要噴藥機(jī)的噴桿能夠同時(shí)滿足不同高度的作物噴施需求。在大豆玉米帶狀復(fù)合種植模式中的化學(xué)除草階段，噴施大豆和噴施玉米的藥物不能混合使用，需要分作物帶單獨(dú)噴施，必須設(shè)計(jì)出兩套噴藥管路。綜上，噴藥機(jī)整機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求如下。

1）" 針對(duì)大豆帶玉米帶植株高度不一致問(wèn)題，所設(shè)計(jì)的噴藥機(jī)應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)分帶噴施。

2）" 針對(duì)藥物飄移產(chǎn)生藥害問(wèn)題，所設(shè)計(jì)的噴藥機(jī)應(yīng)該有防飄移裝置。

3）" 針對(duì)玉米生長(zhǎng)過(guò)程中高度變化大特點(diǎn)，所設(shè)計(jì)的噴藥機(jī)應(yīng)具有高度調(diào)節(jié)功能，最大調(diào)節(jié)高度應(yīng)能夠達(dá)到1.8m高度。

4）" 所設(shè)計(jì)的噴藥機(jī)工作效率要高，至少應(yīng)與單種作物噴藥機(jī)的噴藥效率相當(dāng)。

1.2 整機(jī)結(jié)構(gòu)

所設(shè)計(jì)的玉米大豆復(fù)合種植噴藥機(jī)主要有發(fā)動(dòng)機(jī)及底盤總成、噴桿高度調(diào)節(jié)裝置、防飄移裝置、噴桿折疊裝置、玉米藥箱、大豆藥箱，另外選擇合適的防飄移噴頭，增加電液控制系統(tǒng)控制噴桿高度調(diào)節(jié)以及折疊裝置，完成對(duì)上述種植模式的噴藥作業(yè)。本文設(shè)計(jì)的噴藥機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

考慮到江蘇地區(qū)復(fù)合種植模式的特點(diǎn)，玉米大豆復(fù)合種植噴藥機(jī)的噴桿架主體為左、中、右三段式，玉米帶噴藥管路和噴頭將固定在其上。通過(guò)分別調(diào)整噴桿主體以及大豆噴桿的離地高度，以實(shí)現(xiàn)噴施高度分帶調(diào)整的功能。由于兩種作物的藥物相克，不能混合噴灑，因此設(shè)計(jì)兩個(gè)獨(dú)立藥箱和兩條噴施管路。防飄移裝置主要由高度分帶調(diào)節(jié)桿、防風(fēng)架、遮襠布等組成，由于玉米大豆不同時(shí)期生長(zhǎng)高度不同，防飄移裝置也要設(shè)計(jì)有高度可調(diào)功能。在作物生長(zhǎng)初期，為避免在地上拖行造成損傷，進(jìn)而影響防飄移效果，因此設(shè)計(jì)了自動(dòng)收放隔離布功能。

1.3 工作原理

玉米大豆復(fù)合種植噴藥整機(jī)具有高度調(diào)節(jié)、噴桿折疊、分帶定向噴施、防藥物飄移的功能。噴藥機(jī)的具體工作原理和工作過(guò)程如下：首先由人工將噴桿安裝在牽引機(jī)上，將噴藥管路固定在噴桿上，根據(jù)作物生長(zhǎng)情況，分別調(diào)整噴桿主體的離地高度和大豆帶噴桿的離地高度，即電液控制系統(tǒng)將噴桿主體調(diào)整到離玉米最高高度的25cm以上的位置，然后調(diào)節(jié)大豆帶噴桿位置；防飄移裝置固定在噴桿主體上，通過(guò)高度分帶調(diào)節(jié)桿調(diào)整隔離布的隔離長(zhǎng)度。噴藥機(jī)在作業(yè)結(jié)束后，將噴桿折疊，減小噴藥機(jī)所占空間。所設(shè)計(jì)的噴藥機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

2 噴藥機(jī)構(gòu)關(guān)鍵裝置設(shè)計(jì)

2.1 高度調(diào)節(jié)裝置

高度調(diào)節(jié)裝置能夠讓噴藥機(jī)對(duì)應(yīng)不同時(shí)期的玉米進(jìn)行噴藥作業(yè)，該裝置由上橫桿、下橫桿、牽引機(jī)固定端、噴桿架固定端構(gòu)成、調(diào)節(jié)油缸組成，其原理為平行四邊形機(jī)構(gòu)，在該機(jī)構(gòu)中不存在虛約束、復(fù)合鉸鏈和局部自由度，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。根據(jù)自由度計(jì)算公式（1）可以求出該平面機(jī)構(gòu)的自由度Fn。

Fn=3n-2fl-fh

（1）

式中：

n——零件數(shù)；

fl——平面低副數(shù)；

fh——平面高副數(shù)。

將參數(shù)代入式（1）計(jì)算可得，該平面機(jī)構(gòu)的自由度為1。

對(duì)于玉米大豆復(fù)合種植的苗前除草作業(yè)，其作業(yè)高度為50cm，在化學(xué)控旺階段，玉米生長(zhǎng)高度約為1.1～1.3m，據(jù)此可以確定噴桿架的高度調(diào)節(jié)范圍為50～150cm，牽引機(jī)最小地隙高度為1.0m；當(dāng)噴桿架高度調(diào)節(jié)裝置與地面平行時(shí)，其最下端與牽引機(jī)最下端平齊。

用解析法對(duì)各個(gè)部件進(jìn)行計(jì)算分析，四邊形ABCD為高度調(diào)節(jié)裝置的初始狀態(tài)，該狀態(tài)下AD邊、BC邊均與地面平行，噴桿最底端離地高度為1.2m，ABC2D2為噴桿最底端的上極限高度，ABC1D1為噴桿最底端的上極限高度。上升角α和下降角β計(jì)算如式（2）和式（3）所示。

α=arcsinh1lAD

（2）

β=arcsinh2lAD

（3）

式中：

lAD——AD邊的長(zhǎng)度，mm；

h1——

D點(diǎn)從初始位置運(yùn)動(dòng)到上極限位置的垂直距離，mm；

h2——

D點(diǎn)從初始位置運(yùn)動(dòng)到下極限位置的垂直距離，mm。

經(jīng)計(jì)算，AD邊為1200mm，h1為600mm，h2為550mm，將數(shù)據(jù)分別代入式（2）、式（3），計(jì)算可得：α=36.87°，β=27.82°。

2.2 噴桿折疊裝置

折疊裝置是噴桿中的重要裝置，噴桿長(zhǎng)度要超過(guò)噴幅要求，即8m以上，為了減小噴藥機(jī)的橫向占地面積，設(shè)計(jì)了折疊裝置。噴桿的折疊力量較小，為減小噴藥機(jī)成本、方便實(shí)現(xiàn)控制，采用電動(dòng)推桿來(lái)實(shí)現(xiàn)折展動(dòng)作。

折疊電動(dòng)推桿的裝置簡(jiǎn)圖如圖3所示，其中ab桿表示中間段噴桿架，ac桿表示右段噴桿架，通過(guò)銷釘a將兩段噴桿銷接，ab桿固定在高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)上，de為折疊電動(dòng)推桿，通過(guò)電動(dòng)推桿的伸縮使ac桿展開或折疊，d、e為電動(dòng)推桿安裝點(diǎn)。

用圖解法確定噴桿在展開和折疊位置時(shí)電動(dòng)推桿安裝位置及安裝孔的中心距離，如圖4所示。并經(jīng)計(jì)算噴桿折展時(shí)所需推力、結(jié)合控制功能需求等，選擇了合適的執(zhí)行部件、驅(qū)動(dòng)部件、動(dòng)力部件及控制部件，確定電動(dòng)推桿的參數(shù)。

2.3 噴藥系統(tǒng)及防飄移裝置設(shè)計(jì)

2.3.1 噴藥系統(tǒng)設(shè)計(jì)

噴藥系統(tǒng)是噴藥機(jī)的核心［7］，在大豆玉米帶狀復(fù)合種植的植保過(guò)程中，由于大豆作物和玉米作物在施藥過(guò)程中存在不同步的問(wèn)題，例如兩種作物的控旺時(shí)期不同，因此控旺藥物在噴施時(shí)可能會(huì)需要間隔一段時(shí)間，此外，在農(nóng)戶施液態(tài)肥料時(shí)會(huì)根據(jù)大豆和玉米的長(zhǎng)勢(shì)選擇施肥的時(shí)期；對(duì)于玉米大豆帶狀復(fù)合種植模式除草作業(yè)而言，兩種作物分屬不同子葉的植物，因此會(huì)產(chǎn)生用藥沖突，不能將藥物裝在一個(gè)藥箱內(nèi)同時(shí)噴施，在噴藥管路中藥物也不能混合；而大豆玉米的用藥量也不相同，因此需要設(shè)計(jì)出兩條互相獨(dú)立的噴藥管路，并且要求這兩條管路的噴施壓力、流量可以獨(dú)立調(diào)節(jié)，所設(shè)計(jì)噴藥系統(tǒng)如圖5所示。

根據(jù)玉米和大豆作物的常見的病蟲害及除草施藥量情況［8， 9］，經(jīng)計(jì)算得到，復(fù)合種植中病蟲害防治作業(yè)時(shí)，大豆施藥350～520L/hm2；玉米施藥量800～1000L/hm2。對(duì)于除草作業(yè)，施藥在700～1000L/hm2，具體施藥量根據(jù)病蟲害情況和草量而定。噴藥機(jī)工作速度在3～5km/h，噴幅為8.8m，根據(jù)玉米大豆的每公頃用藥量可以得出噴大豆管路噴出流量不低于30L/min，玉米管路噴出流量不低于450L/min，單個(gè)藥箱體積為300L，攪拌流量不低于15L/min，因此單管路總的流量應(yīng)當(dāng)不低于45L/min，進(jìn)而進(jìn)行液泵、分水調(diào)壓閥和攪拌器的選型，此處不再贅述。

2.3.2 防飄移裝置設(shè)計(jì)

近年來(lái)許多學(xué)者對(duì)霧滴飄移的影響因素進(jìn)行了分析［1013］，在噴施器具以及操作人員相同的情況下，自然風(fēng)速越大，霧滴飄移量越多，自然風(fēng)還會(huì)影響液滴的蒸發(fā)，風(fēng)速越大，液滴蒸發(fā)越快。為更好地實(shí)現(xiàn)噴霧防飄，噴頭選用ID3系列、防飄移AD系列及IS系列的三種防飄噴頭。在Lechler農(nóng)用噴頭計(jì)算平臺(tái)輸入相關(guān)參數(shù)可計(jì)算出噴頭所需尺寸以及工作壓力，農(nóng)藥的噴施速度根據(jù)計(jì)算結(jié)果以及作業(yè)實(shí)際合理輸入，噴藥機(jī)工作時(shí)的速度取平均行駛速度，根據(jù)工作壓力選擇噴頭噴孔尺寸并且可得到噴霧粒徑，該數(shù)據(jù)是噴霧飄失仿真的重要數(shù)據(jù)。

1） 基于Viscous模型液滴出口速度的仿真。在0.25MPa、0.3MPa、0.35MPa下對(duì)上述各噴頭進(jìn)行仿真分析。在0.3MPa壓力下進(jìn)行仿真分析，得到各系列噴頭速度矢量圖和壓力云圖如圖6所示。

將Fluent分析結(jié)果記錄在表2中。根據(jù)結(jié)果可知，對(duì)三種不同噴頭，當(dāng)噴施壓力變大時(shí)，液滴的出口速度變大。

根據(jù)ISO 25358—2018《Crop protection equipment Droplet-size spectra from atomizers Measurement andclassification》，將農(nóng)業(yè)噴霧大小分成8個(gè)等級(jí)，根據(jù)Lechler農(nóng)業(yè)計(jì)算平臺(tái)，計(jì)算噴施壓力分別為0.25MPa、0.3MPa、0.35MPa時(shí)，各噴頭噴出霧滴的容量中徑VMD，將計(jì)算得到的顏色碼對(duì)比ISO的分級(jí)如表3所示。

2） 基于DPM的飄移仿真與試驗(yàn)。分別對(duì)三種噴頭在3m/s和6m/s兩種風(fēng)速下進(jìn)行前處理，最后求解得到6種工況的液滴軌跡圖，根據(jù)防飄移仿真結(jié)果，在三種防飄噴頭中，防飄效果最好的噴頭是AD90-04噴頭，在不同的噴施壓力下液滴的飄移距離比其他噴頭??；噴頭的噴施壓力越小，噴頭的防飄性能越好，但是不能低于0.3MPa，否則將影響藥物噴施均勻性。圖7為AD90-04噴頭在3m/s風(fēng)速時(shí)，不同壓力下噴出液滴的飄移云圖。

為檢驗(yàn)仿真結(jié)果的正確性，需要進(jìn)行噴頭防飄效果對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程如下：采用3種不同噴頭，在同一噴藥系統(tǒng)中進(jìn)行噴藥試驗(yàn)；用風(fēng)扇模擬自然風(fēng)速，調(diào)整風(fēng)扇的與噴頭的距離，調(diào)整不同的噴施壓力測(cè)量地面上藥液飄移的最遠(yuǎn)距離，作為防風(fēng)遮擋裝置設(shè)計(jì)依據(jù)。

3） 基于飄移仿真試驗(yàn)結(jié)果的防飄移裝置設(shè)計(jì)。在對(duì)防飄移要求嚴(yán)格的化學(xué)除草階段，作物高度在20cm左右，為了不損傷幼苗，噴施高度應(yīng)該距作物15～30cm，在作物的行間噴施，AD90-04噴頭在工作壓力為0.35MPa、噴霧下落高度50cm時(shí)，飄移距離約為0.7m，在設(shè)計(jì)防風(fēng)遮擋裝置時(shí)，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)?shù)膶⒃摼嚯x放長(zhǎng)。

防飄移裝置由高度分帶調(diào)節(jié)桿、防風(fēng)架、遮擋布、遮擋布卷?xiàng)U、噴頭安裝桿及加強(qiáng)條等組成，高度分帶調(diào)節(jié)桿主要功能是適應(yīng)作物生長(zhǎng)過(guò)程的變化；遮擋布主要是防止液滴直接飄向相鄰作物帶，后擋布是為了彌補(bǔ)側(cè)擋布的不足，同時(shí)還能減少噴藥機(jī)在行走時(shí)產(chǎn)生的湍流渦旋對(duì)液滴的影響；防風(fēng)架的寬度能夠滿足將作物帶隔開的要求，在設(shè)計(jì)防風(fēng)架作物帶向長(zhǎng)度時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮噴頭噴出的液滴在受自然風(fēng)影響飄移后能夠落到作物帶上，保證只有飄移的霧滴被遮擋布收集后聚集滴落，因此遮擋布的縱向長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為1.0m。結(jié)構(gòu)如圖8所示。

3 樣機(jī)性能試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)大豆玉米帶狀復(fù)合種植噴藥機(jī)樣機(jī)的工作性能、驗(yàn)證高度調(diào)節(jié)裝置和折疊裝置集成到整機(jī)后的正確性和合理性，對(duì)噴藥機(jī)的高度調(diào)節(jié)裝置、折疊裝置、防飄移能力進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)方案及評(píng)價(jià)指標(biāo)依據(jù)GB/T 24677.2—2009《噴桿噴霧機(jī) 試驗(yàn)方法》［14］和GB/T 24682.2—2015《植物保護(hù)機(jī)械噴霧機(jī)飄移量分級(jí)（第1部分）》［15］進(jìn)行。

3.1 高度調(diào)節(jié)試驗(yàn)

為驗(yàn)證高度調(diào)節(jié)裝置集成到整機(jī)后的正確性和合理性，對(duì)噴桿高度調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程如下：將高度調(diào)節(jié)液壓缸分別調(diào)整到完全伸出狀態(tài)和完全收縮狀態(tài)，用米尺測(cè)量噴桿架的下端到地面的垂直距離，采用三點(diǎn)法分別測(cè)量左側(cè)噴桿架、右側(cè)噴桿架及中段噴桿架。

經(jīng)測(cè)量，樣機(jī)實(shí)際的高度調(diào)節(jié)裝置其上極限位置最低能夠調(diào)整到157.7cm，能夠用于玉米生長(zhǎng)中期化學(xué)控旺階段的作業(yè)；噴桿架下極限位置最小離地高度為47.4cm，雖然中間段噴桿架的該數(shù)值略高于兩側(cè)噴桿架，但是該差距可以依靠分帶調(diào)節(jié)功能消除，因此噴桿架高度調(diào)節(jié)裝置是完全能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)玉米大豆的化學(xué)除草階段及化學(xué)控旺階段進(jìn)行作業(yè)的。

3.2 噴桿折展試驗(yàn)

將噴桿兩側(cè)的折疊電動(dòng)推桿分別運(yùn)行到完全伸出和完全收縮狀態(tài)，分別測(cè)量?jī)蓚?cè)噴桿架和中間段噴桿架鉸接處的角度，展開角和折疊角即折疊電動(dòng)推桿完全伸出和完全縮回時(shí)兩側(cè)噴桿架和中間噴桿架在鉸接處形成的角度。

對(duì)于噴桿的展開必須計(jì)算噴桿的橫向偏移量，偏移量應(yīng)當(dāng)在一個(gè)合理范圍之內(nèi)，這個(gè)合理范圍是指能夠保證各噴頭在其指定的工作帶內(nèi)工作，如圖9所示，其中A1～A6表示靠近作物帶邊的噴頭，B1～B6表示作物帶內(nèi)側(cè)噴頭，最大偏移距X指由折疊裝置展開不到位導(dǎo)致實(shí)際工作時(shí)噴桿末端與理想狀態(tài)下噴桿末端的距離，H指兩相鄰帶邊噴頭的距離，該距離的一半可作為噴桿允許的最大偏離距，根據(jù)Lechler官網(wǎng)公布的噴頭的安裝標(biāo)準(zhǔn)，H應(yīng)大于30cm。

經(jīng)計(jì)算，左、右兩側(cè)噴桿架最大偏移距分別為1.57cm、1.05cm，均小于H/2，因此噴桿架在展開時(shí)實(shí)際的最大偏移對(duì)噴藥機(jī)的工作可靠性并不會(huì)產(chǎn)生影響。

3.3 正交試驗(yàn)

試驗(yàn)當(dāng)日的風(fēng)速為3.4～5.4 m/s。為驗(yàn)證噴藥機(jī)的行駛速度、噴施壓力和噴施高度對(duì)噴藥機(jī)跨帶飄移的影響并找出最佳的工況組合，采用L9（34）的正交試驗(yàn)表設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)方案進(jìn)行飄移霧滴沉積試驗(yàn)，試驗(yàn)因素水平如表4所示，試驗(yàn)結(jié)果列于表5中，A、B、C為各因素編碼值。液滴沉積數(shù)量指與施藥作物帶相鄰的作物帶上試紙收集的藥液沉積，該處收集的液滴數(shù)量越多，說(shuō)明藥物跨帶飄移越多。

從正交試驗(yàn)來(lái)看，第6組試驗(yàn)組合時(shí)延噴藥機(jī)運(yùn)動(dòng)方向的飄移量最少，該組合為A2B3C1，即噴施高度為25cm，噴施壓力為0.35MPa，行駛速度為3km/h。

利用極差分析法研究各因素對(duì)跨帶飄移的影響，極差分析如表6所示，表中K1、K2和K3分別表示每個(gè)因素下各個(gè)水平的平均值。由表6可以看出，對(duì)液滴沉積數(shù)量影響最大的是行駛速度，最合理的行駛速度是3km/h。

3.4 防飄移性能試驗(yàn)

根據(jù)正交試驗(yàn)的結(jié)果，在噴藥機(jī)最佳的工況組合下進(jìn)行防飄移性能試驗(yàn)，即噴藥機(jī)的運(yùn)行速度為3km/h，噴頭距作物高度25cm，噴施壓力0.35MPa下進(jìn)行該試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程如下：打開大豆帶噴藥管路的藥泵進(jìn)行噴施，在相鄰的兩個(gè)玉米帶將水敏試紙（30mm×80mm）用回形針夾在玉米作物的葉片上，兩條相鄰的玉米帶共四行玉米分別擺放3張?jiān)嚰?，縱向間隔1.5m，如圖10所示。記錄每張?jiān)嚰埳系囊旱螖?shù)量；采用普通噴頭并撤去防風(fēng)罩，更換水敏試紙，用同樣的方法記錄水敏試紙上液滴，將兩次收集的試紙進(jìn)行對(duì)比，用式（4）計(jì)算防飄率，兩次試驗(yàn)的結(jié)果記錄在表7中，其中Y1表示在采用了防飄噴頭并加裝了防風(fēng)罩的情況，以這種條件下的飄移沉積量作為被測(cè)噴藥機(jī)飄移沉積量；Y2表示將防風(fēng)罩撤去并使用普通噴頭的情況，以這種條件下的飄移沉積量作為基準(zhǔn)噴藥機(jī)飄移沉積量。

dred=dRS-dCSdRS×100%

（4）

式中：

dred——防飄率；

dRS——基準(zhǔn)噴藥機(jī)飄移沉積量；

dCS——被測(cè)噴藥機(jī)飄移沉積量。

經(jīng)計(jì)算，12個(gè)位置的平均防飄率為92.52%，防飄效果很好，經(jīng)分析主要有三個(gè)原因，一是由于在防飄移試驗(yàn)前進(jìn)行了科學(xué)合理的準(zhǔn)備工作。在試驗(yàn)前進(jìn)行正交試驗(yàn)，根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果確定噴藥機(jī)最佳的工況組合；二是所設(shè)計(jì)的防飄移裝置起到了重要的遮擋作用。防飄移裝置三面都有擋布，封閉性非常好；三是選擇了適當(dāng)?shù)膰婎^，根據(jù)實(shí)際作業(yè)環(huán)境對(duì)不同類型噴頭進(jìn)行了仿真和試驗(yàn)，從而確定適合的噴頭。有三個(gè)位置的防飄率低于90%，經(jīng)查看分析有可能是由于大豆帶幅度較寬且植株高度偏低，使該區(qū)域霧滴更易受空間氣流的脅迫擾動(dòng)而產(chǎn)生漂移，同時(shí)經(jīng)查看這三個(gè)位置處于側(cè)擋布前邊緣處，可能樣機(jī)在行駛過(guò)程中由于車速帶來(lái)的氣流影響，后續(xù)將對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行進(jìn)一步研究?jī)?yōu)化，其余位置的防飄率均達(dá)到90%以上，根據(jù)GB/T 24682.2—2015中的防飄率分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，防飄效果達(dá)到了C級(jí)。

4 結(jié)論

1） 根據(jù)大豆、玉米兩種作物的生長(zhǎng)過(guò)程中的差別以及植保農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)合理的分帶調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。整體高度調(diào)節(jié)由液壓驅(qū)動(dòng)完成，分帶調(diào)節(jié)則采用手動(dòng)調(diào)節(jié)，兼顧自動(dòng)化程度、調(diào)節(jié)的便利程度以及成本。

2） 為保證機(jī)器的通過(guò)性，因?yàn)閲姉U尺寸過(guò)大設(shè)計(jì)噴桿的折疊裝置，考慮到控制實(shí)現(xiàn)比較方便，噴桿折疊采用電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)，除提高折疊裝置的安全性能和工作效率外，還避免傳統(tǒng)噴桿裝置用于玉米大豆帶狀復(fù)合種植時(shí)噴施不夠精準(zhǔn)的情況。

3）" 設(shè)計(jì)防飄移裝置。用Viscous模型和DPM模型對(duì)三款防飄移噴頭內(nèi)部流體進(jìn)行仿真分析，根據(jù)仿真結(jié)果選擇防飄性能更好的噴頭并設(shè)計(jì)出防風(fēng)裝置，解決玉米大豆帶狀復(fù)合種植在化學(xué)除草階段藥物的帶間飄移導(dǎo)致的藥害問(wèn)題。

4） 對(duì)樣機(jī)的高度調(diào)節(jié)、折疊裝置性能進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明高度調(diào)節(jié)、折疊裝置可以有效實(shí)現(xiàn)對(duì)玉米大豆的化學(xué)除草階段及化學(xué)控旺階段進(jìn)行作業(yè)；對(duì)樣機(jī)的防飄移性能進(jìn)行試驗(yàn)分析，結(jié)果顯示噴藥機(jī)能減少92.52%以上的液滴飄移。

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