自走式噴桿噴霧機噴霧沉積特性試驗研究

摘要： 為了探究各因素對噴桿噴霧機噴霧沉積的影響規(guī)律，進一步提高自走式噴桿噴霧機的作業(yè)效率，使用Box-Behnken響應面法，分析并得到前進速度v、工作高度h和噴霧壓力p等影響因素與噴霧沉積特性的數(shù)學模型，根據(jù)回歸分析結果得出各影響因素對噴霧沉積特性的影響程度以及噴霧機最佳工作參數(shù).結果表明：前進速度、工作高度和噴霧壓力均對噴霧沉積特性有顯著影響，影響程度按因素排序由大到小為噴霧壓力，工作高度，前進速度.單位面積霧滴沉積量均值與前進速度和噴頭工作高度成負相關，與噴霧壓力成正相關.沉積量變異系數(shù)與噴霧壓力成負相關，與前進速度成正相關，與工作高度的增加呈先減小后增大的趨勢，這說明在工作高度一定的情況下，增大噴霧壓力或者減小前進速度可以有效提高噴霧機的霧滴沉積均勻性.

關鍵詞： 自走式噴桿噴霧機；前進速度；工作高度；噴霧壓力；霧滴沉積

中圖分類號： S224.3 文獻標志碼： A 文章編號： 1674-8530（2025）01-0094-07

DOI：10.3969/j.issn.1674-8530.23.0172

朱興業(yè)，趙瑩，李向陽，等. 自走式噴桿噴霧機噴霧沉積特性試驗研究［J］.排灌機械工程學報，2025，43（1）：94-100.

ZHU Xingye， ZHAO Ying， LI Xiangyang， et al. Experimental study on spray deposition characteristics of self-propelled boom sprayer［J］.Journal of drainage and irrigation machinery engineering（JDIME），2025，43（1）：94-100.（in Chinese）

Experimental study on spray deposition characteristics

of self-propelled boom sprayer

ZHU Xingye1， ZHAO Ying1*， LI Xiangyang2， QIAN Zhao1， LIU Junping1

（1. National Research Center of Pumps， Jiangsu University， Zhenjiang， Jiangsu 212013， China; 2. Jining Antai Mining Equipment Manufacturing Co.， Ltd.， Jining， Shandong 272300， China）

Abstract： To investigate the influence of multiple factors on the spray deposition of the boom sprayers and enhance the operational efficiency of the self-propelled boom sprayer， the Box-Behnken response surface method was utilized to develop a mathematical model of the influence factors such as the forward speed v， the working height h and the spray pressure p on the spray deposition characteristics. Regression analysis results facilitated the determination of the influence magnitude of these factors on the spray deposition characteristics and identified the optimal working parameters of the sprayer. The results show that the forward speed， working height， and spray pressure all have significant effects on the spray deposition characteristics， and the degree of influence， in descending order of factors， is spray pressure， working height， forward speed. The average droplet deposition per unit area exhibits a negative correlation with the forward speed and the working height of the nozzle， while demonstrating a positive correlation with the spray pressure. The coefficient of variation in deposition amount exhibits a negative correlation with spray pressure， and a positive correlation with forward speed. It initially decreases and subsequently increases with the increase of working height. This suggests that， at a given working height， increasing spray pressure or reducing forward speed can effectively improve the uniformity of droplet deposition in the sprayer.

Key words： self-propelled boom sprayer;forward speed;working height;spray pressure;droplet deposition

隨著現(xiàn)代農業(yè)朝著機械化、自動化的發(fā)展趨勢以及廣大農民對降低勞動強度、改善勞動環(huán)境的迫切需求，噴桿噴霧機在中國受到越來越多的關注［1］.噴桿噴霧機作為一種高效的大田植保機械，具有作業(yè)效率高、霧滴覆蓋率高、沉積分布均勻、防治效果好等優(yōu)點，適合大面積噴灑各種農業(yè)、肥料和植物生產調節(jié)劑等液態(tài)制劑［2-4］.霧滴沉積量［5］和沉積均勻性是衡量自走式噴桿噴霧機噴灑質量的重要參數(shù)之一.影響霧滴沉積的因素眾多，噴霧機行走速度、工作高度和噴霧壓力等均會對霧滴沉積產生影響［6］.

AHMAD等［7］以無人機噴霧系統(tǒng)為研究對象，發(fā)現(xiàn)不同的飛行高度和速度均會對噴霧沉積特性具有顯著影響.TESKE等［8］總結了一種基于噴霧模型AGDISP所采用的Lagrangian分析方法，該模型預測了任何一組初始條件下施用區(qū)域下風處的噴霧沉積.LAMARE等［9］設計了一種風送式噴桿噴霧機，可以改善冠層噴霧沉積和噴霧漂移潛力.WAWRZOSEK等［10］根據(jù)歐洲的噴霧標準設計了一種用于噴桿噴霧機上的噴嘴，優(yōu)化了噴桿噴霧機噴霧沉積變異系數(shù)，提高了噴霧均勻性.

宋堅利等［11］以不同霧流方向角、不同噴霧壓力和前進速度為因素進行了噴霧試驗，結果表明前進速度會對最佳霧流方向角產生影響.高雪晴等［12］采用正交試驗方法探究離心式霧化液滴在不同流量和轉速下的沉積規(guī)律.李文偉等［13］設計一種丘陵果園自走式小型靶標跟隨噴霧機，相比于非對靶噴霧，可有效提高霧滴分布均勻性.徐德進等［14］研究了自走式噴桿噴霧機噴霧參數(shù)在水稻不同生長時期的農藥利用率和霧滴沉積分布的影響，結果表明噴霧壓力和施藥液量對農藥利用率、分布均勻性及水稻莖稈基部霧滴密度有顯著影響.

綜上可知，目前對自走式噴桿噴霧機的研究一般都是針對噴桿噴霧機的某一方面，而在多因素對噴桿噴霧機噴霧沉積特性方面的影響研究較少涉及.文中以自走式噴桿噴霧機為研究對象，在正交試驗的基礎上使用Box-Behnken響應面法［15］，分析前進速度、工作高度和噴霧壓力等影響因素與噴霧沉積特性的數(shù)學模型，根據(jù)回歸分析結果以期得出單位面積沉積量最大、噴霧沉積量變異系數(shù)最小時的噴霧機工作參數(shù).

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

試驗裝置如圖1所示，主要包括自走式噴桿噴霧機和噴霧系統(tǒng)、壓力表（量程0～0.6 MPa，精度0.02）和閥門構成的壓力調節(jié)裝置、取樣及分析裝置等.使用閥門對壓力進行調節(jié)，用壓力表監(jiān)測壓力.

1.1.1 自走式噴桿噴霧機

圖2為自走式噴桿噴霧機，選用履帶式底盤，配置可升降折疊桁架（圖中為桁架折疊形式）.

該噴霧機使用遙控器遠程控制作業(yè)，通過遙控器傳遞信號至電動控制系統(tǒng)驅動電動機帶動減速機驅動履帶輪，實現(xiàn)噴霧機的前進、后退及轉向功能.噴霧系統(tǒng)以蓄電池為動力源，采用加壓霧化原理通過液泵對藥液進行加壓并將藥液順著軟管輸送至噴頭處進行霧化及噴灑.

1.1.2 取樣及分析裝置

取樣裝置主要由收集噴霧的水敏紙、雙頭夾子和采樣支架組成，用于收集噴霧機噴霧霧滴.分析裝置包括掃描儀和用于分析獲得水敏紙霧滴沉積量的軟件imagepy-master.

1.2 沉積試驗方案

1.2.1 試驗方法

試驗在江蘇大學的無風噴灌實驗大廳進行.試驗利用水敏紙遇水變藍的特性，在噴霧機前進方向兩端各設置8個共16個采集點，每個采集點相距50 cm；利用夾子將水敏紙夾持在采樣支架上，采樣支架高50 cm，確保兩端水敏紙都各自朝向一個方向.試驗現(xiàn)場如圖3所示.為保證噴霧及收集的有效性，噴霧機在距離采集點8 m處開啟噴霧并調整壓力，壓力由壓力表讀出，待噴霧穩(wěn)定后讓噴霧機按照設定的速度前行通過采集區(qū)，離開采集區(qū)8 m后關閉噴霧.每組試驗重復3次，取平均值作為各采集點單位面積沉積量的有效值.

試驗時為防止造成農藥中毒，減少對操作人員的危險性，在試驗中使用純水代替農藥.每組試驗完成后，將水敏紙按次序取下并編號、晾干之后裝入密封袋，用掃描儀將水敏紙掃描成灰度圖像，使用imagepy-master軟件對灰度圖像進行閾值化處理，通過分析閾值化后的圖像，黑色區(qū)域表示涂滿水的部分，白色區(qū)域表示未涂滿水的部分.沉積量可以通過黑色區(qū)域的面積或像素數(shù)量表示.分析出各組試驗中每個霧滴采集點樣本的霧滴沉積量.

1.2.2 響應面法試驗方案

Box-Behnken響應面法主要是通過設計多組試驗，探索多因素系統(tǒng)中因素之間的相互作用，可以有效地構建響應面模型，用以描述因素之間的相互作用，獲得因素和響應值之間的函數(shù)表達式，從而可以得到最佳的因素組合和最優(yōu)的響應值［16］.

以噴霧機前進速度v、工作高度h（噴嘴距水敏紙的垂直距離）和噴霧壓力p作為影響因素，將霧滴單位面積沉積量均值Y1和沉積變異系數(shù)Y2作為評價指標，在單因子試驗的基礎上再在Design-Expert軟件中使用Box-Behnken響應面法設計試驗方案并處理數(shù)據(jù).響應面設計因素及水平表見表1.

1.2.3 數(shù)據(jù)處理方法

霧滴單位面積沉積量可以用于反映噴霧機噴灑在作物上霧滴數(shù)量，是衡量噴霧機噴霧性能好壞的一個重要標準，而霧滴分布均勻性是決定噴霧質量的關鍵指標.變異系數(shù)作為衡量數(shù)據(jù)離散程度的重要參數(shù)，可以反映自走式噴霧機噴霧時的霧滴單位面積沉積量的均勻性［17］.每組試驗的霧滴單位面積沉積量X和變異系數(shù)CV計算公式分別為

X=1n∑ni=1Xi， （1）

S= 1n-1 ∑ni=1（Xi-X）2，（2）

CV=（S/X）×100%，（3）

式中：X為每組試驗收集到的霧滴單位面積沉積量均值，μL/cm2；Xi為每組試驗中每個收集點的霧滴單位面積沉積量，μL/cm2；n為每組試驗采集點數(shù)量；S為同組試驗數(shù)據(jù)的標準差；CV為同組試驗數(shù)據(jù)的變異系數(shù).

2 試驗結果與分析

2.1 單因素試驗分析

2.1.1 噴霧壓力對霧滴沉積的影響

圖4為前進速度為0.8 m/s、噴頭工作高度為60 cm的工況下，噴霧壓力對沉積分布特性的影響.從圖中可以看出，霧滴單位面積沉積量均值隨著噴霧壓力增大而增大，這是因為噴霧壓力增大后噴頭流量也會相應增加，從而使得總的沉積量增加也即單位面積沉積量均值增加.但隨著噴霧壓力增大，單位面積沉積量均值的增長率減小，這是因為隨著壓力增大，霧滴粒徑變小而更容易飄失，使得沉積量減少從而導致增加趨勢變緩.霧滴沉積變異系數(shù)隨著壓力增大而減小，是因為隨著壓力增大，噴頭噴射角變穩(wěn)定，霧滴沉積分布得更為均勻，且隨著壓力增大，變異系數(shù)減小幅度變大.

2.1.2 噴霧機前進速度對霧滴沉積的影響

圖5為噴霧壓力0.35 MPa、噴頭工作高度為60 cm時，前進速度對沉積分布特性的影響.從圖中可以看出，霧滴單位面積沉積量均值隨著噴霧機前進速度增大而減小，這是因為隨著噴霧機前進速度增大，霧滴飄失量增多，導致沉積量減少，且減少幅度基本沒有變化.而霧滴沉積變異系數(shù)以及增長率隨著噴霧機前進速度增大而增大，這是因為隨著噴霧機前進速度的增大，霧滴飄失情況越來越嚴重從而導致霧滴沉積分布均勻性越來越差，且變異系數(shù)的增大趨勢隨著噴霧機前進速度增大而增大.

2.1.3 噴頭工作高度對霧滴沉積的影響

圖6為在噴霧壓力0.35 MPa、噴霧機前進速度0.8 m/s時，工作高度對沉積分布特性的影響.由圖可見，霧滴單位面積沉積量均值隨著噴頭工作高度增大而降低且降低幅度變大，這是因為隨著噴霧高度增大，霧滴飄失量也隨之增加，導致霧滴沉積變少.霧滴沉積變異系數(shù)隨著噴頭工作高度增大呈先減小后增大的趨勢，這是因為隨著噴頭工作高度越高，落到水敏紙上的霧滴粒徑越小，噴霧越均勻，但隨著高度增大霧滴飄失程度也越來越嚴重，且霧滴在空氣中的蒸發(fā)量也隨之增加，減少了霧滴在水敏紙上的沉積量，最終導致霧滴沉積均勻性變差.

2.2 沉積模型的建立及分析

2.2.1 Box-Behnken試驗法試驗結果

為了獲得影響噴霧沉積因素之間的相互作用關系，得到噴霧機的最佳工作參數(shù)，利用Box-Behnken試驗法設計出的試驗方案和結果見表2，共15組試驗，其中1—12為析因試驗，13—15為中心試驗，用以分析失擬項，估計試驗誤差.

2.2.2 沉積模型的建立

將表2中的15組試驗數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合、方差分析和回歸分析，霧滴單位面積沉積量均值響應面回歸模型分析見表3.由表可知，模型顯著性檢驗P為0.000 8，失擬項P值為0.486 3，說明模型具有統(tǒng)計學意義（Plt;0.01），失擬不具有統(tǒng)計學意義，擬合程度高.其中p，h，pv，vh，v2，h2對霧滴單位面積沉積量均值的影響具有統(tǒng)計學意義，噴霧壓力p與前進速度v交互影響具有統(tǒng)計學意義，前進速度v與工作高度h交互影響具有統(tǒng)計學意義，p與h交互影響不具有統(tǒng)計學意義.此外，對霧滴單位面積沉積量均值的顯著性影響程度按因素排序由大到小為p，h，v.

霧滴單位面積沉積量均值的回歸模型為

Y1=2.15－4.66p+0.46v+0.11h+7.347 8pv－3.03×10－3ph－0.02vh－1.57p2－1.16v2－9.22×10－4h2.（4）

霧滴沉積變異系數(shù)響應面回歸模型分析結果見表4.由表可知，模型顯著性檢驗P值為0.000 4，失擬項P值為0.127 4，說明模型具有統(tǒng)計學意義（Plt;0.01），失擬不具有統(tǒng)計學意義，擬合程度高.其中p，h，pv，vh，p2，v2，h2對霧滴單位面積沉積量均值的影響具有統(tǒng)計學意義，噴霧壓力p與前進速度v交互影響具有統(tǒng)計學意義，前進速度v與工作高度h交互影響具有統(tǒng)計學意義，噴頭壓力p與工作高度h交互影響不具有統(tǒng)計學意義.此外，對霧滴單位面積沉積量均值的顯著性影響程度按因素排序由大到小為噴霧壓力p，工作高度h，前進速度v.霧滴單位面積沉積量變異系數(shù)的回歸模型為

Y2=119.71－218.56p+19.38v－1.56h－114.00pv－1.05ph－0.88vh+447.35p2+30.56v2+0.03h2.（5）

2.2.3 響應面模型分析

圖7為交互因素對霧滴單位面積沉積量均值影響的響應面.由圖7a可知，隨著噴霧壓力和前進速度增大，霧滴單位面積沉積量均值呈先減小后增大的趨勢，且在噴霧壓力最小和前進速度最大時達到最小值3.332 μL/cm2.由圖7b可知，隨著噴霧壓力升高和工作高度降低，霧滴單位面積沉積量均值呈增大的趨勢，霧滴單位面積沉積量均值在噴霧壓力為0.50 MPa、噴頭工作高度約為50 cm時達到最大值5.010 μL/cm2.由圖7c可知，霧滴單位面積沉積量均值隨著前進速度和噴頭工作高度增加呈先增大后減小的趨勢，約在前進速度為0.4 m/s、噴頭工作高度為55 cm時達到最大值4.820 μL/cm2.

圖8為交互作用對霧滴沉積量變異系數(shù)影響的響應面.由圖8a可知，霧滴沉積量變異系數(shù)隨著噴霧壓力和前進速度增大，呈先減小后增大的趨勢，約在噴霧壓力為0.40 MPa、前進速度為0.8 m/s時取得最小值39.90%.由圖8b可知，霧滴沉積量變異系數(shù)隨著噴霧壓力和工作高度增大而減小，在噴霧壓力約為0.40 MPa、噴頭工作高度為55 cm時取得最小值38.80%.

由圖8c可知，隨著前進速度和噴頭工作高度增大，霧滴沉積量變異系數(shù)先減小后增大，約在前進速度為0.8 m/s、噴頭工作高度為55 cm時取得最小值40.10%.

2.3 噴霧機最佳工作參數(shù)及模型驗證

為了確定自走式噴桿噴霧機的最佳工作參數(shù)，使用Desgin-Expert軟件對模型進行處理分析，求得在滿足霧滴單位面積沉積量均值最大和霧滴沉積量變異系數(shù)最小時的噴霧壓力、前進速度和工作高度的值.分析結果：在壓力為0.49 MPa、前進速度為1.0 m/s、噴頭工作高度為64 cm時霧滴單位面積沉積量均值為4.992 μL/cm2，變異系數(shù)為40.27%，此時為噴霧機的最佳工作參數(shù)組合.

進行試驗驗證時為方便試驗，將噴霧機最佳工作參數(shù)組合修改為壓力0.50 MPa，前進速度1.0 m/s，噴頭工作高度65 cm，通過模型計算出此時的霧滴單位面積沉積量均值為5.030 μL/cm2，霧滴沉積量變異系數(shù)為40.83%.為了驗證模型的可靠性，對最佳因素組合進行試驗驗證，試驗重復3次，試驗驗證見表5，表中e為誤差.

從表5可知，霧滴單位面積沉積量均值和霧滴沉積量變異系數(shù)的試驗結果和模型預測結果的預測誤差在10.0%以內［18］，預測值與實際測量值相差不大，吻合程度較高，說明模型預測效果可靠.

3 結 論

1） 霧滴單位面積沉積量均值受噴霧壓力、工作高度的影響顯著，各因素按照對霧滴單位面積沉積量均值影響的顯著性進行排序由大到小為噴霧壓力、工作高度、前進速度.

2） 霧滴沉積量變異系數(shù)受噴霧壓力、工作高度的影響顯著.各因素對霧滴沉積量變異系數(shù)的顯著性影響程度排序由大到小為噴霧壓力、工作高度、前進速度.在各因素的水平范圍內，霧滴沉積量變異系數(shù)隨著噴霧壓力增大而減小，隨前進速度增加而增大，隨著工作高度增加而減小，但超過一定高度后變異系數(shù)又會增大.

3） 根據(jù)模型綜合求解并提出了霧滴單位面積沉積量均值最大、霧滴沉積量變異系數(shù)最小時噴桿噴霧機的工作參數(shù)：壓力0.50 MPa，前進速度1.0 m/s，工作高度為65 cm.該工作參數(shù)可以實現(xiàn)自走式噴桿噴霧機霧滴沉積量和均勻性的最優(yōu)匹配.

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（責任編輯 張文濤）

收稿日期： 2023-09-07； 修回日期： 2023-10-12； 網絡出版時間： 2025-01-06

網絡出版地址： https：//link.cnki.net/urlid/32.1814.TH.20250106.1345.014

基金項目： 江蘇大學農業(yè)裝備學部項目（NZXB20210101）；江蘇省研究生科研與實踐創(chuàng)新計劃項目（SJCX22_1871）

第一作者簡介： 朱興業(yè)（1982—），男，浙江永康人，研究員，博士（zhuxy@ujs.edu.cn），主要從事流體機械及排灌機械研究.

通信作者簡介： 趙瑩（1999—），男，河南南陽人，碩士研究生（wfn_zhaoying@163.com），主要從事流體機械及排灌機械研究.