可变行距探入式水稻均匀喷雾系统研制和试验

黄粮粮,周重军,刘木华,蔡金平,肖丽萍,邓方迁,叶洋洋,蒲 闯,蔡 翰

(1.江西农业大学 工学院,南昌 330045;2.江西省通用技术工程学校,江西 九江 330306)

0 引言

我国南方农作物种植主要以水田为主,北方旱地适用的比较先进的大型植保机械并不适合水田作业[1]。若使用无人机作业,存在低空飞行的稳定性难以保证、雾滴普宽及漂移等问题[2]。若以实际到达标靶上的农药量计算,我国农药有效利用率仅在35%左右[3],部分农药渗透污染土壤、水环境,威胁农田生态安全。水稻种植比较密集,很多病虫害发生在水稻中下部,药液很难穿透叶冠层,真正到达病虫害位置的药液更少。例如,褐飞虱与灰飞虱卵产于稻株下部叶鞘或叶片中脉两侧组织中;稻瘟病在水稻根部,茎节、穗颈部谷子和叶片都有发生[4-5]。为此,改善喷雾技术,保护生态环境,提高农药利用率已经刻不容缓[6]。本研究结合山东众合3WP-300自走式喷杆喷雾机动力部分,设计了一种适用于南方水田,可以改变行距,自动调节喷雾高度,且喷头能够探入水稻中下部,可对发生在水稻中下部病虫害施药的喷雾系统。

1 喷雾系统总体结构和工作原理

1.1 总体结构

自走式喷杆喷雾机隔膜泵工作压力为0～3MPa,流量80～100L/min,最大速度8km/h,最大展开喷幅宽5m,整机结构如图1所示(非最大展开状态)。该机主要由车体、控制系统及喷杆系统等组成。其中,离合器控制喷药动力传递,可选择不同的工作状态;控制系统控制药液回路开关及喷杆系统的运动。喷雾系统以车体中心线左右对称,主要由翼支架,一、二级转动装置,升降系统,超声波测距装置,药液回路,喷杆支架和喷头等组成。喷杆以30cm间隔均匀分布在喷杆支架上,共计16个。喷雾作业时,该系统能够自动改变喷雾行距,自动调整喷头施药高度,左右两段分开喷药。

1.车体 2.控制系统 3.药箱 4.隔膜泵 5.一级转动装置

1.2 工作原理

喷雾系统工作原理如图2所示。工作时,发动机动力除用于行走外,分别引出部分动力供给柱塞泵和发电机,柱塞泵液送药箱中药液至各喷头,控制装置控制喷杆系统的旋转动作和药液管路开启。超声波传感器安装在喷杆支架上,显示喷头相对于冠层的实时位置,施药时调整喷头工作高度。

图2 工作原理图

根据不同水稻种植行距,电推杆驱使一级转动装置旋转,改变翼支架与主支架之间的夹角,从而改变喷头在行进方向的作业间距。为方便非作业转场行进,两个喷杆支架中间部分装有折叠装置,与一级转动装置配合,使喷杆支架能够自动折叠与展开。

水稻病虫害发生位置不同,如稻纵卷叶螟啃食水稻冠层叶片、叶蝉主要吸食水稻茎秆和叶鞘汁液、水稻水象甲象咬食水稻根部[7-9]。为把药液有效喷施在水稻冠层以下病虫害发生位置,由主支架安装位置、喷杆安装位置和自动升降装置3部分决定喷头探入水稻叶冠以下对靶施药。前两部分直接在安装时确定,作业时自动升降装置可根据超声波传感器测得距离调整喷杆支架上下运动,最终决定喷头施药高度。

每个主水管上安装2个五通分流阀,分流口通过软管与喷杆逐一连接,可使喷头压力均匀分布。为实现喷头探入水稻丛内时360°喷药,选用十字五眼喷头,其中4个喷头水平方向均匀分布,1个喷头竖直向下。

2 控制系统设计

控制系统控制整个喷雾系统的工作和管路系统开合,所有控制开关集中在驾驶座左边部位。

左右两边药液管路通过2个2W-160-15常闭型电磁阀(流量口径16mm,工作电压12V)分别控制,施药时电磁阀通电,喷幅为5m。在边缘施药时,关闭一个电磁阀喷幅为一半,可以避免田块边缘重喷。一级转动装置选择HBA805型电推杆,行程160mm,推力6 000N控制,控制翼支架收拢和展开。二级转动装置的电推杆为LX800型,推力2 000N,行程150mm,控制副喷杆支架。通过两个转动装置之间的配合,实现喷杆的折叠和喷头工作间距在0～300mm之间调节。

升降系统控制喷头工作高度,主要由LX402型电推杆、导向轨和测距系统构成。测距系统基于ArduinoUno开发板,由HC-RS40超声波测距传感器和1602LCD显示屏组成。电推杆负载2 000N,行程400mm;HC-SR04超声波测距模块探测距离2～450cm。对水稻冠层以下施药时,由于叶片和稻穗的干扰,超声波传感器测不到喷头与地面的距离,所以将喷头与冠层距离显示在LCD屏幕上,该值为传感器与喷头、水稻冠层距离的差。图3为控制系统面板。根据显示值调整喷头到达施药前调查的病虫害部位对靶喷药,在保证传感器可用的情况下,喷头可探入水稻冠层下60cm。

图3 控制系统面板

3 喷雾机试验

为了验证自动变行距探入式喷雾机喷雾效果,现对样机进行室内喷雾均匀性试验和田间防治试验。

3.1 室内试验

试验于2018年8月在江西农业大学江西省现代农业装备实验室进行。

3.1.1 试验材料

喷雾均匀性检测试验使用本课题喷雾机样机进行,试剂为普通自来水,喷头为十字雾化喷头(昆明优网科技有限公司),实际工作压力0.2～0.4MPa,流量50～90L/h。标靶为水敏试纸(重庆六六山下植保科技有限公司),宽3cm、长4cm,是常用检测喷雾效果试纸,遇水在表面形成蓝点污点。使用该公司雾滴分析软件,可计算按规定格式扫描后的水敏试纸上雾滴沉积的覆盖率及雾滴大小等参数。

3.1.2 试验方法

试纸由双面胶固定在小木桩上,每个木桩间隔30cm,成直线水平放置在样机喷头下方50cm处。喷雾机以8km/h的速度匀速行走,边走边喷洒在水敏试纸上方,重复4次,每次取出水敏试纸晾干后扫描,用雾滴分析软件分析。

根据美国农业与生物工程学会( ASABE) 和美国国家标准局572.1标准[10],选取DV0.1、DV0.5、DV0.9标定雾滴粒径分布情况,NMD、DR和雾滴覆盖率(Coverage)作为计算指标。DV0.1、DV0.5、DV0.9分别指按照从小到大的顺序,选取雾滴排序并体积累加,总体积达到10%、50%、90%时所对应的雾滴直径。NMD(Number Median Diameter)是指所排序雾滴序号为所有雾滴序号中间数的雾滴直径。DR(Droplet Diffusion Ratio)表示雾滴扩散比,为NMD与DV0.5的比值,当DR≥0.67时,表明喷洒质量良好[11]。

3.1.3 试验结果与分析

试验表明:通过一级转动装置,可以使翼支架收拢和展开,喷头工作间距在0～300mm之间。

图4为某次试验的喷雾系统半边喷雾效果图。图4中,白点部分为水敏试纸上的雾滴阴影。通过imagepy软件分析雾滴相关喷雾参数。

图4 喷雾机用清水对试纸喷雾效果图

为减少喷雾机振动产生的误差累积,重复多次试验,数据去除最大最小值后取平均值。表1给出十字雾化喷头在0.35MPa压力下的部分雾滴参数。由表1可知,DV0.1、DV0.5和NMD变化差异不大,只有在DV0.9上差异较明显。根据生物最佳粒径理论[12]:防治页面爬虫类害虫类和防治植物病害的雾滴最佳理论分别为40～100μm和30～150μm,将NMD与DV0.5进行比较,发现大部分雾滴直径在上述最佳雾滴谱范围之内。

结合图5数据和图4可知:各个喷头雾滴覆盖率差异不大,雾滴粒径分布较为均匀,且雾滴扩散比DR均不小于0.67水平。试验结果表明,喷雾系统药液管路优化后喷雾均匀性明显提高。

(a) 各喷头雾滴粒径

(b) 各喷头雾滴覆盖率和扩散比

3.2 田间施药试验

第1次试验时间为2017年10月,第2次试验为2018年5月,地点为江西农业大学试验田(见图6)。

图6 水稻农药喷洒试验

3.2.1 试验材料

参照何木兰等的25%吡蚜酮WP防治稻飞虱田间药效试验[13],试验药剂为25%吡蚜酮,用量600g/hm2,兑水量675L/hm2。第1次施药水稻品种甬优538,处于成熟区,株高112.8cm;第2次施药品种为中嘉早17,株高42.7cm。种植方式均为插秧机种植,行距7寸,即230mm。

3.2.2 试验方法

试验田分A、B、C3块,每块宽10m、长20m,且设立宽为2m的保护行。在风速不大于4m/s,天气状况良好情况下喷药。喷雾机行驶速度为5km/h,调节一级转动装置使喷头工作间距达到230mm。在A区药箱装载25%吡蚜酮药液,以常规施药方式即喷头在叶冠上方约20cm处施药;在B区药箱装载同样药液,通过调节自动升降装置将喷头下降至叶冠下方对水稻中下部施药;C区为对照区,不做处理。施药时保持匀速、不重喷与漏喷[14]。为了防止稻飞虱在不同小区内转移,在试验后将3个区域用网膜隔开。

施药前用盆拍法调查害虫数量并记录,用水润湿后的脸盆轻轻插入水稻底部,快速拍击植株中下部,记录震落在脸盆里的稻飞虱数量。分别在施药后4天和7天统计水稻中下部稻飞虱数量(不限虫龄),参照吴咏梅等[15]使用的平行跳跃法,每小区调查5点,每点调查5丛。

计算公式为

(1)

(2)

3.2.3 试验结果与分析

试验完成后,将各项数据进行处理,其平均值如表1所示。

表1 喷雾机不同喷药方式对稻飞虱的防治效果

两次田间施药结果显示:探入式喷药7天后的防治效果分别比常规喷药方式高出18%和14.4%,防治效果均有很大的提高,但在水稻成熟期不同喷药方式防治效果差距更大,因为水稻成熟期冠层密集,药液更难到达根部区域;探入施药时喷头离靶区距离更短,飘移量更少,雾滴有更强的穿透力,沉积量更大。试验表明:该喷雾机相同用药量时,探入式施药在水稻中下部有更大的覆盖率,相对常规施药消耗更少药液即可保证防治效果。

4 结论

针对南北气候差异各地区水稻行距不同,且病虫害发生在水稻不同位置,充分结合实际,研发了一种可变行距探入式水稻喷雾系统。该喷雾系统喷杆支架可以自动折叠与展开,喷头工作间距能在0～30cm任意定点调节;喷头离地高度最大为130cm,最小为10cm,可以探入到水稻冠层以下,对不同位置病虫害施药。试验表明:相同施药量时,该喷雾系统探入施药在水稻中下部有更大的覆盖率,有效提高了农药的利用率,可节约资源、保护环境;且雾滴平均覆盖率较为均匀,雾滴粒径分布差异不大,有良好的喷雾效果。