Y型棚架式果园的3WZ-300风送喷雾机设计与试验

王 杰，邱 威，丁为民，张镇涛，闻桢杰，苏永喜

(南京农业大学 工学院，江苏 南京 210031)

近年来，我国引进并应用棚架栽培技术，利用金属、竹、水泥柱等材料搭成棚架，支撑果树树冠，通过合理、科学的栽培技术，实现水果的优质丰产。其中，苏南观光梨园采用Y字树形的整形技术，该技术树冠形成快、抗风能力强、早期丰产，方便机械化作业。韩国园艺所的试验表明，一般栽植4～6年的梨树，在密植条件下Y字树形比开心树形可增产 5～10 倍，栽植后第 7～8 年，每 1000 m2产量达3～5 t[1-3]。在目前对梨品质要求较高的形势下，棚架栽培具有明显的优势。经栽培试验表明，Y型棚架树体结构简单，操作方便，高产稳产，较适合新发展的苏南地区梨园[4]。

果园施药技术目前向着精准化、智能化和信息化发展，主要研究方向有仿形喷雾[5-6]、变量喷施[7]、视觉与传感技术辅助喷施等[8-9]。探究喷雾参数影响规律并进行针对性喷施是目前主要研究方向，前人已在此方向做出大量研究，如进行冠层体积计算[10-13]、通过传感器控制风量雾量等方法达到节约药量的效果[14-17]，通过试验探究喷雾因素影响，确定不同参数对施药效果的影响规律，继而对喷雾机进行调整，研究表明，施药效果受到作业速度、喷雾高度以及风速等因素影响[18-20]，根据冠层信息调节至理想参数，并实现仿形喷雾，有助于提高施药效果[21-22]，但以上大部分针对的仍是传统的纺锤形或开心形梨树，很少有针对新型棚架技术施药的研究。

根据实际调研得知，棚架果园使用传统喷雾机，经常出现以下情况：小喷量喷雾机无法覆盖整个冠层，大喷量喷雾机无差别喷雾在冠层下方较为冗余，农药浪费严重，沉积在土壤中的农药被作物吸收并富集于植物器官中，继而影响产品品质，且药量较大对作业人员的身体健康产生不利影响[23-24]。针对上述问题，本文以烨佳梨园Y型棚架梨树为对象，以机具小型化和提高农药利用效率，减小药液地面沉积为目标，设计一款风送喷雾机，并结合试验数据进行分析优化，探究不同参数对棚架梨树施药效果的影响规律。

1 机具设计

1.1 喷雾机设计指标

棚架梨树行距 5 m，株距 3 m，主干高约 0.8 m，上方冠层枝条沿棚架向两侧分离，无主干，梨树高度约2.5 m。机具使用拖拉机作为动力源，节约自走底盘等部件的成本，且方便更换牵引机具，综合成本较低。相较于传统梨园，棚架式梨园的机具活动范围较小，对机具的灵活性、小型化要求较高，大型牵引式喷雾机在作业、转弯时均较为不便，故初步拟定设较为小型的悬挂式喷雾机，喷雾机宽度不超过拖拉机最大宽度。

机具设计功率不超过10 kW，可挂载于中小型拖拉机，药箱容积可支撑单次作业30 min以上，喷雾机向两侧施药，单次作业2行，喷幅与梨树行距相同(5 m)；梨园现使用的传统高塔式喷雾机共20个喷头，经测量，其单位面积施药量为1 333去除非向树冠施药喷头后，共有10个喷头有效作业，施药量约670，拟定本喷雾机喷雾量最多不 超过600，故药箱容积大于300 L。

1.2 喷雾机结构及工作原理

如图1所示，喷雾机由机架、风机、药泵、可调节导风管以及传动系统组成。喷雾机架由方钢、角铁等材料焊接而成，其上方为药箱托架以及出风口支撑架，下部分为传动系统底座以及风机卡槽，并于其上焊接三点悬挂连接件。

图1 3WZ-300风送喷雾机总体结构示意图Fig.1 Overall structure of 3WZ-300 type air-assisted sprayer

如图2所示，作业时，机具以拖拉机后动力输出轴为动力源，通过万向节联轴器带动轴1转动，轴1通过带传动驱动药泵，同时利用带传动1∶2增速带动轴2，轴2与轴3通过无级调速装置连接，旋转此装置可进行无级变速，最大可进行2倍增速，轴3通过带传动连接风机轴承座，继而带动风机转动，气流由风机进入导风装置，最后由出风口射出；同时轴1通过带传动驱动药泵，药泵使药液通过管路到达喷头处雾化并喷射至外界，被气流带至冠层内。

图2 3WZ-300风送喷雾机传动系统结构示意图Fig.2 Transmission system structure of 3WZ-300 type air-assisted sprayer

2 机具设计

2.1 风机选型

根据果园调研得知，棚架梨树树枝主要集中于棚架处，厚度约0.5 m，棚架距离喷雾机垂直距离约1 m，距离较短，针对这一情况，置换原则计算需风量较为合理[25]，如图3所示，单位时间内风机风量(Q)的计算公式为：

图3 Y型棚架梨树置换原则示意图Fig.3 Replacement principle of Y-typed trellis tree

求得被置换的风量Q=1.475 m3/s ，即Q=5 310 m3/h 。拟定3WZ-300风送喷雾机风量Q=1.5 m3/s，即Q=5 400 m3/h 。

机具出风口距果树垂直距离为1.1 m，以此距离为喷雾机射流提供数据支持。

根据末速度原则公式

得到

式中：v2 是气流到达树体的末速度；v1 是导风装置出口风速；H1 是单侧出风口总长度；H2 是树高。求得v1=19.4 m/s

根据气体自由淹没射流运动特性关系式轴线速度公式：

式中：a是试验系数；s是喷口至任一断面处距离；R0是导风装置出口风半径。其中，a的范围为0.066～0.080，当喷口速度比较均匀且扰动较小时取小值，反之取大值，由于导风装置出风口处风场较为复杂，扰动较为强烈，故取其最大值0.08，计算出1.1 m距离处气流末速度

关于圆形喷嘴射流理论，根据不可压三元定长紊流自由射流主段流速分布推导结果公式得知

式中：d0是导风装置出口风直径；求得1.1 m距离处气流末速度 v2=11.12 m/s。

式(5)结果大于式(4)结果，并均大于实际测量结果，结合公式推导过程及试验过程分析，初步判定其较大原因是公式推导过程较为理想化，而导风装置内部形状较为复杂，试验过程中一定程度上受外界影响，故其结果较推导结果偏小，但结果相近，有一定指示参考作用，表明当风速为19 m/s时符合果树最大需风要求。由于喷雾机向两侧多出口喷雾，导风装置结构较为复杂，阻力较大，拟选择离心风机作为风源，将上述结果设定为额定值，结合厂家手册得知，4-72式离心风机为常用工业风机，工作介质为常规空气，其风量跨度较大，风压相对轴流风机较高，满足使用要求，根据此风量，初步拟定选用4-72-3.6c型离心风机，其参数如表1所示。

表1 4-72-3.6c式风机参数Table 1 Parameters of 4-72-3.6c fan

风机转速为2900 r/min时，由于导风装置阻力远小于989 Pa，根据表1可知风机理论风量可达到风机功率3 kW，满足喷雾机需求。

2.2 导风装置设计

导风装置出风口面积(S2)计算公式为：

如图4所示，由于棚架梨树的树冠形状较为特殊，横向喷雾会使得地面沉积量过大，农药浪费严重，结合实际需要，拟将导风装置出风口垂直于棚架，喷雾中心延长线通过树冠中层水平线与棚架交点，两侧各4个出风口，由于中间冠层较厚，故冠层中部对应2个，上下部分各1个。

图4 不同角度的喷雾方式对比Fig.4 Comparison of spraying methods from different angles

综上所述，拟定导流装置出风口形状为圆形喷雾机两侧各有4个出风口，其总面积S2=0.078 9 m2，各出风口直径d=112 mm，而导风装置与风机连接，其进风口形状与风机出风口形状一致，确定导风装置进风口与出风口尺寸后，将确定导风装置整体形状及尺寸，并对其阻力进行估算，导风装置大致分为3个部分，如图5所示。

图5 导风装置示意图Fig.5 Schematic diagram of air guiding device

导风装置进风口底部与离心风机出风口连接，由下向上形状逐渐变化为圆形，与整流管连接，结合喷雾机高度限制，拟定此部分高度300 mm；整流管的作用是改变风向，使离心风机吹出的气流正对梨树冠外侧，即达到图4b的效果，考虑到加工便利性，整流管横截面为圆形，其横截面积与单侧导风装置出风口面积之和相同[26]，具体尺寸将进行仿真分析后确定；由于棚架梨树树形特殊，其冠层中间密度较高，树冠顶部与底部枝叶较少，故设置2个出风口对树冠密度较高的部位进行送风喷雾，两端出风口倾斜30°，整体根据树冠厚度进行风量与雾量分配。

导风装置形状确定后，通过阻力计算公式计算其空气阻力，局部阻力公式为：

摩擦阻力公式为：

计算出导风装置总阻力为260 Pa，此阻力小于离心风机全压范围的最小值。

为了便于探究出风口高度对喷雾效果的影响，装置底部与出风口用PVC管连接，可通过改变连接螺栓位置调整出风口高度。

通过测量得知，机器稳定运转时，流量不变的情况下，空气在管路内运行时，管径越大，流速越小，流动阻力也越小，导风装置设计过程中，其进风口与出风口尺寸已确定，考虑到加工便利性以及成本，其中部使用弯管作为过渡区域，导风装置形状较为复杂，根据常规通风计算方法无法确定其流动状态，本文遵循面积相近原则，保持中段弯管截面积与出风口截面积之和相同，由上述计算过程可知，单侧4个出风口面积之和为，此面积介于220与230 mm圆管截面积之间，便拟定选用这2个尺寸之一的弯管作为过渡区，将模型导入ANSYS Workbench平台进行处理，对导风装置进行建模并将其导入Workbench，采用ICEM对模型进行网格划分，对几何模型进行区域离散，适当调节网格密度，对出风口处进行网格加密，使其满足条件，如图6所示。

图6 导风装置网格划分Fig.6 Meshing of air guiding device

选择Fluent模块对其求解，迭代运算后，对采用2个尺寸弯管的速度云图与压力云图进行对比分析可知，220 mm管道折弯处区域速度明显增大，压力明显降低，两侧最低出风口速度明显较低，速度云图显示其速度为16～20 m/s，而最高处出风口速度明显较高，为 32～36 m/s；中段管径为 230 mm的导风装置压力分布均匀，其出风口压力与速度分布较为均匀，故优先选择230 mm弯管作为导风装置过渡段。

2.3 喷雾系统设计

图7为3WZ-300型风送喷雾机的喷雾系统示意图。喷雾系统主要包括液泵(包含压力表及调压装置)、药箱、喷头、分流器以及三通软管等。利用药泵回流对药箱内部药液进行搅拌，防止农药分层或沉淀，药液由药泵排出后经分流器分流进入管路，最终进入喷头并雾化喷出。

图7 3WZ-300风送喷雾机喷雾系统示意图Fig.7 Spray system structure of 3WZ-300 type airassisted sprayer

根据果园《GB/T 17997—2008 农药喷雾机 (器)田间操作规程及喷洒质量评定》[27]要求，喷雾机杀虫灭菌使用圆锥雾喷头，且药箱回流搅拌量不少于药箱体积容量的5%。设计的喷雾压力为0.4 MPa，本喷雾机共8个喷头，经测量其在0.4 MPa压力下喷量为 1.3 L/min，即喷头总喷量为 10.4 L/min，根据设计要求，喷雾机单次作业时间不少于30 min，药箱容积拟定310 L，根据上述国标要求，药箱回流搅拌量不少于药箱体积容量的5%，约15 L/min，故药泵流量至少需达到25 L/min，综上所述，选用联农LL-88 型柱塞泵，额定流量 20～35 L/min，额定功率3 kW，满足喷雾机需求。

3 田间试验

3.1 试验条件

试验时间：2020年6月5日；试验地点：江苏省泰兴市烨佳梨园；试验时，环境温度16～21 ℃，自然风速0.5～1.2 m/s。试验对象为Y型棚架式梨树，平均树高 2.5 m，冠径 3 m，行距 5 m，株距 3 m，试验现场如图8所示。

图8 果园喷雾试验现场Fig.8 Spraying test in orchard

3.2 试验材料及方法

试验器材：东风604-15型拖拉机、3WZ-300风送喷雾机、牵引式高塔喷雾机、UV2000紫外可见分光光度计、EPSON V39 扫描仪、TSI 9565P多功能风速测试仪、丽春红2R、便签纸(7.6 cm×7.6 cm)。

试验方案参考《GB/T 17997—2008 农药喷雾机(器)田间操作规程及喷洒质量评定》[27]，选用3棵具有代表性的梨树作为采样对象，考虑到棚架梨的特殊性，采样点方案有所改进，如图9所示，将树冠分为3层，高度分别为0.8、1.8和2.8 m。为测试喷雾过程中冠层外侧与内部沉积效果，每层均沿冠层外部与内部布点，内外间隔约0.8 m。每个采样点使用回形针固定便签纸于树叶两面。同时在地面上以树干为中心，正方形布置6个点，将便签纸平铺于布点处。试验药液为2.5 g/L丽春红2R溶液。

图9 采样点布置示意图Fig.9 Layout of sampling points

根据国标要求计算药液覆盖率，参照文献[28]，使用UV2000紫外可见分光光度计测定纸卡浸泡液的光密度计算单位面积雾滴沉积量。其计算公式为：

式中：m是单位面积雾滴沉积量；D504 nm是纸卡浸泡液光密度；V是纸卡浸泡液体积；R是吸光系数；L是比色皿厚度；是纸卡面积；C是丽春红母液浓度。

在作业过程中，影响施药效果的主要因素有作业速度、出口风速和出风口高度。其中作业速度通过拖拉机挡位调节，调整范围为0.8～1.6 m/s；出口风速通过无级调速装置进行调节，风速范围16～22 m/s；出风口高度通过连接杆不同高度通孔调整，以树冠几何高度中点为零点，调整范围为-20～20 cm；通过前期室内试验得出，喷雾压力在0.25～0.50 MPa范围内，雾量变化较小，故将喷雾压力固定为0.3 MPa，每组试验前测量环境风速并实时记录。试验参数及其具体数值确定后，试验因素编码如表2所示。

表2 试验因素编码Table 2 Coding of factors and levels

为使试验结果更加直观，便于观察，本文采用Design-Expert的三因素三水平Box-Behnken响应面法进行参数组合，组合方案及结果如表3所示。、、分别代表靶标雾滴覆盖率、靶标雾滴沉积量、地面雾滴沉积量。

表3 果园喷雾试验参数组合及试验结果Table 3 Experiment scheme and results of orchard spraying test

4 试验结果与分析

4.1 显著性分析

采用Design-Expert 8.0.6对表3数据拟合并进行方差分析，得到显著性检验结果如表4所示，根据表4可知，模型显著性检验F=4.50，P=0.030，模型显著，模型显著性检验F=4.06，P=0.039，模型显著性检验F=4.67，P=0.027，均达到显著。但的 失拟项检验F=99.04，P＜0.01，的失拟项检验F=10.74，P=0.022，2个指标的失拟项均显著，说明试验范围内2个指标模型拟合受到未知参数影响，结合试验过程分析，考虑可能是由于试验环境影响因素较多所致，如树冠状态发生变化，梨园地面凹凸不平导致机具晃动等。但由于模型显著性较好，因此可以使用上述2个模型对出风口风速、作业速度、出风口高度这3个因素的影响效果进行分析及大致预测；的失拟项检验F=5.66，P=0.064，失拟项不显著，说明不存在其他指标对此模型产生较大影响，可以使用此模型对出风口风速、作业速度、出风口高度这3个因素的影响效果进行分析及预测。对试验数据回归拟合得到的二次多项式回归模型为：

表4 响应曲面显著性检验结果Table 4 Significance test results of response surface

4.2 响应曲面分析

图10为靶标雾滴覆盖率、靶标雾滴沉积量、地面雾滴沉积量的3D曲面图。从图10可以看出作业速度、出风口高度对靶标雾滴覆盖率的影响较为显著，而出口风速对靶标雾滴覆盖率影响较小。通过图10b、10c可直观地看出出风口高度对靶标雾滴覆盖率的影响较为稳定，无论作业速度及出风口速度如何变化，当出风口高度为-4～0 cm时，靶标雾滴覆盖率均较大。由图10d、10e、10f可直观地看出作业速度、出风口高度对靶标雾滴沉积量影响均显著，其中作业速度的影响尤为显著，响应曲面中靶标雾滴沉积量增长趋势与靶标雾滴覆盖率增长趋势相似，但沉积量的峰值较高，在图10d、10f中尤为明显，这是因为部分采样点雾滴附着量达到一定程度后，覆盖率趋近于1且增长趋势大幅减弱，而沉积量此时仍持续增加，甚至出现了冲洗现象。由图10g、10h、10i可直观看出，出口风速、作业速度和出风口高度对地面雾滴沉积量均有一定影响，其中作业速度的影响较为显著，且作业速度小于1.2 m/s时，出风口位置对地面雾滴沉积量的影响极大，当作业速度为1.0 m/s时，地面雾滴沉积量随出风口高度的降低显著增大，这是因为当出风口高度较低时，很大一部分药液落在地面，而作业速度越慢，单位时间内落在地面的药液越多。值得一提的是，虽受未知因素的干扰，仍可看出风速对施药效果有部分影响，与作业速度有一定耦合作用；当靶标雾滴覆盖率及沉积量均达到峰值时，地面雾滴沉积量也达到峰值，故需进行平衡，确定较为合适的参数。

图10 不同参数对施药性能指标的影响Fig.10 Influence of different factors on indicators of pesticide spraying performance

4.3 参数优化

喷雾机施药时，根据《NYT 992—2006风送式果园喷雾机作业质量》[29]要求，靶标雾滴覆盖率不低于33%，地面雾滴沉积量越低越好。利用Design-Expert进行优化，设置约束条件：

考虑到完成试验并处理数据所需时间较长，果园情况变化较大，故在试验后进行多次不同参数组合试验并保留数据，其中一组影响因素数值为：出风口风速为16 m/s、作业速度为0.8 m/s、出风口高度为0 cm，其出风口高度与预测最优参数相差5.1 cm，其影响较小，故可将其视为最优组，此时靶标雾滴覆盖率为41.41%，靶标雾滴沉积量为地面雾滴沉积量为

4.4 有效施药量对比分析

除喷施效果外，喷雾机消耗资源水平是喷雾机主要指标之一，在满足施药要求的情况下，消耗资源越少，施药成本越低，其中人力成本、能源消耗以及农药的消耗需重点考虑[30]，农药减量增效更是现今研究重点，通过靶标雾滴沉积量占施药量比值可直观分析喷雾机有效施药量占比。

3WZ-300型喷雾机试验后，使用梨园现有高塔式喷雾机喷洒丽春红溶液进行作业，其布点方案与“3.2”节相同，其试验结果如表5所示。记录机具施药量，并根据试验结果计算棚架梨树药液附着量，利用两者比值估算机具针对棚架梨树的有效施药量，以有效施药量为指标对比2台机具性能。

表5 高塔式喷雾机田间试验结果Table 5 Results of high tower sprayer in orchard

梨园现有高塔式喷雾机作业速度为1.0 m/s，喷雾机工作压力 0.4 MPa，单个喷头喷量约 2 L/min，喷头数20个，即总喷量40 L/min，棚架果园行距5 m，单趟作业长度100 m，通过计算可知其喷雾量为1 333 L/hm2，即施药量为 0.667 L/ hm2，3WZ-300 喷雾机喷量为 433 L/hm2，施药量为 0.216 L/hm2，利用叶面积指数仪测得棚架梨树叶面积指数为3.84，即梨树叶总面积与梨树投影地面面积之比为3.84，将上述数值代入公式：

结果如表6所示，结合表5分析得出，高塔式喷雾机作业时，地面雾滴沉积量较大，当其以1.0 m/s速度作业时，地面雾滴沉积量接近靶标雾滴沉积量，接近3WZ-300风送射流喷雾机地面雾滴沉积量的3倍，进一步说明了大流量施药时药液浪费较为严重，当高塔式机具以1.5 m/s速度作业时，2台机具靶标施药效果相仿，此时3WZ-300风送喷雾机有效附着药液占比60.1%，而高塔式喷雾机为28.0%，受条件限制，无仿形喷雾机进行对照试验，但上述数据可较为直观地表明，3WZ-300风送喷雾机施药效率较为理想，符合设计要求。

5 结论

1) 设计了一款针对Y型棚架梨树的3WZ-300风送喷雾机，多出口导风装置与棚架梨树的树冠形状契合，设计作业速度3～4 km/h，药箱容积300 L，喷雾机具结构简单，小巧轻便，通过果园试验数据可知，喷雾机针对棚架作业时，有效附着药液占比较高，性能满足要求。

2) 试验表明影响喷雾机施药效果的主要影响变量有出风口风速、作业速度以及出风口高度，其主要评价指标有靶标雾滴覆盖率、靶标雾滴沉积量以及地面雾滴沉积量，分析试验数据并结合作业场景可知，由于果园施药时环境较为复杂，除上述主要因素外还存在其他未知因素，但可根据试验结果分析指标变化趋势。

3) 通过Design-Expert对机具作业参数进行优化，优化后最佳作业参数分别为：出口风速为16 m/s，机具作业速度为0.8 m/s，出风口中心与树冠中部高度差为5.1 mm，预测值分别为：靶标雾滴覆盖率为39.79%，靶标雾滴沉积量为地面雾滴沉积量为

4) 由于棚架梨树冠层形状较为特殊，与传统梨树之间的差异可能会影响设计及试验结果，需更多对棚架果树本身进行探究，如棚架梨树冠层特性、叶面积指数等。