大豆玉米带状复合种植分带式喷杆喷雾机设计与试验

崔功佩,孙雄杰,刘家威,史云辉,李俊莹,李昱岐,于畅畅,程上上,3,李赫

(1.河南农业大学机电工程学院,河南 郑州 450002;2.珲春市农业广播电视学校,吉林 延边朝鲜族自治州 133300;3.华南农业大学电子工程学院(人工智能学院),广东 广州 510642)

大豆是中国重要的油料和蛋白饲料原料,需求量随经济发展及消费结构升级而逐年增长[1-2]。为缓解巨大的市场供需缺口,大豆玉米带状复合种植模式得到大力推广。该模式可以令“玉米不减产、多收一季豆”,提升大豆产量及自给率,保障中国粮油安全[3-5]。植保作业是大豆和玉米生产过程中病虫草害防治的关键环节,植保机械化水平直接影响作业效率及作物产量[6-8]。

目前,大豆和玉米田间植保作业均以喷杆喷雾机为主,其作业效率高,适应性强,且喷雾质量和均匀性较好[9-10]。在大豆植保领域,DE等[11]利用喷雾沉积特性及大豆作物产量参数,对不同喷施技术进行了评价,以提升大豆锈病的防治效率。张铁等[12]针对大豆生长中后期施药难、效果差等问题,设计了一种轮距可调且具有风幕辅助喷雾系统的轻便型高地隙喷杆喷雾机。李赫等[13]针对黄淮海地区大豆种植农艺差异大、机械通用性低等问题,设计了一种轮距和地隙可调的折腰转向无人驾驶植保车。LI等[14]利用高速摄影及FLUENT流体仿真技术,对液滴撞击大豆叶片表面的运动行为进行了研究,为大豆植保机械提高农药利用效率等提供依据。在玉米植保领域,王俊等[15]利用3WQ-3000型牵引式风幕喷杆喷雾机,在玉米小喇叭口期对常用扇形喷头进行了田间试验,研究了风幕对农药利用率、雾滴覆盖率和流失率的影响。王韦韦等[16]针对玉米中后期封行后传统喷雾机喷药穿透性差等问题,设计了一种3YZ-80A型履带自走式玉米行间喷雾机。PUTRI等[17]研制了一种半自动悬臂喷雾器,并与传统背负式喷雾器进行了性能对比,有效提升了玉米植保质量和效率。然而,由于大豆和玉米分属禾本科(Poaceae)和豆科(Leguminosae),植保作业时各自所需药剂类型不同,且会对相邻带间的另一作物产生药害[18]。因此上述研究的大豆、玉米大田单作植保机械均不适用于大豆玉米带状复合种植模式。

针对上述问题,结合黄淮海地区大豆玉米带状复合种植模式,本研究设计了一种大豆玉米带状复合种植分带式喷杆喷雾机,以满足大豆和玉米高低位带状分布的植保作业需求,有效降低人工劳动成本,提升作业效率,并为农作物复合种植模式植保机械的研发提供设计经验和技术参考。

1 总体结构与工作原理

1.1 大豆玉米带状复合种植农艺要求

大豆玉米带状复合种植模式采用大豆和玉米带状间作,充分发挥了边行效应,可实现作物协同共生、一季双收,从而有效解决大豆玉米争地问题,如图1所示。其中,科学合理的大豆玉米行比配置能够有效减缓种内种间竞争[19-20],结合黄淮海地区大豆玉米带状复合种植的农艺要求,本研究主要进行适用于4～6行大豆与2行玉米间作套种的喷杆喷雾机设计,主要农艺参数如表1所示。

表1 大豆玉米带状复合种植模式农艺要求Table 1 Agronomic requirements for strip compound planting mode of soybean and maize

1为玉米植株;2为大豆植株。Rm为玉米间行距;Pm为玉米株距;Rb为带间行距;Rs为大豆间行距;Ps为大豆株距;n为带状大豆总行数。1 meas maize plant; 2 means soybean plant. Rm means row spacing between maize; Pm means plant spacing of maize; Rb means row spacing between strips; Rs means row spacing between soybeans; Ps means plant spacing of soybeans; n means total number of rows for soybeans.

1.2 总体结构

根据大豆玉米带状复合种植模式下大豆与玉米分带施药的作业需求,并结合黄淮海地区该模式下的大豆玉米行比配置等参数,本研究设计了一种大豆玉米带状复合种植分带式喷杆喷雾机,主要由动力装置、四轮驱动高地隙底盘、轮距调节装置、驾驶系统、大豆药箱、玉米药箱、双喷雾系统、水平折叠式升降喷杆装置和防漂移装置等组成,如图2所示,其主要技术参数如表2所示。

表2 大豆玉米带状复合种植分带式喷杆喷雾机主要技术参数Table 2 Main technical parameters of boom sprayer for strip compound planting of soybean and maize

1.防漂移装置;2.双喷雾系统;3.轮距调节装置;4.大豆药箱;5.驾驶系统;6.动力装置;7.玉米药箱;8.四轮驱动高地隙底盘;9.水平折叠式升降喷杆装置。1.Anti-drift device; 2.Double spray system; 3.Wheel base adjustment device; 4.Soybean cabinet; 5.Driving system; 6.Power unit; 7.Maize cabinet; 8.Four wheel drive with high gap chassis; 9.Horizontal folding type lifting spray boom.

1.3 工作原理

首先,通过轮距调节装置将大豆玉米带状复合种植分带式喷杆喷雾机轮距调整至作业地块的规定轮距,以保证行驶通过性;其次,通过液压元件驱动水平折叠式升降喷杆机构展开至规定幅宽处,并通过四连杆机构调整至适宜高度;再通过双喷雾系统分别从放置在四轮驱动高地隙底盘上的大豆药箱和玉米药箱内汲取药液,并由喷头向对应作物带进行施药;整机以柴油发动机作为动力装置,由于大豆和玉米带间设置了防漂移装置进行遮挡,可有效避免药液带间漂移造成的药害;最后,通过操纵驾驶系统完成大豆玉米带状复合种植模式下大豆和玉米的同步施药作业。

2 关键部件结构及参数设计

2.1 底盘机架

2.1.1 四轮驱动高地隙底盘 根据大豆玉米带状复合种植农艺需求以及各关键部件的空间分布,设计了四轮驱动高地隙底盘,如图3所示。由于大豆玉米带状复合种植分带式喷杆喷雾机作业环境复杂且载药量大,该底盘采用空间框架式结构,由前横梁、中横梁、后横梁、尾梁和竖梁等焊接组成。

1.竖梁; 2.前横梁; 3.药箱横梁; 4.药箱支撑架; 5.差速器支撑架; 6.中横梁; 7.工字梁; 8.后横梁; 9.尾梁。1.Vertical beam; 2.Front beam; 3.Cabinet beam; 4.Cabinet support frame; 5.Differential mechanism support frame; 6.Middle beam; 7.I-type beam; 8.Rear beam; 9.Tail beam.

2.1.2 轮距调节装置 为了提升大豆玉米带状复合种植分带式喷杆喷雾机的作业适应性,设计了一种轮距调节装置,如图4所示。该机构由花键套和花键轴连接,并通过2个液压缸伸缩作业调整前桥横梁和前轮支臂横梁的相对位置,实现了轮距的动态调整,满足了不同大豆玉米行比配置和行距等种植农艺,可以有效减少压苗伤苗等现象,提高作业通过性。

1.液压缸;2.前桥横梁;3.花键套;4.前轮支臂横梁;5.花键轴。1.Hydraulic cylinder; 2.Front axle beam; 3.Spline housing; 4.Arm beam on front wheel; 5.Spline shaft.

根据表2中设计的满载质量可知,由于前桥承载相对较大,其最大载质量按1 750 kg计算,液压缸推力应满足式(1):

(1)

式中:F为液压缸推力;G1为前桥最大载重力;ξ为橡胶轮胎与路面的摩擦系数,取值为0.7[21]。

由式(1)计算可得,液压缸推力的理论值为6 125 N,为保证液压缸运动的可靠性,将其增设为7 000 N。与此同时,液压缸的结构参数还应满足式(2)和式(3):

(2)

(3)

式中:S为液压缸截面积;D为液压缸缸筒内径;ηm为机械传动效率;p1为系统压力;p2为系统背压;φ为液压缸长径比;d为液压缸推杆直径。

根据液压工程师技术手册[22]和大豆玉米带状复合种植分带式喷杆喷雾机作业需求,液压缸的机械传动效率确定为0.9,液压缸长径比确定为0.7,系统压力选取为16 MPa,系统背压选取为1.5 MPa。将上述参数代入式(2)和式(3)可得,液压缸缸筒内径为25.5 mm。进一步参照《流体传动系统及元件 缸径及活塞杆直径》(GB/T 2348—2018)[23],液压缸直径确定为40 mm,液压缸推杆直径为25 mm,运动总行程为300 mm。

此外,液压缸流量计算方法如式(4):

(4)

式中:q1为液压缸推杆进程时的流量;v1为液压缸推杆的运动线速度,结合作业需求取值为0.05 m·s-1;q2为液压缸推杆回程时的流量。

将液压缸结构参数代入式(4)可得,液压缸推杆进程和回程时的流量分别为3.77和2.30 L·min-1,故选用HSG40型液压缸作为轮距调节装置的液压缸。

2.2 双喷雾系统

根据大豆玉米带状复合种植农艺要求,设计了分段独立控制的双喷雾系统,以实现对大豆和玉米喷施不同药剂,如图5所示。实际作业时,发动机经变速箱分别为行走系统和双喷雾系统提供动力,大豆喷雾系统和玉米喷雾系统均有独立的液泵、药箱、药箱滤网、压力表、空气室、泄压阀、回水管、液路和喷头;变速箱将部分动力通过分动箱和双带轮传递至液泵,对药箱内的药液进行加压和搅拌,进而经过液路输送至喷头处,最终实现分带喷雾作业。

1.玉米植株;2.玉米喷头;3.玉米液路;4.压力表;5.空气室;6.泄压阀;7.回水管;8.药箱滤网;9.玉米药箱;10.液泵;11.双带轮;12.大豆药箱;13.大豆液路;14.大豆喷头;15.大豆植株;16.发动机;17.变速箱;18.分动箱。1.Maize plant; 2.Maize nozzle; 3.Maize liquid path; 4.Pressure gauge; 5.Air plenum; 6.Decompression valve; 7.Wet return; 8.Strainer of medicine cabinet; 9.Maize cabinet; 10.Liquid pump; 11.Double belt wheel; 12.Soybean cabinet; 13.Soybean liquid path; 14.Soybean nozzle; 15.Soybean plant; 16.Engine; 17.Gearbox; 18.Transfer case.

2.2.1 药箱 结合双喷雾系统作业原理及结构组成,大豆药箱和玉米药箱采用两侧对称分布,以提高整机的田间作业及运输稳定性。综合考虑机械负载能力和加药频次,药箱的容积计算需要满足式(5):

(5)

式中:V为药箱容积;n1为作业往返次数;B为作业等效幅宽;L为地块单次往返作业长度;E为单位面积内药液使用量。

由大豆玉米带状复合种植模式及分带式喷杆喷雾机工作原理可知,实际作业时玉米的施药量远小于大豆的施药量,故药箱的容积设计以大豆的作业参数为依据。根据实地调研结果可知,本机单次作业覆盖3条完整的大豆带,其等效幅宽为6.6 m,单位面积内药液使用量为280 L·hm-2;加药后应能完成4次往返作业,且单次往返作业的长度不超过700 m。将上述数据代入式(5)可得,药箱容积应不小于517.44 m3。为避免药液过满在作业过程中发生外溢损失,大豆药箱和玉米药箱的容积最终确定为600 L。

2.2.2 液泵 液泵是双喷雾系统的动力核心,其性能参数直接影响药液喷施效果。本研究选用隔膜泵作为动力元件,其结构相对简单、体积小且流量大,适用于田间植保复杂的作业环境。实际作业时,隔膜泵除了为喷头提供流量供给,还同时将部分流量回流至药箱进行药液搅拌,因此,液泵的流量应满足式(6):

(6)

式中:Q0为液泵总流量;Q1为药液搅拌流量;Q2为药液喷施流量;ηv为药液回流比例,一般为5%～10%;Bmax为等效幅宽最大值;vmax为行驶速度最大值。

由式(6)推导可得式(7):

(7)

根据表2主要技术参数可知,行驶速度最大值为6 km·h-1。此外,由上述结果可知,单个液泵对应的药箱容积为600 L,药液回流比例设定为6%,等效幅宽最大值为6.6 m。将上述结果代入式(7)可得,液泵总流量应不低于54.48 L·min-1。进一步结合相关国家标准[24],选用JY-MB270/2.5型活塞式隔膜泵,其流量为70 L·min-1,满足植保作业需求。

2.2.3 喷头 为减少双喷雾系统田间作业时的带间漂移,并保证其沿喷杆方向的分布均匀性,本研究设计了一种组合式喷头,如图6所示。具体来说,玉米带和大豆带两侧均选用雾锥角为80°的扇形偏心喷头,大豆带内部选用雾锥角为110°的扇形防漂移喷头,且大豆和玉米带间设置有防漂移装置。

1.玉米植株;2.大豆植株;3.防漂移装置。Am为玉米喷雾高度;Dm为玉米喷头间距;Db为带间喷头间距;Ds为大豆喷头间距;Ni为扇形偏心喷头;Si为扇形防漂移喷头;As为大豆喷雾高度。1.Maize plant; 2.Soybean plant; 3.Anti-drift device. A mis spray height for maize; Dm is spacing of nozzles for maize; Db is spacing of nozzles between adjacent strips; Ds is spacing of nozzles for soybeans; Ni is fanshaped eccentric nozzle; Si is fanshaped anti-drift nozzle; As is spray height for soybeans.

结合大豆玉米带状复合种植分带式喷杆喷雾机结构可知,该组合式喷头单次作业可实现3个大豆玉米带的植保喷雾作业,各喷头间距均初步设置为45 cm,则大豆喷头共计15个,玉米喷头共计6个。此外,各喷头间距和喷雾高度可根据实际种植情况进行微调,以保证植保作业精度和质量。

2.3 水平折叠式升降喷杆与防漂移装置

2.3.1 水平折叠式升降喷杆 为提升大豆玉米带状复合种植分带式喷杆喷雾机在不同生长时期的适用性,且避免喷杆在作业过程中损伤作物植株,在实验室前期研究[13]的基础上,设计了一种水平折叠式升降喷杆机构,如图7所示。该机构主要由平行四杆升降机构、中心喷杆、左侧折叠喷杆、右侧折叠喷杆、升降液压缸和水平展开液压缸等组成,并通过紧固件、U型连接件等与防漂移装置搭配使用。水平折叠式升降喷杆通过平行四杆升降机构与机架连接,中心喷杆与平行四杆升降机构焊接固定,并与左侧折叠喷杆和右侧折叠喷杆铰连接。实际田间作业时,通过水平展开液压缸控制左侧折叠喷杆和右侧折叠喷杆展开,再通过升降液压缸控制平行四杆升降机构实现喷杆整体喷雾高度的调节,药液喷施后,再经升降液压缸和水平展开液压缸将喷杆折叠返回至初始状态,以便于田间转运和机器停放。

1.右侧折叠喷杆;2.防漂移装置;3.紧固件;4.中心喷杆;5.升降液压缸;6.平行四杆升降机构;7.水平展开液压缸;8.左侧折叠喷杆;9.U形连接件。1.Right folding spray boom; 2.Anti-drift device; 3.Fastener; 4.Center spray boom; 5.Hydraulic cylinder for lifting; 6.Parallel four-bar lifting mechanism; 7.Hydraulic cylinder for horizontal unfolding; 8.Left folding spray boom 9.U-shaped connector.

2.3.2 防漂移装置 为减少大豆玉米带状复合种植模式下药液的带间漂移,避免药害的发生,设计了一种防漂移装置,如图7所示。该装置采用3 mm厚的聚酯板材料,既能有效阻隔雾滴带间漂移,又能避免伤苗折苗;通过紧固件和U形连接件安装在左侧折叠喷杆和右侧折叠喷杆上,方便其在喷杆方向调整位置,且便于非作业状态的装卸,提升该装备的农艺适用性和行驶机动性。

防漂移装置的结构参数直接影响其作业性能,当其参数过大时,机器的行驶通过性变差;而当参数过小时,无法有效降低带间漂移。因此,本研究借助Fluent软件对其进行雾滴漂移仿真分析,以确定最佳的结构参数。具体步骤如下:

(1)考虑雾滴粒径及运动方向的差异性,其从离开喷头直至撞击靶标之间的运动属于多相流范畴,故本研究采用遵循欧拉-拉格朗日的离散相模型将空气和农药雾滴分别作为连续相和离散相,且忽略温度变化和雾滴蒸发相变过程。

(2)连续相气流控制需遵守质量守恒方程和动量守恒方程。

(3)根据国内外风洞试验仿真及分带式喷杆喷雾机大豆和玉米的作业区域,设计其仿真计算区域,该区域规格分别为3.0、2.2和1.2 m;喷头的空间坐标设置为(1.1,0.5,1.0),雾滴粒径设置为382 μm。

(4)结合田间植保实际作业标准,进出口都以风速为边界条件,其密度设置为1.225 kg·m-3,压力设置为101 325 Pa,边界条件设置为trap,气流速度设置为3 m·s-1。

上述条件下的雾滴轨迹散点云图如图8所示,此时已有少量雾滴发生漂移现象,最远漂移距离达0.86 m。因此,根据上述仿真结果,防漂移装置末端至喷杆上喷头距离设置为1.0 m,防漂移装置前端至喷杆上喷头距离设置为0.5 m,防漂移装置的总长度共计为1.5 m。

图8 雾滴漂移仿真结果Fig.8 Simulation results of fog drops drift

3 样机田间性能试验

3.1 材料与设备

根据关键部件结构及参数设计,对大豆玉米带状复合种植分带式喷杆喷雾机进行了样机试制,如图9所示。2021年6月,在河南省永城市新桥乡大豆玉米带状复合种植试验示范基地,参照《喷杆喷雾机 试验方法》(GB/T 24677.2—2009)[25]、《植物保护机械 喷雾飘移的田间测量方法》(GB/T 24681—2009)[26],对该装备进行作业通过性、喷头喷雾量均匀性和雾滴带间漂移等田间性能试验。

图9 大豆玉米带状复合种植分带式喷杆喷雾机样机Fig.9 Prototype of boom sprayer for strip compound planting mode of soybean and maize

该试验示范基地为5行大豆和2行玉米带状复合种植模式,其大豆间行距为40 cm,玉米间行距为40 cm,带间行距为70 cm。田间试验时,大豆株高为15～23 cm,玉米株高为38～52 cm,环境温度范围为20～29 ℃,风速范围为1.2～2.8 m·s-1。

涉及的试验设备还包括比利时AAMS公司生产的222018型喷头压力检测仪(量程0～1 MPa,精度为1.0 Pa),比利时AAMS公司生产的S-monitor型喷头流量测量仪(单喷头测量范围0.10～8.00 L·min-1,精度为1%),瑞士Syngenta公司生产的BOUSSAC型水敏纸(规格30 mm×80 mm),中国希玛仪表公司生产的风速仪(量程0.3～45 m·s-1,测量误差为±2.5%),以及自制的水敏纸支撑架。

3.2 试验方法

3.2.1 作业通过性试验 在试验示范基地内选取一块长度300 m的大豆玉米带状复合种植地块,从中随机选取3段长度为20 m的区域进行作业通过性试验。试验前将大豆玉米带状复合种植分带式喷杆喷雾机的轮距调整至2 200 mm,以4 km·h-1的速度进行作业,为植保作业提供实际指导意义。本试验以作物损伤率作为衡量作业通过性的指标,计算方法如式(8):

(8)

式中:Rp为作业通过率;Rs为作物损伤率;ns为损伤的植株数量,包括压倒、折断和破损的植株;Na为统计的植株总数。

3.2.2 喷头喷雾量均匀性 由于大豆玉米带状复合种植分带式喷杆喷雾机采用双喷雾系统,两者相互独立,因此本试验分别对大豆和玉米所对应的喷头进行喷雾量均匀性试验。为便于后续试验结果统计分析,将大豆和玉米对应的喷头分别从左向右依次标号,即大豆带喷头编号为1～15,玉米带喷头编号为16～21。

喷头喷雾量均匀性试验具体步骤如下:将喷头压力检测仪的喷帽连接器与选择的喷头连接;分别打开大豆和玉米施药所用的液泵,将喷雾压力设置为0.3 MPa;使用喷头流量测量仪对各喷头的流量进行测量统计,每组试验重复进行3次,取其平均值作为试验结果。

3.2.3 雾滴带间漂移试验 大豆玉米带状复合种植分带式喷杆喷雾机在田间作业时,雾滴受空间气流的影响会向非靶标区域产生漂移趋势,易造成药害,故本研究对该样机的雾滴带间漂移特性进行试验,如图10-a所示。具体试验步骤如下:

图10 雾滴带间漂移试验Fig.10 Fog drops drift test in filed

(1)双喷雾系统设置。当进行玉米带间漂移试验时,将双喷雾系统中的玉米带对应的喷头打开,大豆带对应的喷头关闭;反之,进行大豆带间漂移试验时,大豆带喷头打开,玉米带喷头关闭。

(2)水敏纸分布设置。玉米带间漂移试验时,在大豆地块中部成行放置水敏纸进行雾滴检测,其距地高度为15 cm,并以100 cm的间距沿机具行驶方向放置3行,形成5×3矩阵,如图10-b所示。同理,大豆带间漂移试验时,在玉米地块中部距地15、30 cm处分别成行放置水敏纸,并以100 cm的间距沿机具行驶方向放置3行,形成2×2×3空间矩阵,如图10-c所示。

(3)大豆玉米带状复合种植分带式喷杆喷雾机在离水敏纸试验区域20 m处开始作业,喷雾压力设置为0.3 MPa,行驶速度为3 km·h-1。

(4)将各位置的水敏纸收集并放置在密封袋内,并用记号笔做好标记。

(5)通过人工计数对各水敏纸表面的雾滴沉积密度进行计算,取其平均值作为试验结果,计算方法如式(9):

(9)

式中:D为雾滴沉积密度;CN为水敏纸采集雾滴数量;ST为水敏纸有效面积。

(6)分别将行驶速度设置为4、5和6 km·h-1,重复试验步骤(1)至步骤(5),得到上述行驶速度下对应的雾滴带间漂移试验结果。

3.3 结果与分析

3.3.1 作业通过性 大豆玉米带状复合种植分带式喷杆喷雾机作业通过性的试验结果如表3所示。其中,损伤的植株数平均值为(2.67±0.58)株,植株总数平均值为(432±8.89)株,作业通过率平均值为(99.38±0.14)%,满足田间作业标准要求。

表3 作业通过性试验结果Table 3 Results of passability test

3.3.2 喷头喷雾量均匀性 大豆玉米带状复合种植分带式喷杆喷雾机喷头喷雾量均匀性试验结果如表4所示。其中,大豆带喷头喷雾量平均值为(1.196±0.055) L·min-1,变异系数为4.6%;玉米带喷头喷雾量平均值为(1.213±0.043) L·min-1,变异系数为3.5%,均满足田间植保作业标准。

表4 喷头喷雾量均匀性试验结果Table 4 Results of spray volume uniformity test

3.3.3 雾滴带间漂移试验 玉米雾滴带间漂移试验结果如表5所示,当大豆玉米带状复合种植分带式喷杆喷雾机分别以3、4、5和6 km·h-1的行驶速度进行作业时,其对应的雾滴沉积密度平均值分别为(0.22±0.08)、(0.84±0.32)、(2.11±0.62)和(5.54±0.89)个·cm-2。

表5 玉米雾滴带间漂移试验结果Table 5 Fog drops drift test from maize strips

同理,大豆雾滴带间漂移试验结果如表6所示,该装备分别以3、4、5和6 km·h-1的行驶速度进行作业时,其对应的雾滴沉积密度平均值分别为(0.64±0.20)、(1.57±0.22)、(2.68±0.55)和(9.60±0.84)个·cm-2。

表6 大豆雾滴带间漂移试验结果Table 6 Fog drops drift test from soybean strips

通过表5和表6对比可知,随着大豆玉米带状复合种植分带式喷杆喷雾机行驶速度的提升,玉米带间和大豆带间的雾滴沉积密度也逐渐增多。其中,行驶速度在3～5 km·h-1范围内,雾滴沉积密度增速较为缓慢;而行驶速度从5～6 km·h-1时,雾滴沉积密度急剧增加,故该装备田间作业的行驶速度建议为3～5 km·h-1。此外,两者横向对比发现,相同行驶速度条件下,大豆带间雾滴漂移明显高于玉米带间雾滴漂移,有可能是由于大豆带幅度较宽且植株高度偏低,使该区域雾滴更易受空间气流的胁迫扰动而产生漂移,后续将对该现象进行进一步研究优化。

4 结论与讨论

本研究结合黄淮海地区大豆玉米带状复合种植模式,设计了一种大豆玉米带状复合种植分带式喷杆喷雾机,主要由动力装置、四轮驱动高地隙底盘、轮距调节装置、驾驶系统、大豆药箱、玉米药箱、双喷雾系统、水平折叠式升降喷杆装置和防漂移装置等组成。与王俊等[15]和吴彦强等[27]研发的喷杆喷雾机不同之处在于,该装备创新性设计了分段独立控制的双喷雾系统和防漂移装置,能够针对大豆和玉米带状种植模式进行精准分类施药,提高作业精度和质量,避免药液雾滴带间漂移产生的药害,并为农作物复合种植模式植保机械的研发提供设计经验和技术参考。

经理论计算和虚拟仿真,确定了大豆玉米带状复合种植分带式喷杆喷雾机的关键结构参数。通过液压驱动实现轮距调节,与朱洋洋等[21]研发的高地隙可调节底盘原理相似,本研究采用更为稳定可靠的花键配合,并选用HSG40型液压缸作为轮距调节装置的液压缸,以满足不同的大豆玉米行比配置和行距等种植农艺。双喷雾系统中,选用JY-MB270/2.5型活塞式隔膜泵,大豆药箱和玉米药箱的容积设计为600 L,并将雾锥角为80°的扇形偏心喷头和雾锥角为110°的扇形防漂移喷头进行组合使用。水平折叠式升降喷杆采用液压驱动和平行四杆升降机构,与朱洋洋等[21]和吴彦强等[27]研制的喷杆喷雾机喷杆机构类似。防漂移装置采用3 mm厚的聚酯板材料,并根据雾滴轨迹散点云图,将其总长度设计为1.5 m,其中,防漂移装置末端至喷杆上喷头距离为1.0 m,防漂移装置前端至喷杆上喷头距离为0.5 m。

经样机田间性能试验可知,该装备作业通过率平均值为(99.38±0.14)%,大豆带喷头喷雾量平均值为(1.196±0.055)L·min-1,变异系数为4.6%;玉米带喷头喷雾量平均值为(1.213±0.043) L·min-1,变异系数为3.5%,符合国家标准《喷杆喷雾机 试验方法》(GB/T 24677.2—2009)[25]、《植物保护机械 喷雾飘移的田间测量方法》(GB/T 24681—2009)[26]。大豆玉米带状复合种植分带式喷杆喷雾机的行驶速度建议为3～5 km·h-1,且该参数范围内玉米带间和大豆带间的雾滴漂移沉积密度随行驶速度的增加而逐渐增多,这与蒋焕煜等[28]研究结果一致。