高架草莓?dāng)[動(dòng)式小型施藥機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王江山,劉繼展,趙升燚,翟佳林,吳 碩

(江蘇大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

截止2017年,我國草莓種植面積已達(dá)230萬t多,總產(chǎn)量達(dá)400萬t多,分別占世界草莓種植面積和產(chǎn)量的35.21%和41.7%,總產(chǎn)值已超過600億元,成為世界草莓生產(chǎn)和消費(fèi)的第一大國[1-4]。目前,我國草莓90%以上以設(shè)施栽培為主,草莓的高架栽培由于其清潔省力等多種優(yōu)勢而得到大力推廣[5]。溫室內(nèi)空間密閉、高溫高濕且天敵較少,作物對(duì)病蟲害的抵抗力較低[6],而且草莓本身易感病蟲害,對(duì)溫室草莓病蟲害的有效防控已成為草莓生產(chǎn)過程中必不可少的重要環(huán)節(jié)和現(xiàn)實(shí)問題。

目前,我國設(shè)施農(nóng)業(yè)的植保裝備仍以各類背負(fù)式噴霧器、擔(dān)架(推車)式機(jī)動(dòng)噴霧機(jī)及手持式煙霧機(jī)等為主[7-8],作業(yè)強(qiáng)度大、人身安全無保障,因而設(shè)施內(nèi)機(jī)械化施藥作業(yè)裝備研究受到了關(guān)注。Belforte等研發(fā)的固定式溫室施藥設(shè)備實(shí)現(xiàn)了作物的工廠化流水線式施藥作業(yè),大大提高了施藥效率[9]。房駿等[10]、張二鵬等[11]、李進(jìn)海等[12]、梅銀成等[13]、耿長興等[14]先后對(duì)溫室懸掛式施藥設(shè)備進(jìn)行了研究;徐瑞峰等[15]、李明等[16]、賈衛(wèi)東等[17]先后研制了針對(duì)溫室籬架作物的軸流風(fēng)送式施藥設(shè)備,但針對(duì)設(shè)施高架栽培草莓的機(jī)械化施藥裝備尚未見報(bào)道。

為此,針對(duì)設(shè)施高架栽培和草莓植株的特點(diǎn),進(jìn)行了高架草莓?dāng)[動(dòng)式小型施藥機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā),旨在為實(shí)現(xiàn)高架草莓的機(jī)械化高效施藥提供技術(shù)和裝備支撐。

1 整機(jī)設(shè)計(jì)依據(jù)及要求分析

1.1 高架設(shè)施與草莓栽培

高架栽培是將草莓從地面抬高至空中的栽培方法,近年來在我國得到了迅速推廣。通過對(duì)江蘇省農(nóng)科院草莓示范園、溧水植物基地、金壇一號(hào)農(nóng)場等設(shè)施高架草莓的實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn),不同栽培高架設(shè)施的建設(shè)規(guī)格存在一定差異,高架栽培床寬度和高度分別在300～400mm、800～1200mm之間,架上的草莓通常采用雙行種植,如圖1所示。

1.草莓苗 2.高架栽培床 3.通道圖1 溫室草莓高架栽培環(huán)境Fig.1 Elevated cultivation environment for strawberry in greenhouse

高架間通道存在土質(zhì)、水泥、磚砌等不同路面形式,通道寬度也有700～950mm不同規(guī)格,架間通道狹小,無法滿足人機(jī)同時(shí)通過,更不具備人工駕駛施藥作業(yè)空間。目前,生產(chǎn)中迫切需要小型化和機(jī)下操控施藥裝備來滿足1m以內(nèi)的狹窄棚門的進(jìn)出和狹小架間通道內(nèi)移動(dòng)作業(yè)的需要。

1.2 草莓病蟲害及防治

由于大棚內(nèi)溫度高、濕度大和草莓的易感性,在生長過程中容易滋生白粉病、灰霉病、紅蜘蛛及蚜蟲等各種病蟲害,需要在漫長生長周期內(nèi)進(jìn)行頻繁施藥。生產(chǎn)中通常在每茬草莓采收間隙,采用背負(fù)式施藥器和高壓手推打藥機(jī)等人工機(jī)具進(jìn)行施藥作業(yè)。目前,各類機(jī)械化施藥裝備主要采用壓力或風(fēng)送噴施方式,利用高壓力、強(qiáng)風(fēng)力以獲得足夠的射程和穿透性。但是,草莓植株低矮嬌嫩、冠層濃密且施藥作業(yè)多處花期,高壓力、強(qiáng)風(fēng)力不僅穿透性不佳、著藥率低,更易造成嬌小草莓植株和花序的損傷,造成減產(chǎn);且存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、藥液浪費(fèi)嚴(yán)重、在溫室密閉條件下容易引起施藥人員中毒等問題。

2 施藥機(jī)整體方案設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

通過對(duì)草莓高架栽培環(huán)境、草莓栽培管理、草莓植株特性、高架草莓病蟲害,以及目前施藥情況等進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)研和分析,為滿足草莓高架栽培對(duì)施藥環(huán)節(jié)的特殊機(jī)械化施藥需求,設(shè)計(jì)的面向溫室高架草莓的小型擺動(dòng)式施藥機(jī)需滿足以下設(shè)計(jì)要求：

1)實(shí)現(xiàn)單側(cè)多行施藥以提高作業(yè)效率,在提高霧滴穿透性和沉積均勻性的同時(shí),避免對(duì)草莓植株和花序造成損傷,并能適應(yīng)不同施藥高度要求。

2)底盤應(yīng)滿足高架間多種形式狹小路面的行進(jìn)作業(yè)需要。在溫室有限空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)整機(jī)的原地轉(zhuǎn)向換行和順利行走,并能適應(yīng)溫室內(nèi)的不同路面形式且具有一定爬坡能力。

3)為降低勞動(dòng)強(qiáng)度和有毒農(nóng)藥對(duì)施藥人員的傷害,實(shí)現(xiàn)施藥作業(yè)的全遙控控制及低藥量低電量的自動(dòng)預(yù)警,使施藥人員遠(yuǎn)離施藥現(xiàn)場。

2.2 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

高架草莓?dāng)[動(dòng)式小型施藥機(jī)主要由小型電動(dòng)履帶底盤、豎直升降機(jī)構(gòu)、二自由度電動(dòng)云臺(tái)、遙控控制系統(tǒng)和微風(fēng)霧化供藥系統(tǒng)組成,如圖2所示。

1.噴筒 2.二自由度電動(dòng)云臺(tái) 3.升降機(jī)構(gòu) 4.藥箱 5.控制柜 6.履帶式底盤 7.車體圖2 高架草莓?dāng)[動(dòng)式小型施藥機(jī)Fig.2 Pendular small sprayer for elevated strawberry

本施藥機(jī)整機(jī)尺寸僅為0.8m×0.6m×0.7m,采用全遙控施藥作業(yè)模式,實(shí)現(xiàn)了人機(jī)分離施藥作業(yè)模式,樣機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。擺動(dòng)式微風(fēng)霧化施藥方法,不但提高了高架草莓冠層藥液沉積均勻性,且避免了高壓強(qiáng)風(fēng)對(duì)嬌嫩草莓植株和花序的傷害性。

表1 樣機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of the prototype

施藥機(jī)工作時(shí),遙控控制施藥機(jī)進(jìn)入高架行間,施藥機(jī)沿行行走,噴筒沿垂直于行進(jìn)方向上下擺動(dòng)施藥,霧滴群體在輔助氣流的作用下,形成由近—到遠(yuǎn)—再到近的往復(fù)噴施。在噴霧過程中,擴(kuò)散后的圓錐形霧柱通過機(jī)身行進(jìn)和擺動(dòng)動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)耦合,形成波浪線型霧滴群體運(yùn)動(dòng)軌跡,實(shí)現(xiàn)了高架草莓冠層的全覆蓋,提高了霧滴沉積均勻性。

2.3 小型電動(dòng)履帶底盤設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)施藥機(jī)順利通過大棚入口,并在高架間自由行走和行間盡頭順利換行轉(zhuǎn)彎,小型電動(dòng)履帶底盤以小型化為設(shè)計(jì)目標(biāo),外形尺寸僅為80cm×60cm×15cm。為適應(yīng)溫室大棚里的不同路面形式,采用橡膠履帶式行走底盤,底盤兩側(cè)履帶雙軸獨(dú)立驅(qū)動(dòng),可實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向。其轉(zhuǎn)彎半徑僅為50cm,行進(jìn)速度為0～1m/s,具有行走穩(wěn)定性和一定爬坡能力,使施藥機(jī)可以在大棚的狹小空間內(nèi)靈活行走、轉(zhuǎn)向和換行,如圖3所示。整機(jī)尺寸實(shí)現(xiàn)小型化,解決了溫室入口和內(nèi)部高架間空間狹小而無法進(jìn)入的難題。

1.伺服減速電機(jī) 2.支撐架 3.電池倉 4.主橫梁 5.橡膠履帶圖3 履帶底盤及其結(jié)構(gòu)Fig.3 Crawler chassis and the structure

2.4 藥液供應(yīng)及微風(fēng)霧化系統(tǒng)

藥液供應(yīng)及微風(fēng)霧化系統(tǒng)由微型隔膜泵、漸縮型霧化噴筒(噴筒出風(fēng)口直徑15cm)、風(fēng)機(jī)(80W12V螺旋風(fēng)葉型,葉輪直徑12cm,轉(zhuǎn)速0～1400r/min)、藥箱、電磁閥、管路、低壓霧化噴頭(八孔直噴濾網(wǎng)型,霧滴粒徑：30～100μm)、風(fēng)速調(diào)速器和流量調(diào)節(jié)器等組成,如圖4所示。

1.霧化噴頭 2.噴筒 3.葉輪 4.電機(jī) 5.分流器 6.過濾裝置 7.電磁閥 8.隔膜泵 9.攪拌器 10.藥箱 11.藥箱蓋圖4 微風(fēng)霧化供藥系統(tǒng)Fig.4 Breeze atomization drug supply system

藥液從藥箱經(jīng)隔膜泵加壓后,進(jìn)入主管道,經(jīng)分流器一部分通過管路傳至噴頭,由噴頭將藥液霧化成細(xì)小液體顆粒,同時(shí)風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的軸向風(fēng)對(duì)藥液二次霧化并對(duì)葉片進(jìn)行擾動(dòng),使藥液均勻附著在葉片正反面;另一部分藥液回流到攪拌器對(duì)藥液攪拌。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試,整機(jī)流量為0～6.2L/min,射程為0～4100mm,4m/s風(fēng)速下的極限噴幅為水平方向578mm、垂直方向549mm。通過MZC直流電機(jī)變頻調(diào)速器可實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的無級(jí)調(diào)速,應(yīng)用KTMO VT110便攜式熱線風(fēng)速儀測得筒口風(fēng)速可調(diào)范圍為0～12.42m/s,實(shí)現(xiàn)了小功率微風(fēng)送和低流量的霧化噴施。調(diào)速器表盤刻度與筒口風(fēng)速間具有良好的線性關(guān)系,如圖5所示。

圖5 調(diào)速器表盤刻度與風(fēng)速關(guān)系Fig.5 The relationship between governor scale and sprayer wind speed

2.5 施藥姿態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)

為滿足不同建設(shè)規(guī)格高架栽培設(shè)施的草莓施藥作業(yè)需求,開發(fā)了擺動(dòng)式多維施藥姿態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng),主要由豎直升降機(jī)構(gòu)和二自由度電動(dòng)云臺(tái)組成。姿態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)施藥高度、施藥水平角度、施藥豎直角度的多參數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)整及噴筒的豎直擺動(dòng),從而適應(yīng)不同高架的高度規(guī)格和施藥角度要求。擺動(dòng)式微風(fēng)霧化施藥提高了藥液的穿透性和沉積均勻性,同時(shí)擴(kuò)大了噴幅范圍,提高了施藥效率。

3 基于CFD霧滴沉積模擬仿真與分析

選擇平均噴霧量為0.5L/min,霧滴粒徑為30～100μm,噴筒軸心距高架基質(zhì)表面350mm,利用CFD仿真模擬技術(shù)對(duì)不同豎直施藥角度和輔助風(fēng)速進(jìn)行霧滴群體沉積運(yùn)動(dòng)模擬仿真實(shí)驗(yàn)。

3.1 參數(shù)設(shè)置與模型建立

在Gambit環(huán)境下建立溫室噴霧空間模型和施藥機(jī)噴筒結(jié)構(gòu)模型,設(shè)置長寬高分別為10、1.5、3m的長方體密閉空間作為日光溫室施藥空間,定義長方體模型的左端面底邊中點(diǎn)為原點(diǎn),以長方體的長寬高分別為X、Y、Z軸建立空間坐標(biāo)系。噴筒結(jié)構(gòu)模型為高400mm,直徑分別為200、150mm的圓臺(tái),其轉(zhuǎn)動(dòng)中心為(0,1.5,0)。對(duì)噴霧空間和噴筒結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,如圖6所示。

對(duì)模擬空間模型進(jìn)行邊界條件設(shè)置,選擇標(biāo)準(zhǔn)湍流方程模型,選擇絕對(duì)速度代入連續(xù)相的速度計(jì)算模型。分別將輔助氣流和霧滴作為第一相(連續(xù)相)和第二相(離散相),建立離散相模型,并設(shè)定沉積漂移的霧滴終結(jié)方式和離散相粒子軌跡追蹤。

利用Rosin-Rammler粒徑分布函數(shù)描述離散相霧滴模型的粒徑徑譜分布,采用線性插值法在最小粒徑和最大粒徑的霧滴之間進(jìn)行插值運(yùn)算,即

式中di—霧滴直徑(m);

i—射流源的順序數(shù);

N—射流源的總數(shù);

dmin—最小霧滴直徑(m);

dmax—最大霧滴直徑(m)。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.2.1 不同風(fēng)速霧滴沉積運(yùn)動(dòng)規(guī)律

通過固定角度不同風(fēng)速下的仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)：霧滴群體在輔助氣流的作用下,在空間內(nèi)做徑向擴(kuò)散軸向類平拋運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)軌跡是一種類平拋運(yùn)動(dòng)軌跡;不同噴筒出口風(fēng)速導(dǎo)致霧滴運(yùn)動(dòng)軌跡存在很大差異,初始風(fēng)速越大,霧滴在徑向方向上運(yùn)動(dòng)距離越大,表現(xiàn)為沉積噴幅范圍越寬,霧滴軸向方向運(yùn)動(dòng)的距離越遠(yuǎn),在地面上的沉積越集中,如圖7所示。

(a) 風(fēng)速為4m/s

3.2.2 不同角度霧滴沉積運(yùn)動(dòng)規(guī)律

通過固定風(fēng)速不同角度下的仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)：側(cè)傾角度的改變實(shí)際上是對(duì)應(yīng)的霧滴初始平拋高度,霧滴平拋高度決定了霧滴群體的空間運(yùn)動(dòng)時(shí)間,從而影響霧滴在軸向方向的運(yùn)動(dòng)時(shí)間;噴筒角度越小,霧滴的軸向運(yùn)動(dòng)距離越遠(yuǎn),但同時(shí)在徑向越發(fā)散,從而造成部分霧滴沉積到兩側(cè)邊界平面內(nèi)。實(shí)際噴霧中,表現(xiàn)為霧滴沉積在植株冠層以外,而噴筒角度越大,霧滴的軸向運(yùn)動(dòng)距離越小,徑向方向較集中,霧滴沉積密度越大,如圖8所示。

(a) 角度為10°

3.2.3 仿真結(jié)果分析

通過以上分析,霧滴在軸向方向的運(yùn)動(dòng)時(shí)間由霧滴初始平拋高度決定,即由噴筒角度決定;而霧滴運(yùn)動(dòng)距離由噴筒出口風(fēng)速大小和運(yùn)動(dòng)時(shí)間共同決定,霧滴群體在空間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡可以看作是圓錐形霧柱,噴筒擺動(dòng)角度的大小決定了霧滴在地面上的沉積范圍大小和霧滴沉積密度。結(jié)果表明：噴筒角度在10°～50°、風(fēng)速為12m/s時(shí),霧滴沉積密度最大,且噴幅范圍最廣,噴幅范圍為0.5～5.1m。

4 擺動(dòng)式微風(fēng)霧化棚內(nèi)噴霧試驗(yàn)

為驗(yàn)證整機(jī)設(shè)計(jì)方案的可行性,仿真結(jié)果對(duì)施藥參數(shù)優(yōu)化的合理性,不同擺動(dòng)角度和噴筒風(fēng)速對(duì)霧滴沉積分布的影響,進(jìn)行了棚內(nèi)實(shí)地噴霧試驗(yàn)。

4.1 試驗(yàn)材料與方法

4.1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2018年1月12日在江蘇省農(nóng)科院草莓示范園的高架草莓塑料大棚內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)對(duì)象為定植90天的優(yōu)質(zhì)豐產(chǎn)品種“寧玉”,平均草莓株高為156mm,平均葉片數(shù)為5片,高架通道為磚砌路面,如圖9所示。

圖9 試驗(yàn)現(xiàn)場Fig.9 Testing site

4.1.2 試驗(yàn)因素設(shè)計(jì)

根據(jù)仿真試驗(yàn)和噴霧預(yù)試驗(yàn)可知：行進(jìn)速度為0.5m/s、噴筒擺動(dòng)速度為15°/s時(shí),霧柱噴霧圓軌跡可全部覆蓋草莓冠層。固定流量0.5L/min,噴筒噴口中心到高架基質(zhì)表面的垂直距離為350mm,距高架的軸向距離為300mm,噴筒風(fēng)速由低到高分別定為4、8、12m/s,試驗(yàn)方案,如表2所示。

表2 試驗(yàn)方案Table 2 The experiment scheme

4.1.3 采樣點(diǎn)布置

施藥機(jī)在高架一側(cè)沿行行走,噴筒垂直于行走方向?qū)η胺礁呒懿葺M(jìn)行噴霧,設(shè)定行進(jìn)方向?yàn)閄軸正方向,垂直于行進(jìn)方向?yàn)閅軸正方向。沿X軸正方向在高架草莓上每隔300mm設(shè)置一個(gè)采樣點(diǎn),沿Y軸正方向在高架草莓上相距100mm設(shè)置一個(gè)采樣點(diǎn),故采樣點(diǎn)坐標(biāo)為(Xi,Yj),如圖10所示。其中,i∈(1,13),j∈(1,8),共8行13列104個(gè)采樣點(diǎn)。每次試驗(yàn)結(jié)束后,待水敏紙卡完全干燥后逐一裝入標(biāo)號(hào)自封袋保存,3組試驗(yàn)共收集樣本水敏紙卡312張。

圖10 采樣點(diǎn)和水敏紙布置Fig.10 Locating of water-sensitive paper and sampling point

4.1.4 樣本處理

根據(jù)霧滴測試卡圖像處理方法[18],利用HP Laserjet M1005掃描儀對(duì)各樣本水敏紙卡分組進(jìn)行灰度掃描,提取分辨率為600×600的PNG圖片,并利用圖像處理軟件Deposit Scan(V1.2)進(jìn)行分析處理,得到每個(gè)采樣點(diǎn)單位面積上的霧滴沉積量。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.2.1 霧滴縱向沉積分布

計(jì)算不同風(fēng)速下,同一行13個(gè)采樣點(diǎn)沉積量的平均值代表該點(diǎn)縱向霧滴沉積量分布(見圖11)。由圖11可以發(fā)現(xiàn)：霧滴沉積量隨風(fēng)速增大而增大,沿縱向方向呈“近大遠(yuǎn)小”的分布特點(diǎn);同一高架上兩采樣點(diǎn)霧滴沉積量近似相等,不同高架上霧滴沉積量相差較大且出現(xiàn)突變的現(xiàn)象,原因是高架間存在80～100cm的通道,部分霧滴沉積到通道內(nèi)。

圖11 霧滴縱向沉積分布Fig.11 Longitudinal deposition distribution ofdroplet

4.2.2 霧滴橫向沉積分布

計(jì)算不同速度下,同一列8個(gè)采樣點(diǎn)霧滴沉積量的平均值代表該點(diǎn)橫向霧滴沉積量分布(見圖12)。由圖12可以發(fā)現(xiàn)：霧滴沉積量隨風(fēng)速增大而增大,沿橫向方向呈周期性“波浪線”分布,主要原因?yàn)閲娡驳闹芷谛詳[動(dòng)和車身行進(jìn)同時(shí)進(jìn)行,噴筒噴出的霧柱通過擺動(dòng)和行進(jìn)的動(dòng)作耦合,形成圓柱波浪線。

圖12 霧滴橫向沉積分布Fig.12 Horizontal deposition distribution of droplet

5 結(jié)論

1)通過對(duì)不同地區(qū)高架草莓種植模式的現(xiàn)場調(diào)研,分析得到高架草莓的環(huán)境特點(diǎn)和機(jī)械化施藥作業(yè)要求,并開發(fā)設(shè)計(jì)了面向高架草莓的擺動(dòng)式小型施藥機(jī),為草莓高架栽培提供了新的施藥裝備和技術(shù)支撐。

2)設(shè)置不同角度和風(fēng)速,對(duì)霧滴在空間內(nèi)的沉積分布進(jìn)行仿真模擬試驗(yàn)。結(jié)果表明：風(fēng)速越大霧滴沉積距離越遠(yuǎn),角度越大霧滴沉積距離越遠(yuǎn),霧滴在空間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡可以看作是圓錐形霧柱;噴筒角度在10°～50°、風(fēng)速為12m/s時(shí),霧滴沉積密度最大,且縱向噴幅范圍最廣,噴幅范圍為0.5～5.1m,可覆蓋4條高架草莓。

3)由棚內(nèi)噴霧試驗(yàn)結(jié)果可知：霧滴沉積量隨風(fēng)速增大而增大,沿縱向方向呈“近大遠(yuǎn)小”的分布特點(diǎn),沿橫向方向呈周期性“波浪線”分布;在行進(jìn)速度0.5m/s和噴筒擺動(dòng)速度15°/s下, 霧滴橫向沉積均勻性和覆蓋率最佳。