3YZ-80A型履帶自走式玉米行間噴霧機設計與試驗

王韋韋 謝進杰 陳黎卿 劉立超 權龍哲 劉 路

(1.安徽農業大學工學院， 合肥 230036； 2.合肥綜合性國家科學中心人工智能研究院， 合肥 230036)

0 引言

黃淮海平原小麥玉米輪作區麥秸覆蓋還田負效應使得夏玉米中后期病蟲次生害加劇，影響玉米接穗質量和產量水平[1-2]。夏玉米中后期處于8月中下旬，田間溫度高，傳統人工背負式噴霧施藥效率低下且易造成人員中暑中毒；秸稈還田后，土壤表層、耕層秸稈覆蓋量大，致使大型高地隙噴霧機行間行走困難，壓苗傷苗率高[3]；乳熟期玉米植株密度大、覆蓋遮擋嚴重，行間窄且病發多集中于冠層中部葉片下方，無人機噴藥難以穿透葉面，霧滴沉積、均勻性和覆蓋率等方面均難以達到滿意效果，綜合防治效果不佳[4-5]。

近年來國內外諸多學者針對不同作物噴霧機械開展的研究與靜電噴霧系統相結合的方法，設計了一種雙氣流輔助靜電果園噴霧機；苑進等[6]設計了一種基于高地隙噴桿式與隧道式一體的煙草噴霧機；李龍龍等[7]基于變量噴霧技術設計了一種果園自動仿形噴霧機；CHEN等[8-9]設計一種適用高稈作物環境的履帶自走式行走裝置及轉向控制系統；同時在噴霧機的噴頭霧化、施藥沉積、霧滴漂移等方面開展了性能試驗[10-13]。噴霧機械在惡劣農田地面環境下工作，履帶式行走機構由于穩定性和通過性好，成為農業機器人移動平臺的首選，劉路等[14]、姜紅花等[15]均采用不同驅動形式的移動平臺搭載噴藥、施肥、采摘、收獲等裝置完成作業。針對高稈作物、林果樹木等冠層高大、枝葉茂密的病蟲害防治問題，目前噴霧機均采用脈沖式發動機熱力霧化藥液，以實現藥液空間彌散噴施[16-19]。

本文針對玉米中后期封行后人工施藥勞動強度大、作業效率低、傳統噴霧機噴藥穿透性差，且窄行距下機具行走穩定性差等問題，結合玉米種植農藝和作物冠層病蟲害防治的要求，設計一種3YZ-80A型履帶自走式玉米行間噴霧機，滿足600 mm以下的窄行距玉米冠層中部葉片下方病蟲害防治的空間要求，并對噴霧系統作業過程中噴管參數進行優化，以期為高稈作物窄行距噴霧機具研發與改進提供技術支撐和借鑒。

1 整機方案確定

1.1 設計依據

針對夏玉米中后期封行后葉下病蟲害防治存在的問題，結合玉米種植農藝和作物冠層病蟲害防治的要求，確定了履帶自走式玉米行間植保噴霧機的設計依據：

(1)噴霧機底盤行走適應性：目前小麥秸稈全量還田下玉米免耕直播技術得到大力的推廣與應用，行間地表覆蓋大量秸稈使得傳統輪式底盤行走通過性差；根據種植農藝要求玉米行距600 mm為最佳，增產效果最為明顯[20]。

(2)噴施方式：玉米中后期病蟲害主要為紋枯病、穗腐病、螟、蚜蟲等，且發病區多集中玉米冠層中部葉片下方，因此選用行間熱霧彌散的噴施方式，將藥液噴施于冠層中部的葉面及穗部，有效提高了霧滴沉積量和作業效率。

(3)噴施幅寬及霧滴沉積：根據已有研究和噴霧經驗，藥液噴口向行間單側噴施有效幅寬確定為3～4 m，霧滴體積中徑(VMD)大于等于30 μm。

1.2 整機結構

3YZ-80A型履帶自走式玉米行間噴霧機主要由履帶底盤行走系統、脈沖式熱噴霧系統、控制系統組成，整機結構如圖1所示。其中履帶底盤行走系統由仿形履帶底盤、雙驅動電機、減速器等組成；脈沖式熱噴霧系統由Y型噴管、電控化油器、電磁流量閥、藥箱等組成；控制系統由STM32單片機、電機驅動器等組成，其控制系統操作界面如圖2所示，包括遠程遙控和行間自主行走2種作業模式，其中遠程遙控作業模式主要以W5500以太網芯片為核心，采用奧維通BreezeNET DS.11無線網橋構建局域網，人工通過操作控制系統界面按鍵完成無線路由器與網橋數據信號傳輸，可實現遠程在線作業狀態監控、點火、噴霧、熄火等功能。當履帶底盤行走系統完全進入玉米行間時，通過切換操作界面自走作業模式按鍵，啟動安裝在底盤正前方的激光雷達傳感器感知行間兩側玉米根莖信息，上位機實時處理、規劃行走底盤作業路徑并將驅動信號傳輸至底盤控制系統實現自主行走作業[21]，整機主要技術參數如表1所示。

表1 履帶自走式玉米行間噴霧機主要技術參數Tab.1 Major performance parameters of crawler self-propelled sprayer

1.3 工作原理

履帶自走式玉米行間噴霧機田間作業時，履帶底盤行走系統根據預先規劃路徑自主在玉米行間噴施，其工作原理如圖3所示，上位機根據行間作業環境確定噴霧機航向偏差、熱噴霧系統狀態等信息，通過SBUS協議將控制指令傳達至STM32F4單片機，控制器通過解析整機狀態指令，實現對履帶自走式玉米行間噴霧機驅動轉向系統及熱噴霧系統的控制。其中航向偏差由左右直流無刷電機的驅動器調節PWM占空比方式進行控制。通過I/O接口為脈沖式熱噴霧系統提供控制信號，完成藥液流量控制、藥箱壓力安全監測以及熱霧機噴霧啟?？刂啤?/p>

2 噴霧機關鍵部件設計

2.1 履帶底盤行走系統設計

2.1.1履帶自走式驅動底盤結構

履帶底盤具有接地比壓小、附著性能優、轉彎半徑小、越障能力強等優點[22]，成為玉米行間噴霧機驅動底盤首選，其底盤結構如圖4所示，由于玉米行間地表覆蓋大量秸稈，加之耕層崎嶇不平，噴霧機作業過程中易出現顛簸、側翻等情況，采用對稱式承重輪、多連桿鉸接支架和減震彈簧等設計了一種嵌入在履帶內槽的自適應仿形減震懸架，確保單側履帶底盤的形狀或姿態在遇障礙地形時迅速進行自適應調整，有效提高了噴霧機作業地形適應能力。同時，采用2個功率為0.5 kW、額定扭矩45 N·m的直流無刷電機直聯差速器作為履帶底盤的驅動轉向裝置，兩側的張緊輪及張緊彈簧確保作業過程的脫帶松動現象。根據玉米播種行距要求，確定履帶底盤外形尺寸(長×寬×高)為1 400 mm×380 mm×250 mm。

2.1.2轉向系統驅動功率計算

履帶自走式驅動底盤作業阻力包括作業阻力和轉向阻力，其中轉向時的功率消耗遠遠大于直線作業功率消耗。圖5為履帶底盤接觸地面核心域受力圖，O為履帶底盤轉向中心，圖中箭頭方向表示履帶底盤轉動方向。

假定噴霧機底盤重心位于履帶底盤接地面核心區域以內，陰影區域長、寬分別代表整機橫向偏心距C、縱向偏心距e，由轉向時的平衡條件可得

(1)

式中B——履帶中心距，m

G——履帶質心位置總重量，N

f——滾動阻力系數

Fl——左側履帶轉向阻力，N

Fr——右側履帶轉向阻力，N

履帶驅動底盤轉向阻力矩為

(2)

其中

(3)

(4)

式中L——履帶接地長度，m

μ——轉向阻力系數

Mμ——履帶底盤轉向阻力矩，N·m

Ml——左側履帶轉向阻力矩，N·m

Mr——右側履帶轉向阻力矩，N·m

當履帶驅動底盤向左側轉向時，則左、右履帶輪轉向驅動力為

(5)

由式(5)可知，左右驅動力隨著縱向偏心距的增加而減小，橫向偏心距偏于一側，則該側的驅動力增加，同時另一側的驅動力減小。

履帶驅動底盤的轉向驅動力矩、功率分別為

(6)

式中Mmax——履帶驅動輪最大驅動力矩，N·m

Wmax——履帶驅動輪最大驅動功率，kW

r——驅動輪節圓半徑，m

v——驅動輪線速度，m/s

本文所設計的3YZ-80A型履帶自走式玉米行間噴霧機滿載質量m為100 kg，履帶中心距B為0.35 m，履帶接地長度L為1.0 m，驅動輪節圓半徑r為0.02 m，橫向偏心距C取0.175 m，縱向偏心距e取0.16 m，轉向阻力系數μ和滾動阻力系數f分別取0.6、0.11[14]。計算可得履帶驅動輪最大驅動力矩Mmax為15.68 N·m，履帶驅動輪最大驅動功率Wmax為0.94 kW。

2.2 脈沖式熱噴霧系統設計

脈沖式發動機啟動后噴管內的高溫熱能和脈沖紊流動能將進入噴管內的藥液流熱力霧化成細小霧滴群流向噴霧對象彌散[23]。圖6為脈沖式煙霧機結構示意圖，主體結構由燃燒室與噴管構成，整個噴霧系統主要依靠脈沖發動機燃燒后管內氣流的自激自吸形成脈動燃燒振蕩過程，并利用振蕩過程中燃燒室內熱氣流的壓力波動實現油箱自動吸油、化油器吸氣及藥箱自動泵藥，無需額外安裝供油泵、供氣泵及供藥泵等裝置。結合玉米成熟期果穗層高度為600～1 000 mm，整機高度確定為780 mm，噴管口設計成Y形結構，確保有效霧化流液呈扇形向玉米行間兩側彌散。為了使噴藥系統的啟停、噴藥量實現智能化控制，將傳統化油器節氣門設計為電控開關閥，同時在主藥液管道中部安裝單向電磁流量閥，通過遠程端完成調控。設計容積15 L的長方體藥箱安裝于履帶底盤中部，提高整機底盤接地面重心作業穩定性。

藥液霧滴粒徑決定熱噴霧系統性能評價指標，霧滴粒徑越小，覆蓋面積就越大，隨著覆蓋面積的增大，藥液與病蟲害接觸的幾率會增加。當脈沖式發動機功率確定時，噴管的結構參數是影響藥液霧化程度及霧滴粒徑的關鍵因素[24]。

3 試驗設計與結果分析

3.1 試驗設計與方法

為了驗證所設計的3YZ-80A型履帶自走式行間噴霧機性能的可靠性，為尋求噴霧系統作業過程中噴管參數的最優狀態，選取對噴霧質量影響較大的噴射角x1、藥液嘴在噴管上的位置x2、噴施距離x3作為試驗因素，以霧滴體積中徑(Volume median diameter，VMD)D50為噴霧系統性能評價指標，采用HELOS型激光粒度分析儀進行霧滴粒徑測定，每個工況下油門開度及藥液流量一致，正交試驗的每組試驗重復5次，統計后取平均值。試驗因素與編碼如表2所示，3種不同參數的噴管組合如圖7所示。

表2 試驗因素與編碼Tab.2 Factors and codes of experiment

3.2 試驗結果與分析

根據Box-Behnken中心組合設計三因素三水平分析試驗，共進行17組試驗，試驗方案及結果如表3所示，X1、X2、X3為試驗因素編碼值。

表3 Box-Behnken試驗設計及結果Tab.3 Design and results of Box-Behnken experiment

3.3 回歸模型構建與顯著性分析

應用Design-Expert 軟件對試驗結果進行多元回歸擬合分析，得霧滴體積中徑D50的回歸模型為

(7)

表4 Box-Behnken二次回歸模型方差分析Tab.4 ANOVA of modified model of Box-Behnken

3.4 響應面分析

為了分析因素間交互作用對評價指標的影響，采用固定某一因素處于中間水平，分析其他兩個因素對評價指標的交互影響，噴射角、藥液嘴位置、噴施距離等交互因素對評價指標霧滴體積中徑D50影響的響應面如圖8所示。由圖8a可知，當噴口與受液表面的噴施距離處于中間水平，即x3=2.0 m，藥液嘴在噴管上的位置和噴射角交互項對霧滴體積中徑D50影響顯著，在同一噴頭角度下，D50隨著藥液嘴在噴管上的位置的增大呈先增大后減小，藥液嘴在噴管上同一位置時，D50隨著噴射角的增加呈先減小后增大趨勢。由圖8b可知，當藥液嘴在噴管上的位置為中間水平，即x2=700 mm，噴射角與噴施距離對霧滴體積中徑D50的交互作用極顯著，當噴施距離為較低水平時，D50隨著噴射角的增大而減小，噴施距離處于較高水平時，D50隨著噴射角的增大而增大。由圖8c可知，當噴射角處于中間水平時，即x1=90°，藥液嘴位置與噴施距離對霧滴體積中徑D50的交互作用顯著，當藥液嘴在噴管上同一位置時，D50隨著噴施距離的增加呈先減小后緩慢增加趨勢，當噴霧機噴施距離處于同一水平時，霧滴體積中徑D50隨著藥液嘴在噴管上位置的增大呈先增大后減小趨勢。

3.5 最優參數確定

根據方差分析和響應面分析結果，在滿足玉米行間噴霧作業要求的前提下，利用Design-Expert 8.0.6軟件中的優化模塊對回歸模型進行求解，剔除弱顯著項，結合熱煙霧機性能試驗等相關理論依據確定優化約束條件方程為

(8)

求解的最優水平組合參數為：噴射角為60°、藥液嘴在噴管的位置為距離燃燒室末端610 mm、煙霧機噴口與受液表面的噴施距離為2.37 m。

4 田間試驗

4.1 試驗條件

試驗于2020年8月28日在安徽省宿州市埇橋區灰古鎮安徽農業大學皖北試驗站(116°97′E、33°63′N)玉米種植基地進行。參照DG/T 031—2019《熱煙霧機性能試驗方法的一般規定》和JB/T 9782—2014《噴霧機械 通用試驗方法》進行3YZ-80A型履帶自走式行間噴霧機田間作業性能測定[25]。如圖9所示，試驗地塊面積為800 m2，土壤類型為砂姜黑土，含水率為12.8%，堅實度為0.75 MPa，種植模式采用秸稈全量覆蓋地免耕直播模式，試驗玉米品種為安農591，行距為60 m，株距為25 cm，株高為1.8 m，種植密度為4 200株/hm2，玉米行間地表秸稈覆蓋量均值為1.02 kg/m2，試驗期間脈沖式熱噴霧機油門開度為90°，脈沖頻率為100 Hz，外界風速低于0.5 m/s，試驗用介質為清水、霧加寶穩定劑。

4.2 試驗指標及測量方法

田間噴霧區域霧滴沉積分布特性參數檢測多利用油盤或水敏試紙[26-27]。為檢測履帶自走式行間噴霧機作業速度和霧滴沉積量的關系，控制履帶底盤行走系統作業速度為0.6、0.9、1.1、1.3、1.5 m/s，在玉米行間兩側由近至遠每隔400 mm的方式在葉片上布置編號1～10的水敏試紙，設置布樣高度為1.2 m。田間水敏試紙分布情況如圖10所示。

4.3 試驗結果與分析

利用Deposit scan霧滴掃描軟件對布樣的水敏試紙進行掃描，獲取單面面積霧滴個數和霧滴覆蓋率；由于每個工況下履帶自走式行間噴霧機作業速度恒定，玉米行兩側的每一列相同編號的水敏試紙均視為重復試驗，取測量平均值。

如圖11所示，當速度為0.6 m/s時，1～3列的葉片上霧滴覆蓋率維持于較高水平，當噴施幅寬大于2 m時霧滴覆蓋率下降增快；其中7～9列的霧滴覆蓋率維持于一個較低水平，藥液彌散至第10列時，霧滴覆蓋率不足10%。根據檢測的霧滴粒徑，前3列霧滴覆蓋率較高，霧滴粒徑散度較大，所測得均值粒徑誤差較大。隨后隨著距離增加，霧滴體積中徑D50逐步減小。當距離到噴霧有效區域邊緣時，霧滴粒徑較小，可能受空氣影響較大。

結果表明作業速度在0.6～1.1 m/s范圍內，前3列的同一冠層高度的霧滴覆蓋率基本相同，噴施較遠區域的霧滴覆蓋率隨著作業速度增加而降低，霧滴覆蓋率大于10%的有效噴施幅寬為6～8 m；作業速度為1.5 m/s時，霧滴覆蓋率逐步降低，霧滴覆蓋率大于10%的有效噴施幅寬不足4 m。由此可得，隨著作業速度提高，3YZ-80A型履帶自走式行間噴霧機有效防控作業面積明顯下降。

5 結論

(1)針對夏玉米中后期封行后葉下病蟲害防治難的問題，結合玉米種植農藝和作物冠層病蟲害防治的要求，設計了3YZ-80A型履帶自走式玉米行間植保噴霧機，整機設計緊湊，能夠滿足于600 mm的窄行距玉米冠層中部作業的空間要求，操作簡便，智能化程度高。

(2)設計了自適應地表的仿形履帶驅動底盤，有效提升噴霧機在大秸稈量地表的越障能力；設計了Y形噴頭，有效提高行間作業幅寬，并通過三因素三水平二次旋轉正交組合試驗，建立了噴管評價指標與各影響因素的數學回歸模型，分析了顯著因素對評價指標的影響變化規律，得到噴管最優組合參數：噴射角60°、藥液嘴在噴管的位置為距離燃燒室末端610 mm、煙霧機噴口與受液表面的噴施距離為2.37 m。

(3)田間試驗表明隨著作業速度提高，3YZ-80A型履帶自走式行間噴霧機有效防控區域顯著降低。當作業速度在0.6～1.1 m/s范圍內，霧滴覆蓋率大于10%的有效噴施幅寬為6～8 m；當作業速度為1.5 m/s時，霧滴覆蓋率大于10%的有效噴施幅寬不足4 m。