高地隙自走式噴桿噴霧機研究現狀及展望

張國彬 孫立偉 鮑清校 王守峰 劉江濤 胡敏英 王錦軒

1、河北中農博遠農業裝備有限公司 2、河北農業大學機電工程學院

引言

農業為國家之本，人民之根，有著不可撼動的地位。國家的發展立足于農業生產得到保障的前提之下。植保作業作為農業生產的重要環節之一，對農業收成起著至關重要的作用。隨著我國社會的進步與經濟的發展，對農業的關注程度越來越高，對生產作業環境、農業產品質量以及農業生產技術等方面都不斷地提出了新的要求。作為農作物都不可或缺的植保環節也同樣得到重視，植保機械的選擇、應用與發展成為如今農業綠色生產的重要話題。

隨著農業生產機械化的不斷發展，各種植保裝備不斷得到發展。高地隙自走式噴桿噴霧機因為其工作效率高、工作性能穩定、通過性好等優點得到迅速普及。高地隙噴霧機通常以高地隙拖拉機作為動力，搭載可以伸展或可折疊式的橫向噴桿進行植保作業[1]。因為其有著離地距離高、作業范圍大的特點，適合大面積農田及現代化農場種植模式下高稈作物，如玉米、小麥、水稻、棉花等的植保作業[2]。

本文從高地隙自走式噴桿噴霧機的研究、應用現狀、存在問題及未來展望等方面進行介紹，希望對農作物植保作業的應用和發展有所幫助。

2 國內外應用及研究現狀

2.1 國外研究及應用現狀

歐美等國家由于其農業現代化起步早，農業機械化裝備經過長時間的研究發展已經較為成熟且完備，在高地隙噴霧機方面也已適應當地生產模式且成系列化，擁有全球大部分的農機市場，其中以約翰迪爾、泰科諾瑪等具有代表性公司生產的高地隙自走式噴桿噴霧機得到了廣泛應用[3]。

圖1 國外機型

美國劃分了多個農業帶，農作物分類集中種植，歐洲農業區域也較為集中，便于管理，有利于大型機械的使用與發展，因此高地隙自走式噴桿噴霧機在歐美等發達國家已經相當普及。

國外經過多年的研究探索，對噴霧機噴桿的減震、平衡性能、運動控制，底盤對地形的適應調整都進行了大量的試驗研究，積累了大量數據[4-5]。并且高地隙噴霧機種類豐富，且以大型噴霧機為主，可實現噴桿多節分段噴霧，還可以進行地面仿形噴霧，適應不同地形及工況，應用GPS 技術對車輛和噴桿進行智能控制駕駛與噴灑[6]。

在人性化與自動化方面，國外高地隙噴霧機也更加完善，駕駛員在駕駛室內便可操縱噴桿的展開、升降、噴灑等各項功能，還可以實現在線混藥功能，避免了人員與農藥的直接接觸，降低了中毒風險，提高了作業效率[7]。此外，歐美國家往往有專業的農業服務公司承擔農作物生產的各個環節，植保機械更加專業且豐富，全程對農作物的病蟲害進行監控，其高地隙自走式噴桿噴霧機也在朝著智能化、無人化、精量靶向施藥等方面發展[8]。

2.2 國內研究及應用現狀

我國是傳統的農業大國，農業分布廣泛。由于我國農業機械化和現代化起步晚，雖然早期高地隙噴桿噴霧機引入受到了廣泛的關注，但始終由于其價格昂貴，且我國存在大量零散個體農戶，大部分農戶難以承擔大型植保機械的開銷，因此并沒有在國內普及。

我國耕地分布廣泛，地形多樣復雜，對植保機械要求不同。由于高地隙噴霧機作業范圍大，噴桿較長，因此提高噴桿作業穩定性是重要的研究內容之一。

莊騰飛[9]針對大型高地隙噴桿噴霧機噴桿穩定性差等問題，對振動理論進行了分析，設計了一種基于彈簧和阻尼器組合減震的噴桿懸架結構，應用于18m 三角形截面噴桿的高地隙噴霧機上，并進行了仿真和試驗，可合理設置減震裝置參數以提高噴桿作業壽命。

薛濤[10]等針對噴桿被動懸架擺動性能問題，提出了基于自適應模糊滑?？刂扑惴ǖ膰姉U主動懸架控制方法，對主動懸架系統進行了建模和仿真，提高了大型高地隙噴霧機噴霧均勻性和噴桿作業穩定性。

由于我國地貌多樣，在山地丘陵地區，地形起伏對高地隙噴霧機的行走平穩性、地形的適應性以及駕駛員的乘坐舒適性都提出了要求，對底盤的研究與設計也一直是高地隙噴霧機的重點之一。

武秀恒[11]對噴霧機有限頻域主動懸架減振與整車姿態綜合控制策略進行了研究，具體研究了主動油氣懸架有限頻域控制器設計方法與時頻控制器設計方法，可保證噴霧機在提升駕駛員乘坐舒適性與整機平穩性的同時進行坡地仿形噴霧作業，提升了復雜工況下噴霧機行駛安全性與環境適應性，為其他類型主動懸架系統控制設計與研發提供了參考。

王麒淦[12]等基于ADAMS 軟件建立了適應于高地隙噴霧機田間作業工況的E 等級隨機路面模型，得出了影響高地隙噴霧機作業平順性各因素的規律，優化懸架參數，提高了高地隙噴霧機作業平順性。

另外，出于國情考慮，我國很多農作物采用密植的種植模式，這就對高地隙噴桿噴霧機在作業時霧滴穿透性提出了更高的要求。由于高地隙噴霧機離地距離高，而密植作物在生長的中后期枝葉密度逐漸提高，自上而下的噴施方式使藥液液滴難以穿過密植作物的冠層達到植物底部。張鐵[13]首次在國內開展了高地隙噴霧機風幕式高穿透施藥技術在高稈作物施藥作業過程中霧滴的沉積分布特性和飄移規律的研究。王俊[14]等以玉米為對象，研究了牽引式高地隙噴霧機在風幕作用下霧滴的穿透效果。除此之外，國內其他學者也在為國產高地隙噴霧機適應國內不同農業生產模式而不斷地努力。

在實際應用方面，隨著我國經濟的發展，國內各個高校、科研院所對農業機械研究的深入，諸多關鍵技術被掌握。同時，國家對農業管理更加合理化，零散農田被集中管理，使得大型植保機械有用武之地，國內高地隙自走式噴桿噴霧機也出現在人們的視野中，如中農豐茂、立興植保等企業根據國內農業環境設計出較為先進的高地隙自走式噴霧機。

圖2 國內機型

綜上所述，雖然我國在高地隙自走式噴桿噴霧機方面的研究取得了很多成果，但就目前為止，受我國地貌、農戶個體經濟等因素的限制，國內高地隙自走式噴桿噴霧機多以中小型以及改進型機器為主[15]，雖然近些年在新疆等新興農業基地運用了許多大型植保機械，但總體上噴幅在20m 以上的大型噴霧機占比不高。

3 討論與展望

3.1 存在問題

我國雖然在高地隙自走式噴桿噴霧機方面攻克了許多難題，但由于早期建設重點放在了工業方面，對農業機械現代化的研究投入相對較晚，目前還面臨著許多問題。如（1）噴桿的工作穩定性、噴桿的伸縮折疊控制、噴幅的提升；（2）車輛底盤對地形的適應、控制和調節；（3）噴頭存在“跑、冒、滴、漏”現象，霧滴的穿透性有待提高，以及車輛對植株的保護等問題[16-17]。

3.2 發展趨勢

近幾年來，隨著我國對農業機械的重視，對高地隙自走式噴桿噴霧機的研究力度也在不斷加大，我們還需要從以下幾方面對其進行更加深入的研究：

（1）噴桿方面。噴桿的減震效果不理想、減震方式較少，對于噴桿的智能化控制及末端晃動問題都有待改善[18]。另外，噴桿結構剛度問題、噴桿姿態檢測與調整控制技術也是急需攻克的難題。

（2）底盤方面。由于我國地貌狀況復雜，高地隙噴霧機底盤種類少，缺少對整車姿態的控制調整，大型機器難以在丘陵地區作業，機車行駛平穩性需要改進。隨著對作業環境要求的提高，駕駛員駕駛舒適性要求也相應提高，對車輛底盤減震效果及減小噪音等也需納入考慮范圍。

（3）其他方面。由于我國存在密植化種植模式，有些農作物在生長中后期會出現封田，高地隙噴桿噴霧機在農田中行駛時難免會出現碾壓植株的現象。盡管許多高地隙噴桿噴霧機加裝了分禾器，但仍需要對保護植物、預留田間掉頭空間等進行完善。另外，在線混藥裝置、靜電噴霧技術、駕駛室操作終端的智能化、作業情況可視化等方面也有待提高。

4 結語

我國高地隙自走式噴桿噴霧機從無到有，從模仿到自主研發，始終在追趕國際先進水平。通過國內外現狀對比，可以發現我國與國外還存在一定技術差距。目前我國加大了噴桿、底盤、噴頭、智能化等重要技術領域研究投入。隨著我國科研水平的提高，將來也會不斷地研制出適合我國不同區域、不同農業種植模式要求的多樣化高地隙噴桿噴霧機。