遠(yuǎn)射程噴霧機(jī)噴霧參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)

呂林碩,邊永亮,李建平,陳春皓,劉玉肖

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,河北 保定 071000)

0 引言

目前,在糧食和蔬菜之后,水果已成為我國(guó)第三大種植產(chǎn)業(yè)[1]。在果園的整體勞動(dòng)作業(yè)過(guò)程中,果樹(shù)的施藥噴霧占到30%左右,且果樹(shù)一年中大約需要噴藥8～15次[2-3],導(dǎo)致農(nóng)藥使用量大[4-5]、浪費(fèi)嚴(yán)重,造成經(jīng)濟(jì)損失。與此同時(shí),農(nóng)藥在果品上殘留量超標(biāo)、土地污染等環(huán)境健康問(wèn)題也隨之而生[6-8]。2021年,農(nóng)村農(nóng)業(yè)部、發(fā)改委等印發(fā)《“十四五”全國(guó)農(nóng)村綠色發(fā)展規(guī)劃》[9],明確提出:到2025年,持續(xù)減少化肥、農(nóng)藥的使用量,全面遏制農(nóng)藥面源污染,保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)。為解決果園施藥過(guò)程中藥液浪費(fèi)嚴(yán)重、施藥不均等問(wèn)題,相關(guān)學(xué)者對(duì)目前施藥技術(shù)進(jìn)行研究并對(duì)噴霧參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。邱威等[10]通過(guò)對(duì)風(fēng)送式多通道霧化裝置的研究,提出了一種角度可調(diào)的仿形施藥方法,進(jìn)而提升了霧滴覆蓋率及均勻度。夏侯炳等[11]以遠(yuǎn)射程、寬噴幅風(fēng)送噴霧機(jī)為研究平臺(tái),針對(duì)6種噴霧壓力、兩種機(jī)型進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)果表明:在射程方向的7m處,噴霧壓力提升可促進(jìn)噴霧質(zhì)量的提高,但在2.5m處噴霧壓力對(duì)噴霧質(zhì)量的影響不顯著。代秋芳等[12]通過(guò)激光粒度儀對(duì)3種不同孔徑噴頭在8種噴霧壓力作用下的霧滴直徑分布情況進(jìn)行分析,結(jié)果表明:TR80-03C等3種噴頭在0.7～1.4MPa條件下,小粒徑霧滴占比較高,且噴頭孔越小噴霧壓力越大、霧滴越小。宋淑然[13]等人通過(guò)對(duì)遠(yuǎn)射程風(fēng)送式噴霧機(jī)平臺(tái)進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)噴射出的霧滴粒徑均大于50um,霧滴粒徑較均勻,重力作用使霧滴匯聚成大顆粒。程湞湞等[14]設(shè)計(jì)出一種果園電力噴霧機(jī),通過(guò)試驗(yàn)得出對(duì)霧滴分布變異系數(shù)影響的大小次序?yàn)閲婎^擺動(dòng)速度、距離、流量、機(jī)器行走速度,并找出最優(yōu)參數(shù)組合。

筆者以遠(yuǎn)射程噴霧機(jī)為試驗(yàn)平臺(tái),針對(duì)施藥過(guò)程中因噴霧參數(shù)不準(zhǔn)確而造成的藥液附著率低、藥液浪費(fèi)量大等問(wèn)題,通過(guò)改變噴射角度來(lái)達(dá)到霧滴對(duì)整體樹(shù)形覆蓋的目的,調(diào)節(jié)噴霧壓力以改善霧滴的運(yùn)動(dòng)距離與噴霧施藥的效果[15-16],調(diào)節(jié)噴霧機(jī)到樹(shù)干的距離以提升霧滴的沉積密度及霧滴附著均勻度。通過(guò)多因素響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化遠(yuǎn)射程噴霧機(jī)噴霧參數(shù),提高遠(yuǎn)射程噴霧機(jī)的施藥效果。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備及儀器材料

1.1.1 試驗(yàn)設(shè)備

3WF-100型遠(yuǎn)射程噴霧機(jī)主要由柱塞泵、汽油發(fā)動(dòng)機(jī)、水箱、環(huán)形噴管及角度調(diào)節(jié)風(fēng)筒等組成,如圖1所示。風(fēng)筒安裝在框架上,其端口安裝有環(huán)形噴管,風(fēng)筒可調(diào)節(jié)噴射角度。噴霧設(shè)備的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 噴霧設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structure parameters of spray equipment

1.環(huán)形噴管 2.角度調(diào)節(jié)風(fēng)筒 3.可伸縮旋轉(zhuǎn)絲杠 4.水箱 5.汽油發(fā)動(dòng)機(jī) 6.柱塞泵 7.底座框架 8.風(fēng)筒支架圖1 3WF-100型遠(yuǎn)射程噴霧機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 3WF-100 long range sprayer structure diagram

1.1.2 試驗(yàn)儀器與材料

采用重慶六六山下科技公司生產(chǎn)的水敏試紙檢測(cè)霧滴;Epson Perfection 1670掃描儀掃描水敏紙;希瑪公司AS856S風(fēng)速儀測(cè)量環(huán)境風(fēng)速;精創(chuàng)公司RC-4溫濕度測(cè)量?jī)x測(cè)量環(huán)境溫濕度;卷尺標(biāo)定噴霧機(jī)到樹(shù)干距離;量角器標(biāo)定風(fēng)筒仰角;秒表計(jì)算噴霧時(shí)間。

試驗(yàn)采用按照1:1還原的紡錘形蘋(píng)果樹(shù),仿真樹(shù)高h(yuǎn)=3.5m,冠層寬度上層a=1.2m、中層寬度b=1.5m,下層寬度c=1.8m。仿真蘋(píng)果樹(shù)及整體尺寸如圖2所示。仿真樹(shù)依據(jù)矮砧密植果園果樹(shù)的葉面積指數(shù)、樹(shù)形特征及樹(shù)枝稠密度仿制而來(lái)[17-18],可保證仿真樹(shù)與真實(shí)果樹(shù)一致。

圖2 仿真蘋(píng)果樹(shù)及整體尺寸Fig.2 Simulated apple tree and overall size

1.2 試驗(yàn)采樣

在多因素試驗(yàn)中,為試驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠全面反映果樹(shù)的藥液附著情況,選取正對(duì)噴霧機(jī)的方向(果樹(shù)南側(cè))作為取樣方向,分別為上、中、下3層(將樹(shù)冠層豎直方向三等分),內(nèi)、中、外3層(將樹(shù)枝外緣到樹(shù)干的距離三等分),共計(jì)9個(gè)位置粘貼水敏紙,水敏紙粘貼位置示意圖如圖3所示。水敏紙尺寸為35mm×15mm,試驗(yàn)結(jié)束后揭下粘于收集紙上并封袋保存。

圖3 水敏紙粘貼位置Fig.3 Water sensitive paper paste position

2 噴霧機(jī)施藥試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)環(huán)境與過(guò)程

1)試驗(yàn)環(huán)境:試驗(yàn)于2021年8月15日在河北農(nóng)業(yè)大學(xué)工科樓外大院中進(jìn)行,環(huán)境濕度32%,環(huán)境溫度32℃,自然風(fēng)速0.42m/s。

2)試驗(yàn)過(guò)程:將水敏紙?jiān)诜抡婀麡?shù)上粘貼牢靠,確保噴霧過(guò)程中水敏紙不會(huì)因葉片的翻動(dòng)而脫落,并調(diào)整好噴霧的距離與角度。準(zhǔn)備工作完成后,秒表計(jì)時(shí),啟動(dòng)噴霧機(jī)進(jìn)行噴霧試驗(yàn),試驗(yàn)過(guò)程如圖4所示。

圖4 噴霧試驗(yàn)場(chǎng)景Fig.4 Spray test scene

啟動(dòng)3s后(模擬正常拖拉機(jī)行進(jìn)速度下噴到樹(shù)上的時(shí)間為3s),關(guān)閉噴霧機(jī),噴霧結(jié)束后迅速收集水敏紙。根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案表,調(diào)整施藥參數(shù),更換水敏紙,重復(fù)試驗(yàn)過(guò)程,依次完成各組試驗(yàn)。

每組試驗(yàn)重復(fù)3次,取平均值。采用水敏紙來(lái)測(cè)試霧滴分布情況,試驗(yàn)完成后用掃描儀掃描水敏紙,并用分析軟件Image-master分析出霧滴附著情況[19]。

2.2 單因素試驗(yàn)與結(jié)果分析

選取霧滴沉積量、霧滴沉積覆蓋率、霧滴沉積密度及變異系數(shù)等作為果樹(shù)藥液附著量與施藥效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)[20]。其中,霧滴沉積覆蓋率計(jì)算如式(1)所示。為確定各個(gè)因素合理的取值范圍,研究噴霧壓力、噴射角度、噴霧距離對(duì)噴霧效果的影響規(guī)律,設(shè)計(jì)單因素試驗(yàn),分別以噴霧壓力、噴霧距離、噴射角度作為自變量,以霧滴沉積覆蓋率、霧滴沉積密度及變異系數(shù)、霧滴沉積量為指標(biāo)[21],確定合適的單因素范圍。

(1)

其中,C為霧滴沉積覆蓋率;A為水敏紙上藥液覆蓋面積(mm2);S為水敏紙面積(mm2)。

2.2.1 噴霧壓力

在遠(yuǎn)射程噴霧機(jī)對(duì)果樹(shù)的施藥作業(yè)過(guò)程中,為尋求合適的噴霧壓力,使果樹(shù)的藥液附著量達(dá)到最大值,進(jìn)行噴霧壓力的測(cè)定試驗(yàn)。結(jié)合果園噴霧機(jī)性能以及農(nóng)藝要求,選取噴霧壓力范圍為0～1.0MPa,噴霧距離3m,噴射角度45°,將霧滴沉積覆蓋率作為果樹(shù)藥液附著量的檢測(cè)指標(biāo),每隔0.1MPa進(jìn)行1次試驗(yàn)測(cè)量,并保存數(shù)據(jù),繪制在不同噴霧壓力作用下藥液在果樹(shù)冠層上的霧滴沉積覆蓋率-噴霧壓力曲線,如圖5所示。

圖5 霧滴沉積覆蓋率隨噴霧壓力變化曲線Fig.5 Change curve of droplet deposition coverage rate with spray pressure

由霧滴沉積覆蓋率-噴霧壓力曲線可知:隨著噴霧機(jī)噴霧壓力的升高,霧滴沉積覆蓋率先急劇增加而后緩慢降低。在噴霧壓力較小時(shí),提高噴霧壓力可以使更多的霧滴運(yùn)動(dòng)到果樹(shù)的位置,增加了霧滴在果樹(shù)上的附著率,霧滴沉積覆蓋率得以急劇增加。當(dāng)噴霧壓力大于0.45 MPa時(shí),隨著柱塞泵壓力增大,霧滴獲得的動(dòng)能增大,使霧滴穿透冠層、藥液飄移損失增大,冠層上有效霧滴沉積覆蓋率降低;在噴霧壓力為0.4MPa時(shí),葉面霧滴沉積覆蓋率最大,為71.8%;噴霧壓力為0.45MPa時(shí),葉背霧滴沉積覆蓋率最大,為32.4%。為了更加精確地探究噴霧壓力以及噴霧壓力與其他因素交互作用對(duì)施藥效果的影響,選取噴霧壓力范圍為0.3～0.5MPa進(jìn)行后續(xù)多因素試驗(yàn)。

2.2.2 噴霧距離

噴霧距離是指噴頭出口與果樹(shù)樹(shù)干中心線之間的距離,通過(guò)試驗(yàn)探究不同噴霧距離對(duì)噴霧機(jī)施藥效果的影響,施藥效果評(píng)價(jià)指標(biāo)采用霧滴沉積密度來(lái)反映。選取噴霧壓力為0.4MPa,噴射角度為45°,噴霧距離選取范圍為1.5～5m,每隔0.5m做一次噴霧試驗(yàn),共計(jì)8次,試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2和表3所示。

表2 不同位置、不同距離的霧滴沉積密度(葉面)Table 2 Droplet deposition density at different locations and distances (leaf surface)

表3 不同位置、不同距離的霧滴沉積密度(葉背)Table 3 Droplet deposition density at different locations and distances (leaf back)

以上、中、下層的3個(gè)數(shù)據(jù)的變異系數(shù)[22]與平均值來(lái)反映藥液附著均勻度與果樹(shù)藥液附著量的大小。利用Excel 2016對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理,霧滴沉積密度變異系數(shù)隨噴霧距離變化曲線如圖6所示。

圖6 霧滴沉積密度變異系數(shù)隨噴霧距離變化曲線Fig.6 Change curve of droplet deposition density variation coefficient with spray distance

由圖6可知:當(dāng)噴霧距離增加時(shí),霧滴沉積密度變異系數(shù)減小,施藥噴霧更均勻;當(dāng)噴霧距離為2.5m時(shí),霧滴沉積密度的變異系數(shù)為葉面15.8%、葉背17.1%,噴霧機(jī)施藥均勻[23]。因此,為提高果樹(shù)藥液附著均勻度,噴霧距離應(yīng)大于2.5m,后續(xù)分析霧滴沉積密度應(yīng)在噴霧距離大于2.5m的基礎(chǔ)上進(jìn)行。

霧滴沉積密度隨噴霧距離變化曲線如圖7所示。

圖7 霧滴沉積密度隨噴霧距離變化曲線Fig.7 Change curve of droplet deposition density with spray distance

由圖7可知:當(dāng)噴霧距離超過(guò)2.5m并且繼續(xù)增大時(shí),霧滴沉積密度變小,即果樹(shù)藥液附著量減小;當(dāng)噴霧距離為3.5m時(shí),其葉面霧滴沉積密度為164.28滴/cm2、葉背為81.32滴/cm2,滿(mǎn)足果園施藥作業(yè)要求[24](霧滴沉積密度≥70滴/cm2);當(dāng)噴霧距離為4m時(shí),葉背霧滴沉積密度為69.56滴/cm2,不符合果園施藥作業(yè)要求。因此,噴霧距離范圍選取2.5～3.5m。

2.2.3 噴射角度

通過(guò)角度調(diào)節(jié)風(fēng)筒來(lái)改變霧流的噴射角度。為使藥液噴施范圍盡可能覆蓋果樹(shù)冠層位置,使得藥液最大程度地噴灑在果樹(shù)上,減少藥液漂移,提高藥液附著率,進(jìn)行了遠(yuǎn)射程噴霧機(jī)噴射角度范圍的測(cè)定試驗(yàn)。根據(jù)遠(yuǎn)射程噴霧機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸、噴霧距離、果樹(shù)冠層厚度等數(shù)據(jù),結(jié)合藥液噴出后因重力作用[25]而造成的下落影響,試驗(yàn)選取噴霧壓力0.4MPa、噴環(huán)到果樹(shù)樹(shù)干距離L為3m、噴射角度30°和60°,以霧滴沉積量為評(píng)價(jià)指標(biāo),探究不同噴射角度下的霧滴覆蓋范圍。不同噴射角度的噴霧機(jī)作業(yè)示意圖如圖8所示。本次試驗(yàn)于果樹(shù)冠層位置,沿豎直方向等間距布置10處采集點(diǎn),采集點(diǎn)由果樹(shù)冠層底層到頂層依次編號(hào)1～10,并粘貼水敏紙觀測(cè)霧滴沉積情況。

圖8 噴霧作業(yè)示意圖Fig.8 Schematic diagram of spraying operation

不同噴射角度下的霧滴分布情況試驗(yàn)結(jié)果如表4和圖9所示。

表4 不同噴射角度、不同采集點(diǎn)的霧滴沉積量Table 4 The amount of droplets deposited at different spray angles and different collection points

圖9 不同噴射角度下霧滴流分布情況Fig.9 Distribution of droplet flow under different spray angles

由圖9可知:當(dāng)噴射角度為30°時(shí),果樹(shù)下層霧滴沉積量較大,且在采集點(diǎn)3處?kù)F滴沉積量最大;當(dāng)噴射角度為60°時(shí),果樹(shù)上層霧滴沉積量較大,且在采集點(diǎn)8處?kù)F滴沉積量最大,滿(mǎn)足噴出霧滴覆蓋果樹(shù)的要求。為使交互作用中對(duì)噴射角度影響的探究更為全面,后續(xù)多因素試驗(yàn)噴射角度選取30°、45°、60°來(lái)進(jìn)行。

2.3 多因素試驗(yàn)與結(jié)果分析

為探究遠(yuǎn)射程噴霧機(jī)對(duì)果樹(shù)噴藥過(guò)程中噴霧距離、噴射角度、噴霧壓力及其交互作用對(duì)施藥效果的影響,設(shè)計(jì)3因素3水平試驗(yàn)。以噴霧距離(噴頭到樹(shù)干中心線的距離)、角度(角度調(diào)節(jié)風(fēng)筒的角度)、噴霧壓力(泵壓)為自變量因素,3個(gè)因素分別記為A、B、C,霧滴沉積量為果樹(shù)藥液附著量的衡量指標(biāo),記為Y,采取響應(yīng)面法建立自變量與響應(yīng)值的回歸方程,得出響應(yīng)值最優(yōu)解。其中,各個(gè)因素的取值范圍依據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果確定,試驗(yàn)因素水平編碼表如表5所示。采用Design Expert 12.0中的Box-Design模塊設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案[26],共17組試驗(yàn),具體參數(shù)如表6所示。在試驗(yàn)采樣位置粘貼水敏紙,按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案表6中的噴霧參數(shù),啟動(dòng)噴霧機(jī)進(jìn)行施藥試驗(yàn)。1次試驗(yàn)結(jié)束后,更換水敏紙,調(diào)節(jié)噴霧參數(shù),進(jìn)行下一組,直至完成全部試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表5 因素水平編碼表Table 5 Factor level coding table

表6 霧滴沉積量設(shè)計(jì)方案與試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Design scheme and test results of droplet deposition

采用Design Expert 12.0對(duì)沉積量響應(yīng)值結(jié)果進(jìn)行方差分析,分析結(jié)果及顯著性水平如表7所示。

表7 霧滴沉積量回歸方程顯著性及方差分析Table 7 Significance and variance analysis of regression equation for droplet deposition

霧滴沉積量的編碼自變量的回歸方程為

Y=4.18-1.32A+0.67B+1.02C-

0.20AB+0.48AC+0.57BC+0.92A2-

1.21B2-0.23C2

(2)

試驗(yàn)值的擬合回歸方程為

Y=39.17-27.32A+0.46B-16.99C-

0.03AB+9.5AC+0.38BC+3.68A2-

0.01B2-22.9C2

(3)

因素對(duì)霧滴沉積量交互作用響應(yīng)曲面圖如圖10所示。

圖10 因素對(duì)霧滴沉積量交互作用響應(yīng)曲面圖Fig.10 Response surface plot of interaction of factors on droplet deposition

由圖10得到噴霧距離、噴射角度、噴霧壓力兩兩因素之間的交互作用對(duì)霧滴沉積量的影響,以及在其他兩個(gè)因素取值固定時(shí)單因素對(duì)響應(yīng)值的影響。

噴霧壓力C位于中心水平(即0.4MPa)時(shí),由圖10(a)可知:噴霧距離A與噴射角度B對(duì)霧滴沉積量影響的響應(yīng)面呈現(xiàn)馬鞍狀。當(dāng)噴射角度B取值一定時(shí),霧滴沉積量隨著噴霧距離的增加而逐漸減小,且其減小趨勢(shì)逐漸趨緩,即在噴霧機(jī)與果樹(shù)距離較近時(shí)噴霧距離的變動(dòng)對(duì)噴霧霧滴沉積量的影響更為顯著。當(dāng)噴霧距離A一定時(shí),伴隨噴射角度的增加,霧滴沉積量呈現(xiàn)出先增加而后降低的趨勢(shì),即噴射角度30°～60°之間存在一個(gè)值使得霧滴在果樹(shù)上藥液附著量達(dá)到最大值。

噴霧壓力B位于中心水平(即45°)時(shí),由圖10(b)可知:當(dāng)噴霧距離A一定時(shí),霧滴沉積量隨噴霧壓力的減小而降低,且噴霧距離越大時(shí)響應(yīng)值隨噴霧壓力減小而降低的趨勢(shì)越急,說(shuō)明噴霧距離越遠(yuǎn)噴霧壓力對(duì)霧滴沉積量的影響越大;當(dāng)噴霧壓力C固定且取值較小(如C=-1)時(shí),霧滴沉積量隨著噴霧距離的增加而逐漸減小,且其趨勢(shì)逐漸趨緩,與前面圖10(a)中分析一致;當(dāng)噴霧壓力C固定且取值較大(例如C=1)時(shí),藥液在果樹(shù)上沉積量隨距離增加而逐步降低,而后又有輕微的反彈回升現(xiàn)象,原因是當(dāng)噴霧距離較近時(shí),一部分霧滴穿透果樹(shù)飄失,但當(dāng)噴霧距離增大時(shí)穿透飄失霧滴由于重力作用呈拋物線形式掉落的果樹(shù)葉片上,增大了其沉積量。

噴霧壓力A位于中心水平(即3m)時(shí),由圖10(c)可知:當(dāng)噴霧壓力C一定時(shí),隨噴射角度的增加,霧滴沉積量先增大而后減小,呈現(xiàn)出拋物線形式;當(dāng)噴霧壓力變大時(shí),最佳噴射角度也會(huì)增大。當(dāng)噴射角度一定時(shí),隨著噴霧壓力的降低,霧滴沉積量也會(huì)變小,且當(dāng)噴射角度取值越大時(shí)沉積量隨壓力降低而引起的下降越顯著。

由表6可知:在響應(yīng)面試驗(yàn)中,霧滴沉積量最大的組別是第7組,其噴霧距離為2.5m,噴射角度為45°,噴霧壓力為0.5MPa,霧滴沉積量為7.05μL/cm2。

為求取各因素最優(yōu)參數(shù)組合,利用Design Expert軟件中的Optimization-Numerical模塊進(jìn)行求解,設(shè)置霧滴沉積量最大為求解目標(biāo),其他自變量因素根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果設(shè)置求解范圍,數(shù)學(xué)模型為

(4)

由式(4)得出:遠(yuǎn)射程噴霧機(jī)對(duì)果樹(shù)施藥作業(yè)的最優(yōu)參數(shù)組合為噴霧距離為2.5m、噴射角度為54°、噴霧壓力為0.48MPa時(shí),霧滴沉積量最高,達(dá)7.09μL/cm2,略高于多因素試驗(yàn)中第7組的最高值。

3 結(jié)論

1)通過(guò)噴霧壓力、噴霧距離、噴射角度的單因素試驗(yàn)與分析,得到遠(yuǎn)射程噴霧機(jī)施藥作業(yè)的參數(shù)取值范圍為噴霧壓力0.3～0.5MPa、噴射角度30°～60°、噴霧距離2.5～3.5m時(shí),3個(gè)因素試驗(yàn)條件下果樹(shù)的藥液附著性能較優(yōu)。

2)通過(guò)多因素試驗(yàn)分析得出:影響霧滴在果樹(shù)上沉積量大小的主次因素為噴霧距離>噴霧壓力>噴射角度,且3個(gè)因素的影響均呈極顯著(P<0.01);兩因素交互作用中,噴射角度與噴霧壓力、噴霧距離與噴霧壓力交互作用影響顯著(0.01