果园多风机风送喷雾机作业参数优化与试验

　　摘要：针对当前传统风送喷雾机在矮砧密植果园病虫害防治作业时存在药液浪费严重、雾滴难以穿透到果树冠层内部的问题，设计了一种风机对称布置的新型果园多风机风送喷雾机;基于 STAR-CCM+软件仿真分析了单侧组合 3 风机送风流场，当拖拉机 PTO 转速 540 r/min 时，单风机风量为 4397.1 m3 /h、风速为 9.7 m/s、风机动压为 47.3 Pa，到达果树外侧冠层空气流速度大于 5.5 m/s，满足药液抵达冠层中心的喷雾需要。利用 Box-Behnken 优化了喷雾系统参数组合，当喷雾压力为 0.8 MPa、喷雾距离为 1.25 m、喷头型号采用扇形 02 型时，经垂直雾滴分布仪模拟果树冠层垂直方向的药液附着性能试验表明，雾滴沉积量变异系数为 10%~12%，雾滴分布较为均匀;经田间试验表明，多风机风送喷雾机喷雾作业后果树冠层垂直方向上中下 3 层的雾滴沉积总量分别为 68、145、195 mL，总体标准差分别为 1.61、3.72、5.29，叶片药液附着雾滴数大于等于 70 粒 /cm2，达到了风送式果园喷雾机标准的规定，可实现果树冠层垂直方向药液的有效覆盖。

　　李建平; 边永亮; 杨欣; 王鹏飞; 李昕昊; 薛春林， 吉林大学学报(工学版) 发表时间：2021-08-30

　　关键词：农业工程;风送喷雾机;气流辅助技术;多风机;喷雾系统;CFD;Box-Behnken 正交试验

　　0 引言

　　针对农药过量使用带来生产成本增加与资源环境压力加大的问题，农业农村部大力推进农药减量增效 [1]，但目前我国矮砧密植苹果园主要采用―高纺锤形‖的种植模式[2]，传统果园风送喷雾机难以适应果树冠层药液附着的作业需求，施药作业参数不能根据果树冠层结构自动调节，造成各冠层内中外叶片上的药液沉积量极不均匀[3]。为此，传统果园风送喷雾机亟需改进设计，关键在于改变喷雾机的送风风场。国外相关研究侧重于使用计算流体力学技术(CFD)对风送式喷雾机的风场进行研究[5]，通过仿真模拟技术对作物冠层气流特性进行研究，利用气流的湍流作用[6]使药液雾滴随着空气流速的增加而更均匀、更深入地渗透到作物冠层内部。Miranda-Fuentes 等[7]采用实验与模拟相结合的方法分析了果园风送喷雾机的喷雾液场分布与风机产生的气流场分布的关系，发现喷雾液场的分布与喷雾机的气流场呈直接相关关系[8]。国内外学者主要通过设置导流装置或增设风机组等方式对风场进行改善。宋雷洁等[9-10]对塔型风送式果园喷雾机进行 CFD 内流场仿真模拟，仿真结果发现塔形导流装置参数可有效改善风场分布[11]。Dr. Kamran Siddiqui[12] 利用气泡雾化研究雾化器内部两相流对喷雾特性的影响，锥底通气管和较短的混合区长度可使气泡在较小的尺寸内更加均匀。周良富等[13]设计了 3WQ-400 型双气流辅助静电果园喷雾机，利用轴流风机产生的外风场和离心风机产生的内风场共同作用，输运雾滴到作物靶标。Godyn A 等[14]将两个轴流风机上下布置，上部风扇位置可在 70cm 高度范围内调节[15]，Endalew A M 等[16]对一款双风扇空气辅助喷雾器进行了 CFD 气流仿真模拟研究，双扇型喷雾器在较高的高度上具有更高、更均匀的空气速度。丁天航等[17]将风机串联对称设计，解决单风机果园喷雾机两侧气流场不对称、施药不均匀的现象。Garciaramos F J 等[18-19]分析了一种带有两个反向旋转轴流风机的喷雾机所产生的气流场，当使用两个反向旋转风扇时，与使用单个风扇相比，喷雾沉积量显著增加。基于以上思想旨在开展果园多风机风送喷雾机的风送喷雾系统技术研究，依据果树冠层调整多风机风送喷雾机的风机风量、喷雾压力、喷头类型、喷雾距离等工作参数，解决药液浪费严重、雾滴难以穿透到果树冠层内部的问题。

　　1 总体结构及作业配置方案

　　1.1 结构组成及工作原理

　　果园多风机风送喷雾机(简称―喷雾机‖)由风机搭载机架、轴流风机、隔膜泵、环形药管、喷头总成、过滤器、压力调节阀、药箱等构成(如图 1)，6 个轴流风机安装于风机搭载机架上。整机经 3 点悬挂装置挂接于拖拉机上，通过拖拉机后输出轴驱动隔膜泵、风机组工作，使药液从药箱泵出经过滤器过滤杂质、隔膜泵加压、压力调节阀调压、环形药液管分流与风机送风由喷头总成向果树冠层施药。喷雾机主要结构参数如表 1 所示。

　　1.2 ―树-机‖作业配置方案

　　现阶段我国苹果园主推宽行矮砧密植种植模式，果树的行距 c 为 3.5~4 m，株距为 1.1~1.5 m，树高 h 为 3.5~4.2 m，树冠形状主要呈纺锤形或圆柱形。根据矮砧密植果园的种植环境的特点，结合果园果树的生长特点与送风置换原理[20]，来确定喷雾机的主要结构参数;确定单风机风量及动压，以满足喷雾风力要求;确定喷头间距和喷头类型，以确保雾滴全部覆盖果树冠层，防止漏喷多喷;喷头距果树冠层的距离 L，其可调距离在 100~150 cm，探究距离的远近对果树冠层的着药的影响;探究不同喷雾压力的影响，考虑到选用的隔膜泵可调喷雾压力范围为 0.6~1.0 MPa，探究最佳喷雾压力值。

　　2 作业参数确定

　　2.1 单风机风量确定

　　单侧风送雾化装置产生的风量总和与果树空间空气量进行置换[20]，风量按(1)式[21]计算： e / Q v H L K K N s      (1)式中：Q 为风机风量，m 3 /h;ve为喷雾机速度，m/s; H 为果树高度，m;L 为喷雾间距，m;K 为气流衰减和沿途损失系数;Ks 为置换空间系数，N 为风机数量。最小喷雾空间(最低喷雾高度、最小喷雾间距)时，各参数的取值为：ve=1.2 m/s，L=1 m，H=3 m， K=1，Ks=0.6，N=3，代入式(1)中，计算得 Q≥1458 m3 /h。

　　2.2 风机出风口风速确定

　　风机直径按照风量公式进行计算得出。选用外圆为 450 mm、内圆为 400 mm、长度为 300 mm 的轴流风机，该风机在 1400 r/min 时产生的风量为 11400 m3 /h[22]，风速 v、风机动压 Pd 分别用式(2)、(3)计算： 2 = / 2 D v Q      3600( ) (2) 2 2 v Pd  (3)式中：v 为风速，m/s;D 为风机内圆直径，mm;Pd 为风机动压，Pa;为空气密度，约 1.29 kg/m3。

　　2.3 单风机动压确定

　　由于拖拉机后输出轴 PTO 输出的转速一般为 360、540、720 r/min，在用 V 带传动的风机中，改变转速，变化后的风量 Q1、风机动压 Pd1可按式(4)计算： 1 2 i n Q Q n   (4) 2 1 d d 1 n P P n        (5)由公式(2)—(5)计算，当 PTO 转速为 360 r/min 时，风机输出风量 Q1 为 2931.4 m3 /h，风速约为 6.5 m/s，风机动压为 27.1 Pa;当 PTO 转速为 540 r/min 时，Q1 为 4397.1 m3 /h，风速约为 9.7 m/s，风机动压为 47.3 Pa，当 PTO 转速为 720 r/min 时，风机输出风量约为 Q1 为 5862.9 m3 /h，风速约为 12.9 m/s，风机动压为 107.3 Pa。最常用的拖拉机 PTO 转速为 540 r/min，经计算满足喷雾送风需求。

　　2.4 软件仿真

　　经上述计算，确定了风机风速、风压等性能参数。为验证理论计算值是否正确，利用 CFD 分析方法模拟风机组流场分布特征，是定性和定量分析风场分布特性的一种方法。利用 Autodesk Inventor Professional(AIP)软件对喷雾机建模，同时建立等效空间模型，采用 Star-ccm+15.0 软件将单侧风机组与果树所在空间建立等比例流体域模型。经仿真模拟得出如图所示网格划分图(见图 3(a))、速度矢量图(见图 3(b)、图 3(c)、图 3(d))。进行不同风速状态下的 3 组仿真试验，分析风机产生的风量及风速否符合要求。

　　由速度矢量图 3(b)可知，风机组在初始风速 9.7 m/s 以上的情况下，由图例可知到达果树冠层中心面的风速可达到 5.5 m/s 以上，有助于将雾滴裹挟输送到果树冠层内部，且较高风速可产生气流扰动效应，有助于雾滴更好地附着到树叶背面，与理论计算值较好地契合，说明风机组合可满足喷雾送风需求。

　　2.5 喷头间距确定

　　国内植保机械的喷头主要有扇形和圆形，扇形喷头的雾锥角主要有 80°和 110°[23]两种，考虑到降低喷雾重叠区，采用 80°扇形喷头，常用 ARAG 的 80°扇形喷头有 015、02、03 型，3 种扇形喷头分别对应 0.15 L/min、0.20 L/min、0.30 L/min。为使果树各冠层的着药均匀，且匹配果树冠层高度，每个环形药管安装 3 套喷雾总成(见图 4)。药液经药管从入口进入环形药管，然后经过喷雾总成第一次雾化喷出，形成一条喷雾带;风机产生的气流驱动雾滴进行二次雾化，并将细小雾滴裹挟，提升雾滴飞行速度，可增强雾滴的穿透性能。

　　以果树冠层中心面 N-N 为竖直基准面，上层的中心面 M-M 为水平基准面，建立直角坐标系如图 4 所示。果树施药时为实现全面覆盖和均匀喷雾，喷头安装需满足约束条件： 0 2  0 ' 2 0 ) ( 1 k 2 f x k f f L f f f x      ≤ ≤ < ≤ (6)其中 ( ) 2 f hcot    (7) f h tan tan ' 2 9      ( ( )      - 0 - ( 2 - -90 ) ) (8) f h tan cot      ( ( ) 2 9     - 0 ( ) ) - (9) 式中：k1 为最小重叠系数;k2 为最大重叠系数;x0 为喷头到上层中心的垂直距离，m;L 为果树上层高度，m;为喷头安装水平面右侧幅宽，m;为舍弃喷幅，m;为单喷头喷幅，m;h 为喷头到冠层中心面的距离，m;为喷头与水平面夹角，(°);为喷头标定喷雾角，(°);γ 为局部喷雾角，(°)。

　　喷雾机喷雾时，k1 取 15%，k2 取 30%，γ 取 5%~10%。为减少雾滴漂移，喷头距离果树冠层中心面取 100~150 cm，实际测量 L 在 0.6~1.0 m，其中以 0.8 m 为主。由公式(6))~(9)计算可知两喷头间距为 550 mm。

　　3 参数优化及性能试验

　　3.1 方案设计

　　通过喷雾机施药作业的雾滴沉积量指标[24]，分析喷雾压力、喷雾距离、喷头类型对药液在果树冠层雾滴沉积量的影响，设置试验因素水平编码值如表 2 所示，以 Design Expert 12.0 的 Box-Behnken Design 进行试验设计与分析，试验方案与试验结果如表 3 所示。

　　3.2 试验环境参数及试验过程

　　试验测试场地在高碑店市宝忠农具厂大院，试验时间为 2020 年 8 月 24 日，温度为 26~32℃，湿度为 47%~65%，环境风速为 0~1.2 m/s。试验选用意大利 AAMS 公司的雾滴垂直分布测试仪(型号：ARTS904520)收集雾滴垂直沉积分布情况、UT3636数字式风速计测量风速、JR912美德时温湿度计测量温湿度以及秒表、卷尺等。

　　将果园喷雾机挂接于拖拉机上，雾滴垂直分布测试仪(见图 5(a))安装完成后进行试验(见图 5(b))。喷雾机与试验台平齐，将雾滴收集装置放置妥当之后，启动喷雾机进行喷雾，同时启动雾滴垂直分布仪的行走装置，模拟拖拉机行走速度，当垂直分布仪器走过喷雾有效范围之后，关闭喷雾系统;将液体采集装置中的药液读数记录，之后将采集装置中药液清除，以备下次试验使用。依据正交试验方案表 3，调整各项参数，调整完毕后重复上述步骤进行各组喷雾试验，记录数据。

　　3.3 雾滴沉积量试验结果分析

　　利用 Design-expert 12.0 进行数据处理及分析，将雾滴沉积量回归方程的显著性及方差分析列于表 4 中。

　　由表 4 可知，模型显著性检验 P<0.0001，失拟项 P 值 0.2033，说明模型极显著，失拟不显著，拟合程度高;对雾滴沉积量的影响，A、B、C、A 2、C 2 极显著，AB、BC、B 2 显著，影响显著顺序为 A、B、C、 A 2、C 2、BC、AB、B 2。喷雾压力 A 与喷头流量 C、喷雾距离 B 与喷头流量 C 交互项影响显著，喷雾压力 A 与喷雾距离 B 交互项影响不显著。雾滴沉积量的回归模型为试验因素交互作用对雾滴沉积量的响应面如图 6 所示。由图 6(a)可知，在喷雾压力不变时，随着喷头流量的提高，雾滴沉积量先呈现上升趋势而后呈现下降趋势;在喷雾流量一定时，雾滴沉积量随着喷雾压力的增大呈现先上升而后下降的趋势;由图 6(b)可知，在喷雾压力不变时，雾滴沉积量随着喷雾距离的增加而降低;在喷雾距离一定的情况下，雾滴沉积量随着喷雾压力的增加呈现先增加而后缓慢降低的趋势。由图 6(c)可知，在喷雾距离一定的情况下，雾滴沉积量随着喷雾流量的增加呈现先增加后降低的趋势;在喷雾流量一定的情况下，随着喷雾距离的增加，雾滴沉积量呈现下降趋势。根据以上试验结果，在 Design-Expert 软件中以提高雾滴沉积量为优化目标，对喷雾作业参数进行优化，得到喷雾系统机构的最优参数组合，即喷雾压力为 0.8 MPa、喷雾距离为 1.25 m、喷头采用 02 型。

　　3.4 冠层雾滴沉积均匀性试验

　　为验证喷雾机施药作业的的冠层药液附着均匀性，为减少试验误差且在时间允许的情况下设计 9 组平行试验，采用最优参数组合为喷雾压力为 0.8 MPa、喷雾距离为 1.25 m、喷头采用 02 型进行试验，试验方法同上节。垂直雾滴分布仪收集单元高度为 20 cm，有效收集高度为 0.5~3.5 m 共 15 个单元，将收集单元的雾滴沉积量整理，见表 5。雾滴在垂直方向分布均匀性以雾滴沉积量的变异系数表示，变异系数和标准差分别采用式(11)和式(12)计算： CV 100%   S X (11)  2 1 ( ) 1 n i i X X S n (12) 式中： CV 为变异系数，%; S 为标准差; X 为雾滴平均沉积量，mL。

　　9 组平行试验所得的数据如表 5 所示。

　　由表 5 数据可知，每一试验组的雾滴沉积总量的变化较大，但垂直方向上的雾滴沉积量的变异系数差异较小，均在 10%~12%之间，表明结构的合理设计使雾滴沉积量在果树冠层垂直方向上的分布较为均匀。 15 个收集单元，正好对应果树上、中、下 3 个冠层区段，将 9 次试验的雾滴沉积量均值绘制成图 7，将各冠层与各采集单元雾滴沉积量进行比对。

　　上中下三层的雾滴沉积总量分别为 68、145、195 mL，总体标准差分别为 1.61、3.72、5.29，可知雾滴沉积量总体呈现下层>中层>上层的规律，由于重力影响，致使雾滴呈现下抛运动，致使中下层的雾滴沉积量要大于上层的。雾滴沉积量垂直分布较好地契合了果树树形，达到了果树叶子多的地方多喷，叶子少的地方少喷的效果。同时，垂直方向上雾滴沉积量的平均变异系数为 10.9%，喷雾较为均匀。

　　4 田间试验

　　为验证喷雾机的喷雾系统采用上述参数组合的实地施药作业效果，在保定市曲阳县下河乡―高仿锤树形‖ 果园进行田间试验。采用水敏纸检测雾滴情况、精创 RC-4 温湿度测试仪测量环境温湿度、希玛 AS856S 风速仪测量风速等。

　　4.1 试验过程及方法

　　4.1.1 试验条件

　　以 4 年生富士苹果园为试验对象，果园株距 1.0~1.5 m、行距 4.0 m，树高 3~3.5 m，高纺锤形树形，矮砧密植，南北走向;环境温度 22 ℃，环境湿度 55%，环境风速 1~2 级。试验时间为 2020 年 10 月 10 日 8:00-17:30，此时苹果树正值全叶期。

　　4.1.2 试验过程

　　喷雾机由 TH804-3 拖拉机牵引(见图 8(a)、图 8(b))，作业速度 2.85 m/s、喷雾压力为 0.8 MPa，喷头选用 02 型，喷雾机单侧距离果树冠层 1.25 m。在果园同一行间的左右两树行分别选取 3 棵树形规整、枝叶茂盛的靶标果树，一左一右依次选取且间隔取样，防止果树距离太近相互干扰。在试验树行中按照―留白距离‖的方法[25]选择放置水敏纸的果树。

　　4.1.3 数据采集

　　沿果树高度方向分 3 层放置水敏纸，在果树冠上部、中部(2/3 株高)和下部(1/3 株高)分别张贴 8 张水敏纸进行标记，每张取样卡的尺寸为 50 mm×20 mm，大致占果树叶片面积的 30%。施药后将着雾滴的水敏纸收集在密封袋中。每个靶标叶片正反面各贴一张水敏纸，如图 8(c)所示。

　　4.2 试验结果分析

　　将雾滴沉积密度值大小作为衡量喷雾效果好坏的指标[26]。将水敏纸的信息经过处理，通过 Image-master 软件进行雾滴信息采集;将扫描好的文件导入到软件，经区域选取、提取分析区域等步骤之后(见图 9)，软件将分析出雾滴直径参数、总雾滴数、雾滴雾滴沉积覆盖率。采用 Excel 2016 进行数据汇总分析和图表绘制。

　　整理数据，将 6 棵靶标果树的上、中、下层的雾滴沉积密度的均值情况绘制成图 10。

　　喷雾机喷洒作业后上层叶面雾滴沉积密度为 94~98 粒/cm2，均值为 95 粒/cm2，叶背雾粒沉积密度为 68~74 粒/cm2，均值为 71 粒/cm2;中层叶面为 115~128 粒/cm2，均值为 121 粒/cm2，中层叶背为 89~101 粒 /cm2，均值为 95 粒/cm2;下层叶面为 132~156 粒/cm2，均值为 144 粒/cm2，叶背为 110~134 粒/cm2，均值为 120 粒/cm2。雾滴沉积密度总体呈现上层<中层<下层、叶背<叶面的情况。喷洒在果树上的雾滴数大于等于 70 粒/cm2，符合 NY/T 992—2006 《风送式果园喷雾机 作业质量》标准的规定[24]，可实现喷雾施药的有效覆盖。

　　5 结论

　　(1)设计了一种风机对称布置的新型果园多风机风送喷雾机，并进行喷雾系统作业条件参数优化与试验。确定了多风机风送喷雾机的风机选型，在拖拉机 PTO 转速为 540 r/min 时，风机风量为 4397.1 m3 /h、风速为 9.7 m/s、风机动压为 47.3 Pa，经仿真验证，该条件下到达果树冠层的气流速度>5.5 m/s，满足喷雾需要。确定了喷头在环形药管的设置间距为 550 mm。

　　(2)对雾滴沉积总量影响的主-次因素排序为喷雾压力 A、喷雾距离 B、喷头类型 C，得到喷雾系统机构的最优参数组合为喷雾压力为 0.8 MPa、喷雾距离为 1.25 m、喷头采用扇形 02 型。多风机风送喷雾机喷雾在垂直方向上的雾滴沉积量的变异系数差异不大，均在 10%~12%之间，雾滴沉积量在果树冠层垂直方向上的分布较为均匀。

　　(3)上中下三层的雾滴沉积总量分别为 68、145、195 mL，总体标准差分别为 1.61、3.72、5.29，雾滴沉积密度总体呈现上层<中层<下层、叶背<叶面的情况。多风机风送喷雾机喷洒在果树上的雾滴沉积密度大于等于 70 粒/cm2，符合喷雾作业标准的规定，可实现喷雾施药的有效覆盖。