远射程喷雾机喷雾参数优化与试验

吕林硕,边永亮,李建平,陈春皓,刘玉肖

(河北农业大学 机电工程学院,河北 保定 071000)

0 引言

目前,在粮食和蔬菜之后,水果已成为我国第三大种植产业[1]。在果园的整体劳动作业过程中,果树的施药喷雾占到30%左右,且果树一年中大约需要喷药8～15次[2-3],导致农药使用量大[4-5]、浪费严重,造成经济损失。与此同时,农药在果品上残留量超标、土地污染等环境健康问题也随之而生[6-8]。2021年,农村农业部、发改委等印发《“十四五”全国农村绿色发展规划》[9],明确提出:到2025年,持续减少化肥、农药的使用量,全面遏制农药面源污染,保护生态系统。为解决果园施药过程中药液浪费严重、施药不均等问题,相关学者对目前施药技术进行研究并对喷雾参数进行优化。邱威等[10]通过对风送式多通道雾化装置的研究,提出了一种角度可调的仿形施药方法,进而提升了雾滴覆盖率及均匀度。夏侯炳等[11]以远射程、宽喷幅风送喷雾机为研究平台,针对6种喷雾压力、两种机型进行试验,结果表明:在射程方向的7m处,喷雾压力提升可促进喷雾质量的提高,但在2.5m处喷雾压力对喷雾质量的影响不显著。代秋芳等[12]通过激光粒度仪对3种不同孔径喷头在8种喷雾压力作用下的雾滴直径分布情况进行分析,结果表明:TR80-03C等3种喷头在0.7～1.4MPa条件下,小粒径雾滴占比较高,且喷头孔越小喷雾压力越大、雾滴越小。宋淑然[13]等人通过对远射程风送式喷雾机平台进行研究,发现喷射出的雾滴粒径均大于50um,雾滴粒径较均匀,重力作用使雾滴汇聚成大颗粒。程浈浈等[14]设计出一种果园电力喷雾机,通过试验得出对雾滴分布变异系数影响的大小次序为喷头摆动速度、距离、流量、机器行走速度,并找出最优参数组合。

笔者以远射程喷雾机为试验平台,针对施药过程中因喷雾参数不准确而造成的药液附着率低、药液浪费量大等问题,通过改变喷射角度来达到雾滴对整体树形覆盖的目的,调节喷雾压力以改善雾滴的运动距离与喷雾施药的效果[15-16],调节喷雾机到树干的距离以提升雾滴的沉积密度及雾滴附着均匀度。通过多因素响应面试验优化远射程喷雾机喷雾参数,提高远射程喷雾机的施药效果。

1 试验材料与方法

1.1 试验设备及仪器材料

1.1.1 试验设备

3WF-100型远射程喷雾机主要由柱塞泵、汽油发动机、水箱、环形喷管及角度调节风筒等组成,如图1所示。风筒安装在框架上,其端口安装有环形喷管,风筒可调节喷射角度。喷雾设备的结构参数如表1所示。

表1 喷雾设备结构参数Table 1 Structure parameters of spray equipment

1.环形喷管 2.角度调节风筒 3.可伸缩旋转丝杠 4.水箱 5.汽油发动机 6.柱塞泵 7.底座框架 8.风筒支架图1 3WF-100型远射程喷雾机结构图Fig.1 3WF-100 long range sprayer structure diagram

1.1.2 试验仪器与材料

采用重庆六六山下科技公司生产的水敏试纸检测雾滴;Epson Perfection 1670扫描仪扫描水敏纸;希玛公司AS856S风速仪测量环境风速;精创公司RC-4温湿度测量仪测量环境温湿度;卷尺标定喷雾机到树干距离;量角器标定风筒仰角;秒表计算喷雾时间。

试验采用按照1:1还原的纺锤形苹果树,仿真树高h=3.5m,冠层宽度上层a=1.2m、中层宽度b=1.5m,下层宽度c=1.8m。仿真苹果树及整体尺寸如图2所示。仿真树依据矮砧密植果园果树的叶面积指数、树形特征及树枝稠密度仿制而来[17-18],可保证仿真树与真实果树一致。

图2 仿真苹果树及整体尺寸Fig.2 Simulated apple tree and overall size

1.2 试验采样

在多因素试验中,为试验数据能够全面反映果树的药液附着情况,选取正对喷雾机的方向(果树南侧)作为取样方向,分别为上、中、下3层(将树冠层竖直方向三等分),内、中、外3层(将树枝外缘到树干的距离三等分),共计9个位置粘贴水敏纸,水敏纸粘贴位置示意图如图3所示。水敏纸尺寸为35mm×15mm,试验结束后揭下粘于收集纸上并封袋保存。

图3 水敏纸粘贴位置Fig.3 Water sensitive paper paste position

2 喷雾机施药试验及结果分析

2.1 试验环境与过程

1)试验环境:试验于2021年8月15日在河北农业大学工科楼外大院中进行,环境湿度32%,环境温度32℃,自然风速0.42m/s。

2)试验过程:将水敏纸在仿真果树上粘贴牢靠,确保喷雾过程中水敏纸不会因叶片的翻动而脱落,并调整好喷雾的距离与角度。准备工作完成后,秒表计时,启动喷雾机进行喷雾试验,试验过程如图4所示。

图4 喷雾试验场景Fig.4 Spray test scene

启动3s后(模拟正常拖拉机行进速度下喷到树上的时间为3s),关闭喷雾机,喷雾结束后迅速收集水敏纸。根据试验设计方案表,调整施药参数,更换水敏纸,重复试验过程,依次完成各组试验。

每组试验重复3次,取平均值。采用水敏纸来测试雾滴分布情况,试验完成后用扫描仪扫描水敏纸,并用分析软件Image-master分析出雾滴附着情况[19]。

2.2 单因素试验与结果分析

选取雾滴沉积量、雾滴沉积覆盖率、雾滴沉积密度及变异系数等作为果树药液附着量与施药效果的评价指标[20]。其中,雾滴沉积覆盖率计算如式(1)所示。为确定各个因素合理的取值范围,研究喷雾压力、喷射角度、喷雾距离对喷雾效果的影响规律,设计单因素试验,分别以喷雾压力、喷雾距离、喷射角度作为自变量,以雾滴沉积覆盖率、雾滴沉积密度及变异系数、雾滴沉积量为指标[21],确定合适的单因素范围。

(1)

其中,C为雾滴沉积覆盖率;A为水敏纸上药液覆盖面积(mm2);S为水敏纸面积(mm2)。

2.2.1 喷雾压力

在远射程喷雾机对果树的施药作业过程中,为寻求合适的喷雾压力,使果树的药液附着量达到最大值,进行喷雾压力的测定试验。结合果园喷雾机性能以及农艺要求,选取喷雾压力范围为0～1.0MPa,喷雾距离3m,喷射角度45°,将雾滴沉积覆盖率作为果树药液附着量的检测指标,每隔0.1MPa进行1次试验测量,并保存数据,绘制在不同喷雾压力作用下药液在果树冠层上的雾滴沉积覆盖率-喷雾压力曲线,如图5所示。

图5 雾滴沉积覆盖率随喷雾压力变化曲线Fig.5 Change curve of droplet deposition coverage rate with spray pressure

由雾滴沉积覆盖率-喷雾压力曲线可知:随着喷雾机喷雾压力的升高,雾滴沉积覆盖率先急剧增加而后缓慢降低。在喷雾压力较小时,提高喷雾压力可以使更多的雾滴运动到果树的位置,增加了雾滴在果树上的附着率,雾滴沉积覆盖率得以急剧增加。当喷雾压力大于0.45 MPa时,随着柱塞泵压力增大,雾滴获得的动能增大,使雾滴穿透冠层、药液飘移损失增大,冠层上有效雾滴沉积覆盖率降低;在喷雾压力为0.4MPa时,叶面雾滴沉积覆盖率最大,为71.8%;喷雾压力为0.45MPa时,叶背雾滴沉积覆盖率最大,为32.4%。为了更加精确地探究喷雾压力以及喷雾压力与其他因素交互作用对施药效果的影响,选取喷雾压力范围为0.3～0.5MPa进行后续多因素试验。

2.2.2 喷雾距离

喷雾距离是指喷头出口与果树树干中心线之间的距离,通过试验探究不同喷雾距离对喷雾机施药效果的影响,施药效果评价指标采用雾滴沉积密度来反映。选取喷雾压力为0.4MPa,喷射角度为45°,喷雾距离选取范围为1.5～5m,每隔0.5m做一次喷雾试验,共计8次,试验数据如表2和表3所示。

表2 不同位置、不同距离的雾滴沉积密度(叶面)Table 2 Droplet deposition density at different locations and distances (leaf surface)

表3 不同位置、不同距离的雾滴沉积密度(叶背)Table 3 Droplet deposition density at different locations and distances (leaf back)

以上、中、下层的3个数据的变异系数[22]与平均值来反映药液附着均匀度与果树药液附着量的大小。利用Excel 2016对试验结果进行数据分析处理,雾滴沉积密度变异系数随喷雾距离变化曲线如图6所示。

图6 雾滴沉积密度变异系数随喷雾距离变化曲线Fig.6 Change curve of droplet deposition density variation coefficient with spray distance

由图6可知:当喷雾距离增加时,雾滴沉积密度变异系数减小,施药喷雾更均匀;当喷雾距离为2.5m时,雾滴沉积密度的变异系数为叶面15.8%、叶背17.1%,喷雾机施药均匀[23]。因此,为提高果树药液附着均匀度,喷雾距离应大于2.5m,后续分析雾滴沉积密度应在喷雾距离大于2.5m的基础上进行。

雾滴沉积密度随喷雾距离变化曲线如图7所示。

图7 雾滴沉积密度随喷雾距离变化曲线Fig.7 Change curve of droplet deposition density with spray distance

由图7可知:当喷雾距离超过2.5m并且继续增大时,雾滴沉积密度变小,即果树药液附着量减小;当喷雾距离为3.5m时,其叶面雾滴沉积密度为164.28滴/cm2、叶背为81.32滴/cm2,满足果园施药作业要求[24](雾滴沉积密度≥70滴/cm2);当喷雾距离为4m时,叶背雾滴沉积密度为69.56滴/cm2,不符合果园施药作业要求。因此,喷雾距离范围选取2.5～3.5m。

2.2.3 喷射角度

通过角度调节风筒来改变雾流的喷射角度。为使药液喷施范围尽可能覆盖果树冠层位置,使得药液最大程度地喷洒在果树上,减少药液漂移,提高药液附着率,进行了远射程喷雾机喷射角度范围的测定试验。根据远射程喷雾机的结构尺寸、喷雾距离、果树冠层厚度等数据,结合药液喷出后因重力作用[25]而造成的下落影响,试验选取喷雾压力0.4MPa、喷环到果树树干距离L为3m、喷射角度30°和60°,以雾滴沉积量为评价指标,探究不同喷射角度下的雾滴覆盖范围。不同喷射角度的喷雾机作业示意图如图8所示。本次试验于果树冠层位置,沿竖直方向等间距布置10处采集点,采集点由果树冠层底层到顶层依次编号1～10,并粘贴水敏纸观测雾滴沉积情况。

图8 喷雾作业示意图Fig.8 Schematic diagram of spraying operation

不同喷射角度下的雾滴分布情况试验结果如表4和图9所示。

表4 不同喷射角度、不同采集点的雾滴沉积量Table 4 The amount of droplets deposited at different spray angles and different collection points

图9 不同喷射角度下雾滴流分布情况Fig.9 Distribution of droplet flow under different spray angles

由图9可知:当喷射角度为30°时,果树下层雾滴沉积量较大,且在采集点3处雾滴沉积量最大;当喷射角度为60°时,果树上层雾滴沉积量较大,且在采集点8处雾滴沉积量最大,满足喷出雾滴覆盖果树的要求。为使交互作用中对喷射角度影响的探究更为全面,后续多因素试验喷射角度选取30°、45°、60°来进行。

2.3 多因素试验与结果分析

为探究远射程喷雾机对果树喷药过程中喷雾距离、喷射角度、喷雾压力及其交互作用对施药效果的影响,设计3因素3水平试验。以喷雾距离(喷头到树干中心线的距离)、角度(角度调节风筒的角度)、喷雾压力(泵压)为自变量因素,3个因素分别记为A、B、C,雾滴沉积量为果树药液附着量的衡量指标,记为Y,采取响应面法建立自变量与响应值的回归方程,得出响应值最优解。其中,各个因素的取值范围依据单因素试验结果确定,试验因素水平编码表如表5所示。采用Design Expert 12.0中的Box-Design模块设计试验方案[26],共17组试验,具体参数如表6所示。在试验采样位置粘贴水敏纸,按照试验设计方案表6中的喷雾参数,启动喷雾机进行施药试验。1次试验结束后,更换水敏纸,调节喷雾参数,进行下一组,直至完成全部试验。试验结果如表6所示。

表5 因素水平编码表Table 5 Factor level coding table

表6 雾滴沉积量设计方案与试验结果Table 6 Design scheme and test results of droplet deposition

采用Design Expert 12.0对沉积量响应值结果进行方差分析,分析结果及显著性水平如表7所示。

表7 雾滴沉积量回归方程显著性及方差分析Table 7 Significance and variance analysis of regression equation for droplet deposition

雾滴沉积量的编码自变量的回归方程为

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

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

1.21B2-0.23C2

(2)

试验值的拟合回归方程为

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

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

0.01B2-22.9C2

(3)

因素对雾滴沉积量交互作用响应曲面图如图10所示。

图10 因素对雾滴沉积量交互作用响应曲面图Fig.10 Response surface plot of interaction of factors on droplet deposition

由图10得到喷雾距离、喷射角度、喷雾压力两两因素之间的交互作用对雾滴沉积量的影响,以及在其他两个因素取值固定时单因素对响应值的影响。

喷雾压力C位于中心水平(即0.4MPa)时,由图10(a)可知:喷雾距离A与喷射角度B对雾滴沉积量影响的响应面呈现马鞍状。当喷射角度B取值一定时,雾滴沉积量随着喷雾距离的增加而逐渐减小,且其减小趋势逐渐趋缓,即在喷雾机与果树距离较近时喷雾距离的变动对喷雾雾滴沉积量的影响更为显著。当喷雾距离A一定时,伴随喷射角度的增加,雾滴沉积量呈现出先增加而后降低的趋势,即喷射角度30°～60°之间存在一个值使得雾滴在果树上药液附着量达到最大值。

喷雾压力B位于中心水平(即45°)时,由图10(b)可知:当喷雾距离A一定时,雾滴沉积量随喷雾压力的减小而降低,且喷雾距离越大时响应值随喷雾压力减小而降低的趋势越急,说明喷雾距离越远喷雾压力对雾滴沉积量的影响越大;当喷雾压力C固定且取值较小(如C=-1)时,雾滴沉积量随着喷雾距离的增加而逐渐减小,且其趋势逐渐趋缓,与前面图10(a)中分析一致;当喷雾压力C固定且取值较大(例如C=1)时,药液在果树上沉积量随距离增加而逐步降低,而后又有轻微的反弹回升现象,原因是当喷雾距离较近时,一部分雾滴穿透果树飘失,但当喷雾距离增大时穿透飘失雾滴由于重力作用呈抛物线形式掉落的果树叶片上,增大了其沉积量。

喷雾压力A位于中心水平(即3m)时,由图10(c)可知:当喷雾压力C一定时,随喷射角度的增加,雾滴沉积量先增大而后减小,呈现出抛物线形式;当喷雾压力变大时,最佳喷射角度也会增大。当喷射角度一定时,随着喷雾压力的降低,雾滴沉积量也会变小,且当喷射角度取值越大时沉积量随压力降低而引起的下降越显著。

由表6可知:在响应面试验中,雾滴沉积量最大的组别是第7组,其喷雾距离为2.5m,喷射角度为45°,喷雾压力为0.5MPa,雾滴沉积量为7.05μL/cm2。

为求取各因素最优参数组合,利用Design Expert软件中的Optimization-Numerical模块进行求解,设置雾滴沉积量最大为求解目标,其他自变量因素根据单因素试验结果设置求解范围,数学模型为

(4)

由式(4)得出:远射程喷雾机对果树施药作业的最优参数组合为喷雾距离为2.5m、喷射角度为54°、喷雾压力为0.48MPa时,雾滴沉积量最高,达7.09μL/cm2,略高于多因素试验中第7组的最高值。

3 结论

1)通过喷雾压力、喷雾距离、喷射角度的单因素试验与分析,得到远射程喷雾机施药作业的参数取值范围为喷雾压力0.3～0.5MPa、喷射角度30°～60°、喷雾距离2.5～3.5m时,3个因素试验条件下果树的药液附着性能较优。

2)通过多因素试验分析得出:影响雾滴在果树上沉积量大小的主次因素为喷雾距离>喷雾压力>喷射角度,且3个因素的影响均呈极显著(P<0.01);两因素交互作用中,喷射角度与喷雾压力、喷雾距离与喷雾压力交互作用影响显著(0.01