果園多風(fēng)機(jī)風(fēng)送噴霧機(jī)作業(yè)參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)

　　摘要：針對(duì)當(dāng)前傳統(tǒng)風(fēng)送噴霧機(jī)在矮砧密植果園病蟲害防治作業(yè)時(shí)存在藥液浪費(fèi)嚴(yán)重、霧滴難以穿透到果樹冠層內(nèi)部的問題，設(shè)計(jì)了一種風(fēng)機(jī)對(duì)稱布置的新型果園多風(fēng)機(jī)風(fēng)送噴霧機(jī);基于 STAR-CCM+軟件仿真分析了單側(cè)組合 3 風(fēng)機(jī)送風(fēng)流場，當(dāng)拖拉機(jī) PTO 轉(zhuǎn)速 540 r/min 時(shí)，單風(fēng)機(jī)風(fēng)量為 4397.1 m3 /h、風(fēng)速為 9.7 m/s、風(fēng)機(jī)動(dòng)壓為 47.3 Pa，到達(dá)果樹外側(cè)冠層空氣流速度大于 5.5 m/s，滿足藥液抵達(dá)冠層中心的噴霧需要。利用 Box-Behnken 優(yōu)化了噴霧系統(tǒng)參數(shù)組合，當(dāng)噴霧壓力為 0.8 MPa、噴霧距離為 1.25 m、噴頭型號(hào)采用扇形 02 型時(shí)，經(jīng)垂直霧滴分布儀模擬果樹冠層垂直方向的藥液附著性能試驗(yàn)表明，霧滴沉積量變異系數(shù)為 10%~12%，霧滴分布較為均勻;經(jīng)田間試驗(yàn)表明，多風(fēng)機(jī)風(fēng)送噴霧機(jī)噴霧作業(yè)后果樹冠層垂直方向上中下 3 層的霧滴沉積總量分別為 68、145、195 mL，總體標(biāo)準(zhǔn)差分別為 1.61、3.72、5.29，葉片藥液附著霧滴數(shù)大于等于 70 粒 /cm2，達(dá)到了風(fēng)送式果園噴霧機(jī)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，可實(shí)現(xiàn)果樹冠層垂直方向藥液的有效覆蓋。

　　李建平; 邊永亮; 楊欣; 王鵬飛; 李昕昊; 薛春林， 吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版) 發(fā)表時(shí)間：2021-08-30

　　關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)工程;風(fēng)送噴霧機(jī);氣流輔助技術(shù);多風(fēng)機(jī);噴霧系統(tǒng);CFD;Box-Behnken 正交試驗(yàn)

　　0 引言

　　針對(duì)農(nóng)藥過量使用帶來生產(chǎn)成本增加與資源環(huán)境壓力加大的問題，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部大力推進(jìn)農(nóng)藥減量增效 [1]，但目前我國矮砧密植蘋果園主要采用―高紡錘形‖的種植模式[2]，傳統(tǒng)果園風(fēng)送噴霧機(jī)難以適應(yīng)果樹冠層藥液附著的作業(yè)需求，施藥作業(yè)參數(shù)不能根據(jù)果樹冠層結(jié)構(gòu)自動(dòng)調(diào)節(jié)，造成各冠層內(nèi)中外葉片上的藥液沉積量極不均勻[3]。為此，傳統(tǒng)果園風(fēng)送噴霧機(jī)亟需改進(jìn)設(shè)計(jì)，關(guān)鍵在于改變噴霧機(jī)的送風(fēng)風(fēng)場。國外相關(guān)研究側(cè)重于使用計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)(CFD)對(duì)風(fēng)送式噴霧機(jī)的風(fēng)場進(jìn)行研究[5]，通過仿真模擬技術(shù)對(duì)作物冠層氣流特性進(jìn)行研究，利用氣流的湍流作用[6]使藥液霧滴隨著空氣流速的增加而更均勻、更深入地滲透到作物冠層內(nèi)部。Miranda-Fuentes 等[7]采用實(shí)驗(yàn)與模擬相結(jié)合的方法分析了果園風(fēng)送噴霧機(jī)的噴霧液場分布與風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣流場分布的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)噴霧液場的分布與噴霧機(jī)的氣流場呈直接相關(guān)關(guān)系[8]。國內(nèi)外學(xué)者主要通過設(shè)置導(dǎo)流裝置或增設(shè)風(fēng)機(jī)組等方式對(duì)風(fēng)場進(jìn)行改善。宋雷潔等[9-10]對(duì)塔型風(fēng)送式果園噴霧機(jī)進(jìn)行 CFD 內(nèi)流場仿真模擬，仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)塔形導(dǎo)流裝置參數(shù)可有效改善風(fēng)場分布[11]。Dr. Kamran Siddiqui[12] 利用氣泡霧化研究霧化器內(nèi)部兩相流對(duì)噴霧特性的影響，錐底通氣管和較短的混合區(qū)長度可使氣泡在較小的尺寸內(nèi)更加均勻。周良富等[13]設(shè)計(jì)了 3WQ-400 型雙氣流輔助靜電果園噴霧機(jī)，利用軸流風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的外風(fēng)場和離心風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的內(nèi)風(fēng)場共同作用，輸運(yùn)霧滴到作物靶標(biāo)。Godyn A 等[14]將兩個(gè)軸流風(fēng)機(jī)上下布置，上部風(fēng)扇位置可在 70cm 高度范圍內(nèi)調(diào)節(jié)[15]，Endalew A M 等[16]對(duì)一款雙風(fēng)扇空氣輔助噴霧器進(jìn)行了 CFD 氣流仿真模擬研究，雙扇型噴霧器在較高的高度上具有更高、更均勻的空氣速度。丁天航等[17]將風(fēng)機(jī)串聯(lián)對(duì)稱設(shè)計(jì)，解決單風(fēng)機(jī)果園噴霧機(jī)兩側(cè)氣流場不對(duì)稱、施藥不均勻的現(xiàn)象。Garciaramos F J 等[18-19]分析了一種帶有兩個(gè)反向旋轉(zhuǎn)軸流風(fēng)機(jī)的噴霧機(jī)所產(chǎn)生的氣流場，當(dāng)使用兩個(gè)反向旋轉(zhuǎn)風(fēng)扇時(shí)，與使用單個(gè)風(fēng)扇相比，噴霧沉積量顯著增加。基于以上思想旨在開展果園多風(fēng)機(jī)風(fēng)送噴霧機(jī)的風(fēng)送噴霧系統(tǒng)技術(shù)研究，依據(jù)果樹冠層調(diào)整多風(fēng)機(jī)風(fēng)送噴霧機(jī)的風(fēng)機(jī)風(fēng)量、噴霧壓力、噴頭類型、噴霧距離等工作參數(shù)，解決藥液浪費(fèi)嚴(yán)重、霧滴難以穿透到果樹冠層內(nèi)部的問題。

　　1 總體結(jié)構(gòu)及作業(yè)配置方案

　　1.1 結(jié)構(gòu)組成及工作原理

　　果園多風(fēng)機(jī)風(fēng)送噴霧機(jī)(簡稱―噴霧機(jī)‖)由風(fēng)機(jī)搭載機(jī)架、軸流風(fēng)機(jī)、隔膜泵、環(huán)形藥管、噴頭總成、過濾器、壓力調(diào)節(jié)閥、藥箱等構(gòu)成(如圖 1)，6 個(gè)軸流風(fēng)機(jī)安裝于風(fēng)機(jī)搭載機(jī)架上。整機(jī)經(jīng) 3 點(diǎn)懸掛裝置掛接于拖拉機(jī)上，通過拖拉機(jī)后輸出軸驅(qū)動(dòng)隔膜泵、風(fēng)機(jī)組工作，使藥液從藥箱泵出經(jīng)過濾器過濾雜質(zhì)、隔膜泵加壓、壓力調(diào)節(jié)閥調(diào)壓、環(huán)形藥液管分流與風(fēng)機(jī)送風(fēng)由噴頭總成向果樹冠層施藥。噴霧機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表 1 所示。

　　1.2 ―樹-機(jī)‖作業(yè)配置方案

　　現(xiàn)階段我國蘋果園主推寬行矮砧密植種植模式，果樹的行距 c 為 3.5~4 m，株距為 1.1~1.5 m，樹高 h 為 3.5~4.2 m，樹冠形狀主要呈紡錘形或圓柱形。根據(jù)矮砧密植果園的種植環(huán)境的特點(diǎn)，結(jié)合果園果樹的生長特點(diǎn)與送風(fēng)置換原理[20]，來確定噴霧機(jī)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù);確定單風(fēng)機(jī)風(fēng)量及動(dòng)壓，以滿足噴霧風(fēng)力要求;確定噴頭間距和噴頭類型，以確保霧滴全部覆蓋果樹冠層，防止漏噴多噴;噴頭距果樹冠層的距離 L，其可調(diào)距離在 100~150 cm，探究距離的遠(yuǎn)近對(duì)果樹冠層的著藥的影響;探究不同噴霧壓力的影響，考慮到選用的隔膜泵可調(diào)噴霧壓力范圍為 0.6~1.0 MPa，探究最佳噴霧壓力值。

　　2 作業(yè)參數(shù)確定

　　2.1 單風(fēng)機(jī)風(fēng)量確定

　　單側(cè)風(fēng)送霧化裝置產(chǎn)生的風(fēng)量總和與果樹空間空氣量進(jìn)行置換[20]，風(fēng)量按(1)式[21]計(jì)算： e / Q v H L K K N s ? ? ? ? ? (1)式中：Q 為風(fēng)機(jī)風(fēng)量，m 3 /h;ve為噴霧機(jī)速度，m/s; H 為果樹高度，m;L 為噴霧間距，m;K 為氣流衰減和沿途損失系數(shù);Ks 為置換空間系數(shù)，N 為風(fēng)機(jī)數(shù)量。最小噴霧空間(最低噴霧高度、最小噴霧間距)時(shí)，各參數(shù)的取值為：ve=1.2 m/s，L=1 m，H=3 m， K=1，Ks=0.6，N=3，代入式(1)中，計(jì)算得 Q≥1458 m3 /h。

　　2.2 風(fēng)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)速確定

　　風(fēng)機(jī)直徑按照風(fēng)量公式進(jìn)行計(jì)算得出。選用外圓為 450 mm、內(nèi)圓為 400 mm、長度為 300 mm 的軸流風(fēng)機(jī)，該風(fēng)機(jī)在 1400 r/min 時(shí)產(chǎn)生的風(fēng)量為 11400 m3 /h[22]，風(fēng)速 v、風(fēng)機(jī)動(dòng)壓 Pd 分別用式(2)、(3)計(jì)算： 2 = / 2 D v Q ?? ?? ? ? ? 3600( ) (2) 2 2 v Pd ?? (3)式中：v 為風(fēng)速，m/s;D 為風(fēng)機(jī)內(nèi)圓直徑，mm;Pd 為風(fēng)機(jī)動(dòng)壓，Pa;?為空氣密度，約 1.29 kg/m3。

　　2.3 單風(fēng)機(jī)動(dòng)壓確定

　　由于拖拉機(jī)后輸出軸 PTO 輸出的轉(zhuǎn)速一般為 360、540、720 r/min，在用 V 帶傳動(dòng)的風(fēng)機(jī)中，改變轉(zhuǎn)速，變化后的風(fēng)量 Q1、風(fēng)機(jī)動(dòng)壓 Pd1可按式(4)計(jì)算： 1 2 i n Q Q n ? ? (4) 2 1 d d 1 n P P n ? ?? ? ? ? ? ? (5)由公式(2)—(5)計(jì)算，當(dāng) PTO 轉(zhuǎn)速為 360 r/min 時(shí)，風(fēng)機(jī)輸出風(fēng)量 Q1 為 2931.4 m3 /h，風(fēng)速約為 6.5 m/s，風(fēng)機(jī)動(dòng)壓為 27.1 Pa;當(dāng) PTO 轉(zhuǎn)速為 540 r/min 時(shí)，Q1 為 4397.1 m3 /h，風(fēng)速約為 9.7 m/s，風(fēng)機(jī)動(dòng)壓為 47.3 Pa，當(dāng) PTO 轉(zhuǎn)速為 720 r/min 時(shí)，風(fēng)機(jī)輸出風(fēng)量約為 Q1 為 5862.9 m3 /h，風(fēng)速約為 12.9 m/s，風(fēng)機(jī)動(dòng)壓為 107.3 Pa。最常用的拖拉機(jī) PTO 轉(zhuǎn)速為 540 r/min，經(jīng)計(jì)算滿足噴霧送風(fēng)需求。

　　2.4 軟件仿真

　　經(jīng)上述計(jì)算，確定了風(fēng)機(jī)風(fēng)速、風(fēng)壓等性能參數(shù)。為驗(yàn)證理論計(jì)算值是否正確，利用 CFD 分析方法模擬風(fēng)機(jī)組流場分布特征，是定性和定量分析風(fēng)場分布特性的一種方法。利用 Autodesk Inventor Professional(AIP)軟件對(duì)噴霧機(jī)建模，同時(shí)建立等效空間模型，采用 Star-ccm+15.0 軟件將單側(cè)風(fēng)機(jī)組與果樹所在空間建立等比例流體域模型。經(jīng)仿真模擬得出如圖所示網(wǎng)格劃分圖(見圖 3(a))、速度矢量圖(見圖 3(b)、圖 3(c)、圖 3(d))。進(jìn)行不同風(fēng)速狀態(tài)下的 3 組仿真試驗(yàn)，分析風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)量及風(fēng)速否符合要求。

　　由速度矢量圖 3(b)可知，風(fēng)機(jī)組在初始風(fēng)速 9.7 m/s 以上的情況下，由圖例可知到達(dá)果樹冠層中心面的風(fēng)速可達(dá)到 5.5 m/s 以上，有助于將霧滴裹挾輸送到果樹冠層內(nèi)部，且較高風(fēng)速可產(chǎn)生氣流擾動(dòng)效應(yīng)，有助于霧滴更好地附著到樹葉背面，與理論計(jì)算值較好地契合，說明風(fēng)機(jī)組合可滿足噴霧送風(fēng)需求。

　　2.5 噴頭間距確定

　　國內(nèi)植保機(jī)械的噴頭主要有扇形和圓形，扇形噴頭的霧錐角主要有 80°和 110°[23]兩種，考慮到降低噴霧重疊區(qū)，采用 80°扇形噴頭，常用 ARAG 的 80°扇形噴頭有 015、02、03 型，3 種扇形噴頭分別對(duì)應(yīng) 0.15 L/min、0.20 L/min、0.30 L/min。為使果樹各冠層的著藥均勻，且匹配果樹冠層高度，每個(gè)環(huán)形藥管安裝 3 套噴霧總成(見圖 4)。藥液經(jīng)藥管從入口進(jìn)入環(huán)形藥管，然后經(jīng)過噴霧總成第一次霧化噴出，形成一條噴霧帶;風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣流驅(qū)動(dòng)霧滴進(jìn)行二次霧化，并將細(xì)小霧滴裹挾，提升霧滴飛行速度，可增強(qiáng)霧滴的穿透性能。

　　以果樹冠層中心面 N-N 為豎直基準(zhǔn)面，上層的中心面 M-M 為水平基準(zhǔn)面，建立直角坐標(biāo)系如圖 4 所示。果樹施藥時(shí)為實(shí)現(xiàn)全面覆蓋和均勻噴霧，噴頭安裝需滿足約束條件：? 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 為最小重疊系數(shù);k2 為最大重疊系數(shù);x0 為噴頭到上層中心的垂直距離，m;L 為果樹上層高度，m;?為噴頭安裝水平面右側(cè)幅寬，m;??為舍棄噴幅，m;???為單噴頭噴幅，m;h 為噴頭到冠層中心面的距離，m;?為噴頭與水平面夾角，(°);?為噴頭標(biāo)定噴霧角，(°);γ 為局部噴霧角，(°)。

　　噴霧機(jī)噴霧時(shí)，k1 取 15%，k2 取 30%，γ 取 5%~10%。為減少霧滴漂移，噴頭距離果樹冠層中心面取 100~150 cm，實(shí)際測量 L 在 0.6~1.0 m，其中以 0.8 m 為主。由公式(6))~(9)計(jì)算可知兩噴頭間距為 550 mm。

　　3 參數(shù)優(yōu)化及性能試驗(yàn)

　　3.1 方案設(shè)計(jì)

　　通過噴霧機(jī)施藥作業(yè)的霧滴沉積量指標(biāo)[24]，分析噴霧壓力、噴霧距離、噴頭類型對(duì)藥液在果樹冠層霧滴沉積量的影響，設(shè)置試驗(yàn)因素水平編碼值如表 2 所示，以 Design Expert 12.0 的 Box-Behnken Design 進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析，試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果如表 3 所示。

　　3.2 試驗(yàn)環(huán)境參數(shù)及試驗(yàn)過程

　　試驗(yàn)測試場地在高碑店市寶忠農(nóng)具廠大院，試驗(yàn)時(shí)間為 2020 年 8 月 24 日，溫度為 26~32℃，濕度為 47%~65%，環(huán)境風(fēng)速為 0~1.2 m/s。試驗(yàn)選用意大利 AAMS 公司的霧滴垂直分布測試儀(型號(hào)：ARTS904520)收集霧滴垂直沉積分布情況、UT3636數(shù)字式風(fēng)速計(jì)測量風(fēng)速、JR912美德時(shí)溫濕度計(jì)測量溫濕度以及秒表、卷尺等。

　　將果園噴霧機(jī)掛接于拖拉機(jī)上，霧滴垂直分布測試儀(見圖 5(a))安裝完成后進(jìn)行試驗(yàn)(見圖 5(b))。噴霧機(jī)與試驗(yàn)臺(tái)平齊，將霧滴收集裝置放置妥當(dāng)之后，啟動(dòng)噴霧機(jī)進(jìn)行噴霧，同時(shí)啟動(dòng)霧滴垂直分布儀的行走裝置，模擬拖拉機(jī)行走速度，當(dāng)垂直分布儀器走過噴霧有效范圍之后，關(guān)閉噴霧系統(tǒng);將液體采集裝置中的藥液讀數(shù)記錄，之后將采集裝置中藥液清除，以備下次試驗(yàn)使用。依據(jù)正交試驗(yàn)方案表 3，調(diào)整各項(xiàng)參數(shù)，調(diào)整完畢后重復(fù)上述步驟進(jìn)行各組噴霧試驗(yàn)，記錄數(shù)據(jù)。

　　3.3 霧滴沉積量試驗(yàn)結(jié)果分析

　　利用 Design-expert 12.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及分析，將霧滴沉積量回歸方程的顯著性及方差分析列于表 4 中。

　　由表 4 可知，模型顯著性檢驗(yàn) P<0.0001，失擬項(xiàng) P 值 0.2033，說明模型極顯著，失擬不顯著，擬合程度高;對(duì)霧滴沉積量的影響，A、B、C、A 2、C 2 極顯著，AB、BC、B 2 顯著，影響顯著順序?yàn)?A、B、C、 A 2、C 2、BC、AB、B 2。噴霧壓力 A 與噴頭流量 C、噴霧距離 B 與噴頭流量 C 交互項(xiàng)影響顯著，噴霧壓力 A 與噴霧距離 B 交互項(xiàng)影響不顯著。霧滴沉積量的回歸模型為試驗(yàn)因素交互作用對(duì)霧滴沉積量的響應(yīng)面如圖 6 所示。由圖 6(a)可知，在噴霧壓力不變時(shí)，隨著噴頭流量的提高，霧滴沉積量先呈現(xiàn)上升趨勢而后呈現(xiàn)下降趨勢;在噴霧流量一定時(shí)，霧滴沉積量隨著噴霧壓力的增大呈現(xiàn)先上升而后下降的趨勢;由圖 6(b)可知，在噴霧壓力不變時(shí)，霧滴沉積量隨著噴霧距離的增加而降低;在噴霧距離一定的情況下，霧滴沉積量隨著噴霧壓力的增加呈現(xiàn)先增加而后緩慢降低的趨勢。由圖 6(c)可知，在噴霧距離一定的情況下，霧滴沉積量隨著噴霧流量的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢;在噴霧流量一定的情況下，隨著噴霧距離的增加，霧滴沉積量呈現(xiàn)下降趨勢。根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，在 Design-Expert 軟件中以提高霧滴沉積量為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)噴霧作業(yè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到噴霧系統(tǒng)機(jī)構(gòu)的最優(yōu)參數(shù)組合，即噴霧壓力為 0.8 MPa、噴霧距離為 1.25 m、噴頭采用 02 型。

　　3.4 冠層霧滴沉積均勻性試驗(yàn)

　　為驗(yàn)證噴霧機(jī)施藥作業(yè)的的冠層藥液附著均勻性，為減少試驗(yàn)誤差且在時(shí)間允許的情況下設(shè)計(jì) 9 組平行試驗(yàn)，采用最優(yōu)參數(shù)組合為噴霧壓力為 0.8 MPa、噴霧距離為 1.25 m、噴頭采用 02 型進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)方法同上節(jié)。垂直霧滴分布儀收集單元高度為 20 cm，有效收集高度為 0.5~3.5 m 共 15 個(gè)單元，將收集單元的霧滴沉積量整理，見表 5。霧滴在垂直方向分布均勻性以霧滴沉積量的變異系數(shù)表示，變異系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差分別采用式(11)和式(12)計(jì)算： CV 100% ? ? S X (11) ????? 2 1 ( ) 1 n i i X X S n (12) 式中： CV 為變異系數(shù)，%; S 為標(biāo)準(zhǔn)差; X 為霧滴平均沉積量，mL。

　　9 組平行試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)如表 5 所示。

　　由表 5 數(shù)據(jù)可知，每一試驗(yàn)組的霧滴沉積總量的變化較大，但垂直方向上的霧滴沉積量的變異系數(shù)差異較小，均在 10%~12%之間，表明結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)使霧滴沉積量在果樹冠層垂直方向上的分布較為均勻。 15 個(gè)收集單元，正好對(duì)應(yīng)果樹上、中、下 3 個(gè)冠層區(qū)段，將 9 次試驗(yàn)的霧滴沉積量均值繪制成圖 7，將各冠層與各采集單元霧滴沉積量進(jìn)行比對(duì)。

　　上中下三層的霧滴沉積總量分別為 68、145、195 mL，總體標(biāo)準(zhǔn)差分別為 1.61、3.72、5.29，可知霧滴沉積量總體呈現(xiàn)下層>中層>上層的規(guī)律，由于重力影響，致使霧滴呈現(xiàn)下拋運(yùn)動(dòng)，致使中下層的霧滴沉積量要大于上層的。霧滴沉積量垂直分布較好地契合了果樹樹形，達(dá)到了果樹葉子多的地方多噴，葉子少的地方少噴的效果。同時(shí)，垂直方向上霧滴沉積量的平均變異系數(shù)為 10.9%，噴霧較為均勻。

　　4 田間試驗(yàn)

　　為驗(yàn)證噴霧機(jī)的噴霧系統(tǒng)采用上述參數(shù)組合的實(shí)地施藥作業(yè)效果，在保定市曲陽縣下河鄉(xiāng)―高仿錘樹形‖ 果園進(jìn)行田間試驗(yàn)。采用水敏紙檢測霧滴情況、精創(chuàng) RC-4 溫濕度測試儀測量環(huán)境溫濕度、希瑪 AS856S 風(fēng)速儀測量風(fēng)速等。

　　4.1 試驗(yàn)過程及方法

　　4.1.1 試驗(yàn)條件

　　以 4 年生富士蘋果園為試驗(yàn)對(duì)象，果園株距 1.0~1.5 m、行距 4.0 m，樹高 3~3.5 m，高紡錘形樹形，矮砧密植，南北走向;環(huán)境溫度 22 ℃，環(huán)境濕度 55%，環(huán)境風(fēng)速 1~2 級(jí)。試驗(yàn)時(shí)間為 2020 年 10 月 10 日 8:00-17:30，此時(shí)蘋果樹正值全葉期。

　　4.1.2 試驗(yàn)過程

　　噴霧機(jī)由 TH804-3 拖拉機(jī)牽引(見圖 8(a)、圖 8(b))，作業(yè)速度 2.85 m/s、噴霧壓力為 0.8 MPa，噴頭選用 02 型，噴霧機(jī)單側(cè)距離果樹冠層 1.25 m。在果園同一行間的左右兩樹行分別選取 3 棵樹形規(guī)整、枝葉茂盛的靶標(biāo)果樹，一左一右依次選取且間隔取樣，防止果樹距離太近相互干擾。在試驗(yàn)樹行中按照―留白距離‖的方法[25]選擇放置水敏紙的果樹。

　　4.1.3 數(shù)據(jù)采集

　　沿果樹高度方向分 3 層放置水敏紙，在果樹冠上部、中部(2/3 株高)和下部(1/3 株高)分別張貼 8 張水敏紙進(jìn)行標(biāo)記，每張取樣卡的尺寸為 50 mm×20 mm，大致占果樹葉片面積的 30%。施藥后將著霧滴的水敏紙收集在密封袋中。每個(gè)靶標(biāo)葉片正反面各貼一張水敏紙，如圖 8(c)所示。

　　4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

　　將霧滴沉積密度值大小作為衡量噴霧效果好壞的指標(biāo)[26]。將水敏紙的信息經(jīng)過處理，通過 Image-master 軟件進(jìn)行霧滴信息采集;將掃描好的文件導(dǎo)入到軟件，經(jīng)區(qū)域選取、提取分析區(qū)域等步驟之后(見圖 9)，軟件將分析出霧滴直徑參數(shù)、總霧滴數(shù)、霧滴霧滴沉積覆蓋率。采用 Excel 2016 進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總分析和圖表繪制。

　　整理數(shù)據(jù)，將 6 棵靶標(biāo)果樹的上、中、下層的霧滴沉積密度的均值情況繪制成圖 10。

　　噴霧機(jī)噴灑作業(yè)后上層葉面霧滴沉積密度為 94~98 粒/cm2，均值為 95 粒/cm2，葉背霧粒沉積密度為 68~74 粒/cm2，均值為 71 粒/cm2;中層葉面為 115~128 粒/cm2，均值為 121 粒/cm2，中層葉背為 89~101 粒 /cm2，均值為 95 粒/cm2;下層葉面為 132~156 粒/cm2，均值為 144 粒/cm2，葉背為 110~134 粒/cm2，均值為 120 粒/cm2。霧滴沉積密度總體呈現(xiàn)上層<中層<下層、葉背<葉面的情況。噴灑在果樹上的霧滴數(shù)大于等于 70 粒/cm2，符合 NY/T 992—2006 《風(fēng)送式果園噴霧機(jī) 作業(yè)質(zhì)量》標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定[24]，可實(shí)現(xiàn)噴霧施藥的有效覆蓋。

　　5 結(jié)論

　　(1)設(shè)計(jì)了一種風(fēng)機(jī)對(duì)稱布置的新型果園多風(fēng)機(jī)風(fēng)送噴霧機(jī)，并進(jìn)行噴霧系統(tǒng)作業(yè)條件參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)。確定了多風(fēng)機(jī)風(fēng)送噴霧機(jī)的風(fēng)機(jī)選型，在拖拉機(jī) PTO 轉(zhuǎn)速為 540 r/min 時(shí)，風(fēng)機(jī)風(fēng)量為 4397.1 m3 /h、風(fēng)速為 9.7 m/s、風(fēng)機(jī)動(dòng)壓為 47.3 Pa，經(jīng)仿真驗(yàn)證，該條件下到達(dá)果樹冠層的氣流速度>5.5 m/s，滿足噴霧需要。確定了噴頭在環(huán)形藥管的設(shè)置間距為 550 mm。

　　(2)對(duì)霧滴沉積總量影響的主-次因素排序?yàn)閲婌F壓力 A、噴霧距離 B、噴頭類型 C，得到噴霧系統(tǒng)機(jī)構(gòu)的最優(yōu)參數(shù)組合為噴霧壓力為 0.8 MPa、噴霧距離為 1.25 m、噴頭采用扇形 02 型。多風(fēng)機(jī)風(fēng)送噴霧機(jī)噴霧在垂直方向上的霧滴沉積量的變異系數(shù)差異不大，均在 10%~12%之間，霧滴沉積量在果樹冠層垂直方向上的分布較為均勻。

　　(3)上中下三層的霧滴沉積總量分別為 68、145、195 mL，總體標(biāo)準(zhǔn)差分別為 1.61、3.72、5.29，霧滴沉積密度總體呈現(xiàn)上層<中層<下層、葉背<葉面的情況。多風(fēng)機(jī)風(fēng)送噴霧機(jī)噴灑在果樹上的霧滴沉積密度大于等于 70 粒/cm2，符合噴霧作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，可實(shí)現(xiàn)噴霧施藥的有效覆蓋。