果園多風機風送噴霧機作業參數優化與試驗

　　摘要：針對當前傳統風送噴霧機在矮砧密植果園病蟲害防治作業時存在藥液浪費嚴重、霧滴難以穿透到果樹冠層內部的問題，設計了一種風機對稱布置的新型果園多風機風送噴霧機;基于 STAR-CCM+軟件仿真分析了單側組合 3 風機送風流場，當拖拉機 PTO 轉速 540 r/min 時，單風機風量為 4397.1 m3 /h、風速為 9.7 m/s、風機動壓為 47.3 Pa，到達果樹外側冠層空氣流速度大于 5.5 m/s，滿足藥液抵達冠層中心的噴霧需要。利用 Box-Behnken 優化了噴霧系統參數組合，當噴霧壓力為 0.8 MPa、噴霧距離為 1.25 m、噴頭型號采用扇形 02 型時，經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表明，霧滴沉積量變異系數為 10%~12%，霧滴分布較為均勻;經田間試驗表明，多風機風送噴霧機噴霧作業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，總體標準差分別為 1.61、3.72、5.29，葉片藥液附著霧滴數大于等于 70 粒 /cm2，達到了風送式果園噴霧機標準的規定，可實現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， 吉林大學學報(工學版) 發表時間：2021-08-30

　　關鍵詞：農業工程;風送噴霧機;氣流輔助技術;多風機;噴霧系統;CFD;Box-Behnken 正交試驗

　　0 引言

　　針對農藥過量使用帶來生產成本增加與資源環境壓力加大的問題，農業農村部大力推進農藥減量增效 [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]，傳統果園風送噴霧機難以適應果樹冠層藥液附著的作業需求，施藥作業參數不能根據果樹冠層結構自動調節，造成各冠層內中外葉片上的藥液沉積量極不均勻[3]。為此，傳統果園風送噴霧機亟需改進設計，關鍵在于改變噴霧機的送風風場。國外相關研究側重于使用計算流體力學技術(CFD)對風送式噴霧機的風場進行研究[5]，通過仿真模擬技術對作物冠層氣流特性進行研究，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部。Miranda-Fuentes 等[7]采用實驗與模擬相結合的方法分析了果園風送噴霧機的噴霧液場分布與風機產生的氣流場分布的關系，發現噴霧液場的分布與噴霧機的氣流場呈直接相關關系[8]。國內外學者主要通過設置導流裝置或增設風機組等方式對風場進行改善。宋雷潔等[9-10]對塔型風送式果園噴霧機進行 CFD 內流場仿真模擬，仿真結果發現塔形導流裝置參數可有效改善風場分布[11]。Dr. Kamran Siddiqui[12] 利用氣泡霧化研究霧化器內部兩相流對噴霧特性的影響，錐底通氣管和較短的混合區長度可使氣泡在較小的尺寸內更加均勻。周良富等[13]設計了 3WQ-400 型雙氣流輔助靜電果園噴霧機，利用軸流風機產生的外風場和離心風機產生的內風場共同作用，輸運霧滴到作物靶標。Godyn A 等[14]將兩個軸流風機上下布置，上部風扇位置可在 70cm 高度范圍內調節[15]，Endalew A M 等[16]對一款雙風扇空氣輔助噴霧器進行了 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]將風機串聯對稱設計，解決單風機果園噴霧機兩側氣流場不對稱、施藥不均勻的現象。Garciaramos F J 等[18-19]分析了一種帶有兩個反向旋轉軸流風機的噴霧機所產生的氣流場，當使用兩個反向旋轉風扇時，與使用單個風扇相比，噴霧沉積量顯著增加。基于以上思想旨在開展果園多風機風送噴霧機的風送噴霧系統技術研究，依據果樹冠層調整多風機風送噴霧機的風機風量、噴霧壓力、噴頭類型、噴霧距離等工作參數，解決藥液浪費嚴重、霧滴難以穿透到果樹冠層內部的問題。

　　1 總體結構及作業配置方案

　　1.1 結構組成及工作原理

　　果園多風機風送噴霧機(簡稱―噴霧機‖)由風機搭載機架、軸流風機、隔膜泵、環形藥管、噴頭總成、過濾器、壓力調節閥、藥箱等構成(如圖 1)，6 個軸流風機安裝于風機搭載機架上。整機經 3 點懸掛裝置掛接于拖拉機上，通過拖拉機后輸出軸驅動隔膜泵、風機組工作，使藥液從藥箱泵出經過濾器過濾雜質、隔膜泵加壓、壓力調節閥調壓、環形藥液管分流與風機送風由噴頭總成向果樹冠層施藥。噴霧機主要結構參數如表 1 所示。

　　1.2 ―樹-機‖作業配置方案

　　現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。根據矮砧密植果園的種植環境的特點，結合果園果樹的生長特點與送風置換原理[20]，來確定噴霧機的主要結構參數;確定單風機風量及動壓，以滿足噴霧風力要求;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，其可調距離在 100~150 cm，探究距離的遠近對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噴霧壓力范圍為 0.6~1.0 MPa，探究最佳噴霧壓力值。

　　2 作業參數確定

　　2.1 單風機風量確定

　　單側風送霧化裝置產生的風量總和與果樹空間空氣量進行置換[20]，風量按(1)式[21]計算： e / Q v H L K K N s ? ? ? ? ? (1)式中：Q 為風機風量，m 3 /h;ve為噴霧機速度，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;Ks 為置換空間系數，N 為風機數量。最小噴霧空間(最低噴霧高度、最小噴霧間距)時，各參數的取值為：ve=1.2 m/s，L=1 m，H=3 m， K=1，Ks=0.6，N=3，代入式(1)中，計算得 Q≥1458 m3 /h。

　　2.2 風機出風口風速確定

　　風機直徑按照風量公式進行計算得出。選用外圓為 450 mm、內圓為 400 mm、長度為 300 mm 的軸流風機，該風機在 1400 r/min 時產生的風量為 11400 m3 /h[22]，風速 v、風機動壓 Pd 分別用式(2)、(3)計算： 2 = / 2 D v Q ?? ?? ? ? ? 3600( ) (2) 2 2 v Pd ?? (3)式中：v 為風速，m/s;D 為風機內圓直徑，mm;Pd 為風機動壓，Pa;?為空氣密度，約 1.29 kg/m3。

　　2.3 單風機動壓確定

　　由于拖拉機后輸出軸 PTO 輸出的轉速一般為 360、540、720 r/min，在用 V 帶傳動的風機中，改變轉速，變化后的風量 Q1、風機動壓 Pd1可按式(4)計算： 1 2 i n Q Q n ? ? (4) 2 1 d d 1 n P P n ? ?? ? ? ? ? ? (5)由公式(2)—(5)計算，當 PTO 轉速為 360 r/min 時，風機輸出風量 Q1 為 2931.4 m3 /h，風速約為 6.5 m/s，風機動壓為 27.1 Pa;當 PTO 轉速為 540 r/min 時，Q1 為 4397.1 m3 /h，風速約為 9.7 m/s，風機動壓為 47.3 Pa，當 PTO 轉速為 720 r/min 時，風機輸出風量約為 Q1 為 5862.9 m3 /h，風速約為 12.9 m/s，風機動壓為 107.3 Pa。最常用的拖拉機 PTO 轉速為 540 r/min，經計算滿足噴霧送風需求。

　　2.4 軟件仿真

　　經上述計算，確定了風機風速、風壓等性能參數。為驗證理論計算值是否正確，利用 CFD 分析方法模擬風機組流場分布特征，是定性和定量分析風場分布特性的一種方法。利用 Autodesk Inventor Professional(AIP)軟件對噴霧機建模，同時建立等效空間模型，采用 Star-ccm+15.0 軟件將單側風機組與果樹所在空間建立等比例流體域模型。經仿真模擬得出如圖所示網格劃分圖(見圖 3(a))、速度矢量圖(見圖 3(b)、圖 3(c)、圖 3(d))。進行不同風速狀態下的 3 組仿真試驗，分析風機產生的風量及風速否符合要求。

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

　　2.5 噴頭間距確定

　　國內植保機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，采用 80°扇形噴頭，常用 ARAG 的 80°扇形噴頭有 015、02、03 型，3 種扇形噴頭分別對應 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，每個環形藥管安裝 3 套噴霧總成(見圖 4)。藥液經藥管從入口進入環形藥管，然后經過噴霧總成第一次霧化噴出，形成一條噴霧帶;風機產生的氣流驅動霧滴進行二次霧化，并將細小霧滴裹挾，提升霧滴飛行速度，可增強霧滴的穿透性能。

　　以果樹冠層中心面 N-N 為豎直基準面，上層的中心面 M-M 為水平基準面，建立直角坐標系如圖 4 所示。果樹施藥時為實現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;k2 為最大重疊系數;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，(°);?為噴頭標定噴霧角，(°);γ 為局部噴霧角，(°)。

　　噴霧機噴霧時，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，實際測量 L 在 0.6~1.0 m，其中以 0.8 m 為主。由公式(6))~(9)計算可知兩噴頭間距為 550 mm。

　　3 參數優化及性能試驗

　　3.1 方案設計

　　通過噴霧機施藥作業的霧滴沉積量指標[24]，分析噴霧壓力、噴霧距離、噴頭類型對藥液在果樹冠層霧滴沉積量的影響，設置試驗因素水平編碼值如表 2 所示，以 Design Expert 12.0 的 Box-Behnken Design 進行試驗設計與分析，試驗方案與試驗結果如表 3 所示。

　　3.2 試驗環境參數及試驗過程

　　試驗測試場地在高碑店市寶忠農具廠大院，試驗時間為 2020 年 8 月 24 日，溫度為 26~32℃，濕度為 47%~65%，環境風速為 0~1.2 m/s。試驗選用意大利 AAMS 公司的霧滴垂直分布測試儀(型號：ARTS904520)收集霧滴垂直沉積分布情況、UT3636數字式風速計測量風速、JR912美德時溫濕度計測量溫濕度以及秒表、卷尺等。

　　將果園噴霧機掛接于拖拉機上，霧滴垂直分布測試儀(見圖 5(a))安裝完成后進行試驗(見圖 5(b))。噴霧機與試驗臺平齊，將霧滴收集裝置放置妥當之后，啟動噴霧機進行噴霧，同時啟動霧滴垂直分布儀的行走裝置，模擬拖拉機行走速度，當垂直分布儀器走過噴霧有效范圍之后，關閉噴霧系統;將液體采集裝置中的藥液讀數記錄，之后將采集裝置中藥液清除，以備下次試驗使用。依據正交試驗方案表 3，調整各項參數，調整完畢后重復上述步驟進行各組噴霧試驗，記錄數據。

　　3.3 霧滴沉積量試驗結果分析

　　利用 Design-expert 12.0 進行數據處理及分析，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 P<0.0001，失擬項 P 值 0.2033，說明模型極顯著，失擬不顯著，擬合程度高;對霧滴沉積量的影響，A、B、C、A 2、C 2 極顯著，AB、BC、B 2 顯著，影響顯著順序為 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 交互項影響顯著，噴霧壓力 A 與噴霧距離 B 交互項影響不顯著。霧滴沉積量的回歸模型為試驗因素交互作用對霧滴沉積量的響應面如圖 6 所示。由圖 6(a)可知，在噴霧壓力不變時，隨著噴頭流量的提高，霧滴沉積量先呈現上升趨勢而后呈現下降趨勢;在噴霧流量一定時，霧滴沉積量隨著噴霧壓力的增大呈現先上升而后下降的趨勢;由圖 6(b)可知，在噴霧壓力不變時，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，霧滴沉積量呈現下降趨勢。根據以上試驗結果，在 Design-Expert 軟件中以提高霧滴沉積量為優化目標，對噴霧作業參數進行優化，得到噴霧系統機構的最優參數組合，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

　　為驗證噴霧機施藥作業的的冠層藥液附著均勻性，為減少試驗誤差且在時間允許的情況下設計 9 組平行試驗，采用最優參數組合為噴霧壓力為 0.8 MPa、噴霧距離為 1.25 m、噴頭采用 02 型進行試驗，試驗方法同上節。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表示，變異系數和標準差分別采用式(11)和式(12)計算： CV 100% ? ? S X (11) ????? 2 1 ( ) 1 n i i X X S n (12) 式中： CV 為變異系數，%; S 為標準差; X 為霧滴平均沉積量，mL。

　　9 組平行試驗所得的數據如表 5 所示。

　　由表 5 數據可知，每一試驗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差異較小，均在 10%~12%之間，表明結構的合理設計使霧滴沉積量在果樹冠層垂直方向上的分布較為均勻。 15 個收集單元，正好對應果樹上、中、下 3 個冠層區段，將 9 次試驗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行比對。

　　上中下三層的霧滴沉積總量分別為 68、145、195 mL，總體標準差分別為 1.61、3.72、5.29，可知霧滴沉積量總體呈現下層>中層>上層的規律，由于重力影響，致使霧滴呈現下拋運動，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，垂直方向上霧滴沉積量的平均變異系數為 10.9%，噴霧較為均勻。

　　4 田間試驗

　　為驗證噴霧機的噴霧系統采用上述參數組合的實地施藥作業效果，在保定市曲陽縣下河鄉―高仿錘樹形‖ 果園進行田間試驗。采用水敏紙檢測霧滴情況、精創 RC-4 溫濕度測試儀測量環境溫濕度、希瑪 AS856S 風速儀測量風速等。

　　4.1 試驗過程及方法

　　4.1.1 試驗條件

　　以 4 年生富士蘋果園為試驗對象，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;環境溫度 22 ℃，環境濕度 55%，環境風速 1~2 級。試驗時間為 2020 年 10 月 10 日 8:00-17:30，此時蘋果樹正值全葉期。

　　4.1.2 試驗過程

　　噴霧機由 TH804-3 拖拉機牽引(見圖 8(a)、圖 8(b))，作業速度 2.85 m/s、噴霧壓力為 0.8 MPa，噴頭選用 02 型，噴霧機單側距離果樹冠層 1.25 m。在果園同一行間的左右兩樹行分別選取 3 棵樹形規整、枝葉茂盛的靶標果樹，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 數據采集

　　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 張水敏紙進行標記，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。每個靶標葉片正反面各貼一張水敏紙，如圖 8(c)所示。

　　4.2 試驗結果分析

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

　　整理數據，將 6 棵靶標果樹的上、中、下層的霧滴沉積密度的均值情況繪制成圖 10。

　　噴霧機噴灑作業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上層<中層<下層、葉背<葉面的情況。噴灑在果樹上的霧滴數大于等于 70 粒/cm2，符合 NY/T 992—2006 《風送式果園噴霧機 作業質量》標準的規定[24]，可實現噴霧施藥的有效覆蓋。

　　5 結論

　　(1)設計了一種風機對稱布置的新型果園多風機風送噴霧機，并進行噴霧系統作業條件參數優化與試驗。確定了多風機風送噴霧機的風機選型，在拖拉機 PTO 轉速為 540 r/min 時，風機風量為 4397.1 m3 /h、風速為 9.7 m/s、風機動壓為 47.3 Pa，經仿真驗證，該條件下到達果樹冠層的氣流速度>5.5 m/s，滿足噴霧需要。確定了噴頭在環形藥管的設置間距為 550 mm。

　　(2)對霧滴沉積總量影響的主-次因素排序為噴霧壓力 A、噴霧距離 B、噴頭類型 C，得到噴霧系統機構的最優參數組合為噴霧壓力為 0.8 MPa、噴霧距離為 1.25 m、噴頭采用扇形 02 型。多風機風送噴霧機噴霧在垂直方向上的霧滴沉積量的變異系數差異不大，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，總體標準差分別為 1.61、3.72、5.29，霧滴沉積密度總體呈現上層<中層<下層、葉背<葉面的情況。多風機風送噴霧機噴灑在果樹上的霧滴沉積密度大于等于 70 粒/cm2，符合噴霧作業標準的規定，可實現噴霧施藥的有效覆蓋。