李亞麗，湛小梅，王圓明，崔晉波，劉汶樹(shù)

(重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，重慶　401329)

0　引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整，果園的種植面積在整體上呈現(xiàn)逐年增加的趨勢(shì)。果園果樹(shù)的種植、水果品種的培育及其附加的產(chǎn)業(yè)逐漸成為帶動(dòng)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱性產(chǎn)業(yè)，由此帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益已成為促進(jìn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)繁榮和增加農(nóng)民收入的重要手段。但由于果樹(shù)長(zhǎng)期受到施藥技術(shù)水平低、霧化性能差、藥物嚴(yán)重流失等因素的影響，發(fā)生病蟲(chóng)害的頻率較高，且無(wú)法得到有效控制，進(jìn)而導(dǎo)致大量的果實(shí)出現(xiàn)次果、劣果甚至落果等不良現(xiàn)象。

目前，我國(guó)植保機(jī)械的不發(fā)達(dá)和農(nóng)藥使用技術(shù)的不規(guī)范[1]，遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足我國(guó)果園種植面積不斷加大對(duì)植保機(jī)械和農(nóng)藥的日益需求，嚴(yán)重妨礙了對(duì)果園果樹(shù)病蟲(chóng)害的防治。同時(shí)，不規(guī)范使用農(nóng)藥也帶來(lái)了很多不良影響，如污染環(huán)境、農(nóng)產(chǎn)品中農(nóng)藥殘留超標(biāo)、操作者中毒、作物藥害及農(nóng)藥有效利用率低等負(fù)面影響[2-3]，造成了極大的損失，已成為制約果農(nóng)收入的主要因素之一。目前，我國(guó)種植的果樹(shù)普遍枝葉茂密且樹(shù)冠高大，而國(guó)內(nèi)果園植保技術(shù)大多采用的是液力霧化技術(shù)[4]，霧滴穿透果樹(shù)冠層能力低，在葉面上沉積不均勻，霧滴也受到樹(shù)冠外層茂密樹(shù)葉的阻擋，大量聚集形成水滴滾落流失，藥液未被冠層內(nèi)部及樹(shù)干有效吸收，病蟲(chóng)害未根除，為其卷土重來(lái)埋下隱患。我國(guó)大部分地區(qū)果園施藥仍以手動(dòng)藥械為主，主要品種有背負(fù)式[5-6]、踏板式[7-8]噴霧器。此類(lèi)噴霧器工作效率低，在適合施藥期間無(wú)法適期防治，同時(shí)操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度大，耗時(shí)耗力[9-12]。因此，急需研發(fā)應(yīng)用先進(jìn)的新型植保機(jī)械，改善施藥方法與規(guī)范農(nóng)藥使用技術(shù)，進(jìn)而采用新型果園噴霧機(jī)械推廣正確且高效的果園病蟲(chóng)害防治技術(shù)[13-17]。

因此，為了解決上述問(wèn)題，需設(shè)計(jì)一種能夠跟拖拉機(jī)直接懸掛，可安裝6個(gè)噴頭的豎直可調(diào)節(jié)式噴桿，能夠?qū)崿F(xiàn)快速、高效、大面積、均勻噴灑農(nóng)藥的新型噴桿式果園噴霧機(jī)。

1　整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1　整機(jī)結(jié)構(gòu)

3WP-500型噴桿式果園噴霧機(jī)主要由機(jī)架、藥箱、噴霧裝置、傳動(dòng)裝置及柱塞泵等部件組成，如圖1所示。機(jī)架前端設(shè)有三點(diǎn)懸掛裝置與拖拉機(jī)進(jìn)行掛接，機(jī)架前端上方的主動(dòng)帶輪與拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸部連接，為整機(jī)提供動(dòng)力。柱塞泵通過(guò)螺栓固定在機(jī)架上，噴藥裝置的最下端焊接在機(jī)架上。

1.2　工作原理

果園作業(yè)時(shí)，3WP-500型噴桿式果園噴霧機(jī)與拖拉機(jī)后方三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)掛接，拖拉機(jī)的動(dòng)力通過(guò)PTO輸出軸、萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)三缸柱塞泵，對(duì)藥液進(jìn)行加壓；加壓后的藥液流經(jīng)柱塞泵出水閥、高壓輸液管、噴桿直至噴頭，由噴頭對(duì)藥液進(jìn)行霧化；噴出的藥液克服空氣阻力、液體粘滯性和表面張力并形成風(fēng)力翻轉(zhuǎn)葉片，霧化成多個(gè)細(xì)小的液體顆粒均勻沉積在果樹(shù)葉片的正反面。

1.機(jī)架　2.軸　3.軸承組合4.大皮帶輪　5.噴霧裝置　6.三缸柱塞泵　7.小皮帶輪

1.3　主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)西南丘陵山區(qū)現(xiàn)有的果樹(shù)種植模式及類(lèi)似機(jī)型的相關(guān)技術(shù)參數(shù)[18-19]，3WP-500型噴桿式果園噴霧機(jī)整個(gè)機(jī)型的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表13WP-500型噴桿式果園噴霧機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

Table 1Technology parameters of 3WP-500 type of spray rod orchard sprayer

參數(shù)單位數(shù)值外形尺寸 (長(zhǎng)×寬×高) mm800×400×1700質(zhì)量kg60掛接方式三點(diǎn)懸掛配套動(dòng)力kW40作業(yè)速度km/h1.8～3.6工作幅寬mm18000-20000生產(chǎn)率hm2 /h0.8～1.0

2　關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

2.1　機(jī)架的設(shè)計(jì)

3WP-500型噴桿式果園噴霧機(jī)的機(jī)架采用角鋼和矩形管封閉斷面框架式焊接而成，前端焊有三點(diǎn)懸掛架，三點(diǎn)懸掛架和支撐腿使用方形鋼端管，三缸柱塞泵懸掛架等其他承重桿均采用5#角鋼，如圖2所示。在整個(gè)機(jī)架構(gòu)件中，前機(jī)架主要承受軸承組件及大皮帶輪的質(zhì)量，軸承和皮帶的連接部分承受工作阻力。在滿(mǎn)足強(qiáng)度和剛度的要求下，采用最小的機(jī)架尺寸減輕質(zhì)量，提高其對(duì)丘陵山丘區(qū)果園的適應(yīng)性。

1.連接部分　2.三缸柱塞泵懸掛架　3.銷(xiāo)　4.支撐腿　5.萬(wàn)向輪

2.2　液泵的選擇

三缸柱塞泵是一種高效植保機(jī)械壓力泵，具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量小、流量小節(jié)水、壓力高、工作可靠及故障率低等優(yōu)點(diǎn)。常用三缸柱塞泵有90型、120型、220型等。對(duì)于采用高效植保機(jī)械壓力泵來(lái)說(shuō)，液泵的排量除滿(mǎn)足噴灑的要求外，還應(yīng)考慮足夠的回液量，滿(mǎn)足攪拌的需要[20-22]，則

其中，Q噴為噴桿噴頭總噴量(L/hm2)；Q公頃為施藥量(L/hm2)；v為拖拉機(jī)前進(jìn)速度(m/s)；B為機(jī)具工作總幅寬(m)。

當(dāng)Q公頃=200L/hm2、v=6 km/h時(shí)，Q噴=16 L/min。攪拌用的回液量一般為藥箱容積的5%～10%。采用回液攪拌，回液量為Q回，選取Q回為藥箱容積的5%，則Q回=32.5L/min。該機(jī)液泵的流量Q泵=Q噴+Q回，帶入已知條件得Q泵=48.5L/min，選用120型三缸柱塞泵。

2.3　噴頭噴桿機(jī)構(gòu)

為了能夠均衡地噴灑柑橘果樹(shù)的樹(shù)冠、樹(shù)干等部位，在機(jī)架兩邊并排設(shè)置了兩根豎向的噴桿，按照果樹(shù)樹(shù)冠結(jié)構(gòu)，每根噴桿是由4段不同長(zhǎng)度的噴桿、1個(gè)活接頭、2個(gè)三通管和1個(gè)彎管組成，每根噴桿上安裝3個(gè)萬(wàn)向噴頭，如圖3所示。在實(shí)際噴霧作業(yè)時(shí)，為防止豎向的噴桿由于機(jī)具前進(jìn)和噴霧壓力造成的擺動(dòng)，從而影響噴霧作業(yè)質(zhì)量，在并排豎向的兩噴桿之間設(shè)置了兩根橫向固定結(jié)構(gòu)，以增加兩噴桿的噴霧效果，保證噴霧質(zhì)量。設(shè)置的萬(wàn)向噴頭可進(jìn)行水平方向的自由調(diào)節(jié)，噴桿可進(jìn)行豎直方向的長(zhǎng)度調(diào)節(jié)，對(duì)應(yīng)不同的植株大小變化，可進(jìn)行相應(yīng)的匹配調(diào)節(jié)，達(dá)到良好的作業(yè)狀態(tài)。

圖3　噴桿機(jī)構(gòu)圖

3　性能試驗(yàn)及分析

3.1　試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

田間試驗(yàn)是檢驗(yàn)3WP-500型噴桿式果園噴霧機(jī)噴霧性能的一種方法，噴霧機(jī)的霧化性能是評(píng)價(jià)施藥機(jī)具性能最為重要的指標(biāo)[23-25]。該指標(biāo)不僅決定著霧滴的分布，而且決定著霧滴在果樹(shù)冠層中的分布、運(yùn)動(dòng)、飄失、附著、穿透和沉積，進(jìn)而影響果樹(shù)病蟲(chóng)害的防治效果和噴霧機(jī)生產(chǎn)效率的高低。霧化性能關(guān)鍵指標(biāo)主要包括噴幅與霧滴沉淀的均勻性。農(nóng)藥?kù)F滴的沉積均勻性對(duì)于農(nóng)藥?kù)F滴是否能夠更好沉積到蟲(chóng)害的靶標(biāo)部位具有重要的指導(dǎo)意義[26-27]，而噴幅反映的是機(jī)具的生產(chǎn)效率和噴霧的覆蓋能力。

3.2　試驗(yàn)條件與方案

測(cè)量的工具有：配套動(dòng)力為40kW潤(rùn)田履帶式拖拉機(jī)、小夾子、塑封袋、米尺、水敏霧滴測(cè)試卡、麗春紅2R水溶液、一次性手套、722N可見(jiàn)分光光度儀、燒杯、量筒、蒸餾水及微距相機(jī)等。

3WP-500型噴桿式果園噴霧機(jī)于2016年8月24日在重慶市江津區(qū)先鋒鎮(zhèn)果樹(shù)所實(shí)驗(yàn)基地進(jìn)行柑橘?lài)婌F試驗(yàn)，如圖4所示。天氣溫度32°～36°，無(wú)風(fēng)；柑橘冠形為紡錘形，柑橘葉面積平均指數(shù)3.8；樹(shù)高(2.6±0.2)m，樹(shù)圍直徑5.5±0.3m，樹(shù)干高0.7±0.1m，行距4m，株距3m；藥箱中的試驗(yàn)液體采用不含雜質(zhì)的清水。為了科學(xué)統(tǒng)計(jì)與減少誤差，每棵果樹(shù)應(yīng)至少放置5張檢測(cè)卡，以便在觀(guān)察判斷分析霧滴沉積分布是否合理。霧滴采集點(diǎn)布置如圖5所示。

圖4　3WP-500型噴桿式果園噴霧機(jī)作業(yè)過(guò)程

圖5　霧滴采集點(diǎn)布置示意圖

3WP-500型噴桿式果園噴霧機(jī)采用正交試驗(yàn)的方法在田間進(jìn)行噴霧性能測(cè)試工作。在測(cè)試區(qū)內(nèi)，隨機(jī)選取沿著噴霧機(jī)噴幅方向上的10棵柑橘果樹(shù)，在每棵果樹(shù)不同冠層部位的葉片上夾放水敏霧滴測(cè)試卡，可觀(guān)察霧滴沉積量。當(dāng)霧滴與水敏霧滴測(cè)試卡碰撞時(shí)，1個(gè)霧滴便形成1個(gè)全痕沉淀在檢測(cè)卡上，然后將紙卡取下并封裝防止藥物揮發(fā)，保證后期實(shí)驗(yàn)室處理數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。將試驗(yàn)帶回的紙卡每一張都放入單獨(dú)的燒杯中，各加入一定量的蒸餾水進(jìn)行清洗，測(cè)量時(shí)使用722N可見(jiàn)分光光度儀，得到每一燒杯溶液的吸光度a，從而計(jì)算出單位面積的藥液沉淀量m，即

其中，V為加入蒸餾水體積(mL)；S為試驗(yàn)紙卡的面積(cm2)；K為吸光度比值系數(shù)。

影響霧滴沉淀均勻性和噴幅的因素較多，壓力不穩(wěn)定促使噴霧器的流量、霧滴大小隨時(shí)都會(huì)發(fā)生變化，直接影響噴霧的霧滴細(xì)微程度和噴灑均勻性，造成藥液在葉面上的沉積量不一，很難達(dá)到預(yù)期效果。挑選其中影響較大者作為試驗(yàn)影響因素，經(jīng)過(guò)分析主要有噴嘴直徑、噴霧壓力、藥液流量影響霧滴沉淀均勻性和幅寬這兩試驗(yàn)指標(biāo)，即以噴嘴直徑A、藥箱壓力B、機(jī)具前進(jìn)速度C為試驗(yàn)因素。選用試驗(yàn)用的噴嘴為美國(guó)TeeJet公司生產(chǎn)的TXA8004VK型圓錐型噴嘴，3種噴嘴直徑分別為1.1、1.4、1.8mm，藥箱壓力分別為2.4、3.0、3.6MPa，機(jī)具前進(jìn)速度分別為1.6、3.2、4.8m/s。通過(guò)霧化性能試驗(yàn)獲得噴霧壓力、噴嘴直徑及機(jī)具前進(jìn)速度的最佳匹配組合，達(dá)到最好的霧滴沉淀均勻性。試驗(yàn)因素和水平如表2所示。

表2　因素水平表

3.3　試驗(yàn)結(jié)果與分析

采用L9(33)正交表來(lái)安排試驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。

表3　綜合平衡法試驗(yàn)結(jié)果

續(xù)表3

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表，對(duì)沉淀量和幅寬兩個(gè)指標(biāo)分別進(jìn)行分析，得出的兩個(gè)最優(yōu)方案為A2B3C1和A3B3C3。按影響大小的次序分別為沉淀量A2C1B3和幅寬A3B3C3，這兩種方案不完全相同。就指標(biāo)單獨(dú)考慮來(lái)看，對(duì)沉淀量和幅寬來(lái)說(shuō)是好方案；將各因素綜合起來(lái)看，方案的效果卻不然[28]。因此，為便于綜合分析，將沉淀量和幅寬隨因素水平變化的情況分別用圖形表示出來(lái)，如圖6所示。

圖6　因素對(duì)指標(biāo)的影響曲線(xiàn)圖

依據(jù)因素對(duì)指標(biāo)的影響曲線(xiàn)圖可以看出：在噴霧作業(yè)過(guò)程中，沉淀量和幅寬兩個(gè)指標(biāo)越大，噴霧的效果就越好。通過(guò)各因素對(duì)各指標(biāo)影響的綜合分析，得出的最優(yōu)方案為A1B3C2，即噴嘴直徑1.1mm、藥箱壓力3.6MPa、機(jī)具前進(jìn)速度3.2m/s是3WP-500型噴桿式果園噴霧機(jī)械的最佳噴霧參數(shù)。以此參數(shù)進(jìn)行多次重復(fù)試驗(yàn)，得到噴霧幅寬的平均值19.4m，藥物沉淀量的平均值為3.48μg/cm2，噴霧噴幅和藥液沉淀量達(dá)到設(shè)計(jì)要求，藥液分布均勻，霧化性能好。

4　結(jié)論

1)針對(duì)我國(guó)植保機(jī)械的不足及果園需求量大現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了3WP-500型噴桿式果園噴霧機(jī)。該機(jī)可一次性完成果園的農(nóng)藥噴灑，噴霧均勻，且噴霧高度可調(diào)節(jié)，適宜不同地區(qū)、不同植株的農(nóng)藥噴灑。

2)田間試驗(yàn)結(jié)果表明：在噴嘴直徑1.1mm、藥箱壓力3.6MPa、機(jī)具前進(jìn)速度3.2m/s時(shí)，平均藥液沉淀量為3.48μg/cm2，平均噴幅為19.4m。藥液沉淀量和噴幅均達(dá)到技術(shù)要求，藥液分布均勻，霧化性能好。