蔡晨劉衛(wèi)華 薛新宇沈啟揚(yáng)孫竹 秦維彩

0 引言

水稻作為我國種植面積最大的糧食作物，具有病蟲害發(fā)生頻繁、防治任務(wù)繁重的特點(diǎn)，水稻安全生產(chǎn)關(guān)乎重大[1-2]。自走式噴桿噴霧機(jī)因其通過性強(qiáng)、作業(yè)效率高、作業(yè)成本低等優(yōu)勢，得到了廣泛的應(yīng)用并發(fā)展迅速[3]。然而，常規(guī)噴桿噴霧機(jī)存在作業(yè)精度不理想、噴桿晃動劇烈、噴霧系統(tǒng)壓損大等問題，造成沉積覆蓋均勻性差，影響防治效果并易產(chǎn)生局部藥害[4-6]。針對以上存在的問題，近年來，一些具有GPS對行作業(yè)、噴桿平衡系統(tǒng)、噴灑量車速聯(lián)動的高效智能化自走式噴桿噴霧機(jī)應(yīng)運(yùn)而生[7]。

在“江蘇省三新工程項(xiàng)目”支持下，項(xiàng)目組對3WP-650自走式噴桿噴霧機(jī)進(jìn)行水稻田間噴灑性能試驗(yàn)，以考查其可靠性、適用性與經(jīng)濟(jì)性，為該機(jī)具的優(yōu)化改進(jìn)與推廣應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)機(jī)具

試驗(yàn)機(jī)具為3WP-650自走式噴桿噴霧機(jī)（泰州櫻田農(nóng)機(jī)制造有限公司）。該機(jī)特點(diǎn)：具有GPS路線規(guī)劃輔助系統(tǒng)；噴桿為可伸縮被動鐘擺平衡懸架，可根據(jù)田塊條件改變噴幅；噴霧量與車速聯(lián)動，四輪驅(qū)動，前后獨(dú)立轉(zhuǎn)向；組合式可調(diào)噴頭（圓錐霧噴頭、雙扇形噴頭），噴頭數(shù)量53個。試驗(yàn)采用圓錐霧噴頭。噴霧機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表1。作業(yè)現(xiàn)場如圖1所示。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用儀器與材料包括：2900ET型氣象站、U45Q型超聲波傳感器、植保作業(yè)質(zhì)量評價系統(tǒng)（水平位置精度：靜態(tài)±1.1 cm，動態(tài)±2.5 cm）。霧滴采集使用76 mm×76 mm淺藍(lán)色便簽紙，以質(zhì)量濃度為0.3%的立春紅R2染色劑溶液代替農(nóng)藥進(jìn)行噴灑，噴桿運(yùn)動數(shù)據(jù)采集與處理采用DAHAS測試系統(tǒng)，霧滴數(shù)據(jù)處理采用圖像分析軟件DepositScan。

表1 3WP-650自走式噴桿噴霧機(jī)主要參數(shù)

圖1 3WP-650自走式噴桿噴霧機(jī)

2.2 試驗(yàn)對象與條件

試驗(yàn)水稻品種為“南梗9108”。分別于2018年7月26日在泰州市姜堰區(qū)華安種植家庭農(nóng)場開展噴灑精度和噴桿穩(wěn)定性試驗(yàn)，2018年9月6日在東臺市溱東鎮(zhèn)進(jìn)行噴灑均勻性試驗(yàn)。噴灑均勻性試驗(yàn)期間，水稻生育近揚(yáng)花期，株高0.7±0.1 m，平均行距30 cm，株距15 cm。天氣陰，平均溫度25.6℃ ，陣風(fēng)2～3 m/s，相對濕度為63%。

2.3 試驗(yàn)依據(jù)

試驗(yàn)主要參照《噴桿噴霧機(jī)技術(shù)條件》（GB/T 24677.1－2009）、《噴桿噴霧機(jī)試驗(yàn)方法》（GB/T 24677.2－2009）、《農(nóng)用噴霧機(jī)噴桿穩(wěn)定性試驗(yàn)方法》（GB/T 24680－2009）和《植物保護(hù)機(jī)械通用試驗(yàn)方法》（JB/T 9782－2014）進(jìn)行。

2.4 試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)前進(jìn)行噴桿分段流量均勻性測試，噴頭額定工況（0.5 Mpa）下，在噴桿噴霧機(jī)5段噴桿內(nèi)各隨機(jī)選取1個噴頭，采用稱重法測試1 min內(nèi)噴霧量，重復(fù)測試3次。噴桿各段流量見表2。噴桿流量一致性較好，噴頭平均流量為1.74 L/min。

2.4.1 作業(yè)精度測定

為考查機(jī)具配置的GPS路線規(guī)劃輔助系統(tǒng)的準(zhǔn)確度，試驗(yàn)時應(yīng)盡量避開舊車轍以免對測試過程造成影響，因此選在臨近育秧田塊開展試驗(yàn)。噴霧機(jī)駕駛員擁有各種農(nóng)機(jī)具和拖拉機(jī)駕齡16年，能熟練操控機(jī)具進(jìn)行田間作業(yè)。

將農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所自主開發(fā)的植保作業(yè)質(zhì)量評價系統(tǒng)安裝在噴霧機(jī)震動干擾較小的駕駛室頂部，保持天線傳輸信號暢通（如圖2所示）。噴霧機(jī)正常作業(yè)時，植保作業(yè)質(zhì)量評價系統(tǒng)對噴桿噴霧機(jī)作業(yè)軌跡GPS信息進(jìn)行實(shí)時追蹤，并直接通過4G模塊反映在移動終端。同步完成狀態(tài)信息的采集和上傳，作業(yè)完成后導(dǎo)出數(shù)據(jù)，通過軟件得出軌跡偏差。

圖2 噴灑精度測試裝置

表2 噴桿各段流量

2.4.2 噴桿穩(wěn)定性測試

測試開始前將DAHAS測試硬件與超聲波傳感器固定在噴霧機(jī)上。因噴桿兩端位移量即可表征噴桿最大位移，超聲波傳感器安裝于兩側(cè)噴桿外端（見圖3）。調(diào)試設(shè)備，以地面為參照，噴桿初始位置為平衡點(diǎn)。在試驗(yàn)田塊內(nèi)選取小區(qū)，最小長度保證噴霧機(jī)行駛30 s，行駛距離不低于20 m。以正常噴灑速度行駛，樣本記錄時長不小于3 min。

圖3 噴桿穩(wěn)定性測試裝置

2.4.3 噴灑沉積分布均勻性

根據(jù)噴霧機(jī)噴幅以及輪距確定采樣點(diǎn)數(shù)和位置，在噴霧機(jī)17 m噴幅下，以噴桿中心駛過位置為基準(zhǔn)插1根采樣桿，左右每隔0.5 m布置1根采樣桿，共布35根（一個重復(fù)）。每個采樣桿在高度方向上布置2層便簽紙，上層距離水稻頂端10 cm，下層距離地面20 cm，上下便簽紙呈180°交錯布置，防止上層對下層收集產(chǎn)生影響。在行駛方向上間隔10 m再設(shè)置一個重復(fù)，共設(shè)置2個重復(fù)（如圖4所示）。將噴霧系統(tǒng)內(nèi)充分洗凈后排空，配置50 kg質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%的麗春紅R2水溶液，并注入藥箱。試驗(yàn)工況：噴霧壓力為0.5 MPa，作業(yè)速度為1 m/s。待噴灑的藥液晾干后，依次收集樣本，放置自封袋中并置于干燥、避光處，帶回試驗(yàn)室進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

圖4 噴灑沉積分布測試布樣示意圖

3 試驗(yàn)處理與結(jié)果

3.1 噴灑路徑準(zhǔn)確度

植保作業(yè)質(zhì)量評價系統(tǒng)將采集到的GPS點(diǎn)數(shù)據(jù)利用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)映射等算法，進(jìn)行軌跡偏移誤差分析。圖5為手機(jī)終端上顯示的作業(yè)路線圖。由圖5可看出有GPS輔助對行作業(yè)行距一致性更好。軟件處理輸出得到軌跡偏差，有無GPS輔助軌跡最大偏差分別為0.205 m、1.743 m，有GPS輔助作業(yè)精度提高88.2%。

圖5 手機(jī)終端作業(yè)軌跡顯示

3.2 噴桿穩(wěn)定性

運(yùn)用DAHAS測試軟件導(dǎo)出噴桿水平速度與時間曲線（如圖6所示）。結(jié)合田間實(shí)際情況，排除噴霧機(jī)轉(zhuǎn)場以及轉(zhuǎn)彎前后區(qū)間范圍，得到有效行程所在時間區(qū)間，選擇 10∶40∶12－10∶41∶33 和10∶50∶13－10∶51∶24兩個區(qū)間為有效區(qū)間。

圖6 試驗(yàn)全過程噴桿水平速度曲線

在此二區(qū)間內(nèi)隨機(jī)選取5個小區(qū)間進(jìn)行分析，每個小區(qū)間有效行駛距離為10 m。導(dǎo)出數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，左右噴桿外端相對平衡位置垂直位移曲線如圖7所示。

由圖7可知，在穩(wěn)定作業(yè)過程中，左右噴桿同一時刻的垂直擺動方向呈相反趨勢。相對平衡位置而言，右噴桿最大垂直位移為向上320.6 mm，此時左噴桿外端向下148.7 mm；左噴桿最大垂直位移為向下296.9 mm，此時右噴桿外端向上位移303.7 mm。

圖7 噴桿垂直位移

圖8 DepositScan軟件處理界面

3.3 霧滴沉積覆蓋率

在試驗(yàn)室內(nèi)將2次重復(fù)采集的便簽紙逐一用霧滴圖像分析軟件DepositScan進(jìn)行覆蓋率分析，合理框選便簽紙卡內(nèi)處理區(qū)域，應(yīng)能充分體現(xiàn)該區(qū)域內(nèi)的覆蓋情況。軟件處理界面如圖8所示。

計算覆蓋率平均數(shù)dˉ，標(biāo)準(zhǔn)差S，變異系數(shù)Cv：

式中：d1、d2… dn為各采樣點(diǎn)便簽卡上覆蓋密度。

圖9為水稻上下層2次平均得到的沉積覆蓋率。由圖9可見，上層覆蓋率明顯高于下層。上下層平均覆蓋率分別為81.5%、54.2%，上下層覆蓋率變異系數(shù)分別為24%與50%。

圖9 水稻上下層平均沉積覆蓋率

4 結(jié)論

以3WP-650自走式噴桿噴霧機(jī)田間作業(yè)可靠性與適用性作為考核目的，重點(diǎn)考查了作業(yè)過程中的噴桿穩(wěn)定性，噴灑精度以及沉積分布均勻性。根據(jù)試驗(yàn)研究結(jié)果可以得出到以下結(jié)論：

（1）沿噴桿流量變異系數(shù)為6.63%，表明該機(jī)具噴霧系統(tǒng)流量分配合理，沿噴桿流量損失小，流量一致性好。

（2）具有豐富經(jīng)驗(yàn)的操作人員在GPS路徑規(guī)劃輔助系統(tǒng)下駕駛該機(jī)具作業(yè)可大幅提高作業(yè)精度，表明GPS路徑規(guī)劃系統(tǒng)田塊劃分準(zhǔn)確，但機(jī)具作業(yè)質(zhì)量依然會受到駕駛員操作習(xí)慣的影響。

（3）在有效采樣區(qū)內(nèi)，噴桿左右兩端同一時刻垂直擺動方向呈相反趨勢，表明噴桿整體剛度較好；噴桿平均垂直擺動在200 mm范圍，被動鐘擺平衡懸架減震作用明顯，表明噴桿具有良好的平衡能力。

（4）上下層覆蓋率分別大于80%和50%，表明該機(jī)具的噴霧系統(tǒng)具有較好的噴灑性能，能夠滿足作業(yè)需求；下層覆蓋率一致性為上層的50%，表明噴霧機(jī)在作業(yè)過程中的顛簸以及環(huán)境風(fēng)對沉積均勻性有一定影響。建議優(yōu)化底盤減震系統(tǒng)并選用抗飄噴嘴。