劉超 戴文浩 馮智慧 呂春鶴 唐健 白鴻巖

摘要：針對現(xiàn)有的飛機氣力式播撒設備在實際作業(yè)中存在的有效播幅窄、不均勻等問題，基于離散式播撒設備工作原理，設計一種適宜適用于直升機的智能播撒設備，并對播散裝置播散速率和播幅進行播撒測試試驗。結果表明：智能播撒器流量一檔至四檔的播撒量分別為33.11，77.52，138.89，227.27 kg/min;播幅一檔至四檔分別可達48，54，66，84 m;一檔至四檔藥劑播撒均勻，各項性能指標均達到設計要求，可滿足直升機飛播作業(yè)要求。

關鍵詞：直升機;飛播;播撒器

中圖分類號：S223.2? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1674-1161（2022）03-0033-04

近年來，我國草原鼠害整體危害偏重，年平均發(fā)生面積3 000萬hm2以上。從年際間發(fā)生趨勢來看，草原鼠害2007—2018年平均發(fā)生面積總體呈下降趨勢，而從2018年至今，年平均發(fā)生面積總體呈增加趨勢。目前，我國草原鼠害防治主要以藥劑防控為主，施藥方式存在施藥不均勻、精確性低和效率低等問題。飛播種草、造林具有成本低、效率高、適用條件廣的突出優(yōu)點，在國土綠化中發(fā)揮了重要作用。飛播種草、造林技術的發(fā)展對鼠害飛機防控提供了技術借鑒，內(nèi)蒙古、青海、新疆等地相繼開展了大面積的鼠害飛防。在鼠害飛機防治中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的氣力式播撒設備在實際作業(yè)中存在有效播幅窄、不均勻等情況。目前，國內(nèi)飛機播撒裝置主要有氣力式和離散式兩種，氣力式播撒設備主要依靠氣流吹送種子顆粒，播幅及播種均勻程度受播撒物和氣流影響較大。在早期的飛播中，劉春暉等設計出FB-85型飛機播種器，應用于固定翼飛機，在播撒試驗測算及推廣應用中均取得較好的播撒效果。宋燦燦等經(jīng)過仿真和測試試驗，對現(xiàn)有氣力式播撒器進行優(yōu)化，設計出一種氣力式無人機水稻撒播裝置。該播撒裝置可通過調(diào)整鼓風機的風速和排種輪的轉(zhuǎn)速，調(diào)整牧草種子顆粒的畝撒播量和撒播幅寬。離散式播撒設備依靠機械動力產(chǎn)生的離心力播撒種子、肥料等，具有作業(yè)穩(wěn)定、播撒均勻的特點。離心圓盤通用性好，適于顆粒狀種子、化肥的拋撒，拋撒幅寬較大，應用范圍較廣。秦朝民等為提高肥料播撒效率，設計出2SF-10型圓盤離心撒肥機，工作效率高、肥箱容積大、肥料撒施均勻、作業(yè)成本低。張青松等設計一種離心槽輪式油菜撒播機，在離心圓盤周圍設計了圓盤罩殼實現(xiàn)半邊拋撒，使撒播幅寬可調(diào)。借鑒離散式播撒設備研發(fā)經(jīng)驗，研制一種適用于直升機的智能播撒設備，通過飛播作業(yè)質(zhì)量因素分析，對排藥裝置出藥速率、播幅等進行試驗，以期提高直升機播撒效率及穩(wěn)定性，為大面積飛機播撒提供參考。

1 總體結構與工作原理

智能航空投藥播撒器以直升機作為動力平臺，由錐形裝藥桶、播撒圓盤、和播撒流量控制系統(tǒng)組成，設備裝置總體結構如圖1所示。結構簡單精巧，節(jié)省空間，播撒裝置位于儲藥裝置下方，可將落下的藥丸或種子旋轉(zhuǎn)攤落到撒料裝置中灑出，以保證撒藥的均勻性。出藥口裝置由流量控制器分為4檔，以控制出藥量。播撒裝置由一個動力裝置驅(qū)動，通過同步帶傳動實現(xiàn)撒料裝置的運動，結構簡單緊湊，降低了制作成本，保證了施藥連續(xù)性。

這種離心式播撒器在作業(yè)過程中，出藥口按照擋位調(diào)節(jié)出藥速度，均勻等量地落入被分隔成塊的播撒圓盤，借助播撒圓盤旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力在分隔區(qū)域內(nèi)滾動后被播藥立板拋出。藥劑播撒主要包括隨著圓盤離心所做的復合運動和藥劑離開圓盤后座的拋射運動。

2 主要裝置部件設計

2.1 錐形裝藥桶

錐形裝藥桶是藥劑的直接裝載部件，與流量控制器相連接，用以實現(xiàn)藥劑的輸送，結構如圖2所示。藥桶所承受的壓力始終垂直于承載面。方形藥桶底部通常為平面，不利于藥粒持續(xù)穩(wěn)定進入出藥口，古斯將藥桶設計成倒錐形，以增加飛行過程的穩(wěn)定性并控制出藥流量。播撒器自重約135 kg，直徑1.7 m，高1.3 m，容積約為850 L。

2.2 流量調(diào)節(jié)器

流量調(diào)節(jié)器是整個播散裝置的主要控藥部件，由檔位控制桿、換檔箱、無線控制器和閥門組成（如圖3），在錐形裝藥桶內(nèi)與出藥口相連接。設有一個由無線控制器連接控制桿控制的閥門，控制桿部件底部連接一個活塞，通過4個檔位控制出料口大小，用以控制藥粒流量。播撒器流量控制在25～100 kg/min。

2.3 播撒盤

播撒盤是整個裝置的核心部件，其轉(zhuǎn)速和分區(qū)直接影響播撒的均勻性和播撒幅寬。播撒盤呈圓形，主要包括播撒盤和撥藥立板。播撒盤分為3個區(qū)域，可均勻分裝藥粒，便于藥粒均勻拋射，用以提高播撒幅寬和均勻性，如圖4所示。圓盤的主要作用是承接藥粒和安裝撥藥立板，并通過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)播撒幅寬和均勻性，還可根據(jù)不同地區(qū)不同藥劑的施藥量更換不同大小的圓盤，用以改變藥粒在圓盤上的滯留時間和拋灑角速度，進一步擴大或縮小施藥幅寬。

2.4 藥劑拋灑運動分析

為使藥劑播撒更加均勻，撥藥立板將播撒圓盤均勻分成3個區(qū)域。增加撥藥立板內(nèi)側(cè)面積，從而增加藥劑在播撒圓盤上的滯留時間，以獲得更大的初速度。藥粒因曲度而產(chǎn)生斜向上的力，會改變離開立板時的拋射角度，提升藥劑播撒的均勻度及幅寬。根據(jù)拋射原理，離心式播撒圓盤在同一轉(zhuǎn)速下，斜向上拋撒時可以拋射較遠距離，并可增加圓盤滯留時間和滯空時間差，進而提高播撒的均勻性。采用撥藥立板設計與不使用立板分區(qū)設計相比，在藥粒落地的位置上會產(chǎn)生變化。

3 播撒設備測試分析

田間作業(yè)過程中，藥粒經(jīng)出藥口落入播撒圓盤向外播撒時會受到風力、飛行速度、飛行高度等因素的影響。為驗證田間作業(yè)效果，選擇晴朗微風天氣。錐形裝料桶出藥檔位變化會對播藥均勻度產(chǎn)生影響，因此，開展不同檔位播藥量和播撒寬幅試驗，借以測試播撒器的作業(yè)質(zhì)量及穩(wěn)定性。

3.1 測試方法

設置帶狀收集點，樣地在300 m×50 m的矩形區(qū)域內(nèi)。兩側(cè)橫向（播撒寬幅方向）每間隔5 m設置一塊藥粒收集白布，共設8塊收集白布。由中心向兩側(cè)方向依次為1號到16號，收集白布規(guī)格為1 m×1 m的正方形（如圖5）。圖5中的箭頭為飛行路線及飛行方向，直升機高度約120 m，航速120 km/h，檔位分別設置為一檔、二檔、三檔、四檔。在試驗樣地中心沿飛行路線通過后，分別收集每塊白布上的藥粒，并按編號分別記錄落藥數(shù)量、不同檔位播撒時間、單位時間播撒量，每個試驗重復3次。

3.2 試驗材料及地點

試驗材料：為避免試驗樣地污染，藥粒由小麥種子替代。播撒器單次裝藥量400 kg，所用小麥種子千粒質(zhì)量約為38 g，單粒種子大小約為6.3 mm×3.1 mm。

試驗地點：內(nèi)蒙古通遼市試驗樣地。

3.3 測試結果與分析

播撒器播撒流量見圖6，播撒器不同檔位平均落粒量見圖7。

由圖6可知，隨著播撒器檔位的增加，單位時間播撒流量逐漸增大，單次飛行作業(yè)時間逐漸縮短。其中，一檔單次作業(yè)平均播撒時間最長為12.08 min，單位時間播撒量最低為33.11 kg/min。二檔至四檔單次作業(yè)平均播撒時間依此為5.16，2.88，1.76 min，單位時間播撒量依次為77.52，138.89，227.27 kg/min。這表明播撒量與播撒時間具有一定相關性，實際作業(yè)時，四檔單次播撒時間不足2 min，單位面積內(nèi)播撒量較大。

由圖7可知，在播撒寬幅試驗中，隨著檔位的增加，每塊白布的平均落粒數(shù)在逐漸增加。一檔至四檔兩側(cè)白布平均落粒量依次為5.1，7.2，10.2，12.9粒。在播撒均勻性方面，因檔位不同導致播撒寬幅也不同，從左自右編號為1號到16號的白布落粒數(shù)呈中間向兩側(cè)遞減的趨勢，即典型的正太分布。其中，一檔落粒主要集中于3號到8號白布，二檔落粒主要集中于2號到10號白布，三檔落粒主要集中于2號到12號白布，四檔落粒主要集中于2號到15號白布，僅二檔拋撒時6號白布未發(fā)現(xiàn)種粒。根據(jù)白布距離測算出1檔至4檔播撒直徑分別可達48，54，66，84 m，4 種檔位1號白布的落粒數(shù)均為0粒。

4 結論與討論

結合設計和田間試驗，新型智能播撒器基本實現(xiàn)播撒寬幅、均勻度高、播撒速度可控等設計要求，具有工作效率高、單次播撒量大、時間短、作業(yè)成本低的特點，符合草原、高原和荒漠林等大面積航空投藥滅鼠及其他播種要求。核心部件流量控制器和播撒圓盤的速度調(diào)節(jié)和布置形式直接影響播撒性能，播撒圓盤的分塊設計和撥藥立板進一步保證了撒藥的均勻性。播撒器流量從一檔至四檔的播撒量控制在30～200 kg/min，可以滿足不同密度的播撒作業(yè)。播撒器有效播幅為40～80 m，藥劑播撒均勻，漏播情況較少，基本滿足設計需求。新型智能播撒器的研發(fā)可為大面積飛播種草、造林、施肥、投藥等提高參考。

在分析離心式、氣力式、均分桿式等播撒方式，以及機械式、氣力式流量調(diào)控方式的優(yōu)點和劣勢后，本設計主要通過改變出藥口大小控制流量，利用離心力將藥粒從高速旋轉(zhuǎn)的播撒盤上拋出。這與秦朝民等設計的2SF-10型離心式撒肥機和湯遠菊等設計的一種離心圓盤式油菜播撒機所采用的設計原理相同，試驗結果相一致。離心式圓盤通用性好，顆粒狀藥粒和拌種藥劑均可使用，播撒寬幅大。同時，由于藥粒大小、粒重和形狀不盡相同，藥粒在播撒圓盤上的不規(guī)則運動使得藥粒與藥粒之間、藥粒與播撒圓盤之間產(chǎn)生摩擦和發(fā)生碰撞，進而改變運動軌跡，所產(chǎn)生的播撒寬幅小于計算值。目前，我國尚無航空播撒器施藥作業(yè)場地試驗相關標準，本研究所采集的數(shù)據(jù)樣本較少，可能存在試驗誤差，后續(xù)應進一步測試，以增加數(shù)據(jù)量、保證穩(wěn)定性。此外，本研究僅對1種類型藥粒進行不同檔位播撒量和播撒寬幅試驗研究，對播撒裝置與航空器的普適性、播撒均勻性控制、飛機旋翼產(chǎn)生氣流和天氣環(huán)境等因素產(chǎn)生的影響及其在實際應用中的防治效果，尚有待進一步研究。

參考文獻

[1] 李曉芳.中國飛播種草近30年的回顧與展望[J].草原與草坪，2007（6）：73-76.

[2] 焦秀潔，譚春桃，李濤，等.飛機播撒殺鼠劑對高原鼠兔的防治效果[J].中國媒介生物學及控制雜志，2018，29（5）：488-490.

[3] 趙勝國，張國臣，楊靜莉，曹廣成，劉景泉，韓靜波.鼠靶滅鼠劑飛機防治害鼠試驗[J].中國森林病蟲，2016，35（1）：38-40.

[4] 宋燦燦，周志艷，姜銳，等.氣力式無人機水稻撒播裝置的設計與參數(shù)優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2018，34（6）：80-88+307.

[5] 秦朝民，劉君輝.離心式撒肥機撒肥部件研究設計[J].農(nóng)機化研究，2006（10）：100-102.

[6] 秦朝民，王序儉，劉君輝.2SF-10離心式撒肥機[J].新疆農(nóng)機化，2004（2）：25-26.

[7] 高志政，彭孝東，林耿純，等.無人機撒播技術在農(nóng)業(yè)中的應用綜述[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學，2019，47（6）：24-30.

Design and Experimental Research of an Intelligent Sowing

Equipment Suitable for Helicopter

LIU Chao， DAI Wenhao， FENG Zhihui， Lü Chunhe， TANG Jian， BAI Hongyan

（National Forest and Grassland Administration Biological Disaster Control and Prevention Center/Key Laboratory of Biological Disaster Monitoring and Early Warning， National Forestry and Grassland Administration， Shenyang 110034， China）

Abstract： In view of the problems of narrow and uneven effective sowing range of the existing aircraft pneumatic sowing equipment in practical operation， an intelligent sowing equipment suitable for helicopter is designed based on the working principle of discrete sowing equipment， and the sowing rate and sowing range of the device are tested and experimented. The results show that： The sowing amount of intelligent sowing flow 1～4 gears are 33.11， 77.52， 138.89， 227.27 kg/min， respectively. The range from 1 to 4 can reach 48， 54， 66 and 84 m respectively; The 1～4 gear agent is evenly sown， and all the performance indexes of the 1～4 gears are all up to the design requirements， which can meet the requirements of helicopter aerial sowing.

Key words： helicopter; aerial sowing; spreader