徐陶 呂曉蘭 祁雁楠 曾錦 雷嘵暉 袁全春

摘要：風(fēng)送式噴霧機(jī)是目前我國果園噴霧裝備的主流，針對我國現(xiàn)階段果園風(fēng)送式噴霧裝備起步晚、裝備落后，存在用藥量大、霧滴飄失嚴(yán)重等施藥現(xiàn)狀，從施藥原理、作業(yè)特點(diǎn)等分別介紹不同機(jī)型風(fēng)送式噴霧裝備研究現(xiàn)狀，并結(jié)合當(dāng)前先進(jìn)靜電噴霧技術(shù)、循環(huán)噴霧技術(shù)、精準(zhǔn)變量施藥技術(shù)及CFD流體仿真模擬技術(shù)，重點(diǎn)闡述目前我國風(fēng)送式噴霧裝備與先進(jìn)施藥技術(shù)融合的最新研究進(jìn)展，分析不同作業(yè)方式下風(fēng)送式噴霧機(jī)在果園噴藥應(yīng)用中存在的問題，提出未來我國風(fēng)送式噴霧機(jī)械裝備發(fā)展的幾點(diǎn)建議：深化推進(jìn)平原及丘陵山地的標(biāo)準(zhǔn)化、宜機(jī)化建園；融合先進(jìn)施藥技術(shù)及智能探測手段，實(shí)現(xiàn)果園風(fēng)送式噴霧機(jī)智能化、精準(zhǔn)化施藥；針對丘陵山地，研發(fā)推廣具有體積小、適用性強(qiáng)的適用于丘陵等地小型果園噴霧機(jī)型。

關(guān)鍵詞：風(fēng)送噴霧；果園；施藥技術(shù)；靶標(biāo)探測；精準(zhǔn)施藥；CFD仿真

中圖分類號：S491+.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：20955553 （2023） 070069

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Research status on equipment and technology of orchard air-assisted sprayer in China

Xu Tao1， Lü Xiaolan1， 2， Qi Yannan1， Zeng Jin1， Lei Xiaohui1， Yuan Quanchun1

（1. Institute of Agricultural Facilities and Equipment， Jiangsu Academy of Agricultural Sciences，

Nanjing， 210014， China; 2. Key Laboratory of Horticultural Equipment， Ministry of Agriculture and

Rural Affairs， Nanjing， 210014， China）

Abstract： Air-assisted sprayer is the main orchard sprayer equipment in China. Given the late start and outdated air-delivered spray equipment in orchards， excessive use of pesticides， and serious droplet loss， the research status of different types of air-delivered spray equipment was introduced， focusing on the principle of application and operation characteristics. In addition， the latest research progress on the integration of air-delivered spray equipment and advanced spray technology in China， including the current advanced electrostatic spray technology， circulating spray technology， precision variable spray technology， and CFD fluid simulation technology was emphasized. The existing problems in the application of air-assisted sprayers in orchard spraying were analyzed. Suggestions for the development of air-delivered sprayers in China in the future were put forward， including promoting the standardization and mechanization of the orchard construction in plains and hilly areas， integrating advanced application technology and intelligent detection means to achieve intelligent and precise application of the air-assisted sprayer in orchards， and developing small-sized orchard sprayer models for hilly and mountainous regions.

Keywords： air-assisted spray; orchard; applying pesticide technology; target detection; precise spray; CFD simulation

0 引言

果樹病蟲害可導(dǎo)致水果落果、次果及劣果等，嚴(yán)重影響果品的質(zhì)量［1］。根據(jù)種植經(jīng)驗(yàn)，果樹在一年的生長期內(nèi)施藥次數(shù)約8～15次［2］，而目前我國的農(nóng)藥利用率約30%左右，農(nóng)藥的過度使用不僅導(dǎo)致資源浪費(fèi)，更易引起水土污染。為減少霧滴飄失，提高噴霧效果，在提高噴霧裝備工作性能的同時(shí)，研究學(xué)者紛紛致力于如靜電噴霧技術(shù)、靶標(biāo)探測技術(shù)、變量施藥技術(shù)、在線混藥技術(shù)等先進(jìn)施藥技術(shù)的研究，在基于果樹冠層的精準(zhǔn)變量仿形施藥方面取得了一定成效。

目前，發(fā)達(dá)國家的果園風(fēng)送噴霧技術(shù)較成熟，霧流穿透性強(qiáng)，作業(yè)效率高。一般來說，西方國家的風(fēng)送噴霧裝備主要以大中型牽引、懸掛式為主，其特點(diǎn)是動力大、射程長、藥箱容積大，此類型適用于寬行高冠的標(biāo)準(zhǔn)化果園。日本、韓國為代表的東南亞國家則主要以中小型自走式噴霧裝備為主，具有功率小、結(jié)構(gòu)緊湊、通過性好等特點(diǎn)，此類型適用于果園同間距、低矮密植果園。

我國的噴霧施藥技術(shù)研發(fā)起步較晚，現(xiàn)階段果園的農(nóng)藥噴施設(shè)備仍以背負(fù)式電動噴霧機(jī)為主，存在農(nóng)藥施用量大，霧滴在冠層中飄失、分布不均等問題［3］，植保機(jī)械的發(fā)展對果園機(jī)械全程化及水果生產(chǎn)水平產(chǎn)生重要影響。果園風(fēng)送噴霧技術(shù)自80年代引進(jìn)中國，經(jīng)過科研人員多年研究改進(jìn)，已取得突破性進(jìn)展，目前已成為果園植保方面應(yīng)用最廣泛的技術(shù)。果園風(fēng)送式噴霧技術(shù)是利用風(fēng)機(jī)產(chǎn)生強(qiáng)氣流，通過氣流流動，帶動被噴頭霧化的細(xì)小霧滴送達(dá)果樹冠層表面及內(nèi)部，有效附著于葉面正反面，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)果樹病蟲害防治的效果［4］。

本文針對不同機(jī)型的果園風(fēng)送式噴霧裝備工作原理及特點(diǎn)，介紹了不同類型風(fēng)送式噴霧裝備在我國的發(fā)展現(xiàn)狀；同時(shí)結(jié)合當(dāng)前先進(jìn)果園植保施藥技術(shù)與理論基礎(chǔ)，對我國果園風(fēng)送式噴霧裝備與先進(jìn)施藥技術(shù)融合的研究進(jìn)展進(jìn)行介紹，并針對當(dāng)前不同風(fēng)送式噴霧裝備存在的問題，提出果園風(fēng)送式噴霧機(jī)發(fā)展建議，分析未來裝備研發(fā)趨勢，以期為科研人員提供參考。

1 國內(nèi)果園風(fēng)送式噴霧裝備研究進(jìn)展

經(jīng)過多年技術(shù)研發(fā)，我國市面上風(fēng)送噴霧裝備機(jī)型多樣，功能特點(diǎn)各異。按照噴霧機(jī)氣流輸出方式，風(fēng)送式噴霧機(jī)可分為圓盤式風(fēng)送噴霧機(jī)、塔式風(fēng)送噴霧機(jī)、隧道式風(fēng)送噴霧機(jī)和多風(fēng)管噴霧機(jī)等。

1.1 圓盤式風(fēng)送噴霧機(jī)

圓盤式風(fēng)送噴霧機(jī)的噴頭呈圓環(huán)狀布置在風(fēng)機(jī)出風(fēng)口處，工作時(shí)霧滴呈放射狀分散于靶標(biāo)，該噴霧機(jī)型一般適用于普通噴霧作業(yè)的傳統(tǒng)果園。風(fēng)送式噴霧機(jī)是應(yīng)用較早的植保噴霧機(jī)型，因此又稱為傳統(tǒng)風(fēng)送式噴霧機(jī)。

圓盤式風(fēng)送噴霧機(jī)的風(fēng)機(jī)為軸流式，在導(dǎo)流板的導(dǎo)向下，將高速氣流在吹至噴霧機(jī)各出風(fēng)口，實(shí)現(xiàn)氣流流動。有研究表明導(dǎo)流結(jié)構(gòu)對氣流流動及空間分布規(guī)律影響差異較大，因此導(dǎo)流板及其安裝角度對氣流分布有重要影響。

針對上述問題，呂曉蘭等［5］通過設(shè)置導(dǎo)流板角度，對空間氣流場分布特性進(jìn)行研究，探究導(dǎo)流板對氣流場分布的影響規(guī)律，得出當(dāng)導(dǎo)流板角度調(diào)整到最佳位置時(shí)，風(fēng)場分布與果樹冠形吻合度較高。周良富等［6］設(shè)計(jì)的組合圓盤式果園風(fēng)送噴霧機(jī)，具有一定的仿形功能，噴霧位置可根據(jù)果樹冠層分布來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)，霧滴有效沉積到果樹冠層內(nèi)部；邱威等［7］針對低矮密植果園，設(shè)計(jì)了一種圓環(huán)雙流道風(fēng)送霧化裝置，有效提高了霧滴在樹堂內(nèi)部葉面正反面的附著率。

在實(shí)際作業(yè)過程中，與背負(fù)式電動噴霧機(jī)相比，圓盤式果園風(fēng)送噴霧機(jī)有效提高了作業(yè)效率及霧滴在靶標(biāo)上的覆蓋密度和均勻度，但霧滴飄移現(xiàn)象仍較嚴(yán)重。

1.2 塔式風(fēng)送噴霧機(jī)

塔式風(fēng)送噴霧機(jī)是在傳統(tǒng)圓盤式風(fēng)送噴霧機(jī)的基礎(chǔ)上增加導(dǎo)風(fēng)裝置，改變氣流的流向，噴頭在風(fēng)機(jī)兩側(cè)直列排布，外形類似塔狀。與傳統(tǒng)風(fēng)送噴霧機(jī)相比，塔式風(fēng)送噴霧機(jī)可以有效降低噴霧高度，減少霧滴流失及漂移。

塔式風(fēng)送噴霧機(jī)在作業(yè)時(shí)，為實(shí)現(xiàn)噴霧高度隨果樹高度變化的需求，徐莎等［8］設(shè)計(jì)了一種角度可調(diào)的牽引式塔式果園風(fēng)送噴霧機(jī)，改進(jìn)后的噴霧機(jī)噴霧效果良好，可以滿足噴霧高度可調(diào)的作業(yè)要求，噴霧效果得到有效提高。翟長遠(yuǎn)等［9］針對此機(jī)型風(fēng)向角度不能精準(zhǔn)控制的問題，對風(fēng)箱固定方式、傳動方案等結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，并建立霧滴沉積分布高度、噴霧寬度和風(fēng)箱角度之間的數(shù)學(xué)模型，試驗(yàn)結(jié)果顯示改進(jìn)后的噴霧高度實(shí)現(xiàn)了精確調(diào)節(jié)，有效提高了噴霧效果。

目前果園風(fēng)送式噴霧機(jī)仿形噴霧適應(yīng)性較差，樹堂內(nèi)霧滴覆蓋率低，且分布不均。宋雷潔等［10］針對此問題，對塔式風(fēng)送式噴霧機(jī)的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)、風(fēng)機(jī)風(fēng)速等因素進(jìn)行優(yōu)化，通過試驗(yàn)驗(yàn)證，風(fēng)機(jī)吹出的高速氣流在導(dǎo)向板的作用下，可均勻地導(dǎo)向至各出風(fēng)口，有效提高了不同高度果樹冠層的著藥覆蓋效率。

1.3 多導(dǎo)管式風(fēng)送噴霧機(jī)

多導(dǎo)管式噴霧機(jī)是通過離心風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣流，經(jīng)安裝有一個(gè)或一組噴頭的各個(gè)導(dǎo)管導(dǎo)向吹出，柔性導(dǎo)管的位置可根據(jù)冠層高度、形狀、密度等進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到定向仿形噴霧的目的。

為提高多導(dǎo)管式風(fēng)送噴霧機(jī)的仿形施藥作業(yè)效果，邱威等［11］針對不規(guī)則冠層霧滴沉積不均的情況，通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和導(dǎo)流板安裝位置，設(shè)計(jì)了一種多通道氣流仿形施藥方法，施藥角度可調(diào)，達(dá)到仿形施藥效果。為探究果園多通道風(fēng)送噴霧機(jī)的氣流分布規(guī)律，李昕昊等［12］對風(fēng)機(jī)內(nèi)部氣流場進(jìn)行模擬，并對風(fēng)機(jī)主體部分的氣流場分布特性進(jìn)行分析，并得出多通道風(fēng)送噴霧機(jī)最佳送作業(yè)參數(shù)。

上述對果樹冠層仿形施藥的控制多基于風(fēng)速調(diào)整或?qū)Ч芙孛娣e風(fēng)量調(diào)節(jié)，姜紅花等［13］基于單風(fēng)機(jī)多風(fēng)管噴霧機(jī)，提出一種基于果樹冠層特征實(shí)時(shí)調(diào)整風(fēng)量的噴霧技術(shù)，試驗(yàn)結(jié)果表明較自動對靶風(fēng)送噴霧，該技術(shù)的霧滴在冠層的沉積量提高了17.3%；相比于普通風(fēng)送噴霧，飄移量降低了69.9%，相比于自動對靶變量噴霧，飄移量降低了50.9%。

多導(dǎo)管式噴霧機(jī)能基于冠層分布特性實(shí)現(xiàn)仿形噴霧，但該機(jī)型一般體積較大，不適用于低矮密植型果園。

1.4 隧道式風(fēng)送噴霧機(jī)

針對籬架式果園植保作業(yè)過程中施藥工作效率低、農(nóng)藥流失和霧滴飄失嚴(yán)重的現(xiàn)象［14］，國內(nèi)外研究學(xué)者開始研發(fā)藥液可回收利用的隧道式噴霧機(jī)，隧道式循環(huán)噴霧機(jī)設(shè)有隧道型的罩蓋，噴霧作業(yè)過程將冠層置于近似的封閉環(huán)境內(nèi)，此作業(yè)方式可有效減少霧滴飄失節(jié)約農(nóng)藥資源，減輕環(huán)境污染。

目前隧道式循環(huán)噴霧機(jī)主要適用于果樹冠層高度較低的矮化果園，如籬架式葡萄園等［15］，朱松等［16］設(shè)計(jì)了一種隧道式霧滴回收施藥車，該裝置通過將作物置于一個(gè)半封閉空間，在風(fēng)送氣流的帶動下使霧滴撞擊作物冠層表面，從而提高霧滴沉積比例。氣流邊緣的霧滴隨機(jī)撞擊到封閉擋板后積累并回收再利用，使得風(fēng)送噴霧機(jī)農(nóng)藥使用率低大大提高，克服了農(nóng)藥流失及飄失的缺點(diǎn)。宋堅(jiān)利等［17］設(shè)計(jì)了針對籬壁式種植葡萄的“Π”型循環(huán)噴霧機(jī)，并對循環(huán)噴霧機(jī)的霧滴回收率與農(nóng)藥在冠層中沉積分布進(jìn)行測試分析，得出不同噴霧方式下的最佳藥液回收率及藥液沉積量。

1.5 不同風(fēng)送噴霧裝備對比分析

針對上述不同風(fēng)送噴霧裝備介紹，對我國幾種相關(guān)產(chǎn)品及技術(shù)參數(shù)分別介紹，如表1所示?？梢钥闯瞿壳皣鴥?nèi)風(fēng)送式噴霧裝備仍以中小型為主，多適用于行距株距基本一致的標(biāo)準(zhǔn)化果園。

2 施藥技術(shù)在風(fēng)送式噴霧裝備上的應(yīng)用研究進(jìn)展

2.1 靜電噴霧技術(shù)

國內(nèi)外對靜電噴霧技術(shù)研究起步較晚，我國從70年代末開始了靜電噴霧技術(shù)的研究，其原理是在電場力的作用下，帶電霧滴命中率及沉降速度可得到明顯提高，從而降低霧滴漂移，減少農(nóng)藥對環(huán)境的污染，實(shí)現(xiàn)節(jié)約資源及病蟲害防治的效果。目前靜電噴霧技術(shù)已成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)［18］。

研究表明靜電噴霧技術(shù)在果園風(fēng)送式噴霧機(jī)上的應(yīng)用，可減少農(nóng)藥損失30%以上。何雄奎等［2］結(jié)合靜電噴霧及紅外傳感探測技術(shù)，對傳統(tǒng)風(fēng)送式噴霧機(jī)改進(jìn)，研發(fā)了針對果園的自動對靶靜電噴霧機(jī)，試驗(yàn)表明該噴霧機(jī)可節(jié)省藥液50%～75%以上。周良富等［19］針對帶電霧滴荷電量快速衰退的問題，設(shè)計(jì)出雙氣流輔助系統(tǒng)與靜電噴霧系統(tǒng)相結(jié)合的果園噴霧機(jī)，試驗(yàn)結(jié)果表明，霧滴覆蓋密度比非靜電噴霧分別提高了20%和7.2%，農(nóng)藥霧滴難以沉積到葉片背面的問題得到改善。為闡明感應(yīng)電壓、風(fēng)機(jī)頻率、噴霧距離和噴霧壓力對霧滴覆蓋率的影響，周良富等［20］對各影響因子建立二次回歸模型，得出對葉面正反面覆蓋率的影響顯著性順序，為合理匹配風(fēng)送式靜電噴霧工作參數(shù)，提高霧滴覆蓋率提高了理論指導(dǎo)。

盡管利用靜電噴霧技術(shù)對提高霧滴附著率有顯著影響，但此技術(shù)仍存在電量消耗大、易漏電、工作性能不穩(wěn)定等問題，且風(fēng)送靜電噴霧受環(huán)境（溫濕度）、冠層特征和果樹修剪方式等影響較大，因此目前我國風(fēng)送式靜電噴霧技術(shù)仍處于研發(fā)階段。

2.2 循環(huán)噴霧技術(shù)

循環(huán)噴霧技術(shù)始于20世紀(jì)70年代，針對果園施藥過程中農(nóng)藥流失、飄失嚴(yán)重的現(xiàn)狀，研究學(xué)者就果園中流失農(nóng)藥開展了回收利用的研究［1416］。其工作原理是利用封閉裝置實(shí)現(xiàn)藥液回收、攔截并收集未附著的藥液，將其回收再利用［21］。為確定循環(huán)噴霧機(jī)的防漂性能，張京等［22］以傳統(tǒng)果園風(fēng)送噴霧機(jī)為對照，對宋堅(jiān)利設(shè)計(jì)的“Π”型循環(huán)噴霧機(jī)的防飄性能進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，在空中飄失和地面飄失的藥液中，“Π”型循環(huán)噴霧機(jī)比傳統(tǒng)果園風(fēng)送噴霧機(jī)分別減少了97.9%和99.3%。牛萌萌等［21］設(shè)計(jì)的高地隙隧道式循環(huán)噴霧機(jī)，增加控制系統(tǒng)，可對對噴霧量和藥液回收流量實(shí)時(shí)檢測，并在操作屏上實(shí)現(xiàn)控制和操作。試驗(yàn)表明該循環(huán)噴霧機(jī)可提高冠層正反面霧滴沉積量，并具有良好的回收循環(huán)效果。

我國對循環(huán)噴霧技術(shù)研究起步較晚，以上研究均基于噴桿式噴霧機(jī)，適用于低矮籬笆式各類果蔬園的施藥作業(yè)，針對果園的風(fēng)送式循環(huán)噴霧相關(guān)研究較少。邱威等［23］設(shè)計(jì)的環(huán)流式循環(huán)風(fēng)送噴霧機(jī)，改變傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)放置方式，將風(fēng)機(jī)頂置，通過改變氣流運(yùn)動方向，實(shí)現(xiàn)霧滴由外及內(nèi)、由下而上的運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)霧滴在果樹冠層內(nèi)的環(huán)流。試驗(yàn)結(jié)果表明霧滴沉積量得到有效提高，改善了傳統(tǒng)噴霧機(jī)氣流經(jīng)過冠層時(shí)霧滴穿透難、葉片正反面沉積分布不均等問題。

以上研究均表明循環(huán)噴霧技術(shù)可有效提高霧滴沉積，降低漂移，由于此技術(shù)僅適用于低矮的標(biāo)準(zhǔn)化果園［24］，目前尚未普及，但在節(jié)能增效方面未來仍有很大發(fā)展前景。

2.3 精準(zhǔn)施藥技術(shù)

傳統(tǒng)果園風(fēng)送噴霧機(jī)連續(xù)噴霧作業(yè)時(shí)，農(nóng)藥過度使用及無效附著問題嚴(yán)重，因此實(shí)現(xiàn)果樹的精準(zhǔn)對靶變量施藥技術(shù)是解決這一問題的有效途徑，研究表明精準(zhǔn)施藥技術(shù)至少可節(jié)省農(nóng)藥50%以上［25］，因此果園精準(zhǔn)變量噴霧成為廣大科研學(xué)者的研究熱點(diǎn)。

果園精準(zhǔn)施藥的有效輔助手段是傳感器探測技術(shù)，如基于紅外傳感器、超聲波傳感器、激光雷達(dá)傳感器、立體視覺等方法的探測技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用。何雄奎［26］應(yīng)用紅外傳感器探測噴霧靶標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了果樹的自動對靶噴霧功能；翟長遠(yuǎn)等［27］基于超聲波傳感器對果樹外形輪廓進(jìn)行探測，結(jié)果表明該方法探測精度較高。李秋潔等［28］基于激光雷達(dá)，對樹冠距離進(jìn)行分析計(jì)算，試驗(yàn)結(jié)果表明基于激光雷達(dá)的探測方法性能穩(wěn)定，在樹冠連續(xù)和不連續(xù)情況下均能實(shí)現(xiàn)樹冠體積在線測量。李龍龍等［29］以激光傳感器為探測源，基于冠層特點(diǎn)建立冠層分割模型，設(shè)計(jì)了一種可根據(jù)探測信息實(shí)現(xiàn)風(fēng)量、噴霧量可調(diào)的果園自動仿形噴霧機(jī)，噴霧試驗(yàn)表明該噴霧機(jī)可以滿足果園病蟲害防治要求。

2.4 變量施藥技術(shù)

變量施藥是在已有的噴霧機(jī)基礎(chǔ)上融合傳感器探測技術(shù)及變量噴霧技術(shù)，目前國內(nèi)科研人員已對變量施藥技術(shù)開展了大量研究。束義平［30］設(shè)計(jì)了一種基于激光傳感器的多通道變量噴霧機(jī)，開發(fā)的對靶噴霧控制系統(tǒng)利用激光傳感器實(shí)現(xiàn)離散化植株體積的精度計(jì)算并驗(yàn)證，最后根據(jù)果樹冠層實(shí)時(shí)體積實(shí)現(xiàn)噴霧調(diào)控方法。試驗(yàn)結(jié)果表明，該變量噴霧控制方法可精確地檢測樹干距離，冠層體積的計(jì)算相對誤差小于10%。董祥等［31］結(jié)合超聲波靶標(biāo)探測、多柔性出風(fēng)管風(fēng)送與風(fēng)送噴霧技術(shù)等核心施藥技術(shù)，設(shè)計(jì)了3WPZ-4型風(fēng)送式葡萄噴霧機(jī)，該噴霧機(jī)使用超聲波傳感器對地面位置、冠層高度、噴桿高度等信息采集并輸出到PLC控制系統(tǒng)，對噴霧流量、壓力、機(jī)架行走速度等參數(shù)采集處理，并通過各施藥執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制變量噴霧。試驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)精準(zhǔn)對靶系統(tǒng)精度高，噴霧量平均誤差2.90%，霧滴流失率為13.40%，飄移率為20.84%。

為實(shí)現(xiàn)對不同高度位置噴頭藥量進(jìn)行獨(dú)立調(diào)控，孫文峰等［32］基于變量施藥技術(shù)，設(shè)計(jì)的變量施藥控制系統(tǒng)，采用多傳感器對車速、流量、壓力等信息實(shí)時(shí)監(jiān)測，并將采集到的信息運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自學(xué)習(xí)能力修正PID參數(shù)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)控藥液回流量。試驗(yàn)結(jié)果表明該控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定，實(shí)際施藥量與理論值相差1.3%，實(shí)現(xiàn)了變量施藥的目的。

目前精準(zhǔn)變量施藥的相關(guān)試驗(yàn)研究均基于理想環(huán)境，由于田間作業(yè)復(fù)雜，果樹冠層參差不齊，交互重疊，精準(zhǔn)施藥技術(shù)仍處于理論研究階段，目標(biāo)探測可靠性、穩(wěn)定性等還有所欠缺，因此實(shí)現(xiàn)噴霧實(shí)時(shí)精準(zhǔn)調(diào)節(jié)仍是科研人員攻克的難題。

2.5 不同施藥技術(shù)對比分析

不同先進(jìn)施藥技術(shù)對比分析情況如表2所示。在風(fēng)送噴霧裝備基礎(chǔ)上融合先進(jìn)施藥技術(shù)，有效提高了霧滴穿透性及命中率，尤其在霧滴精準(zhǔn)對靶仿形變量施藥方面取得突破性進(jìn)展。智能化、精準(zhǔn)化仍是我國風(fēng)送噴霧裝備未來發(fā)展方向，但各先進(jìn)施藥技術(shù)的工作性能穩(wěn)定性、適應(yīng)性仍有待加強(qiáng)。

3 CFD仿真模擬技術(shù)應(yīng)用

采用CFD仿真模擬技術(shù)建立風(fēng)場、霧滴運(yùn)動模型，可不受外部環(huán)境（冠層特性、溫度、濕度、風(fēng)速等）的影響，可以有效節(jié)約試驗(yàn)成本及時(shí)間［33］。CFD仿真模擬技術(shù)，主要通過改變作業(yè)參數(shù)，模擬噴霧機(jī)在不同環(huán)境中的氣流場及霧滴沉積分布，觀察不同工況下風(fēng)場及霧滴運(yùn)動的運(yùn)動規(guī)律及趨勢，以調(diào)整作業(yè)參數(shù)適應(yīng)不同作業(yè)環(huán)境，為進(jìn)一步優(yōu)化風(fēng)送式噴霧機(jī)提供理論支撐與數(shù)據(jù)參考，達(dá)到最佳噴霧效果。目前國內(nèi)外學(xué)者已基于CFD的流體仿真軟件對風(fēng)送式噴霧的風(fēng)場及霧滴分布特性展開了大量研究。

3.1 風(fēng)場試驗(yàn)?zāi)M

近年來，研究學(xué)者進(jìn)行了大量的風(fēng)場建模方法研究，主要基于模型初始條件、模型選擇、計(jì)算域三方面研究。翟長遠(yuǎn)等［34］以果園常用的塔式風(fēng)送噴霧機(jī)為研究對象，基于CFD仿真模擬技術(shù)，通過設(shè)置邊界條件及作業(yè)參數(shù)，建立了噴霧機(jī)氣流場空間分布模型。陳發(fā)元等［35］利用CFD模擬技術(shù)對仿形風(fēng)送噴霧機(jī)的氣流場進(jìn)行三維模擬研究，并進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果表明不同出風(fēng)口位置的速度是影響風(fēng)場分布的首要因素，且不同出風(fēng)口的風(fēng)場會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。噴頭是風(fēng)送噴霧機(jī)中關(guān)鍵部件，在風(fēng)機(jī)動力轉(zhuǎn)換、改變風(fēng)場分布、提高霧滴穿透性等方面均發(fā)揮重要作用，基于此，楊風(fēng)波等［36］針對新型氣助式噴頭建立了氣流場CFD模型。呂曉蘭等［5］為探究果園風(fēng)送式噴霧機(jī)的上下導(dǎo)流板角度對三維風(fēng)場分布的影響，利用CFD模擬建立三維風(fēng)場模型。丁天航等［37］針對單風(fēng)道果園噴霧機(jī)兩側(cè)氣流場不對稱、施藥不均勻的情況，設(shè)計(jì)了雙風(fēng)道果園風(fēng)送試驗(yàn)臺，并利用CFD仿真模擬建立了單雙風(fēng)道的氣流場模型。

以上研究對風(fēng)送式噴霧機(jī)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供了數(shù)據(jù)參考，但在風(fēng)場建模試驗(yàn)中沒有考慮果樹冠層對風(fēng)場的影響，對此，國內(nèi)外部分研究學(xué)者開展了基于冠層的風(fēng)送噴霧機(jī)氣流場和霧滴分布模型［38］，為簡化計(jì)算過程，研究學(xué)者以多孔介質(zhì)代替果樹冠層。國外對果園風(fēng)送式噴霧機(jī)多孔介質(zhì)數(shù)值模擬方面研究較多，國內(nèi)相關(guān)研究報(bào)導(dǎo)較少。張豪等［39］利用多孔介質(zhì)模型代替果樹冠層，構(gòu)建虛擬果園模型，建立了果樹在不同生長階段、不同風(fēng)速等噴霧作業(yè)參數(shù)下氣流場分布模型，如圖1所示，并研究其氣流場分布規(guī)律，為果樹施藥的對靶噴霧自適應(yīng)控制技術(shù)提供了參考。

3.2 霧滴沉積分布試驗(yàn)?zāi)M

霧滴在作物冠層內(nèi)的有效沉積是決定施藥質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，近年來許多學(xué)者基于CFD仿真模擬技術(shù)對霧滴沉積分布特性進(jìn)行了大量研究。祁力鈞等［40］基于果園風(fēng)送式噴霧機(jī)建立了霧滴分布模型，研究霧滴沉積分布規(guī)律特性，仿真結(jié)果表明基于CFD的霧滴沉積分布趨勢及沉積量與霧場分布試驗(yàn)吻合度高。李杰等［41］為研究噴頭距離及送風(fēng)角度對霧滴沉積的影響，建立霧滴沉積分布模型，結(jié)果表明送風(fēng)角度對霧滴飄失影響隨著噴頭距離的增大而逐漸增大。孫國祥等［42］探究了不同施藥高度和風(fēng)速對霧滴沉積分布的影響，結(jié)果顯示霧滴的沉積量與噴霧高度和風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)。王梅香等［43］基于離散相模型對氣流速度與噴施角度對霧滴沉積分布的影響進(jìn)一步驗(yàn)證，結(jié)果表明設(shè)置合理的噴施角度可有效減少風(fēng)速對霧滴漂移的影響。王景旭等［44］研究了靶標(biāo)對霧滴運(yùn)動及噴霧角度的影響關(guān)系，如圖2所示，模擬結(jié)果表明氣流速度與霧滴粒徑是霧滴附著靶標(biāo)的關(guān)鍵因素，噴霧速度越高，農(nóng)藥霧滴的沉積率越低。

CFD仿真模擬技術(shù)作為風(fēng)場及霧滴分析的輔助手段，已被科研人員廣泛應(yīng)用。但目前大多集中于噴霧機(jī)靜止時(shí)的簡單風(fēng)場與霧滴在簡單冠層環(huán)境內(nèi)的研究，瞬態(tài)條件下由于噴霧機(jī)移動導(dǎo)致的出風(fēng)口位移出現(xiàn)引起較大的風(fēng)場變化，霧滴在氣流場帶動下在果樹冠層的繞流與穿透等問題，使得風(fēng)場及霧滴分布建模方法有待完善。

4 存在問題與不足

風(fēng)送式噴霧機(jī)通過風(fēng)機(jī)產(chǎn)生強(qiáng)大的氣流，利用導(dǎo)向裝置將霧滴輸送至果樹冠層，具有噴霧質(zhì)量好、勞動強(qiáng)度低等優(yōu)點(diǎn)，在科研人員的不斷努力下，我國的風(fēng)送噴霧裝備及技術(shù)均取得了長足進(jìn)步，但仍存在一些問題。

1）? 農(nóng)機(jī)農(nóng)藝結(jié)合較差。我國地形復(fù)雜，且種植模式多樣，尚沒有制定相關(guān)的果樹種植標(biāo)準(zhǔn)，很難實(shí)現(xiàn)果園風(fēng)送噴霧機(jī)通用性。如部分果農(nóng)通過增加種植密度、減少株距、行距的形式盲目追求果實(shí)產(chǎn)量，但此種植模式不適宜大面積推廣及機(jī)械化的應(yīng)用。另外受丘陵山區(qū)地形及地塊面積的影響，農(nóng)機(jī)適應(yīng)性差。

2）? 機(jī)型老舊。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2022年我國果園種植面積達(dá)12 266khm2，主要集中于廣西、陜西等丘陵地帶。為控制投入成本，小型、舊式風(fēng)送噴霧裝備仍受部分果農(nóng)青睞。且其作業(yè)方式單一，大部分為連續(xù)噴霧作業(yè)方式，藥液利用率極低，并且危害操作人員的健康。部分果園使用了比較先進(jìn)的風(fēng)送式噴霧機(jī)，但由于絕大多數(shù)人員沒有考慮因噴霧機(jī)風(fēng)場存在的漂移問題，仍存在藥液浪費(fèi)現(xiàn)象。

3）? 先進(jìn)施藥技術(shù)尚不成熟。風(fēng)送式噴霧機(jī)是目前噴霧裝備的主流，但由于靜電噴霧技術(shù)、循環(huán)噴霧技術(shù)、多傳感器融合技術(shù)等應(yīng)用到風(fēng)送式噴霧機(jī)的技術(shù)研究尚不成熟，施藥技術(shù)與果樹冠層的交互耦合機(jī)理尚不明晰，提高風(fēng)送噴霧均勻度，減少霧滴飄失、藥液流失等仍是研究的關(guān)鍵。

4）? 基于CFD仿真模擬的建模技術(shù)不夠成熟，離實(shí)用化和產(chǎn)品化仍有較大的差距，對風(fēng)送噴霧霧流在果樹冠層的繞流與穿透研究的CFD模型研究較少，還需要深入探究、完善成熟的建模方法。

5 展望

我國作為水果生產(chǎn)大國，果園種植面積達(dá)12266khm2，果園植保機(jī)械應(yīng)用前景廣泛。果園風(fēng)送式噴霧機(jī)作為果園植保機(jī)械主流，傳統(tǒng)的果園噴霧裝備已滿足不了林果業(yè)發(fā)展的需要，針對現(xiàn)階段果園風(fēng)送式噴霧機(jī)研發(fā)基礎(chǔ)及現(xiàn)狀，提出未來果園風(fēng)送式噴霧機(jī)研發(fā)重點(diǎn)及發(fā)展建議。

1）? 農(nóng)機(jī)農(nóng)藝有機(jī)結(jié)合，深化推進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化果園建設(shè)。我國尚處于標(biāo)準(zhǔn)化建園的起步階段，平原地區(qū)鼓勵(lì)土地承包制，將小地塊果園實(shí)形集中化、標(biāo)準(zhǔn)化管理，果樹種植模式實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一化、宜機(jī)化管理；丘陵山地，進(jìn)行宜機(jī)化改造，深化推進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化建園模式，為實(shí)現(xiàn)機(jī)具通用性、提高適應(yīng)性提供作業(yè)條件。

2）? 通過建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化示范園區(qū)，示范推廣可靠性強(qiáng)、噴霧作業(yè)效果好的噴霧機(jī)型。同時(shí)完善農(nóng)機(jī)具報(bào)廢制度，通過增加農(nóng)機(jī)具報(bào)廢補(bǔ)貼及擴(kuò)大農(nóng)機(jī)具報(bào)廢補(bǔ)貼范圍的方式鼓勵(lì)農(nóng)戶及合作社及時(shí)對新機(jī)型更新?lián)Q代，以提高農(nóng)機(jī)具作業(yè)效果。

3）? 先進(jìn)的施藥技術(shù)與植保機(jī)械有機(jī)高效融合，在現(xiàn)有施藥裝備研發(fā)基礎(chǔ)上，重視理論研究，重點(diǎn)解決以靜電噴霧技術(shù)、循環(huán)噴霧技術(shù)、在線混藥技術(shù)等的痛點(diǎn)難點(diǎn)問題，基于果樹冠層密度分布特征，提高靶標(biāo)精準(zhǔn)變量仿形施藥精度，實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥的低噴量、精噴灑、少污染、高工效，實(shí)現(xiàn)新技術(shù)、新機(jī)型推廣示范。

4）? 不斷完善CFD仿真計(jì)算模型，提高基于CFD仿真模擬技術(shù)對復(fù)雜作業(yè)環(huán)境的通用性及適用性。

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科技進(jìn)步，人們對生態(tài)環(huán)境安全和健康環(huán)保理念更加重視，風(fēng)送噴霧裝備將逐步向大型化、智能化、精準(zhǔn)化、節(jié)約化、高效化方向發(fā)展，施藥技術(shù)更加完善，為解放勞動力、實(shí)現(xiàn)無人農(nóng)場提供基礎(chǔ)。

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