引言

目前,我国的果园种植面积和总产量已经位居世界第一,2016年果园种植面积已达到0.13亿hm2,且化学农药是最常用的病虫害防治方法[1,2,3]。日本保护协会研究表明,停止使用化学农药将造成果树产量66%～90%的损失[4,5],而每年果树的施药次数达到8～15次,大大增加了果园管理的劳动强度[6]。果园风送喷雾技术作为联合国粮农组织极力推荐的一种施药技术,已经渐渐成为果园病虫害防治应用最广泛的技术[7,8]。

随着信息化技术的发展,果园风送喷雾也正朝着智能化和精准化方向发展。大量国内外高校、科研院所和企业正在开展果园风送喷雾技术的研究,一系列相关的产品渐渐走向市场。目前,多数研究和装备只是根据果树特征信息对施药量进行变量控制,针对果园风送喷雾风送风力调控的研究相对较少,严重制约着果园风送技术的发展。为此,通过综述国内外果园风送喷雾风力调控方法研究现状,分析存在的问题,提出了风力调控方法与装备的未来发展方向。

1、果园风送喷雾风机

果园风送喷雾风机作为果园风送喷雾的关键部件,对喷雾性能的好坏有着重要影响。随着果园种植模式呈多样化发展,出现了不同类型的果园风送喷雾风机。目前,用于果园风送喷雾的风机主要分为轴流式风机、横流式风机和离心式风机[9,10,11,12,13],如图1所示。表1对比了三种风机的优缺点。

图1果园风送喷雾机风机类型

表1果园风送喷雾机风机优缺点对比

在进行果园风送喷雾机风机选择时,在要求风机的体积尽量小的情况下应保证风机出风口风速和较大风量,这有利于药液的雾化和雾滴进入果树冠层内部[14]。同时,风量的计算应遵循两个原则[15]:①置换原则,果园风送喷雾机风机产生的气流,应能完全置换果树冠层作业空间中所包容的全部空气;②末速度原则,喷雾机气流贯穿果树冠层的末速度不能低于某一数值,也不能过高,应选择气流末速度使喷雾冠层出口处的气流能够持续翻转树叶以使药液在叶片正反面均匀沉积且沉积量近似。

风机产生的气流经过不同类型的气流通道到达果树冠层会产生不同喷雾效果,不同的果树类型对气流大小要求不同。喷药过程中,如果气流不足将导致雾滴无法贯入果树冠层,气流过大将导致雾滴透过冠层产生严重漂移。图2是根据果树种植模式设计的几种气流管道。其中,环形和塔型气流管道比较常用[11]。未来随着果树种植模式的多样化,特别是我国的果园,研发通用性好的气流通道将成为趋势。

图2果园风送喷雾机不同类型的气流通道

2、风力对喷雾效果的影响

风向、风速和风量是果园风送喷雾系统风力三要素。喷药过程中,风力对果树冠层内外沉积分布具有重要影响。Salcedo等用人造果树模拟真实喷药作业场景,对轴流风机在静态和动态喷药作业下气流进入冠层前和经过冠层后的风速和风量变化进行了研究,发现轴流风机两侧风速存在明显不对称性,会增大湍流强度,严重影响药液的沉积和漂移[16]。Balsari等研究了风速对果园风送喷雾雾滴尺寸和均匀性的影响,发现风速对雾滴尺寸和均匀性具有重要影响[17]。姜红花等设计了履带自走式果园自动对靶风送喷雾机,对比了有无风送系统对药液沉积的影响,发现有风送时雾滴沉积量比无风送时提高了34.57%[18]。

不同的果树类型对风速风量需求不同,为了探寻风速和风量的变化对喷雾效果的影响。国内外学者结合自行设计的基于风机转速、风箱出风口面积、风箱进风口面积、导流板倾斜角度和风箱位置调控的装置开展了试验研究。Qiu等设计了一种风机转速可调的果园风送喷雾机,针对梨树开展了风机转速对喷雾沉积和漂移影响的研究,结果表明:风机转速严重影响风机的风速和风量,不同类型的果树冠层对风速和风量需求不同,为保证最佳的药液沉积和漂移,必须对风机风速和风量进行调节[19]。何雄奎等通过改变风机风速对果园风送喷雾机雾滴在果树上的沉积分布进行了研究,发现喷雾雾滴在果树冠层内的穿透性和沉积量与风速变化呈正相关[20]。Landers设计了一种可调节出风口风速和风量的机构,开展了苹果园试验,发现风速和风量的调节可提高30%的药液沉积和减少75%药液漂移[21,22]。Khot等为研究风速风量对喷雾效果的影响,设计了一种精准喷雾标定试验台,如图3所示。同时,通过调节出风口大小和喷头倾斜角度对果园风送喷雾机喷雾分布和风速变化情况进行了研究,发现风速和风量的调节会影响喷雾效果,轴流风机左右两侧风量不对称,可通过改变喷头倾角和出风口大小去克服[23]。

Palleja等模拟真实叶子的摆动设计了一种电叶传感器,通过改变喷雾速度和风机出风口大小对果树冠层内的气流分布进行了研究,发现风机出风口大小、果树冠层稠密度与风机产生的气流具有一定相关性,可为后续进行果树冠层气流分布的研究提供参考[24]。Pai等通过改变导流板倾斜角度实现风速风量调节,在柑橘冠层上、中和下放置风速传感器和水敏纸对风速和风量分布情况进行了研究,发现随着车速和树叶密度的提高,气流穿透性减低,雾滴越小越容易受提高的喷雾气流的影响[25]。吕晓兰等通过改变风送喷雾机上下倒流板角度对湍流状态、空间稳态流场和气流场空间分布的影响进行了研究,得出导流板角度应根据果树树干和树冠高度进行调整,使风场的分布与果树冠层吻合,达到最佳喷雾效果[26]。邱威等设计了一种多通道果园风送喷雾机,通过改变每个通道出风口位置实现风力调节并开展了果园试验,发现调节出风口角度使冠层叶片正、反面平均覆盖率提高了13.52%和29.17%,雾滴沉积均匀度提高了38.11%和43.90%[27]。Pergher设计了一种用于评价果园风送喷雾机雾滴分布情况的试验台,如图4所示。同时,通过改变喷雾机喷嘴倾斜角度对喷雾分布进行了研究,发现不同时期的果树对风力需求不同,喷药作业前,可通过对喷嘴倾斜角度进行标定找到最佳风力供给,进而提高药液沉积和减少药液漂移[28]。孙诚达等对风送喷雾雾滴冠层穿透模型进行了研究,构建了雾滴穿透比例二次指数数学模型,发现雾滴穿透比随叶密度增加而减小,随喷雾机出口风速的增加而增加[29]。

图3精准喷雾标定试验台

图4Lamellate喷雾试验台

由上述国内外学者的研究可以看出:果园风送喷雾机风机产生的风力对果园喷雾药液沉积和漂移具有重要影响,最佳的风力供给不仅可以提高药液沉积,且可以减少药液漂移。果园风送喷雾常用的轴流风机两侧风速风量的分布存在不对称性,会使两侧果树产生不同的喷雾效果,不利于药液的最佳利用,需要采用能实现风速和风量独立调控的方法去克服。同时,风速和风量与果树冠层枝叶稠密度等特征信息存在相关性,可以通过试验建立风速风量与果树冠层信息之间的关系模型,进而为风力调控方法的研究提供理论基础。

3、风送喷雾风力调控方法与装备

在进行风力调控时,需要风速、风量和风向这三要素独立或联合调控。风速和风量的调控主要靠改变风机转速、风箱出风口面积、风箱进风口面积和改变风机叶片倾角实现,风向的调控主要靠导流板倾斜角度和风箱旋转角度实现。翟长远等分析了风机转速、出风口面积和进风口面积在独立进行风速和风量调控时的相互关系[6],但RyszardHolownicki等发现风机叶片倾角改变对风速和风量的变化也呈现一定的比例关系[30]。风速风量调控方法及相互关系如表2所示。

表2风速风量调控方法及相互关系

3.1风速风量调控

随着果园风送喷雾技术朝着智能化和精准化方向发展,风力调控方法与装备正在引起国内外研究者的广泛关注。GrzegorzDoruchowski等提出了一种作物自适应系统(CASA),可以根据作物冠层信息、周围环境、果树病虫害和风速风量需求进行精准变量喷药,如图5所示[31,32]。该系统采用一种新型结构实现风速风量调节,进风口采用一种可快速收缩的快门结构,能实现进风口面积0～100%开度范围调节;在出风口设置了导流板,电动推杆带动导流板摆动实现出风口风量分布调节;在风速风量调控过程中,为防止导流板完全位于一侧导致另一侧风速急速增大的问题,采用了进风口和出风口联合调节。

图5搭载CASA系统的果园喷药机

Khot等设计了一种通过调节出风口面积实现风速风量调节的机构,如图6所示[23,33]。该结构在风机圆筒外侧添加了一层圆筒,通过控制3个电动推杆的伸缩实现外侧圆筒的移动,进而控制环形气流通道出风口面积的调节,实现了出风口风速和风量的调节。

图6基于出风口面积变化调控风送气流风速风量

AndrewLanders基于红外对靶技术开发了一种可根据果树轮廓信息进行风速和风量调控的喷雾机[22],如图7所示。其出风口采用一种新型的百叶窗结构,通过控制电动推杆伸缩控制百叶窗开度实现出风口面积调节,进而实现出风口风速和风量调节。

RyszardHolownicki等设计了一种可变风量的辅助(VAA)系统,如图8所示[30]。该系统采用一种叶片倾角可调的结构改变风速风量大小,通过控制与叶片倾角相连的液压动力机构实现风机叶片倾角的连续调节,进而不断改变气流方向实现风机出风口处风速和风量的调节。同时,采用人工果树模拟真实果树,与传统常用的风力调节装置进行了对比试验,通过比较几种结构的风速风量分布情况,得出VAA系统不仅可以实现风速风量的连续调节,降低了大量能耗。

图7出风口风速风量可调的红外对靶喷雾机

图8VAA系统

邱威等设计了3WZ-700型自走式果园风送定向喷雾机[27,34],通过风速自动调控和静液压传动装置可实现风机转速在0～2000r/min范围内的无级调速。同时,通过在风箱内部放置导风板和调风板实现风箱内部和出口处气流方向的调节[35]。李龙龙等基于激光雷达传感器设计了一种基于风量和药量可控的果园自动仿形喷雾机,如图9所示[36]。该机根据激光雷达探测的果树冠层信息计算出所需风量和药量,通过控制电动风机转速和电磁阀PWM占空比分别实现风量和药量的调控。

图9风速风量可调的自动仿形喷雾机

徐莎等设计了一种喷雾高度可调的果园风送喷雾机,对不同喷雾角度、风机转速、喷雾距离和喷雾压力条件下的喷雾沉积量分布进行了分析,获取了果园风送喷药机在特定条件下的最佳施药高度[37]。翟长远等在此基础上对其进行了改进,改进后的果园风送喷雾机如图10所示[38]。该机可实现对喷雾高度精确调节,并通过喷雾沉积分布试验及数学方程拟合建立了沉积分布重心高度、喷雾宽度和风箱角度之间的数学模型,并采用改变风机转速、风箱进风口和出风口面积的方式设计了风力调控装置和喷雾机[39,40,41]。

图10喷雾高度可调的果园风送喷雾机

3.2风向调控

不同类型果树的种植模式存在差异,为提高风力调控装备的适用性,一些学者通过仿形进行了果园喷雾机的优化设计,通过改变出风口风向实现对风力调控。Pai等提出了一种根据树叶密度变化进行果园风送喷雾机风速风量调节的方法,通过改变导流板倾斜角度改变出风口气流方向实现风速风量调节[25]。邱威等针对果树不规则冠层特征信息提出了一种基于角度调节的多通道气流仿形施药策略,可根据果树冠层特征实现对每个气流通道的风箱出风口角度的调节,进而实现进入果树冠层内部风速和风量的调控,如图11所示[27]。

图11果园履带式多通道风送喷雾机

Osterman等设计了一种基于二维激光雷达的可变外形尺寸的果园风送喷雾机,如图12所示[42]。该装置可根据二维激光雷达获取的果树冠层信息实时调节喷雾机喷臂的位置,进而调节风箱出风口位置,实现风速和风量的调节。

图12可变外形尺寸的果园风送喷雾机

周良富等针对篱笆型果树冠层,设计了一种组合圆盘式果园风送喷雾机,如图13所示[43]。该机可以根据果树外形轮廓调节喷雾位置和风机转速,实现风速风量的调控。

图13组合圆盘式果园风送喷雾机

3.3商业化的风力调控装备

意大利NOBILI公司研发了一种带有流动空气伸缩管通道的果园风送喷雾机,如图14所示。该机装载有ADAPTIVE冠层校对系统,不仅可以实现基于超声波传感器对植物活力监测,还可以根据果树冠层信息对空气和混合物进行连续、自动调节。

图14NOBILI公司果园风送喷雾机

西班牙PULVERIZADORESFEDE公司研发了一种鼓风未来H3O型牵引式果园风送喷雾机,具有自动调节风量的功能,可采用自行开发的专用软件根据目标作物的改变调节风机叶片倾角,实现对喷雾机气流的实时调节;同时,可对数据进行处理,实现操作的可追溯性。意大利CAFFINI公司生产的搭载A.C.T系统的果园风送喷雾机,不仅可以根据果树种类对气动式喷雾器进行快速更换,还可以根据果树种类优化喷雾机性能,如图15所示。喷雾机单侧设有空气供应,可以从驾驶室对气流强度进行调节。

意大利Favaro公司采用2个单边对称风机,设计了一种风机倾斜角度可调的OVS型喷雾机,如图16所示。该喷雾机的气流速度和方向可根据果树冠层的特征信息实现动态调节,适用于不同种植模式的果园。

图15CAFFINI公司果园风送喷雾机

图16Favaro公司OVS型果园风送喷雾机

由上述国内外学者和企业的研究可以看出:风力调控装置大都为单一的调节机构,这些机构的机械结构和调控系统相对容易实现;但由于风速风量的调控存在相互耦合关系,这些机构无法实现风速或风量的独立控制,且结合果树冠层信息进行风力按需调控方法和装备的研究较少。

4、结论与展望

4.1结论

1)风机和气流通道类型对果园风送喷雾机性能具有重要影响,随着果园种植模式的多样化发展,研发通用性好且能耗低的风机和气流通道将成为未来发展趋势。

2)风力变化严重影响喷雾沉积和漂移,不同类型的果树对风速和风量的需求不同,在进行果园风送喷雾时,根据果树冠层特征信息进行风力按需调控对提高喷雾沉积效果和降低药液漂移具有重要作用。

3)目前,用于进行风力调控的方法主要集中在风机转速、出风口面积、进风口面积和风机叶片倾角单一控制方法的调节,无法实现风速或风量的独立控制。大多数研究还停留在理论研究阶段,结合果树冠层信息进行风力按需调控的装备较少,缺乏成熟产品的商业化应用。

4.2展望

1)随着果园风送喷雾药量调控方法和装备逐渐成熟和应用,果园风送喷雾风力调控方法和装备将成为未来研究的热点。针对风速和风量之间的耦合关系,开展风速和风量的去耦化调控方法将成为未来风力调控主要研究方向。

2)不同果树对风速风量的需求具有不同的组合特点,如体积小而枝叶稠密的冠层需要低风量高风速,体积大而枝叶稀疏的冠层需要高风量和低风速。这就要求必须能对风速和风量进行独立控制,开展2种或者多种方法组合的新的控制方法必将成为风力调控方法和装备的未来发展方向。

3)风机转速、出风口面积、进风口面积和风机叶片倾角对风速与风量调节比例关系具有不确定性,常规的去藕化调控方法难以实现。近年来,随着人工智能技术的发展,人工神经网络技术有望成为一种新的风速风量去耦化调控建模解决办法。

4)根据果树冠层特征信息进行风力按需调控对提高喷雾沉积效果和降低药液漂移具有重要作用,随着传感器技术的发展,根据果树冠层信息进行风速、风量和风向的在线调控也将成为今后学者研究的热点。

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基金:国家自然科学基金面上项目(31971775);陕西省科技厅创新能力支撑计划项目(2017KJXX-54);杨陵示范区科技计划项目(2018NY-27)