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浅谈防风式枸杞植保机研制和试验情况

2020-05-25 249 上传者：管理员

摘要：针对目前枸杞植保作业中存在飘移严重、喷雾质量差、作业效率低等问题,设计了一款枸杞专用植保机,采用防风翼、智能喷雾控制系统、风送辅助系统、调节机构及大容量药箱等解决枸杞植保中存在的问题。试验结果表明:机器防风性能、喷雾质量、作业效率都符合设计要求,具有一定的推广价值。

关键词：
升降伸缩
性能试验
智能喷雾
防风植保机
飘移
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枸杞是宁夏优势特色产业,目前宁夏全区枸杞种植面积已达6.67万hm2左右。随着面积的增加,枸杞病虫害的防治显得愈加重要。目前,枸杞植保机没有较好的专用植保机械,普遍采用通用园林机械,大喷量水淋式喷雾作业,导致出现飘移严重、喷雾质量差及作业效率低等问题。

随着枸杞产业的发展,一些科研院所及企业已研发了几款枸杞植保机,如中宁杞乡公司王自贵设计了悬臂式枸杞喷药机及宁夏大学设计了定向风送式枸杞喷雾机;但所设计的植保机都存在飘移严重及喷雾质量差等问题。

为此,针对枸杞植保中存在的问题,设计了一款枸杞专用的植保机。该植保机利用防风翼及风送风幕降低了喷雾飘移影响,采用风送技术、升降伸缩调节机构和智能喷雾控制系统,提高了喷雾质量;采用大容量药液箱,提高了作业效率。

1、整机结构与工作原理

1.1整机的结构与技术参数

防风式枸杞植保机结构如图1所示[1]。其主要技术参数为:配套动力25.7kW;液泵流量50～100L/min;风机转速2900r/min;风机风量9080m3/h;工作幅宽6m;工作速度4～5km/h;药箱容积2000L;混药方式为回水搅拌;额定喷雾压力0.4MPa;作业效率1～1.3hm2/h。

图1防风式枸杞植保机结构示意图

1.2工作原理

防风式枸杞植保机采用牵引作业,同时作业两行,由拖拉机动力输出轴带动液泵工作,液泵另一端作为动力输出,通过皮带传动带动风机工作。液泵将药液加压后一部分通过搅拌阀分流回药箱,实现泄压及搅拌;另一部分通过喷雾控制单元分流至喷头,雾化后喷出,配合风机达到高质量喷雾的效果。

喷头采用立体布置,骑跨在植株上,其空间位置可通过升降机构依据树冠大小调整;采用防风翼及风送风幕,降低自然风对雾滴飘移的影响;使用大容积药液箱,减少加药次数,提高了工作效率。

2、关键零部件的设计

2.1防风翼的设计

防风翼需要兼顾折叠功能,采用液压缸配合拉链进行折叠,采用两片防风翼和一片连接板用合页进行连接,折叠机构的所有零件都固定到升降机构上。在防风翼及连接板的表面安装上亚克力板,使折叠机构具有防风能力。防风翼结构如图2所示。

图2防风折叠翼三维图

2.2风送系统的设计

机构风送系统主要包括风机、风送管、气流分配器和出风管。风送系统主要是对风机进行计算选型,并利用FLUENT软件模拟分析形成的气流场。风送系统的组成如图3所示。

图3风送系统三维示意图

2.2.1风机的选型

1)风量的确定。

根据风量置换原则,这风量为图4中所示abcdefgh立方体体积,风量需大于图中2倍立方体的体积(植保机同时作业两行)[2],按照式(1)计算风量,即

Q≥2KHLV(1)

式中Q—风量(m3/h);

H—喷雾高度(m),取H=0.8;

L—喷雾宽度(m),取L=1.2;

V—前进速度(m/s),取V=1.1;

K—风量损失系数,取K=1.1～1.5。

经计算,所需风量Q=2.32m3/s。

图4风量置换图

2)风压的确定。

风压的损失主要是静压损失(内壁摩擦力损失Pm、局部压力损失Pj)和风机出风口动能损失Pd。

总压为

式中ρ一密度(kg/m3),取ρ=1.19;

v一风速(m/s),取v=25(出风口最大风速);

λ一摩擦因数,取λ=0.1;

R一管道半径(m),取0.08、0.0375;

L一输风管的长度(m),半径0.08m风管取3m,半径0.0375m,风管取6m;

ξ—局部阻力系数,取ξ=0.3。

经计算,总压P=1180.8Pa。

3)功率的确定。

根据风机的功率计算公式,可得

2.2.2风送流场仿真模拟

风送系统还需满足“末速度原则”。枸杞植株需满足8～10m/s的末速度要求[2]。应用Fluent软件,对风送流场进行仿真模拟。图5为速度云图。从图5中可以看出:出风口风速为20m/s时,到达植株时的速度基本满足8～10m/s的要求,且对应风量为1.14m3/s,同时满足末速度原则及风量置换原则。

图5速度云图

2.3智能喷雾系统

智能喷雾系统原理图如图6所示。喷雾工作流程为:启动拖拉机后动力输出轴,进行动力传输使药液泵正常工作,设置喷雾控制器。喷雾控制系统实时对车速、流量、压力进行采集,通过程序计算控制电磁阀,达到控制流量的目的。

图6防风式枸杞植保机喷雾系统示意图

2.4液压系统

液压系统主要由液压油箱、过滤器、液压泵、溢流阀、升降控制阀、升降油缸、双液控单向阀、折叠油缸、分集流同步阀,以及折叠控制阀等组成。液压系统控制升降机构及折叠机构按作业需求运动,保证植保作业时喷头可以随时调整至最佳喷雾距离,以及植保机运输时方便运输。

3、田间试验

3.1喷雾量测定

采用清水试验,调整喷雾压力分别为0.3、0.4、0.5MPa喷雾。利用塑料袋收集每个喷头的液体,测定时间为30s,用量筒测出各样品的体积并记录,试验次数10次。测试结果表1所示。

表1不同压力下喷嘴喷雾量

从试验数据中可以看出:不同压力下,喷嘴喷雾量的变异系数都比较小,说明喷雾系统设计较合理;喷雾压力0.4MPa时,喷雾量较均匀,且0.4MPa、拖拉机1.1m/s时的流量正好符合枸杞所需的施用量。因此,确定0.4MPa进行喷雾,可以达到机器喷头喷量的最佳状态。

3.2防风性能试验

在枸杞植保作业中,将自然风归类为与枸杞行垂直的横向风和与枸杞行同向的纵向风。植保施药领域提出了关于飘移的量化评价指标,即飘移质量中心距和飘移率[3]。

3.2.1横向侧风飘移试验

1)无防风翼的工况下。

以防风式枸杞植保机喷雾风送装置为基础,添加了集液装置,设计了横向侧风雾滴飘移影响实验台,如图7所示。

图7横向侧风飘移影响实验台

调节横向侧风风机,设定风速分别为0、1、3、5、7m/s,每种工况下喷雾持续1min,等待30s待集雾槽内液体流净,用量筒依次对烧杯内液体进行称量,每组试验重复进行3次。

2)有防风翼的工况下。

在无防风翼试验的基础上添加透明亚克力板,形成相对封闭的防风翼走廊,进行横向侧风的影响试验。试样方案与无防风翼试验一样,形成对比数据,试验结果如图8所示。

由图8可知:有防风翼的情况下,雾滴飘移率及质量中心距随着横向侧风风速的增加几乎不受影响,变化曲线趋于水平;在无防风翼的情况下,雾滴的飘移率及质量中心距随横向侧风风速的增大而逐渐增大,侧风对雾滴飘移及质量中心距有显著影响;防风翼的使用显著降低了雾滴的飘移率及质量中心距,采用防风翼防止横向侧风完全可行。

3.2.2纵向侧风飘移试验

在有防风翼横向侧风飘移测试平台的基础上,旋转集雾板及侧风风机,并添加风送装置,两侧风送出风管紧贴喷头布置。根据表2试验变量安排试验,试验步骤与横向侧风飘移试验相同。走廊中间位置悬挂80mm×75mm的波浪形集雾板,模拟枸杞植株。试验台如图9所示。不同纵向侧风和风送风速作用下雾滴飘移率、质量中心距的变化规律如图10所示。

图8无风送作用有无防风翼时雾滴飘移率及质量中心距的变化规律

表2试验变量

图9纵向侧风对雾滴飘移影响试验平台

图10不同纵向侧风和风送风速作用下雾滴飘移率、质量中心距的变化规律

从图10(a)中可以发现:在同一纵向侧风风速条件时,雾滴的飘移率随辅助风送风速的增大基本均呈先快速减小后然后缓慢增加的趋势,说明辅助风送风速并不是越大越好。

从图10(b)中可看出:同一风送条件下,纵向侧风越大,雾滴的质量中心距也越大;在同一纵向侧风风速下,雾滴的飘移质量中心距随辅助风送风速的增大逐渐减小。

综上所述,纵向侧风对雾滴飘移影响较大,风送风幕可以降低雾滴的飘移率及质量中心距,即采用风送系统防止纵向侧风完全可行。

3.3雾滴沉积量测定

选择树龄为4年的枸杞树,追踪剂选用0.01%的甲基紫溶液,将树冠分为上、中、下进行2组试验,每组由12个点组成,每个点用回形针将6cm×4cm的滤纸夹固在树枝上。以1.1m/s速度行走,分别进行有风送、无风送作业,喷药完成后,收集滤纸,且标记好,用分光光度计测定追踪剂浓度并记录沉积量[4]。沉积量测定结果如表3所示。

表3雾滴沉积量的测定

从沉积量测定结果可以看出:有风送时沉积量比无风时提高了34.4%,变异系数降低了35.3%,辅助作用明显。

3.4药液附着性能试验

选择清水做试验溶液,随机选择10棵树,并将树冠分为上、中、下3层,每棵树每层为1点,使用回形针将水敏纸固定在每个点叶片的正、反面,进行风送喷雾;试验结束后,收集水敏纸,通过imagej软件测算水敏纸的附着面积[5],计算出雾滴附着率,如表4所示。

表4雾滴附着率

根据计算,叶面雾滴附着率为62.5%,叶背雾滴附着率47.5%,满足《NY/T992-2006风送式果园喷雾机作业质量》要求的不小于33%[6],表明本样机药液附着性能良好。

4、结论

1)通过试验、计算及软件辅助分析设计等方法,完成了防风式枸杞植保机的设计及样机制作。防风式枸杞植保机具有防风、喷雾量可控、喷雾性能合格稳定及作业效率高等特点。

2)为了减少自然风对雾滴的飘移影响,设计了防止横向侧风的防风翼及防止纵向侧风的风送系统。

3)为了提高喷雾质量,设计了自动喷雾控制系统、风送系统,采用了升降及伸缩机构。

4)对防风式枸杞植保机进行了性能测试。测试结果表明:防风翼及风送风幕的使用具有明显的防风作用,有风送时比无风送时沉积量提高了34.4%,变异系数降低了35.3%;叶面药液附着率为62.5%,叶背药液附着率47.5%,满足行业要求。

参考文献: