随着产业链条的不断拓展, 果树产业成为农村经济的重要支柱和农民收入的主要来源。病虫害防治(施药)是果树管理过程中必不可少的环节, 化学防治既是控制植物病、虫、草害的主要手段, 又是影响果品品质、安全和面源污染的重要因素^[1-3]。采用先进的施药技术, 实现机械化高效施药是防治病、虫、草害频发重发, 保障水果稳产增产和品质安全的有效措施^[4-7]。

风送式施药技术通过风力辅助增加雾滴进入冠层的能量, 提高冠层内雾滴沉积覆盖, 是当前果园药械与施药技术的研究重点^[8]。目前国内、外学者多采用轴向进风、径向出风的施药装置, 风送式方式多采用半圆周、漫射型出风, 但定向防飘效果不佳, 气流能量有效利用不足导致雾滴穿透不够, 加大风量又会引起较多的飘移^{[5, 9-15]}。

多通道射流出风模式已经引起关注, 其气流方向集中, 喷施高度可调, 可实现基于冠层特征的定向施药^[16-19], 具有漂移少和穿透性好的特点。但是由于多通道施药采用管道输风, 其气流内部流动阻力与外流场分布明显区别于传统风送方式, 射流出风模式下风机效率与受多通道气流作用下的气流汇聚及有效射流距离的变化规律目前尚未明确, 导致风机转速、喷施距离等参数选择存在盲目性, 难以实现低功率高效施药。本文结合果树冠层结构特征, 设计了一种果园多通道定向风送雾化装置, 分析了风送雾化装置气动性能与气流场分布的变化规律, 并通过与传统风送式喷雾机的对比试验考察其防漂移与穿透性能。

1 结构与原理 1.1 多通道定向风送雾化装置结构

多通道定向风送雾化装置主要由多通道定向风送系统、管阀系统、药泵、动力系统、角度调节组件等部件组成。采用轴向进风、多通道出风模式, 后盖弧形罩将气流分为8股高速气流并输送至出风口, 为气流定向输送和调整提供条件(图 1)。现代密植果园一般行距4~5 m, 株距2~3 m, 树高2.0~2.5 m, 胸径2~3 m, 最大胸径位置距地面高度1.0 m, 平均干高0.5 m。结合果园园艺情况和机具作业特点, 确定多通道定向风送雾化装置参数如表 1。

1.2 工作原理

作业时, 动力装置将动力传递至药泵, 药液通过输药管依次从药箱、药泵、阀门组, 最后到达喷头。同时, 动力装置驱动风机, 产生轴向气流并输送至后盖弧形罩, 再到各个风臂。后盖弧形罩采用合理的扩缩比和曲率半径以达到减阻低耗的目的, 风臂对称布置于风机两侧, 喷施前可根据冠层形状手动调节各出风口高度。同时, 每个出风口与机架为铰链连接, 角度调整范围为±25°。

2 关键部件及主要参数 2.1 多通道风臂组设计

多通道风臂组采用“非字型”结构, 每侧有4个风臂支撑横杆, 风臂与喷头集成在风臂支撑横杆上, 风臂支撑横杆通过铰链与风臂支架相连, 实现喷施高度与角度可调, 满足冠层不同高度对气量、流量的差异化需求。喷射式出风口的覆盖范围与出风口间距(L)、出风口位置(H_fs、H_fx)、喷射距离(S)、射流极角(θ)以及各出风口的倾斜角度等参数有关。其中, 出风口间距与位置为机具结构设计参数, 出风口倾斜角度属于在确定结构设计后的调整参数, 故先假设出风口倾斜角度为0°, 先确定L、H_fs、H_fx等值。结合现代密植果园树高等参数, 保证最高与最低位置出风口能覆盖冠层且中间无漏喷(图 2), 建立以下计算公式:

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:H_fs为最上方风口距地面高度(m); H_t为冠层高度(m); H_g为干高(m); S为出风口到冠层的距离(m); θ为射流极角, 即射流边界延长线的半顶角(°); H_fx为最下方风口距地面高度(m); L为出风口之间间距(m)。

结合现代果园园艺情况和喷雾作业要求, 各参数的取值为:S=1 m, H_t=1.8 m, H_g=0.5 m, 因为出风口为圆柱形管, 取θ=21°, 求得:H_fs=1.92 m, 0.76 m>L>0.35 m, H_fx=0.72 m。为了实现气、雾流的叠加效应, L取范围值得下限, 为0.4 m。

2.2 喷射式出风口设计

若要气流能有效进入树膛内部, 到达树体时风速要满足末速度原则^[20]。传统风送式施药多采用半圆周、漫射型出风, 气流出口为长条状且出口面积较大, 造成气流速度小且方向性欠佳^[5,21]。故选择喷射式出风模式, 并根据冠层高度在机具两侧各设置4个出风口, 喷头置于风阀外侧, 如图 3。

因出风口呈圆形且为自由淹没射流, 射流断面沿射程扩大(图 4), 轴线速度和射流断面上任意一点的速度满足下式:

(5)

(6)

式中:V_m为射流轴线上的流速(m·s^-1); V₀为出风口平均流速(m·s^-1); α为试验系数, 主要取决于出风口的结构、出风口速度分布的均匀性及出风口受扰动的程度; R₀为出风口半径(m); R₁为断面半径(m), R₁=Stanθ; V为射流断面上任一点M的速度(m·s^-1); r为射流轴线至某点径向距离(m)。

在多个出风口的作用下, 可以认为2股射流边界处为气流最小区域, 即当r=L-Stanθ时, 其风速V取得最小值。若最小风速满足不小于8 m·s^-1, 则射流断面任意一点的风速均大于8 m·s^-1。相关参数的取值范围为:V₀=22 m·s^-1, S=1.0 m, L=0.4 m, 因出风口为圆柱形管α=0.112 9。由式(5)与式(6)求出风口半径R₀不小于0.048 m, R₀取0.05 m, 并在出风口内设置直径0.09 m的风阀, 用于调节气流。

2.3 后盖弧形罩导流装置设计

为了实现“轴向进风、径向出风”, 且降低由于风臂与后盖板之间呈90°折弯所带来的局部损失, 设计一种新型后盖弧形罩结构。后盖弧形罩为环状, 截面为半圆弧, 在其—侧的开口侧壁上沿圆周设有8个碗状出风口, 每个碗装出风口各连接1个带有弯角的风臂, 再通过软管连接风送雾化装置出风口(图 5)。碗状风口为渐缩状, 会引起气流在风道速度突变; 风臂弯曲程度也会影响气流流动方向, 进而造成能量损失, 故重点讨论碗状风口与风臂曲率半径的取值。由于问题的复杂性和实际观测与试验的困难, 采用CFD仿真的手段来完成参数的比较分析。由CFD仿真可知:当碗状风口曲率半径为80 mm时, 出口平均风速与轴向风速均达到最大, 而切向风速与径向风速均变化微小; 当风臂曲率半径为200 mm时, 出口平均风速和轴向风速均明显增大^[22]。故确定碗状风口曲率半径(R)为80 mm, 风臂曲率半径(r_f)为200 mm。为了保证与风机安装配合, 后盖弧形罩直径(D)为620 mm; 后盖弧形罩安装轴孔直径(d)为180 mm。

3 机具性能试验 3.1 风机性能试验

试验台主要由变频器、电动机、风机、热线式风速风压仪、转矩转速传感器、扭矩仪等组成(图 6)。因为该风机进口朝大气开放, 仅有出风管而无进风管, 可以认为风机进口相对全压为0, 此时风机全压等于出口静压与出口动压之和。调节变速器控制风机转速为600、800、1 000、1 200、1 400、1 600、1 800 r·min^-1, 使用TSI9565风速仪测量在不同风机转速下的各出风口风速, 测试时风速仪杆尖的传感器移动速度小于1 cm·s^-1, 每个出风口共布置5个测试点, 每个测试点重复测量3次, 其平均值为该出风口Ⅰ-Ⅰ截面的气流速度。同时根据公式可计算出口处每点位置动压:P=0.5×ρ×v²(式中:ρ为空气密度; v为该点气流速度), 求均值得该处平均动压(P)。测量静压时, 把测杆探头伸进Ⅱ-Ⅱ截面风管内, 同样测量5个点位置, 每个样点重复3次, 其均值为出口处静压, 进而求得风机全压。同时利用转速表、扭矩传感器测量风机转速、扭矩等参数, 并记录温、湿度及大气气压参数。

通过测量和以下公式计算得到风机在不同转速下的功率、出口风速、风量、全压有效功率与全压效率:

(7)

(8)

(9)

(10)

式中:P_n为输入功率(kW); T_n为扭矩(N·m); r为转速(r·min^-1); Q为风机风量(m³·s^-1); V为出口风速(m·s^-1); F为风道截面积(m²); P_tf2为全压(Pa); P_q为全压有效功率(kW); η为全压效率(%)。

根据试验结果绘制多通道风机的性能曲线(图 7), 可以看出:风量(Q)、静压(P_j)与出口风速(V)均随风机转速增加呈线性增加, 风机转速为1 400、1 600、1 800 r·min^-1时, 出口风速分别为21.2、24.6、27.9 m·s^-1。输入功率(P_n)和全压有效功率(P_q)随风机转速增加(600~1 800 r·min^-1)呈现指数递增, 当风机转速为1 800 r·min^-1时, P_n、P_q分别为3.47 kW、2.85 kW。风机转速大于1 000 r·min^-1时, 全压效率(η)可以达到70%以上。

3.2 风场速度分布

当空气从出风口喷出后, 需要达到一定速度和能量, 才能实现雾滴二次雾化、输送雾滴、树叶搅动。参考《植物保护机械灌木和乔木作物用风送式喷雾机试验方法:GB/T 24683—2009》气流速度分布测定(静态测试)部分, 对多通道风机的外气流场分布进行测试(图 8)。测试地点为南京农业大学植保机械与施药技术实验室, 设置风机转速分别为600、800、1 000、1 200、1 400、1 600、1 800 r·min^-1, 在距离出风口0.5、1.5、2.5、3.5、4.5、5.5 m设置5个截面; 在每个截面上, 从地面至高度为4 m处, 每隔0.2 m设置1条测量线, 每条测量线沿水平方向每隔0.2 m设置1个测量点。采用风速仪对各个测量点的风速进行采集, 重复3次, 取平均值。

根据试验数据绘制不同转速下多通道风机的外气流场分布。从图 9可以看出:沿射程方向不同高度的风速分布变化趋势基本一致, 均为多股高速气流随着距离增加逐渐汇聚为均匀气流面。气流在0~0.5 m, 相邻出风口之间由于存在明显的气流缺失, 没有完成汇聚。可以看出:多通道风机出口气流具有初始速度高、衰减快的特点, 各转速下的风机最大风速多出现在距地面1.0 m、距离出风口0.5 m处。距离出风口1.5 m之外的气流速度较小, 难以满足气流辅助施药要求。建议作业时该类型风机转速不小于1 400 r·min^-1, 且靶标距离出风口不大于1.0 m。

3.3 防飘与穿透性试验

2019年1月31号, 在南京农业大学浦口校区, 选取桂花树(纺锤形, 树高2~2.2 m, 最大冠径2.3 m)为对象, 以传统半圆周、漫射型出风的3WZ-700风送式喷雾机为对比样机, 使用0.5%的丽春红2R溶液作为喷雾液, 进行防飘与穿透性试验(图 10)。外界风速1~2 m·s^-1, 室外温度6~10 ℃, 相对湿度72%~85%。分别以雾滴在地面、空中的飘移情况来说明样机防飘性能, 以冠层内各样点雾滴沉积值的变异系数来表征树膛内部沉积情况, 进而评价机具施药的穿透效果。果园多通道定向风送雾化装置与3WZ-700风送式喷雾机所用的传统风送雾化装置均适用于现代低矮密植果园植保作业, 当风机转速为1 600 r·min^-1时所消耗功率分别为2.53、3.05 kW^[5], 机具参数均设为喷雾压力1 MPa, 风机出口平均风速22.0 m·s^-1, 作业速度1 m·s^-1, 出风口距离冠层0.8~1.0 m。

选择3棵桂花树, 分为上、中、下3层, 每层布9个点, 沿着喷雾方向, 以树干为中心, 各设置2 m的行距和株距飘移线, 相同间隔0.5 m布置5个点, 在树中间的下风区2 m处布置飘移采样杆, 每个采样杆距离地面0.5、1.0、1.5和2.0 m处各布置1个采集点。在各采样点放置1张大小为7.6 cm×7.6 cm的纸卡, 测算地面、空中雾滴飘移量, 布样示意如图 11。然后将带回实验室的纸卡样本剪成条状并标号, 分别放入烧杯中, 用50 mL纯净水洗涤, 使用分光光度计测量溶液的吸光值。根据标定的拟合表达式确定溶液浓度的大小, 进而根据式(11)求得单位面积纸卡上的雾滴沉积值。

(11)

式中:q为纸卡上雾滴沉积值(μg·cm^-2); A为吸光值; V为蒸馏水量(100 mL); K为拟合系数(0.038);S为纸卡面积(cm²)。

变异系数用来表示冠层内的雾滴沉积分布均匀性, 依据《植物保护机械通用试验方法:JB/T 9782—2014》分别按式(12)、(13)、(14)计算雾滴沉积量的平均值(q)、标准差(S)和变异系数(V)。

(12)

(13)

(14)

式中:q₁, q₂, …, q_n为各测定点的雾滴沉积值; n为测定点数。

由图 12、表 2可以看出:果园多通道定向风送雾化装置的冠层内雾滴沉积量比传统漫射型3WZ-700风送式喷雾机提高47.6%, 变异系数降低34%, 飘移量降低29.9%。通过GraphPad Prism对试验数据进行方差分析, 2种装置的冠层内雾滴沉积量和雾滴飘移量都差异显著(P＜0.05)。由此可以看出:将漫射型出风改变为多个通道出风可以引导气雾流集中、定向输送, 实现不同冠径区域的风、雾量的差异化分布, 冠径较大的中下部区域的药液沉积得到明显改善; 同时, 气流出口面积减小也一定程度上增加了气流穿透性, 冠层内膛的雾滴沉积也得到明显改善。以上措施在保证雾滴沉积分布总体水平提高的基础上, 也改善了雾滴在冠层内的分布均匀性。同时, 气、雾流定向输送也保证了飘移量的减少, 尤其最上、下2个出风口位置的调节分别是影响空中、地面飘移量的重要因素。

4 结论

1) 采用多通道风臂组、喷射式出风口等结构, 设计一种可以实现各通道气流高度、角度独立调节的果园多通道定向风送雾化器。针对现代果园冠层结构参数, 从冠层需风诉求(最小末速度与全覆盖要求)出发, 结合气流射流理论, 提出了该类型植保用风机的设计思路与计算方法。

2) 根据试验结果绘制多通道风机的性能曲线。可以看出:风量与出口风速随着风机转速增加呈线性增加; 输入功率和全压有效功率随着风机转速增加呈现指数递增。当风机转速为1 000~1 800 r·min^-1时, 全压效率大于70%。

3) 多通道风机出口气流具有初始速度高、衰减快的特点, 在距出风口0~0.5 m, 相邻出风口之间由于存在明显的气流缺失, 没有完成汇聚; 风机最大风速均出现距地面1.0 m、距离出风口0.5 m处。建议作业时该类型风机转速不小于1 400 r·min^-1, 且靶标距离出风口不大于1.0 m。

4) 相对传统漫射型风送式喷雾技术, 多通道定向风送喷雾时, 冠层内雾滴沉积提高47.6%, 变异系数降低34%, 地面和空中飘移量降低29.9%。