支持地址自设定的喷雾机喷头流量总线监测系统设计

针对现有宽幅喷杆喷药机多喷头堵塞监测扩展性差的问题,研制了一种自动地址设定的喷药机喷头流量总线监测系统。以STM32F030F4为主控核心,设计了基于RS-485软件地址自设定、喷雾流量总线传输的控制器,并开发了上位机软件,完成多路流量信息实时监测和总线挂载模块的地址自动设定。为了验证系统地址自动设定可靠性,开展了地址自设定成功率试验,结果表明:当总线挂载最多5个设备时,3次地址自设定的成功率达到100%;开展了喷头流量监测精度试验,结果表明:LICHENG 11004 VP、DG9503EVS和XR8002VS 3种类型喷头,在0.3MPa和0.4MPa两种压力下,系统流量监测总体准确率平均值为94.51%,流量监测准确率最大偏差小于等于10%,流量监测准确率标准差在2.49%~4.09%范围内波动,证明了系统具有较好的流量监测稳定性。进行了宽幅喷杆喷药机喷头堵塞监测田间性能试验,结果表明:系统同时监测20个喷头流量,在0.4、0.5、0.6MPa下,对喷头堵塞位置和个数的监测准确率为100%。研究结果可为宽幅喷杆喷药机喷头流量独立精准监测的研究提供一种可行的解决方案。

基于农药喷施溯源的精准变量喷药监控系统设计与试验

针对现有大田精准施药系统主要以药量变量控制为主,缺乏农药喷施作业数据远程监测与溯源管理等问题,本文设计了基于农药喷施溯源的精准变量喷药监控系统,可实现农药精准变量喷施,作业地块、作业时间、作业面积、农药种类与配比、喷施药量、喷雾压力、实时流量和作业速度等信息的在线监测、实时显示和溯源管理。基于该系统分别开展了施药量计算精度、作业面积计算精度、物联网数据传输稳定性、变量调控系统动态响应、变量调控精度和农药喷施均匀性等试验。试验结果表明,北斗定位测速最大误差为1.33%,平均误差为0.82%,施药量计算误差为1.73%,作业面积计算误差为2.61%,数据丢失率为3.51%;速度连续变化下系统稳定调节时间为4~5 s;不同设定施药量和作业速度下,变量调控精度误差为2.45%;雾滴沉积点密度大于20滴/cm^(2)下,在喷雾机行走和喷雾方向上的喷雾覆盖率变异系数均小于10%,满足精准变量作业要求。本研究可在实现药量变量调控下对农药喷施数据进行溯源管理,为后续开展大田作物农药残留风险评估提供支撑。

宽幅喷杆喷雾机振动传递特性分析与试验

宽幅喷杆喷雾机作业过程中,田间路面激励和拖拉机自身的振动导致喷杆发生振动,喷杆末端触地现象频发,对雾滴沉积均匀性和喷杆寿命产生很大影响。为抑制喷杆振动对喷雾质量的影响,解译喷杆振动传递特性,以幅宽为24 m的喷杆式喷雾机为载体,通过试验模态分析获得固定支撑方式下喷杆的约束模态信息;对被动激励源之一的支撑架进行运行模态分析获取工况工作频率,并在此基础上通过建立支撑架的有限元模型以阐明药箱液位对支撑架模态参数的影响。最后,通过试验获得机械激励和不同工况下喷杆振动的时、频域信号,结合模态分析结果,分析了主、被动激励源对喷杆振动传递特性的影响。结果表明:喷杆的前8阶试验模态频率均低于120 Hz,模态振型以弯曲变形为主,变形主要分布在喷杆的第一段和末端;发动机的2阶惯性力频率与喷杆的第3阶试验模态频率43.562 Hz接近,支撑架前16阶运行模态的固有频率与前8阶的喷杆模态频率范围重合;机械激励下,0~150 Hz频率范围内的响应包含整个喷杆的模态特性,且在该频率范围内振动在传递过程中存在很大损失;在怠速工况下,喷杆振动主要由发动机的2阶惯性力所致,振动主频为40 Hz,支撑架模态对振动的影响忽略不计;颠簸路面工况下,喷杆振幅随着行驶速度的提升而增加,主振频率在20 Hz和120 Hz处,而平滑路面工况下振动信号几乎不受行驶速度的影响;药液负载下,激励源与药液晃动的耦合振动增加了喷杆的振动响应,且药液还增加了支撑架结构的质量和阻尼,对支撑架振动有抑制效果。研究结果可以为喷杆结构的优化设计与减振提供理论依据。

果园喷雾机施药管路压降特性仿真与分析

为探究仿树形喷杆喷雾机施药管内部液流运动情况,利用SolidWorks软件设计了喷头模型,并通过压力-流量关系验证了喷头模型的准确性;绘制施药管路模型并对不同结构的竖直施药管仿真,分析了喷杆放置倾角、喷口数量、喷杆长度和喷口位置等对管路内部压力的影响效果。仿真试验数据表明:在单喷管上喷口数量较少、喷杆趋近水平放置、喷口均布于喷杆末端时,施药管内部压降小,压力稳定。利用三因素三水平的BBD试验对施药管转角处压降进行分析表明:施药管内径对转角压降的影响呈极显著相关(P<0.01),转角角度、转角半径对转角压降呈显著相关(0.01<P<0.05);当施药管内径为13.2mm、转角角度为98.6°、转角半径为101.2mm时,转角压降数值最低,为98713Pa。研究结果可为仿形喷雾机施药管结构的设计提供一定的理论依据及参考。

基于冠层信息的马铃薯喷雾机喷杆高度控制系统研究

为解决喷杆式喷雾机在对马铃薯等茄科茄属作物进行喷施作业时喷杆相对作物冠层距离精确测量与控制问题,设计了一套马铃薯喷雾机喷杆高度控制系统。该系统采用二维激光雷达扫描田间马铃薯的植株冠层,根据种植模式对田间马铃薯植株进行冠层单元分割,通过融合姿态传感器的数据对雷达输出数据矫正,并基于中值滤波算法、移动最小二乘曲线拟合方法处理冠层点云数据,实时解算出喷杆相对冠层顶部的垂直距离信息,同时融合油缸位移传感器数据设计了双阈值喷杆高度调控策略,实现喷杆相对马铃薯冠层距离的精准调控。系统应用于3WP-1500型喷雾机,通过高度检测精度试验和高度调节试验测试了系统性能。试验结果表明,通过激光雷达检测作物冠层高度的最大相对误差为7.16%,平均相对误差为3.95%。高度调节试验表明,通过确定最优的调节阈值,可以有效降低喷杆高度调节误差,提高系统稳定性,测试高度调节标准偏差为21.81 mm,平均相对误差为3.08%,系统运行平稳,满足喷杆相对冠层距离自动控制需求。

喷雾机预混装置动态流场分析与参数优化

针对喷雾机预混装置预混时间长、预混效果及均匀性参差不齐等植保作业中存在的实际问题,基于现有喷雾机预混装置,结合田间作业过程中1000 L喷雾机农药制剂使用量和预混药液输送需求,确定了预混药箱、预混喷头、上药阀等关键部件的基础参数。采用ANSYS-Fluent对不同液面高度时预混动态流场特性进行分析,得到预混药箱内流场的动态分布规律;采用二次回归正交旋转中心组合优化试验方法,以预混喷头工作压力和空间位置参数为影响因素,药液均匀度变异系数为评价指标,利用多岛遗传算法优化获得预混效果较好的参数组合:预混喷头工作压力0.3 MPa、与底部平面距离200 mm、与背部垂直平面的距离70 mm。针对粉剂农药进行场地试验,结果表明:预混药液均匀度变异系数为32.99%;上药阀在压力0.2~0.5 MPa下稳定送药,无回流现象。

喷杆式喷雾机在线混药试验研究

为研究射流混药器在实际喷雾作业时对喷雾系统的影响,搭建应用射流混药装置的喷杆式喷雾机在线混药系统。通过改变喷头型号、喷雾压力和混药喷雾系统的总喷雾量,研究射流混药装置在混药喷雾系统中的工作特性。结果表明,当混药系统的工作参数与射流混药装置匹配不当时,系统的药液管路会出现药液回流现象;射流混药装置在混药喷雾系统中有最小工作流量Qmin;为评价混药均匀性提出空间变异系数这一指标,试验结果表明该在线混药系统的空间变异系数在5%以内。

喷杆喷雾机旋翼悬浮式喷杆自动收放控制系统研究

旋翼悬浮式喷杆分别融合了地面机械和空中无人机的优点,可简化复杂的桁架结构并通过旋翼下压风场能减小雾滴飘移造成的二次污染,具有较好的应用前景。传统的收放方式难以收放旋翼悬浮式喷杆,为此提出了一种以正四边形滚筒为主体的喷杆自动收放装置,建立了喷杆收放过程的D-H坐标系和正运动学模型,通过牛顿-欧拉法构建了动力学模型,并采用三次均匀B样条曲线轨迹规划获取了喷杆收放最优轨迹。以喷杆收放的运动时间、关节冲击和能量消耗为多目标函数,通过NSGA-Ⅱ算法求解Pareto解集,选取解集中喷杆展开时间为56、61、66、71、76、81 s,喷杆收卷时间为54、59、64、69、74、79 s轨迹进行喷杆收放试验。试验结果表明:喷杆运动时间与喷杆角度标准差存在显著性关系,运动时间越短,喷杆稳定性越差、关节冲击越大、能量消耗越多。取喷杆收放时间59、61 s对应轨迹为喷杆收放最优轨迹时,滚筒转速与规划转速的平均跟踪误差不超过0.201(°)/s,关节3、4、5实际运动角度与规划角度的平均跟踪误差不超过6.201°,喷杆能较好地跟踪最优轨迹完成收放。该研究验证了喷杆自动收放装置的有效性和喷杆收放最优轨迹的准确性。

高地隙喷杆喷雾机发展现状与应用普及趋势分析

随着我国农业机械化水平不断提高,应用与普及适合于高秆农作物病虫害防治的农业植保机械是解决高秆类作物中后期施药难、施药效果差的重要发展趋势。通过高地隙喷杆喷雾机的国内外发展现状,提出了高地隙喷杆喷雾机发展的必要性,分析了高地隙喷杆喷雾机应用普及趋势,对应用普及高地隙喷杆喷雾机,促进高地隙植保机械发展具有一定的参考。

3WPZ-300喷杆喷雾机甘蓝地施药作业性能试验研究

为探究喷杆喷雾机在甘蓝菜园的喷雾效果、作业防效、漂移性能、雾滴大小及均匀度,以‘中甘二十一’甘蓝为试验对象,采用水敏纸检测喷雾雾滴,试验分析3WPZ-300喷杆喷雾机在地膜覆盖甘蓝菜园药液喷洒作业的各项性能指标。结果表明:喷雾机的纯工作小时生产率约是3.32 hm^(2)/h,用水量约是389.81 L/hm^(2),比电动喷雾器节水13.4%,可满足大面积甘蓝种植园的植保作业需求;雾滴在甘蓝叶面覆盖率均值为39.82%,叶背为19.21%,可实现药液的均匀覆盖;经喷杆喷雾机施药作业,对甘蓝的有效防护天数平均为7.8 d,满足防效要求。

大型高地隙喷雾机喷杆设计及有限元分析

目前针对大型高地隙喷杆喷雾机在田间作业时,受到喷雾机车身摆动影响而产生振荡、摇摆和翻滚等有害运动的问题,结合现有喷杆悬架系统和功能,设计了一种具有地面仿形功能的双连杆梯形喷杆悬架,并对喷杆悬架的升降机构、喷杆的折叠机构、高度调节机构和防撞回弹机构进行了理论分析和结构设计,建立了三维模型。通过四因素三水平的正交试验设计,研究各因素对喷杆质量和第1阶固有频率的交互影响,并应用Design-Expert软件对试验结果进行分析优化。优化结果表明:当1号方钢管壁厚、2号方钢管壁厚、矩形钢管壁厚和四边形钢管壁厚分别为5、3、4.5、3.5mm时,质量最小,为1146.8kg,对应的第1阶固有频率为5.17Hz,有效避开了路面激励频率。利用ANSYS Workbench软件,以位移功率谱密度(PSD)函数为激励,对优化前后的喷雾机喷杆模型分别进行随机振动仿真,结果表明:喷杆尺寸优化后垂直方向振动位移响应量并没有显著变化。研究结果为喷雾机喷杆振动特性分析和疲劳特性分析提供了理论依据。

喷杆喷雾机独立喷嘴控制的实时压力动态研究

喷雾压力的变化会引起喷施流量的变化,最终影响喷雾均匀性。以喷杆喷雾机独立喷嘴控制的实时喷嘴尖端压力为研究对象,基于C37控制器搭建了独立喷嘴控制系统和喷嘴尖端压力数据采集系统,采集了5、10、15路喷嘴同时开闭时喷嘴尖端压力动态,并分析压力动态特性。独立喷嘴控制的实时压力动态试验结果表明,喷嘴开闭的数目对喷嘴尖端压力有明显影响;喷嘴打开的位置对喷嘴尖端压力变化没有明显影响,所有压力传感器采集的喷嘴尖端压力变化一致;同时开闭5、10、15路电磁阀过程中,喷嘴尖端压力在6.0%~20.0%之间变化,喷施流量在3.20%~10.90%之间变化。所得到的喷杆喷雾机独立喷嘴控制的实时压力动态特性,可为大田喷杆喷雾机独立喷嘴控制的喷雾均匀性研究和对靶喷雾技术提供参考。

大型高地隙喷雾机喷杆减振试验与优化

针对大型高地隙喷雾机喷杆振动大、减振元件减振效果差的问题,采用二次正交旋转组合试验方法,对悬架上减振元件进行4因素3水平的田间振动试验,得到各因素对振动影响显著性及趋势变化。对减振组合参数进行优化和试验验证,得到最优减振组合:喷雾机行驶速度2.125 m/s、垂向弹簧刚度系数78.14 N/mm、垂向阻尼器复原阻尼系数8.23N·s/mm和水平阻尼器复原阻尼系数8.74 N·s/mm;优化后,喷杆行进方向振动加速度0~6 m/s~2区间占比85.26%、提高4%以上,翻滚倾角0~0.6°区间占比88.37%、提高4%以上,垂向振动加速度0~6 m/s~2区间占比87.96%、提高3%以上,喷杆的振动和翻滚明显减小。喷杆悬架减振组合试验和优化验证试验结果为喷雾机作业参数设置和减振元件参数选取提供参考。

超高地隙喷杆喷雾机风幕式防飘移技术研究

结合超高地隙喷雾机实际结构,应用ANSYS Fluent软件,采用标准k-ε湍流模型、离散相模型与Couple算法,建立了超高地隙喷杆喷雾机风幕式气流辅助施药技术雾滴沉积飘移分布模型,对飘移率与各影响因素之间的关系进行了仿真研究,确定了不同风机转速下雾滴飘移率与其各影响因素之间的函数关系,并对模拟研究结果的准确性进行了试验验证。研究结果表明,所建模拟模型能够比较准确地反映风幕系统各作业参数对雾滴飘移率的影响规律,其中辅助气流喷射角度、喷头水平安装位置、自然风风速、风机转速,以及辅助气流喷射角度和自然风风速、辅助气流喷射角度和风机转速、喷头水平安装位置和自然风风速、自然风风速和风机转速的交互作用都对飘移率有显著的影响。

喷杆式喷雾机喷杆高度及平衡在线调控系统

为保证喷杆式喷雾机工作过程中,喷杆与冠层之间始终保持近似平行并相距适当距离,以保证施药效果,并避免喷杆倾斜刮伤作物,设计了一套喷杆式喷雾机喷杆高度及平衡在线调控系统。该系统采用超声波测距传感器实时检测喷杆两端的实际对地距离,并根据其与喷杆设定作业高度的差别,控制油缸动作,对喷杆高度及喷杆平衡进行实时调整。给出了喷杆式喷雾机样机的总体结构,介绍了喷杆高度液压调节系统的组成和工作原理,详细阐述了喷杆高度及平衡在线调控系统的软、硬件设计方法,设计了一种对地距离检测信号枝叶遮挡干扰的滤波算法,并对喷杆高度及平衡在线调控系统的调节性能进行了场地和田间试验。场地试验表明,该调控系统可以有效改善阶跃激励路面引起的喷杆高度变化,并可以将喷杆高度变化值控制在±3 cm范围内。田间试验表明,喷杆高度信号滤波程序可以有效滤除分行器下方偶有棉花枝叶的干扰,实现喷杆高度及平衡的在线调控。

双钟摆主被动悬架式大型喷雾机喷杆动力学仿真与试验

大型喷杆式喷雾机在田间作业时,喷杆运动严重影响了喷雾分布,悬架系统是控制喷杆动力学行为的关键装置,既要隔离来自车体的高频扰动,又要使喷杆跟踪低频的地面坡度变化,时刻保持与地面(或作物冠层)平行。为了研究双钟摆主、被动悬架机构的动力学特性,综合考虑车体运动耦合作用、地形坡度变化、摩擦等因素,使用第二类拉格朗日动力学方法建立描述喷杆动力学行为的数学模型。首先进行被动悬架动态特性研究,分析阻尼、摩擦、摆钟长度等因素对响应特性的影响;然后建立基于液压比例控制的主动悬架Matlab/Simulink仿真模型,揭示控制系统增益系数、时间常数、悬架结构参数等对喷杆响应特性、跟踪误差的影响规律。利用Stewart六自由度运动模拟平台及动态测试系统,对28 m大型喷杆悬架系统进行瞬态响应测试和频响测试,频响试验值与数学模型预测值均方根误差为0.087,表明模型可用于预测喷杆动态响应特性,指导悬架参数科学配置。

喷杆喷雾机精确对靶施药系统设计与试验

为减少大田施药时农药浪费,有效控制农药残留污染,针对植株行距、株距较大的作物对行施药的农艺要求,设计了喷杆喷雾精确对靶施药系统并进行试验。该系统以大田常用喷杆喷雾机为载体,沿喷杆方向按一定间距布置对应行和垄沟的超声测距传感器,实时采集喷杆到植株冠层以及喷杆到垄沟底部的距离信号;通过信号调幅消除由垄沟凹凸不平以及喷杆自身振动所产生的噪声影响。将调幅后的冠层高度信息依据植株株高、冠层胸径和冠层株高标准差等特征进行模式分析,从而识别靶标位置实现精准对靶。以大田团棵期烟草植株为对象,在烟草植株的株高达到30 cm左右,展开叶达15片左右时开展田间试验。结果表明:设计的精确对靶施药系统在植株平均胸径31 cm,株距比例39.2%的大田里,节省药液30%左右;在植株平均胸径35 cm,株距比例31.6%的大田里,节省药液20%左右。因此,此系统对大田植株间距在15 cm以上的对靶施药作业中具有较好的实用性。

水田风送低量喷杆喷雾机设计及其参数研究

为适应水稻病虫害防治的需要,研制了一种轻便、高效、省药、能减少对环境污染、与目前中国水稻插秧机通用底盘配套、可实现水稻低量风送精确喷雾的水田风送低量喷杆喷雾机.采用机电一体化技术,气流辅助技术,低量喷雾技术为中国设计生产出第一代用于水稻病虫害防治的喷杆喷雾机,提高了插秧机通用底盘的利用率;作业效率2 hm2/h(作业速度0.82～0.98 m/s),可进行150～180 L/hm2的低容量喷雾作业;风送系统风速达14 m/s;将喷雾不均匀度由常规喷雾的50%降低到10%,农药利用率达35%;并能对喷雾轨迹进行标识,同时还解决了喷杆的自动折叠问题.

风幕式喷杆喷雾机玉米田间施药试验

针对常规喷雾方式农药利用率低、流失严重的问题,开展风幕式气流辅助喷雾技术研究。通过3WQ-3000型牵引式风幕喷杆喷雾机在玉米小喇叭口期进行的田间试验,确定施药作业中常用的4种型号(ST110-02、ST110-04、ST110-05、ST110-06)扇形雾喷头在0.4 MPa喷雾压力下,进行风幕对农药利用率、雾滴覆盖率和流失率的影响试验。试验结果表明,雾滴在玉米冠层上部的沉积量较大、下部较小;风幕能够增强雾滴的穿透性,增加喷雾药液的沉积量,使雾滴在植株各冠层的沉积分布更加均匀;风幕辅助气流对体积中径小雾滴影响明显,ST110-02喷头在使用风幕时比没有使用风幕农药利用率提高了83%;ST110-06号喷头在有风幕时农药利用率为41.93%,为各试验工况最高;使用风幕时农药在地面流失率比无风幕有所增加,ST110-02号喷头在未使用风幕时药液在地面的流失率为13.05%,是各试验工况最小值;与三轮车载式喷杆喷雾机相比,风幕式喷雾机施药雾滴覆盖率和穿透性明显升高,农药利用率平均提高了144.17%,雾滴在地面的流失率平均降低了14.46%。

机动式喷杆喷雾机机架的轻量化设计

为了解决机动式喷杆喷雾机机架质量过重、燃油消耗率和碳排放量过高等问题,以机动式喷杆喷雾机机架为研究对象,建立了机架的有限元模型。对机架进行了试验模态分析,将仿真结果与模态试验数据进行了对比。利用有限元分析软件Radioss对机架进行了静态分析,计算了机架在水平弯曲和极限扭转工况下的应力分布及变形。根据有限元分析结果,对机架进行了轻量化设计并对机架进行了结构改进。研究结果显示:模态试验结果与有限元仿真结果基本接近,验证了有限元模型的准确性;经过尺寸优化,机架的质量降幅为40.4%,实现了轻量化目标;根据轻量化结果对机架进行了结构改进,改进后弯曲工况和扭转工况的安全系数为分别提高了9.7%和7.8%。该文的相关研究可以为企业研发机动式喷杆喷雾机提供一定的参考。