张荣成 刘天星 朱松 何彦平 仇维佑 邢全道
玉米大豆带状复合种植是充分利用资源、提高土地产出率的集约农业技术，也是2022年农业农村部重点推广的农业技术之一。因玉米大豆属不同种类农作物，化除及化控药剂“相克”，目前，市场上还没有成熟的玉米大豆复合种植专用植保机。部分机型对现有的植保机加装了简易挡帘，但存在挡帘机构设计不科学，药剂漂移伤苗等问题，且大多数机具为小型高地隙自走式，载药量小，行走机构强度差，过沟受冲击机架易折断损坏，不能满足江苏农垦田块规模化作业要求。本文以药剂防漂移为出发点和落脚点，设计了一种玉米大豆复合种植专用悬挂式喷杆喷雾机（以下简称“专用喷雾机”）。该机采用双泵+双药箱设计，可一次性完成玉米大豆两种作物化除、化控作业，随地仿形装置及三段全封闭式挡帘结构，能够满足玉米大豆带状复合种植的药液防漂移要求。
江苏农垦采用的玉米大豆复合种植宽窄行“4+4”模式（中间为4 行大豆，两侧分别为2 行玉米）如图1 所示。
图1 江苏农垦玉米大豆复合种植宽窄行“4+4”模式
1.1 总体结构
专用喷雾机配套80～120 马力拖拉机，工作幅宽3.9 m，大豆行通过宽度80 cm，玉米行通过宽度130 cm。拖拉机安装窄形橡胶轮胎，轮距为170～190 cm，确保机具行走在玉米与大豆行之间，满足江苏农垦玉米大豆复合种植宽窄行“4+4”模式下喷洒除草剂及化学调控等作业。喷雾机主要由双施药泵、双药液箱、双喷雾系统、防漂移喷头、仿形地轮、三段全封闭式挡帘、悬挂式机架等组成，如图2 所示。
图2 专用喷雾机结构图
1.2 工作原理
专用喷雾机采用双泵+双药箱设计，可一次性完成两种不同作物化除、化控作业，大大提升了作业效率。安装了防漂移喷头（雾化粒径为300～400μm），喷杆喷头上下左右均可调，避免不同高度作物作业时药液形成的扇面过度重合或药液喷淋在挡帘上形成水流造成药害，较大程度
上减少药液漂移。三段全封闭式挡帘设计，确保在不同风速及风向情况下机具能够满足作业要求。前后设置两排仿形地轮，机具与拖拉机后轮形成“扁担式”过沟结构，有效降低了机具的物理冲击，还使得机具能够随地仿形，避免地面不平整引起的植保机姿态变化，使接触地面的挡帘始终与地面贴合，减少药液漂移。
1.3 主要技术参数
专用喷雾机的主要技术参数见表1。
表1 专用喷雾机技术参数
2.1 喷雾机整机框架结构设计
为满足一次性完成两种作物同时施药作业，结合江苏农垦玉米大豆复合种植宽窄行“4+4”模式，机具采用三段结构设计。中间框架用以完成大豆施药作业，两侧可折叠框架用以完成玉米施药作业。考虑大豆对药剂的敏感性比玉米强，设计中间封闭框架前后端均超过两侧可折叠框架前后端，确保在不同风速及风向情况下有效保证封闭效果。玉米大豆带状复合种植专用植保机框架结构如图3 所示。
图3 框架结构示意图
2.2 雾化动力及喷雾系统设计
专用喷雾机动力来源拖拉机动力输出轴，转速选择540 r/min，动力传递路线为：拖拉机动力输出轴→万向节→传动轴→主皮带轮→皮带→从皮带轮→柱塞泵。喷雾系统设计：通过柱塞泵利用高压力将药液从喷孔中压出形成雾滴，雾滴粒径为300～400μm，粒径比常规喷雾粒径大，可实现防漂移效果。
2.3 随地仿形装置设计
江苏农垦玉米大豆带状复合种植区域主要分布在淮河以北地区，该地区常年以稻麦生产为主，夏季雨水较多。为保障玉米大豆增产增收需要，该地区在田间建立了完整的排水沟系，每3.9 m 建立1 条竖沟，每30 m 建立1 条横沟。农机作业过程中，田间的横沟对作业机具造成的物理冲击较大，机具故障率相对较高。为降低横沟对机具的物理冲击，避免因田面平整度不够引起机具姿态变化，从而导致药液漂移，机具设置了随地仿形地轮。仿形地轮总计4 只，分前后两排设置。两排地轮与拖拉机后排轮胎形成“扁担式”过沟结构，以降低过沟冲击。遇到地面不平整时，机具上的两排地轮起到支撑作用，避免机具随拖拉机左右摆动，确保接触地面的挡帘始终与地面贴合，增强了防漂移效果。随地仿形地轮结构如图4 所示。
图4 随地仿形地轮结构图
2.4 药剂封闭结构设计
农机作业过程中，风速风向随时变化。采用全封闭式挡帘结构，以保证机具在不同风速及风向情况下均能够满足作业要求。左右两侧挡帘上部采用固定式，透明薄膜被紧固在框架上面。通过透明薄膜可观察喷头喷淋状态。左右两侧挡帘下部可调节，封闭薄膜随重力自由下垂。薄膜内侧设置弹齿，避免薄膜向内曲卷影响施药。前后两侧挡帘上部采用上下可调节式结构，满足不同高度作物的植保作业需求。前后两侧挡帘下部采用裙摆式设计，材料用软质防水布条，布条宽约5～6 cm，两两重叠3 cm 左右。裙摆式设计既保障了挡帘的密闭性，又提高了作物的通过性。
2.5 可调喷头设计
化除时，玉米高度约为25～30 cm，大豆高度约为15～20 cm；
化控时，玉米高度约为120～130 cm，大豆约为50～70 cm。化除时，作物较矮，为保证施药、防漂移效果，喷头高度设置得相对较低，喷头形成的扇面宽度较窄。化控时，作物较高，为保证机具的通过性，喷头的高度需要设置得相对较高，喷头形成的扇面宽度较宽。喷头上下左右可调节，能满足不同高度作物的植保作业需求，避免因喷头高度、节距设置不合理造成药液重喷、漏喷或过多药液喷淋在封闭挡帘上等现象。可调喷头结构如图5 所示。
图5 可调喷头结构图
将设计好的样机进行三维虚拟装配，依据二维图纸进行零部件加工。样机如图6 所示。
图6 专用喷雾机样机
3.1 试验条件
样机在江苏省农垦农业发展股份有限公司黄海分公司进行了试验。试验分为模拟试验和实际田间试验两部分。田间试验主要测定作业效率和植保效果，模拟试验主要测定药剂有无漂移现象和喷雾分布均匀性。试验时风速在3 级以上，分别做侧风、顶风、顺风试验。按实际田间情况建立横向排水沟系。工作压力3 bar，车速5 km/h，喷头离地高度30 cm。合理调节封闭框架前后挡帘、两侧挡帘高度，保证机具通过时不伤苗。
3.2 模拟试验
在田间按玉米大豆带状复合种植分布分别铺设三块无纺布。喷施大豆的药箱里配制红色药剂，喷施玉米的药箱里配置蓝色药剂。模拟试验现场见图7。
图7 模拟试验现场
试验结果：从无纺布药液颜色分布情况来看，无药液漂移现象，喷雾均匀性符合农艺要求。
3.3 田间试验
提前在田间按照江苏农垦宽窄行“4+4”模式种植玉米和大豆，化除期对样机进行田间试验，并设置人工打药对照。试验药剂按农艺要求配制。实际田间试验现场见图8。
图8 实际田间试验现场
试验结果：田间作业效率达到1.6～2 hm2/h，是人工作业效率的10 倍左右。样机施药后3～5 d，农艺人员跟踪发现，玉米、大豆叶片无明显药害现象。样机植保效果、植保效率明显优于人工打药对照。
1）设计的玉米、大豆复合种植专用悬挂式喷杆喷雾机主要由折叠式机架、药箱、柱塞泵、分水器、传动轴、皮带盘、仿形地轮、全封闭挡帘等组成，结构合理，成本较低。随地仿形地轮设计有效降低了机具的过沟冲击，提升了机具的工作稳定性；
同时，采用地轮设计可有效避免因地面不平整导致的机具的姿态变化，减少过沟时药液分布不均匀现象。
2）该机采用防漂移喷头及全封闭式结构，两者结合防漂移效果好。
3）采用双泵+双药箱设计，可一次性完成玉米大豆两种作物化除、化控作业，作业效率高。
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