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我国植保无人机喷雾系统与施药技术

发布日期:2022-10-01 10:07:56  作者:Kok官方在线登录 来源:Kok官方网站首页

  近年来,我国植保无人机农药喷洒作业的使用量日益增长,应用的农作物范围也越来越广,尤其在地面喷杆喷雾机难以进地作业地区具有广阔发展应用前景。植保无人机用于低空低量施药作业与传统人力背负喷雾作业相比具有作业效率高,劳动强度小;与有人驾驶大型航空飞机施药相比成本大大降低,并能够满足高效农业经济发展的需求。特别是对于水稻、中后期玉米、丘陵中种植的农经作物等地面机械难以进地进行农药喷雾作业的情况,至目前,我国研发了多种适合于这种不同地区小农户的植保无人机,以应对日益严峻的病虫害防治任务;同时,采用植保无人机进行农药喷施,人机分离、人药分离、高效安全,并能实现生长期全程植保机械化喷雾作业。

  从喷洒效果上看:(1)具有直升机的高效作业性能和良好喷洒效果;(2)植保无人机速度变化灵活,可以从零直接飞到正常速度,低速条件下作业有较好的雾滴覆盖,特别是旋翼产生的下旋气流,可减少雾滴的飘移,同时由于下旋气流而产生上升气流可使农药雾滴直接沉积到植物叶片的正反面;(3)植保无人机的空中悬停的功能使其具有单株喷洒能力。

  从成本和安全性上看:(1)植保无人机的整体使用费用相对较少,虽然购机费用较高,但无需机场建设,与有人机相比性价比较高;(2)植保无人机的安全系数较高,特别是旋翼机,在发动机失效时,利用旋翼的自转性,通过驾驶员正确的操作,其迫降着陆速度可接近于0,另外植保无人机能通过减缓速度快速反应来增加飞行安全性和可预见性。我国通用轻小型农用植保无人机主要有“Z-3”、大疆“MG-1”、“安阳全丰3WQF120-12型”、“无锡汉和水星一号”以及“广西田园3XY8D型”、“天鹰-3”、中国农业大学研发的单旋翼“CAU- 3WZN10A”与多旋翼“3WSZ-15”等。据农业农村部相关部门统计,截至201 6年5月,全国在用的农用植保无人机共178种,生产厂家300余家,至2017年有关应用部门不完全统计,全国各种型号的植保无人机装机容量已经近1.2万台;可挂载5~20L的药箱(近2年市场上也有大于3 0 L的植保无人机出现,但应用较少),喷幅在5~20m之间,可适用于不同的施药条件,喷雾作业效率高达6ha/h,能有效及时防治水稻病虫草害。至今,全国农业航空技术9 5 %以上用于航空植保作业,还有5%左右用于农情信息获取、航空拍摄、农作物的辅助育种等。2015年,农林各种农业有人驾驶与无人航空器植保喷雾作业48586h,主要用于黑龙江、内蒙古、新疆、河南与南方水稻等粮食作物产区,但不足全部植保作业面积的2%。

  但在植保无人机快速发展的过程中,植保喷雾作业的效果与病虫草害的防效受到广大用户的广泛与深度的关注—喷雾系统亟需改进。植保无人机的喷雾系统主要由药箱、雾化装置、液泵及其附件(稳压调压装置)等部分组成(图-1,2),农药药液在液泵的压力作用下从药箱通过管路到达-喷头,在喷头处经液力式喷头或离心式喷头雾化后喷洒到靶标作物上。当前,中国植保无人机采用的喷雾系统的泵、雾化喷头等部件大都采用传统的地面机具喷雾装备,尤其缺乏地面喷雾机械必配的稳压调压装置,无法实现稳压调压,为植保无人机低空低量航空施药设计的专用喷雾系统还未出现。而且,为了确保无人机飞行安全、降低能耗以及提升效率等考虑,无人机生产厂商都希望把飞机上除去药箱以外的其他载荷设计得越轻越好。在这种情况下,作为植保机械喷雾系统中的一些必有的部件,诸如稳压与调压装置、回流与搅拌装置等在植保无人机上均被省去,因此造成这种喷雾系统很容易出现工作性能不稳定、因喷雾压力不稳定喷出的农药量时多时少、关键部件寿命缩短、喷洒出的雾滴不断变化-雾滴谱极宽、沉积分布不均匀等严重影响施药质量与防效的问题,反而导致无人机作业效率下降、成本上升、防治效果不佳以及对非靶标区域产生药害等不良后果,这样一些问题在2017年的部分地区如新疆和江西等地对植保无人机造成负面影响。

  图 -1 植保无人机喷雾系统主要组成 1- 药液箱 2- 液泵 3- 喷杆及喷头

  1-3 号电机喷头;2-4 号电机喷头;3-8 号电机喷头;4-7 号电机喷头

  植保无人机喷雾系统组成如图-1所示,图-2为大疆MG系列植保无人机喷雾系统及喷头分布:

  药箱是植保无人机喷雾系统的一个重要部件。我国植保无人机药箱大多为工程塑料材质,需耐酸碱、耐腐蚀,有桶状、长方体状、三棱柱状和圆锥状等不同形状,容量大小依据无人机平台起飞载荷而定,多为5~20L。目前,对于市场上几乎所有多旋翼无人机,药箱都直接固定于在无人机机身下方,如图-3中所示的大疆MG-1型和天途M6A型。而大部分单旋翼植保无人机,则效仿日本雅马哈无人机,普遍使用双药箱的设计方式(图-4),即在主旋翼下方机身两侧对称位置各放置1个药箱,2个药箱通过管路连通保持液面高度一致,使药液形成一个整体。如安阳全丰3WQF120-12型、汉和水星一号型以及广西田园3XY8D型。此外,一些单旋翼无人机采用的则是较独特的U型药箱,一种类似于将两侧的药箱打通、将无人机机身下部嵌入药箱U型槽内的结构,例如高科新农HY-B-15L型和S40型单旋翼电动无人机(图-5)。

  目前市场上除大疆、极飞、羽人等少数几家企业的产品,大多数植保无人机药箱均没有防浪涌与防震荡功能。由于植保无人机作业过程中一直在飞行运动,加减速、转弯、爬升和下降等情况下药液震荡会对无人机的飞行安全产生很大影响的同时,使整个机身因飞行不平稳而造成喷雾过程中的重喷和漏喷,加上由于喷雾飞行过程中因受气象条件如自然风速的随时随意的变化的影响无法实现等高飞行,从而导致喷幅的不断变化,这使得目前我们测试过的数十种植保无人机的喷雾范围内农药雾滴的喷雾均匀性系数均在40%以上,而有的甚至超过60%,而这一均匀性系数按照我们国家标准对地面喷杆喷雾机来讲必须小于15%,植保无人机施药均匀性在目前技术条件下远远低于地面喷杆喷雾机。因此,在药箱中加设防浪涌与防震荡装置十分必要。同时,大部分无人机药箱缺乏进液过滤装置,无论是在注入药液的药箱口还是在药液进入管路的出口位置,都需要安装滤网等过滤装置,过滤药液中颗粒较大的固体颗粒,防止固体颗粒堵塞喷头的同时损坏液泵、管路等部件。此外,应研发适合于无人机喷雾系统的药液搅拌装置,以防不同理化性质的农药药液在药箱中分层、凝絮、沉淀,降低药效和雾化效果。

  液泵产生的压力是药液进入管路和雾化的动力来源,目前植保无人机喷雾系统绝大多数都采用早期研发的国产微型电动隔膜泵,图-6所示。微型电动隔膜泵是我国自上个世纪九十年代初发明装配与人力背负式电动喷雾器上的一个产品,生产应用已有20余年的历史,年产量达到5-10万台。微型电动隔膜泵用微型直流电动机(一般电压为5V、12V、24V)做动力驱动装置,驱动内部机械偏心装置做偏心运动,由偏心运动带动内部的隔膜做往复运动。从而对固定容积的泵腔内的液体进行压缩(压缩时进液口关闭,排液口打开形成微正压)、拉伸(压缩时排液口关闭,进液口打开形成负压),在泵进液口处与外界大气压产生压力差,在压力差的作用下,将药液吸入泵腔,再从排液口排出。微型电动隔膜泵的优势在于耐腐蚀、压力高、噪音低,可以用于高粘度药液的吸液和排液,但因其隔膜的脉动作用,导致喷雾压力的脉动而不能实现均匀稳压的喷雾作业。在单旋翼无人机的双药箱设计中,多采用一侧药箱分别连接一个液泵的方式以保证两侧管路压力相同。植保无人机喷雾系统中使用的电动隔膜泵的流量范围在0.5~5.0 L之间,压力不超过1Mpa。但是,中国农业大学药械与施药技术研究中心的大量高浓度连续长时试验发现,国产电动隔膜泵工作寿命普遍在50~60h范围,在这个期间内,其流量从开始最初的名义流量迅速下降,最后下降到额定工作流量的50%左右。因此,对于植保无人机低容量与超低容量农药喷施作业来讲,加之其又没有装配有象地面喷杆喷雾机的隔膜泵必有的调压稳压装置这种实现均匀稳压喷雾的调节装置,目前的电动隔膜泵不是一个合适的关键工作部件,是不得以而为之。大量高浓度连续长时试验表明:除不能实现均匀稳压喷雾外,缺点还有高浓度液体环境下,膜片寿命短、极易损坏、维修更换频繁,同时在夏季高温高湿的作业条件下故障率较高,造成工作效率下降、成本上升;而且微型电动隔膜泵的流量和压力通常不会太大,要求大流量喷雾作业时需要多个泵连用,在增大体积与载重量的同时,也增加了成本;此外,微型电动隔膜泵通过直流电驱动,只能通过改变电压调整电机转速的方式来改变流量和压力,而且流量和压力是一起变化的,完全不能达到精准控制流量和压力的要求。因此,需要研发适合于植保无人机低空低量施药的专用液泵,如采用微型离心涡旋泵,使用无刷电机驱动泵体并加装流量和压力传感器来精准调控流量和压力,延长工作寿命,提升工作性能和作业效率。

  在植保无人机喷雾作业过程中,药液经过无人机雾滴雾化装置-喷头进行雾化而分散,形成具有不同大小的细小的雾滴颗粒,并具有一定宽度的雾滴谱。不管是各种地面喷雾机还是各种航空喷雾机成雾过程中,喷头是农药雾化的核心部件。目前,植保无人机主要采用地面喷雾机装配的液力式喷头和离心雾化喷头2种类型:液力式喷头与传统地面机具上安装的喷头相同,一般根据作物特点选用扇形雾喷头或圆锥雾喷头;而离心雾化喷头大多则是采用上个世纪80年代研发生产的手持电动离心喷雾器的离心喷头,或在此基础上由各无人机生产厂商根据自身机型特点开发而成。

  液力式喷头借助液泵产生的压力,使药液通过喷头时在压力的作用下与空气高速撞击破碎成细小的液滴,其雾化粒径主要受喷头压力及孔径的影响。液力式喷头(图-7所示)的优点在于2个方面,一是喷雾压力较大,喷雾压力范围1-8 Mpa,果园喷雾压力有的甚至高达20-40 Mpa,雾滴高压下获得极大的初速度(10-30m/s)能缓解因飞行和外界环境引起的漂移作用,因高速运移至靶标物的时间短,减少了因高温、干旱等蒸发流失;二是喷洒系统均采用技术较成熟的地面机具稳压喷雾系统部件,结构相对简单,成本较低。但它的缺点也很明显,即:雾化产生的雾滴谱宽、雾滴直径差异大、雾化均匀性不佳;植保无人机无法通过远程控制调节泵压来改变喷雾粒径,而只能通过更换不同孔径型号的喷头进行调整;不适用于悬浮剂、可湿性粉剂等传统农药剂型的喷施,易造成喷头堵塞。目前,我国市场上使用的扇形雾喷头包括Lechler LU和ST、Teejet XR等几个系列,孔径型号多为01、015、02和025号等小口径喷头,喷雾角110°或120°,大多在1.5~5.0 bar压力下,单喷头流量在0.28~1.28L/min,雾滴体积中值中径(VMD)在100~200μm范围内,雾滴较细,广泛应用于大田作物农药及生长调节剂喷洒作业。圆锥雾喷头大多采用美国喷雾系统公司的ConjetTX-VK系列空心圆锥雾喷头,孔径型号为3、4、6号或德国Lechler公司的TR80-005、0067、01这3种类型的空心圆锥喷头,喷雾角80°,在2.0~5.5bar压力下,单喷头流量在0.16~0.52 L/min,雾滴同样较细,雾滴粒径在100~150μm范围内,适用于果园、葡萄园等冠层密度大且体积大的经济作物上的病虫害防治。

  离心式喷头通过电机带动雾化盘高速旋转,通过离心力将药液分散成细小的雾滴颗粒,雾化粒径主要受电机电压、供液流量、雾化盘特性的影响。离心式喷头的优点有:产生的雾滴粒径更小,直径相差也更小,雾滴谱窄,药液雾化均匀、效果好;离心式喷头可以容易通过电压调整电机转速进而精准控制雾滴粒径;喷洒中适用农药品类多,包括可粉剂、悬浮剂、乳油等水溶性较差的农药剂型。与此同时,它的劣势则主要在于雾滴没有液压而产生的高速初速度,药液相对容易受无人机旋翼风场和环境大气流场的影响,如果无人机下旋气流风场不足时,雾滴就极容易产生飘移;另一方面,离心雾化喷头雾化控制的成本相对较高的同时,高转速对喷头电机轴承寿命影响也较大。市面上现有的离心式喷头大多是各无人机厂商或配件厂商根据作业的需求在上个世纪八十年代早期离心喷头的基础上二次再开发而成,并没有行业公认的国际标准甚至国家标准,这就会导致喷头质量参差不齐,工作性能不佳,雾化效果差的等不良结果。

  当前,植保无人机常用的离心雾化喷头主要是单雾化盘式,代表性的产品为山东卫士植保机械公司开发的离心喷头(图-8a),这种喷头在0.2~0.5 L/min流量、6000~12000rpm转速的条件下,雾滴粒径在80~100μm范围内,相对雾滴谱宽RSF(DV90与DV10的差与DV50的比值,数值越小表明雾滴粒径越集中、雾滴谱越窄)为0.7~0.9,雾滴很细,雾滴谱窄,集中度高,雾化效果好。此外,还有一类多雾化盘式或栅格式离心雾化喷头,代表型产品有极飞P20型多旋翼无人机上使用的栅格式离心喷头和山东风云航空植保公司生产的双层离心喷头,如图-8b、8c所示。对这种双层离心喷头的测试表明,在0.2~0.8 L/min流量、5000~15000rpm转速条件下,其雾滴粒径在70~150μm,RSF在1.0~1.2之间,产生雾滴更细,雾滴粒径分布集中度较好,雾化性能好。

  综上所述,液力式喷头与离心式喷头各有所长,各有所短。在目前条件下,需要根据实际作业气象条件、作物特点、防治对象、药液理化性质和植保无人机旋翼下旋气流场性能等因素综合考虑,选择合适的喷头进行田间施药作业。