刘超 戴文浩 冯智慧 吕春鹤 唐健 白鸿岩
摘要：针对现有的飞机气力式播撒设备在实际作业中存在的有效播幅窄、不均匀等问题，基于离散式播撒设备工作原理，设计一种适宜适用于直升机的智能播撒设备，并对播散装置播散速率和播幅进行播撒测试试验。结果表明：智能播撒器流量一档至四档的播撒量分别为33.11，77.52，138.89，227.27 kg/min;播幅一档至四档分别可达48，54，66，84 m;一档至四档药剂播撒均匀，各项性能指标均达到设计要求，可满足直升机飞播作业要求。
关键词：直升机;飞播;播撒器
中图分类号：S223.2 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2022）03-0033-04
近年来，我国草原鼠害整体危害偏重，年平均发生面积3 000万hm2以上。从年际间发生趋势来看，草原鼠害2007—2018年平均发生面积总体呈下降趋势，而从2018年至今，年平均发生面积总体呈增加趋势。目前，我国草原鼠害防治主要以药剂防控为主，施药方式存在施药不均匀、精确性低和效率低等问题。飞播种草、造林具有成本低、效率高、适用条件广的突出优点，在国土绿化中发挥了重要作用。飞播种草、造林技术的发展对鼠害飞机防控提供了技术借鉴，内蒙古、青海、新疆等地相继开展了大面积的鼠害飞防。在鼠害飞机防治中发现，现有的气力式播撒设备在实际作业中存在有效播幅窄、不均匀等情况。目前，国内飞机播撒装置主要有气力式和离散式两种，气力式播撒设备主要依靠气流吹送种子颗粒，播幅及播种均匀程度受播撒物和气流影响较大。在早期的飞播中，刘春晖等设计出FB-85型飞机播种器，应用于固定翼飞机，在播撒试验测算及推广应用中均取得较好的播撒效果。宋灿灿等经过仿真和测试试验，对现有气力式播撒器进行优化，设计出一种气力式无人机水稻撒播装置。该播撒装置可通过调整鼓风机的风速和排种轮的转速，调整牧草种子颗粒的亩撒播量和撒播幅宽。离散式播撒设备依靠机械动力产生的离心力播撒种子、肥料等，具有作业稳定、播撒均匀的特点。离心圆盘通用性好，适于颗粒状种子、化肥的抛撒，抛撒幅宽较大，应用范围较广。秦朝民等为提高肥料播撒效率，设计出2SF-10型圆盘离心撒肥机，工作效率高、肥箱容积大、肥料撒施均匀、作业成本低。张青松等设计一种离心槽轮式油菜撒播机，在离心圆盘周围设计了圆盘罩壳实现半边抛撒，使撒播幅宽可调。借鉴离散式播撒设备研发经验，研制一种适用于直升机的智能播撒设备，通过飞播作业质量因素分析，对排药装置出药速率、播幅等进行试验，以期提高直升机播撒效率及稳定性，为大面积飞机播撒提供参考。
1 总体结构与工作原理
智能航空投药播撒器以直升机作为动力平台，由锥形装药桶、播撒圆盘、和播撒流量控制系统组成，设备装置总体结构如图1所示。结构简单精巧，节省空间，播撒装置位于储药装置下方，可将落下的药丸或种子旋转摊落到撒料装置中洒出，以保证撒药的均匀性。出药口装置由流量控制器分为4档，以控制出药量。播撒装置由一个动力装置驱动，通过同步带传动实现撒料装置的运动，结构简单紧凑，降低了制作成本，保证了施药连续性。
这种离心式播撒器在作业过程中，出药口按照挡位调节出药速度，均匀等量地落入被分隔成块的播撒圆盘，借助播撒圆盘旋转产生的离心力在分隔区域内滚动后被播药立板抛出。药剂播撒主要包括随着圆盘离心所做的复合运动和药剂离开圆盘后座的抛射运动。
2 主要装置部件设计
2.1 锥形装药桶
锥形装药桶是药剂的直接装载部件，与流量控制器相连接，用以实现药剂的输送，结构如图2所示。药桶所承受的压力始终垂直于承载面。方形药桶底部通常为平面，不利于药粒持续稳定进入出药口，古斯将药桶设计成倒锥形，以增加飞行过程的稳定性并控制出药流量。播撒器自重约135 kg，直径1.7 m，高1.3 m，容积约为850 L。
2.2 流量调节器
流量调节器是整个播散装置的主要控药部件，由档位控制杆、换档箱、无线控制器和阀门组成（如图3），在锥形装药桶内与出药口相连接。设有一个由无线控制器连接控制杆控制的阀门，控制杆部件底部连接一个活塞，通过4个档位控制出料口大小，用以控制药粒流量。播撒器流量控制在25～100 kg/min。
2.3 播撒盘
播撒盘是整个装置的核心部件，其转速和分区直接影响播撒的均匀性和播撒幅宽。播撒盘呈圆形，主要包括播撒盘和拨药立板。播撒盘分为3个区域，可均匀分装药粒，便于药粒均匀抛射，用以提高播撒幅宽和均匀性，如图4所示。圆盘的主要作用是承接药粒和安装拨药立板，并通过转速调节播撒幅宽和均匀性，还可根据不同地区不同药剂的施药量更换不同大小的圆盘，用以改变药粒在圆盘上的滞留时间和抛洒角速度，进一步扩大或缩小施药幅宽。
2.4 药剂抛洒运动分析
为使药剂播撒更加均匀，拨药立板将播撒圆盘均匀分成3个区域。增加拨药立板内侧面积，从而增加药剂在播撒圆盘上的滞留时间，以获得更大的初速度。药粒因曲度而产生斜向上的力，会改变离开立板时的抛射角度，提升药剂播撒的均匀度及幅宽。根据抛射原理，离心式播撒圆盘在同一转速下，斜向上抛撒时可以抛射较远距离，并可增加圆盘滞留时间和滞空时间差，进而提高播撒的均匀性。采用拨药立板设计与不使用立板分区设计相比，在药粒落地的位置上会产生变化。
3 播撒设备测试分析
田间作业过程中，药粒经出药口落入播撒圆盘向外播撒时会受到风力、飞行速度、飞行高度等因素的影响。为验证田间作业效果，选择晴朗微风天气。锥形装料桶出药档位变化会对播药均匀度产生影响，因此，开展不同档位播药量和播撒宽幅试验，借以测试播撒器的作业质量及稳定性。
3.1 测试方法
设置带状收集点，样地在300 m×50 m的矩形区域内。两侧横向（播撒宽幅方向）每间隔5 m设置一块药粒收集白布，共设8块收集白布。由中心向两侧方向依次为1号到16号，收集白布规格为1 m×1 m的正方形（如图5）。图5中的箭头為飞行路线及飞行方向，直升机高度约120 m，航速120 km/h，档位分别设置为一档、二档、三档、四档。在试验样地中心沿飞行路线通过后，分别收集每块白布上的药粒，并按编号分别记录落药数量、不同档位播撒时间、单位时间播撒量，每个试验重复3次。
3.2 試验材料及地点
试验材料：为避免试验样地污染，药粒由小麦种子替代。播撒器单次装药量400 kg，所用小麦种子千粒质量约为38 g，单粒种子大小约为6.3 mm×3.1 mm。
试验地点：内蒙古通辽市试验样地。
3.3 测试结果与分析
播撒器播撒流量见图6，播撒器不同档位平均落粒量见图7。
由图6可知，随着播撒器档位的增加，单位时间播撒流量逐渐增大，单次飞行作业时间逐渐缩短。其中，一档单次作业平均播撒时间最长为12.08 min，单位时间播撒量最低为33.11 kg/min。二档至四档单次作业平均播撒时间依此为5.16，2.88，1.76 min，单位时间播撒量依次为77.52，138.89，227.27 kg/min。这表明播撒量与播撒时间具有一定相关性，实际作业时，四档单次播撒时间不足2 min，单位面积内播撒量较大。
由图7可知，在播撒宽幅试验中，随着档位的增加，每块白布的平均落粒数在逐渐增加。一档至四档两侧白布平均落粒量依次为5.1，7.2，10.2，12.9粒。在播撒均匀性方面，因档位不同导致播撒宽幅也不同，从左自右编号为1号到16号的白布落粒数呈中间向两侧递减的趋势，即典型的正太分布。其中，一档落粒主要集中于3号到8号白布，二档落粒主要集中于2号到10号白布，三档落粒主要集中于2号到12号白布，四档落粒主要集中于2号到15号白布，仅二档抛撒时6号白布未发现种粒。根据白布距离测算出1档至4档播撒直径分别可达48，54，66，84 m，4 种档位1号白布的落粒数均为0粒。
4 结论与讨论
结合设计和田间试验，新型智能播撒器基本实现播撒宽幅、均匀度高、播撒速度可控等设计要求，具有工作效率高、单次播撒量大、时间短、作业成本低的特点，符合草原、高原和荒漠林等大面积航空投药灭鼠及其他播种要求。核心部件流量控制器和播撒圆盘的速度调节和布置形式直接影响播撒性能，播撒圆盘的分块设计和拨药立板进一步保证了撒药的均匀性。播撒器流量从一档至四档的播撒量控制在30～200 kg/min，可以满足不同密度的播撒作业。播撒器有效播幅为40～80 m，药剂播撒均匀，漏播情况较少，基本满足设计需求。新型智能播撒器的研发可为大面积飞播种草、造林、施肥、投药等提高参考。
在分析离心式、气力式、均分杆式等播撒方式，以及机械式、气力式流量调控方式的优点和劣势后，本设计主要通过改变出药口大小控制流量，利用离心力将药粒从高速旋转的播撒盘上抛出。这与秦朝民等设计的2SF-10型离心式撒肥机和汤远菊等设计的一种离心圆盘式油菜播撒机所采用的设计原理相同，试验结果相一致。离心式圆盘通用性好，颗粒状药粒和拌种药剂均可使用，播撒宽幅大。同时，由于药粒大小、粒重和形状不尽相同，药粒在播撒圆盘上的不规则运动使得药粒与药粒之间、药粒与播撒圆盘之间产生摩擦和发生碰撞，进而改变运动轨迹，所产生的播撒宽幅小于计算值。目前，我国尚无航空播撒器施药作业场地试验相关标准，本研究所采集的数据样本较少，可能存在试验误差，后续应进一步测试，以增加数据量、保证稳定性。此外，本研究仅对1种类型药粒进行不同档位播撒量和播撒宽幅试验研究，对播撒装置与航空器的普适性、播撒均匀性控制、飞机旋翼产生气流和天气环境等因素产生的影响及其在实际应用中的防治效果，尚有待进一步研究。
参考文献
[1] 李晓芳.中国飞播种草近30年的回顾与展望[J].草原与草坪，2007（6）：73-76.
[2] 焦秀洁，谭春桃，李涛，等.飞机播撒杀鼠剂对高原鼠兔的防治效果[J].中国媒介生物学及控制杂志，2018，29（5）：488-490.
[3] 赵胜国，张国臣，杨静莉，曹广成，刘景泉，韩静波.鼠靶灭鼠剂飞机防治害鼠试验[J].中国森林病虫，2016，35（1）：38-40.
[4] 宋灿灿，周志艳，姜锐，等.气力式无人机水稻撒播装置的设计与参数优化[J].农业工程学报，2018，34（6）：80-88+307.
[5] 秦朝民，刘君辉.离心式撒肥机撒肥部件研究设计[J].农机化研究，2006（10）：100-102.
[6] 秦朝民，王序俭，刘君辉.2SF-10离心式撒肥机[J].新疆农机化，2004（2）：25-26.
[7] 高志政，彭孝东，林耿纯，等.无人机撒播技术在农业中的应用综述[J].江苏农业科学，2019，47（6）：24-30.
Design and Experimental Research of an Intelligent Sowing
Equipment Suitable for Helicopter
LIU Chao， DAI Wenhao， FENG Zhihui， LÜ Chunhe， TANG Jian， BAI Hongyan
（National Forest and Grassland Administration Biological Disaster Control and Prevention Center/Key Laboratory of Biological Disaster Monitoring and Early Warning， National Forestry and Grassland Administration， Shenyang 110034， China）
Abstract：
In view of the problems of narrow and uneven effective sowing range of the existing aircraft pneumatic sowing equipment in practical operation， an intelligent sowing equipment suitable for helicopter is designed based on the working principle of discrete sowing equipment， and the sowing rate and sowing range of the device are tested and experimented. The results show that：
The sowing amount of intelligent sowing flow 1～4 gears are 33.11， 77.52， 138.89， 227.27 kg/min， respectively. The range from 1 to 4 can reach 48， 54， 66 and 84 m respectively; The 1～4 gear agent is evenly sown， and all the performance indexes of the 1～4 gears are all up to the design requirements， which can meet the requirements of helicopter aerial sowing.
Key words：
helicopter; aerial sowing; spreader