传统的风送式喷雾机被普遍运用于果园病虫害防治作业中,喷雾机借助辅助气流的作用增加叶片间的扰动,提高雾滴的穿透能力,使得雾滴均匀粘附到叶片的表面,增大叶片表面覆盖率,确保高品质果品的产量,提高人们的生活水平。然而,传统的风送式喷雾机械不能根据树冠的大小和密度实时调整喷施量,进行针对性的精确喷雾,因此一旦喷雾机开始工作,就会按照设定的喷雾参数进行定量喷施,导致对靶标过量喷雾或者喷施量不足,以及对非靶标的误喷,从而产生对周围环境的污染。风送式变量喷雾机能够在一定程度上解决传统的风送式喷雾机所存在的问题,能够根据靶标的具体结构参数调整药液的喷施量,变量喷施农药,从而实现有的放矢。未来变量喷雾机械的发展方向应是根据靶标的实际情况对辅助风速和药液喷施量同时实施变量控制。本研究基于USDA-ARS-ATRU(美国农业部农业工程应用技术国家实验室)自主研发的新型五指风送式变量喷雾机。该喷雾机采用的五指风送式喷头将传统大的气流出口变成若干个小的圆柱形气流出口,可以提高雾滴的穿透性,改善气流在树叶密度较大的果树冠层内部的分布情况。该喷雾机对每个喷头药液输送端都采用PWM控制电磁阀的通断时间,单独控制每个喷头的药液流量。由于果树冠层各截面具体的结构特征参数显著不同,该喷雾机喷头的特殊结构对于果树每个区域的精密喷雾具有潜在的优势。目前该喷雾机已经实现了对靶标的有无、密度和大小变量喷施药液,然而,根据靶标的具体情况进行风速变量控制尚未实现。本研究采用调节风机进口内径以改变喷头出口风速的方法,探索根据靶标具体结构特征参数实现风速变量控制的可行性,为风送式变量喷雾机实施变量风速控制提供依据。利用PWM控制电磁阀通断时间从而控制各个喷头药液流量的五指风送式喷头能够在变量工作条件下确保一致的雾滴粒径分布,这是实现根据靶标具体参数进行变量喷雾的前提条件。影响雾滴粒径大小的可控参数主要有电磁阀占空比、喷雾压力、喷头出口风速和喷雾药液物理特性。因此需首先研究该五指风送式喷头在这些相关变量参数影响下雾滴粒径的分布情况。雾滴粒径随着喷头出口气流速度、喷雾压力、喷雾药液特性的变化而变化。试验结果表明：在这四个变量中,喷雾压力对雾滴粒径大小的影响最大,其次是喷雾药液的物理特性,最后是喷头出口风速。对于给定的工作条件,当占空比为20%-100%时,雾滴粒径分布无显著变化,占空比为10%时,雾滴粒径分布波动较大,电磁阀占空比的切换频率是10Hz。为减少雾滴粒径在变量工作条件下有较大的波动,因此该喷雾机选择的工作条件是：保持喷雾压力恒定,占空比的工作范围为20%～100%。虽然风速对雾滴粒径的变化会有一定影响,但雾滴粒径在风速作用下的波动范围满足喷雾机变量作业要求。为了检测该风送式变量喷雾机喷头出口气流的分布情况,通过调节风机进口内径(0.13m,0.15m,0.18m,0.34m)以改变喷头出口风速,并在不同行驶速度(0km/s,3.2km/h,4.8km/h,6.4km/h,8.0km/h)时,采用CTA风速测量仪检验该喷雾机在距离喷头出口不同远处(0.025m～3m)以及距离地面不同高度(0.2m～2m)处气流速度和动态气流压力的分布。喷头喷出气流在距离喷头出口0.027m处以500的扩张角喷射到空气中,距离喷头出口0.08m处单个五指风送式喷头相邻两喷口喷出气流开始混合。当喷雾机行驶速度为0km/h时,喷头出口气流速度随着风机进口内径的增大而增大,随着喷头出口距离的增大而按照双曲线函数关系递减。当喷雾机的行驶速度为3.2km/h～8.0km/h时,气流速度随着喷头出口距离的增大而减小,而动态气流压力在距离喷头出口(0～3m)范围内随着喷头出口距离的增大而缓慢增加。气流速度和动态气流压力随着风机进口内径的增大而增大。根据试验结果得知,通过改变风机的进口内径能够有效的改变喷头出口气流分布,并能够实现在给定的风机进口内径、给定的喷头出口距离所在的高度方向上气流分布均匀,表明了该喷雾机通过调节风机进口内径实现变量风速控制的可行性。当喷雾机行驶速度为3.2～8.0km/h,喷雾机行驶速度的变化对喷头出口气流速度和动态气流压力的分布无显著的影响。在此基础上研究了该喷雾机在不同风机进口内径条件下,以一定的行驶速度经过果树时,喷头不同出口气流在果树树冠不同位置的分布情况。采用CTA风速测量仪,将传感器放置在冠层内部不同位置处,当喷雾机通过果树时,放置在冠层内部检测气流流速的传感器探测到气流分布呈脉冲形状。气流速度和动态气流压力随着冠层深度的增加而减少,且动态气流压力减少的幅度不如气流速度减少的幅度大。沿着高度方向(高、中、低)和喷雾机行驶方向(前、中、后)测量点的平均气流速度和平均动态气流压力分布基本保持一致。由此可以得知：该喷雾机沿着高度方向和喷雾机行驶方向在不同风机进口内径条件下,距离喷头出口相同远处冠层各区域内的气流分布一致。根据叶面积指数、树冠冠幅尺寸以及树冠内靶标的具体位置这三个参数组成的无量纲参数,建立了气流流速、动态气流压力与无量纲参数之间的指数关系。实现变量喷雾的目的在于改善喷雾效果、提高喷雾效率、减少药液流失。为此研究了该喷雾机在不同占空比(20%-100%)、喷雾机行驶速度(3.2km/h,4.8km/h,6.4km/h)和风机进口内径(0.13m,0.18m,0.34m)等变量参数共同作用下,其在果树冠层内喷雾药液覆盖率以及沉降量的分布情况。对于给定的工作条件,冠层内喷雾覆盖率和药液沉积量随着风机进口内径和占空比的增大而增大,但是树叶密度和树冠外形尺寸也是影响喷雾覆盖率和药液沉积量的重要因素。随着喷雾机行驶速度的增大,喷雾药液覆盖率减少。对于给定的工作条件,区域内采样点的喷雾覆盖率均值沿高度方向和喷雾机行驶方向有微小的变化,但喷雾结果满足喷雾要求。同时,分别建立了喷头出口气流速度和喷雾覆盖率以及动态气流压力和喷雾覆盖率之间的关系曲线,喷雾覆盖率随着气流速度和动态气流压力的增大按照对数关系式增大。根据喷头出口气流速度、动态气流压力与无量纲参数(由叶面积指数、叶面积指数、树冠冠幅尺寸以及树冠内靶标的具体位置组成)的指数关系,以及喷头出口气流速度、动态气流压力与喷雾覆盖率之间的对数关系,可以实现根据果树的特征参数估测冠层内气流速度和动态气流压力,然后推算出靶标位置点的喷雾覆盖率,根据喷雾作业对覆盖率的要求,再校准适当的气流风速,为未来风送式变量喷雾机实现风速变量控制提供理论依据。