1.项目背景

众所周知，“智能农业装备”是“国家制造2025”计划的十大重点领域之一，植保机械是农业现代化生产中系列化农业装备的重要组成部分，智能化高性能的植保机械是目前植保研究领域的主要研究方向之一。近年来新出现的大型高地隙喷杆喷雾机就是集农业工程、机械工程、控制工程、计算机技术于一体的智能化农业装备，基于此种装备具有很高的技术性、智能性，代表了该行业的最新发展水平。“十二五”末，“十三五”期间，国家也在农业生产领域重点推出了化肥、农药减施的“双减工程”，而大型高地隙的智能化喷杆喷雾机恰恰是实现农药减施的关键装备之一。展开基于大型高地隙喷杆喷雾机的实验项目建设十分必要，而且体现了很高的科技含量。

江苏大学的前身是1960年成立的从事农业机械研究与教学的专业性大学——镇江农业机械学院，是当时全国重点建设的88所高校之一，培养了我国从事农业机械的第一届本科生、第一届硕士生、第一位博士以及大量联合国委托的亚太农业机械班的留学生。“农业机械设计与制造”是该校的起家专业，也是当时学校重点建设的最核心专业，为我国农机事业培养一批又一批的专业化人才。 1997年由于全国专业调整的原因，“农业机械设计与制造”专业转为目前学校的王牌专业“机械设计制造及自动化”专业，但农业机械的本科培养一直没有取消，一直是我校机械专业重点发展的本科专业方向之一。

《农业机械学》就是该本科专业方向——机械设计制造及自动化专业农机方向的本科生开设的核心专业课程，通过描述典型农业机械的类型、结构、工作原理等来加强学生对农业机械设计知识的掌握；植保机械是该课程的主要内容之一，植保机械——喷雾机，尤其高水平智能化的大型喷杆喷雾机的实验是进一步强化学生对该内容学习的主要环节。为了加强该部分实验环节建设、增强农机方向学生的实际动手能力、增强其创新意识，在基础的喷雾原理实物实验的基础上，必须进行更进一步的较深入的大型植保机械的实验环节建设。

《智能农业装备与技术》也是该方向本科生重要的专业课之一，大型高地隙喷杆喷雾机就是该课程讲述的主要内容之一，相应地开展该种农业装备的实物实验也是进一步加强学生对该部分知识熟练掌握必不可少的实践环节之一。

2.大型喷杆喷雾机虚拟仿真实验的必要性

目前在本科生实验环节中开展大型高地隙喷杆喷雾机实物实验仍存在以下主要问题：

（1）喷雾施药是一个跨越农作物整个生长周期的植保措施，大型实物喷雾机现场实验受农作物生长季节与时令影响大，时间跨度太大，无法实现田间管理期间植物不同生长阶段的施药场景再现；

（2）喷雾施药具有一定毒害性，现场实际施药实验安全性不足。小型喷雾机无法完成高茎农作物，比如：玉米、高粱等，生长后期的药液喷施作业，大型喷雾机的作业时，喷雾场大、喷雾高，药液弥散范围广，加上农作物长势高，空气流通差，现场实验容易造成农药中毒事件，安全性差；

（3）大型喷杆喷雾机减施的关键是药液的在线混药，实物实验由于设备非透明，无法学生无法看到药液的实时在线混合及输送情况，进而无法通过实际实验了解药液在线混合的机理及输送过程；

（4）大型喷杆喷雾机操作复杂，需要高水平现代农业机械操作实验员及复杂大型的实验场地。

因而，开发大型高地隙喷杆喷雾机的虚拟仿真实验，显得十分必要。

3.实验目的

本虚拟实验的总目的就是借助大型高地隙喷杆喷雾机虚拟仿真实验技术大幅降低实验成本、提高实验安全性、提高实验效率。虚拟实现大型高地隙喷杆喷雾机工作参数调控，可使学生短时间内快速了解大型高地隙喷杆喷雾机的组成原理、喷雾原理，掌握大型高地隙喷杆喷雾机工作参数调控原理。

1、了解大型高地隙喷杆喷雾机的基本组成，关键零部件的结构特点及工作特性；

了解大型高地隙喷杆喷雾机各部件——驾驶室、混药系统、喷杆展开机构、喷杆自平衡机构、驱动机构、行距调节机构等的组成、传动原理，了解药液喷施系统——喷头、喷杆、输送管路、混药室、混药泵的组成原理，了解喷头的类型、雾场形成特点。

2、掌握大型高地隙喷杆喷雾机机械参数调控的原理；

掌握驾驶室高度调节原理、喷杆展开回收工作原理、喷杆高度调节原理、喷杆自平衡工作原理、车辆压夜四轮驱动及转向原理、车轮行距调节原理。

3、掌握大型高地隙喷杆喷雾机喷雾参数调控及农作物生长参数设置的原理；

掌握喷雾系统药液混比、喷头压力、喷施速度等调节原理，掌握实际工况下，农作物株高、行距、稀疏度、生长期等参数设定范围。

4、学会掌握大型高地隙喷杆喷雾机工作参数调控的操作；

学会根据实际工况调节喷雾机的工作参数，掌握调控技术。

5、了解掌握与喷雾机植保机械的相关的理论知识；

本实验涉及到以下的原理概念点。

（1）高地隙喷杆喷雾机的组成原理及不同类型喷头的雾场形成原理；

通过“实验预习”模块的“学习”与“考核”模式下的喷雾机不同零部件拆卸与安装联系，了解高地隙喷杆喷雾机的组成、驱动、传动系统，了解喷雾系统的组成、不同类型喷头的喷雾场形成原理及雾场特点。

（2）驾驶室高度机械调节原理、喷杆折叠机械原理、喷杆高度机械调节原理；

通过喷杆喷雾机机械参数调整的“学习”与“考核”模式练习，掌握驾驶室高度调节的平行四边形机构机械调节原理，多杆机构+液压杆的喷杆折叠与展开原理，平行四边形机构的喷杆高度机械调节原理。

（3）轮距液压调节原理、四轮转向液压调节原理；

通过喷杆喷雾机机械参数调整的“学习”与“考核”模式练习，掌握液压马达独立驱动四轮前进原理，前后两轮转向相反的小半径液压转向原理。

（4）喷杆自平衡的原理；

通过喷杆喷雾机机械参数调整的“学习”与“考核”模式练习，掌握喷雾机在行驶过沟垄土块石块等小型障碍物时，防止车身左右晃动造成的喷杆左右上下振动损伤喷杆或农作物或影响喷施效果，在喷杆根部增加的液压或气动减振作动器减振工作的原理。

（5）在线混药的原理；

通过喷杆喷雾机喷雾参数调整，了解变工作条件（病情、草情等），变浓度在线实时混药的工作原理，以及药液输送系统的工作原理、药液输送路线。

（6）农作物参数、喷雾机机械参数、喷雾参数相互影响机理；

通过喷杆喷雾机工作参数调整实验，了解喷雾参数的调控最终受作物生长参数、喷雾机机械参数、药液混合自身要求等的相互影响，并掌握其三者间的相互作用机理。

（7）农机与农艺融合的原理。

通过喷杆喷雾机工作参数调整，了解喷雾机工作时的效率要收农作物种植模式、土地耕整要求、田地场地要求等因素影响，了解农机农艺相融合的农机设计思路。

1.实验方法描述

本项目包含二个平台：虚拟仿真实验项目平台、教学管理平台

1、虚拟仿真实验项目平台包含二个实验模块。

模块一：实验预习

该模块由学生在课下自学完成，主要内容是对重要零部件的结构原理进行

静态观察，参与考核并进行打分。

模块二：工作参数调控虚拟仿真实验

该模块学生将喷雾机从车间开到农田进行运动参数设置，在学习模式了解

如何设定喷杆喷雾机的不同工作参数（生长阶段、株高、行距、稠密度、药液比、速度、农作物品种、工作状态等），自动显示整机不同的场景。随后，整机动态仿真加载，模拟实际工况工作。用户可以多角度观察整机的动态模拟，也可选择特定部件进行局部动态观察。在考核模式选择一种农场情景，进行无提示设定各项参数，对设定结果正确性进行判断并打分，纠正错误后进行运动仿真。

2、教学管理平台

在虚拟仿真实验中学生实例操作考核的基础上，在后台管理端，以选择题

和问答题的形式对学生进行理论知识的考核，对考核结果进行打分。

最终以此三部分的考核成绩为组成部分，自动生成实验报告，反馈学生对

三个部分的学习效果，并给出综合评价。

2.学生交互性操作步骤说明

1.进入大型高地隙喷杆喷雾机虚拟仿真实验

图1实验开始界面

2.先进行实验预习（此部分内容可由学生自行学习与考核）

图2实验选择界面1

3.阅读学习植保机械农艺技术要求和喷雾机用途及特点

图3植保机械农艺技术要求
………

4.仿地形喷杆自平衡调节装置

在喷杆出现大幅度振动时，为防止喷杆触地或损坏农作物，安装于喷杆根部的液压减振缸进行与振动反向的运动，实现喷杆的自平衡调节。

图4仿地形喷杆自平衡调节装置

………（同上）

5.了解掌握喷雾机喷雾参数相关调控部分

包括喷施装置的在线混药、喷嘴、喷体和普通扇形、广角扇形、双扇形、空心锥形、静电扇形五种雾场。
……………

图5广角扇形雾场

………（同上）

6. 在线混药流程和原理

图6喷施配置和混药原理

………（同上）

7.认知结束后进入考核模式对学习情况进行考核

图7认知考核

……………

8.选择工作参数调控虚拟仿真（此部分为本项目核心内容，由学生课堂完成）

图8选择工作参数调控虚拟仿真模块

9.将喷雾机从车间开到农田进行运动参数设置

图9操作提示

图10驾驶喷雾机驶出车库

10.在学习模式中先设置“模块一 农场参数”。学习模块下，每一个参数的选择，均影响到其他参数，在选择过程中，界面左边会显示“参数选择”进度，右侧下方“红色”字进行相关参数范围的提示。首先选择——玉米苗情参数

图11选择农场苗期

玉米苗分小苗、中苗、抽穗三种时期可选。

11.设置 模块一 农场参数——米苗稠密度参数

种植密度分稀疏、中等、密集三种可选。

图11选择玉米稠密度

12.设置模块一 农场参数——玉米行距

行距可以设置2200—2500、2500—2800、2800—3200毫米三个范围。

图12选择玉米种植行距

13.设定 模块二喷雾机机械参数——行驶速度

行驶速度在小苗期间应为6-8km/h,中苗期间为4-6km/h,抽穗期间为2-4km/h；

图13设定喷雾机行驶速度

14.设定 模块二喷雾机机械参数——作业地面情况

勾选不平整地面，农场会有土坡或土坑，喷杆自平衡装置自动维持喷杆平衡；

图14设定喷雾机作业农田平整度

15.设定 模块二喷雾机机械参数——喷杆高度

在机械参数调整过程中，相应调整机构会动态显示调整过程，左侧文本框下侧会显示调试的工作原理简介！

喷杆高度在小苗、中苗、抽穗分别对应800-900mm、1300-1400mm、2500-2600mm。

图15设定喷雾机喷杆高度

16.设定 模块二喷雾机机械参数——驾驶室高度

驾驶室高度在小苗、中苗、抽穗分别对应500-800mm、900-2000mm、大于2100mm；

图16设定喷雾机驾驶室高度

17. 设定 模块二喷雾机机械参数——轮距调节轮距与行距匹配；

图17设定喷雾机轮距

18.设定 模块三 喷雾参数——喷雾压力

小苗的时候，喷雾压力不高于3bar，中苗的时候，喷雾压力在3-4bar，抽穗的时候，喷雾压力在4-5bar；

图18设定喷雾机喷雾压力

19. 设定 模块三 喷雾——药液混比

小苗的时候，药液浓度在0.1%-0.05%，中苗的时候，药液浓度在0.3%-0.1%，抽穗的时候，药液浓度在0.5%-0.3%。

图19设定喷雾机药液混比

20.参数设置正确，即可让喷雾机在农场进行运动

仿真时，地面不平，喷杆自平衡装置可以实时调平，将左上角小图动态标示。

图20 运动仿真

21. 选择考核模式进行运动仿真

点击界面右上角返回主界面图标“”，从新进入“工作参数调控实验”，进入“考核模式”。选择一种农场情景。

图21喷雾机参数考核

22.无提示设定各项参数

图22无提示参数设置

23. 自动评判

对设定结果正确性进行判断并打分.

图23考核得分

24.纠正错误后进行运动仿真

图24考核通过后，仿真施药

25.退出虚拟仿真项目

26.进入管理平台界面（选择用户类型：student或teacher或admin，输入对应密码）

图25管理平台登录

27.选择理论题进行解答

理论题含有：

（1）客观的选择题，学生网上直接选择回答，提交答案后，系统自动评判结果。

（2）主观的简答题，由老师在线或实验前后台发布，学生在线回答，提交后，有老师在线或先后评判。

图26理论题目回答界面

28.提交理论题解答结果，等待系统自动评判与老师线下评判的结果。

29.点击“生成报告书”，自动生成我校统一格式或其他模板的实验报告。

图27 生成实验报告

30.退出虚拟仿真平台系统。