3WKL—100型遠程可控霧滴噴霧機的設計與試驗

劉德江+龔艷+張曉+王果+陳曉+繆友誼

摘要： 基于生物最佳粒徑理論，以離心霧化技術為核心，在撞擊式低速離心霧化器、夾管式流量閥等關鍵基礎部件創新及優化設計的基礎上，研發一種通過霧化器轉速變化即可精準控制霧滴粒徑，滿足設施農作物病蟲害防治要求的3WKL-100型遠程可控霧滴噴霧機。結果顯示，離心霧化器的轉速越高，產生的霧滴粒徑越小，轉速為 2 400 r/min 時，霧滴粒徑為101 μm，接近于彌霧機的霧滴細度；轉速為2 700 r/min時，霧滴粒徑為65 μm，遠低于超低容量噴霧霧滴粒徑≤100 μm的要求；轉速為3 000 r/min時，霧滴粒徑減至41 μm；隨著離心霧化器轉速的提高，霧滴譜趨窄，當轉 速在2 400～3 000 r/min范圍內時，霧化質量較為理想。田間試驗結果表明，該機具噴霧量低，平均施藥量為127.5 L/hm2， 但可提高藥液在靶標作物上的覆蓋率和分布均勻性，從而可在提高病蟲害防治效果的同時，減少農藥使用量。

關鍵詞： 遠程可控霧滴噴霧機；離心霧化；霧滴粒徑；霧滴譜；噴霧量；病蟲害防治

中圖分類號： S491 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）22-0252-05

霧滴粒徑是影響藥液在靶標作物上沉積分布狀況，進而影響防治效果以及農藥有效利用率的關鍵因素。采用常量噴霧噴灑的大于200 μm大粒徑霧滴，容易導致藥液在靶標作物上分布不均勻，且藥液嚴重流失的現象。根據計算，霧滴粒徑減小1/2，同體積藥液形成的霧滴數目將增加到8倍，可見降低噴灑霧滴的粒徑，可有效提高農藥霧滴在靶標作物上的覆蓋率與分布均勻性[1]。另有研究表明，降低霧滴粒徑，有利于克服葉傾角與葉面蠟質層對藥液沉積的不利影響[2-4]，使得藥液在植物葉片上的沉積分布更好，但霧滴粒徑過小，易受氣象等因素的影響，不易沉降，細小的霧滴可隨風作長時間、長距離的飄移，造成環境污染、人畜中毒以及靶標區外農作物藥害甚至是絕收[5-6]。20世紀70年代中期，提出了生物最佳粒徑理論（即BOD理論）[7]，該理論顯示，每個靶標生物都有1個最易于它們捕獲并產生有效致毒作用的霧滴粒徑范圍[7]。大量的研究結果表明，噴灑殺蟲劑防治飛行類害蟲時的最佳霧滴粒徑范圍為10～50 μm，防治作物葉面爬行類害蟲時則為30～150 μm；噴灑殺菌劑防治植物病害時，適合采用30～150 μm的霧滴粒徑，而噴灑除草劑時則適合采用100～300 μm的較粗大霧滴[8-10]。因此，根據防治對象以及農藥類型，精準控制植保機械施藥過程中的霧滴粒徑，是實現高效病蟲草害防治，減少農藥污染的有效途徑。

霧滴云由無數大小不一的霧滴組成，采用液力、氣力等方式霧化的霧滴粒譜范圍寬，無效霧滴數量多，易造成大量的小霧滴飄移、大霧滴流失，農藥的有效利用率低下，不僅達不到理想的防治效果，而且還會造成嚴重的環境污染。可控霧滴施藥技術是目前發達國家發展較快的低容量、低污染噴霧技術之一，而離心霧化技術是當前世界上公認的產生霧滴均勻度比較好、霧滴粒譜范圍較窄、可供“可控霧滴”之用的先進技術。基于離心霧化技術的可控霧滴施藥裝備，通過改變離心霧化器的轉速即可控制霧滴粒徑，可滿足不同農作物病蟲草害的防治需求。為此，本研究針對我國設施農作物的栽培模式、病蟲害發生特點以及密閉空間內的特殊防治要求，設計了3WKL-100型遠程可控霧滴噴霧機，旨在提高我國設施農作物病蟲草害的機械化防治水平。田間試驗結果顯示，相較于手動（或電動）噴霧器、擔架式噴霧機等傳統機型而言，該機具可提高藥液在靶標作物上的覆蓋率和分布均勻性，在提高防效的同時，降低農藥的使用量。

1 遠程可控霧滴噴霧機的設計

1.1 機具組成和工作原理

3WKL-100型遠程可控霧滴噴霧機由噴霧系統（包括離心霧化器、潛水電泵、噴霧管路、流量閥、藥液箱）、風機葉輪、風筒、雙軸電機、三維轉向機構、控制系統、機架等部分組成（圖1）。

噴霧作業時，雙軸電機一端的輸出軸驅動離心霧化器高速旋轉，轉速可通過控制系統進行調節，另一端的輸出軸驅動風機葉輪旋轉形成輔助氣流；藥液箱中的潛水電泵通過噴霧管路將藥液輸送至離心霧化器，藥液經霧化器霧化成霧滴后，沿霧化器切向拋出；風機產生的輔助氣流在將霧滴向遠程均勻輸送的同時，增強霧滴在作物冠層中的穿透性，從而提高低量噴霧條件下藥液在作物中下部及葉背的覆蓋率。

1.2 關鍵基礎部件的設計與選型

1.2.1 離心霧化器的設計

已有研究表明，離心霧化轉盤轉速大于8 000 r/min，才能獲得理想的霧化效果[11]，但離心霧化器的高速旋轉會產生嚴重的振動和較大的噪音，并增加驅動系統成本。為此，本研究設計了撞擊式低速（轉速≤3 000 r/min） 離心霧化器 （圖2）， 該霧化器采用二次霧化原

理，即藥液在被輸送至離心霧化轉盤表面的中心附近后，在離心力的作用下，被拋向霧化轉盤的邊緣，先形成液膜、液絲，在接近或達到邊緣后再形成霧滴拋出，完成第1次霧化，經過離心霧化后較粗大的霧滴隨即與固定齒盤上的霧化齒撞擊破碎，形成更加均勻細小的霧滴，完成第2次霧化，從而有效提高低轉速條件下的離心霧化質量。

1.2.2 流量閥的設計

離心霧化器的工作轉速不同，所需的藥液輸送流量也會不同，輸送流量必需與離心霧化器的工作轉速相適應，才能獲得均勻的霧滴。已有研究表明，如果輸送流量過大，當藥液在霧化轉盤表面溢滿時，霧滴的形成機理與液力噴頭相似，所產生的霧滴譜較寬[12]。由于離心霧化是低容量噴霧，因此噴霧管路中的藥液流量較小，而采用液泵變頻調速、電磁閥控制流道截面等原有技術難以對小流量條件下的藥液輸送流量進行快速、精量調節。為此，本研究借鑒醫用輸液管的滴速調節原理，研發設計了可由微型計算機自動化控制的夾管式流量閥（圖3），流量調節范圍為0.2～1.0 L/min，控制響應時間≤1 s，實現了對藥液輸送流量的實時、精量調節，滿足了離心霧化器對不同工作轉速的要求。endprint

1.2.3 動力系統的選型

由于本機具離心霧化器的轉速須根據防治對象以及農藥類型進行調節，而風機葉輪的額定轉速為1 500 r/min，為簡化整機結構，采用1臺共基座雙軸電機作為動力源，電機兩端的輸出軸分別驅動離心霧化器與風機葉輪旋轉。其中離心霧化器端為2極電機，額定轉速為 3 000 r/min，變頻調速器在0～3 000 r/min范圍內無級可調；風機葉輪端為4極電機，額定轉速為1 500 r/min，風機葉輪工作時產生的輔助氣流可以降低霧滴的沉降速度，從而將藥液輸送到遠處。

1.2.4 三維轉向機構的設計

由于霧滴的初速度沿離心霧化器的切向方向，必須采用輔助氣流才能使霧滴到達靶標作物，因而風機在三維立體空間的均勻送風是實現農藥在棚內均勻分布的技術關鍵。為此，本研究設計三維轉向機構，用于驅動風筒以及安裝在風筒內的離心霧化器、雙軸電機、風機葉輪一同作垂直方向或水平方向的轉動，從而實現農藥的均勻噴灑。該三維轉向機構的水平轉角最大限值為±90°，垂直轉角最大限值為±10°。噴灑作業前，可根據大棚幅寬、作業對象、作物栽培模式等因素，通過控制系統預先設定轉向機構水平轉角及垂直轉角的限值，然后啟動噴霧系統進行噴灑作業，從而提高農藥在靶標作物上的沉積率和分布均勻性。

2 試驗材料與方法

2.1 實驗室試驗

為了研究霧化器轉速對噴灑流量的影響、霧化器轉速對霧化質量的影響以及霧滴粒徑的變化規律等，進一步優化可控霧滴噴霧機的工作參數，在農業部南京農業機械化研究所實驗室開展試驗研究。試驗主要包括以下3個方面，具體試驗材料與方法如下。

2.1.1 離心霧化器轉速對噴灑流量影響試驗

由于在無氣流輔助的條件下，經離心霧化器霧化后的霧滴沿切向成發散狀拋灑，很難將其完全收集。因此，本試驗采用間接法對不同轉速下的霧化器噴灑流量進行測定，即在流量閥完全打開的狀態下，通過測定潛水電泵的輸出總流量與回水流量并計算兩者間差值的方法間接得到霧化器的噴灑流量。

2.1.2 霧滴粒徑測定試驗

采用激光粒譜儀測定法，噴霧液用清水。試驗時將噴霧機的霧化器轉速、藥液輸送流量、輔助氣流等工作參數調節到所需測試的數值，待噴霧機工作狀態穩定后，采用歐美克DP-2型激光粒譜儀對霧滴粒徑進行測定。

2.1.3 霧化器轉速對霧化質量的影響試驗

根據霧滴粒徑測定試驗中激光粒譜儀所輸出的霧化器在不同轉速時的粒度特征參數與粒度分布圖，比較分析霧化器在不同轉速時的霧化質量。

2.2 田間試驗

為了驗證3WKL-100型遠程可控霧滴噴霧機的作業性能與作業質量，于2015年在江蘇省南京市江寧區谷里現代農業示范區進行田間試驗。試驗選用的設施大棚為單跨鋼管結構的塑料大棚，大棚長27.0 m、寬7.4 m、高3.0 m，棚內種植的作物主要有辣椒、虹豆、黃瓜、番茄等。田間試驗內容主要包括單位面積施藥量的測定試驗、霧滴田間沉積分布試驗，具體試驗材料與方法如下。

2.2.1 單位面積施藥量的測定試驗

藥箱加入額定量的藥液G，按田間實際作業狀況進行噴霧作業，測定噴完1箱藥時機具的總防治作業面積S，重復3次，計算1 hm2的施藥量Q。

式中：Q為單位面積施藥量，L/hm2；G為加藥液量，L；S為作業面積，hm2。

2.2.2 霧滴田間沉積分布試驗

試驗采用紙卡法，示蹤劑采用麗春紅-2R，噴霧液用清水加0.5%（質量濃度）麗春紅配制而成。噴霧前，根據大棚結構尺寸以及靶標作物高度、株行距等因素，確定本試驗的紙卡布樣方案。布樣分上、下2層，上層距地面高度為1.5 m（紙卡夾持在1.5 m高的細繩上）、下層距地面平均高度為0.3 m（紙卡夾持在作物葉片上），具體布樣方案見圖4（上下2層相同）。布樣完成后，開始噴霧的同時，進行計時采樣，噴霧采樣時間20 min，閉棚時間 20 min。閉棚結束后，待紙卡晾干進行收集，用數碼相機對每張紙卡上的霧滴分布狀態進行拍攝，并通過計算機專用軟件對拍攝的照片進行圖像處理與數據分析。

3 結果與分析

3.1 實驗室試驗結果與分析

3.1.1 離心霧化器轉速對噴灑流量的影響試驗

為獲取離心霧化器在不同轉速時的匹配輸送流量，本研究對離心霧化器在不同轉速時的最大噴灑流量進行測定。結果（圖5）顯示，1 500～2 400 r/min范圍內的霧化器轉速對噴灑流量幾乎沒有影響，噴灑流量穩定在280 mL/min左右；霧化器轉速在 2 400～3 000 r/min范圍內變化時，噴灑流量隨轉速的增加呈緩慢上升趨勢，3 000 r/min時的噴灑流量為370 mL/min。

3.1.2 霧滴粒徑測定試驗

3.1.2.1 不同轉速時沿離心霧化器切向0.5[KG*3]m處的霧滴粒徑在藥液輸送流量為0.28 L/min時風機關閉，變為無輔助氣流的工作狀態，調節離化霧化器的轉速，并采用激光粒譜儀測定不同轉速下的霧滴粒徑，結果見表1。由表1可見，離心霧化器的轉速對霧滴粒徑產生重要影響，隨著轉速的增加，霧滴粒徑呈不斷減小的趨勢。在 1 800 r/min 的低轉速條件下，霧滴粒徑為202 μm，略高于低容量噴霧霧滴粒徑≤200 μm的標準；在2 400 r/min時，霧滴粒徑為101 μm，接近于背負式噴霧噴粉機（即彌霧機）的霧滴細度；在2 700 r/min時，霧滴粒徑為65 μm，遠低于超低容量噴霧霧滴粒徑≤100 μm的要求；在3 000 r/min時，霧滴粒徑更是減至41 μm。

3.1.2.2 不同轉速條件下離心霧化器水平射程方向不同距離處的霧滴粒徑

在藥液輸送流量為0.28 L/min（風機開啟即有輔助氣流的工況）下，分別在霧化器轉速為1 800、2 100、2 400、2 700、3 000 r/min時，測定在霧化器水平射程方向不同距離處霧滴的粒徑，并根據測得的不同距離處霧滴的粒徑值，繪制不同轉速條件下霧滴粒徑沿射程方向的變化趨勢圖（圖6）。由圖6可見，霧化器轉速為2 400、2 700、3 000 r/min時，隨著測試距離的增加，所測得的霧滴粒徑整體上呈緩慢減小的趨勢，霧化器轉速為1 800、2 100 r/min時的霧滴粒徑分別在9、11 m處急劇增大。據分析，由于離心霧化器轉速越低，產生的霧滴粒徑越大，也越容易沉降，霧化器轉速為1 800、2 100 r/min 時的霧滴在7、9 m內大部分已經沉降，因而激光粒譜儀在此距離外測得的值可判定為無效。endprint

3.1.3 霧化器轉速對霧化質量的影響試驗

霧滴云的霧滴粒徑分布及霧滴譜寬度是評價霧化質量的重要指標，為此本研究對激光粒譜儀所輸出的霧化器在不同轉速時的粒度特征參數進行分析。由圖7可見，霧化器在轉速為1 500 r/min時，霧滴粒徑分布非常不均，該霧化器在該轉速下產生的無效霧滴數較多，霧化質量較差；在1 800、2 100 r/min的超低轉速條件下，平均霧滴粒徑分別為202、157 μm，接近或滿足低容量噴霧的要求，但霧滴粒譜較寬，產生的無效霧滴數量過多，易造成農藥的飄移與流失，并且沉降速度過快，不能滿足遠程

噴霧或飄移噴霧[13]的要求；隨著轉速的提高，霧滴粒徑分布逐漸趨向均勻，霧滴譜變窄，在2 400～3 000 r/min范圍內的霧化質量較為理想。綜合上述試驗結果可知，該機具離心霧化器的最佳調速區間為2 400～3 000 r/min，該區間內的霧滴粒徑為41～101 μm。

3.2 田間試驗結果與分析

3.2.1 單位面積施藥量的測定試驗

根據試驗可知，機具施藥量平均為127.5 L/hm2，比手動噴霧器、背負式動力噴霧機、擔架式（推車式）動力噴霧機等傳統植保機具節省農藥20%以上。

3.2.2 霧滴田間沉積分布試驗

在風機開啟即有輔助氣流的工況下，分別測定霧化器轉速為2 400、2 700、3 000 r/min時各采樣點紙卡上的霧滴覆蓋率，并繪制不同轉速條件下霧滴沿射程方向的沉積分布趨勢圖。各轉速試驗時的藥液輸送流量參照“3.1.1”節的研究結果。由圖8可見，不同轉速條件下，霧滴在田間的沉積分布規律也不同。離心霧化器轉速越高，產生的霧滴越細，越有利于霧滴向遠程均勻分布。霧化器轉速為3 000 r/min時，8 m內的霧滴覆蓋率為100%，14 m處達到50%，18 m處仍接近10%。對3 000 r/min轉速時上下2層的霧滴沉積分布狀況進行比較，在輔助氣流作用范圍內，霧滴在輔助氣流的攜帶下穿透植株冠層，到達作物中下部，隨著距離的增加，氣流強度迅速衰減，小霧滴只能飄移并緩慢沉降于作物上部（圖9）。

4 結論

3WKL-100型遠程可控霧滴噴霧機是以離心霧化技術為核心，在撞擊式低速離心霧化器、夾管式流量閥等關鍵基礎部件創制與優化設計的基礎上，研制開發的新型高效、低污染施藥裝備具有噴霧量低、霧滴譜窄、霧滴粒徑精準可控等特點，可廣泛用于設施農作物病蟲害的機械化防治。采用該機具進行低容量或超低容量噴霧作業，不僅可有效提高農藥霧滴在靶標作物上的覆蓋率與分布均勻性，且可針對不同的防治對象及農藥類型，依據生物最佳粒徑理論，通過調控霧化器轉速與藥液輸送流量，獲取所需粒徑范圍的農藥霧滴，從而最大程度地提高農藥有效利用率，實現農藥的減量施用。

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