風送轉盤式生物農藥離心霧化噴頭的性能

朱正陽，張慧春，鄭加強，周宏平

（南京林業大學 機械電子工程學院，江蘇 南京 210037）

病蟲害防治一直是農林業不斷努力探索解決的重要問題。目前占主流地位的病蟲害防治方法是化學防治。然而，實際生產中因為害蟲抗藥性的提高，防治效果下降，繼而相應的化學農藥的開發難度和開發成本卻越來越高。再者，大量的農藥殘留導致的食品安全問題日益突出，每年僅因蔬菜農藥殘留超標導致的中毒事故就達10萬人次，造成外貿損失高達70億美元［1］。同時化學農藥對非靶標生物的殺滅和毒害作用嚴重影響了自然生態平衡和生態系統的自我調節能力。這些都使得研究人員和生產企業開始把注意力轉向低毒、低殘留、不易產生抗藥性的生物農藥的開發與使用。現有的農藥噴灑裝備大都為噴灑化學農藥的機械，專門噴施生物農藥的器械較少。和化學農藥不同，生物農藥的噴灑關鍵在于噴灑后生物農藥的活性。由于生物農藥的殺蟲作用與細菌數量和活性相關，此外，其活性還和生物農藥的成分配比、噴施器械的結構以及噴施的技術參數有關［2-3］，所以生物農藥噴灑器械的研究和化學農藥噴灑器械的研究不同，它除了要考慮霧滴粒徑、覆蓋率、均勻性等霧化性能問題，還要考慮到生物農藥的活性保持問題。生物農藥噴灑器械的結構參數和操作參數影響霧化程度以及生物農藥活性的保持。然而，霧化程度的正確選用以及生物農藥活性的保持有助于提高藥液的使用效率，減少對環境的污染［4-5］。霧滴粒徑越大，沉降到靶標的速度就越快，單個霧滴所具有的動能也越大，不易隨風飄移，但大霧滴撞擊到靶標上的附著能力差，極易發生彈跳和滾落流失，造成大量農藥損失且污染了環境；小霧滴對靶標的覆蓋密度和均勻度遠優于大霧滴，并且附著能力強、穿透性能好，能夠沉積到大霧滴不易沉積到的植株背面，但小霧滴易蒸發飄移；生物農藥的活性越高越有利于目標病蟲害的防治。本研究設計了風送轉盤式生物農藥離心霧化系統，通過改變離心霧化轉盤的結構參數（外徑、齒數、斜角）以及操作參數（流量、轉速、風速）進行霧滴粒徑、生物農藥活性以及防治藥效試驗，為確定專門噴施生物農藥的風送轉盤式離心霧化機構提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 理論及參數介紹

1.1.1 轉盤式離心霧化原理 轉盤式離心霧化噴頭工作時（圖1），液體自轉盤內徑的邊沿處注入。當盤的轉速和進液量都很低時，液體的黏度和表面張力的影響是主要的，霧滴單獨形成從盤邊緣甩出。當盤的圓周速度和進液量均高時，液滴被拉成許多液絲，液量增加，液絲數目也增加到一個峰值，液絲數不再增加但液絲變粗，液絲極不穩定，距離轉盤不遠處就迅速斷裂，形成無數小液滴。當液體流量繼續增加時，液絲數量與絲徑均不再增加，液絲間相互并成薄膜，拋出的液膜離圓盤周邊一定距離后，被分裂成分布較廣的液滴。若將圓盤轉速提高，液膜便向圓盤周邊收縮。若液體在圓盤表面上的滑動能減到最小，則可使液體以高速度噴出，在圓盤周邊與空氣發生摩擦而分裂霧化。

圖1 轉盤式離心霧化噴頭工作原理圖Figure 1 Working principle diagram of disc centrifugal atomizing nozzle

1.1.2 風送轉盤式離心霧化原理 單純通過霧化轉盤自身離心力輸送霧滴情況下，其霧化性能不是很理想，液體霧化后僅能輸送較近的距離、輻射較小的范圍，而且飄移比較嚴重。所以增加風送機構，提高輸送距離，提高穿透性能是必不可少的。風送轉盤式離心霧化機構工作時，液體從離心霧化轉盤甩出后遇到軸流風機產生的氣流，液滴朝著氣流的方向擴散，從而達到目標靶位。由于空氣流速的變化，使得液滴與空氣間的摩擦更劇烈，所以風送轉盤式離心霧化能獲得更小的霧滴粒徑。

1.1.3 離心霧化轉盤操作參數和結構參數 影響轉盤霧化性能的因素可分為操作參數和結構參數。操作參數是指轉盤的轉速、進液的流量和風機的風速，結構參數是指轉盤的外徑、斜角（轉盤側壁與水平面的夾角）和齒數（轉盤內壁起引流作用的齒槽數量）。轉盤的結構參數［6］如圖1所示，轉盤最大直徑稱為外徑，轉盤的外壁和水平面的夾角稱為斜角，內壁起引流作用的凹槽稱為齒槽（齒槽端面為矩形。本研究尺槽的深度全部選用1 mm）。

1.2 試驗設計

1.2.1 霧化轉盤的加工 本研究采用3D打印的方式加工了3組共7個轉盤（精度為0.04～0.10 mm）。材料選用耐腐蝕且質量較輕的工程塑料（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，ABS）。加工的第1組霧化轉盤齒數均為120個，斜角均為60°，外徑分別為80，100，120 mm（圖2）。第2組齒數均為120個，外徑均為100 mm，斜角分別為45°，60°，75°（圖3）。第3組斜角均為75°，外徑均為100 mm，齒數分別為90， 120和 150個（圖4）。

圖2 不同外徑（80，100，120 mm）的3個霧化轉盤Figure 2 Three types of different diameter atomizationturntable（80 mm,100 mm and 120 mm）

圖 3 不同斜角（45°， 60°， 75°）的 3 個霧化轉盤Figure 3 Three types of different bevel atomization turntable（45°,60°,75°）

圖 4 不同齒數（90，120，150個）的 3個霧化轉盤Figure 4 Three types of different number of atomization turntable （90,120,150）

1.2.2 試驗系統的設計 如圖5所示，試驗系統包括離心霧化轉盤、軸流風機、激光粒度儀、激光粒度儀和生物農藥活性收集裝置。整套系統保證了生物農藥活性檢測藥液的收集，藥效檢測藥液的收集，以及霧滴粒徑的測試同時性完成。風送離心式霧化裝置的結構如圖6所示：它包括了軸流風機、離心霧化系統、導流罩、固定罩、U形軸、和進液系統。

1.3 試驗方法

用記號筆將各因素水平分成不同的組（共16組）分別標記在培養皿底部背面上；將標有參數的培養皿一組一組放入收集裝置內，閉合擋板；打開風送離心霧化裝置并調整到相應的參數；待各參數值穩定后拉開擋板收集10 s（10 s足以收集到1 mL的原液，方便下一步的搖床培養），同時用激光粒度儀測量其霧滴粒徑大小。

本試驗的生物農藥活性試驗和藥效試驗是同時進行的。標有相同因素水平的小菜蛾Plutella xylostella培養皿和生物農藥活性收集培養皿同時放入生物農藥活性收集裝置中。因為生物農藥的藥效不僅和噴灑裝置有關，還和生物農藥的配置有關，本試驗為了試驗噴灑裝置的藥效，所以務必保證使用的是同一批配制的生物農藥。

1.4 評價方法

1.4.1 霧滴粒徑評價方法 試驗評價噴頭霧化性能參數為：霧滴體積累計分布為10%的霧滴直徑DV10，霧滴體積累計分布為50%的霧滴直徑DV50，也稱為體積中徑（volume median diameter，簡稱VMD）。通過德國新帕泰克有限公司的HELOS/VARIO-KR型號的激光粒度儀及WINDOX5軟件對霧滴粒徑進行測量和數據處理，粒徑的測試范圍為0.1～3 500.0 μm，滿足本試驗的要求。

1.4.2 生物農藥活性評價方法 白僵菌Beauveria在森林害蟲和農業害蟲的應用極為廣泛，對森林中松毛蟲Dendrolimus，松葉蜂Diprionidae和褐天牛Nadezhdiella cantori與農林作物中常見的蜱螨類害蟲（ticks and mites）具有較強的防治效果。本試驗選用白僵菌作為生物農藥，白僵菌的活性用白僵菌孢子的萌發率來衡量。孢子萌發率是指在觀察的1個視野中萌發的孢子與總孢子數的比值，具體的測量方法：取由風送離心霧化裝置所噴施的白僵菌制劑試樣（本試驗白僵菌孢子粉來源于湖北省林科院）1 mL放在25 mL的麥芽浸粉培養液（麥芽浸粉2%，用蒸餾水配置）中，配制成懸浮液，鏡檢稀釋至有孢子20～30個·視野-1。放置于120 r·min-1的搖床（產地：Switzerland，型號：Multitron）在25℃條件下培養12 h，取樣制片鏡檢。用血球板數板計數，芽管大于孢子外徑的孢子記為萌發孢子。

圖5 試驗系統圖Figure 5 Test system diagram

表1 不同轉盤結構下白僵菌的霧滴粒徑Table 1 Particle diameter in different structures of turntable

圖6 風送轉盤式離心霧化裝置結構圖Figure 6 Structure of air-assisted spinning disc nozzle

1.4.3 噴施藥效的評價方法 選用3～4齡小菜蛾作為目標害蟲來檢測風送離心霧化裝置的藥效［7-8］。將小菜蛾10只1組放入培養皿中并在培養皿中放入飼料，使用前文設計制造的風送轉盤式離心霧化裝置噴施白僵菌，48 h后數其死亡個數。本次試驗設有不噴施生物農藥的對照組。最后以施藥組與對照組的比值來確定該試驗組的藥效。由于田間作業情況復雜，此為實驗室內藥效的評價方式。

2 結果與分析

2.1 轉盤結構參數對霧滴粒徑的影響

霧滴粒徑是衡量噴頭霧化性能的重要指標，是農藥噴霧技術最為重要和最易控制的因素。轉盤的結構參數對于霧滴粒徑是有影響的，本次試驗用白僵菌藥液，在轉速6 000 r·min-1，進液流量20 mL·h-1，風速5 m·s-1的參數下，測得不同結構參數的轉盤噴施的霧滴粒徑 （實驗數據為重復3次后的平均值）。數據如表1所示。

由表1可以看出：霧化轉盤外徑從80 mm增大到120 mm時，霧滴粒徑從99.72 μm減小到81.73 μm，可見隨著霧化轉盤外徑的增大，霧滴粒徑逐漸減小；轉盤斜角從45°增大到75°，霧滴粒徑由86.61 μm逐漸增大至95.51 μm，可見霧滴粒徑隨著轉盤斜角的增大而增大；轉盤齒數由90個增加至150個時，霧滴粒徑由96.51 μm減少到87.65 μm，可見轉盤齒數越多，霧滴粒徑越小。這是因為，外徑越大，離心力越大，霧滴在離開轉盤的初速度越高，甩出后的粒徑越小；而轉盤斜角越大，霧滴在盤內壁的流動距離越長，霧滴在離開轉盤的初速度越高，甩出后的粒徑越小；轉盤齒數越多，單位齒距內液絲的直徑越小，從而甩出后粒徑越小。

2.2 轉盤結構參數對生物農藥活性以及藥效的影響

記經過轉盤霧化的白僵菌孢子萌發率為 A1，未經轉盤霧化的白僵菌孢子（對照組）萌發率為A2。在流量為20 L·h-1，風速為5 m·s-1，轉速 6 000 r·min-1，噴施距離為 0.5 m的條件下，不同外徑的霧化轉盤生物農藥活性試驗數據如表2。

表2 不同轉盤結構下的活性及藥效數據表Table 2 Activity and efficacy data in different structures of turntable

由表2可看出：3種外徑轉盤下生物農藥活性衡量值A1/A2分別為94.99%，89.56%和97.51%，平均值為94.02%，最低值為89.56%，表明使用不同外徑的轉盤都能獲得較高活性；3種斜角下活性分別為98.96%，89.56%和88.51%，轉盤斜角對于活性的影響為負相關，表明轉盤斜角越大，生物農藥的相對活性越低；3種齒數下A1/A2分別為90.09%，88.51%和97.05%，平均值為91.88%，最低值為88.51%，表明使用不同齒數的轉盤都能獲得較高活性。就整體活性而言，活性最低為88.51%，說明即使轉盤結構參數對生物農藥活性有影響，但其相對活性的絕對數值高，滿足使用要求。

在藥效方面，經過不同結構參數的霧化轉盤噴施后的生物農藥對于小菜蛾的致死率都在90%以上，滿足使用要求。

2.3 操作參數對于生物農藥活性以及藥效的影響

用外徑為120 mm，斜角為60°，齒數為120個的轉盤，改變其操作參數進行正交試驗，結果如表3所示。

表3 操作參數對于生物農藥活性影響的正交試驗表Table 3 Effect of operation parameters for the activity of biological pesticide orthogonal test table

通過極差的大小對比，得到影響生物農藥活性大小的操作參數因素次序為風速＞轉速＞流量。從生物農藥活性上看，本試驗希望尋找到對于生物農藥活性的影響最小也就是平均萌發率與對照組的比值最高的操作參數組合。從表3可知：流量列對應的均值試驗2最大，轉速列對應的均值試驗3最大，風速列對應的均值試驗1最大。所以，為了獲得最佳的操作參數組合，結合本試驗結果，流量為40 L·h-1，轉速為6 000 r·min-1，風速為5 m·s-1對生物農藥活性的影響最小。

在藥效方面，無論何種操作參數組合小菜蛾的死亡率都在90%以上，滿足使用要求。

3 結論

本研究設計了風送轉盤式生物農藥離心噴霧系統，通過改變離心霧化轉盤的結構參數（外徑、齒數、斜角）以及操作參數（流量、轉速、風速）進行霧滴粒徑、生物農藥活性以及藥效試驗。得到如下結論：①轉盤外徑、斜角度數、齒數多少都與霧滴粒徑負相關。對于低矮、密集植物（如灌木、設施園藝植物等）的病蟲害防治，由于小粒徑藥液對靶標的覆蓋密度和均勻度遠優于大粒徑藥液，并且附著能力強、穿透性能好，能夠沉積到大粒徑藥液不易沉積到的植株背面。為獲得較小粒徑的藥液推薦選用大外徑（120 mm），大斜角（75°），多齒數（150個）的轉盤進行作業；對于高大、稀疏植物（如行道樹等）的病蟲害防治，由于大粒徑藥液沉降到靶標的速度快，不易隨風飄移，為獲得較大粒徑的藥液推薦選用小外徑（80 mm），小斜角（45°），少齒數（90個）的轉盤進行作業。②轉盤結構參數（外徑、斜角、齒數）對于生物農藥活性的影響都不大。就整體活性而言，最高為98.96%，最低為88.51%，均值為92.74%，說明用轉盤作為噴施生物農藥的器械能夠滿足病蟲害防治要求。操作參數選用流量為40 L·h-1，轉速為6 000 r·min-1，風速為5 m·s-1的組合對生物農藥活性的影響最小。③從藥效上看，各種結構參數和操作參數組合噴施后的生物農藥對于小菜蛾的致死率都在90%以上，滿足使用要求。④綜合霧滴粒徑、生物農藥活性和小菜蛾的防治效果，得到霧化轉盤的結構參數和操作參數：對于低矮、密集植物，轉盤以外徑120 mm，斜角75°，齒數150個；操作參數以流量40 L·h-1，轉速6 000 r·min-1，風速5 m·s-1為最優。對于高大、稀疏植物，轉盤外徑80 mm，斜角45°，齒數90個；操作參數以流量40 L·h-1，轉速6 000 r·min-1， 風速 5 m·s-1為最優。

［1］ 葉建仁.中國森林病蟲害防治現狀與展望［J］.南京林業大學學報,2000,24（6）：1-5.YE Jianren.Current status and perspective on forest pests control in China ［J］.J Nanjing For Univ,2000,24（6）：1-5.

［2］ 張慧春,周宏平,鄭加強,等.噴頭霧化性能及霧滴沉積可視化模型研究［J］.林業工程學報,2016,1（3）：91-96.ZHANG Huichun,ZHOU Hongping,ZHENG Jiaqiang,et al.A study of spary nozzle atomization performance and droplet deposition visual mode ［J］.J For Eng,2016,1（3）：91-96.

［3］ 張慧春，鄭加強，周宏平,等.轉籠式生物農藥霧化噴頭的性能試驗［J］.農業工程學報，2013,29（4）：63-70.ZHANG Huichun,ZHENG Jiaqiang,ZHOU Hongping,et al.Performance experiments of rotary cage atomizer for biological pesticide application ［J］.Transac Chin Soc Agric Eng,2013,29（4）：63-70.

［4］ HOFFMANN W C.Technical note：comparison of three imaging systems for water-sensitive papers ［J］.Appl Eng A-gric,2005,21（6）：961-964.

［5］ BAYAT A， BOZDOGAN N Y.An air-assisted spinning disc nozzle and its performance on spray deposition and reduction of drift potential［J］.Crop Prot,2005,24（11）：951-960.

［6］ 祁力鈞,傅澤田,高振江.轉子噴頭的霧滴軌跡及霧滴飄移性能［J］.中國農業大學學報，2002,7（2）：47-52.QI Lijun,FU Zetian,GAO Zhenjiang.Spray pattern and drift potential of a spinning disk ［J］.J China Agric Univ,2002,7（2）：47-52.

［7］ FOX R D,DERKSEN R C,ZHU Heping,et al.A history of air-blast sprayer development and future prospects ［J］.Transac ASABE,2008,51（2）：405-410.

［8］ 李銳， 李生才.生物農藥及其發展對策［J］.山西農業科學,2008,36（7）：74-76.LI Rui,LI Shengcai.Biopesticide and its developmental measure ［J］.J Shanxi Agric Sci,2008,36（7）：74-76.