車載式果園靜電噴霧機的研制

薛楊春，崔 恩，黨革榮

(西北農林科技大學機械與電子工程學院，陜西楊凌 712100)

隨著我國經濟的發展，人們對果蔬的品質要求越來越高。在果園管理中，病蟲害的防治是一項非常重要的工作，果樹在一年中要噴施農藥 10次左右[1]。雖然近幾年我國果園機械取得飛速發展，但是由于機器造價昂貴以及機身較大無法適應普通果園，當前我國大多數果園還在使用背負式噴霧器、手持噴槍等十分耗費人力，效率又很低的機械，這些機械防治效果差而且勞動強度大，對操作者危害大。由于不能及時有效地防治病蟲害，造成施藥次數過多、藥劑量過大與病蟲害反復蔓延的惡性循環，大量噴施農藥造成土壤、水體、空氣等的污染，更嚴重的是導致了農產品中農藥殘留超標和病蟲害抗藥性增加等問題[2-5]，危害人類健康。

傳統的施藥器械需要手持噴槍或者背負噴霧器滿地跑，費時費力費藥，對操作者危害大，并且作業效率低。基于傳統噴霧器的不足，筆者經過長期調查研究，在充分消化吸收我國現有植保機械先進技術的基礎上，結合我國果園實際情況，研制了車載式果園靜電噴霧機，并進行對比試驗。

1 總體結構與工作原理

1.1總體結構整機分為兩部分，一部分是動力傳動系統, 另一部分是靜電系統，如圖1所示。其中，動力傳動部分包括驅動軸、液泵、水管、藥箱和噴架裝置等；靜電系統包括電瓶、靜電發生器、簡易開關和靜電噴頭等。采用噴架裝置懸掛于農用三輪車尾部的方式，具體參數如下所示：三輪車外形尺3.5 m×1.2 m×1.3 m(長×寬×高)；作業速度3～5 km/h；配套動力11～13 kW/h；檔位3個；藥箱容積1 200 L；液泵型號為48 V三缸柱塞泵。

注：1.方向盤； 2.液泵； 3.藥箱； 4.靜電裝置； 5.機架； 6.靜電噴頭；7.噴桿； 8.后輪； 9.水箱； 10.油箱； 11.驅動軸； 12.前輪Note:1.Steering wheel;2.Liquid pump;3.Medicine box;4.Electrostatic device;5.Rack;6.Electrostatic sprinkler;7.Spray rod;8.Rear wheel;9.Water tank;10.Fuel tank;11.Drive shaft;12.Front wheel圖1 總機結構簡圖Fig.1 Schematic diagram of total machine structure

1.2工作原理動力傳動系統，由三輪車動力輸出軸驅動液泵工作，液泵具有進水口、出水口和回流口，藥箱中藥液通過水管從進水口進入液泵，一些藥液從回流口流入藥箱，起到攪拌和減壓作用，另一些藥液從出水口通過水管進入噴桿裝置，噴出藥液。靜電系統，基于靜電感應的原理，采用電極嵌入式靜電感應噴頭，電極位于噴嘴處并通過導線與靜電發生器相連，可使噴嘴具有正的或負的高壓靜電，利用高壓靜電在噴嘴與噴霧目標之間建立一靜電場，當噴射液體流經噴頭霧化后，通過感應充電的方法被充上與噴嘴極性相同的電荷，形成群體帶電霧滴(霧滴云)，然后在靜電力、壓力等聯合作用下，以極高速度傳遞到植物冠體并吸附在目標上，中間連接一個簡易開關，方便控制，噴藥效果更好。工作時先啟動液泵噴霧，再閉合靜電開關，停止時先斷開靜電開關，再關閉液泵。工作原理如圖2所示。

2 關鍵部件的設計與選型

2.1噴桿裝置設計藥箱放置在三輪車上，現用現放，噴架能方便安裝和拆卸，該設計可以使三輪車實現多種用途，不打藥時運輸貨物。機架通過抓桿和橫桿可固定掛接于三輪車尾部，噴桿安裝在機架上，機架上有2個活動開關，通過調節機架的長度可調節噴霧角度，并且每個噴頭都有自己的開關以及轉盤，可以通過控制開關及轉角，適應不同栽培品種和種植模式。噴桿是由鍍鋅鋼管制作而成，以下是通過二維圖形和三維圖形設計噴桿裝置，具體的模型如圖3所示。

圖2 工作原理Fig.2 Fundamental diagram

噴桿裝置具體參數如下：上底×下底×斜邊長為700 mm×800 mm×500 mm；上底和下底可伸縮長度300 mm；相鄰2個噴頭之間距離100 mm；噴桿直徑20 mm。

注：1.進水口； 2.靜電噴頭； 3.噴桿； 4.活動開關； 5.機架； 6機架橫桿；7.機架抓桿Note: 1.Intake;2.Electrostatic sprinkler;3.Spray rod;4.Movable switch;5.Rack;6.Rack cross bar;7.Rack lever圖3 噴桿裝置Fig.3 Spray rod device

2.2靜電噴頭靜電噴頭是一種電極嵌入式靜電感應噴頭，電極位于噴嘴處并通過導線與靜電發生器相連，采用塑料結構，4分管，外徑為20～22 mm，帶防滴漏，極大地避免漏電，防止漏電造成不必要的損失，利用螺釘很容易安裝在噴桿上，靜電噴頭及安裝情況如圖4所示。

注：1.噴桿； 2.靜電噴頭Note:1.Spray rod;2.Electrostatic spray head圖4 靜電噴頭裝置Fig.4 Electrostatic sprinkler system

2.3靜電系統的設計靜電系統以12 V電瓶為電源，選用BSD50-1218高壓靜電發生器(圖5)，其供電電壓為12～18 V, 可產生50～100 kV高壓靜電, 為了防止因高壓靜電發生器損壞導致工作中斷, 采用每個噴頭配一個高壓靜電發生器, 并聯提供高壓靜電。由于高壓靜電發生器產生的電壓較高,因此進行絕緣處理。

2.4液泵的選型該噴霧機使用的液泵為三缸柱塞泵，型號為48 V，從圖6可以看出，柱塞泵有1個轉輪，通過皮帶與農用三輪車驅動輪相連，帶動柱塞泵工作，柱塞泵側面有一個進水口，正面有2個出水口和1個回流口，柱塞泵有1個活塞閥可以調節壓力，顯示屏可顯示壓力大小。出水口各有1個開關，控制出水量大小。工作時，藥液通過進水口從藥箱進入液泵，再從出水口經水管進入噴桿裝置或從回流口經水管進入藥箱。

圖5 靜電發生器Fig.5 Electrostatic generator

3 性能試驗

性能試驗選擇在實驗室進行，試驗儀器包括量筒、秒表、測量尺、紅色墨水和帶有白紙的測量桿等。

3.1噴頭噴霧量的測定試驗首先測定了噴頭的噴霧量，通過查閱資料，噴霧壓力一般為0.2～0.4 MPa，因此調整噴霧壓力分別為0.2、0.3、0.4 MPa，測定時間為60 s，用量筒承接噴頭噴出的水，試驗重復8次。試驗結果見表1。

從表1可以看出，在一定范圍內，隨著噴霧壓力的增大，噴霧量也會增多。綜合考慮，應調整噴霧壓力在0.4 MPa。

3.2噴霧半徑的測定在實驗室無風條件下，使用混合紅色墨水的水作為試驗用水，對噴霧機進行試驗，調整噴頭方向為水平，讓帶有白紙的測量桿橫向放置在噴桿裝置旁邊，測量在噴霧壓力為0.4 MPa下最遠噴施藥液距離；同理，調整噴頭方向為豎直，測量在噴霧壓力為0.4 MPa下噴施藥液的高度，多次測量，記錄結果如表2所示。

注：1.轉輪；2.活塞閥；3.壓力顯示屏；4.二分出水口；5.回流口；6.進水口Note:1.Runner;2.Piston valve;3.Pressure display screen;4.Two out of the water part;5.Reflux mouth;6.Water intake圖6 液泵Fig.6 Liquid pump

通過試驗可以看出，噴霧機噴出藥液半徑為2.0～2.5 m，一般果樹行距為3.0～5.0 m，因此可以滿足使用。

4 田間試驗

4.1試驗地點2017年7月10日在山西省運城市優質桃生產示范園進行試驗。經測量，三輪車寬1.2 m，高1.3 m ，該桃園株距2.5～3.0 m、行距3.5～4.5 m、平均樹高2.2～2.8 m、平均冠徑1.8～2.2 m，可以滿足使用。

4.2試驗方法依據GB/T 17997—2008《農藥噴霧機(器)田間操作規程及噴灑質量評定》對車載式果園靜電噴霧機進行噴霧試驗[6]。

選擇3行桃樹，隨機在多棵桃樹上做下標記，在這些桃樹樹冠上中下3層分別選擇3片葉子，在每片葉子正反面放置水敏紙，測量霧滴沉積覆蓋率。分別使用傳統手持式噴霧機與安裝普通噴頭和靜電噴頭的車載式噴霧機進行分行試驗。

4.3試驗結果首先，使用傳統手持式噴霧機對1行桃樹進行噴霧試驗，接著,安裝普通噴頭與靜電噴頭的車載式果園噴霧機在噴霧壓力0.4 MPa，行駛速度1.13 m/s對另2行桃樹進行噴霧試驗，試驗結果見表3。

4.4試驗結論(1)車載式果園靜電噴霧機采用農用三輪車輸出動力，實現農用車輛的多種用途，同時該機械結構緊湊，通過性好，能夠滿足低矮密植果園的作業要求。

表1 噴霧量

表2 噴霧距離

(2)為了適應不同種植品種與種植模式，在這里設計了噴頭-開關-轉盤的噴頭安裝模式，通過調控噴頭的開關、方向以及噴桿的活動開關實現對不同果園噴霧，從而實現噴霧機的普遍適用性。

(3)采用靜電噴頭，相比普通噴頭更能提高噴霧機作業效率，尤其植物背面和隱蔽部位藥液沉積量大大提高，防治效果更好，霧滴在植物表面的沉積和分布更多，同時細小霧滴的飄移和地面無效沉積更少，有效保護環境，提高經濟效益。

5 車載式果園靜電噴霧機效益分析

5.1經濟效益車載式果園靜電噴霧機采用懸掛架直接將噴桿衍架裝置掛接于農用三輪車尾部，有效地使用了三輪車，無需再為噴霧機購買拖拉機，直接省去了該費用。此外，車載式果園靜電噴霧機只需一人操作，極大地解放了勞動力。

表3 噴霧機田間試驗結果

靜電霧滴具有環繞、穿透、更加均勻的特性,能夠極大地提高農藥的利用率，增強其防治效果,能夠降低施藥成本,保護環境，減少污染[7]。該試驗中，靜電噴霧明顯提高了藥液在噴灑目標表面，特別是目標背面的覆蓋率，減少了細小霧滴的飄移，噴霧效果明顯提高。比常規植保機具顯著地提高了農藥利用率、降低了施藥成本并減少了環境污染，經濟效益顯著。

5.2社會效益該產品設計簡單，使用方便，減少了人力，降低了勞動強度和生產作業成本，有利于提高收入，可以大范圍推廣，促進果園產業化、規模化生產。另外，車載式果園靜電噴霧機顯著地提高了農藥利用率，減少了農藥殘留，降低了對環境的污染，極大地保障了國民的食品安全以及生活環境安全。該設計基本能夠適用山西及全國各種果園，可以大范圍推廣使用，極大改善噴藥作業環境，對林果業的可持續發展和社會繁榮穩定有重要貢獻。

6 結論

目前我國果園仍以家庭小規模種植為主，車載式果園靜電噴霧機的開發符合我國果園實際情況，能夠在我國廣大農村得到推廣，對促進林果業科技進步、加快林果業發展、提高林果業機械化水平具有重要意義。

截至2012年，山西省水果業總產值就高達 183.75 億元，面積和產量均是全國第一，生產規模龐大[8]。但是山西省現有果園植保機具少，農藥有效利用率低、污染大，已經嚴重危害生態環境。大量噴施農藥，也使病蟲害的抗藥性增強，導致農作物產量低、品質差，迫使農藥用量越來越大，形成惡性循環。另外，化學農藥的大量使用，造成化學物質在生物環境中積累，在農產品中殘留，進入生物鏈后潛藏著巨大的危險[9]，嚴重危及人類健康。隨著經濟的發展，人們對果蔬品質要求越來越高，果業產業化、機械化及綠色無公害生產已成為人們的迫切需求。

新研制的車載式果園靜電噴霧機，使用方便，價格低廉，而且效率高、污染少，滿足全國各種果園使用，十分符合國家的環保和“三農”政策，極具市場潛力，其推廣應用將會帶來顯著的經濟效益和社會效益。

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