車載式果園靜電噴霧機(jī)的研制

薛楊春，崔 恩，黨革榮

(西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西楊凌 712100)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)果蔬的品質(zhì)要求越來越高。在果園管理中，病蟲害的防治是一項(xiàng)非常重要的工作，果樹在一年中要噴施農(nóng)藥 10次左右[1]。雖然近幾年我國(guó)果園機(jī)械取得飛速發(fā)展，但是由于機(jī)器造價(jià)昂貴以及機(jī)身較大無法適應(yīng)普通果園，當(dāng)前我國(guó)大多數(shù)果園還在使用背負(fù)式噴霧器、手持噴槍等十分耗費(fèi)人力，效率又很低的機(jī)械，這些機(jī)械防治效果差而且勞動(dòng)強(qiáng)度大，對(duì)操作者危害大。由于不能及時(shí)有效地防治病蟲害，造成施藥次數(shù)過多、藥劑量過大與病蟲害反復(fù)蔓延的惡性循環(huán)，大量噴施農(nóng)藥造成土壤、水體、空氣等的污染，更嚴(yán)重的是導(dǎo)致了農(nóng)產(chǎn)品中農(nóng)藥殘留超標(biāo)和病蟲害抗藥性增加等問題[2-5]，危害人類健康。

傳統(tǒng)的施藥器械需要手持噴槍或者背負(fù)噴霧器滿地跑，費(fèi)時(shí)費(fèi)力費(fèi)藥，對(duì)操作者危害大，并且作業(yè)效率低。基于傳統(tǒng)噴霧器的不足，筆者經(jīng)過長(zhǎng)期調(diào)查研究，在充分消化吸收我國(guó)現(xiàn)有植保機(jī)械先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)果園實(shí)際情況，研制了車載式果園靜電噴霧機(jī)，并進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1總體結(jié)構(gòu)整機(jī)分為兩部分，一部分是動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng), 另一部分是靜電系統(tǒng)，如圖1所示。其中，動(dòng)力傳動(dòng)部分包括驅(qū)動(dòng)軸、液泵、水管、藥箱和噴架裝置等；靜電系統(tǒng)包括電瓶、靜電發(fā)生器、簡(jiǎn)易開關(guān)和靜電噴頭等。采用噴架裝置懸掛于農(nóng)用三輪車尾部的方式，具體參數(shù)如下所示：三輪車外形尺3.5 m×1.2 m×1.3 m(長(zhǎng)×寬×高)；作業(yè)速度3～5 km/h；配套動(dòng)力11～13 kW/h；檔位3個(gè)；藥箱容積1 200 L；液泵型號(hào)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(jī)架； 6.靜電噴頭；7.噴桿； 8.后輪； 9.水箱； 10.油箱； 11.驅(qū)動(dòng)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(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Schematic diagram of total machine structure

1.2工作原理動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，由三輪車動(dòng)力輸出軸驅(qū)動(dòng)液泵工作，液泵具有進(jìn)水口、出水口和回流口，藥箱中藥液通過水管從進(jìn)水口進(jìn)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(jìn)入噴桿裝置，噴出藥液。靜電系統(tǒng)，基于靜電感應(yīng)的原理，采用電極嵌入式靜電感應(yīng)噴頭，電極位于噴嘴處并通過導(dǎo)線與靜電發(fā)生器相連，可使噴嘴具有正的或負(fù)的高壓靜電，利用高壓靜電在噴嘴與噴霧目標(biāo)之間建立一靜電場(chǎng)，當(dāng)噴射液體流經(jīng)噴頭霧化后，通過感應(yīng)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(lián)合作用下，以極高速度傳遞到植物冠體并吸附在目標(biāo)上，中間連接一個(gè)簡(jiǎn)易開關(guān)，方便控制，噴藥效果更好。工作時(shí)先啟動(dòng)液泵噴霧，再閉合靜電開關(guān)，停止時(shí)先斷開靜電開關(guān)，再關(guān)閉液泵。工作原理如圖2所示。

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)與選型

2.1噴桿裝置設(shè)計(jì)藥箱放置在三輪車上，現(xiàn)用現(xiàn)放，噴架能方便安裝和拆卸，該設(shè)計(jì)可以使三輪車實(shí)現(xiàn)多種用途，不打藥時(shí)運(yùn)輸貨物。機(jī)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(jī)架上，機(jī)架上有2個(gè)活動(dòng)開關(guān)，通過調(diào)節(jié)機(jī)架的長(zhǎng)度可調(diào)節(jié)噴霧角度，并且每個(gè)噴頭都有自己的開關(guān)以及轉(zhuǎn)盤，可以通過控制開關(guān)及轉(zhuǎn)角，適應(yīng)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(shè)計(jì)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(shù)如下：上底×下底×斜邊長(zhǎng)為700 mm×800 mm×500 mm；上底和下底可伸縮長(zhǎng)度300 mm；相鄰2個(gè)噴頭之間距離100 mm；噴桿直徑20 mm。

注：1.進(jìn)水口； 2.靜電噴頭； 3.噴桿； 4.活動(dòng)開關(guān)； 5.機(jī)架； 6機(jī)架橫桿；7.機(jī)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(yīng)噴頭，電極位于噴嘴處并通過導(dǎo)線與靜電發(fā)生器相連，采用塑料結(jié)構(gòu)，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(tǒng)的設(shè)計(jì)靜電系統(tǒng)以12 V電瓶為電源，選用BSD50-1218高壓靜電發(fā)生器(圖5)，其供電電壓為12～18 V, 可產(chǎn)生50～100 kV高壓靜電, 為了防止因高壓靜電發(fā)生器損壞導(dǎo)致工作中斷, 采用每個(gè)噴頭配一個(gè)高壓靜電發(fā)生器, 并聯(lián)提供高壓靜電。由于高壓靜電發(fā)生器產(chǎn)生的電壓較高,因此進(jìn)行絕緣處理。

2.4液泵的選型該噴霧機(jī)使用的液泵為三缸柱塞泵，型號(hào)為48 V，從圖6可以看出，柱塞泵有1個(gè)轉(zhuǎn)輪，通過皮帶與農(nóng)用三輪車驅(qū)動(dòng)輪相連，帶動(dòng)柱塞泵工作，柱塞泵側(cè)面有一個(gè)進(jìn)水口，正面有2個(gè)出水口和1個(gè)回流口，柱塞泵有1個(gè)活塞閥可以調(diào)節(jié)壓力，顯示屏可顯示壓力大小。出水口各有1個(gè)開關(guān)，控制出水量大小。工作時(shí)，藥液通過進(jìn)水口從藥箱進(jìn)入液泵，再?gòu)某鏊诮?jīng)水管進(jìn)入噴桿裝置或從回流口經(jīng)水管進(jìn)入藥箱。

圖5 靜電發(fā)生器Fig.5 Electrostatic generator

3 性能試驗(yàn)

性能試驗(yàn)選擇在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)儀器包括量筒、秒表、測(cè)量尺、紅色墨水和帶有白紙的測(cè)量桿等。

3.1噴頭噴霧量的測(cè)定試驗(yàn)首先測(cè)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(diào)整噴霧壓力分別為0.2、0.3、0.4 MPa，測(cè)定時(shí)間為60 s，用量筒承接噴頭噴出的水，試驗(yàn)重復(fù)8次。試驗(yàn)結(jié)果見表1。

從表1可以看出，在一定范圍內(nèi)，隨著噴霧壓力的增大，噴霧量也會(huì)增多。綜合考慮，應(yīng)調(diào)整噴霧壓力在0.4 MPa。

3.2噴霧半徑的測(cè)定在實(shí)驗(yàn)室無風(fēng)條件下，使用混合紅色墨水的水作為試驗(yàn)用水，對(duì)噴霧機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，調(diào)整噴頭方向?yàn)樗剑寧в邪准埖臏y(cè)量桿橫向放置在噴桿裝置旁邊，測(cè)量在噴霧壓力為0.4 MPa下最遠(yuǎn)噴施藥液距離；同理，調(diào)整噴頭方向?yàn)樨Q直，測(cè)量在噴霧壓力為0.4 MPa下噴施藥液的高度，多次測(cè)量，記錄結(jié)果如表2所示。

注：1.轉(zhuǎn)輪；2.活塞閥；3.壓力顯示屏；4.二分出水口；5.回流口；6.進(jìn)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(yàn)可以看出，噴霧機(jī)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(yàn)

4.1試驗(yàn)地點(diǎn)2017年7月10日在山西省運(yùn)城市優(yōu)質(zhì)桃生產(chǎn)示范園進(jìn)行試驗(yàn)。經(jīng)測(cè)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(yàn)方法依據(jù)GB/T 17997—2008《農(nóng)藥噴霧機(jī)(器)田間操作規(guī)程及噴灑質(zhì)量評(píng)定》對(duì)車載式果園靜電噴霧機(jī)進(jìn)行噴霧試驗(yàn)[6]。

選擇3行桃樹，隨機(jī)在多棵桃樹上做下標(biāo)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(cè)量霧滴沉積覆蓋率。分別使用傳統(tǒng)手持式噴霧機(jī)與安裝普通噴頭和靜電噴頭的車載式噴霧機(jī)進(jìn)行分行試驗(yàn)。

4.3試驗(yàn)結(jié)果首先，使用傳統(tǒng)手持式噴霧機(jī)對(duì)1行桃樹進(jìn)行噴霧試驗(yàn)，接著,安裝普通噴頭與靜電噴頭的車載式果園噴霧機(jī)在噴霧壓力0.4 MPa，行駛速度1.13 m/s對(duì)另2行桃樹進(jìn)行噴霧試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

4.4試驗(yàn)結(jié)論(1)車載式果園靜電噴霧機(jī)采用農(nóng)用三輪車輸出動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)農(nóng)用車輛的多種用途，同時(shí)該機(jī)械結(jié)構(gòu)緊湊，通過性好，能夠滿足低矮密植果園的作業(yè)要求。

表1 噴霧量

表2 噴霧距離

(2)為了適應(yīng)不同種植品種與種植模式，在這里設(shè)計(jì)了噴頭-開關(guān)-轉(zhuǎn)盤的噴頭安裝模式，通過調(diào)控噴頭的開關(guān)、方向以及噴桿的活動(dòng)開關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同果園噴霧，從而實(shí)現(xiàn)噴霧機(jī)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(jī)作業(yè)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(shí)細(xì)小霧滴的飄移和地面無效沉積更少，有效保護(hù)環(huán)境，提高經(jīng)濟(jì)效益。

5 車載式果園靜電噴霧機(jī)效益分析

5.1經(jīng)濟(jì)效益車載式果園靜電噴霧機(jī)采用懸掛架直接將噴桿衍架裝置掛接于農(nóng)用三輪車尾部，有效地使用了三輪車，無需再為噴霧機(jī)購(gòu)買拖拉機(jī)，直接省去了該費(fèi)用。此外，車載式果園靜電噴霧機(jī)只需一人操作，極大地解放了勞動(dòng)力。

表3 噴霧機(jī)田間試驗(yàn)結(jié)果

靜電霧滴具有環(huán)繞、穿透、更加均勻的特性,能夠極大地提高農(nóng)藥的利用率，增強(qiáng)其防治效果,能夠降低施藥成本,保護(hù)環(huán)境，減少污染[7]。該試驗(yàn)中，靜電噴霧明顯提高了藥液在噴灑目標(biāo)表面，特別是目標(biāo)背面的覆蓋率，減少了細(xì)小霧滴的飄移，噴霧效果明顯提高。比常規(guī)植保機(jī)具顯著地提高了農(nóng)藥利用率、降低了施藥成本并減少了環(huán)境污染，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

5.2社會(huì)效益該產(chǎn)品設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，使用方便，減少了人力，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度和生產(chǎn)作業(yè)成本，有利于提高收入，可以大范圍推廣，促進(jìn)果園產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化生產(chǎn)。另外，車載式果園靜電噴霧機(jī)顯著地提高了農(nóng)藥利用率，減少了農(nóng)藥殘留，降低了對(duì)環(huán)境的污染，極大地保障了國(guó)民的食品安全以及生活環(huán)境安全。該設(shè)計(jì)基本能夠適用山西及全國(guó)各種果園，可以大范圍推廣使用，極大改善噴藥作業(yè)環(huán)境，對(duì)林果業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和社會(huì)繁榮穩(wěn)定有重要貢獻(xiàn)。

6 結(jié)論

目前我國(guó)果園仍以家庭小規(guī)模種植為主，車載式果園靜電噴霧機(jī)的開發(fā)符合我國(guó)果園實(shí)際情況，能夠在我國(guó)廣大農(nóng)村得到推廣，對(duì)促進(jìn)林果業(yè)科技進(jìn)步、加快林果業(yè)發(fā)展、提高林果業(yè)機(jī)械化水平具有重要意義。

截至2012年，山西省水果業(yè)總產(chǎn)值就高達(dá) 183.75 億元，面積和產(chǎn)量均是全國(guó)第一，生產(chǎn)規(guī)模龐大[8]。但是山西省現(xiàn)有果園植保機(jī)具少，農(nóng)藥有效利用率低、污染大，已經(jīng)嚴(yán)重危害生態(tài)環(huán)境。大量噴施農(nóng)藥，也使病蟲害的抗藥性增強(qiáng)，導(dǎo)致農(nóng)作物產(chǎn)量低、品質(zhì)差，迫使農(nóng)藥用量越來越大，形成惡性循環(huán)。另外，化學(xué)農(nóng)藥的大量使用，造成化學(xué)物質(zhì)在生物環(huán)境中積累，在農(nóng)產(chǎn)品中殘留，進(jìn)入生物鏈后潛藏著巨大的危險(xiǎn)[9]，嚴(yán)重危及人類健康。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)果蔬品質(zhì)要求越來越高，果業(yè)產(chǎn)業(yè)化、機(jī)械化及綠色無公害生產(chǎn)已成為人們的迫切需求。

新研制的車載式果園靜電噴霧機(jī)，使用方便，價(jià)格低廉，而且效率高、污染少，滿足全國(guó)各種果園使用，十分符合國(guó)家的環(huán)保和“三農(nóng)”政策，極具市場(chǎng)潛力，其推廣應(yīng)用將會(huì)帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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