果園噴霧機械及技術的研究現狀

王震濤 牛 浩 唐玉榮 劉 揚 蘭海鵬 張 宏

（塔里木大學機械電氣化工程學院，新疆 阿拉爾843300）

我國的果園總面積和總產量目前居世界第一。據國家統計局資料顯示，2016年全國果園面積達到12 981.55千公頃。現代果園植保作業常采用化學、物理、生物防治方法，其中化學防治法以防治及時、效率高，技術成熟而被全球廣泛使用。我國2018年農藥使用了337萬噸，利用率36.36%［1］，極少數的藥劑沉積在靶標上起到殺蟲作用［2］。其余沉積在土壤里彌漫到空氣中的農藥，危害了人的健康并使得病蟲害的抗藥性增加，這迫使人們尋找提高藥液利用率的高效噴霧技術。

目前，果園植保作業主要采用液體壓力式噴霧機和氣力式噴霧機進行病蟲害防治，但多數采用定量噴施，尚未達到精準對靶，智能噴施［3］。為了達到作業效果，只能增加施藥量，這促使科研工作者尋求新的果園噴霧技術與噴霧機械配合。而靜電噴霧技術和變量噴霧技術以較高的藥液利用率，良好的作業效果受到農業從業者的重點關注。本文將通過概述液體壓力式，氣力式噴霧機研究現狀，及靜電與變量噴霧技術進展，展望果園噴霧機械的發展趨勢。

1 液體壓力式噴霧機

法國最早使用手動噴霧器噴灑藥劑防治病蟲害［4］，隨后在美國被使用。1900年,汽油發動機運用到噴霧機，蘇聯隨后開展了航空植保作業，主要運用到森林與小麥，馬鈴薯等農作物上。上述的霧化方式為液力壓力霧化，即通過特殊裝置將液體呈霧狀噴射出去。通常液力式噴霧機械分為小型背負式液力噴霧機和大型機動式液力噴霧機。我國主要使用保有量世界第一的小型背負式液力噴霧機［5］。國外通常采用大型機動式液力噴霧機，由拖拉機牽引或自走。

目前大型機動式液力噴霧機是液力式噴霧機的主流。國外知名農機裝備公司，如Agrifac、約翰迪爾、凱斯、愛科、海吉、紐荷蘭、久保田等，設計生產了一系列成熟的自走式噴桿噴霧機。如約翰迪爾研發的4830自走式噴霧機，配備了BoomTrac Pro自動噴桿高度傳感器，智能顯示器，SprayStar噴量控制裝置，靜液壓驅動等技術。其作業幅寬可達36 m，具備16 H連續作業能力。

法國波爾圖(Berthoud)RAPTOR 4200自走式噴藥機，配備了Ectronic電子調控系統，可控制噴桿收張，噴灑，壓力流速，每畝噴藥量等各作業參數。Axiale噴桿懸掛系統，靜液壓驅動等，作業幅寬24-42 m，噴桿高度0.5-3.15 m可調。

圖1約翰迪爾4830自走式噴霧機

圖2法國波爾圖RAPTOR 4200自走式噴霧機

國內液力式噴霧機的作業噴幅，作業速度和噴藥質量難以適應先進農業生產的要求，因此國內科研院所，農機所與企業研發出一系列大型自走液力式噴霧機。如現代農裝科技股份有限公司研發了包括3WZG-650、3WZG-750、3WZG-3000A等大型高地隙自走式噴桿噴霧機，其中3WZG-3000A型號噴霧機集成了靜液壓驅動、獨立式空氣懸架、輪距調整、多輪液壓助力、變量噴霧、集成底盤等多項技術，作業幅寬20-24 m，噴桿作業高度可在0.6-2.2 m可調。噴桿采用自動平衡，有效減少噴桿不規律運動引起噴霧沉積均勻性變化的問題。

圖3 現代農裝3WZG-3000高地隙自走式噴桿噴霧機

圖4 門式噴桿結構的葡萄噴霧機

山東五征集團研發的3WP4-2000和3WP4-1800自走式噴霧機采用全液壓四輪驅動、高低速控制及防打滑技術，具有四輪轉向、蟹行轉向等多種轉向模式，并集成最新北斗GNSS導航系統和ARAG作業管理系統，具有導航自動駕駛功能。

小型背負式噴霧機由于結構簡單，操作方便，價格低廉被廣泛使用，但噴霧射程較短，藥液很難達到果樹的樹冠與中膛位置，且葉背附著率低。較少的運用于果園植保。機動液力式噴霧機有較大作業幅寬，較高的離地間隙，噴桿可布置成門式結構，被用于籬架型果園及果樹幼苗的植保作業。但國內的高地隙自走式噴霧機缺乏自己的核心技術，在發動機與噴頭方面的研究與國外仍然有一定差距。

2 氣力式噴霧機

氣力式噴霧機又稱風送式噴霧機，是現在國內外廣泛運用的果園植保機械。它將霧滴隨氣流運動送到果樹內膛，噴出的液滴經過二次碰撞破碎成粒徑更小的霧滴，同時氣流吹動葉片發生退讓，躲避，扭轉等運動，有效的增加葉片背部和內膛的藥液附著率。國內外對果園風送式噴霧機的噴霧機理與影響規律進行了探索，Crossa等的研究表明風速對于靶標沉積量的影響并非呈正比關系。Whitney等的試驗表明風機的氣流速度場分布影響霧滴的分布。Delele［6］等采用流體力學仿真探尋作業速度與噴霧質量的關系。仿真結果表明：作業中的風送式噴霧機速度衰減系數與拖拉機牽引力和氣流出口速度成正比。周海燕［8］發現霧滴的直徑越小和氣流速度越相仿，探尋了風輪葉片數、角度對風輪轉速的影響。戴奮奮［7］指出對于風送式噴霧機的風量的確定，要考慮風力末速度。國內外科研工作者針對不同的作業對象研制出一系列風送式噴霧機，如表1所示。

表1 風送式噴霧機

（續表）

風送式噴霧機可以將藥液隨氣流送到果樹冠層內部，能有效的減小霧滴粒徑［33］，提高葉片背部附著率［34］［35］，現有的風送式噴霧機的研究主要集中在以下三個方面：

（1）風機結構對植保效果的影響。風機作為一個主要部件，它的結構影響著風機的氣流速度場分布，進而影響噴霧效果，通過改變風機的導流板以及外形結構達到理想的效果。

（2）技術參數對噴霧效果的影響，主要研究了拖拉機行駛速度、風速、噴霧距離等因素對噴霧效果的影響，研究其影響規律并改進噴霧方式，提升噴霧效果。

（3）對變量噴霧技術、仿形技術、靜電噴霧技術與風送式噴霧機相結合的研究，發現風送式噴霧機具有很好的兼容性，通過對不同技術融合，用藥量明顯減少且噴霧效果明顯提高。

隨著時代的發展，國家對生態環境和人體健康的關注，以及氣液力噴霧硬件的穩步發展，越來越多的科研工作者投入到環保高效型施藥技術的研究上，靜電噴霧技術，變量噴霧技術以有效提高農藥沉積率，減少農藥漂移，更好的滿足節水省藥的作業要求等特點受到廣泛關注。

3 靜電式噴霧技術

靜電噴霧作為高效低污染新型施藥技術，受到國內外學者的廣泛關注。1745年的Bose首次提到液體靜電霧化的現象，1882年的Rayleigh，1940年法國Hampe在實驗室中進行了靜電噴霧實驗［36］。靜電噴霧技術應用到植保器械中首次出現在美國專利4 356 528中。該技術在噴霧過程中噴頭與靶標之間建立靜電場，藥液經噴頭攜帶上與靶標極性相反的電荷，由于藥液和噴頭極性相同，與靶標所帶電荷相反，在靜電力與其他外力的共同作用下，荷電霧滴被吸引到靶標，并附著在靶標的各個部位［37-39］。由于靜電力的作用，霧滴漂移極大減少，并均勻的附著在葉片的正面與背部。

圖5 紫外光下荷電霧滴在葉片沉積狀態

圖6 液力式噴霧在葉片上的沉積

Rayleigh率先對靜電噴霧進行相關的理論研究，提出了Rayleigh極限，即帶電液滴能夠維持平衡狀態的最大帶電量。在這之后Drozin、Hendricks、Kelly等人在噴霧過程中液體錐面的成因和霧滴破碎機理等方面作了報道［40］。Castleman和Meyer的研究認為霧滴從液膜破裂成液絲進一步破碎成霧滴［41］。Rash研究了液膜破碎成霧滴的直徑計算公式［42］。美國喬治亞大學［43］率先將噴頭為嵌入電極-靜電感應噴頭的機動靜電噴霧機用于棉田作業，隨后被美國ESS公司買入了其研制出的靜電噴霧系統(ESS)和氣助式靜電噴霧系統(AA-ESS)，研制出一批用于葡萄園，溫室等的靜電噴霧機，跟普通施藥方式相比有效藥液噴灑量增加了55%［44］。英國科學家［45］通過風洞研究了噴嘴高度，噴嘴直徑，霧滴帶電量以及風速對靜電噴霧沉積效果的影響，并給出相應的數學模型。并研制了一種轉盤式靜電噴頭，該噴頭將感應電極于轉盤同軸旋轉，有效解決了電荷泄露的問題［46］。德國［47］曾經對多種噴霧機械用不同的充電方式進行靜電噴霧的研究，發現電暈充電法適于普通田間噴霧機，與沒有加裝靜電噴霧裝置的噴霧機相比，靜電噴霧藥液沉積率顯著增加且小霧滴更容易沉積。韓國忠北國立大學的Gabriel［48］研究了壓力旋流霧化噴頭在靜電場中的霧化特性。結果表明噴頭在荷質比0.27 mc/kg，流量0.19 L/min，霧滴體積中徑11 um，電壓4 000 v時，該噴頭的沉積效果最佳。以色列的Gan-Mor［49］對靜電扇形噴頭的電極位置與作業后藥液沉積量進行了研究，結果表明該噴頭的荷電霧滴比普通噴頭的霧滴更易沉積在植物的葉背處，具有良好的藥液沉積效果。印度的Venkata［50］針對普通農戶設計了一種背負式靜電噴霧裝置，并優化其技術參數增加了背負式靜電噴霧機的可靠性。加拿大的Zhao［51］對靜電霧化噴頭進行了分析研究，并把靜電噴霧過程中的電流分為五類。研究結果表明，當電壓突破臨界最大電壓時，繼續增大電壓，靶標上的電荷量不再增加。中國的牛萌萌［52］針對丘陵地區設計了一種在線混藥型靜電噴霧機，發現噴霧角度影響藥液沉積，有風時不適合靜電噴霧機作業。何雄奎［53］將靜電噴霧與紅外線傳感器，風送式噴霧機結合。試驗結果表明霧滴均勻附著在葉片正反面，用藥量減少50%。

靜電式噴霧機噴出的霧滴在靜電力的作用下，霧滴更容易吸附在葉片的正反面，且用藥量減少，作業效果比液力式噴霧機優良。靜電噴頭作為靜電噴霧技術的核心部件，工作機理與噴頭機構受到各國科研工作者的重點關注。但靜電噴霧技術因不夠成熟，價格昂貴等原因并沒有得到廣泛推廣，國內靜電式噴霧機目前還處在樣機的階段，產業化水平有待提高。

4 變量噴霧技術

傳統果園噴霧機以常量噴霧作用于靶標，其施藥作業參數不能根據果樹冠層及病害位置自動調節。進而造成沉積在葉片上的藥液不均勻，導致局部施藥量過多或漏噴，影響農藥有效利用率，甚至嚴重影響到果品品質。故開展對果園變量噴霧技術的研究是藥液高效利用的必然趨勢。目前國內外對于精準對靶方法的研究主要是利用機器視覺，紅外傳感器，視覺傳感器，超聲波傳感器一種或多種組合傳感方式，通過流量控制系統，根據反饋信息，精準判斷目標的有無及靶標的位置。隨著外界作業條件的變化來改變作業參數。對噴霧作業進行最高效益的優化。國內外做了很多變量噴霧技術的研究，詳見表2。

表2 變量噴霧技術研究

變量噴霧技術的研究，目前集中在靶標識別技術和流量控制系統，通過表2可以看出，使用變量技術的噴霧機與傳統噴藥方式相比節藥50%以上，目前對靶識別成功率達到60%以上。能很好地實現靶標識別，變量噴施。但傳感器及控制系統價格昂貴，精準識別靶標的成功率還有待提高，且流量控制系統的響應有延遲，造成了一定的藥液浪費。無論是液力式噴霧機還是風送式噴霧機均可與精準對靶控制系統良好的結合在一起。隨著環保要求的提高與智能化農業的普及，未來的果園噴霧機械上變量噴霧技術的應用將得到很大的發展。

5 發展趨勢

上述四個方面梳理了果園噴霧機械及技術的研究現狀，為改善果園噴霧機械作業性能，提高噴霧質量，結合上述國內外研究，總結出值得關注的幾個方面。

5.1 自動化噴霧系統集成研究與產品化

隨著社會經濟發展水平的提高和我國人口老齡化，今后我國的主要人員將流向第二產業和第三產業，這對于農業機械的自動化是機遇也是挑戰，針對精準對靶技術，藥量及風量控制等技術發展水平和產業化不同的問題，分步驟開展自動化噴霧系統的研究亟待展開，今后的噴霧機械會逐漸淘汰那些功耗大，效率低的噴霧機械，轉向精準對靶，智能噴施的噴霧機械。

5.2 果園藥量控制方法與系統開發

傳統的噴藥方式大多數藥液流失到空氣與土壤里，造成了環境污染和人中毒，也造成病害的抗藥性增加。可持續發展要求噴霧機械提高藥液利用率，從總管道的流量控制與噴頭的流量控制亟需技術集成與優化，到與靶標識別與靜電噴霧技術深入與結合，國內科研院所一方面要關注國外農業裝備公司產品的缺陷，有針對性的研發。另一方面針對市場的需求，集成先進控制技術研發受市場歡迎的藥量控制系統與噴霧機械。

5.3 農機農藝融合

我國地域遼闊地勢復雜，各地的果園種植模式各有特色。隨著對農業產業的不斷調控，今后經濟類果園以及設施果園的面積不斷增大，目前我國的植保機械水平將遠不能滿足，應加強農機與園藝之間的配套程度，積極推動噴霧機械產品研發，生產與推廣，促進適于機械化生產的新農藝，農機農藝不斷融合促進，進一步提高作業效率，增加果品品質。

6 結語

隨著農業生產的發展，生產規模的擴大，要求果園噴霧機械的作業效率，噴霧質量，工作性能不斷提高。綜上可知，液力式噴霧機技術成熟，生產了數量眾多的小型背負式噴霧機和作業幅寬大，作業效率高的機動式噴霧機，但我國的高地隙自走式噴霧機的發動機、智能控制系統、產品可靠性仍與國外有差距；氣力式噴霧機作為果園噴霧的主流機械，受到了廣泛的關注與研究。其風機結構等技術參數對噴霧效果的影響取得了一定的成果，但針對不同作業對象，仍需針對性的開發；靜電噴霧技術使霧滴在靜電力，重力，氣流曳力的作用下沉積在靶標上，具有較高的藥液利用率。但還需對靜電場下霧滴飄移，穿透特性進行研究，并尋求一種價格低廉兼顧作業效果的靜電噴頭；果園變量噴霧技術具有廣闊的應用前景，與噴霧機械有良好的適配性，但現在還處在樣機階段沒有得到廣泛的運用，需要以快速識別靶標與流量調整等技術為重點攻克目標，模塊化植入以實現工程運用；在未來根據作業對象，以合適的噴霧機械搭載靜電噴霧，變量噴霧技術提高藥液利用率將成為果園噴霧機械的主要趨勢。