接觸式和感應式復合作用多旋翼航空靜電噴藥裝置研制

楊志磊，劉 沁，沈衛國，吳少欽，謝 偉，郭文松※

（ 1.塔里木大學機械電氣化工程學院，新疆 阿拉爾843300；2.阿拉爾市鐵漫植保服務有限責任公司；3.太倉市金港植保器械科技有限公司）

0 引言

據統計，我國2012-2014 年農作物病蟲害防治農藥年均使用量31.1 萬t， 比2009～2011 年增長9.2%[1]。目前，我國農藥平均利用率僅為35%，大部分農藥通過徑流、滲漏、飄移等流失，污染土壤、水環境，影響農田生態環境安全[2]。

2015 年農業部發布了 《到2020 年農藥使用量零增長行動方案》，行動方案明確指出：“降低化學農藥使用量和農藥利用率的主要方法是：推廣新型高效植保機械，因地制宜推廣自走式噴桿噴霧機、高效常溫煙霧機、固定翼飛機、直升機、植保無人機等現代植保機械，采用低容量噴霧、靜電噴霧等先進施藥技術，提高噴霧對靶性，降低飄移損失，提高農藥利用率”[3-5]。

現階段航空靜電噴霧的研究主要采用感應式荷電方法，相應的對每個噴嘴都要配備配套的荷電噴頭。接觸式荷電的研究主要涉及地面噴霧設備， 背負式靜電噴霧器、靜電噴桿噴霧器等[6-7]。

目前國內外研究的靜電噴霧的技術均是單獨采用接觸式與感應式荷電法[8-10]。本文提出一種接觸式和感應式復合作用荷電法，該方法將接觸式荷電法和感應式荷電法綜合到一起， 實現對液滴進行二次荷電。并將接觸式和感應式復合作用荷電法運用到了多旋翼無人機植保中。

1 接觸式與感應式復合作用荷電方法

如圖1，本方法將接觸式靜電荷電方法和感應式靜電荷電法綜合到一起，實現對液滴二次荷電。 本方法采用了2 個水箱和2 個高壓靜電發生器。 其中1 個高壓靜電發生器的正電荷靜電發生端與負電荷靜電發生端分別與兩個水箱通過導線與藥液直接接觸進行第一次藥液直接荷電；另一個高壓靜電發生器的正電荷靜電發生端與負電荷靜電發生端分別與位于噴頭處的充電電極相連，對藥液二次感應荷電。本方法可適用于多種航空設備的靜電噴藥設備，如多旋翼無人機、無人直升機、有人直升機、固定翼飛機等。

本文選擇大疆植保MG-1P 多旋翼無人機作為噴藥設備的搭載平臺，該裝置屬于八旋翼無人機，最大作業飛行速度7m/s，最大飛行高度2000m，軸距1500mm。搭建完成的噴藥設備如圖2，該裝置的兩側各接有兩個噴霧桿和帶有感應電環的噴頭安裝在每側的中間兩個旋翼所連接的軸桿上；該裝置的兩側支架承載兩個水桶（每個水桶2.5 L）；該裝置的中央正下方安裝有控制箱，控制水泵進而控制藥液的噴灑和高壓靜電發生器，以控制感應荷電和接觸荷電。

2 主要元件的選擇

2.1 高壓靜電發生器

接觸式和感應式復合作用靜電噴霧系統要對霧滴進行荷電。需要利用高壓靜電發生器對該系統提供的電壓進行升壓。本文選擇的高壓靜電發生器裝置如圖3。其為12 V 直流輸入，功率小于1.2 W，輸出電壓調節范圍為13.5～30kV。 該系統需要用到2 套高壓靜電發生器，一個高壓靜電發生器產生的高電壓經高壓線與藥液箱的藥液直接接觸，另一個靜電發生器的高電壓經高壓線輸送到感應噴頭處與電極連接。

2.2 隔膜泵

接觸式和感應式復合作用靜電噴霧系統包括接觸式荷電方式，液壓泵內必須絕緣，因此采用絕緣隔膜泵作為供水動力源，如圖4。 隔膜泵壓力0.15～0.4 MPa，噴霧流量約0.4 L/min。

2.3 感應噴頭的設計

為了選擇合適的噴頭，本文分別對三種不同口徑的壓力噴頭進行了試驗。

圖5（a）的噴嘴口徑最大，在試驗中噴出的霧化效果不好，噴出物更近于液珠；圖5（b）的噴嘴口徑中等，在試驗中觀察到霧化效果較好，但存在霧化不均勻現象。圖5（c）噴嘴口徑最小，在試驗中觀察到霧化效果最好。經測試圖5（c）噴頭的霧滴中徑80 um，噴霧直徑2 m。將圖5（c）的噴嘴加上感應金屬環，并在外部做好絕緣處理制成感應式噴頭，如圖6。

3 靜電吸附效果試驗驗證

3.1 試驗目的

為了驗證接觸式和感應式復合作用靜電噴藥吸附效果，本文以水敏紙背面的吸附（即正面噴灑，觀察背面的吸附效果）效果為指標，分別進行了室內（無人機在室內，并未起飛）和室外（無人機在室內，空中懸停）噴灑試驗。

3.2 室內試驗方案和試驗結果

本次試驗的地點為塔里木大學現代農業工程重點實驗室。 本次實驗采取對比的方法，通過觀察水敏紙背面的變色程度，來判斷靜電吸附的效果。共分為5 個處理：①關閉接觸式靜電、關閉感應式靜電；②關閉接觸式靜電、打開感應式靜電；③打開接觸式靜電、關閉感應式靜電；④打開接觸式靜電、打開感應式靜電。 靜電吸附效果如圖7。

3.3 室外試驗

為了驗證該設備的實際作業效果，進行室外噴灑試驗。本次試驗方法是將水敏紙貼到樹葉背面測試背面吸附效果。 分別對比分析不打開靜電裝置和打開靜電裝置的背面吸附效果及正面的吸附效果。 圖8 為室外噴灑試驗現場圖。

圖9 為室外噴灑試驗結果對比圖。

由圖9（a）分析可知，當打開靜電時，背面吸附效果并不明顯，分析其原因：在室外試驗時，由于螺旋槳的氣流速度較大，風力相較于靜電吸引力來說要大的多，霧滴會順著氣流的方向移動，因此荷電的霧滴在試紙背面的吸附效果并不理想。對比圖9（b）和圖9（c）分析可知，打開靜電以后的正面吸附效果明顯優于沒有打開關閉靜電時的吸附效果。

4 結論

本文提出了一種新型的接觸荷電和感應荷電復合作用的靜電荷電方法，根據此方法設計了一種接觸荷電和感應荷電復合作用的多旋翼航空靜電噴藥裝置，并對關鍵部件進行了選型設計。 室內和室外試驗表明，此種方法在沒有輔助風力作用時，其靜電吸附效果優于單獨使用接觸荷電或者感應荷電的效果，對于葉子狀物體可以良好的實現一面噴灑兩面沾藥；當噴灑作業在無人機風力或者風幕的輔助作業時， 其背面吸附效果不明顯，由于靜電吸附作用，帶靜電時的正面吸附效果要顯著的優于無靜電時的噴灑效果。

該設備的使用可進一步的降低無人機植保的農藥使用量，提高農藥利用率，并且還具有維護成本低、易操作等優點。 大幅提高對病蟲害高農產品的食用安全性，保護人類的生命健康。