公路綠化自動掃瞄噴藥機的研制與應用

■徐元章 方德銘 劉麗娥

（1.福州市農業科學研究所，福州 350018；2.福建省公路事業發展中心，福州 350004；3.福州楓蕊生態科技有限公司，福州 350003）

據報道我國公路綠化植物約有害蟲4000 種、造成危害的優勢種有近100 種，公路綠化講究“三分種，七分養”原則，所謂“七分養”除了日常的養護管理外，病蟲害防治也占了相當大的比重[1]。 長期以來，人們普遍認為公路綠化害蟲是從其原生長系統帶來的，這些害蟲的生物學、生態學及防治方法等在農林生態系統中已有較詳細的研究，公路病蟲害的防治可以直接套用那些農林業的方法和技術，沒有必要再進行研究。 實際上公路綠化植物害蟲的發生除具備農林領域的一般規律外，還有種植土壤不佳、汽車尾氣等因素影響造成公路綠化植物自身抗病蟲害能力低，加上基層的公路養護人員對病蟲害種類識別不清、不明確其發生規律，往往采取簡單、盲目的措施，防治效果低且污染了公路綠化及其周邊的生態環境。 福建省每年都要噴施化學農藥防治公路綠化植物病蟲害，各地公路部門通常在每年的3 月、10 月各進行1 次預防性噴藥防治， 其余時間則根據病蟲害發現情況及時處置[2]，雖然防治公路綠化病蟲害農藥品種與農林領域可以通用，但由于農林生態環境中噴藥的環境與人類生活或工作場所隔離的，施藥后到農藥安全分解期間人們不用與之接觸，而公路綠化環境中就是人們穿行或生活在毗鄰的場所，這些人們也成為被動成為公路所噴藥劑的“農藥間接靶標”，因此公路綠化景觀生態有其特殊性而不能套用農業噴藥機具。 目前公路綠化養護噴藥所借助的農林領域的噴藥機械，費工、費藥、費水且防治效果差并嚴重污染環境，難以防治這些頑固性病蟲害。 針對公路綠化噴藥保護存在的這些問題，結合農藥減量增效技術研制開發公路綠化自動掃瞄噴藥機（以下簡稱“自動掃瞄噴藥機”），可應用在不同的形態特征、園藝性狀和施藥環境，以解決當前公路綠化噴藥保護的施藥技術與噴藥機具落后的問題，為福建省公路養護與景觀的提升提供先進的施藥技術及其專用噴藥保護設備保障。

1 擔架式噴霧機的弊端

當前常規公路綠化大都使用擔架式噴霧機（由灑水車改裝成，主要使用3WZ-300T 擔架式噴霧機的配置，以下簡稱為“擔架式噴霧機”）噴藥保護（圖1），該機具配備噴幅約0.5 m 的液力式可調式噴槍，采用Z 字形擺動式噴灑法[3]，可將靶區劃分為重噴區、漏噴區和單噴區3 部分（圖2）。

圖1 擔架式噴霧機Z 字形擺動式噴灑法

圖2 中Z 字形擺動式噴灑法的單噴區（代號D）是正確合理的噴藥區域，而其中的重噴(代號C)和漏噴(代號L)本技術難于避免的問題。 也就是說，為確保不會漏噴靶區，Z 字形擺動式噴灑法噴頭在單位面積的靶區必須噴灑雙倍的靶區面積，存在著 “往復擺動噴灑法欲求全噴靶標須將靶標重噴一遍”的浪費現象，而實際噴藥作業中難免存在的漏噴區（L），這就會成為病蟲害的“橋梁田”，當發病中心或害蟲糜集部位剛好是漏噴區（L）時、得以幸存下來的病蟲害隨即擴散蔓延而導致前功盡棄[4-5]。

圖2 Z 字形擺動式噴灑法的噴藥區塊分布

2 公路綠化自動掃瞄噴藥機的研發與創新

2.1 掃瞄噴藥法的主要特征

針對常規的Z 字形擺動噴灑法存在上述的缺點，研究提出農藥減量增效的掃瞄噴藥法[4]，即可“無級變幅”的掃瞄噴灑法。 其掃瞄噴頭的靜態噴幅大于作業靶標寬度，必要時掃瞄噴頭還可以實時對應作業靶標寬度的變化而無級變化噴幅，是一種噴頭行進方向與機具運行方向一致的單向型運動的噴藥方式，根據靜態噴幅能否伺服作業靶標的寬度變化而變化，掃瞄噴灑法分為定幅掃瞄噴灑法和變幅掃瞄噴灑法[4]，分別如圖3、4 所示。

圖3 定幅掃瞄噴灑法靶標、噴幅與噴頭行進方向示意圖

圖3 中定幅掃瞄噴灑法噴頭的靜態噴幅xy 略大于單次噴藥作業靶區寬度ef，噴頭行進方向保持一致、只作單向型運動。 圖4 中無級變幅掃瞄噴灑法可以對應靶標寬度的變化而無級調節改變噴幅與之相適應， 噴頭行進方向一致的單向型運動的“掃瞄噴藥”，其變化數值為漸變過程，適用于靶標連續變化或變化不定的作物，由于掃瞄噴藥法避免了常規擺動式噴藥法存在的重噴和漏噴問題，所以能大幅省藥省水且消除了漏噴區病蟲害的橋梁田問題、提高病蟲害的防治效果并可防除頑固性病蟲害。

圖4 無級變幅掃瞄噴灑法變幅過程示意圖

2.2 自動掃瞄噴藥機的結構與技術參數

針對當前公路綠化養護噴藥保護機具存在工效低、效果差、重噴和漏噴問題，采用了優化設計、模塊化設計、人機工程學等設計思想［6］和無級變幅的掃瞄噴藥法研發了自動掃瞄噴藥機，產品已通過國家植保機械質量監督檢驗中心檢測合格，整機由機架、發動機、柱塞泵、藥桶、噴灑部件、控制箱及其控制系統總成、自轉向離心風機和無級變幅總成等組成，其中噴灑部件、控制箱及其控制系統總成、自轉向離心風機和無級變幅總成是本機具核心的創新部件，具體結構如下：（1）噴灑部件主要由3 組風送式噴頭（風送式的射高噴頭、變幅噴頭、邊坡噴頭）和2 組液力式噴頭（高壓的寬幅噴槍、可調式噴槍）組成，可以實施11 種噴灑模型作業；（2）控制箱及其控制系統總成是整機的操控核心部件，包括可編程控制器、遙控器、驅動機構、感應部件等；（3）自轉向離心風機和無級變幅總成分別采用電機驅動蝸輪蝸桿減速機、鏈輪傳動驅動自轉變向以及齒輪減速來驅動無級變幅的結構。

研制了2 種容量（1 t、1.5 t）的車載式和牽引式的自動掃瞄噴藥機， 主要型號有3WZ-1000FC 型、3WZ-1500FC 型和3WZ-1000FQ 型3 種型號。 其中3WZ-1000FC 型、3WZ-1500FC 型2 種型號機具均為車載式，它們的區別在于藥箱容量分別為1000 L、1500 L 及其配套的固定機架的差異， 其余的配置均相同；3WZ-1000FC 型和3WZ-1000FQ 型兩者的藥箱容量均為1000L、 區別在于前者為車載式，后者為牽引式，將3WZ-1000FC 型選配慣性制動全掛車并通過四角的螺栓鎖定即為3WZ-1000FQ 型。3 種型號的自動掃瞄噴藥機的主要參數如表1 所示，3WZ-1500FC 型、3WZ-1000FQ 型的結構如圖5所示。

圖5 自動掃瞄噴藥機主要部件結構

表1 3 種自動掃瞄噴藥機的主要參數

由表1 可知，3 種自動掃瞄噴藥機的風送式射高射程達到20 m，能夠滿足公路行道樹噴藥高度或邊坡射程的要求， 風送式寬幅噴頭變幅范圍為1～8 m、射程為17 m、對行道樹的自動感應距離為7 m，能夠滿足行道樹株冠或邊綠化掃瞄噴藥的要求。

由圖5 可知，自動掃瞄噴藥機標配了5 種雙流體或單流體噴頭組件，相當于5 臺國內相應功能普通藥械的效能， 并且可避免普通藥械噴施農藥的空間維度常習慣性地針對樹冠的側面， 不符合植物和病蟲害的生物學特性和科學性的問題。 車載式自動掃瞄噴藥機可通過4 件鎖具螺旋扣與相應位置焊裝了掛環的承載車輛快速鎖固（圖6），或者直接用4 件螺栓緊固件將本機具直接固定在慣性制動全掛車上，形成一種更加方便使用的自動掃瞄噴藥車（圖7），新購買的自動掃瞄噴藥機配套噴藥車輛最好有龜速擋功能。

圖6 承載車廂4 個掛環焊裝方位圖

圖7 牽引式自動掃瞄噴藥車緊固螺栓組件方位圖

2.3 自動掃瞄噴藥機的創新點

根據自動掃瞄噴藥機的產品特性和結構特點，本產品具備以下創新點：（1）在農藥施用技術領域的創新：新藥械利用行道樹樹冠葉層組成的半封閉空間以及病蟲害主要棲息在葉背等科學屬性，應用離心風機產生的風力將霧滴推送到噴頭側上方向的樹冠內側面靶標而不容易受到風力的干擾；研發應用先進的掃瞄噴藥法和無級變幅掃瞄噴藥技術，同樣的靶區新藥械的噴藥量與覆蓋面是常規藥械的一半，有效解決了常規擺動式噴灑法難以避免的重噴和漏噴問題。 （2）新機具配有風送式射高噴頭、邊坡噴頭（射程均為20 m）和變幅噴頭（射程為17 m）各1 組，還配有高壓液力式的寬幅噴槍和可調式噴槍各1 組，這5 組噴頭可單用或風送式與液力式兩噴頭聯用，共可形成11 種使用組合。 新機具集成了定制的遙控模塊、PLC 中控模塊， 結合自動識別靶標模塊的機電控制，實現了安全輕簡地操作、人機（藥）分離地遙控或自動感應識別靶標噴藥。 （3）研發能大角度軸向遙控轉動蝸殼體的離心式風機及其組件，轉變出風方向俯仰角達180°，改變風向過程中不會損失風能或降低能效，無需逆行就能夠噴藥保護道路兩側的園林綠化植物。 （4）新機具的防水電氣控制箱從側面裝進長方形防護殼體內后垂放下柔性透明板以遮住側面口形成雙重防護, 能加倍防護電氣電路避免霧滴藥劑的侵蝕，電氣控制箱面板上設有手動功能按鈕進行手控操作供輔助使用。 （5）新機具采用鎖具螺旋扣牢靠固定在車廂體上： 機架四角圍欄上部的4 副鎖具螺旋扣能鉤住承載車廂上（或全掛車）預固定的4 個掛環鉸緊牢固定位， 實現新機具與承載車廂體的快速地結合或分離。

3 自動掃瞄噴藥機的作業方式與應用效果

3.1 自動掃瞄噴藥機的作業方式

自動掃瞄噴藥機配有風送式變幅噴頭、射高噴頭、邊坡噴頭各1 組可切換使用，還配有高壓液力式的寬幅噴槍和可調式噴槍各1 組，液力式的寬幅噴槍還可以替換為其他的液力式掃瞄噴頭組件以拓展效能，這5 組標配的噴頭可單用、或風送式與液力式兩噴頭聯用形成11 種使用組合的噴灑模型作業，其中風送式射高噴頭既是噴頭，又可將風送式變幅噴頭與邊坡噴頭通過法蘭連接在上面而擴展機具的新功能，變幅噴頭與邊坡噴頭可切換（二選一）使用。 風送式變幅噴頭（或邊坡噴頭）套裝在風送式射高噴頭上后， 須將風送式射高噴頭上的藥液輸出管卸除后連接到變幅噴頭（或邊坡噴頭）上，邊坡噴頭的噴灑方向可以180°變化，兼顧到左右兩側的邊坡綠地的噴藥保護（圖8）。

圖8 風送式邊坡噴頭變角并旋轉180°示意圖

3.1.1 單用風送式變幅噴頭

單用風送式變幅噴頭的作業方式，主要應用于寬散高大型的行道樹（圖9）。根據樹形的大小，瞄準靶標調整噴頭的方向和噴幅后， 承載車輛可掛1 檔或2 檔以適當的速度前行，1 t 藥水可以噴灑中小型行道樹12 km（折合靶區面積6.67 hm2）、連續噴藥作業約85 min，比使用擔架式噴霧機省藥45%、省成本47%，降低了公路綠化保護噴藥對城市的污染和影響，對病蟲害的防治效果提高了12%～30%。

圖9 自動掃瞄噴藥機單用無級變幅雙流體噴頭的作業方式

3.1.2 風送式變幅噴頭與液力式的可調式噴槍聯合使用

風送式變幅噴頭與液力式的可調式噴槍聯合使用的作業方式，主要應用于寬散高大型的行道樹和分車帶上下靶標同時噴藥。 根據樹形的大小，瞄準靶標調整噴頭的方向和噴幅后，瞄準靶標調整噴頭的方向和噴幅后，承載車輛可掛1 檔或2 檔以適當的速度前行，1 t 藥水可連續噴灑行道樹與分車帶約60 min，大幅提高了噴藥效率，節省了人工和農藥。

3.1.3 風送式變幅噴頭與液力式寬幅噴槍聯合使用

風送式變幅噴頭與液力式寬幅噴槍聯合使用的作業方式，主要應用于寬散高大型的行道樹和邊坡、綠地的上下靶標同時噴藥。 根據樹形的大小，瞄準靶標調整噴頭的方向和噴幅后，以適當的速度前行，噴藥時根據樹形大小、承載車輛可掛1 檔或2 檔行駛，1 t 藥水可連續噴灑行道樹與分車帶約60 min，大幅提高了噴藥效率，節省了人工和農藥。

3.1.4 風送式射高噴頭與寬幅噴槍聯合使用

風送式射高噴頭與寬幅噴槍聯合使用的作業方式，主要應用于挺拔型的行道樹和分車帶、邊坡、綠地的上下靶標同時噴藥。 根據樹形的大小，瞄準靶標調整噴頭的方向后，以適當的速度前行，1 t 藥水可以連續噴灑行道樹與分車帶約60 min，大幅提高了噴藥效率，節省了人工和農藥。

3.1.5 單用風送式射高噴頭

單用風送式射高噴頭的作業方式，主要應用于挺拔型的行道樹， 可應用于20 m 高度的行道樹噴藥。 根據樹形的大小，瞄準靶標調整噴頭的方向后，以適當的速度前行，噴藥時根據樹形大小、承載車輛可掛1 檔或2 檔行駛，1 t 藥水可以連續噴灑行道樹或分車帶約85 min。

3.1.6 單用液力式可調式噴槍

單用液力式可調式噴槍的作業方式，功能與普通的擔架式機動噴霧機相當，主要應用于小型的行道樹和分車帶。 噴藥時根據樹形大小、承載車輛可掛1 檔或2 檔行駛，1 t 藥水可以連續噴灑行道樹或分車帶約100 min。

3.1.7 單用液力式寬幅噴槍

單用液力式寬幅噴槍的作業方式，主要應用于挺拔型的行道樹。 根據樹形的大小，瞄準靶標調整噴頭的方向和噴幅后，以適當的速度前行，噴藥時根據樹形大小、 承載車輛可掛1 檔或2 檔行駛1 t藥水可以連續噴灑行道樹或分車帶約90 min。

3.1.8 風送式射高噴頭與液力式可調式噴槍聯合使用

風送式射高噴頭與液力式可調式噴槍聯合使用的作業方式，主要應用于挺拔型的行道樹和分車帶、分車帶的上下靶標同時噴藥。 根據樹形的大小，瞄準靶標調整噴頭的方向后，以適當的速度前行，1 t藥水可以連續噴灑行道樹與分車帶約60 min。

3.1.9 單用風送式邊坡噴頭

單用風送式邊坡噴頭的作業方式可應用于道路兩側20 m 范圍的邊坡或草坪， 瞄準靶標的地形地勢調整噴頭的方向后，以適當的速度前行，承載車輛可掛1 檔或2 檔行駛，1 t 藥水可以連續噴灑行道樹或分車帶約85 min。

3.1.10 風送式邊坡噴頭與液力式寬幅噴槍聯合使用

風送式邊坡噴頭與液力式寬幅噴槍聯合使用的作業方式， 主要應用于道路兩側20 m 范圍的邊坡（或草坪）與分車帶同時噴藥，風送式邊坡噴頭瞄準邊坡（草坪）靶標、液力式可調式噴槍瞄準分車帶同時噴藥，車輛以適當的速度前行，1 t 藥水可以連續噴灑行道樹與分車帶約60 min。

3.1.11 風送式邊坡噴頭與液力式可調式噴槍聯合使用

風送式邊坡噴頭與液力式可調式噴槍聯合使用的作業方式， 主要應用于道路兩側20 m 范圍的邊坡（或草坪）與剛定植不久的行道樹同時噴藥，風送式邊坡噴頭瞄準邊坡（草坪）靶標、液力式可調式噴槍瞄準剛定植不久的行道樹同時噴藥，車輛以適當的速度前行，1 t 藥水可以連續噴灑行道樹與分車帶約60 min。

3.2 自動掃瞄噴藥機的應用效果

2020 年以來自動掃瞄噴藥機先后在泉州永春、福州閩清、南平建甌等地公路綠化工程上試驗示范（圖10），與使用3WZ-300T 常規擔架式噴霧機進行參數對比（表2），并結合實際使用過程可知：使用單噴頭的常規擔架式噴霧機必須重復噴2 遍靶標，需要2～3 個人操作（含駕駛員），每小時汽油的油耗為1.0 L，每小時噴藥面積1500 m2。而使用自動掃瞄噴藥機只要1～2 個人即可勝任操作（含駕駛員），每小時汽油的油耗為2.8 L，噴1 遍靶標即可（使用8 個集成噴頭同時噴藥）， 還能同時對高處的樹冠靶標和地面的灌木花草、邊坡綠地進行三維立體掃瞄噴藥，每小時噴藥面積40000 m2。 綜合測算，使用自動掃瞄噴藥機可比常規擔架式噴霧機省藥45%、省工47%， 對公路綠化病蟲害的防治效果提高了12%～30%，實現了施藥標準化和簡單化、多噴頭組團協作的“機藝結合、人藥分離”的掃瞄噴藥，能有效防除蚧殼蟲類引起的煤煙病等頑固性病蟲害， 解決當前公路綠化噴藥保護的施藥技術與噴藥機具落后的問題， 在實際應用過程中為福建省公路養護與景觀的提升提供了先進的施藥技術及專用的噴藥保護設備保障， 取得了良好的經濟社會與生態效益。

圖10 自動掃瞄噴藥機掃瞄噴藥作業示意圖

表2 擔架式噴霧機與自動掃瞄噴藥機的使用對比

4 結語

針對當前公路綠化噴藥保護中存在的費工、費藥、費水且防治效果差并嚴重污染環境、難以防治頑固性病蟲害等問題，自動掃瞄噴藥機采用了農藥減量增效的掃瞄噴藥法與機電一體化協同創新。 其根據公路綠化植物和病蟲害的生物學特性，對靶噴灑的角度是從樹冠下方往上定向噴灑海量的霧滴，把扇形的掃瞄噴藥的霧滴幕流定向擴散到樹冠樹葉形成的球缺狀或圓錐狀的半封閉內膛空間，降低了農藥對環境的污染和浪費；本機具標配的5 種噴頭可實現11 種使用組合的噴灑模式作業， 推行輕簡操控就可對行道樹掃瞄噴藥的全新施藥理念與方案，霧滴沉降均勻周密，防治效果好，杜絕了重噴和漏噴問題，恰到好處地對癥下藥，解決了當前公路綠化噴藥保護的施藥技術與噴藥機具落后的問題，推動了先進交通裝備應用并支撐引領現代農業生產的輕簡高效、少人化和智能化，為福建省公路養護與景觀的提升提供了先進的施藥技術及專用的噴藥保護設備保障，可以進一步應用推廣。