風送式靜電噴霧機的研究現狀分析與展望

王佳麗，馬佳樂，張永成，張 宏※

（1.塔里木大學機械電氣化工程學院，新疆阿拉爾 843300；2.新疆維吾爾自治區普通高等學校現代農業工程重點實驗室）

0 引言

長期以來，使用手動施藥機械施藥仍是我國主要的施藥手段，這類傳統類型的施藥方式農藥使用效率非常低，僅有15%～20%的農藥作用在果樹上，80%～85%的農藥流失到環境中，導致嚴重的環境污染、資源浪費以及農產品農藥殘留[1]。此外，傳統的果園施藥方式勞動強度大，防治不及時會發生病蟲害復發現象，果農不得不增加施藥劑量及施藥次數。這不僅會導致使病蟲害防治惡性循環，還會導致病蟲害的抗藥性增強等問題[2]。

風送式果園噴霧機代替傳統手持噴槍在果園中施藥，藥液的利用率提高到30%～40%[3]。風送噴霧產生的霧滴粒徑較小且穿透性強，在風力的輔助作用下枝葉攪動大，霧滴順利進入果樹冠層，操作者的勞動強度大幅降低。然而受環境等因素的影響，風送式噴霧機在果園作業過程中連續噴霧形成的很多細小霧滴非常容易飄移擴散，為了減少霧滴的飄移，將靜電噴霧技術和風送噴霧技術相結合。靜電噴霧產生的荷電霧滴在氣流曳力和電場力共同影響下，可增加藥液沉積量和沉積均勻性[4]。

1 風送式靜電噴霧的原理與特點

1.1 原理

農藥靜電噴霧技術的基本原理：噴嘴具有正或負的高壓靜電，使其噴出帶有與其極性相同電荷的霧滴。由于離地面不遠的噴嘴帶有高壓電，地面上的目標表面將帶有與噴嘴極性相反的電荷，農藥液體流經噴頭霧化后，通過不同的充電方式被充上電荷，形成群體荷電霧滴，然后在靜電場力作用下，霧滴按靜電場軌跡作定向運動而吸附在目標的各部位，達到沉積效率高、霧滴飄移散失少、改善生態環境等良好性能，是現代植保施藥的一項新技術。目前靜電噴霧主要采用三種充電方式（圖1）。

圖1 靜電噴霧的充電方式

電暈式充電法：電暈充電法是高壓電源尖端電極放電，電離周圍的空氣，使霧滴帶上電荷。雖然高壓絕緣性好，能直接在普通噴頭上應用，操作簡單，但其電極電壓很高，危險性較大。

感應式充電法：感應式充電法是在藥液管路與噴嘴之間放置一環狀電極，電源直接與電極相連產生電場，使噴出的霧滴被附上電荷。電極電壓很低，藥液箱體不用絕緣，這種方法使用相對較多。

接觸式充電法：接觸式充電法是藥液管路與高壓電源正極直接連接，霧滴被充電。接觸式充電的霧滴充電效果較好，但是絕緣性能差，應用較少。

1.2 特點

（1）在靜電力和氣流曳力共同作用下，增加了霧滴在葉背的沉積量，提高了農藥的利用率。

（2）風送噴霧遵循置換原則，對果樹冠層的攪動大，增強了荷電霧滴的穿透性。

（3）靜電噴霧所用的藥量更少，產生的霧滴直徑小，一定程度上減少了用水量。

（4）靜電噴霧明顯降低了風送噴霧造成的霧滴飄移；霧滴分布均勻。

（5）荷電后的霧滴表面張力減小，霧化阻力變小，霧化程度提高，植株對霧滴的吸附性提高[5]。

2 國外研究現狀

2.1 風送靜電噴霧技術影響因素的研究

Dipak 等研究發現電極電壓和噴霧距離對荷質比有很大影響，在噴霧距離為5mm處電極電壓為5 kV時測得最大的荷質比[6]。Patel等根據研究分析得出電極所用材料、形狀和幾何規格等變量對于荷質比有很重要的影響。研究發現最佳電極位置在距離噴嘴尖端2.0～3.0 mm之間時可以獲得最高的荷質比[7]。Patel 等設計研制了一種氣助的靜電噴管并從電極位置和液體電導率兩方面對自行設計研制的靜電噴管的性能進行試驗分析，結果表明電極位置的微小調整對噴霧系統的效率的影響十分顯著[8]。Pascuzzi 等使用150RB14 型三點懸掛式氣動靜電噴霧機（圖2）進行試驗，發現在不同的行進速度下霧滴在冠層內的沉積沒有很大的變化。但是噴霧距離對噴霧沉積影響很大，冠層下部的沉積量增加了50%，而上層只增加了12.5%[9]。Guo 等研究了霧滴屬性、界面力和靜電力之間的關系，研究結果表明不同的靶標截面會有不同的吸附效果，靶標截面紋理方向對電粘附力的實現起著重要作用[10]。

圖2 150RB 型氣動靜電噴霧機

影響風送靜電噴霧技術的因素很多。荷電霧滴沉積機理及其影響因素分析是研究熱點，但目前主要以荷質比為指標研究荷電參數對沉積的影響。基于環境參數、靶標參數和工作參數的荷電霧滴沉積及影響機理研究相對較少，很多影響因素仍需進一步研究確認。

2.2 風送噴霧技術與靜電噴霧技術結合對霧滴沉積效果的影響研究

Sharp 將靜電噴霧技術和風送噴霧技術結合應用，試驗發現在氣流的影響下噴霧產生的細小荷電霧滴在向上運動的過程中出現相互排斥的現象，這反而使霧滴的飄移增加，因此風送靜電噴霧技術沒有被廣泛推廣應用。Western 等在較為理想的試驗條件下進行霧滴飄移測試試驗并使用特定電荷液滴的配方，該研究表明在合適有效的氣流控制下可以大大降低荷電液滴的高漂移勢。Patel 等發現氣流對荷電噴霧有顯著影響，由外部空氣輔助系統產生的氣流場會影響噴霧的覆蓋范圍[11]。Gan-Mor 等將傳統液壓噴嘴改進成靜電噴嘴，安裝在噴霧機上（圖3），并在葡萄園做田間測試時發現，帶電液滴在葡萄葉片下表面的沉積量是不帶電液滴的2倍，在葡萄串珠背面的沉積量是不帶電液滴的5 倍[12]。Cerqueira 等在試驗中發現與常規的噴霧技術相比，空氣輔助靜電噴霧系統在葉片背面的沉積量更多，且對作物冠層的穿透性更強[13]。Patel 等研制了一種手持式空氣輔助靜電中草藥噴霧器并進行試驗測試，結果表明在空氣輔助的作用下，噴霧的整體沉積效果很好，對目標能產生很好的環抱效果[14]。

圖3 葡萄園噴霧機

合理地控制氣流可以減少荷電霧滴的高飄趨勢，在不同的氣流速度和軌跡下，噴霧覆蓋的范圍會受到相應影響。減少霧滴飄移使農藥的施藥量下降，減輕了對環境的污染。在氣流和靜電力的共同作用下，葉面背部的藥液沉積量明顯提高，對葉面背部的病蟲害起到防治作用。在氣流的作用下改善了靜電噴霧的霧滴穿透性不強的缺點，在農作物冠層頂部、中部和底部可以具有更好的沉積效果，農藥的利用率得到提高。

3 國內研究現狀

中國對靜電噴霧技術的分析研究開始于20 世紀70年代。江蘇大學、南京林業大學和中國農業大學最早開展了對靜電噴霧技術的分析研究。目前國內的研究主要集中在風送靜電噴霧技術的參數優化和噴霧效果等方向。

3.1 風送式靜電噴霧機的參數優化研究

周良富等利用正交試驗和響應面分析法，分析研究感應電壓、噴霧距離、氣流速率與噴霧壓力對霧滴覆蓋率的影響。該研究分析為風送靜電噴霧機的綜合設計和工作參數選用提供了參考依據[15]。楊洲等研究分析了不相同側風與靜電工作電壓對靜電噴霧霧滴飄移的影響作用基本規律[16]。該研究為減少霧滴飄移性和噴霧技術參數優化提供了參考。周良富等為測試3WQ－400 型雙氣輔助靜電果園噴霧機（圖4）的噴霧效果進行試驗，結果表明噴霧機行進速度是影響霧滴沉積的重要因素，Ⅱ檔和Ⅳ檔的行進速度下靜電噴霧的葉片背面霧滴覆蓋率提高，葉片正面無明顯變化甚至低于非靜電噴霧[17]。尹潤蓉等以風送輔助靜電噴霧為基礎，設計了一種適用于果園的新型實時混藥靜電噴霧機。該機混藥均勻性和穩定性均高于傳統噴霧機，無冠層內和冠層內霧滴在靶標正反面附著率均高于傳統噴霧機[18]。王士林等試驗發現在相同靜電電壓和靜電電極的情況下噴霧油劑沉積量比水的沉積量更均勻，但油劑的荷質比卻比水的荷質比小[19]。

圖4 葡萄園噴霧機

對于噴霧機參數優化的研究主要集中在研究作業參數和荷電參數對噴霧沉積的影響以及氣流對荷電霧滴沉積的影響。基于環境參數、靶標參數和工作參數的荷電霧滴沉積及影響機理研究相對較少。

3.2 風送式靜電噴霧機噴霧效果的研究

王志強研制了可與部分拖拉機配套的、適于葡萄園作業的氣力霧化風送式果園靜電彌霧機并在果園進行試驗，試驗結果表明氣力霧化與靜電噴霧技術結合提高了霧滴在靶標上的沉積量，增強了霧滴的穿透性，減少了農藥的飄移[20]。邱威等設計了一種適用于溫室的風幕式靜電施藥設備（圖5），試驗結果表明，當出風口風速達25 m/s 時，噴霧的沉積率達到最佳狀態。與傳統施藥方法相比，風幕式靜電施藥設備的霧滴穿透性更強，每張葉片上的噴霧均勻性更好[21]。周良富等結合氣助噴霧技術和靜電設計了一種可應用于風送靜電噴霧的雙氣流道輔助靜電噴頭，測試結果發現噴霧距離在1 m 內時靜電噴霧比非靜電噴霧在葉片背面的覆蓋率提高15%（圖6）[22]。賈衛東等構建了風幕式氣力輔助靜電噴桿噴霧的測試試驗應用平臺，并且展開霧滴飄移的測試試驗，測試試驗結果表明風幕有效地減少了液滴向外的水平方向運動，沉積更加均勻，風幕作用下霧滴沉積分布更加靠近噴霧中心區域。這種影響規律在荷電噴霧流場中更加明顯[23]。

圖5 溫室風幕式噴霧機結構簡圖

圖6 雙氣流道輔助靜電噴頭霧滴沉積測試

該類噴霧機的設計可達到更好的噴霧效果，減少環境的污染和水資源的使用，提高了農藥的利用率。

3.3 風送噴霧技術與靜電噴霧技術相結合在其他方面的應用

姜甜等利用靜電噴霧技術干燥新型微囊化益生菌，研究表明進風溫度為80 ℃，靜電電壓為25 kV 時，菌類的存活率可達到89.26%，與常規干燥和乳化冷凍干燥相比，靜電干燥的效果更好[24]。張姚文設計了一種靜電噴霧旋風除塵系統，研究發現電場強度對于裝置的降塵率有顯著影響，入風口的風速對降塵率也有顯著影響，風速提高降塵率會增加，當風速達到12 m/s 時降塵率最高，風速過高反而會降低降塵率[25]。

靜電噴霧干燥是一種新型微囊化技術，包埋效果顯著，在新型微囊化技術方面將會有廣闊的發展前景。靜電噴霧除塵技術應用于旋風器可以提高對細顆粒物的脫除效率，如何提高其對細顆粒物的脫除效率對工業生產中控制細顆粒物排放有著重要意義，將靜電噴霧除塵技術應用于旋風器有著廣闊的前景。

4 存在的問題與展望

4.1 存在問題

（1）霧滴荷電持續的時間短，因此需要合理匹配輸運氣流速度和噴霧距離。荷電持續的時間與環境參數和霧滴屬性有關，這些條件在實際工作環境中難以控制。

（2）環境參數、作業參數、靶標參數等對荷電霧滴沉積效率的影響機理尚不清晰明確，各參數對霧滴沉積的高敏感性及農藥應用環境和應用對象的復雜性是靜電噴霧技術應用的巨大挑戰。

（3）使用接觸式充電法時，靜電電壓會達到24 kV，絕緣層易被高壓擊穿造成漏電，危及人身安全。此外，藥液很容易粘附在噴頭處和機具上，引起短路或高壓擊穿從而喪失靜電效果。

4.2 展望與建議

（1）對荷電參數、噴霧氣流進行研究，加大充電電壓，增加霧滴的荷電量，確保帶電霧滴到達靶標時具有有效荷電量。

（2）加深荷電霧滴沉積機理研究。研究霧滴屬性、環境參數、靶標參數、作業參數對于荷電霧滴沉積特性的影響，找出影響荷電霧滴沉積的最主要參數。

（3）風送式靜電噴霧作業過程中，影響噴霧效果的因素很多，如霧滴的荷電量、霧滴的霧化程度、環境因素、標靶等，因此還需對上述影響因子展開逐漸深入的分析研究。靜電噴霧技術在應用時仍有一些需要注意的地方，例如高壓靜電發生器產生的工作電壓比較高，在設計機具時就要注意絕緣材料的問題，操作人員也應具備相應的實際操作知識技能。