溫室智能裝備系列之二溫室靜電農(nóng)藥噴灑機(jī)在設(shè)施園藝生產(chǎn)中的研究與應(yīng)用

馬　偉　王　秀　齊永勝　周　舟

現(xiàn)在，因?yàn)榉犀F(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的要求，設(shè)施農(nóng)業(yè)受到人們?cè)絹?lái)越多地的關(guān)注。由于具有反季節(jié)、高附加值、高投人、高產(chǎn)出等特點(diǎn)，溫室生產(chǎn)得到更多的關(guān)注。溫室高效生產(chǎn)是發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)面臨的一個(gè)重大課題。而溫室高效生產(chǎn)面臨的首要問(wèn)題就是，在溫室的濕、熱、悶的作業(yè)環(huán)境下，如何進(jìn)行高效施藥，使其既滿足控制病蟲(chóng)害的要求，又不會(huì)由于噴藥加太溫室的濕度而使溫室病蟲(chóng)害發(fā)生的幾率增大。使用高效智能溫室噴藥設(shè)備是解決這一問(wèn)題的有效途徑。

西方發(fā)達(dá)國(guó)家在智能?chē)娝幖夹g(shù)研究方面起步較早。19世紀(jì)40年代。法國(guó)的Hampe首先將靜電技術(shù)引入噴藥領(lǐng)域；19世紀(jì)60年代美國(guó)開(kāi)始采用EHD發(fā)電式靜電噴撒機(jī)噴灑粉劑農(nóng)藥；80年代美國(guó)佐治亞大學(xué)開(kāi)發(fā)出ESS系統(tǒng)，這是靜電技術(shù)在施藥領(lǐng)域的重大突破。

由于靜電技術(shù)涉及到諸多科學(xué)領(lǐng)域，中國(guó)對(duì)該項(xiàng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)施藥上的應(yīng)用起步較晚。國(guó)家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心經(jīng)過(guò)技術(shù)攻關(guān)，開(kāi)發(fā)出一種可用于溫室的靜電農(nóng)藥噴灑機(jī)。這種靜電噴藥機(jī)安裝有2個(gè)腳輪和把手，可用于推動(dòng)，適于在不同溫室間的靈活移動(dòng)，可以做到一機(jī)多溫室用、多人用、多種農(nóng)藥用。該機(jī)使用方便，采用多層絕緣技術(shù)，安全可靠。機(jī)器寬0.5m，可以靈活地溫室內(nèi)部的步道推動(dòng)，機(jī)器高1.1m，搬運(yùn)方便。另外，各種控制器都內(nèi)嵌到機(jī)身里，外部安裝有外罩，美觀安全。控制單元密封在控制箱內(nèi)，絕緣、防水、防潮。該機(jī)器作業(yè)操作簡(jiǎn)單，易于維護(hù)，適合中國(guó)溫室大面積推廣應(yīng)用。

噴藥機(jī)工作原理

藥液首先經(jīng)過(guò)初級(jí)過(guò)濾器過(guò)濾后通過(guò)壓力單元進(jìn)行加壓，加壓后的藥液經(jīng)過(guò)計(jì)量孔計(jì)量后，通過(guò)噴槍實(shí)現(xiàn)霧化。農(nóng)藥在霧化過(guò)程中再經(jīng)過(guò)高壓脈沖電極使霧滴帶電，并在氣流的作用下二次霧化，霧化后的高速氣流將帶電的霧滴送到待噴灑的目標(biāo)植株上。靜電噴藥機(jī)采用220V交流電源作為工作電源，電源經(jīng)過(guò)控制箱后向系統(tǒng)的各個(gè)部分分別供電，控制箱內(nèi)有電源適配器、壓力單元和發(fā)光二極管以及其他電子控制元件。電源首先通過(guò)電源適配器產(chǎn)生12V直流電壓，該直流電壓為液泵和中間繼電器供電。液泵供電后將噴灑藥液從液箱內(nèi)經(jīng)過(guò)管路泵出，形成高壓液流，供給噴槍?？刂坪猩习惭b有壓力顯示表，可以實(shí)時(shí)顯示液泵所供液體的壓力，液泵由自動(dòng)卸壓和手動(dòng)調(diào)節(jié)壓力2種方式進(jìn)行調(diào)節(jié)。

溫室靜電噴藥機(jī)設(shè)計(jì)有2個(gè)液箱，分為大液箱和小液箱?；旌虾玫乃幰航?jīng)過(guò)沉淀后倒入大液箱，經(jīng)過(guò)過(guò)濾后，由壓力單元抽取藥液經(jīng)過(guò)系統(tǒng)二次過(guò)濾加壓后通過(guò)噴槍噴灑到目標(biāo)植株的表面，該液箱的容積為3L。小液箱盛有純凈水，主要用途是當(dāng)噴藥工作完成后，可用于清洗管路和噴頭，用來(lái)維護(hù)靜電噴藥機(jī)的壓力單元和噴槍以及電極，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。機(jī)器安裝的靜音空氣壓縮機(jī)是通過(guò)中間繼電器控制的，中間繼電器的工作電壓為直流12V的電壓，這樣可以保證設(shè)備的控制精度和安全可靠性。當(dāng)電源接通，閉合啟動(dòng)開(kāi)關(guān)后，繼電器線圈吸合，空氣壓縮機(jī)開(kāi)始工作，產(chǎn)生高壓氣流，通過(guò)管路供給噴槍，使帶電藥液二次霧化。噴槍內(nèi)設(shè)計(jì)有高壓靜電發(fā)生模塊，采用獨(dú)立的12V充電蓄電池進(jìn)行供電，可以反復(fù)充電使用，高壓靜電發(fā)生模塊產(chǎn)生1.5kV脈沖高壓靜電，通過(guò)絕緣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)供給噴頭處的嵌入式脈沖中極，電極在噴槍內(nèi)部形成電場(chǎng)，高壓空氣流攜帶的汽化液滴在飛過(guò)電場(chǎng)時(shí)每一個(gè)霧滴都攜帶了負(fù)電荷，高速的帶電霧滴通過(guò)噴嘴處的尼龍防護(hù)罩噴灑向目標(biāo)植株的葉片。圖1為溫室靜電農(nóng)藥噴灑機(jī)流程框圖。

噴藥機(jī)結(jié)構(gòu)

噴藥機(jī)主要由4部分組成，即機(jī)架、靜電系統(tǒng)、氣體液體系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。機(jī)架主要作用是為噴藥機(jī)的各個(gè)部分和零件提供一個(gè)安裝的平臺(tái)，機(jī)架上安裝有推手和腳輪，使溫室噴藥機(jī)能在不同溫室之間方便移動(dòng)，提高靜電噴藥機(jī)的使用效率。靜電系統(tǒng)主要用來(lái)產(chǎn)生靜電脈沖，使霧滴攜帶負(fù)電荷，該系統(tǒng)包括蓄電池和高壓靜電發(fā)生模塊，主要內(nèi)嵌在靜電噴槍內(nèi)：氣體液體系統(tǒng)主要由藥箱、壓力單元和靜音空氣壓縮機(jī)組成，壓力單元和壓縮機(jī)分別提供噴藥機(jī)所需要的高壓液體和高速氣流；控制系統(tǒng)包括開(kāi)關(guān)、控制箱、指示燈等，控制箱對(duì)壓力單元和空氣壓縮機(jī)進(jìn)行控制。其結(jié)構(gòu)圖如圖2a、圖2b所示，溫室靜電農(nóng)藥噴灑機(jī)實(shí)物圖如圖3所示。

設(shè)備應(yīng)用

該設(shè)備在北京小湯山國(guó)家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)示范基地設(shè)施溫室中進(jìn)行示范應(yīng)用，取得良好的效果，殺蟲(chóng)劑和殺菌劑的使用周期從原來(lái)的1周1次延長(zhǎng)到2周1次，藥效能夠有效地持續(xù)2周以上。用量減少到原來(lái)的1／3。甜瓜在種植過(guò)程中，使用靜電噴藥機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，藥液能有效地吸附在葉片的正面和背面，噴藥作業(yè)結(jié)束后，溫室封閉環(huán)境中空氣中懸浮霧滴很少。和常規(guī)噴霧機(jī)器對(duì)比，使用靜電噴藥機(jī)附著在葉片背面的霧滴明顯增多，葉片正面的霧滴也能均勻地分布，葉片正面和葉片背面的霧滴附著量差異已經(jīng)很少，這就說(shuō)明這種靜電技術(shù)在溫室噴霧作業(yè)中能夠有效地解決溫室噴霧面臨的瓶頸，為提高農(nóng)藥的使用效率以及降低農(nóng)藥殘留奠定了基礎(chǔ)。圖4為靜電噴藥機(jī)和常規(guī)噴藥機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中葉片的正面和背面霧滴吸附的顯微對(duì)比圖，圖4a為使用靜電噴藥機(jī)噴藥后葉片正面的霧滴吸附情況，霧滴所帶的負(fù)電荷由于同電荷互相排斥而均勻地分布在葉片表面，不會(huì)凝結(jié)成較大的霧滴而導(dǎo)致從葉片上滾落。圖4b為使用靜電噴藥機(jī)噴藥后葉片背面的霧滴吸附情況，霧滴帶負(fù)電荷，首先霧滴間因同為負(fù)電荷、同性相斥的作用而散開(kāi)，當(dāng)快要到達(dá)葉片時(shí)，又由于葉片攜帶的正電荷、異性電荷相吸作用，一部分霧滴由于吸引力被吸附到葉片背面，均勻地分布在葉片背面。一般來(lái)說(shuō)，大量的害蟲(chóng)和病菌集中在葉片背面見(jiàn)不到陽(yáng)光的地方，若攜帶負(fù)電荷的霧滴有效吸附在葉片背面，則葉片背面的病菌和害蟲(chóng)就能得到有效抑制。圖4c為常規(guī)噴藥機(jī)噴霧后葉片正面的霧滴吸附情況，霧滴分布不是很均勻，而且有一部分霧滴凝結(jié)成比較大的水珠，葉片無(wú)法有效地吸收，導(dǎo)致藥液揮發(fā)浪費(fèi)。圖4d為常規(guī)噴藥的葉片背面的霧滴吸附情況，由于枝葉的遮擋，常規(guī)噴藥機(jī)的藥液無(wú)法有效地到達(dá)葉片背面，同時(shí)，噴藥壓力單元產(chǎn)生的慣性無(wú)法“拐彎”，因此如果從上往下噴藥，霧滴基本上無(wú)法吸附到葉片背面，形成少量的霧滴吸附也是凝結(jié)成水珠，植物無(wú)法有效地吸收，因此也無(wú)法有效地抑制葉片背面的害蟲(chóng)和病菌，同時(shí)大量的霧滴懸浮在空氣中或者噴在土壤上或者地膜表面，造成農(nóng)藥大量的浪費(fèi)。

從圖4對(duì)比我們能清晰地看出靜電噴藥技術(shù)的優(yōu)越性，該技術(shù)擺脫了傳統(tǒng)噴藥機(jī)不適用溫室作業(yè)的頑疾，而且工作效率高，長(zhǎng)45m、跨度8m的溫室一個(gè)人0.5h就能完成噴霧作業(yè)，極大地減輕了溫室管理的勞動(dòng)強(qiáng)度。該噴藥機(jī)已經(jīng)獲得國(guó)家專利。

作為溫室高效施藥的一種最新的智能裝備，因?yàn)榫C合集成了很多最新的電子技術(shù)、機(jī)電一體化和空氣流場(chǎng)學(xué)等科學(xué)，所以產(chǎn)品的穩(wěn)定性和售后服務(wù)就顯得尤為重要，在大面積推廣應(yīng)用時(shí)維修和保養(yǎng)的培訓(xùn)以及科學(xué)施藥技術(shù)的普及也是這些新型設(shè)備能夠站穩(wěn)腳跟的前提。隨著中國(guó)農(nóng)產(chǎn)品出口面臨的殘留貿(mào)易壁壘增多，以及食品安全和環(huán)境保護(hù)的深入人心，這些溫室智能農(nóng)業(yè)機(jī)械會(huì)慢慢地得到市場(chǎng)和社會(huì)的認(rèn)可，能夠?yàn)橹袊?guó)溫室農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量和效益更上一層樓做出貢獻(xiàn)。