移動式溫室風幕靜電施藥平臺設計及試驗

邱威，馮超，韓如錦，馮學斌，孟沛冰，王孚康

（1. 南京農業(yè)大學工學院，江蘇 南京210031；2. 南京農業(yè)大學灌云現(xiàn)代農業(yè)裝備研究院，江蘇 連云港 222200）

移動式溫室風幕靜電施藥平臺設計及試驗

邱威1，2，馮超1，韓如錦1，馮學斌1，2，孟沛冰1，王孚康1

（1. 南京農業(yè)大學工學院，江蘇 南京210031；2. 南京農業(yè)大學灌云現(xiàn)代農業(yè)裝備研究院，江蘇 連云港 222200）

針對傳統(tǒng)溫室人工施藥時，藥量分配不均勻、農藥大量浪費的現(xiàn)象，探索溫室施藥的新方式，以提高農藥利用率和作業(yè)效率。根據溫室作業(yè)環(huán)境，研制一種適應于溫室的風幕式靜電施藥機具，確定整機結構方案及關鍵部件技術參數(shù)。以出口風速為試驗變量參數(shù)，以覆蓋率、沉積量、覆蓋率均勻度和沉積量均勻度為評價指標，分析了出口風速參數(shù)對施藥效果的影響。綜合流體力學和機械設計知識，計算確定出風口間距0.5 m，出風口半徑0.012 5 m，風機功率3 kW。實現(xiàn)了風送、噴霧量和噴霧高度可調，出口風速0-35 m/s可調，噴頭流量0.2-1.0 L/min可調，噴霧高度1.15-1.95 m可調。試驗結果表明，出口風速為25 m/s時，相對于其他風速，沉積量和覆蓋率達到較好的值，均勻度分別穩(wěn)定在85%和75%。與傳統(tǒng)人工施藥相比，風幕式靜電施藥的霧滴穿透性高，分散程度高，可避免重復施藥和減少農藥施用量。同時，合理的氣流參數(shù)會進一步提高機具施藥效果。

溫室；風幕；噴霧；均勻度；沉積量；覆蓋率

邱威， 馮超， 韓如錦， 馮學斌， 孟沛冰， 王孚康. 移動式溫室風幕靜電施藥平臺設計及試驗［J］. 農業(yè)現(xiàn)代化研究， 2016，37（5）: 1001-1007.

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隨著溫室在農業(yè)生產中推廣普及，我國設施農業(yè)不斷擴大，對生產設施安全和環(huán)境保護要求逐漸提高［1］。然而，我國仍廣泛使用背負式手動噴霧機，“跑、冒、滴、漏”現(xiàn)象嚴重，造成病蟲害防治效果差、農藥利用率低，有效利用率僅20%-30%，無法達到理想防治效果。過量使用農藥，容易對土壤造成污染，以及農產品中農藥殘留超標、病蟲害產生抗藥性等問題［2］。所以，急需發(fā)展溫室施藥技術水平，解決施藥效率低、污染嚴重等問題。

目前，國內外許多科研單位為研制自動化程度高、系統(tǒng)操作簡單的施藥機器做了大量的工作，并取得了一些成果［3-6］。但研制的施藥機械成本較高，多停留在實驗室階段，實用性和推廣受限，與現(xiàn)實應用需求有較大的差距。風幕技術于20世紀末在歐洲興起，噴頭上方采用強制送風形成風幕，不僅增大了霧滴穿透力，而且有效減免了自然風下霧滴漂移現(xiàn)象，可節(jié)省藥液20%-60%［7-8］。靜電在均勻、細化霧滴及提高霧滴在目標物的沉積量、均勻性、吸附性等方面有明顯效果 。因此，本文根據我國溫室環(huán)境及作業(yè)特點，采用風送、靜電噴霧等施藥技術，設計和開發(fā)移動式溫室風幕靜電施藥平臺，探討風幕式噴霧出口風速對施藥效果的影響，為機具設計和參數(shù)調控提供依據。

1　整機結構與原理

1.1整體結構與參數(shù)

機具主要由車架、風幕輔助系統(tǒng)、靜電系統(tǒng)、高度調節(jié)組件等組成（圖1）。常規(guī)溫室內過道寬度為0.8-1.2 m，溫室蔬菜高度在0.15-1.0 m，植株間距離在0.2-0.55 m。為了保證施藥機有良好的輪廓通過性，秉承農機與農藝相結合的原則，設定機具輪距為0.6 m，高度調節(jié)范圍為1.15-1.95 m，主要技術參數(shù)見表1。

圖1　溫室風幕式噴霧機結構簡圖Fig. 1 Structure diagram of air-assisted electrostatic sprayer

表1　噴霧機參數(shù)Table 1 Parameters of air-assisted electrostatic sprayer

1.2工作原理

噴霧機工作時，電機通過皮帶輪組驅動液泵，一部分藥液從藥箱經高壓管輸送至高壓靜電噴頭，另一部分藥液經過回水管回流到藥箱內，起到了調節(jié)壓力和攪拌的作用。同時，可以通過調控風機出口風速、靜電電壓、噴霧壓力，出風口距地高度等參數(shù)，使機具適應于不同作業(yè)環(huán)境與對象。

2　關鍵部件及其主要參數(shù)

2.1風送系統(tǒng)

2.1.1出風口間距的計算 氣流能顯著提高霧滴穿透性與分散度，對施藥效果有較大的影響。氣流從管口、孔口、狹縫射出，或靠機械推動，并同周圍流體摻混的一股流體流動，形成射流。按射流出口的斷面形狀，可分為圓形射流、平面射流、矩形射流等。本文結合靜電噴頭的形狀，選擇圓形出風口。若要氣流覆蓋噴桿下方的全部植株（圖2），即出風口到達射流交界處的距離不小于出風口到達植株頂部的距離。即：

式中：f為出風口間距（m），S為風口到達植株頂部的距離（m），θ為射流極角，即射流邊界延長線的半頂角度。各參數(shù)取值范圍為：S=（0.5-1.0） m［11］，因出風口為圓柱形管，則取θ=14.5°［12］。當風口到達植株頂部的距離取1 m時，將上述參數(shù)代入式（1）中，求得出風口間距f不大于0.517 m，取0.5 m。

圖2　多噴頭射流覆蓋面Fig. 2 The coverage region of multi-nozzle jet

2.1.2風機的選擇 置換原則是風送噴霧機風量計算中普遍采用的一種方法［13］。其原理是噴霧機風機吹出帶有霧滴的氣流，應能驅除并完全置換出風口下方直至植株的空間所包容的全部空氣。如果噴霧機作業(yè)時，其風機轉速和行進速度不變，根據置換原則的原理（圖3），這時風機風量稍大于射流覆蓋體積。即：

式中：Q為風量（m3/s），R為覆蓋面的半徑（m），v為噴霧機作業(yè)速度（m/s），S為風口到達植株頂部的距離（m），K為氣流衰減和沿途損失系數(shù)。各參數(shù)的取值范圍為：v=（0.25-0.5） m/s、R=f /2、S=（0.5-1.0） m、K=（1.3-1.6）［12］，因風送距離較近取K=1.3。將上述參數(shù)代入式（2）中，求得風量Q=（0.49-1.48）m3/s。根據風量選擇型號為HG-3000S的風機［14］，功率為3 kW。

圖3　置換原則計算簡圖Fig. 3 Calculation diagram of replacement principle

2.1.3出風口直徑的計算 噴霧機吹 出氣流除了要滿足風量的要求，還要遵循末速度原則，即吹出氣流到達冠層時，其速度不能低于某一數(shù)值，否則氣流進不了冠層，影響施藥效果。圓形出風口下方形成的是自由淹沒射流，射流斷面沿射程擴大如圖4。對于自由淹沒射流，斷面半徑R1與風口到達植株頂部的距離S的關系為：

式中：θ為射流極角，即射流邊界延長線的半頂角度，α為實驗系數(shù)，主要取決于噴管結構、噴口速度分布的均勻性及噴口受擾動的程度，&為射流出口形狀系數(shù)，S為風口到達植株頂部的距離（m），R0為出風口半徑（m），R1為斷面半徑（m）。

圖4　風管自由淹沒射流Fig. 4 Free submerged jet of air outlet

當吹動植株時，射流附近的靜止的流體會被卷入射流而隨之一起運動，即氣流攜帶霧滴進入植株的下層，這樣可以起到更好的防蟲害的效果。噴霧機作業(yè)時，當?shù)竭_植株的風速為2-3 m/s，植株葉片會翻動，即：

式中：V0為噴口平均流速（m/s），Vm為射流軸線上的流速（m/s），α為實驗系數(shù)，主要取決于噴管結構、噴口速度分布的均勻性及噴口受擾動的程度，S為風口到達植株頂部的距離（m），V為射流斷面上任一點M速度（m/s），r為射流軸線至某點徑向距離（m）。各參數(shù)的取值范圍為：V0=（25-30） m/s、f=0.5 m，因出風口為圓柱形管，α取0.08、θ取14.5°。

到達植株冠層的最小風速為2-3 m/s，風口到達植株頂部的距離為0.5-1.0 m，出風口的最大風速，由式（6）、（7）、（8）得射流軸線上的流速Vm=（2.87-4.30） m/s。將Vm代入式（5）中，求得出風口半徑R0=（0.007 9-0.015 0） m，最終取R=0.012 5 m。

2.2靜電施藥系統(tǒng)

目前，我國溫室施藥主要使用仍為背負式手動噴霧機。選取幾種主流的背負式手動噴霧機，進行預噴試驗，記錄其作業(yè)速度與流量。根據背負式手動噴霧機常規(guī)作業(yè)速度及噴頭流量，進而求得風幕式靜電噴霧機噴頭流量。即：

式中：L1為施藥所需行駛的路程（m），v1為手動噴霧機作業(yè)速度（m/s），q1為手動噴霧機噴頭流量（L/min），q2為風幕式靜電噴霧機單個噴頭流量（L/min）。各參數(shù)的取值范圍：q1=（1.0-1.2） L/min，v1=0.2 m/s。將上述參數(shù)代入式（9）中，求得單個噴頭的流量為0.41-1.0 L/min。所以選用流量0.2-1.0 L/min的感應式靜電噴頭［15］，工作壓力為0.1-0.5 MPa。

2.3高度調節(jié)系統(tǒng)

高度調節(jié)系統(tǒng)包括電源開關、步進電機電源S-400-60、MS-25-24電源、控制器匯結板、控制調節(jié)器、86步進電機驅動器和導軌。根據植株的高度，通過導軌控制板調節(jié)出風口和噴頭高度，范圍為1.15-1.95 m，以便于射流橫截面可以覆蓋噴桿掃過的植株以及到達植株冠層的風速符合要求。

風幕系統(tǒng)和噴霧系統(tǒng)質量為17.5 kg，而藥液流動和氣流噴射會產生一定的后坐力，故選用扭矩為12 N·M，最大載重為50 kg的86步進電機傳動和專用驅動器2HD8080，控制出風口和噴頭的高度。

3　機具性能試驗

3.1試驗裝備及試劑

溫室風幕式靜電噴霧機，其作業(yè)過程包括注水、施藥、噴射、風幕、靜電等工序。作業(yè)幅寬1.8 m，高壓靜電噴頭的單噴頭噴霧量0.2-1.0 L/min。風機渦旋式進風出風，功率為3 kW，電壓為380 V，額定排氣壓力0.022 MPa，最大排吸氣量420 m3/h，適用于現(xiàn)代溫室施藥作業(yè)，藥泵的工作壓力調節(jié)范圍0.1-0.5 MPa。背負式手動噴霧機（SX-LK16C，中國市下控股有限公司），其外形尺寸360×167×497 mm，整機凈重3.23 kg，工作壓力0.2-0.4 MPa。

麗春紅2R，深紅色粉末，溶于水呈紅棕色至紅色溶液，藥箱中注入質量分數(shù)0.5%麗春紅2R水溶液，選用與麗春紅試劑對比明顯的淡藍色便簽紙采集藥液，噴施后采集各樣點的便簽紙（尺寸7.6 cm×7.6 cm），利用高拍儀（Microtek H-Screen 701，上海中晶科技有限公司）和紫外可見分光光度計（UV-2000，尤尼柯（上海）儀器有限公司）進行圖像處理。

3.2試驗設計

試驗時間：2015年9月。

試驗地點：南京農業(yè)大學工學院平23實驗室。

試驗環(huán)境：環(huán)境溫度24 ℃，空氣流速0 m/s。

試驗對象：綠蘿，平均高度0.25 m，行距和株距均為0.3 m。

分別采用手動噴霧機和溫室風幕式靜電噴霧機施藥2種方式。

3.2.1樣點布置 試驗地分為3個區(qū)域，每個區(qū)域分為A、B、C三個小區(qū)，小區(qū)距離為2 m。每個小區(qū)設定5個樣點（圖5）。每個樣點分為上、下、地面3層采樣，高度分別為0.25 m，0.15 m，0 m，用回形針將葉片夾在兩張便簽紙中間，對每點選定的葉片做上標記，確保每次選定的位置為同一位置。區(qū)域中的實驗軌道長度為10 m，有效工作長度為8 m。

圖5　采樣點布置示意圖Fig. 5 Arrangement of sample points in the canopy

3.2.2參數(shù)設置 為了保證兩種施藥方式的噴施藥量相同，結合已測噴頭的流量，計算得到兩種施藥方式的行進速度。手動噴霧機噴頭流量為1 L/min，由經驗豐富的工人以0.2 m/s的速度勻速前進并完成噴施作業(yè)。風幕式靜電施藥機單個噴頭流量為0.6 L/min，共計3個噴頭，行駛速度設置為0.36 m/s，出風口距植株頂部為0.8 m，靜電電壓為20 kV［16］，壓力為0.3 MPa［17］。通過噴施0.5%的麗春紅溶液，采集用于承接霧滴的標簽紙，帶回實驗室進行圖像統(tǒng)計和霧滴沉積分析，得到單位面積霧滴覆蓋率和沉積量［18］。

考察風幕式靜電施藥機出口風速對霧滴沉積覆蓋影響時，通過改變進、出風口面積實現(xiàn)4種不同風速（0 m/s，15 m/s，25 m/s，35 m/s）的設置。在噴施藥量一定的情況下，以植株上下層的藥液沉積量、覆蓋率和均勻度等為評價指標，探尋適宜的出口風速參數(shù)。

3.2.3施藥均勻性的統(tǒng)計方法 為了更加準確評價施藥方式和風幕式靜電噴霧機的出口風速對施藥效果的影響，在統(tǒng)計霧滴覆蓋率和沉積量的基礎上，引入施藥均勻性。本文根據方差計算原理提出了均勻度計算公式，用于評價風幕式噴霧機施藥的均勻性（CU，%）［19］：

3.3結果分析

3.3.1施藥方式對霧滴沉積覆蓋的影響 風幕式靜電噴霧機施藥的上下層葉片正反面的覆蓋率都優(yōu)于人工施藥。與上層相比，下層的覆蓋率增加更為明顯（表2）。原因是風幕式噴霧機氣噴頭垂直向下，氣流提高霧滴穿透性，藥液相對于手動噴霧機更容易到達植株下層。人工施藥時，葉片背面的覆蓋率過小，不適應喜陰病蟲害的防治，需要加大噴量。

表2　不同施藥方式的施藥效果的比較Table 2 Application effect using different sprayers

對于施藥效果的評價，目前多采用平均覆蓋率和沉積量等指標。但是對于病蟲害防治來說，藥液噴施不均很容易導致病蟲害復發(fā)。所以，本文根據樣點的覆蓋率和沉積量，計算求得覆蓋率均勻度和沉積量均勻度指標，用來評價施藥機具的施藥均勻效果。

風幕式靜電噴霧機施藥時，上下兩層的正面覆蓋率均勻度和沉積量均勻度分別為79.99%和88.69%，81.78%和79.24%；手動噴霧時，上下兩層的正面覆蓋率均勻度和沉積量均勻度分別為39.85%和80.68%，87.10%和83.90%（表2）。風幕式靜電噴霧機的覆蓋率均勻度明顯大于人工施藥方式。因為手動噴霧機噴頭是人工手動操作的，沒有固定的路線，在施藥過程中有一定隨機性，多靠加大噴量來保證施藥效果。而風幕式靜電噴霧機施藥時，多噴頭按照固定路線同時工作，噴量、作業(yè)狀態(tài)穩(wěn)定。相比較手動噴霧機而言，風幕式靜電施藥能保證各樣點都有較好的沉積覆蓋，同時，覆蓋率均勻性與沉積量均勻度也有明顯提升。

3.3.2出口風速對霧滴沉積覆蓋影響 從上層的沉積量比較來看，沉積量隨著出口風速增大而增大，當超過一定值后，又開始減小，即出口風速為35 m/s的沉積量小于出口風速為25 m/s。從下層的沉積量比較來看，出口風速從0 m/s到25 m/s是沉積量穩(wěn)定在2 μg/cm2，而出口風速為35 m/s時，沉積量達到了2.82 μg/cm2（表3）。原因是藥液從噴頭出來時，有一定的速度，風速過小時，有部分藥液不會隨風幕吹向植株，從而流失，風速過大時，部分藥液隨風幕直接到達下層植株或是到達地面，從而風速到達一定值時，繼續(xù)增加，沉積量會下降。從覆蓋率角度分析，出口風速對葉片正面的覆蓋率影響較大，對葉片反面影響較小。由于葉片正面直接面對氣、霧流，而葉片反面霧滴沉積多由氣流對枝葉的翻轉作用而產生，而本試驗作物葉面積指數(shù)較大，難以形成有效枝葉翻轉，所以最好通過多角度氣流噴施增加枝葉擾動程度。結合沉積量和覆蓋率時，發(fā)現(xiàn)當出口風速為25 m/s和35 m/s時，上層的沉積量和覆蓋率都較大，分別為6.05%和4.16 μg/cm2，7.86%和3.10 μg/cm2。而出口風速為0時，沉積量小，即葉片附著的藥液少，即使覆蓋率很高，防蟲害效果也不是很理想。當出口風速為15 m/s，上下葉片背面的覆蓋率僅為0.09%，0.06%，不能滿足施藥要求。

表3　風幕式靜電施藥機不同出口風速的施藥效果Table 3 Application effect of air-assisted electrostatic sprayer under different outlet air velocities

從表3得出：在施藥沉積量和覆蓋率都較好的條件下，出口風速為25 m/s和35 m/s時的上下的正反沉積量均勻度分別為89.85%，85.13%，82.64%，87.53%和88.87%，90.23%，82.07%，80.04%。這組數(shù)據說明了在沉積量高的同時，施藥的均勻性也比較好，即每個葉片沉積量相差不大。對于出口風速為0 m/s和15 m/s時，其中層的正面沉積量均勻度分別為67.89%和78.16%，相對于88.57%和92.54%較小，每個葉片的沉積量相差較大，即施藥的均勻性較差。因為出口風速增大，霧滴二次霧化和分散程度都較高，藥液較為均勻散步在葉片表面；而當出口風速為0或15 m/s時，氣流量不足導致分散程度不高，霧滴集聚現(xiàn)象嚴重，影響了均勻性。3.3.3 出口風速對漂移的影響 在施藥過程中，藥液的漂移量也是重要的評價指標。出口風速為0 m/s，15 m/s，25 m/s，35 m/s時，其地面沉積量分別為2.49 μg/cm2，0.56 μg/cm2，0.72 μg/cm2，1.21 μg/cm2（表4）。當出口風速為零時，地面沉積量最大，原因可能是沒有風吹動植株，植株間的間隙較大，藥液更容易到達地面，所以下層的沉積量較大。當有出口風速時，隨著出口風速增大，地面的沉積量增加，原因是有風吹動植株時，植株葉片晃動，而且氣流將液滴細化，更容易吸附葉片，即出口風速為15 m/s時，地面的沉積量只有0.56 μg/cm2。隨著風速的增加，氣流中的液滴穿透力變強，即下層的沉積量變大。出口風速為0 m/s，15 m/s，25 m/s，35 m/s施藥時，其總沉積量（上下層的正反沉積量之和×樣點數(shù)×便簽紙面積，樣點數(shù)為9）分別為2 427.65 μg，3 358.17 μg，3 519.32 μg，3 332.17 μg。出口風速在一定范圍內增大，隨氣流一起定向運動的霧滴增多，即漂移的霧滴就減少。而出口風速超過一定范圍后，霧滴隨氣流吹到地面上，即漂移量增加。由上可得，在相同的施藥量情況下，總沉積量越大，漂移量越小，所以出口風速為25 m/s時的漂移量最小。

表4　不同出口風速的噴霧漂移量Table 4 Spray drift of air-assisted electrostatic sprayer under different outlet air velocities

4　結論

本文探索溫室藥械與施藥技術的新方式，設計了一種適用于溫室環(huán)境的風幕式靜電噴霧機。相比較傳統(tǒng)人工施藥，有較好的施藥均勻性。噴施冠高30-40 cm、葉面積指數(shù)4.5-5.5的溫室作物，出口風速為25 m/s，有較好的施藥效果。合理的氣流速度可以提高霧滴的穿透性和分散程度，同時也可以限制霧滴地面漂移。

通過提取溫室作業(yè)環(huán)境參數(shù)，應用流體力學知識，探討基于作業(yè)環(huán)境參數(shù)的溫室風幕式靜電施藥機具的設計思路與方法，為溫室風幕靜電施藥提供了理論基礎與依據。目前僅探討出口氣流速度與噴霧效果的關系，還需進一步分析藥量、靜電電壓等參數(shù)對施藥效果的影響規(guī)律，從而提高噴施作業(yè)時的農藥利用率，節(jié)約農藥用量。

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（責任編輯：童成立）

Design and test of air-assisted electrostatics prayer in greenhouse

QIU Wei1，2， FENG Chao1， HAN Ru-jin1， FENG Xue-bin1，2， MENG Pei-bing1， WANG Fu-kang1
（1. College of Engineering， Nanjing Agricultural University， Nanjing， Jiangsu 210031， China； 2. Guanyun Institute of Modern Agricultural Equipment， Nanjing Agricultural University， Lianyungang， Jiangsu 222200， China）

In order to solve the problem of low efficiency utilization and non-uniform distribution of pesticide with traditional application sprayer in the greenhouse， a new spray model was investigated to improve the utilization rate of pesticide. According to the greenhouse environment， an air-assisted electrostatic greenhouse sprayer was designed which employed air-assisted and electrostatic technology. Coverage， deposition， and spray uniformity were used as indexes to research the effects of outlet air velocities on pesticide deposition in greenhouse. Based on the theory of the hydromechanics and mechanical design， structure parameters of the sprayer were determined according to: the interval between the air outlets was 0.5 m， the radius of the outlet was 0.012 5 m and the power of the fan was 3 kW. The outlet air velocity， spray amount and spray height could be adjusted within the range of 0-35 m/s， 0.2-1.0 L/min and 1.15-1.95 m respectively. Test results showed the optimum effect was obtained when the outlet air velocity is 25 m/s， under which deposition and coverage uniformity were steady at 85% and 75% respectively. Compared with the traditional manual spray pattern， air-assisted electrostatic spray model could achieve high penetrability and dispersion of droplets， which could avoid repeat spray and reduce amount. In addition， the spray effect could be improved under reasonable outlet air velocities.

greenhouse； blowing curtain； spray； uniformity； deposition； coverage

Jiangsu Union Innovation Foundation （BY2013050）； The Fundamental Research Funds for the Central Universities （KYZ201557）；Science and Technology Develop Project for Northern Jiangsu （BN2013051）.

QIU Wei， E-mail: qiuwei@njau.edu.cn.

5 December， 2015；Accepted 13 May， 2016

S491

A

1000-0275（2016）05-1001-07

10.13872/j.1000-0275.2016.0056

江蘇省產學研聯(lián)合創(chuàng)新基金—前瞻性聯(lián)合研究項目（BY2013050）；中央高校基本科研業(yè)務費專項資金項目（KYZ201557）；蘇北科技發(fā)展計劃—科技富民強縣項目（BN2013051）。

邱威（1984-），男，江蘇徐州人，博士，講師，主要從事植保機械與施藥技術研究，E-mail: qiuwei@njau.edu.cn。

2015-12-05，接受日期：2016-05-13