基于TRIZ理論的航空靜電噴霧系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

趙明明, 胡 軍，周桂霞，張 偉

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163319)

0 引言

水稻是我國(guó)主要的糧食作物，而水稻病蟲害的防治是保證水稻生產(chǎn)安全的重點(diǎn)內(nèi)容[1]。傳統(tǒng)的植保作業(yè)主要以手動(dòng)和小型噴霧機(jī)為主，生產(chǎn)效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，對(duì)人身和環(huán)境造成了污染。航空植保作業(yè)節(jié)約了農(nóng)藥使用量，地形適應(yīng)度廣，提高了生產(chǎn)效率；但藥液受氣流場(chǎng)影響，造成漂移，農(nóng)藥的有效利用率低[2]。為此，設(shè)計(jì)一種既能產(chǎn)生粒徑均勻霧滴又能加速運(yùn)動(dòng)的霧滴向靶標(biāo)沉積的噴霧系統(tǒng)具有重要意義。

靜電噴霧技術(shù)作為一種先進(jìn)、高效的施藥技術(shù)，已引起了諸多關(guān)注。英國(guó)Bertelli Randell公司生產(chǎn)的ON-TARGET靜電噴頭使用12V直流電，能夠產(chǎn)生40kV電壓,可用于噴桿噴霧機(jī)和背負(fù)式機(jī)動(dòng)噴霧機(jī)上，比普通噴頭減少損失 65%，節(jié)省人力 50%，大大降低了過量使用農(nóng)藥對(duì)環(huán)境的污染程度[3]。2011年，茹煜等人研發(fā)了與Y5B 型農(nóng)用飛機(jī)配套的航空靜電噴霧系統(tǒng)，得到靜電噴霧能使霧滴沉積提高14個(gè)/cm2，霧滴飄移明顯減少；但是，由于該靜電噴霧裝置感應(yīng)環(huán)帶電效果不穩(wěn)定，且會(huì)產(chǎn)生尖端放電，會(huì)帶來安全問題,并沒有進(jìn)行推廣[4]。2012年，周宏平等人對(duì)單噴嘴航空靜電噴頭進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，改進(jìn)后的航空靜電噴頭荷質(zhì)比最大可達(dá) 2.26 mc/kg，與常規(guī)扇形航空噴頭相比霧滴沉積平均提高18個(gè)/cm2[5]。根據(jù)前人的研究基礎(chǔ)，靜電噴霧技術(shù)可以提高霧滴的沉積質(zhì)量，減輕環(huán)境污染，通過對(duì)噴頭的設(shè)計(jì)和優(yōu)化可以得到作業(yè)水平較好的噴霧系統(tǒng)。因此，本文基于TRIZ理論設(shè)計(jì)了錐形感應(yīng)式噴頭靜電，創(chuàng)新設(shè)計(jì)靜電噴霧系統(tǒng)。

1 TRIZ理論

TRIZ 技術(shù)進(jìn)化理論是在20 世紀(jì)80年代由Altshuller G．等人提出的創(chuàng)新理論，是一套實(shí)用性和系統(tǒng)性很強(qiáng)的解決發(fā)明問題的理論和方法[6-7]。其主要設(shè)計(jì)思路是對(duì)實(shí)際中無法直接解決的問題，通過將其轉(zhuǎn)換為一個(gè)TRIZ問題，利用TRIZ體系中的理論和工具獲得TRIZ通用解，進(jìn)而得到具體問題的解決方法，最終解決實(shí)際問題[8-9]。

TRIZ理論的應(yīng)用流程如下：首先進(jìn)行問題的描述，提出最終理想解；根據(jù)系統(tǒng)分析，找出存在的問題和矛盾，并通過TRIZ工具找到解決的方法；最后確定設(shè)計(jì)方案。

2 噴霧系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 問題描述

作物病蟲草害防治一直是困擾我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的巨大難題，提高植保機(jī)械技術(shù)水平，進(jìn)行高效、低污染施藥技術(shù)的研究，以及植物保護(hù)機(jī)具的設(shè)計(jì)和開發(fā)是一項(xiàng)迫切的任務(wù)[10]。噴霧系統(tǒng)中，噴頭是關(guān)鍵的霧化部件，是藥液霧化的重要裝置，霧滴的大小、速度、分布狀況等在很大程度上都決定于噴頭的類型、大小和制造質(zhì)量[11]。為了提高霧滴的沉積質(zhì)量、減少漂移，對(duì)噴頭增加電極使其與作物之間形成靜電場(chǎng)，對(duì)霧滴產(chǎn)生吸附作用，可以增加靶標(biāo)的沉積，提高藥液有效利用率。為進(jìn)一步分析噴霧系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題，本文提出的最終理想解如表1所示。最終的設(shè)計(jì)目標(biāo)是提高葉片沉積量的噴霧系統(tǒng)。

表1 IFR分析

2.2 系統(tǒng)分析

2.2.1 系統(tǒng)完備性分析

系統(tǒng)的作用是履行功能，系統(tǒng)完備性法要求系統(tǒng)包含動(dòng)力裝置、輸送裝置、執(zhí)行裝置、控制裝置。據(jù)此分析噴霧系統(tǒng)的工作系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 噴霧系統(tǒng)工作過程

對(duì)于執(zhí)行裝置噴頭，可以優(yōu)化其結(jié)構(gòu)和形狀，進(jìn)而改善其霧化效果，提高農(nóng)藥利用率。噴頭的結(jié)構(gòu)包括噴頭體和噴嘴，噴嘴型號(hào)的改變可以直接改變噴霧的流量以及噴霧壓力。為了產(chǎn)生粒徑大小均勻的霧滴，本設(shè)計(jì)中控制噴霧壓力為0.2MPa。

2.2.2 九屏圖分析

最初的植保作業(yè)采用人工手動(dòng)施藥的背負(fù)式噴霧作業(yè)，污染環(huán)境，危害人體健康。隨著各種型號(hào)的噴霧機(jī)的出現(xiàn)，減輕了人工勞動(dòng)強(qiáng)度，作業(yè)效率有所提高，無人機(jī)或有人機(jī)配備的精量、自動(dòng)噴霧系統(tǒng)是未來發(fā)展的趨向。根據(jù)九屏圖分析可知：靜電噴霧技術(shù)的研究將推動(dòng)植保作業(yè)的發(fā)展，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)組成均會(huì)有所不同。

2.2.3 技術(shù)矛盾

為了提高農(nóng)藥的有效利用率，使葉面上農(nóng)藥的沉積量增多，減少農(nóng)藥的漂移損失，減輕環(huán)境污染，提高農(nóng)藥有效利用率，就要改變農(nóng)藥的特性，對(duì)農(nóng)藥進(jìn)行重新的配置；但病蟲害種類繁多，除草和殺蟲的農(nóng)藥種類也不盡相同，所以改善物質(zhì)損失的過程中也要對(duì)農(nóng)藥的適應(yīng)性和多用性提出要求。技術(shù)矛盾和發(fā)明原理如表2所示。

圖2 系統(tǒng)九屏圖分析

通用工程參數(shù)惡化的參數(shù)No.35適應(yīng)性及多用性No. 36 系統(tǒng)的復(fù)雜性改善的參數(shù)No.23物質(zhì)損失15,10,235,10,28,24

提出技術(shù)方案一：采用15動(dòng)態(tài)原則的原理，達(dá)到物體特性在每一工作階段都是最佳的。主要通過向藥液中添加助劑的方法，改變藥液的沉積特性，減少藥液漂移的幾率。針對(duì)病蟲害種類差異、作業(yè)飛機(jī)機(jī)型的不同，配置不同比例的助劑，實(shí)現(xiàn)最佳防治效果；但助劑的配制繁瑣，使用條件受限制。

提出技術(shù)方案二：采用28機(jī)械系統(tǒng)替代原理，增加新的機(jī)械場(chǎng)，改變物體的受力情況。在最有利于霧滴沉積的位置增加改變場(chǎng)，進(jìn)而改變霧滴的受力和運(yùn)動(dòng)。

提出技術(shù)方案三：采用10預(yù)先作用原理，預(yù)先安置1個(gè)物體，使其發(fā)揮作用。在噴頭處安置1個(gè)使霧滴細(xì)化的裝置，二次霧化霧滴，達(dá)到理想的粒徑大小。

2.2.4 物理矛盾

物理矛盾來源于不同的設(shè)計(jì)條件對(duì)同一個(gè)工程參數(shù)了提出相反的要求。霧滴粒徑大，能夠保證其保持動(dòng)量，減少漂移的可能；但霧滴粒徑過大，會(huì)使其沉積質(zhì)量下降，落到靶標(biāo)后容易滑落到地面，造成農(nóng)藥的浪費(fèi)。霧滴粒徑小，能夠提高其在靶標(biāo)的沉積效率，農(nóng)藥的有效利用率提高；但霧滴粒徑過小，其動(dòng)量小，受氣流場(chǎng)影響大，造成漂移增多。這樣就存在了“粒徑大又小”的物理矛盾。TRIZ理論分離原理包括時(shí)間分離、空間分離、條件分離及整體與部分分離4種類型。

提出技術(shù)方案四：利用條件分離原理來解決霧滴粒徑“既大又小”的物理矛盾，通過調(diào)節(jié)噴霧壓力，改變噴霧流量及霧滴的粒徑大小。噴霧壓力越大，噴霧流量也越大，霧滴的粒徑越小。霧滴的粒徑減小，葉面覆蓋范圍增大，葉面的沉積密度增加；但霧滴粒徑過小，噴霧流量增加，農(nóng)藥的使用量增加，增加使用成本。

2.2.5 物場(chǎng)分析

普通的噴霧系統(tǒng)中，霧滴與作物之間存在機(jī)械場(chǎng)，沒有吸附作用，附著在作物上的霧滴靠重力沉降，數(shù)量少，沉積量低。該物場(chǎng)模型的效應(yīng)不足，判斷它屬于“有用但不充分的相互作用”類型。噴霧系統(tǒng)的物-場(chǎng)分析如圖3(a)所示；增加1個(gè)物質(zhì)電極S3，產(chǎn)生電場(chǎng)F2來強(qiáng)化有用效用，得出的新模型如圖3(b)所示。

圖3 系統(tǒng)分析前后的物-場(chǎng)模型

提出技術(shù)方案五：引入物質(zhì)S3(即電極)并形成另一個(gè)場(chǎng)F2(即電場(chǎng)作用)來強(qiáng)化有用效應(yīng)。通過引入的靜電場(chǎng)，增加了霧滴與作物之間的吸附作用，提高了霧滴的穿透能力，增加霧滴沉積后到葉片的質(zhì)量，從而提高了農(nóng)藥的有效利用率。

靜電霧滴在下落過程中主要受到電場(chǎng)力、重力及空氣曳力3個(gè)力的作用。電場(chǎng)受環(huán)境和噴霧高度的影響，會(huì)在下落一段距離后衰減甚至消失，所以設(shè)計(jì)的電極的位置非常重要。通過理論分析和計(jì)算，設(shè)計(jì)并制作錐形電極的角度和長(zhǎng)度，將導(dǎo)電的銅箔作為感應(yīng)電極，通過連接件固定于噴嘴外環(huán)，環(huán)繞從噴嘴噴出的霧滴，使霧滴荷電，形成感應(yīng)充電式靜電噴頭，利用3D打印技術(shù)制作如圖4所示的電極，并與錐形噴頭相連接，得到如圖5所示的靜電噴頭。該靜電噴頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用范圍較廣，是航空靜電噴霧系統(tǒng)的重要組成部分。

圖4 “銅箔式”感應(yīng)電極

圖5 靜電噴頭結(jié)構(gòu)Fig.5 Electrostatic sprinkler structure

綜上所述，根據(jù)技術(shù)矛盾和物場(chǎng)分析得到的方案二和方案五可知：靜電噴霧技術(shù)可以解決霧滴粒徑不均勻問題，電場(chǎng)對(duì)霧滴施加有用的效應(yīng)，使霧滴荷電，霧滴與作物之間形成靜電場(chǎng)，并產(chǎn)生吸附作用，牽引霧滴向靶標(biāo)運(yùn)動(dòng)和沉積，進(jìn)而提高藥液沉積量。噴霧系統(tǒng)主要由液泵、藥液箱、電源、靜電發(fā)生器和靜電噴頭組成，如圖6所示。

圖6 噴霧系統(tǒng)原理簡(jiǎn)圖

3 試驗(yàn)分析

為了檢驗(yàn)噴霧系統(tǒng)的可靠性，本研究采用荷質(zhì)比測(cè)試裝置測(cè)試霧滴的荷質(zhì)比，評(píng)價(jià)霧滴的荷電能力。在田間進(jìn)行水稻噴霧試驗(yàn)，應(yīng)用水敏紙測(cè)試卡研究霧滴在水稻葉片的沉積特性，分析霧滴在水稻葉片的分布均勻性。試驗(yàn)采用的儀器和設(shè)備如表3所示。

表3 試驗(yàn)采用的儀器設(shè)備

3.1 室內(nèi)試驗(yàn)

通過對(duì)噴霧系統(tǒng)中霧滴荷質(zhì)比的測(cè)量及霧滴粒徑分布的測(cè)試，得到該靜電噴頭產(chǎn)生的粒徑大小均勻，在200～300之間累積百分比達(dá)到80%，霧滴最大荷質(zhì)比達(dá)到1.98mc/kg。粒徑分布圖如圖7所示，荷質(zhì)比測(cè)試結(jié)果如表4所示。

圖7 靜電霧滴粒徑分布圖

噴霧壓力/MPa電壓/kV電流/A荷質(zhì)比/mc·kg-10.261.41765E-051.010.281.74762E-051.250.2102.77197E-051.980.2151.97523E-051.41

該噴頭產(chǎn)生的霧滴粒徑滿足航空靜電噴霧的粒徑要求，在噴霧壓力0.2MPa、充電電壓6kV時(shí)荷質(zhì)比為1.01mc/kg，并隨著電壓的增加，荷質(zhì)比增大。

3.2 田間試驗(yàn)

將靜電噴霧系統(tǒng)搭載于固定翼飛機(jī)進(jìn)行水稻噴霧試驗(yàn)，霧滴在水稻葉面正反面的沉積密度如圖8所示，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

圖8 霧滴在水稻葉片的沉積

電壓/kV位置密度/個(gè)·cm-2 0正面21.5背面8.36正面25.3背面17.18正面27.2背面17.710正面31.1背面18.5

表5表明：靜電噴霧在水稻背面的沉積效率比非靜電噴霧提高122.9%，在水稻正面的沉積效率提高44.7%。這說明，靜電噴霧提高了霧滴的沉積性和穿透性。

4 結(jié)果與結(jié)論

1)通過室內(nèi)試驗(yàn)，得到霧滴的粒徑分布及霧滴的荷質(zhì)比大小，霧滴粒徑均勻，最大荷質(zhì)比達(dá)到1.98mc/kg，電壓對(duì)荷質(zhì)比影響顯著。

2)田間試驗(yàn)表明：隨著電壓的增大，靜電霧滴在水稻葉片正面的沉積密度提高9.6個(gè)/cm2，在水稻葉片背面的沉積密度提高10.2個(gè)/cm2。