農(nóng)用航空靜電噴霧系統(tǒng)噴霧性能的研究

盧佳節(jié)，陳家兌，吳揚東，王 波

(貴州大學 現(xiàn)代制造技術教育部重點實驗室，貴陽 550025)

0 引言

隨著我國農(nóng)業(yè)植?？茖W技術的快速發(fā)展，在糧食產(chǎn)量不斷提高且滿足溫飽需求的同時，人們也開始關注農(nóng)藥植保對食用糧食安全和生態(tài)環(huán)境的影響。在農(nóng)藥植保噴灑領域，噴霧性能是影響航空靜電噴霧系統(tǒng)在農(nóng)藥利用率、植物病害防治效果的關鍵因素。航空靜電噴霧系統(tǒng)的噴霧性能是指霧滴在目標農(nóng)作物上的噴灑面積、藥液分布均勻度、霧滴直徑大小、沉積量、霧滴覆蓋率和沉積密度等。目前，施藥過程中航空靜電噴霧系統(tǒng)的噴霧性能已經(jīng)成為研究熱點問題之一[1-3]。

影響航空靜電噴霧系統(tǒng)噴霧性能的因素有很多，包括噴霧系統(tǒng)水泵工作壓力、噴頭與目標作物的距離、氣體流動速度、高壓靜電發(fā)生器工作電壓及噴頭噴孔直徑等[4-10]。趙明明等人基于TRIZ理論對普通農(nóng)用圓錐噴頭結(jié)合靜電感應原理設計出的靜電噴頭可以提高藥液在植株葉片上的沉積量[11]。周良富等人對雙氣流道輔助靜電噴頭進行試驗研究，發(fā)現(xiàn)噴頭與目標農(nóng)作物之間的距離對噴霧性能有影響[12]。茹煜等人開展植保無人機田間噴霧試驗及靜電噴霧和非靜電噴霧的沉積效果試驗，結(jié)果表明：在同樣試驗條件下靜電噴霧比非靜電噴霧的沉積效果較好[13]，且無人機飛行高度會對防治效果有很大的影響，當高度超過2m時霧滴漂移會大幅度地增加[14]。孫國祥等人研究噴霧系統(tǒng)在不同工作壓力霧滴沉積分布特性，得出噴霧壓力對霧滴沉積率有顯著影響[15]。楊洲等人對靜電噴霧系統(tǒng)在不同電壓值下進行試驗研究，發(fā)現(xiàn)電壓改變會引起霧滴直徑及電荷量的改變，當電壓超過6kV時霧滴直徑和電荷量改變不明顯[16]。代秋芳等人采用激光粒度儀和噴霧性能綜合試驗平臺，在壓力不變的情況下測量了3種不同孔徑的噴頭霧滴顆粒散射譜，獲得了霧滴參數(shù)隨孔徑的變化規(guī)律[17]。

綜上可知，這些研究主要以系統(tǒng)工作壓力、噴頭與目標作物的距離、高壓靜電發(fā)生器的工作電壓、噴頭噴孔直徑等單個因素作為試驗參數(shù)研究液力式噴頭系統(tǒng)的噴霧性能情況，而針對多種因素的交互影響在靜電噴霧系統(tǒng)上的試驗研究很少。由于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)植保對噴霧性能中霧滴細化能力、均勻性、吸附能力、覆蓋率等要求有所提高，故本文主要從靜電噴霧系統(tǒng)的工作壓力、噴頭的孔徑、噴頭與目標作物之間的距離3個方面來研究靜電噴霧系統(tǒng)的噴霧性能。研究結(jié)果將為航空靜電噴霧系統(tǒng)在系統(tǒng)的工作壓力、噴頭選型及植保無人機飛行高度方面的匹配提供參考依據(jù)，從而達到更好植保防治效果。

1 材料與方法

1.1 試驗設備

靜電噴霧系統(tǒng)試驗裝置組成如圖1所示。靜電噴霧系統(tǒng)主要由靜電高壓發(fā)生器、水箱、直流隔膜水泵、壓力表、水管、開關閥、噴桿及靜電噴頭等組成。高壓靜電發(fā)生器選用浩瑞公司的HR-JD-20K型高壓靜電發(fā)生器，輸入電壓為直流12V，輸出為直流0～20kV可調(diào)，輸出端正極與噴頭接線柱相連接，輸出端負極通過噴桿接地。水箱材料為聚乙烯材料，容量為10L，為靜電噴霧系統(tǒng)提供充足的水源。為避免漏電危險，水管采用PVC絕緣材料。水泵為靜電噴霧系統(tǒng)提供壓力源，采用上海威液公司的301大功率柱塞泵，壓力值為0～3.0MPa。通過自帶調(diào)壓開關調(diào)節(jié)水泵的壓力，水泵從水箱中吸水給靜電噴霧系統(tǒng)的噴頭提供恒定壓力水。壓力表采用上海紅旗儀表公司生產(chǎn)的水氣兩用表，測量范圍為0～1.6MPa。靜電噴頭采用圓錐型感應靜電噴頭，充電方式為感應式充電。

1.靜電噴頭 2.高壓導線 3.靜電發(fā)生器 4.水泵 5.水箱 6.調(diào)壓開關 7.壓力表 8.水管 9.開關 10.噴桿

1.2 試驗設計

為了研究靜電噴霧系統(tǒng)的工作壓力、噴頭的孔徑、噴頭與目標作物之間的距離對噴霧性能的影響，根據(jù)相關學者研究電壓對噴頭的影響結(jié)果，安排靜電噴霧系統(tǒng)的噴頭充電電壓為5kV[18-19]。根據(jù)相關的參考資料查閱了農(nóng)業(yè)植保的系統(tǒng)壓力、無人機飛行高度、噴頭孔徑的工作參數(shù)范圍，試驗安排了3種不同飛行高度、3種噴頭孔徑、9種不同系統(tǒng)壓力。試驗安排如表1所示。

表1 試驗因素

續(xù)表1

2 室內(nèi)試驗

2.1 噴霧性能評價指標

在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)植保噴灑系統(tǒng)中，衡量噴霧系統(tǒng)噴霧性能的指標包括霧滴直徑(包括霧滴體積中值直徑和霧滴數(shù)量中值直徑)、均勻度、沉積密度、沉積量及覆蓋率等[20]。

體積中值直徑是指在一次噴霧的全體霧滴中，大于某直徑霧滴的累積體積占全體霧滴體積的1/2,小于它的也占1/2，這個霧滴的直徑稱為霧滴體積中徑，用VMD表示。VMD的計算公式為

(1)

式中Di—i內(nèi)霧滴直徑的中值點；

Ni—i級內(nèi)霧滴數(shù)量。

數(shù)量中值直徑是指霧滴直徑按大小排列、霧滴數(shù)量累積達到全部霧滴數(shù)的50%時的霧滴直徑，稱作霧滴數(shù)量中徑，用NMD表示。即在一次噴霧的全體霧滴中，大于某直徑霧滴的累積數(shù)量占全體霧滴累積數(shù)量的1/2，小于它的也1/2。霧滴直徑通常用平均直徑度量，等于體積中值直徑VMD和數(shù)量中值直徑NMD的算術平均值，計算表達式為

(2)

均勻度是指霧滴群體大小的分散程度又稱擴散度(DR)，是衡量霧化性能好壞的重要指標。均勻度是用NMD與VMD的比值來衡量，計算表達式為

(3)

霧滴均勻度值越接近于1，表示霧滴的粒徑越均勻，如霧滴均勻度值小于 0.6 或大于1.5，則表示噴霧機械所產(chǎn)生的霧滴粒徑不均勻，在作物上的覆蓋密度和穿透性都較差，如霧滴均勻度值大于等于0.6、小于等于1.5，則認為是較理想的均勻度。

沉積密度是指所分析的采樣區(qū)域內(nèi)霧滴的分布個數(shù),沉積量是指每平方厘米內(nèi)霧滴的總體積量，覆蓋率是指所分析的采樣區(qū)域內(nèi)霧滴的重復覆蓋。沉積密度、沉積量和覆蓋率3個指標主要是用來綜合評價噴霧系統(tǒng)對植物的防治效果。沉積密度越高，沉積量和覆蓋率越小，說明噴霧系統(tǒng)在實際噴灑作業(yè)時防治可靠性越好。

2.2 霧滴直徑測量試驗

采用顯微鏡測量法測量霧滴直徑，具有成本低、易操作、效率高[21]的特點。霧滴收集裝置由玻璃擋板、載玻片和支撐臺組成。玻璃擋板通過螺釘支腳安裝在支撐臺上，在玻璃擋板中間設置有半徑為5mm的圓孔，用于控制霧滴的通過數(shù)量；載玻片放置在玻璃擋板圓孔正下方的支撐臺臺面上，用于收集測量區(qū)域的霧滴，載玻片上表面涂上一層硅油防止不同霧滴相融。在采樣過程中，沿著載玻片長度方向，人工移動載玻片收集霧滴。為防止多個霧滴落在同一地點，載玻片移動速度應高于霧滴噴灑速度。采樣結(jié)束后，取出載玻片并用液體石蠟迅速的把載玻片上收集到的霧滴蓋上，防止液體揮發(fā)；然后，利用寶視德88-56000型顯微鏡對采集到霧滴進行直徑測量。寶視德88-56000型顯微鏡放大倍數(shù)為40～640倍，自帶CCD相機可以在觀察的同時完成圖像采集。在試驗過程中，顯微鏡的放大倍數(shù)選擇100倍對霧滴進行圖像采集，然后將采集好的圖像導入AutoCAD中對其進行標注，直徑除以放大倍數(shù)得出其測量直徑，最后乘以修正系數(shù)0.86，即得到霧滴直徑真實值[22]。通過以上描述的霧滴直徑測量過程，來測量在不同噴頭孔徑下各種系統(tǒng)壓力時霧滴的直徑。

2.3 噴霧性能試驗

由于無人機成本太高，不宜用來做試驗，因此開發(fā)出可以模擬無人機的飛行高度和飛行速度的試驗裝置。模擬植保無人機試驗裝置原理圖如圖2(a)所示。其中，靜電噴頭與支撐桿采用螺紋連接并隨支撐桿通過套筒一并固定在內(nèi)伸縮桿上，內(nèi)伸縮桿可以在外伸縮桿上下滑動，目的是調(diào)節(jié)噴頭與目標作物之間的距離來模擬無人機在噴灑作業(yè)時的飛行高度，高度調(diào)節(jié)好后由緊固螺釘固定其調(diào)節(jié)的位置。外伸縮桿通過螺紋連接在滑塊上，滑塊安裝在滑軌上，滑軌根據(jù)實際需要設置長度?；瑝K由鋼絲繩連接在電機上，電機轉(zhuǎn)動帶動滑塊移動，通過輸入電壓的不同改變其轉(zhuǎn)速，達到模擬無人機的飛行速度。在噴頭的下方放置需要測量的植株，在植株葉片正反表面固定水敏紙，水敏紙遇到水以后會變色。停止噴灑時，通過CCD相機拍照試驗后的水敏紙得到采樣圖片，然后用Depositscan軟件分析噴霧系統(tǒng)的工作時的噴霧性能。本次噴霧性能試驗過程是在高度值保持1m不變時得出最佳的系統(tǒng)壓力與噴頭孔徑組合數(shù)據(jù)后，再模擬無人機的相同航速、不同飛行高度時對植株葉片正反兩面的噴霧性能效果。測量現(xiàn)場圖如圖2(b)所示。

1.滑塊 2.外伸縮桿 3.滑動套筒 4.內(nèi)伸縮桿 5.支撐桿 6.靜電噴頭 7.植株葉片 8.水敏紙 9.滑軌

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 霧滴直徑測量結(jié)果分析

當噴頭與目標作物之間的距離保持1m不變時，改變噴頭孔徑和系統(tǒng)壓力的試驗變量，得到試驗結(jié)果如表2所示。分析表2中的數(shù)據(jù)可以得出：當噴頭孔徑不變時，霧滴直徑隨著系統(tǒng)壓力的增大而減??；當系統(tǒng)壓力不變時，霧滴直徑隨著噴頭孔徑的增大而增大。當噴頭孔徑不變時，隨著系統(tǒng)壓力不斷增大霧滴直徑增速變慢，說明在同一個噴霧系統(tǒng)下系統(tǒng)壓力達到一定值時，繼續(xù)增大系統(tǒng)壓力對細化霧滴直徑?jīng)]有太大的影響。系統(tǒng)壓力值保持不變時，噴頭孔徑的改變對霧滴直徑大小的變化有顯著影響。在農(nóng)業(yè)植保噴灑系統(tǒng)中對霧滴直徑的大小有范圍的限制，霧滴直徑小于100μm時，漂移率會增大；霧滴直徑大于150μm時，農(nóng)藥噴灑量較大，會造成環(huán)境污染和食物安全等問題，因此霧滴直徑的范圍在130μm左右為宜[23]。由表2可知：滿足噴灑作業(yè)時的霧滴直徑有2組，分別是噴頭孔徑為0.8mm、系統(tǒng)壓力為0.3MPa和噴頭孔徑為1.0mm、系統(tǒng)壓力為0.5MPa。

表2 壓力和孔徑對霧滴直徑的影響

3.2 霧滴噴霧性能試驗結(jié)果分析

當噴頭孔徑和系統(tǒng)壓力分別是0.8mm、0.3MPa和1.0mm、0.5MPa ，飛行速度為4.2m/s時[24]，測量植株葉片正反兩面的水敏紙，采集圖片如圖3所示。其中，圖3(a)為植株葉片正面的測量圖片，圖3(b)為植株葉片反面的測量圖片。由圖3可知：植株葉片正面水敏紙上的霧滴密集程度要比植株葉片反面水敏紙上的霧滴密集程度高，這可能是帶電霧滴和植株葉片的正面形成的靜電場要強于帶電霧滴和植株葉片反面形成的靜電場，所以正面能夠吸附較多的霧滴。

圖3 植株葉片正反面的吸附效果

用Depositscan軟件分析采樣好的水敏紙，得到試驗結(jié)果如表3所示。由表3中可知：當噴頭孔徑和系統(tǒng)壓力保持不變時，隨著飛行高度的增高，植株葉片正反面的沉積密度和沉積率都呈減少趨勢變化；飛行高度不變時，在植株葉片正反面上噴頭孔徑為0.8mm、系統(tǒng)壓力為0.3MPa的組合均勻度要比噴頭孔徑為1.0mm、系統(tǒng)壓力為0.5MPa的組合要好。飛行高度不變時，在植株葉片正反面上噴頭孔徑為0.8mm、系統(tǒng)壓力為0.3MPa的組合覆蓋率要比噴頭孔徑為1.0mm、系統(tǒng)壓力為0.5MPa的組合要小。這可能是噴頭孔徑為0.8mm、系統(tǒng)壓力為0.3MPa組合的霧滴直徑比噴頭孔徑為1.0mm、系統(tǒng)壓力為0.5MPa的要大，因此在噴灑作業(yè)時過大的霧滴直徑覆蓋在一起的概率比較大。當噴頭孔徑和系統(tǒng)壓力保持不變時，飛行高度越高，在植株葉片正反面上覆蓋率變小趨勢越明顯。造成這種現(xiàn)象的主要原因可能是：在噴灑過程中，飛行高度越高霧滴的分散距離越大，吸附在同一個植株葉片上的霧滴數(shù)量會減少，霧滴覆蓋在一起的概率減??；另外，噴灑過程中的水平風速會帶動霧滴漂移，也會降低霧滴的覆蓋率。當飛行高度和噴頭孔徑、系統(tǒng)壓力保持不變時，植株葉片正面的沉積密度、沉積量、覆蓋率都要比反面的高。這可能是因為霧滴帶有電荷，植株葉片正面與霧滴形成的靜電場要比植株葉片反面和霧滴形成的靜電場要強，因此正面吸附的霧滴數(shù)量較多。

表3 飛行高度對噴霧性能的影響

4 結(jié)論

首先，通過分析不同系統(tǒng)壓力和噴頭孔徑下的霧滴直徑測量試驗結(jié)果，得出如下結(jié)論：系統(tǒng)壓力越大，噴頭孔徑越小，霧滴直徑變小越明顯；在噴頭孔徑不變的情況下，壓力超過0.6MPa時，霧滴直徑細化幅度不大。因此，在實際噴灑作業(yè)時系統(tǒng)壓力不宜選擇過大。根據(jù)試驗結(jié)果，符合噴灑作業(yè)要求的組合是噴頭孔徑為0.8mm、系統(tǒng)壓力為0.3MPa與噴頭孔徑為1.0mm、系統(tǒng)壓力為0.5MPa。在噴頭孔徑和系統(tǒng)壓力不變的情況下，基于一定飛行速度，模擬了無人機不同飛行高度下的噴灑試驗，結(jié)果表明：兩種系統(tǒng)壓力和噴頭孔徑的組合在同等飛行高度下，噴霧性能沒有顯著差別；但隨著飛行高度的增加，兩種組合的噴灑效果都表現(xiàn)不佳。從植株葉片正反兩面的均勻度、沉積密度、沉積量、覆蓋率等綜合參數(shù)來看，選擇噴頭孔徑0.8mm、系統(tǒng)壓力0.3MPa、飛行高度1.5m的組合，植保噴灑效果最好且降低了成本。