果園噴霧機械及技術(shù)的研究現(xiàn)狀

王震濤 牛 浩 唐玉榮 劉 揚 蘭海鵬 張 宏

（塔里木大學(xué)機械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾843300）

我國的果園總面積和總產(chǎn)量目前居世界第一。據(jù)國家統(tǒng)計局資料顯示，2016年全國果園面積達到12 981.55千公頃?，F(xiàn)代果園植保作業(yè)常采用化學(xué)、物理、生物防治方法，其中化學(xué)防治法以防治及時、效率高，技術(shù)成熟而被全球廣泛使用。我國2018年農(nóng)藥使用了337萬噸，利用率36.36%［1］，極少數(shù)的藥劑沉積在靶標上起到殺蟲作用［2］。其余沉積在土壤里彌漫到空氣中的農(nóng)藥，危害了人的健康并使得病蟲害的抗藥性增加，這迫使人們尋找提高藥液利用率的高效噴霧技術(shù)。

目前，果園植保作業(yè)主要采用液體壓力式噴霧機和氣力式噴霧機進行病蟲害防治，但多數(shù)采用定量噴施，尚未達到精準對靶，智能噴施［3］。為了達到作業(yè)效果，只能增加施藥量，這促使科研工作者尋求新的果園噴霧技術(shù)與噴霧機械配合。而靜電噴霧技術(shù)和變量噴霧技術(shù)以較高的藥液利用率，良好的作業(yè)效果受到農(nóng)業(yè)從業(yè)者的重點關(guān)注。本文將通過概述液體壓力式，氣力式噴霧機研究現(xiàn)狀，及靜電與變量噴霧技術(shù)進展，展望果園噴霧機械的發(fā)展趨勢。

1 液體壓力式噴霧機

法國最早使用手動噴霧器噴灑藥劑防治病蟲害［4］，隨后在美國被使用。1900年,汽油發(fā)動機運用到噴霧機，蘇聯(lián)隨后開展了航空植保作業(yè)，主要運用到森林與小麥，馬鈴薯等農(nóng)作物上。上述的霧化方式為液力壓力霧化，即通過特殊裝置將液體呈霧狀噴射出去。通常液力式噴霧機械分為小型背負式液力噴霧機和大型機動式液力噴霧機。我國主要使用保有量世界第一的小型背負式液力噴霧機［5］。國外通常采用大型機動式液力噴霧機，由拖拉機牽引或自走。

目前大型機動式液力噴霧機是液力式噴霧機的主流。國外知名農(nóng)機裝備公司，如Agrifac、約翰迪爾、凱斯、愛科、海吉、紐荷蘭、久保田等，設(shè)計生產(chǎn)了一系列成熟的自走式噴桿噴霧機。如約翰迪爾研發(fā)的4830自走式噴霧機，配備了BoomTrac Pro自動噴桿高度傳感器，智能顯示器，SprayStar噴量控制裝置，靜液壓驅(qū)動等技術(shù)。其作業(yè)幅寬可達36 m，具備16 H連續(xù)作業(yè)能力。

法國波爾圖(Berthoud)RAPTOR 4200自走式噴藥機，配備了Ectronic電子調(diào)控系統(tǒng)，可控制噴桿收張，噴灑，壓力流速，每畝噴藥量等各作業(yè)參數(shù)。Axiale噴桿懸掛系統(tǒng)，靜液壓驅(qū)動等，作業(yè)幅寬24-42 m，噴桿高度0.5-3.15 m可調(diào)。

圖1約翰迪爾4830自走式噴霧機

圖2法國波爾圖RAPTOR 4200自走式噴霧機

國內(nèi)液力式噴霧機的作業(yè)噴幅，作業(yè)速度和噴藥質(zhì)量難以適應(yīng)先進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的要求，因此國內(nèi)科研院所，農(nóng)機所與企業(yè)研發(fā)出一系列大型自走液力式噴霧機。如現(xiàn)代農(nóng)裝科技股份有限公司研發(fā)了包括3WZG-650、3WZG-750、3WZG-3000A等大型高地隙自走式噴桿噴霧機，其中3WZG-3000A型號噴霧機集成了靜液壓驅(qū)動、獨立式空氣懸架、輪距調(diào)整、多輪液壓助力、變量噴霧、集成底盤等多項技術(shù)，作業(yè)幅寬20-24 m，噴桿作業(yè)高度可在0.6-2.2 m可調(diào)。噴桿采用自動平衡，有效減少噴桿不規(guī)律運動引起噴霧沉積均勻性變化的問題。

圖3 現(xiàn)代農(nóng)裝3WZG-3000高地隙自走式噴桿噴霧機

圖4 門式噴桿結(jié)構(gòu)的葡萄噴霧機

山東五征集團研發(fā)的3WP4-2000和3WP4-1800自走式噴霧機采用全液壓四輪驅(qū)動、高低速控制及防打滑技術(shù)，具有四輪轉(zhuǎn)向、蟹行轉(zhuǎn)向等多種轉(zhuǎn)向模式，并集成最新北斗GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)和ARAG作業(yè)管理系統(tǒng)，具有導(dǎo)航自動駕駛功能。

小型背負式噴霧機由于結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，價格低廉被廣泛使用，但噴霧射程較短，藥液很難達到果樹的樹冠與中膛位置，且葉背附著率低。較少的運用于果園植保。機動液力式噴霧機有較大作業(yè)幅寬，較高的離地間隙，噴桿可布置成門式結(jié)構(gòu)，被用于籬架型果園及果樹幼苗的植保作業(yè)。但國內(nèi)的高地隙自走式噴霧機缺乏自己的核心技術(shù)，在發(fā)動機與噴頭方面的研究與國外仍然有一定差距。

2 氣力式噴霧機

氣力式噴霧機又稱風(fēng)送式噴霧機，是現(xiàn)在國內(nèi)外廣泛運用的果園植保機械。它將霧滴隨氣流運動送到果樹內(nèi)膛，噴出的液滴經(jīng)過二次碰撞破碎成粒徑更小的霧滴，同時氣流吹動葉片發(fā)生退讓，躲避，扭轉(zhuǎn)等運動，有效的增加葉片背部和內(nèi)膛的藥液附著率。國內(nèi)外對果園風(fēng)送式噴霧機的噴霧機理與影響規(guī)律進行了探索，Crossa等的研究表明風(fēng)速對于靶標沉積量的影響并非呈正比關(guān)系。Whitney等的試驗表明風(fēng)機的氣流速度場分布影響霧滴的分布。Delele［6］等采用流體力學(xué)仿真探尋作業(yè)速度與噴霧質(zhì)量的關(guān)系。仿真結(jié)果表明：作業(yè)中的風(fēng)送式噴霧機速度衰減系數(shù)與拖拉機牽引力和氣流出口速度成正比。周海燕［8］發(fā)現(xiàn)霧滴的直徑越小和氣流速度越相仿，探尋了風(fēng)輪葉片數(shù)、角度對風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的影響。戴奮奮［7］指出對于風(fēng)送式噴霧機的風(fēng)量的確定，要考慮風(fēng)力末速度。國內(nèi)外科研工作者針對不同的作業(yè)對象研制出一系列風(fēng)送式噴霧機，如表1所示。

表1 風(fēng)送式噴霧機

（續(xù)表）

風(fēng)送式噴霧機可以將藥液隨氣流送到果樹冠層內(nèi)部，能有效的減小霧滴粒徑［33］，提高葉片背部附著率［34］［35］，現(xiàn)有的風(fēng)送式噴霧機的研究主要集中在以下三個方面：

（1）風(fēng)機結(jié)構(gòu)對植保效果的影響。風(fēng)機作為一個主要部件，它的結(jié)構(gòu)影響著風(fēng)機的氣流速度場分布，進而影響噴霧效果，通過改變風(fēng)機的導(dǎo)流板以及外形結(jié)構(gòu)達到理想的效果。

（2）技術(shù)參數(shù)對噴霧效果的影響，主要研究了拖拉機行駛速度、風(fēng)速、噴霧距離等因素對噴霧效果的影響，研究其影響規(guī)律并改進噴霧方式，提升噴霧效果。

（3）對變量噴霧技術(shù)、仿形技術(shù)、靜電噴霧技術(shù)與風(fēng)送式噴霧機相結(jié)合的研究，發(fā)現(xiàn)風(fēng)送式噴霧機具有很好的兼容性，通過對不同技術(shù)融合，用藥量明顯減少且噴霧效果明顯提高。

隨著時代的發(fā)展，國家對生態(tài)環(huán)境和人體健康的關(guān)注，以及氣液力噴霧硬件的穩(wěn)步發(fā)展，越來越多的科研工作者投入到環(huán)保高效型施藥技術(shù)的研究上，靜電噴霧技術(shù)，變量噴霧技術(shù)以有效提高農(nóng)藥沉積率，減少農(nóng)藥漂移，更好的滿足節(jié)水省藥的作業(yè)要求等特點受到廣泛關(guān)注。

3 靜電式噴霧技術(shù)

靜電噴霧作為高效低污染新型施藥技術(shù)，受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。1745年的Bose首次提到液體靜電霧化的現(xiàn)象，1882年的Rayleigh，1940年法國Hampe在實驗室中進行了靜電噴霧實驗［36］。靜電噴霧技術(shù)應(yīng)用到植保器械中首次出現(xiàn)在美國專利4 356 528中。該技術(shù)在噴霧過程中噴頭與靶標之間建立靜電場，藥液經(jīng)噴頭攜帶上與靶標極性相反的電荷，由于藥液和噴頭極性相同，與靶標所帶電荷相反，在靜電力與其他外力的共同作用下，荷電霧滴被吸引到靶標，并附著在靶標的各個部位［37-39］。由于靜電力的作用，霧滴漂移極大減少，并均勻的附著在葉片的正面與背部。

圖5 紫外光下荷電霧滴在葉片沉積狀態(tài)

圖6 液力式噴霧在葉片上的沉積

Rayleigh率先對靜電噴霧進行相關(guān)的理論研究，提出了Rayleigh極限，即帶電液滴能夠維持平衡狀態(tài)的最大帶電量。在這之后Drozin、Hendricks、Kelly等人在噴霧過程中液體錐面的成因和霧滴破碎機理等方面作了報道［40］。Castleman和Meyer的研究認為霧滴從液膜破裂成液絲進一步破碎成霧滴［41］。Rash研究了液膜破碎成霧滴的直徑計算公式［42］。美國喬治亞大學(xué)［43］率先將噴頭為嵌入電極-靜電感應(yīng)噴頭的機動靜電噴霧機用于棉田作業(yè)，隨后被美國ESS公司買入了其研制出的靜電噴霧系統(tǒng)(ESS)和氣助式靜電噴霧系統(tǒng)(AA-ESS)，研制出一批用于葡萄園，溫室等的靜電噴霧機，跟普通施藥方式相比有效藥液噴灑量增加了55%［44］。英國科學(xué)家［45］通過風(fēng)洞研究了噴嘴高度，噴嘴直徑，霧滴帶電量以及風(fēng)速對靜電噴霧沉積效果的影響，并給出相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。并研制了一種轉(zhuǎn)盤式靜電噴頭，該噴頭將感應(yīng)電極于轉(zhuǎn)盤同軸旋轉(zhuǎn)，有效解決了電荷泄露的問題［46］。德國［47］曾經(jīng)對多種噴霧機械用不同的充電方式進行靜電噴霧的研究，發(fā)現(xiàn)電暈充電法適于普通田間噴霧機，與沒有加裝靜電噴霧裝置的噴霧機相比，靜電噴霧藥液沉積率顯著增加且小霧滴更容易沉積。韓國忠北國立大學(xué)的Gabriel［48］研究了壓力旋流霧化噴頭在靜電場中的霧化特性。結(jié)果表明噴頭在荷質(zhì)比0.27 mc/kg，流量0.19 L/min，霧滴體積中徑11 um，電壓4 000 v時，該噴頭的沉積效果最佳。以色列的Gan-Mor［49］對靜電扇形噴頭的電極位置與作業(yè)后藥液沉積量進行了研究，結(jié)果表明該噴頭的荷電霧滴比普通噴頭的霧滴更易沉積在植物的葉背處，具有良好的藥液沉積效果。印度的Venkata［50］針對普通農(nóng)戶設(shè)計了一種背負式靜電噴霧裝置，并優(yōu)化其技術(shù)參數(shù)增加了背負式靜電噴霧機的可靠性。加拿大的Zhao［51］對靜電霧化噴頭進行了分析研究，并把靜電噴霧過程中的電流分為五類。研究結(jié)果表明，當電壓突破臨界最大電壓時，繼續(xù)增大電壓，靶標上的電荷量不再增加。中國的牛萌萌［52］針對丘陵地區(qū)設(shè)計了一種在線混藥型靜電噴霧機，發(fā)現(xiàn)噴霧角度影響藥液沉積，有風(fēng)時不適合靜電噴霧機作業(yè)。何雄奎［53］將靜電噴霧與紅外線傳感器，風(fēng)送式噴霧機結(jié)合。試驗結(jié)果表明霧滴均勻附著在葉片正反面，用藥量減少50%。

靜電式噴霧機噴出的霧滴在靜電力的作用下，霧滴更容易吸附在葉片的正反面，且用藥量減少，作業(yè)效果比液力式噴霧機優(yōu)良。靜電噴頭作為靜電噴霧技術(shù)的核心部件，工作機理與噴頭機構(gòu)受到各國科研工作者的重點關(guān)注。但靜電噴霧技術(shù)因不夠成熟，價格昂貴等原因并沒有得到廣泛推廣，國內(nèi)靜電式噴霧機目前還處在樣機的階段，產(chǎn)業(yè)化水平有待提高。

4 變量噴霧技術(shù)

傳統(tǒng)果園噴霧機以常量噴霧作用于靶標，其施藥作業(yè)參數(shù)不能根據(jù)果樹冠層及病害位置自動調(diào)節(jié)。進而造成沉積在葉片上的藥液不均勻，導(dǎo)致局部施藥量過多或漏噴，影響農(nóng)藥有效利用率，甚至嚴重影響到果品品質(zhì)。故開展對果園變量噴霧技術(shù)的研究是藥液高效利用的必然趨勢。目前國內(nèi)外對于精準對靶方法的研究主要是利用機器視覺，紅外傳感器，視覺傳感器，超聲波傳感器一種或多種組合傳感方式，通過流量控制系統(tǒng)，根據(jù)反饋信息，精準判斷目標的有無及靶標的位置。隨著外界作業(yè)條件的變化來改變作業(yè)參數(shù)。對噴霧作業(yè)進行最高效益的優(yōu)化。國內(nèi)外做了很多變量噴霧技術(shù)的研究，詳見表2。

表2 變量噴霧技術(shù)研究

變量噴霧技術(shù)的研究，目前集中在靶標識別技術(shù)和流量控制系統(tǒng)，通過表2可以看出，使用變量技術(shù)的噴霧機與傳統(tǒng)噴藥方式相比節(jié)藥50%以上，目前對靶識別成功率達到60%以上。能很好地實現(xiàn)靶標識別，變量噴施。但傳感器及控制系統(tǒng)價格昂貴，精準識別靶標的成功率還有待提高，且流量控制系統(tǒng)的響應(yīng)有延遲，造成了一定的藥液浪費。無論是液力式噴霧機還是風(fēng)送式噴霧機均可與精準對靶控制系統(tǒng)良好的結(jié)合在一起。隨著環(huán)保要求的提高與智能化農(nóng)業(yè)的普及，未來的果園噴霧機械上變量噴霧技術(shù)的應(yīng)用將得到很大的發(fā)展。

5 發(fā)展趨勢

上述四個方面梳理了果園噴霧機械及技術(shù)的研究現(xiàn)狀，為改善果園噴霧機械作業(yè)性能，提高噴霧質(zhì)量，結(jié)合上述國內(nèi)外研究，總結(jié)出值得關(guān)注的幾個方面。

5.1 自動化噴霧系統(tǒng)集成研究與產(chǎn)品化

隨著社會經(jīng)濟發(fā)展水平的提高和我國人口老齡化，今后我國的主要人員將流向第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)，這對于農(nóng)業(yè)機械的自動化是機遇也是挑戰(zhàn)，針對精準對靶技術(shù)，藥量及風(fēng)量控制等技術(shù)發(fā)展水平和產(chǎn)業(yè)化不同的問題，分步驟開展自動化噴霧系統(tǒng)的研究亟待展開，今后的噴霧機械會逐漸淘汰那些功耗大，效率低的噴霧機械，轉(zhuǎn)向精準對靶，智能噴施的噴霧機械。

5.2 果園藥量控制方法與系統(tǒng)開發(fā)

傳統(tǒng)的噴藥方式大多數(shù)藥液流失到空氣與土壤里，造成了環(huán)境污染和人中毒，也造成病害的抗藥性增加?？沙掷m(xù)發(fā)展要求噴霧機械提高藥液利用率，從總管道的流量控制與噴頭的流量控制亟需技術(shù)集成與優(yōu)化，到與靶標識別與靜電噴霧技術(shù)深入與結(jié)合，國內(nèi)科研院所一方面要關(guān)注國外農(nóng)業(yè)裝備公司產(chǎn)品的缺陷，有針對性的研發(fā)。另一方面針對市場的需求，集成先進控制技術(shù)研發(fā)受市場歡迎的藥量控制系統(tǒng)與噴霧機械。

5.3 農(nóng)機農(nóng)藝融合

我國地域遼闊地勢復(fù)雜，各地的果園種植模式各有特色。隨著對農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的不斷調(diào)控，今后經(jīng)濟類果園以及設(shè)施果園的面積不斷增大，目前我國的植保機械水平將遠不能滿足，應(yīng)加強農(nóng)機與園藝之間的配套程度，積極推動噴霧機械產(chǎn)品研發(fā)，生產(chǎn)與推廣，促進適于機械化生產(chǎn)的新農(nóng)藝，農(nóng)機農(nóng)藝不斷融合促進，進一步提高作業(yè)效率，增加果品品質(zhì)。

6 結(jié)語

隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，生產(chǎn)規(guī)模的擴大，要求果園噴霧機械的作業(yè)效率，噴霧質(zhì)量，工作性能不斷提高。綜上可知，液力式噴霧機技術(shù)成熟，生產(chǎn)了數(shù)量眾多的小型背負式噴霧機和作業(yè)幅寬大，作業(yè)效率高的機動式噴霧機，但我國的高地隙自走式噴霧機的發(fā)動機、智能控制系統(tǒng)、產(chǎn)品可靠性仍與國外有差距；氣力式噴霧機作為果園噴霧的主流機械，受到了廣泛的關(guān)注與研究。其風(fēng)機結(jié)構(gòu)等技術(shù)參數(shù)對噴霧效果的影響取得了一定的成果，但針對不同作業(yè)對象，仍需針對性的開發(fā)；靜電噴霧技術(shù)使霧滴在靜電力，重力，氣流曳力的作用下沉積在靶標上，具有較高的藥液利用率。但還需對靜電場下霧滴飄移，穿透特性進行研究，并尋求一種價格低廉兼顧作業(yè)效果的靜電噴頭；果園變量噴霧技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，與噴霧機械有良好的適配性，但現(xiàn)在還處在樣機階段沒有得到廣泛的運用，需要以快速識別靶標與流量調(diào)整等技術(shù)為重點攻克目標，模塊化植入以實現(xiàn)工程運用；在未來根據(jù)作業(yè)對象，以合適的噴霧機械搭載靜電噴霧，變量噴霧技術(shù)提高藥液利用率將成為果園噴霧機械的主要趨勢。