風(fēng)幕式噴霧機(jī)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)*

劉子源，李榮龍，黃宏宇，劉國(guó)雄，袁計(jì)超，尤 佳

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052）

0 引言

噴霧作業(yè)過(guò)程中，霧滴飄移是農(nóng)藥流失和農(nóng)藥有效利用率低的重要原因之一[1]。采用風(fēng)幕式氣流輔助噴霧技術(shù)可以增強(qiáng)霧滴穿透能力，減少霧滴飄移，改善靶標(biāo)藥液分布，提高霧滴在作物上的沉積率[2]。風(fēng)幕式施藥技術(shù)是利用風(fēng)機(jī)經(jīng)風(fēng)囊出口吹出高速氣流，形成風(fēng)幕，迫使霧滴沉積到作物冠層，降低了霧滴的損耗；使高速氣流直接作用于噴頭，提高了霧滴的速度，從而大大增強(qiáng)了霧滴在作物冠層的穿透性。風(fēng)幕的風(fēng)力會(huì)使霧滴二次霧化，從而進(jìn)一步提高霧化效果，改善霧滴在作物葉片表面的沉積量和分布[3]。風(fēng)幕式施藥技術(shù)主要應(yīng)用于果園和大田作物，果園風(fēng)幕式噴霧機(jī)有單風(fēng)筒式和多風(fēng)筒式，大田作物主要使用風(fēng)幕式噴桿噴霧機(jī)。

近年來(lái)，我國(guó)植保機(jī)械發(fā)展較快，植保機(jī)械化作業(yè)面積不斷擴(kuò)大，高效施藥機(jī)械及技術(shù)得到推廣應(yīng)用。但總體來(lái)說(shuō)，我國(guó)植保機(jī)械性能和施藥技術(shù)仍需進(jìn)一步提高，目前仍沿用傳統(tǒng)粗霧滴、大霧流施藥方式，無(wú)法滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)的要求[4]。針對(duì)目前噴桿噴霧機(jī)噴霧量大，霧滴飄移擴(kuò)散易造成污染、農(nóng)藥浪費(fèi)等問(wèn)題，課題組分析了國(guó)內(nèi)外風(fēng)幕式噴霧技術(shù)研究現(xiàn)狀，對(duì)風(fēng)幕式噴霧機(jī)原理等方面進(jìn)行了闡述，并結(jié)合風(fēng)幕式噴桿噴霧機(jī)存在的問(wèn)題，對(duì)其未來(lái)發(fā)展提出建議。

1 國(guó)外風(fēng)幕式技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

在20世紀(jì)80年代，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始將風(fēng)幕輔助氣流技術(shù)應(yīng)用于植保機(jī)械行業(yè)。丹麥HARDI公司研制了多系列風(fēng)幕式噴桿噴霧機(jī)，如圖1所示。

圖1 HARDI公司研發(fā)的風(fēng)幕式噴桿噴霧機(jī)Fig.1 HARDI air-ssisted boom sprayer

噴霧機(jī)的氣流噴射角度和噴頭安裝角度可調(diào)[4]，相較于傳統(tǒng)噴桿噴霧機(jī)可減少60%的農(nóng)藥飄移量，節(jié)省50%的用水量，很大程度地提高農(nóng)藥利用率。Quanquin和Young對(duì)風(fēng)幕式防飄移技術(shù)進(jìn)行了研究，其結(jié)果表明風(fēng)幕式噴桿技術(shù)對(duì)減少飄浮霧滴是明顯有效的。Panneton等[5]研究了風(fēng)幕式噴霧技術(shù)對(duì)西蘭花葉表面沉積率的影響，其結(jié)果表明風(fēng)幕風(fēng)速對(duì)霧滴在葉片上的沉積率影響最為明顯，當(dāng)風(fēng)幕風(fēng)速為20 m/s時(shí)，對(duì)植株中上部葉片的沉降效果最好。Manor等[6]對(duì)風(fēng)幕式噴霧機(jī)在棉田中的作業(yè)情況進(jìn)行了研究，試驗(yàn)結(jié)果顯示，帶有氣流筒的噴霧機(jī)比僅有液力式噴嘴的噴霧機(jī)在霧滴沉積率和穿透效果上更好。

2 國(guó)內(nèi)風(fēng)幕式技術(shù)現(xiàn)狀

我國(guó)對(duì)于風(fēng)幕式輔助氣流施藥技術(shù)在植保行業(yè)的應(yīng)用研究起步較晚。中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院研究制造出3W系列風(fēng)幕式噴桿噴霧機(jī)[4]，如圖2所示，該機(jī)在新疆棉田進(jìn)行了施藥作業(yè)，試驗(yàn)及實(shí)際噴施效果均較為理想。劉雪美等研制了3MQ-600型導(dǎo)流式氣流輔助噴桿噴霧機(jī)，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了其具有抵抗飄移和減少霧滴沉積的性能[7]。張鐵等建立了超高地隙噴桿噴霧機(jī)風(fēng)幕式氣流輔助施藥技術(shù)霧滴沉積飄移分布模型，并對(duì)飄移率與各影響因素之間的關(guān)系進(jìn)行了仿真研究[8]。毛廣陽(yáng)研究了斜置式風(fēng)幕噴桿噴霧系統(tǒng)，該系統(tǒng)重點(diǎn)考慮了氣流噴射角和噴頭安裝角對(duì)噴霧流場(chǎng)的影響[9]。燕明德等運(yùn)用Fluent軟件對(duì)所建立的風(fēng)幕式噴桿噴霧機(jī)數(shù)值模型的氣波兩相流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了不同作業(yè)參數(shù)對(duì)噴霧流場(chǎng)的影響[10]。魏新華等設(shè)計(jì)了一款分行冠內(nèi)冠上組合風(fēng)送式噴桿噴霧機(jī)，對(duì)棉花進(jìn)行植保作業(yè)，通過(guò)田間性能試驗(yàn)驗(yàn)證了其施藥效果[11]。

圖2 中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院研制的3WZG-3000氣流輔助噴桿噴霧機(jī)Fig.2 CAAMS 3WZG-3000 air-assist boom sprayer

3 風(fēng)幕式噴桿噴霧機(jī)存在的問(wèn)題及趨勢(shì)展望

3.1 存在的問(wèn)題

1）國(guó)外對(duì)風(fēng)幕式噴桿噴霧施藥技術(shù)研究較早，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜龐大，引進(jìn)費(fèi)用高昂，并且與我國(guó)玉米或棉花等作物模式不配套。

2）風(fēng)幕式噴桿噴霧機(jī)相較于傳統(tǒng)噴桿噴霧機(jī)，沉積均勻性、藥液利用率及霧滴穿透性能均有較大的提高。但是與國(guó)外風(fēng)幕式噴桿噴霧機(jī)施藥性能相比，我國(guó)風(fēng)幕式噴桿噴霧機(jī)風(fēng)幕氣囊出風(fēng)口氣流速度均勻性和霧滴沉積均勻性還有待進(jìn)一步提升。

3）目前，國(guó)內(nèi)科研機(jī)構(gòu)及企業(yè)對(duì)于風(fēng)幕式噴桿噴霧機(jī)的研究還處于設(shè)計(jì)及試驗(yàn)階段，并未很好地推廣。采用風(fēng)幕式氣流輔助式噴桿噴霧機(jī)時(shí)，對(duì)于不同作物匹配的參數(shù)不同，如風(fēng)速、噴頭距靶標(biāo)作物距離、氣流速度等，調(diào)整優(yōu)化參數(shù)較為困難。

3.2 發(fā)展的趨勢(shì)

風(fēng)幕式噴桿噴霧機(jī)是一種大型的植保機(jī)械，后續(xù)進(jìn)一步的研究主要從兩方面考慮。一方面，對(duì)風(fēng)送系統(tǒng)中輕型大風(fēng)量風(fēng)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化氣流輔助輸送系統(tǒng)的風(fēng)速和風(fēng)量，提高出風(fēng)口氣流速度均勻性，確保在行進(jìn)過(guò)程中穩(wěn)定作業(yè)。另一方面，通過(guò)實(shí)地試驗(yàn)研究確定氣流輸送系統(tǒng)的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)，比如，氣流出口的方向偏角、風(fēng)口的位置與噴頭噴口的位置搭配、風(fēng)機(jī)風(fēng)速的大小和藥液泵的功率。通過(guò)分析研究得出輔助風(fēng)量對(duì)霧滴飄移的實(shí)際影響規(guī)律，確定噴霧速度和空氣壓力對(duì)霧滴沉積改善調(diào)節(jié)的最佳搭配。

4 結(jié)語(yǔ)

國(guó)外的風(fēng)幕式噴桿噴霧機(jī)技術(shù)成熟，但是其價(jià)格是國(guó)內(nèi)價(jià)格的數(shù)倍，國(guó)內(nèi)地形地貌復(fù)雜且作物種植模式不同，許多機(jī)型不能滿足國(guó)內(nèi)噴霧作業(yè)要求。目前，國(guó)內(nèi)團(tuán)隊(duì)關(guān)于噴桿噴霧機(jī)的研究相對(duì)成熟，但對(duì)于風(fēng)幕式噴桿噴霧機(jī)的研究仍處于試驗(yàn)階段，還沒(méi)有適合我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式、能大面積推廣的風(fēng)幕式噴桿噴霧機(jī)。

由于我國(guó)北方的耕作活動(dòng)常在有風(fēng)的環(huán)境中進(jìn)行，單純的噴桿噴霧機(jī)并不能很好地完成施藥作業(yè)。而風(fēng)幕式噴桿噴霧機(jī)對(duì)噴霧環(huán)境要求低，時(shí)效性好，可以有效地減少農(nóng)藥使用量，降低生產(chǎn)成本，提高防治效果，一定程度上突破了制約低量噴霧技術(shù)推廣應(yīng)用的瓶頸。因此，應(yīng)該適當(dāng)?shù)貙⒅匦霓D(zhuǎn)移到風(fēng)幕式噴桿噴霧機(jī)的研究開(kāi)發(fā)中。在綜合國(guó)外風(fēng)幕式噴桿噴霧機(jī)和國(guó)內(nèi)噴桿噴霧機(jī)優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，研制出適合我國(guó)作物的風(fēng)幕式噴桿噴霧機(jī)是十分必要的，這對(duì)推動(dòng)我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展具有重要意義。