温室智能装备系列之二温室静电农药喷洒机在设施园艺生产中的研究与应用

马　伟　王　秀　齐永胜　周　舟

现在，因为符合现代农业发展的要求，设施农业受到人们越来越多地的关注。由于具有反季节、高附加值、高投人、高产出等特点，温室生产得到更多的关注。温室高效生产是发展现代农业面临的一个重大课题。而温室高效生产面临的首要问题就是，在温室的湿、热、闷的作业环境下，如何进行高效施药，使其既满足控制病虫害的要求，又不会由于喷药加太温室的湿度而使温室病虫害发生的几率增大。使用高效智能温室喷药设备是解决这一问题的有效途径。

西方发达国家在智能喷药技术研究方面起步较早。19世纪40年代。法国的Hampe首先将静电技术引入喷药领域；19世纪60年代美国开始采用EHD发电式静电喷撒机喷洒粉剂农药；80年代美国佐治亚大学开发出ESS系统，这是静电技术在施药领域的重大突破。

由于静电技术涉及到诸多科学领域，中国对该项技术在农业施药上的应用起步较晚。国家农业信息化工程技术研究中心经过技术攻关，开发出一种可用于温室的静电农药喷洒机。这种静电喷药机安装有2个脚轮和把手，可用于推动，适于在不同温室间的灵活移动，可以做到一机多温室用、多人用、多种农药用。该机使用方便，采用多层绝缘技术，安全可靠。机器宽0.5m，可以灵活地温室内部的步道推动，机器高1.1m，搬运方便。另外，各种控制器都内嵌到机身里，外部安装有外罩，美观安全。控制单元密封在控制箱内，绝缘、防水、防潮。该机器作业操作简单，易于维护，适合中国温室大面积推广应用。

喷药机工作原理

药液首先经过初级过滤器过滤后通过压力单元进行加压，加压后的药液经过计量孔计量后，通过喷枪实现雾化。农药在雾化过程中再经过高压脉冲电极使雾滴带电，并在气流的作用下二次雾化，雾化后的高速气流将带电的雾滴送到待喷洒的目标植株上。静电喷药机采用220V交流电源作为工作电源，电源经过控制箱后向系统的各个部分分别供电，控制箱内有电源适配器、压力单元和发光二极管以及其他电子控制元件。电源首先通过电源适配器产生12V直流电压，该直流电压为液泵和中间继电器供电。液泵供电后将喷洒药液从液箱内经过管路泵出，形成高压液流，供给喷枪。控制盒上安装有压力显示表，可以实时显示液泵所供液体的压力，液泵由自动卸压和手动调节压力2种方式进行调节。

温室静电喷药机设计有2个液箱，分为大液箱和小液箱。混合好的药液经过沉淀后倒入大液箱，经过过滤后，由压力单元抽取药液经过系统二次过滤加压后通过喷枪喷洒到目标植株的表面，该液箱的容积为3L。小液箱盛有纯净水，主要用途是当喷药工作完成后，可用于清洗管路和喷头，用来维护静电喷药机的压力单元和喷枪以及电极，延长设备的使用寿命。机器安装的静音空气压缩机是通过中间继电器控制的，中间继电器的工作电压为直流12V的电压，这样可以保证设备的控制精度和安全可靠性。当电源接通，闭合启动开关后，继电器线圈吸合，空气压缩机开始工作，产生高压气流，通过管路供给喷枪，使带电药液二次雾化。喷枪内设计有高压静电发生模块，采用独立的12V充电蓄电池进行供电，可以反复充电使用，高压静电发生模块产生1.5kV脉冲高压静电，通过绝缘的内部结构供给喷头处的嵌入式脉冲中极，电极在喷枪内部形成电场，高压空气流携带的汽化液滴在飞过电场时每一个雾滴都携带了负电荷，高速的带电雾滴通过喷嘴处的尼龙防护罩喷洒向目标植株的叶片。图1为温室静电农药喷洒机流程框图。

喷药机结构

喷药机主要由4部分组成，即机架、静电系统、气体液体系统和控制系统。机架主要作用是为喷药机的各个部分和零件提供一个安装的平台，机架上安装有推手和脚轮，使温室喷药机能在不同温室之间方便移动，提高静电喷药机的使用效率。静电系统主要用来产生静电脉冲，使雾滴携带负电荷，该系统包括蓄电池和高压静电发生模块，主要内嵌在静电喷枪内：气体液体系统主要由药箱、压力单元和静音空气压缩机组成，压力单元和压缩机分别提供喷药机所需要的高压液体和高速气流；控制系统包括开关、控制箱、指示灯等，控制箱对压力单元和空气压缩机进行控制。其结构图如图2a、图2b所示，温室静电农药喷洒机实物图如图3所示。

设备应用

该设备在北京小汤山国家精准农业示范基地设施温室中进行示范应用，取得良好的效果，杀虫剂和杀菌剂的使用周期从原来的1周1次延长到2周1次，药效能够有效地持续2周以上。用量减少到原来的1／3。甜瓜在种植过程中，使用静电喷药机进行试验，药液能有效地吸附在叶片的正面和背面，喷药作业结束后，温室封闭环境中空气中悬浮雾滴很少。和常规喷雾机器对比，使用静电喷药机附着在叶片背面的雾滴明显增多，叶片正面的雾滴也能均匀地分布，叶片正面和叶片背面的雾滴附着量差异已经很少，这就说明这种静电技术在温室喷雾作业中能够有效地解决温室喷雾面临的瓶颈，为提高农药的使用效率以及降低农药残留奠定了基础。图4为静电喷药机和常规喷药机在实际应用中叶片的正面和背面雾滴吸附的显微对比图，图4a为使用静电喷药机喷药后叶片正面的雾滴吸附情况，雾滴所带的负电荷由于同电荷互相排斥而均匀地分布在叶片表面，不会凝结成较大的雾滴而导致从叶片上滚落。图4b为使用静电喷药机喷药后叶片背面的雾滴吸附情况，雾滴带负电荷，首先雾滴间因同为负电荷、同性相斥的作用而散开，当快要到达叶片时，又由于叶片携带的正电荷、异性电荷相吸作用，一部分雾滴由于吸引力被吸附到叶片背面，均匀地分布在叶片背面。一般来说，大量的害虫和病菌集中在叶片背面见不到阳光的地方，若携带负电荷的雾滴有效吸附在叶片背面，则叶片背面的病菌和害虫就能得到有效抑制。图4c为常规喷药机喷雾后叶片正面的雾滴吸附情况，雾滴分布不是很均匀，而且有一部分雾滴凝结成比较大的水珠，叶片无法有效地吸收，导致药液挥发浪费。图4d为常规喷药的叶片背面的雾滴吸附情况，由于枝叶的遮挡，常规喷药机的药液无法有效地到达叶片背面，同时，喷药压力单元产生的惯性无法“拐弯”，因此如果从上往下喷药，雾滴基本上无法吸附到叶片背面，形成少量的雾滴吸附也是凝结成水珠，植物无法有效地吸收，因此也无法有效地抑制叶片背面的害虫和病菌，同时大量的雾滴悬浮在空气中或者喷在土壤上或者地膜表面，造成农药大量的浪费。

从图4对比我们能清晰地看出静电喷药技术的优越性，该技术摆脱了传统喷药机不适用温室作业的顽疾，而且工作效率高，长45m、跨度8m的温室一个人0.5h就能完成喷雾作业，极大地减轻了温室管理的劳动强度。该喷药机已经获得国家专利。

作为温室高效施药的一种最新的智能装备，因为综合集成了很多最新的电子技术、机电一体化和空气流场学等科学，所以产品的稳定性和售后服务就显得尤为重要，在大面积推广应用时维修和保养的培训以及科学施药技术的普及也是这些新型设备能够站稳脚跟的前提。随着中国农产品出口面临的残留贸易壁垒增多，以及食品安全和环境保护的深入人心，这些温室智能农业机械会慢慢地得到市场和社会的认可，能够为中国温室农产品质量和效益更上一层楼做出贡献。