自走式旋翼气流静电喷杆喷雾机喷雾性能测试

张海星，茹 煜

(南京林业大学 机械电子工程学院，南京 210037)



自走式旋翼气流静电喷杆喷雾机喷雾性能测试

张海星，茹 煜

(南京林业大学 机械电子工程学院，南京 210037)

设计了一款自走式旋翼气流辅助式静电喷杆喷雾机，应用静电喷雾技术提高了雾滴在靶标上的附着性，利用气流辅助技术提高雾滴的穿透性。该机具有水平和垂直两种工作方式，可针对不同高度、不同长势的作物进行喷洒。对喷雾机开展了流量、水平喷幅测试，进行了雾滴沉积效果及雾滴穿透性等试验研究。研究结果表明：整机静态和动态流量接近，稳定性较好；随着喷头与靶标距离增大，喷雾幅宽增大。在整个幅宽范围内雾滴覆盖较均匀，当喷雾高度为1m时，9#～11#水敏纸上的覆盖率和沉积量最大；雾滴粒径为150～300μm，平均雾滴粒谱宽度1.1～1.8，说明雾滴分布较均匀。旋翼气流对雾滴在植株内的穿透性有直接影响，喷头距离靶标越近，雾滴穿透沉积效果越好。试验结果对优化旋翼气流静电喷杆喷雾机的结构，提高其应用效果具有重要意义。

喷杆喷雾机；静电喷雾；气流辅助；雾化性能

0 引言

中国农林业每年受到病虫害侵袭，造成严重的经济损失，年均病虫害发生面积近47 000万hm2，造成粮食损失近250亿kg[1]。在施药环节中，简易机具占较大比重，施药技术较为落后，喷洒装置进行相关作业时，造成农药的浪费[2-4]。欧美、日本等国家对农业机械的现代化非常重视，喷杆喷雾机的发展十分迅速，其重要特征是以大、中型为主，喷幅在18～42m范围[5]，采用了电、机、液一体化的复杂设计且设计美观，操作方便，适应性强，可靠性好。譬如，美国约翰迪尔4630喷雾机配备的智能化精准的农业管理系统可实现喷杆自动追踪，防止重复喷洒[6-8]；俄罗斯研制的果园喷雾机采用超声波测定树冠位置，可提高农药的利用率，节省农药50%，提高生产率20%[9]。目前，设施农业在我国农业中已经占了很大比例，这些大中型喷杆喷雾机并不能适应设施农业病虫害防治需求。为此，研制了一款自走式旋翼气流静电喷杆喷雾机，将静电喷雾技术[10-12]和气流辅助技术结合并应用于喷杆喷雾机上[13]，远程遥控履带自走底盘进行病虫害防治作业，并通过开展喷雾试验研究其喷雾工作稳定性及其喷雾作业性能。

1 喷雾系统结构及其工作原理

静电喷杆喷雾系统主要由履带小车、支撑装置、升降调节装置、供液装置、旋翼气流辅助装置、喷杆、折叠装置及高压静电喷雾系统等组成，如图1所示。其中，支撑装置尺寸为1 100mm×700mm×400mm采用敞开式，内部有足够的空间，可容纳和便于放置液泵、30L药箱、蓄电池、旋翼控制变频器及高压静电发生器等部件。支撑装置整体安放在履带小车上面，可以实现自动移动，精确施药。喷杆分布在支撑装置的两侧，每侧喷杆由两段长度分别为1 800mm、直径为φ30的空心圆管组成；两侧喷杆下部分别装有5组喷雾装置，相邻两个喷雾装置间距350mm，在喷杆上部对应喷雾装置的位置处通过螺钉连接旋翼电机的套筒，用来固定旋翼气流辅助装置。空心喷杆内部可以使旋翼电机导线、喷雾软管穿过，既实用又能保证整体的美观。喷杆可通过钢丝绳升降调节装置实现水平上下调节，通过合页折叠装置实现水平和垂直方式的切换。

工作时，液泵将药箱中的药液抽出，通过输液管和三通，输送到喷杆两侧的各个喷头进行喷洒；与此同时静电喷头上方的旋翼在电机的驱动下产生气流，使得雾滴在气流的作用下向下方靶标沉降。水平和垂直2种工作方式，可针对不同高度，不同长势的作物进行调节喷洒。本喷雾机采用的是一种液力式静电喷头，产生雾滴细小均匀、喷洒量大，旋翼装置安装在静电喷头上方，其最大转速可达到6 000r/min，旋翼直径为300mm。

(a) 垂直工作方式

(b) 水平工作方式

2 试验设计

试验于2016年6月在空旷地带进行，试验条件如下：①环境温度30℃；②环境湿度55%；③环境风速1级；④单喷嘴流量0.6～0.8L/min；⑤小车行驶速度1.5m/s。⑥喷雾机设置参数为喷雾压力为0.3MPa、旋翼转速3 000r/min、充电电压8kV。

2.1 流量测试试验

试验前为了确保静电喷嘴工作稳定，对喷头进行静态和动态流量测试试验，过程如下:

1)静、动态流量的测定均用水为介质，将10个喷头安装在履带小车左右喷杆上。

2)静流量的测定是将药液箱盛水30L，小车不行驶，打开药液泵开关，记录30L水喷洒完为止所需的时间，重复3次，计算出喷头的静态流量。

3)动态流量的测定是将药液箱盛水30L，小车开始行驶时，打开药液泵开关，记录待30L水喷洒完为止所需的时间，重复3次，计算出喷头动态流量。

2.2 有效喷幅及沉积试验

有效喷幅和沉积效果试验采用喷杆水平喷洒作业方式。如图2所示：分别放置4个杆架在喷雾机两侧，相邻两个杆架距离为1.2m，两侧杆架之间空出1.5m，方便喷雾机通过，杆架高度为0.6m；使用水敏纸(25mm×75mm)作为收集装置，在每个杆架上固定2张水敏纸，相距0.6m。在进行喷幅试验时，喷头距离地面距离分别为1、1.2、1.4、1.6m，进行试验时，喷雾机距离杆架5m，调节各项参数值，达到稳定工作状态后喷雾机匀速向前前行；箭头方向为小车行走方向，经过杆架5m后，关闭电源，收集水敏纸保存，调节高度进行下一组试验；每组重复了3次，取其平均值。试验场景如图3所示。

图2 喷雾试验示意图

图3 喷雾试验

2.3 雾滴穿透性试验

雾滴穿透试验采用喷杆水平喷洒和垂直喷洒分别作业方式，水平喷洒试验选择靶标为高度1m左右的冠层作物，将水敏纸固定在作物的顶层、中层、下层。垂直喷洒试验选择靶标为厚度1m左右的冠层作物，水敏纸固定在作物的前层、中层、后层。为了研究旋翼气流对雾滴穿透性能的影响，试验条件分为无旋翼气流和有旋翼气流2种情况，每种情况设置3个喷头与作物距离，分别为200、300、400mm，试验介质为清水；每组重复3次，取其平均值。

2.4 数据分析方法

收集试纸靶标样品，并做好标记，装入防潮牛皮纸袋中，数据分析回实验室进行。将收集的水敏试纸样本用Depositscan软件扫描，然后导入到iDAS PRO雾滴沉积分析系统软件中进行覆盖率、沉积量及沉积分布密度统计分析。

3 试验结果分析

3.1 流量试验结果分析

流量测试结果如表1所示。

表1 流量测试结果

由表1可以看出：测试静态流量和动态流量时喷头喷雾都比较稳定；通过比较3次试验结果来看，数值上下浮动并不大，说明该喷雾系统运行稳定、密封性较好。

3.2 有效喷幅试验结果分析

理论上喷雾雾滴最低量为10个/cm2以上即达到有效幅宽的范围。根据水敏纸上蓝色雾滴的沉积结果得出喷幅结果如表2所示。

表2 喷幅测试结果

根据表2的结果分析得：喷幅受到喷雾高度的影响较明显，即喷雾高度越高，喷雾的有效幅宽越大。由此可以推断，在其他条件不变的情况下，喷雾机的喷幅距离与喷雾的高度成正比的关系。每当喷雾高度上升0.2m时，喷幅的距离都会变大；在0.6m左右的范围内，最大喷雾高度为1.6m时，喷幅的距离为8.4m。但是，随着喷雾高度的增加，旋翼装置产生的气流损失量也会增大，最终不能达到强迫雾滴沉积的效果，故喷雾高度不宜过高。

3.3 雾滴沉积性试验结果分析

将试验后的水敏纸收集保存，用IDAS PRO软件进行数据分析处理后，得到的雾滴覆盖率、沉积量、体积中值直径及相对粒谱宽度结果如图4～图7所示。

3.3.1 雾滴覆盖率结果分析

从图4覆盖率的数据上来看，喷头距离靶标越近，覆盖率越大；反之，覆盖率越小。喷雾高度为1m时，曲线比较陡，中间区域雾滴覆盖率较高，两头雾滴覆盖较少，雾滴覆盖不均匀；随着喷头离地的距离增加，当喷雾高度为1.6m时，曲线平缓说明雾滴覆盖较均匀，并不是集中在离喷雾机近的地方，而是喷雾机基本能全部覆盖标靶(水敏纸)。喷雾机两侧覆盖率不同主要是由于侧风引起的雾滴飘移所致。

图4 雾滴覆盖率

3.3.2 雾滴沉积量结果分析

沉积量根据雾滴的直径，假定雾滴为球体，可知雾滴的体积，沉积量为全部雾滴的总体积。由图5分析得知：随着喷雾高度的增加，雾滴的沉积量也受到影响，但由于受到侧风的影响，未呈现正态分布的规律；当喷雾高度为1m时，9#和11#水敏纸上的沉积量最大，接近50μL，且喷雾高度为1.4m和1.6m时，雾滴沉积量相比高度为1m时减少，主要是由于距离靶标越远，雾滴到达靶标运动距离越长，雾滴蒸发、飘移的可能性就越大，因而沉积相对减少，但是雾滴沉积量曲线比较平缓，说明在整个喷幅区间内，雾滴沉积量比较均匀。

图5 雾滴沉积量

3.3.3 雾滴体积中值直径结果分析

体积中值直径是全部雾滴从小到大顺序累计点数，以累计值等于总体积的50%时，所对应的雾滴直径称为体积中值直径。由图6可得:不同高度喷洒时，体积中值直径略有不同，但差距不大,雾滴粒径在150～300μm范围居多，结果符合液力喷头的特征;当喷头高度为1m时，体积中值直径相对较大，但是曲线平缓，说明雾滴粒径较均匀；当喷头高度为1.2～1.6m时，在整个喷幅范围内曲线同样比较平缓，雾滴粒径在150μm左右，在个别位置处有突变，主要是因为试验过程中，雾滴在水敏纸上凝聚导致。

图6 雾滴体积中值直径图

3.3.4 雾滴相对粒谱宽度结果分析

相对粒谱宽度(RS)，RS越小越好，理想为0，即占总体积80%的雾滴体积相同。由图7可知：不同高度喷洒时，相对粒谱宽度(RS)也有所不同。当喷头高度为1m时，相对粒谱宽度较小，平均为1.11；当喷头高度为1.2、1.4、1.6m时，相对粒谱宽度平均为1.13、1.20、1.88，相对粒谱宽度随着喷洒高度的增加，有所增加，说明喷洒高度越低，雾滴在喷幅范围内的靶标上的雾滴粒径跨度越小，雾滴粒径的均匀性越好。

图7 雾滴相对粒谱宽度图

3.4 雾滴穿透性试验结果分析

喷雾机喷杆水平工作和垂直工作试验结果如表3、表4所示。

表3 喷雾机喷杆水平工作雾滴沉积密度分布

表4 喷雾机喷杆垂直喷雾机雾滴沉积密度分布

3.4.1 水平作业雾滴穿透性试验结果分析

由表3可知：在进行喷杆水平喷洒作业时，雾滴在植株靶标上的沉积密度受到喷杆高度及旋翼气流的影响，调节喷洒高度为200mm时，其喷洒效果较好。对比来看，随着喷洒高度的提升，其雾滴沉积密度逐渐减小，可能造成的原因是由于3个喷洒高度的逐渐增加，旋翼距离靶标距离渐远，产生的风量损失增加，产生气流将带电雾滴吹向作物靶标深处的能力减弱。所以，建议以后的喷雾试验，应使喷杆高度距离作物顶层合理的位置。因为调节高度过高，风量损失大，雾滴难以穿透冠层作物；而调节高度太接近作物顶层，雾滴从喷头喷出不易形成锥形喷雾，雾滴沉积点过于集中，不能有效利用，还可能导致在喷雾机行走过程中，静电喷头触碰到作物，损坏喷头的风险。旋翼产生的气流对雾滴的沉积密度也有很大影响，此外，具有旋翼装置的喷雾系统整体沉积密度高于没有旋翼装置的喷雾系统，说明旋翼装置产生的气流可以有效提高雾滴的沉积性和穿透性。

3.4.2 垂直作业雾滴穿透性试验结果分析

由表4可以得到：喷雾机喷杆垂直工作时，同样受到喷雾高度的影响，喷雾高度越高越远，其雾滴沉积率越低。随着距离的增加，旋翼装置距离靶标越远，风量损失增大，不能将雾滴吹向靶标冠层深处，且喷杆竖直喷洒沉积密度整体小于喷杆水平喷洒沉积密度。分析可能造成的原因是喷杆处于垂直状态，处于喷杆端点出需要的喷雾压力较大，而使用的液泵功率有限，药液不能得到预想的压力从喷头喷出，导致喷洒量减少，进而沉积率也会减少。此外，旋翼装置同样影响着雾滴的沉积效果，带有旋翼装置的喷雾系统沉积密度明显较大。

综上所述，旋翼气流静电喷杆喷雾机的雾滴粒径和覆盖率等喷雾性能符合地面植保机械的要求，其沉积量和雾滴粒谱的均匀性较好。

4 结论

1)针对我国设施作业要求及农药利用率低的现状，结合静电喷雾技术和气流辅助技术设计了一款旋翼气流静电喷杆喷雾机，可实现水平和垂直作业适应不同作业高度和作物长势需求。

2)整机静态和动态流量测试表明：喷雾机系统具有较好的密封性能，能够进行稳定的喷雾作业。

3)通过有效喷幅试验，得知喷雾机喷幅受到喷雾高度的明显影响，喷雾高度越高，其喷幅越大；但喷雾高度过高，会导致雾滴的沉积性降低。

4)雾滴的覆盖率、沉积量、雾滴粒径及粒谱受到喷雾高度的影响，喷雾高度越高，覆盖率和沉积量减少，但覆盖均匀性提高；喷雾高度较低时，雾滴体积中径较大，但是雾滴粒谱均匀。

5)旋翼装置产生的气流可有效地提高雾滴的沉积量及农药的利用率。

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Spray Performance Test of a Self-propelled with Rotary Wing Air-flow Assisted Electrostatic Spray Boom Sprayer

Zhang Haixing, Ru Yu

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China)

This paper designs a self-propelled type rotor air assisted electrostatic spray rod spraying machine, electrostatic spraying technology improve the droplet adhesion in the target, using gas assisted technology to improve the droplet penetration, the machine with horizontal and vertical two kinds of work, according to different height, growing different crops were sprayed. Thesis on the spray machine to carry out the flow test, horizontal spray amplitude test, droplet deposition effect and penetration of droplets of experimental studies, the results of the study show that, close to the machine with static and dynamic traffic, the stability of the complete machine better; with the increase of the distance from the nozzle and the target, spray width increases. In the whole width range droplet coverage is uniform. When the spray height of 1m, 9#-11# water sensitive paper coverage rate and deposition; droplet average diameter of 150-300 μm, average droplet spectrum width items 1.1-1.8 that droplet distribution is uniform. Rotor airflow of droplets in a plant penetrating has a direct impact, closer to the distance between the nozzle target, penetration of droplets deposition, the better. The test results to optimize the rotor airflow electrostatic spray rod spraying machine structure, improve its application effect has important significance.

spray boom sprayer; electrostatic spray; air assisted; atomization performance

2016-08-23

“十二五”农村领域国家计划项目(2012BAD19B08)；江苏高校优势学科建设工程项目(PAPD)

张海星(1992-)，男，贵阳人，硕士研究生，(E-mail)1023011014@qq.com。

茹 煜(1973-)，女，南京人，教授，博士生导师，(E-mail)superchry@163.com。

S491

A

1003-188X(2017)07-0164-05