3WKL—100型远程可控雾滴喷雾机的设计与试验

刘德江+龚艳+张晓+王果+陈晓+缪友谊

摘要： 基于生物最佳粒径理论，以离心雾化技术为核心，在撞击式低速离心雾化器、夹管式流量阀等关键基础部件创新及优化设计的基础上，研发一种通过雾化器转速变化即可精准控制雾滴粒径，满足设施农作物病虫害防治要求的3WKL-100型远程可控雾滴喷雾机。结果显示，离心雾化器的转速越高，产生的雾滴粒径越小，转速为 2 400 r/min 时，雾滴粒径为101 μm，接近于弥雾机的雾滴细度；转速为2 700 r/min时，雾滴粒径为65 μm，远低于超低容量喷雾雾滴粒径≤100 μm的要求；转速为3 000 r/min时，雾滴粒径减至41 μm；随着离心雾化器转速的提高，雾滴谱趋窄，当转 速在2 400～3 000 r/min范围内时，雾化质量较为理想。田间试验结果表明，该机具喷雾量低，平均施药量为127.5 L/hm2， 但可提高药液在靶标作物上的覆盖率和分布均匀性，从而可在提高病虫害防治效果的同时，减少农药使用量。

关键词： 远程可控雾滴喷雾机；离心雾化；雾滴粒径；雾滴谱；喷雾量；病虫害防治

中图分类号： S491 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2017）22-0252-05

霧滴粒径是影响药液在靶标作物上沉积分布状况，进而影响防治效果以及农药有效利用率的关键因素。采用常量喷雾喷洒的大于200 μm大粒径雾滴，容易导致药液在靶标作物上分布不均匀，且药液严重流失的现象。根据计算，雾滴粒径减小1/2，同体积药液形成的雾滴数目将增加到8倍，可见降低喷洒雾滴的粒径，可有效提高农药雾滴在靶标作物上的覆盖率与分布均匀性[1]。另有研究表明，降低雾滴粒径，有利于克服叶倾角与叶面蜡质层对药液沉积的不利影响[2-4]，使得药液在植物叶片上的沉积分布更好，但雾滴粒径过小，易受气象等因素的影响，不易沉降，细小的雾滴可随风作长时间、长距离的飘移，造成环境污染、人畜中毒以及靶标区外农作物药害甚至是绝收[5-6]。20世纪70年代中期，提出了生物最佳粒径理论（即BOD理论）[7]，该理论显示，每个靶标生物都有1个最易于它们捕获并产生有效致毒作用的雾滴粒径范围[7]。大量的研究结果表明，喷洒杀虫剂防治飞行类害虫时的最佳雾滴粒径范围为10～50 μm，防治作物叶面爬行类害虫时则为30～150 μm；喷洒杀菌剂防治植物病害时，适合采用30～150 μm的雾滴粒径，而喷洒除草剂时则适合采用100～300 μm的较粗大雾滴[8-10]。因此，根据防治对象以及农药类型，精准控制植保机械施药过程中的雾滴粒径，是实现高效病虫草害防治，减少农药污染的有效途径。

雾滴云由无数大小不一的雾滴组成，采用液力、气力等方式雾化的雾滴粒谱范围宽，无效雾滴数量多，易造成大量的小雾滴飘移、大雾滴流失，农药的有效利用率低下，不仅达不到理想的防治效果，而且还会造成严重的环境污染。可控雾滴施药技术是目前发达国家发展较快的低容量、低污染喷雾技术之一，而离心雾化技术是当前世界上公认的产生雾滴均匀度比较好、雾滴粒谱范围较窄、可供“可控雾滴”之用的先进技术。基于离心雾化技术的可控雾滴施药装备，通过改变离心雾化器的转速即可控制雾滴粒径，可满足不同农作物病虫草害的防治需求。为此，本研究针对我国设施农作物的栽培模式、病虫害发生特点以及密闭空间内的特殊防治要求，设计了3WKL-100型远程可控雾滴喷雾机，旨在提高我国设施农作物病虫草害的机械化防治水平。田间试验结果显示，相较于手动（或电动）喷雾器、担架式喷雾机等传统机型而言，该机具可提高药液在靶标作物上的覆盖率和分布均匀性，在提高防效的同时，降低农药的使用量。

1 远程可控雾滴喷雾机的设计

1.1 机具组成和工作原理

3WKL-100型远程可控雾滴喷雾机由喷雾系统（包括离心雾化器、潜水电泵、喷雾管路、流量阀、药液箱）、风机叶轮、风筒、双轴电机、三维转向机构、控制系统、机架等部分组成（图1）。

喷雾作业时，双轴电机一端的输出轴驱动离心雾化器高速旋转，转速可通过控制系统进行调节，另一端的输出轴驱动风机叶轮旋转形成辅助气流；药液箱中的潜水电泵通过喷雾管路将药液输送至离心雾化器，药液经雾化器雾化成雾滴后，沿雾化器切向抛出；风机产生的辅助气流在将雾滴向远程均匀输送的同时，增强雾滴在作物冠层中的穿透性，从而提高低量喷雾条件下药液在作物中下部及叶背的覆盖率。

1.2 关键基础部件的设计与选型

1.2.1 离心雾化器的设计

已有研究表明，离心雾化转盘转速大于8 000 r/min，才能获得理想的雾化效果[11]，但离心雾化器的高速旋转会产生严重的振动和较大的噪音，并增加驱动系统成本。为此，本研究设计了撞击式低速（转速≤3 000 r/min） 离心雾化器 （图2）， 该雾化器采用二次雾化原

理，即药液在被输送至离心雾化转盘表面的中心附近后，在离心力的作用下，被抛向雾化转盘的边缘，先形成液膜、液丝，在接近或达到边缘后再形成雾滴抛出，完成第1次雾化，经过离心雾化后较粗大的雾滴随即与固定齿盘上的雾化齿撞击破碎，形成更加均匀细小的雾滴，完成第2次雾化，从而有效提高低转速条件下的离心雾化质量。

1.2.2 流量阀的设计

离心雾化器的工作转速不同，所需的药液输送流量也会不同，输送流量必需与离心雾化器的工作转速相适应，才能获得均匀的雾滴。已有研究表明，如果输送流量过大，当药液在雾化转盘表面溢满时，雾滴的形成机理与液力喷头相似，所产生的雾滴谱较宽[12]。由于离心雾化是低容量喷雾，因此喷雾管路中的药液流量较小，而采用液泵变频调速、电磁阀控制流道截面等原有技术难以对小流量条件下的药液输送流量进行快速、精量调节。为此，本研究借鉴医用输液管的滴速调节原理，研发设计了可由微型计算机自动化控制的夹管式流量阀（图3），流量调节范围为0.2～1.0 L/min，控制响应时间≤1 s，实现了对药液输送流量的实时、精量调节，满足了离心雾化器对不同工作转速的要求。endprint

1.2.3 动力系统的选型

由于本机具离心雾化器的转速须根据防治对象以及农药类型进行调节，而风机叶轮的额定转速为1 500 r/min，为简化整机结构，采用1台共基座双轴电机作为动力源，电机两端的输出轴分别驱动离心雾化器与风机叶轮旋转。其中离心雾化器端为2极电机，额定转速为 3 000 r/min，变频调速器在0～3 000 r/min范围内无级可调；风机叶轮端为4极电机，额定转速为1 500 r/min，风机叶轮工作时产生的辅助气流可以降低雾滴的沉降速度，从而将药液输送到远处。

1.2.4 三维转向机构的设计

由于雾滴的初速度沿离心雾化器的切向方向，必须采用辅助气流才能使雾滴到达靶标作物，因而风机在三维立体空间的均匀送风是实现农药在棚内均匀分布的技术关键。为此，本研究设计三维转向机构，用于驱动风筒以及安装在风筒内的离心雾化器、双轴电机、风机叶轮一同作垂直方向或水平方向的转动，从而实现农药的均匀喷洒。该三维转向机构的水平转角最大限值为±90°，垂直转角最大限值为±10°。喷洒作业前，可根据大棚幅宽、作业对象、作物栽培模式等因素，通过控制系统预先设定转向机构水平转角及垂直转角的限值，然后启动喷雾系统进行喷洒作业，从而提高农药在靶标作物上的沉积率和分布均匀性。

2 试验材料与方法

2.1 实验室试验

为了研究雾化器转速对喷洒流量的影响、雾化器转速对雾化质量的影响以及雾滴粒径的变化规律等，进一步优化可控雾滴喷雾机的工作参数，在农业部南京农业机械化研究所实验室开展试验研究。试验主要包括以下3个方面，具体试验材料与方法如下。

2.1.1 离心雾化器转速对喷洒流量影响试验

由于在无气流辅助的条件下，经离心雾化器雾化后的雾滴沿切向成发散状抛洒，很难将其完全收集。因此，本试验采用间接法对不同转速下的雾化器喷洒流量进行测定，即在流量阀完全打开的状态下，通过测定潜水电泵的输出总流量与回水流量并计算两者间差值的方法间接得到雾化器的喷洒流量。

2.1.2 雾滴粒径测定试验

采用激光粒谱仪测定法，喷雾液用清水。试验时将喷雾机的雾化器转速、药液输送流量、辅助气流等工作参数调节到所需测试的数值，待喷雾机工作状态稳定后，采用欧美克DP-2型激光粒谱仪对雾滴粒径进行测定。

2.1.3 雾化器转速对雾化质量的影响试验

根据雾滴粒径测定试验中激光粒谱仪所输出的雾化器在不同转速时的粒度特征参数与粒度分布图，比较分析雾化器在不同转速时的雾化质量。

2.2 田间试验

为了验证3WKL-100型远程可控雾滴喷雾机的作业性能与作业质量，于2015年在江苏省南京市江宁区谷里现代农业示范区进行田间试验。试验选用的设施大棚为单跨钢管结构的塑料大棚，大棚长27.0 m、宽7.4 m、高3.0 m，棚内种植的作物主要有辣椒、虹豆、黄瓜、番茄等。田间试验内容主要包括单位面积施药量的测定试验、雾滴田间沉积分布试验，具体试验材料与方法如下。

2.2.1 单位面积施药量的测定试验

药箱加入额定量的药液G，按田间实际作业状况进行喷雾作业，测定喷完1箱药时机具的总防治作业面积S，重复3次，计算1 hm2的施药量Q。

式中：Q为单位面积施药量，L/hm2；G为加药液量，L；S为作业面积，hm2。

2.2.2 雾滴田间沉积分布试验

试验采用纸卡法，示踪剂采用丽春红-2R，喷雾液用清水加0.5%（质量浓度）丽春红配制而成。喷雾前，根据大棚结构尺寸以及靶标作物高度、株行距等因素，确定本试验的纸卡布样方案。布样分上、下2层，上层距地面高度为1.5 m（纸卡夹持在1.5 m高的细绳上）、下层距地面平均高度为0.3 m（纸卡夹持在作物叶片上），具体布样方案见图4（上下2层相同）。布样完成后，开始喷雾的同时，进行计时采样，喷雾采样时间20 min，闭棚时间 20 min。闭棚结束后，待纸卡晾干进行收集，用数码相机对每张纸卡上的雾滴分布状态进行拍摄，并通过计算机专用软件对拍摄的照片进行图像处理与数据分析。

3 结果与分析

3.1 实验室试验结果与分析

3.1.1 离心雾化器转速对喷洒流量的影响试验

为获取离心雾化器在不同转速时的匹配输送流量，本研究对离心雾化器在不同转速时的最大喷洒流量进行测定。结果（图5）显示，1 500～2 400 r/min范围内的雾化器转速对喷洒流量几乎没有影响，喷洒流量稳定在280 mL/min左右；雾化器转速在 2 400～3 000 r/min范围内变化时，喷洒流量随转速的增加呈缓慢上升趋势，3 000 r/min时的喷洒流量为370 mL/min。

3.1.2 雾滴粒径测定试验

3.1.2.1 不同转速时沿离心雾化器切向0.5[KG*3]m处的雾滴粒径在药液输送流量为0.28 L/min时风机关闭，变为无辅助气流的工作状态，调节离化雾化器的转速，并采用激光粒谱仪测定不同转速下的雾滴粒径，结果见表1。由表1可见，离心雾化器的转速对雾滴粒径产生重要影响，随着转速的增加，雾滴粒径呈不断减小的趋势。在 1 800 r/min 的低转速条件下，雾滴粒径为202 μm，略高于低容量喷雾雾滴粒径≤200 μm的标准；在2 400 r/min时，雾滴粒径为101 μm，接近于背负式喷雾喷粉机（即弥雾机）的雾滴细度；在2 700 r/min时，雾滴粒径为65 μm，远低于超低容量喷雾雾滴粒径≤100 μm的要求；在3 000 r/min時，雾滴粒径更是减至41 μm。

3.1.2.2 不同转速条件下离心雾化器水平射程方向不同距离处的雾滴粒径

在药液输送流量为0.28 L/min（风机开启即有辅助气流的工况）下，分别在雾化器转速为1 800、2 100、2 400、2 700、3 000 r/min时，测定在雾化器水平射程方向不同距离处雾滴的粒径，并根据测得的不同距离处雾滴的粒径值，绘制不同转速条件下雾滴粒径沿射程方向的变化趋势图（图6）。由图6可见，雾化器转速为2 400、2 700、3 000 r/min时，随着测试距离的增加，所测得的雾滴粒径整体上呈缓慢减小的趋势，雾化器转速为1 800、2 100 r/min时的雾滴粒径分别在9、11 m处急剧增大。据分析，由于离心雾化器转速越低，产生的雾滴粒径越大，也越容易沉降，雾化器转速为1 800、2 100 r/min 时的雾滴在7、9 m内大部分已经沉降，因而激光粒谱仪在此距离外测得的值可判定为无效。endprint

3.1.3 雾化器转速对雾化质量的影响试验

雾滴云的雾滴粒径分布及雾滴谱宽度是评价雾化质量的重要指标，为此本研究对激光粒谱仪所输出的雾化器在不同转速时的粒度特征参数进行分析。由图7可见，雾化器在转速为1 500 r/min时，雾滴粒径分布非常不均，该雾化器在该转速下产生的无效雾滴数较多，雾化质量较差；在1 800、2 100 r/min的超低转速条件下，平均雾滴粒径分别为202、157 μm，接近或满足低容量喷雾的要求，但雾滴粒谱较宽，产生的无效雾滴数量过多，易造成农药的飘移与流失，并且沉降速度过快，不能满足远程

喷雾或飘移喷雾[13]的要求；随着转速的提高，雾滴粒径分布逐渐趋向均匀，雾滴谱变窄，在2 400～3 000 r/min范围内的雾化质量较为理想。综合上述试验结果可知，该机具离心雾化器的最佳调速区间为2 400～3 000 r/min，该区间内的雾滴粒径为41～101 μm。

3.2 田间试验结果与分析

3.2.1 单位面积施药量的测定试验

根据试验可知，机具施药量平均为127.5 L/hm2，比手动喷雾器、背负式动力喷雾机、担架式（推车式）动力喷雾机等传统植保机具节省农药20%以上。

3.2.2 雾滴田间沉积分布试验

在风机开启即有辅助气流的工况下，分别测定雾化器转速为2 400、2 700、3 000 r/min时各采样点纸卡上的雾滴覆盖率，并绘制不同转速条件下雾滴沿射程方向的沉积分布趋势图。各转速试验时的药液输送流量参照“3.1.1”节的研究结果。由图8可见，不同转速条件下，雾滴在田间的沉积分布规律也不同。离心雾化器转速越高，产生的雾滴越细，越有利于雾滴向远程均匀分布。雾化器转速为3 000 r/min时，8 m内的雾滴覆盖率为100%，14 m处达到50%，18 m处仍接近10%。对3 000 r/min转速时上下2层的雾滴沉积分布状况进行比较，在辅助气流作用范围内，雾滴在辅助气流的携带下穿透植株冠层，到达作物中下部，随着距离的增加，气流强度迅速衰减，小雾滴只能飘移并缓慢沉降于作物上部（图9）。

4 结论

3WKL-100型远程可控雾滴喷雾机是以离心雾化技术为核心，在撞击式低速离心雾化器、夹管式流量阀等关键基础部件创制与优化设计的基础上，研制开发的新型高效、低污染施药装备具有喷雾量低、雾滴谱窄、雾滴粒径精准可控等特点，可广泛用于设施农作物病虫害的机械化防治。采用该机具进行低容量或超低容量喷雾作业，不仅可有效提高农药雾滴在靶标作物上的覆盖率与分布均匀性，且可针对不同的防治对象及农药类型，依据生物最佳粒径理论，通过调控雾化器转速与药液输送流量，获取所需粒径范围的农药雾滴，从而最大程度地提高农药有效利用率，实现农药的减量施用。

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