基于TRIZ理论的航空静电喷雾系统的优化设计

2018-08-10 09:26赵明明周桂霞

农机化研究 2018年10期

赵明明, 胡军，周桂霞，张伟

(黑龙江八一农垦大学工程学院，黑龙江大庆 163319)

0 引言

水稻是我国主要的粮食作物，而水稻病虫害的防治是保证水稻生产安全的重点内容[1]。传统的植保作业主要以手动和小型喷雾机为主，生产效率低，劳动强度大，对人身和环境造成了污染。航空植保作业节约了农药使用量，地形适应度广，提高了生产效率；但药液受气流场影响，造成漂移，农药的有效利用率低[2]。为此，设计一种既能产生粒径均匀雾滴又能加速运动的雾滴向靶标沉积的喷雾系统具有重要意义。

静电喷雾技术作为一种先进、高效的施药技术，已引起了诸多关注。英国Bertelli Randell公司生产的ON-TARGET静电喷头使用12V直流电，能够产生40kV电压,可用于喷杆喷雾机和背负式机动喷雾机上，比普通喷头减少损失 65%，节省人力 50%，大大降低了过量使用农药对环境的污染程度[3]。2011年，茹煜等人研发了与Y5B 型农用飞机配套的航空静电喷雾系统，得到静电喷雾能使雾滴沉积提高14个/cm2，雾滴飘移明显减少；但是，由于该静电喷雾装置感应环带电效果不稳定，且会产生尖端放电，会带来安全问题,并没有进行推广[4]。2012年，周宏平等人对单喷嘴航空静电喷头进行了改进设计，改进后的航空静电喷头荷质比最大可达 2.26 mc/kg，与常规扇形航空喷头相比雾滴沉积平均提高18个/cm2[5]。根据前人的研究基础，静电喷雾技术可以提高雾滴的沉积质量，减轻环境污染，通过对喷头的设计和优化可以得到作业水平较好的喷雾系统。因此，本文基于TRIZ理论设计了锥形感应式喷头静电，创新设计静电喷雾系统。

1 TRIZ理论

TRIZ 技术进化理论是在20 世纪80年代由Altshuller G．等人提出的创新理论，是一套实用性和系统性很强的解决发明问题的理论和方法[6-7]。其主要设计思路是对实际中无法直接解决的问题，通过将其转换为一个TRIZ问题，利用TRIZ体系中的理论和工具获得TRIZ通用解，进而得到具体问题的解决方法，最终解决实际问题[8-9]。

TRIZ理论的应用流程如下：首先进行问题的描述，提出最终理想解；根据系统分析，找出存在的问题和矛盾，并通过TRIZ工具找到解决的方法；最后确定设计方案。

2 喷雾系统的优化设计

2.1 问题描述

作物病虫草害防治一直是困扰我国农业生产的巨大难题，提高植保机械技术水平，进行高效、低污染施药技术的研究，以及植物保护机具的设计和开发是一项迫切的任务[10]。喷雾系统中，喷头是关键的雾化部件，是药液雾化的重要装置，雾滴的大小、速度、分布状况等在很大程度上都决定于喷头的类型、大小和制造质量[11]。为了提高雾滴的沉积质量、减少漂移，对喷头增加电极使其与作物之间形成静电场，对雾滴产生吸附作用，可以增加靶标的沉积，提高药液有效利用率。为进一步分析喷雾系统的结构设计问题，本文提出的最终理想解如表1所示。最终的设计目标是提高叶片沉积量的喷雾系统。

表1 IFR分析

2.2 系统分析

2.2.1 系统完备性分析

系统的作用是履行功能，系统完备性法要求系统包含动力装置、输送装置、执行装置、控制装置。据此分析喷雾系统的工作系统，如图1所示。

图1 喷雾系统工作过程

对于执行装置喷头，可以优化其结构和形状，进而改善其雾化效果，提高农药利用率。喷头的结构包括喷头体和喷嘴，喷嘴型号的改变可以直接改变喷雾的流量以及喷雾压力。为了产生粒径大小均匀的雾滴，本设计中控制喷雾压力为0.2MPa。

2.2.2 九屏图分析

最初的植保作业采用人工手动施药的背负式喷雾作业，污染环境，危害人体健康。随着各种型号的喷雾机的出现，减轻了人工劳动强度，作业效率有所提高，无人机或有人机配备的精量、自动喷雾系统是未来发展的趋向。根据九屏图分析可知：静电喷雾技术的研究将推动植保作业的发展，系统结构、系统组成均会有所不同。

2.2.3 技术矛盾

为了提高农药的有效利用率，使叶面上农药的沉积量增多，减少农药的漂移损失，减轻环境污染，提高农药有效利用率，就要改变农药的特性，对农药进行重新的配置；但病虫害种类繁多，除草和杀虫的农药种类也不尽相同，所以改善物质损失的过程中也要对农药的适应性和多用性提出要求。技术矛盾和发明原理如表2所示。

图2 系统九屏图分析

通用工程参数恶化的参数No.35适应性及多用性No. 36 系统的复杂性改善的参数No.23物质损失15,10,235,10,28,24

提出技术方案一：采用15动态原则的原理，达到物体特性在每一工作阶段都是最佳的。主要通过向药液中添加助剂的方法，改变药液的沉积特性，减少药液漂移的几率。针对病虫害种类差异、作业飞机机型的不同，配置不同比例的助剂，实现最佳防治效果；但助剂的配制繁琐，使用条件受限制。

提出技术方案二：采用28机械系统替代原理，增加新的机械场，改变物体的受力情况。在最有利于雾滴沉积的位置增加改变场，进而改变雾滴的受力和运动。

提出技术方案三：采用10预先作用原理，预先安置1个物体，使其发挥作用。在喷头处安置1个使雾滴细化的装置，二次雾化雾滴，达到理想的粒径大小。

2.2.4 物理矛盾

物理矛盾来源于不同的设计条件对同一个工程参数了提出相反的要求。雾滴粒径大，能够保证其保持动量，减少漂移的可能；但雾滴粒径过大，会使其沉积质量下降，落到靶标后容易滑落到地面，造成农药的浪费。雾滴粒径小，能够提高其在靶标的沉积效率，农药的有效利用率提高；但雾滴粒径过小，其动量小，受气流场影响大，造成漂移增多。这样就存在了“粒径大又小”的物理矛盾。TRIZ理论分离原理包括时间分离、空间分离、条件分离及整体与部分分离4种类型。

提出技术方案四：利用条件分离原理来解决雾滴粒径“既大又小”的物理矛盾，通过调节喷雾压力，改变喷雾流量及雾滴的粒径大小。喷雾压力越大，喷雾流量也越大，雾滴的粒径越小。雾滴的粒径减小，叶面覆盖范围增大，叶面的沉积密度增加；但雾滴粒径过小，喷雾流量增加，农药的使用量增加，增加使用成本。

2.2.5 物场分析

普通的喷雾系统中，雾滴与作物之间存在机械场，没有吸附作用，附着在作物上的雾滴靠重力沉降，数量少，沉积量低。该物场模型的效应不足，判断它属于“有用但不充分的相互作用”类型。喷雾系统的物-场分析如图3(a)所示；增加1个物质电极S3，产生电场F2来强化有用效用，得出的新模型如图3(b)所示。

图3 系统分析前后的物-场模型

提出技术方案五：引入物质S3(即电极)并形成另一个场F2(即电场作用)来强化有用效应。通过引入的静电场，增加了雾滴与作物之间的吸附作用，提高了雾滴的穿透能力，增加雾滴沉积后到叶片的质量，从而提高了农药的有效利用率。

静电雾滴在下落过程中主要受到电场力、重力及空气曳力3个力的作用。电场受环境和喷雾高度的影响，会在下落一段距离后衰减甚至消失，所以设计的电极的位置非常重要。通过理论分析和计算，设计并制作锥形电极的角度和长度，将导电的铜箔作为感应电极，通过连接件固定于喷嘴外环，环绕从喷嘴喷出的雾滴，使雾滴荷电，形成感应充电式静电喷头，利用3D打印技术制作如图4所示的电极，并与锥形喷头相连接，得到如图5所示的静电喷头。该静电喷头结构简单，应用范围较广，是航空静电喷雾系统的重要组成部分。