果园喷雾机械及技术的研究现状

王震涛 牛 浩 唐玉荣 刘 扬 兰海鹏 张 宏

（塔里木大学机械电气化工程学院，新疆 阿拉尔843300）

我国的果园总面积和总产量目前居世界第一。据国家统计局资料显示，2016年全国果园面积达到12 981.55千公顷。现代果园植保作业常采用化学、物理、生物防治方法，其中化学防治法以防治及时、效率高，技术成熟而被全球广泛使用。我国2018年农药使用了337万吨，利用率36.36%［1］，极少数的药剂沉积在靶标上起到杀虫作用［2］。其余沉积在土壤里弥漫到空气中的农药，危害了人的健康并使得病虫害的抗药性增加，这迫使人们寻找提高药液利用率的高效喷雾技术。

目前，果园植保作业主要采用液体压力式喷雾机和气力式喷雾机进行病虫害防治，但多数采用定量喷施，尚未达到精准对靶，智能喷施［3］。为了达到作业效果，只能增加施药量，这促使科研工作者寻求新的果园喷雾技术与喷雾机械配合。而静电喷雾技术和变量喷雾技术以较高的药液利用率，良好的作业效果受到农业从业者的重点关注。本文将通过概述液体压力式，气力式喷雾机研究现状，及静电与变量喷雾技术进展，展望果园喷雾机械的发展趋势。

1 液体压力式喷雾机

法国最早使用手动喷雾器喷洒药剂防治病虫害［4］，随后在美国被使用。1900年,汽油发动机运用到喷雾机，苏联随后开展了航空植保作业，主要运用到森林与小麦，马铃薯等农作物上。上述的雾化方式为液力压力雾化，即通过特殊装置将液体呈雾状喷射出去。通常液力式喷雾机械分为小型背负式液力喷雾机和大型机动式液力喷雾机。我国主要使用保有量世界第一的小型背负式液力喷雾机［5］。国外通常采用大型机动式液力喷雾机，由拖拉机牵引或自走。

目前大型机动式液力喷雾机是液力式喷雾机的主流。国外知名农机装备公司，如Agrifac、约翰迪尔、凯斯、爱科、海吉、纽荷兰、久保田等，设计生产了一系列成熟的自走式喷杆喷雾机。如约翰迪尔研发的4830自走式喷雾机，配备了BoomTrac Pro自动喷杆高度传感器，智能显示器，SprayStar喷量控制装置，静液压驱动等技术。其作业幅宽可达36 m，具备16 H连续作业能力。

法国波尔图(Berthoud)RAPTOR 4200自走式喷药机，配备了Ectronic电子调控系统，可控制喷杆收张，喷洒，压力流速，每亩喷药量等各作业参数。Axiale喷杆悬挂系统，静液压驱动等，作业幅宽24-42 m，喷杆高度0.5-3.15 m可调。

图1约翰迪尔4830自走式喷雾机

图2法国波尔图RAPTOR 4200自走式喷雾机

国内液力式喷雾机的作业喷幅，作业速度和喷药质量难以适应先进农业生产的要求，因此国内科研院所，农机所与企业研发出一系列大型自走液力式喷雾机。如现代农装科技股份有限公司研发了包括3WZG-650、3WZG-750、3WZG-3000A等大型高地隙自走式喷杆喷雾机，其中3WZG-3000A型号喷雾机集成了静液压驱动、独立式空气悬架、轮距调整、多轮液压助力、变量喷雾、集成底盘等多项技术，作业幅宽20-24 m，喷杆作业高度可在0.6-2.2 m可调。喷杆采用自动平衡，有效减少喷杆不规律运动引起喷雾沉积均匀性变化的问题。

图3 现代农装3WZG-3000高地隙自走式喷杆喷雾机

图4 门式喷杆结构的葡萄喷雾机

山东五征集团研发的3WP4-2000和3WP4-1800自走式喷雾机采用全液压四轮驱动、高低速控制及防打滑技术，具有四轮转向、蟹行转向等多种转向模式，并集成最新北斗GNSS导航系统和ARAG作业管理系统，具有导航自动驾驶功能。

小型背负式喷雾机由于结构简单，操作方便，价格低廉被广泛使用，但喷雾射程较短，药液很难达到果树的树冠与中膛位置，且叶背附着率低。较少的运用于果园植保。机动液力式喷雾机有较大作业幅宽，较高的离地间隙，喷杆可布置成门式结构，被用于篱架型果园及果树幼苗的植保作业。但国内的高地隙自走式喷雾机缺乏自己的核心技术，在发动机与喷头方面的研究与国外仍然有一定差距。

2 气力式喷雾机

气力式喷雾机又称风送式喷雾机，是现在国内外广泛运用的果园植保机械。它将雾滴随气流运动送到果树内膛，喷出的液滴经过二次碰撞破碎成粒径更小的雾滴，同时气流吹动叶片发生退让，躲避，扭转等运动，有效的增加叶片背部和内膛的药液附着率。国内外对果园风送式喷雾机的喷雾机理与影响规律进行了探索，Crossa等的研究表明风速对于靶标沉积量的影响并非呈正比关系。Whitney等的试验表明风机的气流速度场分布影响雾滴的分布。Delele［6］等采用流体力学仿真探寻作业速度与喷雾质量的关系。仿真结果表明：作业中的风送式喷雾机速度衰减系数与拖拉机牵引力和气流出口速度成正比。周海燕［8］发现雾滴的直径越小和气流速度越相仿，探寻了风轮叶片数、角度对风轮转速的影响。戴奋奋［7］指出对于风送式喷雾机的风量的确定，要考虑风力末速度。国内外科研工作者针对不同的作业对象研制出一系列风送式喷雾机，如表1所示。

表1 风送式喷雾机

（续表）

风送式喷雾机可以将药液随气流送到果树冠层内部，能有效的减小雾滴粒径［33］，提高叶片背部附着率［34］［35］，现有的风送式喷雾机的研究主要集中在以下三个方面：

（1）风机结构对植保效果的影响。风机作为一个主要部件，它的结构影响着风机的气流速度场分布，进而影响喷雾效果，通过改变风机的导流板以及外形结构达到理想的效果。

（2）技术参数对喷雾效果的影响，主要研究了拖拉机行驶速度、风速、喷雾距离等因素对喷雾效果的影响，研究其影响规律并改进喷雾方式，提升喷雾效果。

（3）对变量喷雾技术、仿形技术、静电喷雾技术与风送式喷雾机相结合的研究，发现风送式喷雾机具有很好的兼容性，通过对不同技术融合，用药量明显减少且喷雾效果明显提高。

随着时代的发展，国家对生态环境和人体健康的关注，以及气液力喷雾硬件的稳步发展，越来越多的科研工作者投入到环保高效型施药技术的研究上，静电喷雾技术，变量喷雾技术以有效提高农药沉积率，减少农药漂移，更好的满足节水省药的作业要求等特点受到广泛关注。

3 静电式喷雾技术

静电喷雾作为高效低污染新型施药技术，受到国内外学者的广泛关注。1745年的Bose首次提到液体静电雾化的现象，1882年的Rayleigh，1940年法国Hampe在实验室中进行了静电喷雾实验［36］。静电喷雾技术应用到植保器械中首次出现在美国专利4 356 528中。该技术在喷雾过程中喷头与靶标之间建立静电场，药液经喷头携带上与靶标极性相反的电荷，由于药液和喷头极性相同，与靶标所带电荷相反，在静电力与其他外力的共同作用下，荷电雾滴被吸引到靶标，并附着在靶标的各个部位［37-39］。由于静电力的作用，雾滴漂移极大减少，并均匀的附着在叶片的正面与背部。

图5 紫外光下荷电雾滴在叶片沉积状态

图6 液力式喷雾在叶片上的沉积

Rayleigh率先对静电喷雾进行相关的理论研究，提出了Rayleigh极限，即带电液滴能够维持平衡状态的最大带电量。在这之后Drozin、Hendricks、Kelly等人在喷雾过程中液体锥面的成因和雾滴破碎机理等方面作了报道［40］。Castleman和Meyer的研究认为雾滴从液膜破裂成液丝进一步破碎成雾滴［41］。Rash研究了液膜破碎成雾滴的直径计算公式［42］。美国乔治亚大学［43］率先将喷头为嵌入电极-静电感应喷头的机动静电喷雾机用于棉田作业，随后被美国ESS公司买入了其研制出的静电喷雾系统(ESS)和气助式静电喷雾系统(AA-ESS)，研制出一批用于葡萄园，温室等的静电喷雾机，跟普通施药方式相比有效药液喷洒量增加了55%［44］。英国科学家［45］通过风洞研究了喷嘴高度，喷嘴直径，雾滴带电量以及风速对静电喷雾沉积效果的影响，并给出相应的数学模型。并研制了一种转盘式静电喷头，该喷头将感应电极于转盘同轴旋转，有效解决了电荷泄露的问题［46］。德国［47］曾经对多种喷雾机械用不同的充电方式进行静电喷雾的研究，发现电晕充电法适于普通田间喷雾机，与没有加装静电喷雾装置的喷雾机相比，静电喷雾药液沉积率显著增加且小雾滴更容易沉积。韩国忠北国立大学的Gabriel［48］研究了压力旋流雾化喷头在静电场中的雾化特性。结果表明喷头在荷质比0.27 mc/kg，流量0.19 L/min，雾滴体积中径11 um，电压4 000 v时，该喷头的沉积效果最佳。以色列的Gan-Mor［49］对静电扇形喷头的电极位置与作业后药液沉积量进行了研究，结果表明该喷头的荷电雾滴比普通喷头的雾滴更易沉积在植物的叶背处，具有良好的药液沉积效果。印度的Venkata［50］针对普通农户设计了一种背负式静电喷雾装置，并优化其技术参数增加了背负式静电喷雾机的可靠性。加拿大的Zhao［51］对静电雾化喷头进行了分析研究，并把静电喷雾过程中的电流分为五类。研究结果表明，当电压突破临界最大电压时，继续增大电压，靶标上的电荷量不再增加。中国的牛萌萌［52］针对丘陵地区设计了一种在线混药型静电喷雾机，发现喷雾角度影响药液沉积，有风时不适合静电喷雾机作业。何雄奎［53］将静电喷雾与红外线传感器，风送式喷雾机结合。试验结果表明雾滴均匀附着在叶片正反面，用药量减少50%。

静电式喷雾机喷出的雾滴在静电力的作用下，雾滴更容易吸附在叶片的正反面，且用药量减少，作业效果比液力式喷雾机优良。静电喷头作为静电喷雾技术的核心部件，工作机理与喷头机构受到各国科研工作者的重点关注。但静电喷雾技术因不够成熟，价格昂贵等原因并没有得到广泛推广，国内静电式喷雾机目前还处在样机的阶段，产业化水平有待提高。

4 变量喷雾技术

传统果园喷雾机以常量喷雾作用于靶标，其施药作业参数不能根据果树冠层及病害位置自动调节。进而造成沉积在叶片上的药液不均匀，导致局部施药量过多或漏喷，影响农药有效利用率，甚至严重影响到果品品质。故开展对果园变量喷雾技术的研究是药液高效利用的必然趋势。目前国内外对于精准对靶方法的研究主要是利用机器视觉，红外传感器，视觉传感器，超声波传感器一种或多种组合传感方式，通过流量控制系统，根据反馈信息，精准判断目标的有无及靶标的位置。随着外界作业条件的变化来改变作业参数。对喷雾作业进行最高效益的优化。国内外做了很多变量喷雾技术的研究，详见表2。

表2 变量喷雾技术研究

变量喷雾技术的研究，目前集中在靶标识别技术和流量控制系统，通过表2可以看出，使用变量技术的喷雾机与传统喷药方式相比节药50%以上，目前对靶识别成功率达到60%以上。能很好地实现靶标识别，变量喷施。但传感器及控制系统价格昂贵，精准识别靶标的成功率还有待提高，且流量控制系统的响应有延迟，造成了一定的药液浪费。无论是液力式喷雾机还是风送式喷雾机均可与精准对靶控制系统良好的结合在一起。随着环保要求的提高与智能化农业的普及，未来的果园喷雾机械上变量喷雾技术的应用将得到很大的发展。

5 发展趋势

上述四个方面梳理了果园喷雾机械及技术的研究现状，为改善果园喷雾机械作业性能，提高喷雾质量，结合上述国内外研究，总结出值得关注的几个方面。

5.1 自动化喷雾系统集成研究与产品化

随着社会经济发展水平的提高和我国人口老龄化，今后我国的主要人员将流向第二产业和第三产业，这对于农业机械的自动化是机遇也是挑战，针对精准对靶技术，药量及风量控制等技术发展水平和产业化不同的问题，分步骤开展自动化喷雾系统的研究亟待展开，今后的喷雾机械会逐渐淘汰那些功耗大，效率低的喷雾机械，转向精准对靶，智能喷施的喷雾机械。

5.2 果园药量控制方法与系统开发

传统的喷药方式大多数药液流失到空气与土壤里，造成了环境污染和人中毒，也造成病害的抗药性增加。可持续发展要求喷雾机械提高药液利用率，从总管道的流量控制与喷头的流量控制亟需技术集成与优化，到与靶标识别与静电喷雾技术深入与结合，国内科研院所一方面要关注国外农业装备公司产品的缺陷，有针对性的研发。另一方面针对市场的需求，集成先进控制技术研发受市场欢迎的药量控制系统与喷雾机械。

5.3 农机农艺融合

我国地域辽阔地势复杂，各地的果园种植模式各有特色。随着对农业产业的不断调控，今后经济类果园以及设施果园的面积不断增大，目前我国的植保机械水平将远不能满足，应加强农机与园艺之间的配套程度，积极推动喷雾机械产品研发，生产与推广，促进适于机械化生产的新农艺，农机农艺不断融合促进，进一步提高作业效率，增加果品品质。

6 结语

随着农业生产的发展，生产规模的扩大，要求果园喷雾机械的作业效率，喷雾质量，工作性能不断提高。综上可知，液力式喷雾机技术成熟，生产了数量众多的小型背负式喷雾机和作业幅宽大，作业效率高的机动式喷雾机，但我国的高地隙自走式喷雾机的发动机、智能控制系统、产品可靠性仍与国外有差距；气力式喷雾机作为果园喷雾的主流机械，受到了广泛的关注与研究。其风机结构等技术参数对喷雾效果的影响取得了一定的成果，但针对不同作业对象，仍需针对性的开发；静电喷雾技术使雾滴在静电力，重力，气流曳力的作用下沉积在靶标上，具有较高的药液利用率。但还需对静电场下雾滴飘移，穿透特性进行研究，并寻求一种价格低廉兼顾作业效果的静电喷头；果园变量喷雾技术具有广阔的应用前景，与喷雾机械有良好的适配性，但现在还处在样机阶段没有得到广泛的运用，需要以快速识别靶标与流量调整等技术为重点攻克目标，模块化植入以实现工程运用；在未来根据作业对象，以合适的喷雾机械搭载静电喷雾，变量喷雾技术提高药液利用率将成为果园喷雾机械的主要趋势。