背负式静电喷雾机喷雾沉积性能试验研究

李宇飞，胡军，刘崇林，张伟

（黑龙江八一农垦大学工程学院，大庆 163319）

静电喷雾近年来被广泛应用植物保护领域。药液雾滴荷电后，在电场力作用下，雾滴命中率显著地提高；覆盖均匀，沉降速度快，在作物上的附着量增大，特别是增强了作物下部和叶背的附着能力；与常规喷雾技术相比，农药利用率提高了20%～30%，减少了雾滴漂移损失和农药对环境的污染，可以用较低的施药量达到防治病虫草害的目的。

1 静电喷雾技术应用研究现状

1.1 国外研究现状

国外对于静电喷雾技术的研究较早，静电喷雾技术应用相对成熟，已具备较强的专利技术储备。自20 世纪70 年代中期，以美国为代表的发达国家，开始大量将此项技术转化应用[1-3]。美国乔治亚大学Law 研制了嵌入式静电感应喷头，并用于大田作物的防治，取得了较好的效果。除此之外还研制了自动高速静电喷雾机、离心式静电喷雾机[4-5]。美国ESS 公司在Law 研制的喷头基础上经过研究改进，成功研制了气流辅助式静电感应喷头，应用该喷头的植保机具现已商品化生产，该类植保机具可广泛应用于大田作物、温室、果园等植保作业[6-8]。德国也曾对背负式喷雾机、手持式转盘喷雾器、喷烟机等用不同的充电方式进行了大量的静电喷雾性能试验研究。日本在实验室中对电晕式静电喷雾喷枪、接触式微型锥孔旋转静电喷头、接触式弥雾静电喷头和常温烟雾式静电喷雾机做了静电喷雾特性试验研究，从雾滴带电后的总附着量、附着密度和叶片背面的附着量等多角度检测静电喷雾效果；千叶大学还试制了双流体静电喷头[9-11]。试验表明：该喷头所喷出雾滴荷质比随气流压力的增加呈现递增趋势。

1.2 国内研究现状

我国对静电喷雾技术的研究开始于20 世纪70年代末，相继试制了手持式静电喷雾器、手持电场击碎式静电喷雾器、高射程静电喷雾车和风动转笼式静电喷雾机，并在多种目标物上进行了大量喷雾性能和病虫害防治效果的测定[12-16]。江苏工学院对静电喷雾理论及其测试技术进行了研究，并进行了样机的试制。其研制的样机和喷头有：手持式静电微量喷雾器、风动转笼式静电喷头、静电击碎式液力喷头、气流撞击式静电喷头和双转盘式静电喷头[17-25]。他们与新疆农机研究所联合研制的静电灭蝗车对新疆草原进行了灭蝗试验，效果显著[26-31]。中国农业大学何雄奎研制的果园自动对靶静电喷雾机可用于果园病虫害的防治[32-34]。山西农业大学的任蕙芳针对现有喷头存在漏电、反向电离现象严重等问题设计了气力式静电喷头，并对其喷雾效果进行了试验研究[35-36]。

对比国内外研究现状后发现，目前我国的静电喷雾技术研究逐渐深入，但在技术推广和商品转化上还需要一段时间，除此之外受我国地形复杂、地块小而分散等问题的限制，在部分地区大型植保机具难以进地作业，传统背负式喷雾机依然作为植保作业环节中重要工具被继续应用[37-40]。考虑到传统背负式喷雾机喷雾均匀性差、防治效果不佳和短时间内无法完全被替代的现实情况，国内植保学者和喷雾机制造商试图将静电喷雾技术应用于背负式喷雾机以减轻药液飘移、减少用药量、提升喷雾均匀度。从作业原理上看，应用静电喷雾技术能够促进雾滴的雾化和沉积，但由于各种作物表面性状存在较大差异，且针对背负式静电喷雾缺少细致分析和田间试验研究，导致人们对背负式静电喷雾机作业效果还不够明晰，因此开展背负式静电喷雾沉积性能研究意义重大。

研究旨在通过对比静电喷雾机和常规背负喷雾机实际作业效果，分析静电喷雾的雾化沉积特点，并从沉积性角度，评估静电喷雾的作业性能优势，并通过改变喷雾高度和喷头型号等方式，找到最佳喷雾作业条件，为进一步改进静电喷雾装置和作业规程提供理论指导和数据支撑。

2 材料和方法

2.1 试验材料

试验为田间试验，在试验进行过程中应准确记录当地空气温湿度及实时风速情况，所选用的试验材料为风速仪、米尺、水敏纸、背负式静电喷雾器、电动背负式喷雾器、扫描仪、计算机、自封袋、曲别针、光合营养液、自来水。主要试验材料及其具体用途如下表1。

表1 主要试验材料与用途Table 1 Main test materials and uses

试验同时选取背负式静电喷雾机和普通电动背负式喷雾器进行对比试验，其中静电喷雾机由江苏雾星静电喷雾器工厂生产，其容量为16 L，喷雾压力为0.15～0.4 Mpa。电池容量12 v/7 aH，额定喷幅2 m，公顷用水量45 L，流量12 L·h-1。试验数据采集选取重庆六六山下公司生产的雾滴检测专用水敏纸，配以爱普生V17 激光扫描仪进行图像扫描处理工作。

2.2 试验地点简介

试验地点选择在黑龙江省农垦九三管理局尖山农场进行，该农场始建于1949 年3 月，地处世界著名三大黑土带之一的松嫩平原腹地，属于寒温带大陆性季风性气候，是典型的旱地农作物生产区。最高温度36 ℃左右，最低温度-38 ℃左右。年≥10 ℃积温在2 000～2 300 ℃，无霜期115～120 d。年降雨量500～600 mm，多集中在7、8 月间。辖区土地面积400 km2，其中耕地 2.57 万 hm2，林地 0.73 万 hm2，草原 0.4 万 hm2，水面 0.013 万 hm2。农场下辖 7 个农业管理区和17 个企事业单位，总人口1.5 万人，职工4 700 余人。尖山农场是全国农业标准化示范场和现代化大农业示范区。主要农作物有大豆、玉米、马铃薯等，经济作物包括中草药、黑大豆、双青豆、红小豆、矮高粱等。

2.3 试验方案

为研究背负式静电喷雾实际工作过程中的雾滴飘移和作物冠层穿透情况。试验分别设置了单垄作物穿透性试验行和多垄飘移试验检测行。该种布点方式可一次完成两个指标的测试，试验喷施靶标作物选取玉米、水稻、大豆等3 种作物分别进行静电与非静电喷雾试验，喷施方案为：选择非地头相邻两垄为试验布点区域，按照风向选择试验行和飘移检测行。试验行和飘移行垄作业长度均为30 m，按照每10 m 改变1 个喷雾高度进行试验，试验喷雾高度梯度为40、50、60 cm。试验布点位置情况如图1 所示。试验行单株作物按照位置的不同，布点数为3，位置分别位于植株顶部叶片正面、株顶部叶片反面、下部冠层正面。分别为测量喷雾沉积均匀性和穿透性，飘移检测行在株顶部叶片正面位置进行布点，试验喷雾工作参数如下表2，作物冠层布点方式如图2 所示。

图1 布点区域位置示意图Fig.1 Schematic diagram of the layout area

表2 试验喷雾工作参数Table 2 Test spray working parameters

图2 作物冠层布点示意图Fig.2 Schematic diagram of crop canopy layout

2.4 数据处理

气象数据：在试验进行中利用手持式小型风速仪和温湿度测量仪对场地内的实时侧风风速、空气温湿度进行测量。为降低外界环境对喷雾试验的干扰，三个作物的喷雾试验同步进行，试验安排紧凑，空气温湿度保持在同一水平范围内，温湿度测量值取平均值，平均温度21.2 ℃，平均湿度72.5%。测量实时风速为1.1～2.6 m·s-1，并注意风向，以确定雾滴飘移检测行的位置，正确布置雾滴采样点。

水敏纸雾滴数据处理：将晾干的水敏纸按照编号顺序收集到自封袋中，带回实验室进行图像扫描，将扫描后的图像输入软件中处理，可得到各采样点的雾滴粒径和平均沉积量。在此过程中可根据雾滴沉积量的变异系数CV 值来评价雾滴沉积均匀性。

图3 作物冠层实地布点图Fig.3 Field map of crop canopy

式中：

S—同一次采集样本标准差；

Xi—各采样点雾滴沉积量，μL·cm-2；

N—各次采样点数。

3 结果与分析

3.1 雾滴沉积均匀性对比分析

对几次试验数据进行采集汇总，得到如下表3信息汇总表，为简化记录和统计雾化指标变化量，分别将大豆、玉米、水稻分别用字母A、B、C 代替。静电喷雾则用+号表示。由表中数据可以分析得出由于作物种类的差异以及外界自然侧风的实时变化，不同作物的表面冠层沉积变异系数存在一定差异，但变化趋势趋于一致，即在喷雾高度40～60 cm 的范围内，雾滴沉积均匀度呈现先增大后下降的变化。

对比静电喷雾与非静电喷雾在相同条件下，静电喷雾的雾滴沉积均匀度变异系数普遍减少15%左右，除此之外加入静电后的喷雾作业质量明显受喷雾高度和自然环境的影响更小。证明了使用静电喷雾机不但能够提高喷雾均匀性，还能够在一定程度上扩大作业指标的合理范围，提高作业宽容度，减轻用户劳动强度，最终提高生产率。

表3 雾滴采集信息汇总表Table 3 Summary of mist collection information

3.2 雾滴穿透性对比分析

试验过程中，通过对雾滴在叶片背面和冠层下部附着情况进行统计分析，以此为根据，对比静电喷雾和普通喷雾在穿透性方面的区别，以雾滴在大豆上层叶片反面和下层正面的附着情况为例，将收集的水敏试纸进行编号、扫描、图像后处理得到如下图4 的雾滴沉积痕迹图，通过图中雾滴在水敏纸上留下的沉积痕迹，经过计算机软件图像处理和雾滴尺寸及分布的自动计算，可以得出两种喷雾机所喷出的雾滴数据特征。

图4 雾滴沉积痕迹图Fig.4 Traces of mist droplet deposition

根据软件扫描结果显示，采用常规喷雾方式叶片的背面很难附着上雾滴，而静电喷雾相比与常规喷雾，雾滴在作物叶片背面的沉积密度和沉积量分别提升6.1 倍和27 倍，可有效提升药液在植物叶片背面的附着量。在作物冠层下层的沉积量方面，常规喷雾由于雾滴粒径更大，雾滴运动惯性较大，更有利于穿透作物冠层表面沉积在植株的下层，但通过分析图像可知，沉积在冠层下部的雾滴粒径较大且受上层叶片阻挡等因素的影响，存在分布不均的问题，由于作物叶片表面存在蜡质层的作物，雾滴会聚集呈流向地表流失，造成农药浪费。

表4 喷雾穿透性扫描数据对比表Table 4 Comparison table of spray penetration scan data

3.3 雾滴飘移分析

为对比静电喷雾与普通喷雾在飘移性方面的区别，喷雾高度调整按照40、50、60 cm 的梯度按顺序进行，根据风向的变化选择在与试验目标行相邻的垄上作物布置水敏纸，并对试验水敏纸进行编号、整理、扫描、图像后处理等到雾滴飘移数据。

对试验数据进行采集汇总，得到如下表5 信息汇总表，为简化记录和统计雾化指标变化量，考虑到在其他条件保持不变的情况下，作物种类不会影响雾滴飘移数据，因此将大豆作为飘移试验的主要目标作物进行分析。表中静电喷雾则用+号表示。喷雾高度分别记录为40、50、60 cm。

从雾滴飘移数据统计结果来看，在喷雾高度相同的情况下，运用背负式静电喷雾机可平均降低雾滴飘移量41.5%，雾滴粒径平均降低51.6%，以下图喷雾高度50 cm 喷雾雾滴飘移沉积痕迹图为例，可明显发现使用静电喷雾技术，飘移雾滴粒径更小，药液飘移量更低。

表5 雾滴飘移信息采集汇总表Table 5 Summary of mist droplet drift information collection

在喷雾高度不同的条件下，随喷雾高度的上升，两种喷雾方式的雾滴飘移量均增加。为更加明确喷雾高度对喷雾质量的影响，在背负式喷雾机常规喷雾高度40～60 cm 范围内，采用分段形式进行分析，第一阶段为40～50 cm，雾滴的体积中径、飘移沉积量受喷雾高度影响的程度不明显，两种喷雾机所喷雾滴体积中径绝对变化量分别为11.8%和11.4%，飘移沉积量绝对变化量分别为4.6%和8.7%。而50～60 cm，雾滴的体积中径、飘移沉积量受喷雾高度影响的程度较大，两种喷雾机所喷雾滴体积中径绝对变化量分别为17.5%和20.2%，飘移沉积量绝对变化量分别为40.7%和48.9%，变化趋势一致，均随喷雾高度的上升，雾滴飘移量和雾滴体积中径增大。

根据上述结果分析得出，无论是背负式静电喷雾机还是普通背负式喷雾机，喷雾飘移沉积量均会受到喷雾高度的影响，但影响程度并不相同，因此综合考虑雾化效果和有效沉积，背负式静电喷雾机最佳喷雾高度在50 cm 左右。

图5 大豆50 cm 喷雾雾滴飘移沉积痕迹图Fig.5 Traces of drift deposition of soybean 50 cm spray mist droplets

4 结论与展望

4.1 结论

研究围绕背负式静电喷雾机喷雾沉积性能开展试验研究，通过对比静电喷雾机与普通喷雾机的喷雾均匀性、雾滴作物冠层穿透性、雾滴飘移性等喷雾沉积性能参数，分析得出静电喷雾技术的优势和特点，试验数据表明，背负式静电喷雾器的合适喷雾高度在50 cm 左右，过高会降低药液的有效沉积量，而过低会降低雾滴的沉积均匀性，相较于普通喷雾器，使用静电喷雾机能够提高雾滴沉积均匀度15%左右，而雾滴在作物叶片背面的沉积密度和沉积量分别提升6.1 倍和27 倍，证明了背负式静电可喷雾器可有效提升药液在植物叶片背面的附着量。增加药液在植物叶片背面的沉积几率，除此之外，静电喷雾的雾滴飘移量更小，可平均降低雾滴飘移量41.5%，雾滴粒径平均降低51.6%，从这方面看，使用静电喷雾器可相应减少农药的使用量，不但降低了种植成本更有利于对环境的保护，降低药害的发生概率。

4.2 展望

目前背负式静电喷雾机已逐渐得到人们的关注，但在试验和推广中发现还存在两方面的不足，一是机具本身的喷雾穿透能力不足，由于静电喷雾机产生的雾滴粒径较小，造成雾滴运动沉积过程中动能较低，较难穿透作物叶片重叠区域，造成穿透能力下降。因此，下一步研究还应对背负式静电喷雾机进行优化设计，通过增加叶片扰动装置、加装集成式风助系统、以及加入专用喷雾助剂等方式，提高静电雾滴在作物冠层下部的沉积量，以充分发挥静电喷雾技术的能力。二是机具价格较高，静电喷雾机相较于普通压力式喷雾机贵大约4 倍，比普通电动喷雾机贵2 倍，因此在推广过程中存在一定难度，要解决这一问题首先应提高使用者对新技术的认识程度，做好推广示范工作，除此之外也应对机具本身设计不断创新，以更高的质量和更低的使用成本满足使用者的实际需求。