国外植保喷头技术开发进展

董福龙，周宏平

(1.南京林业大学 机械电子工程学院，江苏 南京 210037；2.安徽科技学院 机械工程学院，安徽 凤阳 233100)

植保机械在保护农林作物高产、稳产方面发挥着重要作用[1]。植保机械用的喷头(或喷嘴)是药液的雾化装置，属于植保机械的关键部件，其性能优劣决定喷施作业过程中的施药量、雾滴大小和均匀度等衡量喷雾质量的关键性指标，也是改进喷雾施药技术的关键[2]。因此，研究植保喷头对提高病虫害防治效果、施药机械使用效率和作业安全性有着十分重要的意义。

作为药液雾化和均匀喷射的喷雾系统是通过喷头控制药液流量，使药液雾化成雾滴并将其输送分布至目标物表面。喷雾质量好坏表现在药液雾滴的大小、密度和分布状况，其很大程度上取决于喷头类型、大小、质量和喷雾参数。植保喷头分类方法众多，也较为复杂，一种喷头的名称往往包含几种不同分类的综合，不同种类的喷头其作用原理、雾滴特性和适用条件都不尽相同，精心选择合适的喷头对农林作物保护有重要影响。本文拟从通用喷头、静电喷头、抗飘喷头和变量喷头方面对喷头技术的研究展开评述。

1 通用喷头技术

图1 喷嘴结构示意图Fig.1 Schematic diagram of nozzle

通用喷头是目前植保机械中应用最广泛的一种雾化装置，根据工作原理主要有离心式和压力式两种喷头。离心式喷头的药液喷雾横向沉积分布型呈马鞍形，雾滴谱范围较窄，雾化质量较好，多用于喷施杀虫剂或杀菌剂等；压力式喷头的药液喷雾横向沉积分布型呈正态分布，抗飘移性好，雾滴粒谱较宽广，当喷雾角80°时药液沉积分布近似矩型，主要用于喷洒除草剂等。

喷头结构优化与设计一直都是喷雾技术研究的重点，目的是获得理想、符合实际需要的性能参数，以使喷头应用更广泛。美国贝特喷雾嘴公司James等发明了一种改进型平面扇形喷嘴，如图1所示，该喷头在尖端(或喷射端上)设置了一个椭圆或方形小孔，从而形成的平面扇形能均匀分布液体。Yoon等[3]先用数值模拟计算方法对高速实心锥形喷嘴的喷射进行了仿真研究，后经实验进行验证，得出离散系数(q)与径向位置成正比，喷嘴出口附近(1.40

喷头性能参数对其流量、喷雾角、雾化效果和喷雾量分布性能影响至关重要。Gil等[6]研究了不同喷头药液雾化后在空气中的损失规律，建立了喷雾损失量与雾滴大小及小变化的气候变量之间的多元回归方程；Li和Kumar等[7]通过对压力式喷嘴和喷雾干燥旋转盘进行数值模拟计算，研究喷嘴雾化效果，得到流场的速度矢量、温度场和雾滴粒径的分布数据，表明在喷嘴轴心处会产生“涡核”，而在出口处会形成回流，雾滴谱相对较窄且雾滴粒径较小。Santolaya等[8]用实验的方式对喷嘴喷射出的锥形液膜破碎的过程进行了研究，证明在喷嘴出口附近区域其雾滴较大，小液滴会被回流气体带回，大小液滴之间有明显相对速度，致使液滴相互碰撞。Jiang等[9]利用CFD软件中的湍流物理模型对喷头流场进行了研究，运用直接数值模拟(DNS)，雷诺平均方法(RANS)和大涡模拟(LES)对喷嘴的雾化和喷雾场进行了研究。以上文献通过数值模拟和实验，研究了不同农林作物最适宜的喷雾雾滴粒径和药液流体介质破碎过程，建立了有关数学模型等，对指导农林业生产有重要意义。

新材料新技术的应用，促进了喷头技术的进一步发展，喷头材料主要有不锈钢、工具钢、黄铜、硬质合金、人造宝石、金刚石、陶瓷等很多种类。Krishnan[10]利用电子显微镜研究了不同材质喷头的磨损情况，在137，275，551 kPa的压力下，分别对铜、塑料和不锈钢3种喷嘴进行了磨损实验，对喷嘴的磨损方式与状况进行深入了解；Fife等[11]运用CFD方法模拟生物农药分析不同类型喷头的磨损程度，对液力喷头的磨损情况进行研究，并用不同生物农药试剂进行试验，得出不同生物农药对喷头的破坏情况和磨损原因；Zhu[12]根据扇形喷头喷口处的结构建立数学模型，推导出磨损率与喷头喷口结构尺寸的关系式。美国喷雾系统公司对扇形雾喷头进行磨损实验，如图2，发现喷嘴磨损程度随着工作时间延长而不断增加，磨损情况增加量在喷头不同部位表现的不一样，发现喷嘴磨损部位不同对流量和喷洒均匀程度影响也不同[13]。近些年，陶瓷喷头因具有很好的耐磨性和耐化学特性，喷雾质量和流量精度优良，改变了传统的喷灌模式，在农林业生产中有着广阔的应用前景。

图2 新喷嘴和磨损喷嘴比较Fig.2 Comparing the spray tip with new nozzle and worn nozzle

国外在喷头结构参数优化和变形设计、喷雾机理、新材料等方面进行了深入研究，并结合现代设计与分析技术，已实现喷嘴产品的虚拟设计和流场特征的数值模拟，有助于喷头设计优化和实验验证。但在新结构设计、新喷雾理论方面研究较少。

2 静电喷头技术

静电喷雾技术最早由美国农业部(USDA-ARS)Carlton和Isler[14]研制了一种电动旋转喷嘴，利用图3中的高压充电环为喷雾雾滴充电，使喷雾雾滴带正电或负电，但雾滴无法保持一个极性(+或-)不变。因此研究者探索了包括极性交替充电、双极充电和电晕放电等多种方法解决这个问题[15]。改进后的航空静电喷雾系统采用图4中的静电旋转式喷嘴，并在高速风洞中对其荷质比和沉积特性进行了测试，测试结果达到工作要求[16]。

图3 早期安装在飞机喷杆上的航空静电喷嘴Fig.3 Early electrostatic spinner nozzle mounted to aircraft boom for testing

图4 第二代航空静电喷雾喷嘴Fig.4 Next generation electrostatic spinner nozzle

美国佐治亚大学的研究人员成功研制了静电喷雾系统(ESS)和气助式静电喷雾系统(AA- ESS)，被认为是20世纪90年代以来最先进的施药器械。经实验测试，AA-ESS系统产生的带电雾滴沉积到植物表面的雾滴密度是液压喷雾器的两倍多,显著提高了药液与病虫害的接触机率,大大提高了病虫害防治效果，节约了用药量。韩国Tae-Gyoung Kang等对果园静电喷雾沉积特性进行了研究,得出了静电喷头孔径在0.59 mm，充电电压4.0 kV，气助流速27 m/s时，喷雾效果最佳，此时运用脉冲感应充电的静电喷雾覆盖率是常规喷雾的4.3倍。对静电喷雾技术工作原理和喷雾系统的结构优化，使其能够应用于生产，已成为目前研究的热点之一。

Kihm等[17]对旋转式喷嘴进行了雾滴尺寸测量及航空喷雾沉积试验，在实验室和田间测试，发现双极充电能有效地消除机体残余电荷的积聚。Jones等[18]对自由射流的静电雾化(在感应电极作用下)进行了研究，得出非静电雾化雾滴直径为静电雾化产生的雾滴直径的1.9倍。Calton在1999年获得美国航空静电喷雾系统的发明专利，叙述了许多航空静电喷雾系统的要求，并一直沿用至今，其包括：两侧喷杆保持相等的质量流量和电量；荷质比至少为0.8 mC/kg；采用不导电的空心锥形喷嘴用以产生足够尺寸的雾滴以达到上述荷质比要求；双独立电源供电；使用的药液特性满足上述荷质比要求[19]。

图5 SES公司的航空静电喷雾系统Fig.5 Spectrum electrostatic spray system

美国SES公司购买了Calton的专利并进行了大规模生产，将航空静电喷雾系统推向市场，SES公司生产的航空静电喷雾系统是目前最先进的航空静电喷雾设备。如图5，该系统中每个静电喷头由相连的2个间距30 mm的喷嘴组成，用以产生正或负电压的静电发生器的电压输出端，分别连接安装在飞机机翼两侧的航空静电喷嘴，使得两机翼负载的正、负电压处于平衡，机身或喷雾支架上总静电场近似为零，保证了飞机作业时的安全性。工作时航空静电喷雾系统的雾滴感应充电电压为8～10 kV，喷嘴的工作压力0.5 MPa，施药量为9～18 L/hm2，雾滴体积中值直径VMD值约为150 μm，远小于常规航空喷雾雾滴的VMD值300～400 μm。该系统大大减少了喷雾雾滴随风飘移造成的损失，成倍提高了施药的有效利用率，在同等防治效果前提下，成倍减少了总耗药量[20]。

静电喷雾设备在美欧各国日趋完善，Bertelli、Randell公司生产的静电喷头使用12 V直流电，能够产生40 kV的高压，可用于喷杆喷雾机和背负式机动喷雾喷粉机上，该喷头比普通喷头可减少药液损失65%，大大降低农药对环境的污染。英国农业工程学院研制的转盘式静电喷头，用感应电极与转盘同轴旋转，高压电路用轴承接通，使高压输入到旋转的电极上，采用旋转电极能有效避免雾滴沉积到电极上而造成电荷泄漏。德国霍恩海姆大学研制了用在背负式喷雾机上的气流剪切式静电喷头；印度及其它国家的研究人员也从喷嘴电流、靶标电流、泄漏电流、径向电流、反向电流等不同角度对静电喷雾技术进行了研究。

国外对静电喷雾技术研究的深度和广度都达到了较高水平。目前静电喷雾技术已研究和试验多年，存在电能消耗大；绝缘材料性能不达标，容易被静电高压击穿绝缘层造成漏电，严重时会危及人身安全；反向电离现象严重等问题，还未达到人们的期望水平。对于如何实现喷雾远射程，保持雾滴粒径均匀性以及相应减少漏电和触电危险,是值得研究者深入研究的方向。

3 抗飘喷头技术

喷头是控制药液流量的关键部件，性能良好的喷头才能提高药液雾滴的穿透性，最大程度上减少雾滴的飘失[21]。通常按形状不同可划分为扇形喷头、锥形喷头和文丘里喷头等3种类型。扇形喷头(图6)能产生由细到中等的雾滴，具备良好的覆盖效果，能最大程度地减少雾滴飘移。锥形喷头使药液在喷头喷腔内绕轴孔线旋转，液滴随着喷腔内压力的增大在离心力的作用下喷出，雾滴喷出运动方向与其运动轨迹相切，形成一个圆锥体，有空心和实心锥形喷头两种。文丘里喷头(图7)是利用特殊的文丘里结构，在喷头内部产生大量充气雾滴，使雾滴质量增加以降低雾滴的飘移性；另外，在雾滴接触到靶标时，气泡破裂能在作物表面形成良好的药液覆盖效果。

图6 扇形喷头结构示意Fig.6 Schematic diagram of fan-shaped nozzle

图7 文丘里结构示意Fig.7 Venturi structure diagram

在20世纪，防止农药飘失的反飘和几乎无飘失的喷头及各种专用扇型喷头已出现在欧美一些国家。由德国Lechler公司研制生产ID防飘喷头，利用喷射流原理，工作压力在300～800 kPa，药液在混合室内和从两侧小孔进入的气体混合，形成液包气的“小气泡”大雾滴，大雾滴不易飘失并能提高雾滴的穿透性，击中靶标后的“小气泡”会与靶标发生碰撞或被靶标上的纤毛刺破，实现二次雾化而碎裂成更多更细的雾滴，再次提高了雾滴覆盖率，还能降低75%以上飘失，该喷头已广泛应用于生产。

低飘喷头是通过一定的喷头结构设计，使喷头产生较大雾滴以有效降低飘移。市场上的低飘喷头主要有[22]：①低压扁扇形喷头：其由美国喷雾系统公司制造的一种宽幅扁扇形喷头，在同样工作压力下，具有和标准扇形雾喷头相同的流量和雾形，在压力低于200 kPa时，具备喷雾自动控制功能，会产生较大雾滴，且雾流分布均匀并对靶标有良好覆盖；②前置孔喷头(图8)：在该喷头中药液从一小孔流到喷头内的一个小腔，再经这个小腔通过一个短通道至喷孔喷出，该设计能形成较大雾滴，减小了药液在喷口处的速度和压力，防飘移效果显著；③前置孔、混流室喷头(图9)：是将喷头内的前置孔(进液口处)和混流室(出液口处)结合起来，混流室能吸收能量，降低出口处压力，该方案改善了雾流均匀性，可获得更加均匀的雾滴尺寸，正常工作压力下产生的雾滴比标准扇形喷头的大30%～50%；④吸入空气式喷头(图10)：在进液口具有一前置孔，采用文丘里管设计，药液流在通过喷头内的前置孔时，因文丘里效应导致压力下降，喷头内吸入空气，使气泡与喷雾药液混合，形成较大雾滴而降低飘移。

图8 前置孔喷头Fig.8 Front hole nozzle

图9 前置孔、混流室喷头Fig.9 Front hole and mixed flow chamber nozzle

少飘喷头(LD)是在扇形喷头后面安装一孔片，药液喷出后环绕内腔“涡动”，使药液雾化成窄雾谱雾滴，大大减少雾滴因粒径小而产生的飘移[23]。防飘移扇形喷头所产生的雾滴平均粒径大于标准扇形喷头的平均粒径，产生的细小雾滴小于100 μm比标准扇形喷头少一半，防飘效果显著。国外对喷头选择和雾滴雾化性能的研究一直都十分重视，ASAE喷头选配系统的开发，S572标准的制定，喷头型号选用检索表以及喷头选择软件系统的研制，都是在充分研究雾滴及雾化特性的基础上，根据不同型号喷头的抗飘性能参数对喷头进行分类，用于指导农业生产[24]。近些年，低飘或防飘喷头已广泛应用在农林作物病虫害防治中。

图10 吸入空气式喷头Fig.10 Suction air type nozzle

抗飘喷头技术是植保机械作业发展研究的主要方面，是提高农药药效和药液有效利用率的关键技术。与其它防飘技术相比，采用抗飘喷头具有成本低，结构改动少等优点；在药液雾滴防飘和提高附着率方面，采用抗飘喷头的喷杆喷雾机能达到与风幕式喷杆喷雾机同样的效果。在使用防飘移喷头时，工作压力要保持稳定，否则会影响喷雾质量。目前欧美一些植保机械厂家在开发研制新型防飘喷头方面投入了大量精力。

4 变量喷头技术

变量喷头是相对传统固定式喷头而言，所谓“固定”是指喷头在工作过程中的内部结构保持不变。变量喷头是通过改变压力来调节流量，称压力调流，是最早应用于变量喷雾的调流技术之一。压力调流的调节特性可用公式表达为[25]:

(1)

式(1)中，Q为流体流量，ρ为流体密度，p1为调节阀入口流体压力，p2为调节阀出口的流体压力，α和R分别反映节流类型和流阻。理论上α的取值范围[1，2]。工程上一般取α=2，系统压力差与流量的平方成正比，属于典型非线性关系。压力调流有固定的非线性特性，而同等精度条件下，压力传感器比流量传感器的成本低很多，因而压力调流在经济性方面有优势。从理论上分析，调流范围要对应相同调压范围，上式中的模型参数随压力变化而改变，而反映在喷头结构中就需要有相应的随动部件。

图11 可变量喷头Fig.11 Variable nozzle

Womac等开发了一种可变流量喷头，该喷头由一个带内锥的壳体、一个调节流量的活塞、一块金属隔膜和两个流体进口组成。如图11，喷嘴流量调节通过调整注入液体到A口与B口的压力差，从而推动活塞位置向上或向下移动引起狭缝宽度的变化以控制喷出药液流量。

Walker和Bansal[26]开发了一种喷孔压力随面积而改变的喷头，用两块铰接的金属薄板调节喷头出口尺寸，喷头流量取决于出口大小、金属薄板厚度与材料强度特性、液体压力以及喷头头部形状。但此喷头的喷雾角较小。Womac[27]和Bui等[28]针对两级喷孔喷头，引入了随动定流芯而使喷孔面积随动，研制出一种双随动器件的变量喷头，结构如图12a。在图12b中为高压和低压两种状态下随动器件的运动状态。药液流经过楔形沟槽流至前置喷孔，再从喷嘴喷孔流出，随动定流芯底部采用楔形沟槽结构，其位置由药液流压力和弹簧力来控制，随动定流芯位置的改变使楔形沟槽开口度随动，实现喷头流量调节。当药液流压力小于弹簧力时，随动定流芯向下(喷雾孔方向)移动，使通过喷孔的流量减少；当药液流压力大于弹簧力时，随动定流芯向上(弹簧方向)移动，使通过喷孔的流量增加。美国Spray Target公司采用该方案开发了VeriJet系列、VariTarget系列和VeriFlow系列产品。

1:弹簧;2:隔膜;3:随动定流芯;4:喷嘴头;5:随动推杆;6:管路;7:入口;8:喷口;9:楔形沟槽1:Spring;2:Dissepiment;3:Constant flow core;4:Nozzle head;5:Follower push rod;6:Piping;7:Import;8:Outlet;9:Wedge groove图12 VariTarget 变量喷头Fig.12 VariTarget variable nozzle

Giles等[29]开发了脉宽调制(PWM)脉动喷头应用于车载喷雾设备，在PWM系统中，药液在一个容器中混合，通过电磁阀控制喷头的开合时间比来调节流量，研究表明脉动式变量喷雾系统对雾量分布、雾滴粒径和雾滴速度的影响都较小。King等[30]利用变频器来调节电机频率和有效电压幅值来控制泵的转速、药液压力和流量，设计了一种变频喷雾系统。该系统由整流电路(将交流电源转换成直流电源)、中间电路(调节直流电压)、反相电路(给电机输入一定电压)和控制电路(调节输出电压与输入信号的比率)组成。

Ahmad等[31]利用旁通道来调节喷雾流量，喷嘴的流量由可变压力旁通道来控制，从而调整喷嘴涡动膛内的流量分配，结果发现采用旁通道方法对喷雾粒径谱影响明显，流量从1.2 L/min增加到3.7 L/min时，喷嘴喷雾体积中径由398 μm降到125 μm，流量增加可使喷雾粒径谱减小。Pitts[32]和Han等[33]对上述喷嘴在实现可变量喷雾时的动态特性进行了研究，结果说明该喷嘴在农业生产中具有一定潜力，但结构复杂，制造成本高而阻碍其应用前景；并且喷嘴和流量控制膛是一体结构，使原喷嘴被完全替换，而不是将旁通控制系统附加到原喷嘴上，且每个喷嘴都需要一个旁通控制通道，此方法使所有喷杆部件都可以联接到公共的控制通道上，对独立控制单个喷嘴不利。

图13 变量喷头结构和工作原理图Fig.13 The variable nozzle structure diagram and work schematic

1:喷头;2:喷头体;3:流体入口;4:喷嘴;5:圆柱状底盘;6:水平凸缘1:Nozzle;2:Nozzle body;3:Import;4:Injector;5:Cylindrical chassis;6:Horizontal flange图14 新型农用喷雾喷头Fig.14 The new agricultural spray nozzles

Daggupati[34]把电子控制系统集成到喷头内，设计了一种实现机电一体化的集成喷头方案，是通过控制电磁阀通断电来驱动阀芯动作，从而实现变量喷雾作业，如图13。Funseth等[35]在喷头内设置了一个转盘流量控制阀，转盘流量控制阀由步进电机控制转动，处于流体入口和喷嘴之间，该变量喷头如图14。Needham等[36]为实现分别控制药液喷雾量和雾滴尺寸大小，提出了采用把比例电磁阀与喷头耦合的设计方案。

变量喷头技术经十多年快速发展，在控制技术和变量器件方面取得了突破性进展，从经济性方面考虑，运用控制技术能提升低成本元器件和装备性能。由于农林业装备的特殊性要求，有针对性地发展专门算法值得关注。对于国外不断涌现的新专利及已形成的多种系列化产品，应引起国内科研机构和企业的重视。

5 结论与展望

喷头作为植保机械的关键部件，国外研究人员对喷嘴结构、作业目标和喷嘴的雾化性能等进行大量基础性研究，并运用现代CAD、CAE技术对喷头材料及流场进行数值模拟与分析，当前主要集中在运用控制技术、信息技术、图像处理技术和智能识别技术等实现机具与施药技术的机电一体化、精准施药、智能对靶与防飘和开发新型机具等方面，而在新喷头结构开发、新喷雾理论应用方面投入较少。目前各国企业都有自己的标准，国际上没有形成统一的编码制度；在使用中喷头的磨损情况根据作业者经验判定，缺乏完善的监控指导体系。笔者认为,今后对喷头研究除已述方面外，还将在以下几个方面引起关注：

(1)新喷头研制。随着新机具和新技术的运用，应优先开发与之相配套的喷头，其应具有较强的适应性，能适应不同作业环境需求。

(2)喷头制造技术要专业化、高精化。运用现代新设备、新技术、新工艺开发系列产品，提高喷头的制造质量、工艺水平和可靠性，实现产品专用化、系列化、标准化。

(3)建立健全的喷头编码制度。植保喷头种类繁多，在国际上若能采用统一归类编码方式，有助于为现代农林产业服务。

(4)建立专业化喷头监控体系。对喷头的使用情况进行实时监测，预测喷头的磨损和使用寿命，为生产厂商与作业者及时提供信息反馈。