接触式和感应式复合作用多旋翼航空静电喷药装置研制

杨志磊，刘 沁，沈卫国，吴少钦，谢 伟，郭文松※

（ 1.塔里木大学机械电气化工程学院，新疆 阿拉尔843300；2.阿拉尔市铁漫植保服务有限责任公司；3.太仓市金港植保器械科技有限公司）

0 引言

据统计，我国2012-2014 年农作物病虫害防治农药年均使用量31.1 万t， 比2009～2011 年增长9.2%[1]。目前，我国农药平均利用率仅为35%，大部分农药通过径流、渗漏、飘移等流失，污染土壤、水环境，影响农田生态环境安全[2]。

2015 年农业部发布了 《到2020 年农药使用量零增长行动方案》，行动方案明确指出：“降低化学农药使用量和农药利用率的主要方法是：推广新型高效植保机械，因地制宜推广自走式喷杆喷雾机、高效常温烟雾机、固定翼飞机、直升机、植保无人机等现代植保机械，采用低容量喷雾、静电喷雾等先进施药技术，提高喷雾对靶性，降低飘移损失，提高农药利用率”[3-5]。

现阶段航空静电喷雾的研究主要采用感应式荷电方法，相应的对每个喷嘴都要配备配套的荷电喷头。接触式荷电的研究主要涉及地面喷雾设备， 背负式静电喷雾器、静电喷杆喷雾器等[6-7]。

目前国内外研究的静电喷雾的技术均是单独采用接触式与感应式荷电法[8-10]。本文提出一种接触式和感应式复合作用荷电法，该方法将接触式荷电法和感应式荷电法综合到一起， 实现对液滴进行二次荷电。并将接触式和感应式复合作用荷电法运用到了多旋翼无人机植保中。

1 接触式与感应式复合作用荷电方法

如图1，本方法将接触式静电荷电方法和感应式静电荷电法综合到一起，实现对液滴二次荷电。 本方法采用了2 个水箱和2 个高压静电发生器。 其中1 个高压静电发生器的正电荷静电发生端与负电荷静电发生端分别与两个水箱通过导线与药液直接接触进行第一次药液直接荷电；另一个高压静电发生器的正电荷静电发生端与负电荷静电发生端分别与位于喷头处的充电电极相连，对药液二次感应荷电。本方法可适用于多种航空设备的静电喷药设备，如多旋翼无人机、无人直升机、有人直升机、固定翼飞机等。

本文选择大疆植保MG-1P 多旋翼无人机作为喷药设备的搭载平台，该装置属于八旋翼无人机，最大作业飞行速度7m/s，最大飞行高度2000m，轴距1500mm。搭建完成的喷药设备如图2，该装置的两侧各接有两个喷雾杆和带有感应电环的喷头安装在每侧的中间两个旋翼所连接的轴杆上；该装置的两侧支架承载两个水桶（每个水桶2.5 L）；该装置的中央正下方安装有控制箱，控制水泵进而控制药液的喷洒和高压静电发生器，以控制感应荷电和接触荷电。

2 主要元件的选择

2.1 高压静电发生器

接触式和感应式复合作用静电喷雾系统要对雾滴进行荷电。需要利用高压静电发生器对该系统提供的电压进行升压。本文选择的高压静电发生器装置如图3。其为12 V 直流输入，功率小于1.2 W，输出电压调节范围为13.5～30kV。 该系统需要用到2 套高压静电发生器，一个高压静电发生器产生的高电压经高压线与药液箱的药液直接接触，另一个静电发生器的高电压经高压线输送到感应喷头处与电极连接。

2.2 隔膜泵

接触式和感应式复合作用静电喷雾系统包括接触式荷电方式，液压泵内必须绝缘，因此采用绝缘隔膜泵作为供水动力源，如图4。 隔膜泵压力0.15～0.4 MPa，喷雾流量约0.4 L/min。

2.3 感应喷头的设计

为了选择合适的喷头，本文分别对三种不同口径的压力喷头进行了试验。

图5（a）的喷嘴口径最大，在试验中喷出的雾化效果不好，喷出物更近于液珠；图5（b）的喷嘴口径中等，在试验中观察到雾化效果较好，但存在雾化不均匀现象。图5（c）喷嘴口径最小，在试验中观察到雾化效果最好。经测试图5（c）喷头的雾滴中径80 um，喷雾直径2 m。将图5（c）的喷嘴加上感应金属环，并在外部做好绝缘处理制成感应式喷头，如图6。

3 静电吸附效果试验验证

3.1 试验目的

为了验证接触式和感应式复合作用静电喷药吸附效果，本文以水敏纸背面的吸附（即正面喷洒，观察背面的吸附效果）效果为指标，分别进行了室内（无人机在室内，并未起飞）和室外（无人机在室内，空中悬停）喷洒试验。

3.2 室内试验方案和试验结果

本次试验的地点为塔里木大学现代农业工程重点实验室。 本次实验采取对比的方法，通过观察水敏纸背面的变色程度，来判断静电吸附的效果。共分为5 个处理：①关闭接触式静电、关闭感应式静电；②关闭接触式静电、打开感应式静电；③打开接触式静电、关闭感应式静电；④打开接触式静电、打开感应式静电。 静电吸附效果如图7。

3.3 室外试验

为了验证该设备的实际作业效果，进行室外喷洒试验。本次试验方法是将水敏纸贴到树叶背面测试背面吸附效果。 分别对比分析不打开静电装置和打开静电装置的背面吸附效果及正面的吸附效果。 图8 为室外喷洒试验现场图。

图9 为室外喷洒试验结果对比图。

由图9（a）分析可知，当打开静电时，背面吸附效果并不明显，分析其原因：在室外试验时，由于螺旋桨的气流速度较大，风力相较于静电吸引力来说要大的多，雾滴会顺着气流的方向移动，因此荷电的雾滴在试纸背面的吸附效果并不理想。对比图9（b）和图9（c）分析可知，打开静电以后的正面吸附效果明显优于没有打开关闭静电时的吸附效果。

4 结论

本文提出了一种新型的接触荷电和感应荷电复合作用的静电荷电方法，根据此方法设计了一种接触荷电和感应荷电复合作用的多旋翼航空静电喷药装置，并对关键部件进行了选型设计。 室内和室外试验表明，此种方法在没有辅助风力作用时，其静电吸附效果优于单独使用接触荷电或者感应荷电的效果，对于叶子状物体可以良好的实现一面喷洒两面沾药；当喷洒作业在无人机风力或者风幕的辅助作业时， 其背面吸附效果不明显，由于静电吸附作用，带静电时的正面吸附效果要显著的优于无静电时的喷洒效果。

该设备的使用可进一步的降低无人机植保的农药使用量，提高农药利用率，并且还具有维护成本低、易操作等优点。 大幅提高对病虫害高农产品的食用安全性，保护人类的生命健康。