公路绿化自动扫瞄喷药机的研制与应用

■徐元章 方德铭 刘丽娥

（1.福州市农业科学研究所，福州 350018；2.福建省公路事业发展中心，福州 350004；3.福州枫蕊生态科技有限公司，福州 350003）

据报道我国公路绿化植物约有害虫4000 种、造成危害的优势种有近100 种，公路绿化讲究“三分种，七分养”原则，所谓“七分养”除了日常的养护管理外，病虫害防治也占了相当大的比重[1]。 长期以来，人们普遍认为公路绿化害虫是从其原生长系统带来的，这些害虫的生物学、生态学及防治方法等在农林生态系统中已有较详细的研究，公路病虫害的防治可以直接套用那些农林业的方法和技术，没有必要再进行研究。 实际上公路绿化植物害虫的发生除具备农林领域的一般规律外，还有种植土壤不佳、汽车尾气等因素影响造成公路绿化植物自身抗病虫害能力低，加上基层的公路养护人员对病虫害种类识别不清、不明确其发生规律，往往采取简单、盲目的措施，防治效果低且污染了公路绿化及其周边的生态环境。 福建省每年都要喷施化学农药防治公路绿化植物病虫害，各地公路部门通常在每年的3 月、10 月各进行1 次预防性喷药防治， 其余时间则根据病虫害发现情况及时处置[2]，虽然防治公路绿化病虫害农药品种与农林领域可以通用，但由于农林生态环境中喷药的环境与人类生活或工作场所隔离的，施药后到农药安全分解期间人们不用与之接触，而公路绿化环境中就是人们穿行或生活在毗邻的场所，这些人们也成为被动成为公路所喷药剂的“农药间接靶标”，因此公路绿化景观生态有其特殊性而不能套用农业喷药机具。 目前公路绿化养护喷药所借助的农林领域的喷药机械，费工、费药、费水且防治效果差并严重污染环境，难以防治这些顽固性病虫害。 针对公路绿化喷药保护存在的这些问题，结合农药减量增效技术研制开发公路绿化自动扫瞄喷药机（以下简称“自动扫瞄喷药机”），可应用在不同的形态特征、园艺性状和施药环境，以解决当前公路绿化喷药保护的施药技术与喷药机具落后的问题，为福建省公路养护与景观的提升提供先进的施药技术及其专用喷药保护设备保障。

1 担架式喷雾机的弊端

当前常规公路绿化大都使用担架式喷雾机（由洒水车改装成，主要使用3WZ-300T 担架式喷雾机的配置，以下简称为“担架式喷雾机”）喷药保护（图1），该机具配备喷幅约0.5 m 的液力式可调式喷枪，采用Z 字形摆动式喷洒法[3]，可将靶区划分为重喷区、漏喷区和单喷区3 部分（图2）。

图1 担架式喷雾机Z 字形摆动式喷洒法

图2 中Z 字形摆动式喷洒法的单喷区（代号D）是正确合理的喷药区域，而其中的重喷(代号C)和漏喷(代号L)本技术难于避免的问题。 也就是说，为确保不会漏喷靶区，Z 字形摆动式喷洒法喷头在单位面积的靶区必须喷洒双倍的靶区面积，存在着 “往复摆动喷洒法欲求全喷靶标须将靶标重喷一遍”的浪费现象，而实际喷药作业中难免存在的漏喷区（L），这就会成为病虫害的“桥梁田”，当发病中心或害虫糜集部位刚好是漏喷区（L）时、得以幸存下来的病虫害随即扩散蔓延而导致前功尽弃[4-5]。

图2 Z 字形摆动式喷洒法的喷药区块分布

2 公路绿化自动扫瞄喷药机的研发与创新

2.1 扫瞄喷药法的主要特征

针对常规的Z 字形摆动喷洒法存在上述的缺点，研究提出农药减量增效的扫瞄喷药法[4]，即可“无级变幅”的扫瞄喷洒法。 其扫瞄喷头的静态喷幅大于作业靶标宽度，必要时扫瞄喷头还可以实时对应作业靶标宽度的变化而无级变化喷幅，是一种喷头行进方向与机具运行方向一致的单向型运动的喷药方式，根据静态喷幅能否伺服作业靶标的宽度变化而变化，扫瞄喷洒法分为定幅扫瞄喷洒法和变幅扫瞄喷洒法[4]，分别如图3、4 所示。

图3 定幅扫瞄喷洒法靶标、喷幅与喷头行进方向示意图

图3 中定幅扫瞄喷洒法喷头的静态喷幅xy 略大于单次喷药作业靶区宽度ef，喷头行进方向保持一致、只作单向型运动。 图4 中无级变幅扫瞄喷洒法可以对应靶标宽度的变化而无级调节改变喷幅与之相适应， 喷头行进方向一致的单向型运动的“扫瞄喷药”，其变化数值为渐变过程，适用于靶标连续变化或变化不定的作物，由于扫瞄喷药法避免了常规摆动式喷药法存在的重喷和漏喷问题，所以能大幅省药省水且消除了漏喷区病虫害的桥梁田问题、提高病虫害的防治效果并可防除顽固性病虫害。

图4 无级变幅扫瞄喷洒法变幅过程示意图

2.2 自动扫瞄喷药机的结构与技术参数

针对当前公路绿化养护喷药保护机具存在工效低、效果差、重喷和漏喷问题，采用了优化设计、模块化设计、人机工程学等设计思想［6］和无级变幅的扫瞄喷药法研发了自动扫瞄喷药机，产品已通过国家植保机械质量监督检验中心检测合格，整机由机架、发动机、柱塞泵、药桶、喷洒部件、控制箱及其控制系统总成、自转向离心风机和无级变幅总成等组成，其中喷洒部件、控制箱及其控制系统总成、自转向离心风机和无级变幅总成是本机具核心的创新部件，具体结构如下：（1）喷洒部件主要由3 组风送式喷头（风送式的射高喷头、变幅喷头、边坡喷头）和2 组液力式喷头（高压的宽幅喷枪、可调式喷枪）组成，可以实施11 种喷洒模型作业；（2）控制箱及其控制系统总成是整机的操控核心部件，包括可编程控制器、遥控器、驱动机构、感应部件等；（3）自转向离心风机和无级变幅总成分别采用电机驱动蜗轮蜗杆减速机、链轮传动驱动自转变向以及齿轮减速来驱动无级变幅的结构。

研制了2 种容量（1 t、1.5 t）的车载式和牵引式的自动扫瞄喷药机， 主要型号有3WZ-1000FC 型、3WZ-1500FC 型和3WZ-1000FQ 型3 种型号。 其中3WZ-1000FC 型、3WZ-1500FC 型2 种型号机具均为车载式，它们的区别在于药箱容量分别为1000 L、1500 L 及其配套的固定机架的差异， 其余的配置均相同；3WZ-1000FC 型和3WZ-1000FQ 型两者的药箱容量均为1000L、 区别在于前者为车载式，后者为牵引式，将3WZ-1000FC 型选配惯性制动全挂车并通过四角的螺栓锁定即为3WZ-1000FQ 型。3 种型号的自动扫瞄喷药机的主要参数如表1 所示，3WZ-1500FC 型、3WZ-1000FQ 型的结构如图5所示。

图5 自动扫瞄喷药机主要部件结构

表1 3 种自动扫瞄喷药机的主要参数

由表1 可知，3 种自动扫瞄喷药机的风送式射高射程达到20 m，能够满足公路行道树喷药高度或边坡射程的要求， 风送式宽幅喷头变幅范围为1～8 m、射程为17 m、对行道树的自动感应距离为7 m，能够满足行道树株冠或边绿化扫瞄喷药的要求。

由图5 可知，自动扫瞄喷药机标配了5 种双流体或单流体喷头组件，相当于5 台国内相应功能普通药械的效能， 并且可避免普通药械喷施农药的空间维度常习惯性地针对树冠的侧面， 不符合植物和病虫害的生物学特性和科学性的问题。 车载式自动扫瞄喷药机可通过4 件锁具螺旋扣与相应位置焊装了挂环的承载车辆快速锁固（图6），或者直接用4 件螺栓紧固件将本机具直接固定在惯性制动全挂车上，形成一种更加方便使用的自动扫瞄喷药车（图7），新购买的自动扫瞄喷药机配套喷药车辆最好有龟速挡功能。

图6 承载车厢4 个挂环焊装方位图

图7 牵引式自动扫瞄喷药车紧固螺栓组件方位图

2.3 自动扫瞄喷药机的创新点

根据自动扫瞄喷药机的产品特性和结构特点，本产品具备以下创新点：（1）在农药施用技术领域的创新：新药械利用行道树树冠叶层组成的半封闭空间以及病虫害主要栖息在叶背等科学属性，应用离心风机产生的风力将雾滴推送到喷头侧上方向的树冠内侧面靶标而不容易受到风力的干扰；研发应用先进的扫瞄喷药法和无级变幅扫瞄喷药技术，同样的靶区新药械的喷药量与覆盖面是常规药械的一半，有效解决了常规摆动式喷洒法难以避免的重喷和漏喷问题。 （2）新机具配有风送式射高喷头、边坡喷头（射程均为20 m）和变幅喷头（射程为17 m）各1 组，还配有高压液力式的宽幅喷枪和可调式喷枪各1 组，这5 组喷头可单用或风送式与液力式两喷头联用，共可形成11 种使用组合。 新机具集成了定制的遥控模块、PLC 中控模块， 结合自动识别靶标模块的机电控制，实现了安全轻简地操作、人机（药）分离地遥控或自动感应识别靶标喷药。 （3）研发能大角度轴向遥控转动蜗壳体的离心式风机及其组件，转变出风方向俯仰角达180°，改变风向过程中不会损失风能或降低能效，无需逆行就能够喷药保护道路两侧的园林绿化植物。 （4）新机具的防水电气控制箱从侧面装进长方形防护壳体内后垂放下柔性透明板以遮住侧面口形成双重防护, 能加倍防护电气电路避免雾滴药剂的侵蚀，电气控制箱面板上设有手动功能按钮进行手控操作供辅助使用。 （5）新机具采用锁具螺旋扣牢靠固定在车厢体上： 机架四角围栏上部的4 副锁具螺旋扣能钩住承载车厢上（或全挂车）预固定的4 个挂环铰紧牢固定位， 实现新机具与承载车厢体的快速地结合或分离。

3 自动扫瞄喷药机的作业方式与应用效果

3.1 自动扫瞄喷药机的作业方式

自动扫瞄喷药机配有风送式变幅喷头、射高喷头、边坡喷头各1 组可切换使用，还配有高压液力式的宽幅喷枪和可调式喷枪各1 组，液力式的宽幅喷枪还可以替换为其他的液力式扫瞄喷头组件以拓展效能，这5 组标配的喷头可单用、或风送式与液力式两喷头联用形成11 种使用组合的喷洒模型作业，其中风送式射高喷头既是喷头，又可将风送式变幅喷头与边坡喷头通过法兰连接在上面而扩展机具的新功能，变幅喷头与边坡喷头可切换（二选一）使用。 风送式变幅喷头（或边坡喷头）套装在风送式射高喷头上后， 须将风送式射高喷头上的药液输出管卸除后连接到变幅喷头（或边坡喷头）上，边坡喷头的喷洒方向可以180°变化，兼顾到左右两侧的边坡绿地的喷药保护（图8）。

图8 风送式边坡喷头变角并旋转180°示意图

3.1.1 单用风送式变幅喷头

单用风送式变幅喷头的作业方式，主要应用于宽散高大型的行道树（图9）。根据树形的大小，瞄准靶标调整喷头的方向和喷幅后， 承载车辆可挂1 档或2 档以适当的速度前行，1 t 药水可以喷洒中小型行道树12 km（折合靶区面积6.67 hm2）、连续喷药作业约85 min，比使用担架式喷雾机省药45%、省成本47%，降低了公路绿化保护喷药对城市的污染和影响，对病虫害的防治效果提高了12%～30%。

图9 自动扫瞄喷药机单用无级变幅双流体喷头的作业方式

3.1.2 风送式变幅喷头与液力式的可调式喷枪联合使用

风送式变幅喷头与液力式的可调式喷枪联合使用的作业方式，主要应用于宽散高大型的行道树和分车带上下靶标同时喷药。 根据树形的大小，瞄准靶标调整喷头的方向和喷幅后，瞄准靶标调整喷头的方向和喷幅后，承载车辆可挂1 档或2 档以适当的速度前行，1 t 药水可连续喷洒行道树与分车带约60 min，大幅提高了喷药效率，节省了人工和农药。

3.1.3 风送式变幅喷头与液力式宽幅喷枪联合使用

风送式变幅喷头与液力式宽幅喷枪联合使用的作业方式，主要应用于宽散高大型的行道树和边坡、绿地的上下靶标同时喷药。 根据树形的大小，瞄准靶标调整喷头的方向和喷幅后，以适当的速度前行，喷药时根据树形大小、承载车辆可挂1 档或2 档行驶，1 t 药水可连续喷洒行道树与分车带约60 min，大幅提高了喷药效率，节省了人工和农药。

3.1.4 风送式射高喷头与宽幅喷枪联合使用

风送式射高喷头与宽幅喷枪联合使用的作业方式，主要应用于挺拔型的行道树和分车带、边坡、绿地的上下靶标同时喷药。 根据树形的大小，瞄准靶标调整喷头的方向后，以适当的速度前行，1 t 药水可以连续喷洒行道树与分车带约60 min，大幅提高了喷药效率，节省了人工和农药。

3.1.5 单用风送式射高喷头

单用风送式射高喷头的作业方式，主要应用于挺拔型的行道树， 可应用于20 m 高度的行道树喷药。 根据树形的大小，瞄准靶标调整喷头的方向后，以适当的速度前行，喷药时根据树形大小、承载车辆可挂1 档或2 档行驶，1 t 药水可以连续喷洒行道树或分车带约85 min。

3.1.6 单用液力式可调式喷枪

单用液力式可调式喷枪的作业方式，功能与普通的担架式机动喷雾机相当，主要应用于小型的行道树和分车带。 喷药时根据树形大小、承载车辆可挂1 档或2 档行驶，1 t 药水可以连续喷洒行道树或分车带约100 min。

3.1.7 单用液力式宽幅喷枪

单用液力式宽幅喷枪的作业方式，主要应用于挺拔型的行道树。 根据树形的大小，瞄准靶标调整喷头的方向和喷幅后，以适当的速度前行，喷药时根据树形大小、 承载车辆可挂1 档或2 档行驶1 t药水可以连续喷洒行道树或分车带约90 min。

3.1.8 风送式射高喷头与液力式可调式喷枪联合使用

风送式射高喷头与液力式可调式喷枪联合使用的作业方式，主要应用于挺拔型的行道树和分车带、分车带的上下靶标同时喷药。 根据树形的大小，瞄准靶标调整喷头的方向后，以适当的速度前行，1 t药水可以连续喷洒行道树与分车带约60 min。

3.1.9 单用风送式边坡喷头

单用风送式边坡喷头的作业方式可应用于道路两侧20 m 范围的边坡或草坪， 瞄准靶标的地形地势调整喷头的方向后，以适当的速度前行，承载车辆可挂1 档或2 档行驶，1 t 药水可以连续喷洒行道树或分车带约85 min。

3.1.10 风送式边坡喷头与液力式宽幅喷枪联合使用

风送式边坡喷头与液力式宽幅喷枪联合使用的作业方式， 主要应用于道路两侧20 m 范围的边坡（或草坪）与分车带同时喷药，风送式边坡喷头瞄准边坡（草坪）靶标、液力式可调式喷枪瞄准分车带同时喷药，车辆以适当的速度前行，1 t 药水可以连续喷洒行道树与分车带约60 min。

3.1.11 风送式边坡喷头与液力式可调式喷枪联合使用

风送式边坡喷头与液力式可调式喷枪联合使用的作业方式， 主要应用于道路两侧20 m 范围的边坡（或草坪）与刚定植不久的行道树同时喷药，风送式边坡喷头瞄准边坡（草坪）靶标、液力式可调式喷枪瞄准刚定植不久的行道树同时喷药，车辆以适当的速度前行，1 t 药水可以连续喷洒行道树与分车带约60 min。

3.2 自动扫瞄喷药机的应用效果

2020 年以来自动扫瞄喷药机先后在泉州永春、福州闽清、南平建瓯等地公路绿化工程上试验示范（图10），与使用3WZ-300T 常规担架式喷雾机进行参数对比（表2），并结合实际使用过程可知：使用单喷头的常规担架式喷雾机必须重复喷2 遍靶标，需要2～3 个人操作（含驾驶员），每小时汽油的油耗为1.0 L，每小时喷药面积1500 m2。而使用自动扫瞄喷药机只要1～2 个人即可胜任操作（含驾驶员），每小时汽油的油耗为2.8 L，喷1 遍靶标即可（使用8 个集成喷头同时喷药）， 还能同时对高处的树冠靶标和地面的灌木花草、边坡绿地进行三维立体扫瞄喷药，每小时喷药面积40000 m2。 综合测算，使用自动扫瞄喷药机可比常规担架式喷雾机省药45%、省工47%， 对公路绿化病虫害的防治效果提高了12%～30%，实现了施药标准化和简单化、多喷头组团协作的“机艺结合、人药分离”的扫瞄喷药，能有效防除蚧壳虫类引起的煤烟病等顽固性病虫害， 解决当前公路绿化喷药保护的施药技术与喷药机具落后的问题， 在实际应用过程中为福建省公路养护与景观的提升提供了先进的施药技术及专用的喷药保护设备保障， 取得了良好的经济社会与生态效益。

图10 自动扫瞄喷药机扫瞄喷药作业示意图

表2 担架式喷雾机与自动扫瞄喷药机的使用对比

4 结语

针对当前公路绿化喷药保护中存在的费工、费药、费水且防治效果差并严重污染环境、难以防治顽固性病虫害等问题，自动扫瞄喷药机采用了农药减量增效的扫瞄喷药法与机电一体化协同创新。 其根据公路绿化植物和病虫害的生物学特性，对靶喷洒的角度是从树冠下方往上定向喷洒海量的雾滴，把扇形的扫瞄喷药的雾滴幕流定向扩散到树冠树叶形成的球缺状或圆锥状的半封闭内膛空间，降低了农药对环境的污染和浪费；本机具标配的5 种喷头可实现11 种使用组合的喷洒模式作业， 推行轻简操控就可对行道树扫瞄喷药的全新施药理念与方案，雾滴沉降均匀周密，防治效果好，杜绝了重喷和漏喷问题，恰到好处地对症下药，解决了当前公路绿化喷药保护的施药技术与喷药机具落后的问题，推动了先进交通装备应用并支撑引领现代农业生产的轻简高效、少人化和智能化，为福建省公路养护与景观的提升提供了先进的施药技术及专用的喷药保护设备保障，可以进一步应用推广。