静电喷雾技术在自走式喷雾机上的应用

黄文军， 梁红军

(1.中国福马机械集团有限公司，北京 100029；2.林海股份有限公司，江苏 泰州 225300)

1 中国喷洒农药使用现状

中国农业取得了举世瞩目的成就，我们用占全世界1/9的耕地，养活了全世界1/5的人口。但是我们消耗了全世界1/2的农药，以及全世界1/3的化肥。大部分农药喷雾主要以动力机喷雾为主，药液或药粉都是依靠喷射动能和空气运载以及重力等作用喷到靶标植物上，并附着在其表面。这种喷洒方式仅有少部分农药能够附着在植物冠表面上，绝大部分药液或药粉都散落或流淌到地面上。这种喷施方法的农药有效利用率只有20%～30%，其余农药不仅未发挥杀病虫作用，反而变成了环境污染源。由此带来的农药浪费、环境污染、经济效益欠佳、农药在动植物食品中残留等问题比较突出。

2 静电喷雾技术

静电喷雾技术是在控制雾滴技术及超低容量喷雾理论和实践的基础上发展起来的新型施药技术。与常规喷雾技术相比，静电喷雾能够实现定向喷洒，减少农药飘移，降低环境污染，提高农药利用率，节约施药成本。据统计使用高质量静电喷雾技术农药的有效利用率达到50%～60%。因此需要加强静电喷雾荷电方式及雾化理论的研究，分析雾滴荷电及沉积的影响因素，研制先进静电喷雾设备，以提高农药利用率，减少环境污染。

静电喷雾技术原理是在喷头上施加高压静电，在喷头与靶标之间建立静电场，药液经喷头雾化后带上电荷，形成群体荷电雾滴，然后在静电场和其他外力的共同作用下定向运动而被吸附到靶标的各个部位。在此过程中，在雾滴运行过程中电场力起主导作用，带电雾滴能够定向吸附于植株叶片正反面，减少农药飘移。

目前雾滴荷电方式分为3种，即接触充电、电晕充电和感应充电。一般情况下，接触充电可使雾滴充电最充分，效果最好，但是要求高的充电电压，绝缘要求也极严格。感应充电的效果次之，要求的充电电压也较低，但可能造成电极濡湿而失效。电晕充电的效果比较差，电能消耗也大，但结构简单绝缘要求较低，成本低。在实际作业中3种充电方法均有不同应用。从农业生产安全角度考虑，感应充电方式最安全，充电电压较小，只有几千伏，绝缘容易实现；其次是电晕充电方式，其高压绝缘性好，但所需电极电压较高(需要电压20千伏左右)，这两种方式在喷洒器中均有使用案例。而接触充电由于电压要求高，绝缘要求很难达标，目前在喷洒农药领域已经被其他两种方式取代。

3 静电喷洒技术与传统喷洒技术分析对比

传统喷洒雾化方式与静电喷洒雾化方式对比：传统雾化方式通过液力泵给液滴加压，经喷嘴破碎雾化，有如下缺点：

(1)压力需求大，导致流量大，单个喷头每分钟出水量通常在1～3 L，甚至更高；

(2)很难解决喷距和粒径之间的矛盾，粒径通常大于200 μm；

(3)当雾滴触碰到农作物表面附着时，会发生反射、喷溅。

提高农药利用率就是要提高液滴的附着比例，尽量减少液滴的喷溅和反弹，而减少液滴喷溅和反弹，目前最好方式就是利用高压静电的定向吸附作用和高压静电场对液滴的二次破碎粉碎作用，静电喷雾粒径一般都在60 μm左右，将带电荷液滴最大程度的吸附在靶标表面。农药雾滴作用示意图如图1所示。

图1 农药雾滴作用示意图

根据江苏大学静电喷雾实验室数据胶片分析，非荷电时，胶片正面雾滴虽密，但是雾滴粒径较大，不够均匀；反面几乎没有雾滴沉积；荷电时，胶片正面雾滴细小且分布密而均匀；反面沉积的雾滴也明显变多。荷电雾滴撞击界面后，只会产生粘附或少量反弹，而不会产生喷溅现象，大大提高了农药利用率。静电喷雾实验室数据胶片分析如图2所示。

图2 江苏大学静电喷雾实验室数据胶片分析

4 静电喷雾技术在林海自走式喷杆喷雾机上应用

林海集团公司设计制造的3WZ-350A自走式喷杆喷雾机，是一种将喷头装在横向喷杆或竖立喷杆上，自身可以提供驱动动力、行走动力，不需要其他动力提供就能完成自身工作的一种植保机械。该类喷雾机的作业效率高，喷洒质量好，喷液量分布均匀，适合大面积喷洒各种农药、肥料和植物生产调节剂等液态制剂，可用于农作物、草坪、城市消毒等。为提高喷洒效率，降低喷洒液滴使用量，林海集团对喷雾机喷头部分引进了高压静电喷雾技术，并在实践中进行了大量改进。提高了喷雾机静电喷雾的可靠性和效率并获得3项专利授权。林海集团自走式喷杆喷雾机如图3所示。

图3 林海集团自走式喷杆喷雾机

4.1 改进前喷雾机喷头

喷雾机最初采用的静电喷头为感应式喷头，结构分解如图4所示。

图4 喷头结构分解

自走式喷杆喷雾机的喷杆上共有24只喷头。药液输送水管采用不锈钢水管，不锈钢水管接高压静电发生器正极线。高压静电负极接喷嘴附近的铜片。高压水泵将药液经喷嘴雾化成雾滴经过接负极的铜片感应出负电荷雾滴，荷电后的雾滴与农作物有着良好的粘连性，在实践中发现有两个问题：(1)静电喷头连续工作两个小时以后电极铜片表面的工作电压由原来的2 kV左右降低到800 V以下，药液喷雾的荷电量明显减少，静电吸附作用几乎消失，当喷头停止工作24 h以后恢复正常电压，但仍旧工作一段时间后电压下降；(2)有时触摸喷头铜片附近表面有明显的电击麻手现象。

4.2 问题分析及改进方案

电压表连续测量负极铜片电压。铜片表面电压是在喷头工作一小时左右以后缓慢下降，而喷头铜片安装座表面出现200 V左右的静电电压。分析原因为由于喷头长时间工作电极安装座与铜片被濡湿，造成喷头内的水与铜片电极之间电阻下降。静电电能直接传到喷嘴内的水上被钢管传导出去了，能量的损耗造成静电喷雾本身静电效果变差。为减少静电能量消耗，最大程度将静电荷电到喷雾上去，我们对喷头结构做了改进，改进后的喷头结构如图5所示。

图5 改进后的喷头结构

金属水管接高压静电发生装置正极，电位通过传导与水管内液体等电位；水管内的水由喷体喷嘴形成雾滴然后通过负极铜片附近；负极铜片连接到静电发生装置的负极，与通过的雾滴形成很高的电位差，通过静电感应使雾滴带上静电；负极铜片安装座与喷头分体连接到水管上，喷体与负极铜片安装座脱离直接接触，而且安装座材料选用的是绝缘性很好聚甲醛材料，静电喷头上的水膜不能连接到喷体上去，静电能量得到很好的利用。

经12 h连续静电喷洒试验，铜片与不锈钢水管之间的电压基本保持不变，喷雾中带电雾滴荷质比没有下降，农药雾滴与农作物叶面吸附效果明显增强。

静电电荷损失率减小后静电发生装置消耗的功率下降，高压静电发生装置长时间工作表面温度发烫现象没有了，高压静电发生器平均寿命由原来900 h增大到2 000 h。该结构获得国家发明专利授权。

现有自走式静电喷洒车喷雾喷杆上有24个喷头，每个喷头上都有高压静电发生装置上传导过来的高压直流静电，高压静电电压2 kV。原先自走式静电喷洒车只有一个高压静电发生装置，当某一个静电头发生静电泄漏时，由于该泄漏点的电阻值小，大部分高压静电的电流都会从泄漏点传导出去，可能会对人体造成伤害。根据高压电对人体产生伤害的电流阀值为10 mA，我们为了既不影响荷电效果又要限制每个泄漏点的泄漏电流采取了改进方案，改进方案如图6所示。

图6 改进方案

高压水泵将农药药液输送到连接了多只喷头的水管内；在水压的作用下喷头将农药雾化后喷到静电环附近感应静电；一般静电农药喷洒车有一只静电发生器，通过并联的方式将高压静电输送到各个静电头。感应静电到喷雾上，而本结构是将静电头分为n组，用n个功率为原来n分之一能量的小功率静电发生器分别向静电头提供高压电；每个高压静电发生器的工作电流为原来的n分之一。设备安全性和可靠性得到提高。

高压电对人体有产生伤害的电流阀值为10 mA，使用多个独立小功率静电发生装置在保证静电效果的情况下，可以将每个高压电流限制在10 mA以下，安全性得到提高。当高压静电发生泄漏时，由于每个静电发生装置都是独立提供电能，泄漏的静电能量大为减少。其他静电头仍能正常工作，对喷洒农药效果影响较小。该技术获国家实用新型专利授权。

5 小结

应用静电喷雾技术的自走式喷杆喷雾机上喷洒装置具有以下优点：(1)雾滴粒径细微均匀，靶标正反附着率高，沉积量大；雾滴带电荷，激发药剂活性，农药利用率大幅提高至50%～60%；(2)节水减药50%以上，减水减药不减效；降低设施农业大棚内湿度，农作物发病几率低；(3)不需要特殊药剂，常规药剂、常规稀释倍率施药，操作简单。

应用静电喷雾技术确实能大幅度提高农药的利用率，减少环境污染。但我国静电喷雾技术还很不成熟，荷电装置的可靠性和实际效果与实际需要还有很大差距。我们要加强静电喷雾荷电方式及雾化理论的研究，分析雾滴荷电及沉积的影响因素，研制出先进实用的静电喷雾技术来造福人类。