风送式静电喷雾机的研究现状分析与展望

王佳丽，马佳乐，张永成，张 宏※

（1.塔里木大学机械电气化工程学院，新疆阿拉尔 843300；2.新疆维吾尔自治区普通高等学校现代农业工程重点实验室）

0 引言

长期以来，使用手动施药机械施药仍是我国主要的施药手段，这类传统类型的施药方式农药使用效率非常低，仅有15%～20%的农药作用在果树上，80%～85%的农药流失到环境中，导致严重的环境污染、资源浪费以及农产品农药残留[1]。此外，传统的果园施药方式劳动强度大，防治不及时会发生病虫害复发现象，果农不得不增加施药剂量及施药次数。这不仅会导致使病虫害防治恶性循环，还会导致病虫害的抗药性增强等问题[2]。

风送式果园喷雾机代替传统手持喷枪在果园中施药，药液的利用率提高到30%～40%[3]。风送喷雾产生的雾滴粒径较小且穿透性强，在风力的辅助作用下枝叶搅动大，雾滴顺利进入果树冠层，操作者的劳动强度大幅降低。然而受环境等因素的影响，风送式喷雾机在果园作业过程中连续喷雾形成的很多细小雾滴非常容易飘移扩散，为了减少雾滴的飘移，将静电喷雾技术和风送喷雾技术相结合。静电喷雾产生的荷电雾滴在气流曳力和电场力共同影响下，可增加药液沉积量和沉积均匀性[4]。

1 风送式静电喷雾的原理与特点

1.1 原理

农药静电喷雾技术的基本原理：喷嘴具有正或负的高压静电，使其喷出带有与其极性相同电荷的雾滴。由于离地面不远的喷嘴带有高压电，地面上的目标表面将带有与喷嘴极性相反的电荷，农药液体流经喷头雾化后，通过不同的充电方式被充上电荷，形成群体荷电雾滴，然后在静电场力作用下，雾滴按静电场轨迹作定向运动而吸附在目标的各部位，达到沉积效率高、雾滴飘移散失少、改善生态环境等良好性能，是现代植保施药的一项新技术。目前静电喷雾主要采用三种充电方式（图1）。

图1 静电喷雾的充电方式

电晕式充电法：电晕充电法是高压电源尖端电极放电，电离周围的空气，使雾滴带上电荷。虽然高压绝缘性好，能直接在普通喷头上应用，操作简单，但其电极电压很高，危险性较大。

感应式充电法：感应式充电法是在药液管路与喷嘴之间放置一环状电极，电源直接与电极相连产生电场，使喷出的雾滴被附上电荷。电极电压很低，药液箱体不用绝缘，这种方法使用相对较多。

接触式充电法：接触式充电法是药液管路与高压电源正极直接连接，雾滴被充电。接触式充电的雾滴充电效果较好，但是绝缘性能差，应用较少。

1.2 特点

（1）在静电力和气流曳力共同作用下，增加了雾滴在叶背的沉积量，提高了农药的利用率。

（2）风送喷雾遵循置换原则，对果树冠层的搅动大，增强了荷电雾滴的穿透性。

（3）静电喷雾所用的药量更少，产生的雾滴直径小，一定程度上减少了用水量。

（4）静电喷雾明显降低了风送喷雾造成的雾滴飘移；雾滴分布均匀。

（5）荷电后的雾滴表面张力减小，雾化阻力变小，雾化程度提高，植株对雾滴的吸附性提高[5]。

2 国外研究现状

2.1 风送静电喷雾技术影响因素的研究

Dipak 等研究发现电极电压和喷雾距离对荷质比有很大影响，在喷雾距离为5mm处电极电压为5 kV时测得最大的荷质比[6]。Patel等根据研究分析得出电极所用材料、形状和几何规格等变量对于荷质比有很重要的影响。研究发现最佳电极位置在距离喷嘴尖端2.0～3.0 mm之间时可以获得最高的荷质比[7]。Patel 等设计研制了一种气助的静电喷管并从电极位置和液体电导率两方面对自行设计研制的静电喷管的性能进行试验分析，结果表明电极位置的微小调整对喷雾系统的效率的影响十分显著[8]。Pascuzzi 等使用150RB14 型三点悬挂式气动静电喷雾机（图2）进行试验，发现在不同的行进速度下雾滴在冠层内的沉积没有很大的变化。但是喷雾距离对喷雾沉积影响很大，冠层下部的沉积量增加了50%，而上层只增加了12.5%[9]。Guo 等研究了雾滴属性、界面力和静电力之间的关系，研究结果表明不同的靶标截面会有不同的吸附效果，靶标截面纹理方向对电粘附力的实现起着重要作用[10]。

图2 150RB 型气动静电喷雾机

影响风送静电喷雾技术的因素很多。荷电雾滴沉积机理及其影响因素分析是研究热点，但目前主要以荷质比为指标研究荷电参数对沉积的影响。基于环境参数、靶标参数和工作参数的荷电雾滴沉积及影响机理研究相对较少，很多影响因素仍需进一步研究确认。

2.2 风送喷雾技术与静电喷雾技术结合对雾滴沉积效果的影响研究

Sharp 将静电喷雾技术和风送喷雾技术结合应用，试验发现在气流的影响下喷雾产生的细小荷电雾滴在向上运动的过程中出现相互排斥的现象，这反而使雾滴的飘移增加，因此风送静电喷雾技术没有被广泛推广应用。Western 等在较为理想的试验条件下进行雾滴飘移测试试验并使用特定电荷液滴的配方，该研究表明在合适有效的气流控制下可以大大降低荷电液滴的高漂移势。Patel 等发现气流对荷电喷雾有显著影响，由外部空气辅助系统产生的气流场会影响喷雾的覆盖范围[11]。Gan-Mor 等将传统液压喷嘴改进成静电喷嘴，安装在喷雾机上（图3），并在葡萄园做田间测试时发现，带电液滴在葡萄叶片下表面的沉积量是不带电液滴的2倍，在葡萄串珠背面的沉积量是不带电液滴的5 倍[12]。Cerqueira 等在试验中发现与常规的喷雾技术相比，空气辅助静电喷雾系统在叶片背面的沉积量更多，且对作物冠层的穿透性更强[13]。Patel 等研制了一种手持式空气辅助静电中草药喷雾器并进行试验测试，结果表明在空气辅助的作用下，喷雾的整体沉积效果很好，对目标能产生很好的环抱效果[14]。

图3 葡萄园喷雾机

合理地控制气流可以减少荷电雾滴的高飘趋势，在不同的气流速度和轨迹下，喷雾覆盖的范围会受到相应影响。减少雾滴飘移使农药的施药量下降，减轻了对环境的污染。在气流和静电力的共同作用下，叶面背部的药液沉积量明显提高，对叶面背部的病虫害起到防治作用。在气流的作用下改善了静电喷雾的雾滴穿透性不强的缺点，在农作物冠层顶部、中部和底部可以具有更好的沉积效果，农药的利用率得到提高。

3 国内研究现状

中国对静电喷雾技术的分析研究开始于20 世纪70年代。江苏大学、南京林业大学和中国农业大学最早开展了对静电喷雾技术的分析研究。目前国内的研究主要集中在风送静电喷雾技术的参数优化和喷雾效果等方向。

3.1 风送式静电喷雾机的参数优化研究

周良富等利用正交试验和响应面分析法，分析研究感应电压、喷雾距离、气流速率与喷雾压力对雾滴覆盖率的影响。该研究分析为风送静电喷雾机的综合设计和工作参数选用提供了参考依据[15]。杨洲等研究分析了不相同侧风与静电工作电压对静电喷雾雾滴飘移的影响作用基本规律[16]。该研究为减少雾滴飘移性和喷雾技术参数优化提供了参考。周良富等为测试3WQ－400 型双气辅助静电果园喷雾机（图4）的喷雾效果进行试验，结果表明喷雾机行进速度是影响雾滴沉积的重要因素，Ⅱ档和Ⅳ档的行进速度下静电喷雾的叶片背面雾滴覆盖率提高，叶片正面无明显变化甚至低于非静电喷雾[17]。尹润蓉等以风送辅助静电喷雾为基础，设计了一种适用于果园的新型实时混药静电喷雾机。该机混药均匀性和稳定性均高于传统喷雾机，无冠层内和冠层内雾滴在靶标正反面附着率均高于传统喷雾机[18]。王士林等试验发现在相同静电电压和静电电极的情况下喷雾油剂沉积量比水的沉积量更均匀，但油剂的荷质比却比水的荷质比小[19]。

图4 葡萄园喷雾机

对于喷雾机参数优化的研究主要集中在研究作业参数和荷电参数对喷雾沉积的影响以及气流对荷电雾滴沉积的影响。基于环境参数、靶标参数和工作参数的荷电雾滴沉积及影响机理研究相对较少。

3.2 风送式静电喷雾机喷雾效果的研究

王志强研制了可与部分拖拉机配套的、适于葡萄园作业的气力雾化风送式果园静电弥雾机并在果园进行试验，试验结果表明气力雾化与静电喷雾技术结合提高了雾滴在靶标上的沉积量，增强了雾滴的穿透性，减少了农药的飘移[20]。邱威等设计了一种适用于温室的风幕式静电施药设备（图5），试验结果表明，当出风口风速达25 m/s 时，喷雾的沉积率达到最佳状态。与传统施药方法相比，风幕式静电施药设备的雾滴穿透性更强，每张叶片上的喷雾均匀性更好[21]。周良富等结合气助喷雾技术和静电设计了一种可应用于风送静电喷雾的双气流道辅助静电喷头，测试结果发现喷雾距离在1 m 内时静电喷雾比非静电喷雾在叶片背面的覆盖率提高15%（图6）[22]。贾卫东等构建了风幕式气力辅助静电喷杆喷雾的测试试验应用平台，并且展开雾滴飘移的测试试验，测试试验结果表明风幕有效地减少了液滴向外的水平方向运动，沉积更加均匀，风幕作用下雾滴沉积分布更加靠近喷雾中心区域。这种影响规律在荷电喷雾流场中更加明显[23]。

图5 温室风幕式喷雾机结构简图

图6 双气流道辅助静电喷头雾滴沉积测试

该类喷雾机的设计可达到更好的喷雾效果，减少环境的污染和水资源的使用，提高了农药的利用率。

3.3 风送喷雾技术与静电喷雾技术相结合在其他方面的应用

姜甜等利用静电喷雾技术干燥新型微囊化益生菌，研究表明进风温度为80 ℃，静电电压为25 kV 时，菌类的存活率可达到89.26%，与常规干燥和乳化冷冻干燥相比，静电干燥的效果更好[24]。张姚文设计了一种静电喷雾旋风除尘系统，研究发现电场强度对于装置的降尘率有显著影响，入风口的风速对降尘率也有显著影响，风速提高降尘率会增加，当风速达到12 m/s 时降尘率最高，风速过高反而会降低降尘率[25]。

静电喷雾干燥是一种新型微囊化技术，包埋效果显著，在新型微囊化技术方面将会有广阔的发展前景。静电喷雾除尘技术应用于旋风器可以提高对细颗粒物的脱除效率，如何提高其对细颗粒物的脱除效率对工业生产中控制细颗粒物排放有着重要意义，将静电喷雾除尘技术应用于旋风器有着广阔的前景。

4 存在的问题与展望

4.1 存在问题

（1）雾滴荷电持续的时间短，因此需要合理匹配输运气流速度和喷雾距离。荷电持续的时间与环境参数和雾滴属性有关，这些条件在实际工作环境中难以控制。

（2）环境参数、作业参数、靶标参数等对荷电雾滴沉积效率的影响机理尚不清晰明确，各参数对雾滴沉积的高敏感性及农药应用环境和应用对象的复杂性是静电喷雾技术应用的巨大挑战。

（3）使用接触式充电法时，静电电压会达到24 kV，绝缘层易被高压击穿造成漏电，危及人身安全。此外，药液很容易粘附在喷头处和机具上，引起短路或高压击穿从而丧失静电效果。

4.2 展望与建议

（1）对荷电参数、喷雾气流进行研究，加大充电电压，增加雾滴的荷电量，确保带电雾滴到达靶标时具有有效荷电量。

（2）加深荷电雾滴沉积机理研究。研究雾滴属性、环境参数、靶标参数、作业参数对于荷电雾滴沉积特性的影响，找出影响荷电雾滴沉积的最主要参数。

（3）风送式静电喷雾作业过程中，影响喷雾效果的因素很多，如雾滴的荷电量、雾滴的雾化程度、环境因素、标靶等，因此还需对上述影响因子展开逐渐深入的分析研究。静电喷雾技术在应用时仍有一些需要注意的地方，例如高压静电发生器产生的工作电压比较高，在设计机具时就要注意绝缘材料的问题，操作人员也应具备相应的实际操作知识技能。