无人植保机雾化颗粒大小对喷洒效果的影响

刘小康

（山西省农业机械发展中心，山西 太原 030002）

近年来，无人植保机成为植保行业的宠儿，被广泛应用。无人植保机的飞行作业性能，以及喷洒系统对液体药物的雾化效果，成为其精准、高效作业的保障。经过作业实践和研究，无人机植保作业喷洒效果的好坏与雾化颗粒直径的大小密切相关。当药液雾化颗粒直径大小、分布与标的作物叶面物理特性相适应，才能确保农药雾滴小颗粒能黏附在作物叶片表面，不在叶面滑动或滚动，汇集成更大的液滴，在外力因素的作用下从叶片表面滑落。因此，适当的雾滴直径能让药滴更好、更持久地停留于作物叶面上，达到最优植保效果。

1 发展现状

1.1 传统施药技术弊端

山西省传统施药方式主要采用人力背负药箱，人工手执喷雾杆作业，主要应用于玉米、小麦、蔬菜、果树等作物作业。在大部分作业区域，农民习惯采用低浓度农药配比，大水漫灌式喷洒作业，对作物枝干、叶面都进行了大面积喷洒。这种作业方式弊端明显，一是传统喷洒作业方法，由于喷雾喷头出水量大，作业过程中大部分药液没有接触标的作物而进入地面土壤，导致土壤被农药污染；二是传统制式喷头雾化能力和效果有限，出水量较大，雾化颗粒较大，在雾化药液到达作物叶面后，直径大一点的药滴会直接从作物茎叶表面滑落，进入土壤，部分中等大小雾滴会在叶面上滑动，和其他雾滴相汇，形成较大的雾滴颗粒，在外力作用下，同样从作物茎叶表面滑落，无法在叶面表面形成一定时间的有效附着和停留，导致药效达不到预期，造成植保效果低下。

1.2 无人机植保技术急需解决的问题

农用无人植保机的出现以及喷雾器技术的改良，为农业植保行业注入一针强心剂。随着无人机植保技术的发展，无人植保机在操控性、载药量、续航里程、自主作业等方面有了巨大的提升。但是，喷施作业环节在人为控制下作业较为随意，导致了效果、效益不理想，农药资源浪费和环境污染。

无人机植保技术的发展虽然在农业植保环节取得了一定的成效，但是还未到理想状态，如何更好地实现精准化、精细化作业，确保农药有效到达且作用于标的作物，达到省工节药、高质高效、绿色安全的标准，是目前急需解决的植保行业的共性问题。

技术人员需要在作业实践中深入研究各种作物的叶面特性，采集作物叶面光滑度相关数据，分析作物叶面特性和雾滴直径、雾滴沉降、雾滴分布之间的关系，得出最优流量和雾化直径数据。在作业过程中，操控手通过控制无人植保机喷洒流量和雾滴粒径大小，实现药液在作物表面达到最佳沉降效果，具体为：雾滴在作物叶面表面均匀分布，达到50 个/cm2以上，叶片在外力作用下摆动时，雾滴不会产生滑动或者小雾滴汇聚成大雾滴而从叶片表面滑落的情况。能确保药滴在叶面表面停留更长时间，实现最佳防治效果，提高农药利用率，并减少环境污染。

2 影响植保无人机喷洒效果的因素分析

2.1 标的作物叶面特性与喷洒效果的关系

在植保机作业过程中，标的作物的叶面特性与喷洒效果关系密切，见图2。药液的雾化颗粒在标的作物表面的沉降效果和黏附效果与作物叶面的摩擦系数密切相关，摩擦系数的大小取决于作物叶面相对粗糙程度。也就是说，如果标的作物叶片表面光滑，摩擦系数较小，喷洒雾滴在叶面的附着力会降低，导致雾滴在叶面的存留黏附能力较弱，反之亦然。因此，标的作物叶面的摩擦系数成为影响喷洒效果的重要因素。

经分析，药液雾滴在标的作物叶片表面沉降、黏附过程中，与叶面相互作用，在此过程中受到叶面摩擦力作用，当雾滴受到叶片表面的摩擦力大于等于雾滴下滑力时雾滴会停留在叶片表面，形成良好的作业效果。作物叶面的雾滴摩擦力计算公式为：

式中：f——作物叶面雾滴受到的静摩擦力；μ——作物叶面静摩擦系数；F——雾滴受到的外力。

药液雾化后形成的雾滴颗粒在作物叶面受到摩擦力变化情况，雾滴颗粒受到的外力F越大，摩擦力f越大，当雾滴颗粒将要滑动时摩擦力f达到最大值，见图1。

图1 雾滴颗粒摩擦力变化图Fig.1 The change of droplet particle friction

2.2 雾滴粒径大小与喷洒效果的关系

喷雾效果与雾滴粒径大小密切相关。雾滴粒径是农药喷雾技术中相对容易控制的重要参数，也是直接影响植保无人机的喷雾质量及作业效果的关键因素之一。根据标的作物的叶面特性合理地控制雾滴粒径大小，使用最少的药量取得最好的防治效果，是减少环境污染的关键所在。

药液在喷施过程中，粒径较大的雾滴易沉降，不易随风飘移或蒸发散失，但分布不均匀、附着能力差，容易落在叶面上时受力弹跳、滚落而造成药液流失，大大降低了农药的防治效果，也污染了水土环境。

与粒径较大的药滴相比，粒径较小的药滴在无人机桨叶下旋气流的作用下绝大部分会垂直沉降，能在作物叶面均匀沉降，且黏附能力较强。一方面细小雾滴在作物叶片表面的覆盖密度和覆盖均匀度均优于大雾滴；另一方面细小雾滴与叶面有更好的匹配能力，在叶面摩擦力的作用下，能更好地附着在叶片表面，不易流失，形成更好的药效。

图2 雾滴直径大小与农药防治效果关系图Fig.2 The relationship between droplet diameter and pesticide control effect

2.3 药液喷量与喷洒效果的关系

在无人机植保作业过程中，药液喷量、流速也是影响作业效果的重要因素。雾滴粒径、雾滴覆盖密度与喷液量有着密切的关系。当药液喷量、流速增加时，随着雾滴粒径的缩小，雾滴数量将按照呈几何级倍数增加，雾滴数量的增加，会导致单位面积范围内的雾滴颗粒数量增加，药滴在沉降过程中击中标的作物茎叶的概率也会显著增加，覆盖会更加均匀，药效更好。

3 雾滴粒径大小的控制问题

在药液雾化过程中，喷头是关键和核心部件，目前市面上主要有2 种无人机作业喷头，根据作业原理分为压力喷头和离心喷头。根据表1 可知，2 种喷头相比较而言离心喷头药液雾化更均匀，雾化效果更好，雾滴直径相差较小，通过调整离心电机的转速可以较为精确地控制药液雾滴直径的大小，能根据作物特性、药液特性及作业时气象条件作出调整，更加适合于精准施药作业。

表1 雾化喷头性能比较Tab.1 The performance comparison of atomizing nozzles

4 结论

4.1 雾滴最优粒径能达到最佳防治效果

要达到最优植保效果，最好的解决方案就是结合作物的叶片分布、叶面以及药液、有害生物特性，通过试验找到最适合该种作物的药液雾化粒径。由于不同粒径的雾滴沉降浓度和范围不同，需要在各种直径的雾滴中找到一个合适的平衡点，确保标的作物叶面获得饱和数量的药滴的同时，确保该直径大小的雾滴在标的作物叶片表面能较为稳定停留，才能达到最好的植保效果。

4.2 结合作物、农药、病虫害特性，精准控制喷洒流量和药滴粒径，才能达到最优效益

雾滴的最优粒径还受到多方面因素的影响，对于不同病害，不同农药、不同作物、不同药液浓度、害虫的不同时期，农药的最优喷雾粒径都会有所不同。实现对喷洒流量和雾滴粒径的双精准控制，针对不同病害和作物，实施“对症下药”，才能达到植保效益的最大化。因此，现实作业需求也对无人植保机精准控制雾滴粒径大小、变量调节提出了新的技术要求。

5 精细化施药技术展望

近年来，随着绿色植保、精准农业、食品安全等观念深入人心，其发展需求也会越来越大。需要技术人员深入研究精细化施药技术相关的航空施药基础理论、低空喷洒沉降规律、航空变量施药技术等，形成技术理论体系指导植保作业实践，在实践中改良精细化施药技术体系，才能从根本上解决相关问题，达到绿色安全、精准高效的要求。

5.1 加强无人植保机雾化系统的研发

无人植保机要实现微量、精准、高效喷施，必须深入研究作物叶面特性与无人机雾化颗粒直径、雾化颗沉降移规律、雾化控制等多方面的研究和试验，对其雾化功能部件进行优化与升级。目前市面上的喷嘴多存在雾滴径谱宽、飘移量大、雾化效果控制不理想等缺陷，以后的技术研发和改良，需从喷洒系统核心部件的研发设计上加大研究力度。重点开展药液的雾化粒径控制与监测、雾滴飘移监测、雾滴沉降分布与评估、雾滴图像处理系统等传感器的开发与使用。与此同时，应针对无人植保机机旋翼风场测试、雾滴飘移预测模型等开展系统的测试试验，开发航空施药雾滴分布指标的检测装置及系统，获得雾滴分布指标，降低雾滴分布指标的测量误差，用于提高雾滴沉积分布监测的效率。结合药液雾化部和无人植保机旋翼风场特性，形成药液沉降分布、精准喷施理论和技术体系，更好地实现绿色安全、微量高效的要求。

5.2 制定作物的无人机植保雾化技术标准体系

每种作物的茎叶特性都不尽相同，在无人机植保作业过程中的相关技术要求也都不同。要加强作物叶片分布规律、叶面特性与无人机雾化粒径、雾化颗沉降移规律等方面的研究，重点对种植面积大、产量高的主要农作物开展相关的技术体系研究，制定针对性强的无人机植保作业技术要求和标准。详细规定无人机作业过程中对喷量流速、雾化雾滴粒径、雾滴沉降效果要求等作详尽的技术要求，从而更好地指导无人植保机开展作业，实现植保环节的绿色安全、精准高效的总体要求。