植保静电喷雾技术发展现状与前景.pdf

植 保 静 电 喷 雾 技 术 发 展 现 状 与 前 景 刘 兴 华 1,2 , 刘 雪 美 1,2 , 苑 进 1,2 , 赵 新 学 1,2 (1. 山 东 农 业 大 学 机 械 与 电 子 工 程 学 院, 山 东 泰 安 271018; 2. 山 东 省 园 艺 机 械 与 装 备 重 点 实 验 室, 山 东 泰 安 271018) 摘 要: 静 电 喷 雾 技 术 作 为 现 代 农 业 的 先 进 植 保 技 术, 相 比 于 普 通 喷 雾 施 药 技 术 在 雾 滴 沉 积 率、 分 布 均 匀 性 和 药 液 利 用 率 等 方 面 体 现 出 较 好 的 改 善 效 果, 是 未 来 农 业 可 持 续 发 展 过 程 中 实 现 节 能 减 药、 降 本 增 效 的 重 要 技 术 手 段。 为 此, 对 植 保 静 电 喷 雾 技 术 的 发 展 进 程 进 行 了 详 细 梳 理, 对 比 介 绍 和 分 析 了 静 电 喷 雾3 种 荷 电 方 式 的 基 本 电 工 学 原 理 及 其 技 术 优 缺 点; 追 溯 和 介 绍 了 国 内 外 学 者 在 药 液 荷 电 雾 化、 荷 电 雾 滴 输 运、 荷 电 雾 滴 与 靶 标 的 交 互 沉 积3 个 方 面 的 研 究 进 展, 并 简 要 介 绍 了 国 内 外 已 有 的 植 保 静 电 喷 雾 商 业 化 产 品 和 各 式 静 电 喷 雾 样 机; 同 时, 深 入 剖 析 了 植 保 静 电 喷 雾 技 术 研 究 和 应 用 中 存 在 的 问 题, 探 讨 了 后 续 研 究 中 亟 需 解 决 的 难 点 和 未 来 可 行 的 应 用 模 式, 以 期 为 植 保 静 电 喷 雾 技 术 的 后 续 研 究 和 应 用 提 供 借 鉴 与 参 考。 关 键 词: 植 物 保 护; 静 电 喷 雾; 雾 滴 荷 电; 航 空 植 保 中 图 分 类 号: S233.3 文 献 标 识 码: A 文 章 编 号:1003-188X(2019)02-0008-07 0 引 言 在 现 代 农 业 生 产 过 程 中, 化 学 农 药 防 治 仍 是 有 效 防 治 各 类 病 虫 害、 确 保 农 业 稳 产 增 产 的 必 要 手 段。 然 而, 由 于 国 内 植 保 施 药 技 术 及 机 具 的 相 对 落 后, 喷 施 农 药 的 有 效 利 用 率 只 有20%30%, 远 低 于 发 达 国 家 60%70% 1 。 农 药 使 用 量 大、 施 药 方 法 不 科 学、 利 用 率 低 的 问 题 日 益 严 重, 造 成 农 业 面 源 污 染, 影 响 农 产 品 质 量 安 全, 危 害 人 体 健 康, 威 胁 农 业 可 持 续 发 展 2-4 。 静 电 喷 雾 技 术 利 用 不 同 的 荷 电 方 式 实 现 雾 滴 的 有 效 荷 电, 荷 电 雾 滴 在 风 力、 静 电 场 力 及 重 力 等 因 素 的 共 同 作 用 下 向 靶 标 作 物 运 动。 根 据 静 电 感 应 原 理, 荷 电 雾 滴 与 靶 标 作 物 相 互 靠 近 过 程 中, 作 物 叶 片 表 面 会 感 应 出 与 荷 电 雾 滴 等 量 的 异 号 电 荷, 荷 电 雾 滴 在 电 场 力 作 用 下 不 但 可 以 实 现 在 靶 标 作 物 叶 片 正 面 的 沉 积, 也 会 在“ 环 绕 吸 附” 作 用 下 在 叶 片 背 面 及 植 株 中 下 层 的 沉 积。 据 国 内 外 试 验 数 据 统 计, 静 电 喷 雾 技 术 能 够 提 高 药 液 沉 积 密 度2 倍 以 上, 防 治 效 果 提 升1.52 倍, 施 药 用 量 节 约50% 以 上。 因 此, 静 电 喷 雾 技 术 作 为 一 种 高 效 的 植 保 喷 雾 技 术, 能 够 有 效 提 高 药 液 雾 化 收 稿 日 期: 2017-12-05 基 金 项 目: 国 家 自 然 科 学 基 金 项 目(51475278) 作 者 简 介: 刘 兴 华(1988-), 男, 山 东 青 岛 人, 硕 士,(E-mail)lxh9357 163.com。 通 讯 作 者: 刘 雪 美(1973-), 女, 山 东 泰 安 人, 教 授, 博 士 生 导 师, 博 士, (E-mail)lxmywj126.com。 水 平、 减 少 药 液 的 飘 逸 损 失、 增 加 药 液 在 靶 标 作 物 上 的 沉 积 均 匀 性, 是 解 决 我 国 植 保 施 药 诸 多 问 题 的 有 效 方 法, 是 实 现 国 家“ 十 三 五” 规 划 中 对 全 国 农 药 用 量 逐 年 降 低 目 标 的 重 要 手 段 4-6 。 由 于 具 备 上 述 诸 多 优 势, 静 电 喷 雾 技 术 的 开 发 和 应 用 工 作 多 年 来 一 直 受 到 国 内 外 学 者 的 广 泛 关 注。 1 雾 滴 荷 电 基 本 原 理 对 于 植 保 静 电 喷 雾 过 程, 药 液 的 有 效 荷 电 是 后 续 环 节 的 前 提 和 基 础。 其 荷 电 方 法 主 要 有3 种, 即 电 晕 荷 电、 接 触 荷 电 和 感 应 荷 电 7 。 1) 电 晕 荷 电 方 式 是 将 静 电 高 压 加 在 距 离 较 近 的 两 电 极 上, 其 中 针 状 电 极 处 会 发 生 电 晕 放 电 使 电 极 周 围 空 气 发 生 电 离, 从 而 在 尖 端 电 极 周 围 形 成 带 电 自 由 离 子 动 区 域。 从 喷 头 处 喷 出 的 雾 滴 在 经 过 上 述 带 电 自 由 离 子 活 动 区 域 时 会 与 带 电 自 由 离 子 相 结 合, 从 而 使 雾 滴 荷 电。 2) 接 触 荷 电 方 式 是 将 雾 化 喷 头 直 接 接 高 压 电 源 的 正 极 或 负 极, 电 源 另 一 极 接 地, 药 液 在 雾 化 形 成 雾 滴 时 从 喷 头 处 带 走 一 定 量 的 正 电 荷 或 负 电 荷, 从 而 完 成 荷 电 过 程。 3) 感 应 荷 电 方 式 是 将 高 压 电 接 在 雾 化 喷 头 和 外 部 环 形 电 极 间, 根 据 静 电 感 应 原 理 在 雾 化 喷 头 表 面 和 环 形 电 极 上 会 感 应 出 等 量 的 异 号 电 荷, 雾 滴 在 脱 离 雾 化 喷 头 时 会 带 走 喷 头 表 面 的 部 分 电 荷, 从 而 完 成 荷 电 过 程。 3 种 荷 电 方 式 中, 电 晕 荷 电 方 式 为 产 生 电 晕 放 电, 8 2019 年2 月 农 机 化 研 究 第2 期 尖 端 电 极 的 电 压 一 般 需20kV 及 以 上, 其 优 势 是 可 以 直 接 用 于 现 有 喷 头 上, 劣 势 是 电 晕 放 电 现 象 对 作 业 安 全 有 一 定 威 胁, 并 且 不 易 实 现 较 好 的 荷 电 效 果; 接 触 荷 电 方 式 的 工 作 电 压 一 般 在20kV 左 右, 并 且 要 求 药 液 箱、 药 业 管 路 及 雾 化 喷 头 对 地 绝 缘, 设 备 的 绝 缘 成 本 较 高; 感 应 荷 电 方 式 的 工 作 电 压 较 低,12kV 电 压 即 可 实 现 较 理 想 的 荷 电 效 果, 药 液 箱、 喷 头 等 设 备 无 需 对 地 绝 缘, 应 用 范 围 广, 是 目 前 业 内 学 者 的 研 究 重 点。 2 国 外 静 电 喷 雾 理 论 研 究 现 状 由 于 静 电 雾 化 技 术 在 静 电 喷 漆、 雾 化 燃 烧、 静 电 印 刷 和 植 保 喷 雾 等 多 方 面 应 用 中 所 体 现 出 的 优 势, 国 外 学 者 对 静 电 雾 化 过 程 进 行 了 广 泛 研 究。 20 世 纪60 年 代 以 来, 国 外 学 者 对 植 保 静 电 喷 雾 技 术 进 行 了 深 入 研 究, 研 究 范 围 主 要 包 括 荷 电 雾 化 过 程、 荷 电 雾 滴 空 间 移 动 规 律 和 荷 电 雾 滴 与 植 株 交 互 行 为 分 析 等 方 面。 1982 年, 美 国 学 者S.E.Law 等 人 根 据 前 人 研 究 基 础 首 次 提 出 了 一 种 气 力 式 感 应 静 电 雾 化 喷 头 结 构, 从 理 论 和 技 术 两 个 层 面 对 雾 化 机 理、 荷 电 极 限、 结 构 设 计、 电 路 设 计 和 空 气 动 力 学 设 计 等 内 容 进 行 了 论 述, 在 荷 电 性 能 试 验 中 荷 质 比 达 到4.8mC/kg, 荷 电 性 能 达 到 电 晕 荷 电 方 式 的2.4 倍 7 。 沉 积 试 验 表 明: 荷 电 雾 滴 具 有 更 容 易 在 靶 标 背 面 沉 积, 沉 积 均 匀 性 提 高 明 显; 但 静 电 喷 头 存 在 可 靠 性 差, 容 易 发 生 反 向 电 离 等 问 题。 Law 等 继 续 研 究 了 荷 电 雾 滴 云 的 空 间 电 位 分 布, 并 以 荷 电 雾 滴 云 电 荷 密 度 为 主 要 参 数 分 析 了 荷 电 雾 滴 云 对 荷 电 效 果 的 影 响, 在 考 虑 了 反 向 电 离、 雾 滴 云 空 间 电 位 及 大 田 恶 劣 作 业 环 境 等 因 素 的 基 础 上 于 1988 年 申 请 了 气 力 式 静 电 雾 化 喷 头 专 利, 在1.4kV 电 压 下 雾 滴 的 平 均 荷 质 比 达 到10mC/kg 8-9 , 基 本 满 足 了 静 电 喷 雾 的 荷 质 比 需 求。 Patel 等 通 过 对 比 试 验 研 究 了 感 应 电 极 材 质 对 荷 电 效 果 的 影 响, 发 现 镀 镍 铜 电 极 相 比 于 纯 铜、 黄 铜( 铜70%, 锌30%) 和 铝 等 材 料 有 更 好 的 荷 电 效 果, 其 荷 质 比 在3kV 电 压 下 达 到 了1.2 mC/kg 10 , 在 业 界 首 次 表 明 了 电 极 材 料 对 荷 电 效 果 存 在 影 响, 遗 憾 的 是 其 内 在 机 理 并 没 有 详 细 阐 述。 随 后, 结 合 印 度 农 业 生 产 特 点 和 农 艺 需 求,Patel 又 设 计 了 一 种 气 力 式 静 电 感 应 雾 化 喷 头, 经 合 理 选 取 结 构 和 作 业 参 数 后 荷 质 比 也 达 到10mC/kg 11-12 。 后 续 试 验 进 一 步 表 明: 辅 助 气 流 压 力、 喷 雾 距 离 等 参 数 对 荷 质 比 存 在 显 著 影 响, 为 静 电 喷 雾 施 药 参 数 选 取 提 供 重 要 参 考。 针 对 气 力 式 静 电 喷 头 工 作 过 程 中 易 出 现 的 反 向 电 离 问 题,Jae-DukMoon 等 韩 国 学 者 设 计 了 一 种 新 型 气 力 式 静 电 感 应 喷 头 结 构, 将 高 压 电 极 环 安 装 在 喷 体 框 架 外 侧, 框 架 筒 壁 可 以 有 效 避 免 荷 电 雾 滴 在 电 极 环 上 的 沉 积 及 其 引 发 的 反 向 电 离 难 题 13 ; 然 而, 筒 壁 亦 导 致 夹 层 极 化 现 象 产 生, 不 利 于 雾 滴 的 有 效 荷 电, 该 结 构 实 用 性 有 待 验 证。 荷 电 雾 滴 形 成 后, 在 向 靶 标 作 物 运 移 过 程 中 受 自 然 环 境 条 件 影 响, 会 出 现 电 荷 损 耗 现 象, 对 雾 滴 的 最 终 附 着 和 沉 积 影 响 较 大。 Law 等 分 析 了 雾 滴 蒸 发、 空 间 自 由 离 子 中 和、 雾 滴 瑞 利 极 限 和 雾 滴 云 对 接 地 尖 端 气 隙 放 电 等 因 素, 得 出 荷 电 雾 滴 云 形 成 的 空 间 电 场 作 用 下 荷 电 雾 滴 对 植 株 尖 端 等 物 体 的 放 电 现 象 是 导 致 雾 滴 电 荷 量 损 耗 高 达80% 的 主 要 原 因, 并 尝 试 了 抑 制 尖 端 放 电 的 不 同 措 施, 然 而 效 果 并 不 显 著 14-17 。 因 此, 上 述 由 于 尖 端 放 电 导 致 的 荷 电 雾 滴 电 荷 损 耗 问 题 还 需 要 植 保 科 研 人 员 继 续 进 行 研 究 和 探 索。 静 电 喷 雾 技 术 使 得 药 液 雾 化 效 果 较 好, 雾 滴 粒 径 较 小, 有 利 于 均 匀 沉 积, 然 而 其 雾 滴 漂 移 问 题 应 引 起 重 视。 Patel 针 对 这 一 问 题 设 计 了 一 种 可 安 装 在 静 电 感 应 喷 头 外 部 的 附 加 气 流 喷 射 装 置, 其 气 流 入 射 锥 角 在025 范 围 可 调, 从 而 加 快 荷 电 雾 滴 云 向 目 标 作 物 的 运 输, 并 可 控 制 雾 滴 的 覆 盖 范 围, 提 高 了 荷 电 雾 滴 云 的 防 漂 移 能 力 18 。 荷 电 雾 滴 云 经 过 输 运 后 到 达 靶 标 位 置, 其 与 靶 标 作 物 相 互 作 用, 从 而 实 现 各 部 位 的 均 匀 沉 积 是 静 电 喷 雾 的 最 终 目 标。 Law 总 结 多 年 的 静 电 喷 雾 研 究 工 作, 于2001 年 提 出 大 田 植 保 作 业 过 程 中 静 电 喷 雾 方 式 应 与 气 流 辅 助 方 式 相 结 合, 利 用 辅 助 气 流 将 荷 电 雾 滴 输 运 到 植 株 冠 层, 然 后 在 静 电 场 力 作 用 下 实 现 荷 电 雾 滴 在 冠 层 各 部 位 的 均 匀 沉 积。 大 量 的 静 电 喷 雾 试 验 表 明: 雾 滴 粒 径 在3050m、 剩 余 荷 质 比 大 于2mC/kg 时, 荷 电 雾 滴 能 够 实 现 较 好 的 沉 积 效 果 19-20 。 Maski 等 印 度 学 者 试 验 研 究 了 电 极 电 压、 药 液 物 化 特 性、 施 药 速 度、 施 药 作 物 高 度 及 方 位 对 作 物 叶 片 正 面、 背 面 的 沉 积 效 果 的 影 响, 结 果 表 明: 电 极 电 压、 药 液 流 量、 药 液 物 化 特 性 等 参 数 显 著 影 响 雾 滴 荷 质 比, 施 药 速 度、 作 物 高 度 及 方 位 亦 给 雾 滴 沉 积 带 来 明 显 影 响 21-22 。 上 述 研 究 结 果 为 静 电 喷 雾 作 业 时 不 同 作 业 环 境 下 工 况 参 数 的 合 理 选 取 提 供 重 要 依 据。 除 对 上 述 静 电 喷 雾3 个 阶 段 外, 国 外 学 者 亦 对 静 电 喷 雾 数 值 仿 真、 静 电 高 压 发 生 装 置 等 方 面 进 行 了 研 究。 西 班 牙 学 者Grifoll 等 将 荷 电 雾 滴 云 视 为 一 连 续 体, 提 出 采 用 平 均 静 电 场 的 思 想 进 行 荷 电 雾 滴 运 动 路 径 的 仿 真 分 析, 以 克 服 传 统 拉 格 朗 日 离 散 相 模 型 在 仿 真 荷 电 雾 滴 间 交 互 影 响 过 程 中 计 算 量 过 大、 计 算 用 时 过 长 的 弊 端 23 , 为 静 电 喷 雾 仿 真 研 究 提 供 了 新 的 解 9 2019 年2 月 农 机 化 研 究 第2 期 决 方 案, 可 以 为 静 电 喷 雾 理 论 的 研 究 节 约 大 量 仿 真 用 时 和 计 算 资 源。 Patel 等 设 计 了 一 种 适 用 于 感 应 静 电 喷 雾 的 高 压 电 发 生 装 置, 其 输 出 电 压 能 在 较 高 的 频 率 范 围 内 保 持 稳 定, 带 负 荷 运 行 时 其 电 压 纹 波 和 电 压 损 失 满 足 系 统 要 求 24 。 3 国 内 植 保 静 电 喷 雾 理 论 研 究 现 状 我 国 对 植 保 静 电 喷 雾 技 术 的 研 究 起 步 较 晚。 20 世 纪70 年 代 末, 国 内 学 者 开 始 涉 足 该 领 域, 从 雾 滴 粒 径、 荷 质 比、 沉 积 分 布 规 律 等 方 面 对 植 保 静 电 喷 雾 技 术 开 展 研 究, 并 针 对 不 同 靶 标 作 物 进 行 了 静 电 喷 雾 性 能 和 病 虫 害 防 治 效 果 测 试 及 参 数 测 定。 于 水 等 对 荷 电 雾 滴 的 二 次 雾 化 破 碎 机 理 进 行 了 建 模 分 析, 并 得 出 了 临 界 荷 质 比 和 雾 滴 粒 径 的 关 系 25 , 为 雾 滴 粒 径 谱 与 荷 质 比 的 合 理 选 取 和 确 定 提 供 依 据。 霍 元 平 等 进 行 了 荷 电 液 滴 的 破 碎 机 理 及 电 流 体 动 力 学 特 性 的 研 究, 利 用 显 微 高 速 摄 像 和PIV 技 术 捕 捉 微 射 流 演 变 过 程 及 荷 电 雾 滴 形 成 过 程 26 ; 研 究 过 程 中, 显 微 高 速 摄 像 技 术 和PIV 技 术 的 成 功 运 用 对 后 续 静 电 雾 化 过 程 和 雾 滴 流 场 研 究 具 有 重 要 参 考 价 值。 2010 年, 陈 汇 龙 等 利 用FLUENT 软 件 对 感 应 荷 电 喷 雾 中 喷 嘴 与 环 形 电 极 间 的 静 电 场 进 行 了 数 值 模 拟 27 , 利 用FLUENT 软 件 仿 真 分 析 数 据 丰 富、 可 信 度 高 的 优 势 分 析 了 静 电 场 的 分 布 特 性, 仿 真 结 果 表 明: 改 变 静 电 场 的 分 布 特 性 改 善 荷 电 效 果, 为 喷 头 电 极 结 构 参 数 的 设 定 提 供 依 据。 王 晓 英 等 则 利 用Ansoft Maxwell 专 业 电 磁 场 分 析 软 件 对 喷 头 的 静 电 场 进 行 了 数 值 模 拟, 仿 真 结 果 明 确 了 电 极 布 置 情 况 对 静 电 场 分 布 的 影 响, 试 验 结 果 证 明 了 不 同 电 极 布 置 情 况 下 电 场 强 度 的 变 化 过 程 及 其 对 荷 质 比 的 影 响 28 。 茹 煜 等 也 利 用AnsoftMaxwell 软 件 对 提 出 的 圆 锥 管 状 电 极 结 构 的 电 场 分 布 特 性 进 行 了 仿 真 分 析, 并 结 合 试 验 手 段 得 出 了 最 佳 感 应 荷 电 区 域, 试 验 中10kV 电 压 下 荷 质 比 达 到2.13mC/kg 29 。 贾 首 星、 高 雄 等 人 分 别 研 究 了 液 压、 气 压、 荷 电 电 压、 气 候 等 因 素 对 雾 化 效 果 及 荷 电 效 果 的 影 响, 并 得 出 了 最 佳 的 工 作 参 数 组 合 30-32 。 试 验 中 最 佳 工 作 参 数 的 获 得 对 国 内 静 电 植 保 作 业 具 有 重 要 实 用 价 值。 先 进 试 验 测 试 技 术 和 工 具 的 运 用 为 研 究 荷 电 雾 滴 云 的 运 移 规 律、 飘 移 特 点 等 工 作 提 供 了 有 力 工 具。 王 贞 涛 等 利 用PDPA 技 术 分 析 了 双 流 体 荷 电 喷 雾 过 程 中 不 同 荷 电 电 压 下 喷 雾 流 场 中 雾 滴 粒 径、 雾 滴 速 度 的 分 布 规 律, 并 研 究 了 辅 助 气 流 和 静 电 场 对 雾 滴 运 动 的 影 响 33 。 顾 万 玉 等 研 究 了 接 触 式 荷 电 方 式 下 静 电 喷 雾 流 场 特 性 和 沉 积 特 性, 开 发 了 集 中 接 触 式 荷 电 装 置, 并 利 用PIV 系 统 和 激 光 粒 度 分 析 仪 分 析 了 充 电 电 压、 喷 雾 压 力 等 变 量 对 粒 径 分 布、 雾 化 角、 雾 滴 速 度 场 等 参 数 的 影 响 34 。 杨 洲 等 考 虑 自 然 风 对 雾 滴 飘 移 的 影 响, 研 究 不 同 侧 风 风 速 和 静 电 电 压 对 喷 杆 式 静 电 喷 雾 模 式 下 雾 滴 漂 移 的 影 响 规 律, 试 验 结 果 表 明: 静 电 电 压 的 提 高 可 以 减 小 雾 滴 粒 径, 并 提 高 雾 滴 荷 质 比, 不 同 侧 风 风 速 下 静 电 喷 雾 的 雾 滴 飘 移 中 心 距 和 飘 失 率 较 非 静 电 喷 雾 有 增 大 的 趋 势 35 。 在 荷 电 雾 滴 与 靶 标 作 物 交 互 沉 积 方 面, 国 内 学 者 利 用 试 验 手 段 探 究 了 各 种 作 业 参 数、 环 境 参 数 对 雾 滴 沉 积 率、 沉 积 均 匀 性 的 影 响。 王 军 锋 等 试 验 分 析 了 风 幕 式 气 流 辅 助 下 荷 电 喷 雾 与 非 荷 电 喷 雾 的 沉 积 效 果, 试 验 结 果 表 明: 辅 助 气 流 对 荷 电 雾 滴 有 更 好 的 横 向 防 漂 效 果, 荷 电 雾 滴 在 目 标 物 正 反 面 的 沉 积 效 果 更 佳 36-37 。 顾 万 玉、 邱 白 晶 等 具 体 研 究 了 喷 雾 距 离、 沉 积 靶 标 空 间 分 布 等 因 素 对 荷 电 雾 滴 沉 积 效 果 的 影 响 38 。 试 验 表 明: 随 着 喷 雾 距 离 增 加, 雾 滴 沉 积 率 体 现 先 增 大 后 平 缓 下 降 的 趋 势; 模 拟 靶 标 等 效 面 积 过 大 或 过 小 均 不 利 于 沉 积 效 果 的 提 升。 这 一 结 果 说 明, 静 电 喷 雾 施 药 时 应 根 据 靶 标 作 物 叶 面 积 系 数、 孔 隙 率 等 合 理 选 取 喷 雾 距 离。 贾 卫 东 等 针 对 扇 形 喷 头 设 计 了 一 种 双 平 板 感 应 式 荷 电 装 置, 在6kV 电 压 及 合 适 的 喷 雾 压 力 下 荷 质 比 达 到1.4mC/kg, 试 验 证 明 风 幕 和 静 电 作 用 有 利 于 改 善 雾 滴 沉 积 效 果, 静 电 喷 雾 的 沉 积 变 异 系 数 减 小 了50.2% 39 , 相 比 于 非 静 电 喷 雾 体 现 出 明 显 优 势。 周 良 富 等 研 究 了 果 园 冠 层 施 药 场 景 中 风 送 静 电 喷 雾 方 式 下 充 电 电 压、 风 机 频 率、 喷 雾 距 离 和 喷 雾 压 力 等 因 素 对 雾 滴 覆 盖 率 影 响 的 显 著 性 水 平, 通 过 试 验 手 段 得 出 叶 片 正 面 覆 盖 率、 反 面 覆 盖 率 和 正 反 面 覆 盖 率 比 值 等3 种 响 应 下 的 影 响 因 素 的 显 著 性 排 序 40 。 试 验 得 出 的 影 响 因 素 显 著 性 排 序 为 果 园 植 保 过 程 中 针 对 不 同 病 虫 害 的 空 间 分 布 选 取 合 理 的 作 业 参 数 组 合 提 供 了 理 论 参 考。 上 述 研 究 进 程 也 体 现 出FLUENT、AnsoftMaxwell 等 先 进 数 值 分 析 软 件 和 激 光 粒 度 仪、PDPA 技 术、PIV 技 术、 显 微 高 速 摄 像 等 高 端 试 验 工 具 在 静 电 喷 雾 理 论 研 究 和 试 验 分 析 中 所 发 挥 的 重 要 作 用, 为 研 究 人 员 分 析 参 数 变 化、 获 取 试 验 数 据 提 供 了 极 大 便 利, 也 为 后 续 研 究 人 员 开 展 静 电 喷 雾 研 究 工 作 提 供 了 有 力 的 技 术 支 持。 此 外, 随 着 无 人 机 植 保 作 业 技 术 的 不 断 发 展, 无 人 机 植 保 技 术 与 静 电 喷 雾 技 术 相 结 合 的 新 型 植 保 作 业 模 式 也 引 起 国 内 学 者 的 重 视。 茹 煜、 廉 琦 等 分 别 进 0 1 2019 年2 月 农 机 化 研 究 第2 期 行 了 无 人 机 静 电 喷 雾 系 统 的 设 计 及 研 究 工 作, 从 无 人 机 整 体 结 构、 静 电 喷 头 设 计 及 高 压 静 电 供 给 方 式 等 方 面 对 无 人 机 静 电 喷 雾 技 术 进 行 了 探 究, 试 验 总 结 了 最 佳 作 业 参 数 组 合 41-42 。 周 宏 平 等 从 实 用 角 度 出 发, 在 静 电 电 极、 喷 头 材 料 及 喷 头 加 工 工 艺 等 多 方 面 对 航 空 静 电 喷 雾 装 置 进 行 改 进 设 计, 在 优 化 选 取 的 作 业 参 数 下 荷 质 比 达 到2.26mC/kg, 防 治 效 率 提 升33.8% 43 。 研 究 结 果 初 步 表 明: 无 人 机 静 电 喷 雾 技 术 作 业 效 率 高、 人 力 需 求 小、 药 液 用 量 少 等 优 势, 是 未 来 农 业 植 保 作 业 的 重 要 发 展 方 向; 同 时, 作 为 一 种 新 型 作 业 模 式, 无 人 机 静 电 喷 雾 技 术 还 存 在 一 些 技 术 问 题 需 要 解 决 和 完 善, 其 作 业 适 用 范 围 和 作 业 参 数 组 合 还 有 待 进 一 步 测 定。 4 国 内 外 静 电 喷 雾 植 保 机 具 国 内 外 学 者 不 断 探 究 静 电 喷 雾 相 关 理 论 问 题 的 同 时, 利 用 理 论 成 果 研 制 了 各 具 特 色 的 多 种 试 验 样 机, 美、 英、 德 等 国 还 推 出 了 各 自 的 商 业 化 产 品。 Law 等 学 者 成 功 设 计 了 气 力 式 静 电 感 应 喷 头, ESS(ElectrostaticSprayingSystemInc.) 公 司 购 买 其 专 利 后 经 改 进, 推 出 了 适 用 于 不 同 作 业 场 合 的 多 款 商 业 化 产 品, 如 图1 所 示。 其 主 要 用 于 地 面 植 保 作 业, 适 用 于 大 田、 果 园 和 温 室 大 棚 等 作 业 环 境。 Carlton 等 长 期 从 事 航 空 静 电 植 保 喷 雾 技 术 的 研 究, 并 于1999 年 获 得 系 统 专 利, 其 喷 头 结 构 和 实 际 作 业 图 如 图2 所 示 44 。 美 国 休 斯 顿 市SES 公 司(SpectrumElectrostatic SprayersInc.) 收 购 了 其 专 利 后 进 行 商 品 化 生 产, 将 其 推 向 市 场。 Kirk、Carlton 等 继 续 进 行 的 大 田 试 验 表 明: 其 沉 积 率 和 雾 滴 沉 积 速 度 明 显 提 升, 药 液 使 用 量 大 幅 下 降。 图1 ESS 气 力 式 静 电 喷 雾 产 品 Fig.1 Air-assistedElectrostaticSprayersofESSInc 图2 航 空 静 电 喷 雾 系 统 Fig.2 AirElectrostaticSprayerSystem 我 国 植 保 领 域 工 作 者 也 不 断 将 研 究 成 果 转 化 为 各 种 类 型 样 机, 进 行 了 大 量 的 室 内 和 大 田 试 验。 邱 白 晶 等 研 制 了 集 中 接 触 式 荷 电 喷 雾 样 机( 见 图3), 并 进 行 了 喷 雾 速 度 场、 雾 锥 角、 雾 滴 粒 径 和 沉 积 效 果 等 方 面 的 试 验 研 究 30 。 新 疆 农 垦 科 学 院 的 贾 首 星 等 吸 收 国 外 先 进 技 术, 结 合 新 疆 棉 花 大 规 模 种 植 特 点, 研 制 了 宽 喷 幅 气 力 式 静 电 喷 雾 机 具( 见 图4), 取 得 较 好 的 实 用 效 果。 图3 集 中 接 触 式 荷 电 喷 雾 装 置 Fig.3 CentralizedContact-ChargingSprayerSystem 图4 气 力 式 静 电 喷 雾 样 机 Fig.4 Air-assistedElectrostaticSprayerProtype 1 1 2019 年2 月 农 机 化 研 究 第2 期 5 研 究 方 向 和 应 用 前 景 探 讨 虽 然 国 外 内 学 者 对 植 保 静 电 喷 雾 技 术 进 行 了 大 量 有 意 义 的 研 究, 并 且 已 有 实 用 化 商 业 产 品 推 入 市 场, 但 目 前 静 电 喷 雾 机 具 的 使 用 和 普 及 范 围 有 限, 尤 其 是 在 国 内 植 保 喷 雾 领 域。 究 其 原 因, 荷 电 效 果 不 理 想、 施 药 效 果 随 机 性 大、 药 械 成 本 高 及 可 靠 性 低 等 因 素 是 影 响 推 广 使 用 的 主 要 原 因。 为 解 决 上 述 问 题, 应 酌 情 开 展 以 下 工 作: 1) 雾 滴 荷 质 比 的 量 化 分 析 与 控 制。 荷 质 比 是 静 电 喷 雾 施 药 过 程 的 核 心 参 数, 其 高 低 会 显 著 影 响 施 药 效 果。 目 前 的 研 究 大 多 以 试 验 研 究 和 定 性 分 析 为 主, 对 影 响 荷 质 比 的 诸 多 参 数 缺 乏 定 量 分 析。 国 内 外 已 有 研 究 数 据 体 现 出 各 试 验 之 间 荷 质 比 的 波 动 较 大, 商 用 化 产 品 大 田 作 业 时 也 出 现 受 环 境 影 响 较 大, 施 药 效 果 明 显 下 降 的 状 况。 同 时, 国 外 学 者 试 验 中 荷 质 比 达 到10mC/kg 及 以 上, 而 国 内 研 究 中 还 处 于23mC/kg 荷 电 水 平, 与 国 外 研 究 尚 存 差 距。 因 此, 有 必 要 从 电 流 体 动 力 学 理 论 角 度 深 入 分 析 影 响 荷 质 比 的 诸 多 参 数, 量 化 各 参 数 与 荷 质 比 的 关 系, 为 田 间 工 况 参 数 的 合 理 化 选 择 提 供 明 确 理 论 依 据。 2) 植 保 静 电 喷 雾 技 术 相 关 标 准、 规 范 亟 需 建 立 和 完 善。 目 前, 国 内 关 于 植 保 静 电 喷 雾 技 术 的 相 关 标 准 和 规 范 非 常 缺 乏, 无 法 为 植 保 静 电 喷 雾 技 术 的 研 究 和 推 广 提 供 明 确 的 依 据 和 指 导, 也 不 利 于 静 电 喷 雾 技 术 产 业 的 持 续 健 康 发 展。 应 该 借 鉴 国 外 进 行 静 电 喷 雾 技 术 产 业 化 推 广 和 应 用 方 面 的 经 验, 建 立 涵 盖 材 料 与 部 件、 制 造、 管 理、 使 用 和 维 护 等 环 节 的 完 善 标 准 体 系, 为 国 内 植 保 静 电 喷 雾 技 术 产 业 的 发 展 提 供 制 度 约 束 和 保 障。 3) 无 人 机 静 电 喷 雾 技 术 的 研 究 应 得 到 重 视。 无 人 机 静 电 喷 雾 技 术 具 有 防 治 效 果 好、 作 业 效 率 高、 药 剂 消 耗 量 低 等 优 势, 是 未 来 高 效 超 低 量 植 保 作 业 的 发 展 方 向。 下 洗 气 流 对 荷 电 雾 滴 云 运 移 的 影 响、 荷 电 方 式 的 选 择 及 荷 电 效 率、 荷 电 模 式 的 选 择 及 机 体 电 位 的 动 态 保 持 等 问 题 应 进 行 重 点 研 究 和 分 析。 针 对 国 内 各 种 不 同 作 物 及 其 病 虫 害 特 点, 无 人 机 静 电 喷 雾 技 术 的 适 用 范 围 及 其 最 佳 作 业 参 数 组 合 还 需 要 通 过 大 量 试 验 研 究 予 以 测 定。 6 结 论 经 过 国 内 外 专 家 多 年 的 努 力 探 索 和 工 程 技 术 人 员 的 积 极 实 践, 植 保 静 电 喷 雾 技 术 取 得 了 丰 富 的 理 论 成 果 并 研 发 了 多 款 静 电 喷 雾 样 机 及 商 业 化 产 品。 然 而, 由 于 其 本 身 所 具 有 的 多 学 科 交 叉 的 特 点, 以 及 多 旋 翼 无 人 机 植 保 等 新 型 作 业 模 式 的 出 现, 植 保 静 电 喷 雾 技 术 仍 然 存 在 诸 多 理 论 盲 点 和 技 术 难 关 有 待 研 究 和 克 服, 已 有 商 业 化 产 品 也 存 在 投 资 成 本 高、 可 靠 性 较 低、 防 治 效 果 受 环 境 影 响 大 等 问 题。 因 此, 继 续 对 静 电 喷 雾 多 参 数 相 互 影 响 机 理、 荷 质 比 的 定 量 控 制、 雾 滴 荷 电 量 的 耗 散 与 保 持、 荷 电 雾 滴 与 靶 标 作 物 的 交 互 作 用 及 有 效 沉 积 等 问 题 进 行 系 统 深 入 研 究, 才 能 使 静 电 喷 雾 技 术 的 大 规 模 推 广 和 使 用 成 为 现 实, 进 而 减 少 环 境 污 染, 降 低 农 业 成 本, 促 进 农 业 发 展 和 农 民 增 收。 参 考 文 献: 1 何 雄 奎. 改 变 我 国 植 保 机 械 和 施 药 技 术 严 重 落 后 的 现 状 J. 农 业 工 程 学 报,2004,20(1):13-15. 2 沈 从 举, 贾 首 星, 汤 智 辉, 等. 农 药 静 电 喷 雾 研 究 现 状 与 应 用 前 景J. 农 机 化 研 究,2010,32(4):10-13. 3 周 志 艳, 臧 英, 罗 锡 文, 等. 中 国 农 业 航 空 植 保 产 业 技 术 创 新 发 展 战 略J. 农 业 工 程 学 报,2013,29(24):19-25. 4 范 小 博, 邓 巍, 吴 桂 芳. 飘 移 控 制 喷 雾 施 药 技 术 研 究 进 展 J. 农 机 化 研 究,2016,38(6):1-9. 5 张 东 彦, 兰 玉 彬, 陈 立 平, 等. 中 国 农 业 航 空 施 药 技 术 研 究 进 展 与 展 望J. 农 业 机 械 学 报,2014,45(10):53-59. 6 董 祥, 杨 学 军, 严 荷 荣,