周良富， 張 玲， 薛新宇， 秦維彩， 孫 竹， 周晴晴， 陳 晨

(農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，江蘇南京 210014)

靜電噴霧是近50年發(fā)展起來的一種新型施藥技術(shù)，依靠荷電霧滴與作物靶標(biāo)間的靜電效應(yīng)，使霧滴吸附在植株表面，大大增加藥液的沉積量，減少農(nóng)藥飄移，提高農(nóng)藥有效利用率[1]。靜電噴霧的巨大優(yōu)勢使國內(nèi)外學(xué)者投入了大量的研究工作，其中主要包括(1)靜電噴霧基礎(chǔ)理論與部件研究。賈衛(wèi)東等運用相位多普勒粒子分析儀(phase doppler particle analyzer，簡稱PDPA)研究了充電電壓與霧滴粒徑、速度及霧流場分布的關(guān)系[2-3]，結(jié)合扇形噴霧噴頭設(shè)計了一種雙平板感應(yīng)式荷電裝置，并在風(fēng)幕式噴桿噴霧機(jī)上進(jìn)行了運用和試驗[4]。Moon等設(shè)計了一種環(huán)形感應(yīng)式靜電噴頭，通過加載脈沖電壓發(fā)現(xiàn)，靶標(biāo)區(qū)有較大的荷電流，最高可達(dá)27 μA[5]。茹煜等設(shè)計了航空雙噴嘴靜電噴頭，分析了雙噴嘴環(huán)狀電極對空間電場與荷電效果的影響[6]。根據(jù)航空靜電噴頭在輕型飛機(jī)上的應(yīng)用特點，從靜電電極、噴頭材料、噴頭加工工藝等方面進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計[7-8]。(2)靜電噴霧設(shè)備的研制與優(yōu)化。Law等最先研制了氣流霧化靜電噴頭MaxCharge[9-10]，之后美國ESS公司在此基礎(chǔ)上研制了系列靜電噴霧機(jī)。Pascuzzi等利用該系列產(chǎn)品的150RB14型懸掛式靜電噴霧機(jī)在葡萄園進(jìn)行了系統(tǒng)試驗[11]。Mamidi等在優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)與位置的基礎(chǔ)上，設(shè)計了背負(fù)式手持靜電噴霧機(jī)，并在盆栽作物上進(jìn)行了試驗，其霧滴覆蓋率與均勻性提高了2～3倍[12]。國內(nèi)的何雄奎等將靜電噴霧、風(fēng)送噴霧和對靶噴霧相結(jié)合，研制了果園靜電噴霧機(jī)[13-14]。(3)靜電噴霧參數(shù)與效果試驗研究。Giles等研究了感應(yīng)電壓、作業(yè)速度、靶標(biāo)高度與噴霧方向?qū)F滴覆蓋率的影響[15]。Zhao等采用數(shù)值分析法研究了不同霧滴粒徑、荷質(zhì)比和噴霧距離下霧滴的運行軌跡，結(jié)果顯示，隨著荷質(zhì)比的增加霧滴在冠層的沉積量增加，飄移量減小，而荷質(zhì)比隨噴霧距離的增加而快速減小[16]。吳春篤等研究了氣助式靜電噴霧對霧滴在冠層葉片背面的沉積特性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，靜電電壓、噴霧距離和氣流速度對霧滴在葉片背面沉積有顯著影響[17]。

目前的風(fēng)送靜電噴霧技術(shù)研究只是把風(fēng)送噴霧技術(shù)與靜電噴霧技術(shù)的簡單融合，沒有考慮到氣流與霧滴相互作用對噴頭的特殊要求，導(dǎo)致荷電霧滴在噴頭附近大量吸附，且霧滴荷電量在射程方向上快速衰減，最終造成荷電效果不理想。本研究從荷電霧滴動力學(xué)著手，分析霧滴荷電過程、荷電霧滴衰減與氣流速度的關(guān)系，設(shè)計雙氣流道輔助靜電噴頭，并通過靜電噴霧試驗驗證靜電噴頭的效果，為噴頭的應(yīng)用與機(jī)具的設(shè)計提供技術(shù)支撐。

1 雙氣流道輔助靜電噴頭結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 雙氣流道輔助靜電噴頭的主要結(jié)構(gòu)

為解決荷電霧滴在電極附件上吸附和荷電量在空間內(nèi)易衰減等問題，靜電噴頭采用雙氣流道輔助系統(tǒng)，其主要結(jié)構(gòu)如圖1所示，該結(jié)構(gòu)主要包括空心圓錐霧噴嘴、感應(yīng)式仿形電極、雙氣流道系統(tǒng)和連接管道等。其中感應(yīng)電極置于由高絕緣環(huán)氧樹脂制成的電極座內(nèi)，選用12Z802-1Y103型高壓電源，其要求輸入電壓為12 V，輸出電壓為0～8 000 V；噴嘴選擇美國噴霧系統(tǒng)公司生產(chǎn)的TXR800053 VK型空心圓錐霧噴嘴，該噴嘴的噴霧角為80°，霧滴細(xì)，適合于果園、葡萄園和特色作物的風(fēng)送噴霧。

1.2 雙氣流道輔助靜電噴頭的工作原理

雙氣流道輔助靜電噴頭的工作原理為：藥液在液泵工作壓力的作用下進(jìn)入噴嘴并霧化；在高壓電源作用下(液路接地)，電極與霧流之間形成高壓電場，當(dāng)霧化后的霧滴進(jìn)入電場區(qū)后會被感應(yīng)帶上與電極相反的電荷，荷電后的霧滴在內(nèi)流道氣流作用下被快速輸運到作物靶標(biāo)，荷電霧滴在靶標(biāo)區(qū)環(huán)繞吸附(圖1)，外流道氣流可防治荷電霧滴在噴頭處吸附沉積，從而提高農(nóng)藥在靶標(biāo)背面的沉積量，減少農(nóng)藥飄移，提高農(nóng)藥利用率。其中靜電效果與電極結(jié)構(gòu)參數(shù)、氣流速度和分布都有直接關(guān)系。

2 靜電電極的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)與參數(shù)

2.1 電極結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)

靜電電極的結(jié)構(gòu)形式和尺寸是決定靜電噴霧荷電效果的主要因素。目前大多采用的是環(huán)形電極，這種電極加工方便，但電極與霧流之間的距離不能保持一個最佳值，即在靠近噴嘴處距離過大，遠(yuǎn)離噴嘴處距離過小。距離過大影響荷電效果；距離過小容易造成荷電霧滴吸附于電極座，甚至?xí)c霧流發(fā)生干涉，引起電流短路或電壓波動，進(jìn)而影響霧滴的帶電效果。

本研究選用的TXR800053VK型空心圓錐霧噴嘴的噴霧角為80°，為使霧滴充電效果最佳，須保證電極與霧流處在最佳的相對位置，因此將電極設(shè)計成與噴霧角相一致的錐形電極。高壓電源一端與電極連接，另一端與液路連接并接地，仿形電極與霧滴組成電容器，并與環(huán)氧樹脂和空氣介質(zhì)組成的絕緣電阻R并聯(lián)，假定高壓電源的電動勢為V0，電阻為R1，則感應(yīng)充電的等效電路見圖2。當(dāng)間距遠(yuǎn)小于電極尺寸時，可通過平行板電容器電容計算式計算電容C。

(1)

式中：C為電容器電容，F(xiàn)；ε為絕緣層的介電常數(shù)，環(huán)氧樹脂的介電常數(shù)為2.5～6.0；k是與真空介電常數(shù)相關(guān)的常數(shù)；Q為感應(yīng)靜電荷量，C；U為充電電壓，V；S為電極表面積，m2；L為霧流和電極之間的距離，m。

由式(1)可知，電極所能帶的電量與絕緣層的介電常數(shù)ε成正比；與電極感應(yīng)面積S成正比；與霧流和電極之間的距離L成反比。其中電極感應(yīng)面積S與噴嘴和電極的間距T、霧流與電極的間距L、電極高度H和噴霧角β相關(guān)，電極結(jié)構(gòu)參數(shù)關(guān)系如圖3所示，計算式如式(2)。因此T、H、L是電極設(shè)計的主要參數(shù)。

(2)

其中， 霧流和電極之間的距離L包括環(huán)氧樹脂厚度和空氣介質(zhì)厚度(d)2部分。該噴頭的環(huán)氧樹脂厚度設(shè)計為2 mm，空氣介質(zhì)厚度可通過試驗方法確定，取0.3～0.6 MPa噴霧壓力下的荷電霧流與電極座不發(fā)生干涉的最小空氣介質(zhì)厚度值，試驗結(jié)果認(rèn)為，以d=5 mm為宜，因此L=7 mm。T、H與荷電流呈正相關(guān)關(guān)系，同時T、H值受噴頭外形尺寸限制，綜合考慮荷電效果與噴頭外形尺寸，取T=5 mm，H=10 mm。

2.2 氣流道設(shè)計

荷電霧滴在紊動氣流場作用下的運動受力復(fù)雜，其中在射流方向上主要考慮氣流曳力和電場力作用，為保證霧滴的荷電效果，避免電場強(qiáng)度和霧滴荷電量在射流方向上快速衰減，只能通過增大氣流曳力將霧滴快速輸運脫離電極附近的強(qiáng)電場區(qū)，從而使霧滴不在噴頭電極處聚集。霧滴脫離強(qiáng)電場區(qū)后，為避免由氣流速度梯度引起的霧滴荷電量衰減，設(shè)計氣流速度為u≥up，u′=up。霧滴運動動力學(xué)方程為：

式中：FD為曳力系數(shù)；u為內(nèi)流道氣流速度，m/s；u′為外流道氣流速度，m/s；up為霧滴速度，m/s；q為霧滴荷電量，C；E為電場強(qiáng)度，V/m。其中霧滴速度的計算式為：

式中：Q為噴嘴流量，m3/s，選用工作壓力為0.4 MPa時的工作流量290 mL/min；S為噴口截面積，m2，選用的噴頭孔直徑為0.6 mm；將數(shù)據(jù)代入式中可得up=17 m/s。

因此，為保證氣流曳力做正功，要求u≥17 m/s，u′=17 m/s，但對同一氣流源下的氣流速度只能均等分配，因而按u′=u=17 m/s設(shè)計，內(nèi)外流道風(fēng)量按截面面積分配計算。

式中：A1為內(nèi)流道面積；A2為外流道面積；Q′為風(fēng)機(jī)風(fēng)量，選用風(fēng)機(jī)最小風(fēng)量80 m3/h，計算并取整得流道總面積為 1 307 mm2，分配并取整10得內(nèi)流道面積為460 mm2，外流道面積為850 mm2。在實際工作中通過調(diào)節(jié)風(fēng)量來改變氣流速度。

3 靜電噴霧試驗

為評價氣流輔助靜電噴頭性能，結(jié)合噴頭對氣流參數(shù)的要求，選用臨沂亞圣機(jī)電有限公司生產(chǎn)的3WF-11型背負(fù)式噴霧噴粉機(jī)為原型機(jī)，通過配置噴霧系統(tǒng)、靜電感應(yīng)系統(tǒng)、電池動力系統(tǒng)和拖拉桿架研制成單管風(fēng)送靜電噴霧機(jī)。以此為試驗平臺測試氣流輔助靜電噴頭的壓力流量特性、荷質(zhì)比、霧滴沉積分布與飄移性能。

3.1 噴頭壓力流量特性

噴頭壓力流量是噴頭重要的性能參數(shù)，直接影響施藥作業(yè)參數(shù)的選擇。將噴頭安裝在噴頭試驗臺上，根據(jù)JB/T 9782—2014《植物保護(hù)機(jī)械通用試驗方法》測得的噴霧壓力為0.2～2.2 MPa，用量筒測量1 min的噴霧量，試驗結(jié)果取3次重復(fù)試驗的平均值，并繪制壓力流量曲線(圖4)。

由圖4可知，噴霧量(y)與噴霧壓力(x)的關(guān)系為y=0.366 7x0.467 3，其決定系數(shù)r2=1，對于沒有測試點的壓力流量關(guān)系也可以用上式計算。

3.2 靜電噴霧試驗方法

3.2.1 荷質(zhì)比測試方法 荷質(zhì)比是霧流所帶荷電量Q與霧流質(zhì)量m的比值，是衡量霧滴荷電效果的重要指標(biāo)之一。采用法拉第筒法測試荷電量，即將氣流輔助靜電噴頭安裝于距離法拉第筒進(jìn)口200 mm處的中心軸線上，內(nèi)徑為550 mm的法拉第筒收集所有的霧滴。采用Keysight 34410A數(shù)字萬用表(量程為100 μA，61/2位讀數(shù))測定所有霧滴帶電電流I，并記錄1 min內(nèi)法拉第筒流出的霧流質(zhì)量。本試驗主要測試不同噴霧壓力、不同感應(yīng)電壓、不同噴霧高度、不同氣流速度下在距離噴嘴出口0.2、0.6、1.0、1.4、1.8 m處的荷質(zhì)比。荷質(zhì)比按下式進(jìn)行計算：

式中：I為荷電霧滴放電電流值，A；m為霧滴群的質(zhì)量，kg；t為測量時間，s。

3.2.2 霧滴沉積分布試驗方法 試驗采集點按圖5所示布置，其中采集距離為4 m，采集間距為0.5 m，采集高度為 1 m，每個采集距離布置A、B、C 3個采集點，每個采集點布置2張尺寸為26 mm×76 mm的水敏紙(瑞士先正達(dá)作物保護(hù)公司)檢測正、反面霧滴的沉積量，每個距離處以3個點的平均值作為試驗結(jié)果。噴頭在距離地面1.1 m處以一定速度(0.5～0.8 m/s)和額定工況(充電電壓為6 kV、噴霧壓力為 0.4 MPa、出口風(fēng)速為32 m/s)噴清水，以靜電與非靜電2個工況分別通過采集區(qū)，待水敏紙干燥后收集紙卡于自封袋中，當(dāng)天用顯微相機(jī)采集霧滴覆蓋圖像后，采用霧滴圖像處理系統(tǒng)測定紙卡上的霧滴覆蓋密度，取3個數(shù)據(jù)的平均值作為該測試點的霧滴覆蓋數(shù)(表1)。

表1 不同距離處靜電噴霧效果比較

3.2.3 霧滴飄移率試驗方法 靜電噴霧有助于減少霧滴飄移，增加霧滴在冠層的有效沉積。為考察靜電噴霧對農(nóng)藥霧滴飄移的抑制作用，試驗選用盆栽(最大冠層厚度為 400 mm)為沉積對象，將噴頭固定在與冠層最厚處高度(1.2 m)相同的位置上，試驗裝置如圖6所示。在噴霧距離為1.0 m，感應(yīng)電壓為6 kV，噴霧高度為1 m，噴霧壓力為 0.4 MPa 條件下，采用稱質(zhì)量法通過調(diào)節(jié)噴霧機(jī)油門開度測試氣流速度為15、22、32 m/s時的霧滴飄移率。霧滴飄移率的計算公式為：

式中：η為飄移率，%；QP為噴頭在一定時間內(nèi)的總量，g；Qt表示噴霧壓力為0.4 MPa時噴頭流量，Qt=290 g/min；QD為植株靶標(biāo)上藥液沉積量，試驗時為噴霧起止時電子稱上的質(zhì)量變化量，g；t為噴霧時間，本試驗設(shè)為5 min。

3.3 靜電噴霧試驗結(jié)果及分析

3.3.1 荷質(zhì)比影響規(guī)律 在噴霧高度為1 m、充電電壓為 6 kV、出口風(fēng)速為32 m/s的條件下，試驗研究0.2、0.3、0.4 MPa 工作壓力下荷質(zhì)比沿射程的衰減規(guī)律。由圖7-a可知，荷質(zhì)比與噴霧壓力呈正相關(guān)關(guān)系；當(dāng)增大噴霧壓力時，相應(yīng)的霧滴粒徑會減小，荷電能力增強(qiáng)。粒徑小的霧滴更容易荷電，所以霧流的荷質(zhì)比隨噴霧壓力增大而增大。

在噴霧高度為1 m、噴霧壓力為0.4 MPa、出口風(fēng)速為 32 m/s 的條件下，試驗測試了5、6、7 kV感應(yīng)電壓荷質(zhì)比沿射程的衰減規(guī)律。由圖7-b可知，在噴頭出口處，荷質(zhì)比與感應(yīng)電壓呈正相關(guān)，但由于高壓感應(yīng)電極所能產(chǎn)生的感應(yīng)電場較強(qiáng)，在特定的輔助氣流下，霧滴難以脫離強(qiáng)電場區(qū)，造成荷電量的衰減，所以在距離噴頭出口0.6 m處，7 kV感應(yīng)電壓所殘留的荷質(zhì)比驟降。

在噴霧高度為1 m、充電電壓為6 kV、噴霧壓力為 0.4 MPa 的條件下，試驗測試了氣流速度為22、32 m/s時，荷質(zhì)比沿射程的衰減規(guī)律。由圖7-c可知，氣流速度為32 m/s時每個測試點的荷質(zhì)比均高于氣流速度為22 m/s的荷質(zhì)比，主要是因為氣流速度所產(chǎn)生的氣流曳力加速了荷電霧滴的輸運，減小了荷電量的衰減。

在充電電壓為6 kV、噴霧壓力為0.4 MPa、氣流速度為 32 m/s 的條件下，試驗測試了噴霧高度為0.5、1.0 m時，荷質(zhì)比沿射程的衰減規(guī)律。由圖7-d可知，噴霧高度為0.5 m時的荷電霧滴荷電量衰減較1.0 m時劇烈，主要是因為在一定的氣流輸運下，地面對荷電霧滴具有較大的影響，離地面越近荷電量越容易衰減。

由圖7可知，在距離噴頭出口0.2 m處荷質(zhì)比約為 1.0 mC/kg，且荷質(zhì)比在沿射程方向上逐步衰減，在0.6～1.0 m 處衰減最劇烈，而后趨于平緩。因此在制定田間作業(yè)參數(shù)時，須根據(jù)作業(yè)需求選擇噴霧距離，建議噴霧距離設(shè)在1.0 m以內(nèi)，以保證荷電效果。

3.3.2 靜電噴霧沉積效果分析 由表1可以看出，靜電噴霧時其正面霧滴覆蓋密度略小于非靜電噴霧，主要是因為靜電噴霧時荷電霧滴帶相同性質(zhì)的電荷后相互排斥，其霧滴群與非靜電噴霧時相比更擴(kuò)散，所以正面的霧滴覆蓋密度略小。采集距離在1.0 m以內(nèi)時，靜電噴霧的反面霧滴覆蓋密度比非靜電噴霧提高15%以上；采集距離在1.5～2.0 m之間時，靜電噴霧的反面霧滴覆蓋密度提高10%左右；當(dāng)采集距離大于2.0 m時，靜電噴霧反面霧滴覆蓋密度低于非靜電噴霧。因為在特定的氣流速度下，荷電霧滴受地面的吸附作用，難以到達(dá)較遠(yuǎn)的距離。

3.3.3 靜電噴霧對霧滴飄移率的影響分析 由圖8可知，靜電噴嘴可以有效降低霧滴飄移。氣流速度越大飄移越嚴(yán)重，氣流速度為15 m/s時靜電噴霧飄移率<5%；氣流速度為 32 m/s 時靜電噴霧飄移率<20%；與非靜電噴霧相比，在15、22、32 m/s風(fēng)速下靜電噴霧的飄移率分別降低50.0%、22.5%、10.7%。

4 結(jié)論

為解決荷電霧滴易吸附、易衰減等問題，設(shè)計雙氣流道輔助靜電噴頭。研究結(jié)果顯示，在充電電壓為6 kV、噴霧壓力為0.4 MPa、氣流速度為32 m/s的條件下，噴頭的初始荷質(zhì)比大于1.0 mC/kg。采集距離在1.0 m以內(nèi)時，靜電噴霧的反面霧滴覆蓋密度比非靜電噴霧提高15%以上，在采集距離為1.5～2.0 m之間靜電噴霧的反面霧滴覆蓋密度提高10%左右。氣流速度在15、22、32 m/s時，靜電噴霧的飄移率分別降低50.0%、22.5%和10.7%。本研究可為靜電噴頭的推廣應(yīng)用提供技術(shù)支持，同時也可為以該型式噴頭為部件大型噴霧機(jī)的設(shè)計提供參考。

[1]Law S E. Agricultural electrostatic spray application：a review of significant research and development during the 20th century[J]. Journal of Electrostatics，2001，51/52：25-42.

[2]賈衛(wèi)東，李萍萍，邱白晶，等. 農(nóng)用荷電噴霧霧滴粒徑與速度分布的試驗研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2008，24(2)：17-21.

[3]賈衛(wèi)東，邱白晶，施愛平，等. 農(nóng)用高壓靜電噴霧場的實驗[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2007，38(12)：66-69，88.

[4]賈衛(wèi)東，胡化超，陳 龍，等. 風(fēng)幕式靜電噴桿噴霧噴頭霧化與霧滴沉積性能試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015，31(7)：53-59.

[5]Moon J D，Lee D H，Kang T G，et al. A capacitive type of electrostatic spraying nozzle[J]. Journal of Electrostatics，2003，57(3/4)：363-379.

[6]茹 煜，鄭加強(qiáng)，周宏平，等. 航空雙噴嘴靜電噴頭的設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2007，38(12)：58-61，57.

[7]周宏平，茹 煜，舒朝然，等. 航空靜電噴霧裝置的改進(jìn)及效果試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2012，28(12)：7-12.

[8]茹 煜，金 蘭，賈志成，等. 無人機(jī)靜電噴霧系統(tǒng)設(shè)計及試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015，31(8)：42-47.

[9]Law S E.Electrostatic spray nozzle system：US 04004733[P]. 1977-01-25.

[10]Law S E.Embedded-electrode electrostatic-induction spray-charging nozzle：theoretical and engineering design[J]. Transactions of the ASAE，1978，21(6)：1096-1104.

[11]Pascuzzi S，Cerruto E. Spray deposition in “tendone” vineyards when using a pneumatic electrostatic sprayer[J]. Crop Protection，2015，68：1-11.

[12]Mamidi V R，Ghanshyam C，Kumar P M，et al. Electrostatic hand pressure knapsack spray system with enhanced performance for small scale farms[J]. Journal of Electrostatics，2013，71(4)：785-790.

[13]何雄奎，嚴(yán)苛榮，儲金宇，等. 果園自動對靶靜電噴霧機(jī)設(shè)計與試驗研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2003，19(6)：78-80.

[14]楊 洲，牛萌萌，李 君，等. 果園在線混藥型靜電噴霧機(jī)的設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015，31(21)：60-67.

[15]Giles D，Blewett T. Effects of conventional and reduced-volume，charged-spray application techniques on dislodgeable foliar residue of captan on Strawberries[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry，1991，39(9)：1646-1651.

[16]Zhao S，Castle G S P，Adamiak K. Factors affecting deposition in electrostatic pesticide spraying[J]. Journal of Electrostatics，2008，66(11)：594-601.

[17]吳春篤，拾亞男，張 波，等. 氣助式靜電噴霧靶標(biāo)物背部沉積特性[J]. 排灌機(jī)械，2009，27(4)：242-246.