王猛，郝蕙玲，張建，呂鴻雁，周宏平，茹煜

艦船環(huán)境相對(duì)封閉，內(nèi)部空間管道、孔洞、縫隙 較多，加上海上空氣濕度大，容易造成病源微生物及媒介昆蟲(chóng)的滋生繁殖，艦艇有害生物作為致病源或傳播媒介嚴(yán)重威脅艦員健康；一些媒介昆蟲(chóng)如蟑螂等還可能進(jìn)入儀器設(shè)備引發(fā)故障，影響艦艇作業(yè)安全［1-3］。艦艇衛(wèi)生防疫作為有效維持艦艇衛(wèi)生安全的必要手段，意義重大、責(zé)任艱巨［4-5］。

使用消毒劑、殺蟲(chóng)劑對(duì)環(huán)境進(jìn)行防疫消殺作業(yè)一直是艦艇衛(wèi)生防疫最為重要的手段之一［6］，噴霧器械的性能是決定滅殺效果的關(guān)鍵因素。

艦艇上配備的精密儀器設(shè)備較多，獨(dú)立空間狹小。目前市場(chǎng)上防疫消殺器械性能單一，不能較好地滿(mǎn)足艦船防疫設(shè)備小型化、多功能的特殊要求?，F(xiàn)有后勤通用防疫設(shè)備中，車(chē)載噴霧機(jī)、擔(dān)架式噴霧機(jī)、機(jī)動(dòng)噴霧機(jī)、煙霧機(jī)等器材動(dòng)力模式與艦艇使用環(huán)境不匹配，手動(dòng)式噴霧器、手持式噴霧器等噴霧性能、作業(yè)功效因霧滴粗放、射程受限等也不適合艦艇環(huán)境使用。因此，需要根據(jù)艦艇防疫需求及其作業(yè)特點(diǎn)研制艦艇環(huán)境專(zhuān)用的防疫消殺機(jī)。

課題組研制的艦用防疫消殺機(jī)，技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)是內(nèi)置電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定，通過(guò)控制氣液流量配比的技術(shù)方式，實(shí)現(xiàn)霧化霧滴粒徑5～100 μm 連續(xù)可調(diào)，一臺(tái)機(jī)器同時(shí)具備空間氣霧噴灑（粒徑不大于50 μm）和表面滯留噴灑（粒徑50～100 μm）功能，解決艦艇防疫器材一機(jī)多能的勤務(wù)需求。

1 艦用防疫消殺機(jī)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 勤務(wù)功能和環(huán)境適用性需求艦船內(nèi)部存儲(chǔ)空間有限，不能配備型號(hào)、數(shù)量過(guò)多的防疫器材。根據(jù)艦艇環(huán)境常見(jiàn)有害生物的生物學(xué)特性，艦用防疫消殺機(jī)應(yīng)同時(shí)滿(mǎn)足表面滯留噴灑和空間噴灑2 種作業(yè)功能需求，表面滯留噴灑主要用于殺滅物體表面的微生物及蟑螂等爬行類(lèi)害蟲(chóng)，霧滴粒徑范圍應(yīng)覆蓋50～100 μm 區(qū)間；空間噴灑主要用于殺滅空氣微生物及蚊蟲(chóng)等飛行類(lèi)害蟲(chóng)，霧滴粒徑應(yīng)控制在50 μm 以?xún)?nèi)。

外形尺寸方面，艦船防疫消殺機(jī)的重量應(yīng)適合單人攜帶，參考GB 12330?90《體力搬運(yùn)重量限值》［7］，裝藥后機(jī)器重量不宜大于15 kg。艦上電源獲取較為便利，防疫消殺機(jī)宜采用電力作為驅(qū)動(dòng)源，從艙室插座上取電。艦船衛(wèi)生防疫作業(yè)人員更替較為頻繁，器材應(yīng)操作簡(jiǎn)便、維護(hù)簡(jiǎn)單。

1.2 霧化方式的篩選目前衛(wèi)生防疫系統(tǒng)所使用的消殺器械主要為各種類(lèi)型的噴霧器，按藥液的噴灑霧化原理可分為機(jī)械式霧化、氣力霧化和熱力霧化3 類(lèi)。機(jī)械式霧化是最常見(jiàn)的一種霧化方式［8］，其關(guān)鍵核心部件是液力霧化噴頭或離心霧化噴頭。液力霧化需要提供產(chǎn)生較高壓力的增壓系統(tǒng)，系統(tǒng)較為復(fù)雜，此類(lèi)霧化方式的流量調(diào)節(jié)范圍較小，霧滴粒徑通常可控制在200 μm 左右；離心霧化［9-10］是通過(guò)執(zhí)行電機(jī)帶動(dòng)霧化轉(zhuǎn)盤(pán)或者轉(zhuǎn)籠，使藥液在轉(zhuǎn)盤(pán)/轉(zhuǎn)籠的離心作用下形成細(xì)小霧滴，此類(lèi)原理的噴頭加工工藝要求較高，霧滴粒徑主要取決于電機(jī)轉(zhuǎn)速、液體壓力、轉(zhuǎn)盤(pán)直徑等因素，通常可控制在50～100 μm，其霧化效果優(yōu)于液力霧化，缺點(diǎn)是流量較小、有效射程較短，應(yīng)用范圍有限。氣力霧化是依靠風(fēng)機(jī)產(chǎn)生一定壓力的高速氣流，使氣流沖擊液體產(chǎn)生霧滴，達(dá)到霧化的目的［11-12］，此類(lèi)裝置霧滴的粒徑與氣流流速、噴液壓力有關(guān)，一般可將霧滴粒徑控制在50～100 μm，甚至50 μm 以下，目前國(guó)內(nèi)外的超低量霧化器、氣溶膠霧化器大多采用該霧化原理。熱力霧化是利用高溫將煙霧裂解成細(xì)小顆粒，粒徑大小一般小于30 μm，由于粒徑較小，適合消滅飛行類(lèi)害蟲(chóng)。但高溫會(huì)使藥液產(chǎn)生化學(xué)分解，可供選擇的農(nóng)藥類(lèi)型很少。

考慮艦艇環(huán)境特點(diǎn)，比較各種霧化技術(shù)特點(diǎn)，氣力霧化方式是較為合理的選擇。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

根據(jù)前文確定的總體方案論證結(jié)果，課題組設(shè)計(jì)的艦用防疫消殺機(jī)，系統(tǒng)功能組成可分為電源、送風(fēng)單元、供液?jiǎn)卧?、控制單元和霧化單元，具體結(jié)構(gòu)包括機(jī)殼、藥液箱、噴嘴芯、兩級(jí)固定葉輪、串激電機(jī)、旋轉(zhuǎn)電機(jī)、繞線(xiàn)裝置、旋轉(zhuǎn)卡環(huán)、噴霧接頭、控制按鈕、背帶等零部件。配套有噴霧軟管、水平直噴頭和30°噴頭3 種噴霧接頭，各噴頭能通過(guò)自身卡扣與機(jī)身上配套設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)卡環(huán)快速安裝。連接噴霧軟管狀態(tài)的艦用防疫消殺機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1。連接水平直噴頭和30°噴頭的剖面視圖見(jiàn)圖2。

圖1 艦用防疫消殺機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 艦用防疫消殺機(jī)不同工作狀態(tài)

噴霧作業(yè)時(shí)，串激電機(jī)產(chǎn)生高速氣流，一部分氣流產(chǎn)生虹吸作用從藥箱中抽取藥液形成液流，另一部分氣體高速?zèng)_擊液流，實(shí)現(xiàn)霧化效果。該系統(tǒng)電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定，通過(guò)調(diào)節(jié)液體供應(yīng)量來(lái)控制霧滴粒徑，滿(mǎn)足不同防疫作業(yè)需求。

2.1 電源該艦用防疫消殺機(jī)電源制式為220 V，50 Hz，為匹配艦船艙室條件，采用船用電源插頭取電。供電電源線(xiàn)采用可伸縮設(shè)計(jì)，通過(guò)布置在殼體內(nèi)部的回彈式自動(dòng)收線(xiàn)裝置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)收放。

2.2 送風(fēng)單元該艦用防疫消殺機(jī)采用氣力霧化原理，送風(fēng)單元由動(dòng)力電機(jī)和電機(jī)罩殼共同組成。動(dòng)力電機(jī)是帶葉輪的串激電機(jī)，其主要作用是為氣力霧化提供足夠的風(fēng)量和風(fēng)壓。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研和初步試驗(yàn)分析，當(dāng)電機(jī)以20 000～30 000 r/min 的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其前端會(huì)產(chǎn)生30～50 m/s 的高壓氣流，能夠達(dá)到霧滴平均粒徑5～30 μm 的霧化效果，此時(shí)噴霧水平射程為8 m，能夠較好地滿(mǎn)足大空間艙室防疫噴灑作業(yè)需求。

電機(jī)罩殼是形成氣流的關(guān)鍵功能件，內(nèi)部布置有串激電機(jī)、電機(jī)擋板、電源線(xiàn)及藥管等；其前端設(shè)計(jì)為錐形結(jié)構(gòu)，主要作用是減少氣流損失、增加氣流速度，達(dá)到提升霧化效果的目的。

2.3 供液?jiǎn)卧┮簡(jiǎn)卧伤幭?、供液管和液體流量調(diào)節(jié)器組成。藥箱設(shè)計(jì)成與機(jī)殼一體式結(jié)構(gòu)，供液管的末端設(shè)置在藥箱底部，藥液經(jīng)供液管、液體流量調(diào)節(jié)器輸送至霧化單元。

藥箱容積大小會(huì)直接影響防疫消殺機(jī)的外形尺寸和重量，艦上水源獲取較為便利，按最大流量工況、一次裝藥可持續(xù)噴霧10 min 計(jì)算，并考慮一定的冗余量，藥箱容積6～8 L 較為適宜，故設(shè)計(jì)為8 L。本套器材裝藥前重量為6.4 kg，裝滿(mǎn)藥液時(shí)重量為14.4 kg，低于GB 12330?90《體力搬運(yùn)重量限值》［7］中關(guān)于男性單人搬運(yùn)重量、全日搬運(yùn)重量和相應(yīng)步行距離乘積的限值要求。

送風(fēng)單元產(chǎn)生的風(fēng)壓恒定，為滿(mǎn)足霧滴粒徑5～100 μm 可調(diào)的勤務(wù)需求，可通過(guò)液體流量調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)液體流量大小。流量越小，可達(dá)到的霧滴直徑越小，流量越大，霧滴直徑越大。

課題組設(shè)計(jì)的艦用防疫消殺機(jī)，主要通過(guò)控制氣流、液流配比來(lái)實(shí)現(xiàn)不同噴霧粒徑。當(dāng)一定壓力的液流通過(guò)霧化單元上呈窄縫形狀的噴嘴時(shí)，形成特定厚度的液膜，液膜在高速垂向氣流的沖擊作用下破碎成小液滴從噴孔噴出，離開(kāi)噴孔后在周?chē)諝獾母咚倌Σ磷饔孟拢纹扑槌筛〉囊后w顆粒。Lefebvre［13］對(duì)預(yù)成膜氣動(dòng)式霧化過(guò)程進(jìn)行能量衡算，得到霧滴平均直徑（又稱(chēng)索太爾平均直徑）計(jì)算式如下所示：

式中dsmd為索太爾平均直徑（μm）；ρ1為液體密度（kg/m3）；t為液膜厚度（mm）；k為氣耗率（%），k=M1/M2；M1,M2為氣體、液體質(zhì)量流量（kg/s）；σ為液體表面張力（N/m）；u為氣液相對(duì)速度（m/s）；C為氣體射流動(dòng)能利用率（%）。

根據(jù)公式推導(dǎo)出氣耗率，即氣液質(zhì)量流量之比如下所示：

以水作為介質(zhì)來(lái)計(jì)算，水的密度ρ1=1.0 kg/m3，水在室溫25 ℃時(shí)的表面張力值σ=7.21×10-2N/m，液膜厚度與粒徑相關(guān)，t=1.7 μm、氣液相對(duì)速度越大，霧滴粒徑越小，設(shè)u=28 m/s、氣體射流動(dòng)能利用率C＝80%，根據(jù)設(shè)計(jì)要求彌霧平均粒徑50～100 μm；氣霧平均粒徑5～30 μm。

將上述參數(shù)帶入式（2）可得質(zhì)量流量之比k=20%～40%。

氣耗率參數(shù)為氣液比的調(diào)節(jié)提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。影響氣液比的參數(shù)除了液流量外，還包括噴頭結(jié)構(gòu)、二級(jí)旋風(fēng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過(guò)設(shè)計(jì)調(diào)整合適的氣力霧化噴頭結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)、調(diào)節(jié)合適的氣液流量和壓力，可以獲得不同的氣液比和不同的霧滴粒徑。

2.4 霧化單元霧化單元是該艦用型防疫消殺機(jī)的關(guān)鍵部件。課題組設(shè)計(jì)的霧化單元包括噴頭蓋板、兩級(jí)固定葉輪、噴嘴芯及支座，三維模型見(jiàn)圖3。兩級(jí)固定葉輪為反向葉輪結(jié)構(gòu)，功能是利用風(fēng)道調(diào)整風(fēng)向并提升噴頭位置處的風(fēng)速，起到提高藥液霧化效果的作用。噴嘴芯通過(guò)螺紋固定安裝在支座上，并與供液管相連，來(lái)自藥箱的液體通過(guò)負(fù)壓作用被輸送至噴嘴芯處，串激電機(jī)葉輪產(chǎn)生的高速氣流經(jīng)過(guò)前端的噴嘴體將霧滴細(xì)化。

圖3 兩級(jí)反向葉輪結(jié)構(gòu)圖

噴嘴芯的長(zhǎng)度、支座直徑是影響霧化效果的主要因素。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)對(duì)比和迭代設(shè)計(jì)，選用噴嘴芯長(zhǎng)度為24 mm，支座直徑為16 mm 的兩級(jí)固定葉輪，能夠較好地滿(mǎn)足5～30 μm 細(xì)霧滴要求。

2.5 控制單元控制單元包括電源開(kāi)關(guān)、定時(shí)開(kāi)關(guān)、噴頭旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)、流量調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)和控制面板，其中控制面板見(jiàn)圖4。定時(shí)開(kāi)關(guān)主要用于實(shí)現(xiàn)在密閉空間內(nèi)無(wú)人值守噴霧，以降低藥液對(duì)作業(yè)人員的危害，啟動(dòng)定時(shí)開(kāi)關(guān)后30 s 開(kāi)始按設(shè)定時(shí)間自動(dòng)噴霧，配合使用30°噴頭，可實(shí)現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)噴霧。流量調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)上刻有氣霧、彌霧區(qū)間指示，分別用于空間彌散噴灑和表面滯留噴灑。

圖4 操作控制面板

3 樣機(jī)霧化效果試驗(yàn)

最小霧滴粒徑作為噴霧器械最為重要的性能，是影響滅殺效果的關(guān)鍵因素之一，也是防疫消殺器材開(kāi)發(fā)最為關(guān)鍵的核心技術(shù)，通過(guò)搭建霧化單元原理樣機(jī)，試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的合理性。

3.1 霧化單元原理樣機(jī)試驗(yàn)課題組搭建了霧化單元簡(jiǎn)化原理樣機(jī)，噴嘴直徑2 mm，電機(jī)額定輸入功率900 W，最大風(fēng)量3.5 m/min，最大轉(zhuǎn)速32 000 r/min，藥箱用容量2 L、最小刻度1 ml 的量筒替代。見(jiàn)圖5。用清水作為替代藥液，進(jìn)行了霧化效果試驗(yàn)。采用激光粒子計(jì)數(shù)器進(jìn)行霧滴粒徑測(cè)試，得到的霧滴粒徑分布圖見(jiàn)圖6。

圖5 防疫消殺機(jī)原理樣機(jī)

圖6 原理樣機(jī)霧滴粒徑分布圖

經(jīng)過(guò)對(duì)30 min 噴霧過(guò)程的霧滴粒徑進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，原理樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果表明，該原理樣機(jī)霧滴粒徑 均 值 為25.636 μm，其 中，50% 的 粒 徑 小 于18.149 μm，90%的粒徑小于44.633 μm，其面積平均直徑D［3，2］為17.318 μm，體積平均粒徑D［4，3］為25.636 μm。

3.2 科研樣機(jī)試驗(yàn)按照前文所述的艦用防疫消殺機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，加工定制的科研樣機(jī)見(jiàn)圖7。主 機(jī) 外 形 尺 寸330 mm×330 mm×420 mm，重 量6.4 kg，噴霧軟管長(zhǎng)度600 mm，裝滿(mǎn)藥液后總重量約14.8 kg。

圖7 艦用防疫消殺機(jī)科研樣機(jī)

按照J(rèn)B/T 10752?2007《電動(dòng)氣力超低容量噴霧器》［14］的相關(guān)規(guī)定，在國(guó)家植保機(jī)械質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心對(duì)2 臺(tái)科研樣機(jī)進(jìn)行了霧滴性能檢驗(yàn)，試驗(yàn)介質(zhì)為清水，試驗(yàn)儀器包括激光粒譜儀、電子計(jì)量秤、電子秒表等。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 科研樣機(jī)噴霧性能試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，按照該方案研制的艦用防疫消殺機(jī)能夠滿(mǎn)足空間處理效率不小于80 m3/min；表面處理效率不小于10 m2/min；滿(mǎn)足彌霧平均粒徑50～100 μm、氣霧平均粒徑5～30 μm 的工作效率要求。

基于對(duì)艦用防疫消殺機(jī)勤務(wù)功能、霧化方式的論證結(jié)果，設(shè)計(jì)了能夠滿(mǎn)足艦船防疫消殺作業(yè)需求的艦用防疫消殺機(jī)；該樣機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)形式緊湊，能夠滿(mǎn)足艦艇內(nèi)部操作的便攜式、多功能、小型化要求；原理樣機(jī)和科研樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果均表明，樣機(jī)噴霧功能能夠滿(mǎn)足空間噴灑、表面滯留噴灑2 種防疫作業(yè)需求，霧滴粒徑能滿(mǎn)足5～100 μm 可調(diào)的需求，較好地滿(mǎn)足了艦船防疫作業(yè)需求。