周瑞瓊，張慧春，鄭加強，周宏平，唐雨生，汪 東

（1.南京林業(yè)大學 機械電子工程學院，江蘇 南京 210037；2.江蘇省生產力促進中心，江蘇 南京 210042；3.南京森林警察學院，江蘇 南京 210023）

噴施化學農藥是病蟲草害防治的重要手段，其作業(yè)效率影響著農作物產量的高低，更對環(huán)境保護和農產品安全具有決定作用[1-4]。目前，我國在林業(yè)病蟲害的防治作業(yè)中大多采用液力霧化技術，由于林木樹冠高大、枝葉茂密、純液力霧化的霧滴很難穿透林木冠層并沉積均勻，往往霧滴在外層稠密葉幕阻擋下聚集形成水滴滾落流失，造成冠層內部及樹干病蟲害得不到有效控制，不得不采用大容量、淋洗式噴霧方法，增加噴藥次數(shù)，造成農藥的大量浪費和嚴重的環(huán)境污染[5-7]。為了發(fā)揮農藥的最佳效力達到有效防治的效果，霧化后的農藥霧滴必須均勻、適當?shù)胤植荚谥参锶~片等靶標上，達到一定的富集量[8]。先進的噴霧技術與裝備研究開發(fā)是降低農藥污染和提高防治效果的關鍵，農藥最佳沉積分布的條件就是單位面積內的農藥劑量衰減至低于致死劑量前病害、蟲害必須獲得致死劑量[9-10]。

移動式噴霧主要適合于城市綠化樹、公路行道樹、苗圃林木、公園景區(qū)高大樹木、以及果園果樹的病蟲害防治工作，特點在于勞動強度小、工作效率高。目前國內生產的農用噴霧機較好，但針對林木病蟲害防治的移動噴霧機具和技術比較落后，與先進國家產品存在差距，難以林木病蟲害防治的高效、環(huán)保需求。國內外眾多專家學者也對此進行了開發(fā)設計，如福建省林業(yè)科學研究院設計了3WZ-300T 型噴霧車，其結構包括了車架底盤系統(tǒng)、容器系統(tǒng)和噴霧工作系統(tǒng)3 大部分，移動式噴霧車動力通過減速裝置驅動柱塞泵，柱塞泵將藥液箱中的藥液抽出并加壓，由噴頭霧化噴灑到葉面上，車架底盤有2 個轉向輪，轉向靈活，能夠輕便地推動整機，邊行走邊作業(yè)[11]。河北省利用南通廣益機電有限公司開發(fā)的6HW—50 高射程噴霧機進行林木病蟲害防治作業(yè)，高射程噴霧機由發(fā)電機組、噴霧系統(tǒng)、風送系統(tǒng)、供藥系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成。發(fā)電機發(fā)出電能，通過控制系統(tǒng)驅動風送系統(tǒng)、噴霧系統(tǒng)和供藥系統(tǒng)進行工作，風送系統(tǒng)的周流風機產生強大的氣流，將經過供藥系統(tǒng)和噴霧系統(tǒng)霧化后的農藥霧滴輸送到防治目標，從而達到防治目的[12]。江蘇大學基于UTM-30LX 型激光傳感器搭建了室內仿真樹靶標檢測試驗平臺，模擬移動噴霧時復雜路況設計了滾轉角、俯仰角和偏航角等姿態(tài)角偏移檢測試驗，提出了采用極坐標值與三角函數(shù)重新匹配、檢測幀與檢測點重新組合和深度值系數(shù)矯正等3 種姿態(tài)角偏移矯正方法，消除激光傳感器姿態(tài)角的偏移對噴霧靶標檢測的影響，獲取精確的噴霧靶標外形尺寸信息以及三維重構圖像，滿足了移動噴霧時變量噴霧檢測的精度要求[13]。

林木植株冠形差異巨大，枝葉茂密繁盛，生長周期較長，因此針對林木病蟲害防治應選擇適宜的農藥藥劑、配備合適的噴頭等噴霧藥械，采用正確的壓力和移動速度等噴霧技術，只有達到農藥藥劑施藥器械與噴霧技術的優(yōu)化，才能提高施藥效率，避免農藥浪費和環(huán)境污染[14-16]。林業(yè)病蟲防治生產作業(yè)時，常常以樹木葉片被噴施至藥液流淌（雨淋式即淋洗式噴霧）作為衡量噴霧質量的標準，但是增加施藥量不僅加大了成本，也會導致過度使用的農藥流失、浪費和污染[17]。藥液經噴霧器械霧化后形成霧滴沉積在植物葉面，形成斑點狀分布，業(yè)內經常將單位面積上的霧滴數(shù)、霧滴粒徑及霧滴覆蓋率等定義為農藥沉積結構，趁機結構通過影響病害、蟲害與藥劑的接觸幾率和接觸期間獲得的農藥劑量來致死，為了研究實際噴霧作業(yè)中霧滴的穿透能力，即霧滴能克服葉幕中空氣的阻力，順利進入葉冠內部，并沉積在內部枝葉上[18]，本研究擬采用移動噴霧測試系統(tǒng)，研究噴頭移動速度、噴頭類型（包括孔徑）和噴霧壓力對霧滴穿透規(guī)律的影響特性。

1 材料與方法

1.1 試驗系統(tǒng)

建立了移動噴霧測試系統(tǒng)，如圖1所示，由供液模塊、噴霧壓力調控和速度實時顯示模塊、噴頭高度和角度調節(jié)模塊、速度控制調節(jié)模塊和防沖撞限位模塊5 大部分組成。

圖1 移動噴霧測試系統(tǒng)的整體三維結構簡圖像Fig.1 The overall three - dimensional structure of the mobile spray test system

工作原理為：試驗前，將移動噴霧系統(tǒng)的手動調節(jié)旋轉底座和高度調節(jié)架調節(jié)至試驗指定位置，然后鎖緊緊定螺釘；接通軌道車電機電源；打開速度顯示系統(tǒng)，調節(jié)至理想的試驗速度，實現(xiàn)系統(tǒng)定速運動。試驗開始時，先把壓力調節(jié)器調至最小檔，接通高壓泵的電源，然后調節(jié)壓力調節(jié)器至試驗指定壓力，按動遙控器按鈕啟動軌道車，實現(xiàn)噴頭沿著水平方向的定速移動，從而實現(xiàn)試驗過程中噴頭的羽流可以沿系統(tǒng)運動方向掃過靶標區(qū)域，完整地覆蓋靶標中的測試點。

移動噴霧測試系統(tǒng)實物如圖2所示，包括供液系統(tǒng)、高壓泵、速度控制調節(jié)器、噴頭、仿真樹、高度調節(jié)架、壓力表、移動平臺以及軌道等。

1.2 試驗噴頭

圖2 移動噴霧測試系統(tǒng)實物圖像Fig.2 Physical map of mobile spray test system

農林生產中一般在噴施機械上安裝扇形噴頭，其具有能產生高沖擊力的液柱流、噴霧分布均勻、霧滴粒徑適中等特點[19-21]。因此，本研究試驗采用了國產和進口扇形噴頭，分別為：蘇州藍翱精密塑膠有限公司與農業(yè)部南京農業(yè)機械化研究所合作開發(fā)、生產的F110 系列扇形噴頭；富錦市立興植保機械制造有限公司生產的T110 系列國產扇形噴頭和立成型L110 系列國產扇形噴頭；美國TeeJet 公司生產的XR110 型延長范圍扇形噴頭、AIXR110 型氣吸扇形噴頭和TP110 型均勻航空用扇形噴頭。噴頭標號的意義解釋如下:以XR11002為例，“XR”為噴頭類型，“110”為噴霧角度，“02”為噴頭孔徑。圖3為供試噴頭實物圖（以噴頭孔徑為03 為例），圖4為國產噴頭（以F110系列為例）的結構圖。

圖3 供試噴頭Fig.3 Nozzles for the test

圖4 國產F110 系列噴頭結構圖像Fig.4 Structure of domestic F110 nozzles

在南京林業(yè)大學機械電子工程學院林業(yè)機械系植保機械實驗室，以移動噴霧系統(tǒng)為試驗臺，進行室內霧滴穿透試驗。其中移動噴霧系統(tǒng)軌道長12 m，有效工作長度9 m，行進速度0～3.0 m/s可調。

1.3 試驗設計

試驗靶標為仿真樹，該仿真樹冠幅為1.08 m，株高為1.26 m，靶標沿行駛方向平行放置在離噴頭出口1 m 處，噴頭距離地面1 m。如圖5(a)所示，在仿真樹冠層內，以樹干為垂直線，把冠層以垂直高度均分為3 個部分，兩條分割線處各均分4 個部分，共8 個放置點（上層沿逆時針方向分別為u1、u2、u3、u4，中層沿逆時針方向分別為m1、m2、m3、m4），用回形針在每個布置點卡住一張采樣卡（采樣卡尺寸4.95 cm×3 cm），用于測定每個布置點的霧滴沉積覆蓋率，以此來測試噴霧技術參數(shù)對霧滴穿透規(guī)律的影響。每組的試驗都重復進行3 次，取其平均值作為最終的數(shù)據(jù)。

在移動噴霧穿透性試驗中，試驗采樣點布置見圖5(b)所示，在每張采樣卡背后標記試驗參數(shù)后，用回形針把采樣卡固定在相對應的冠層處，把各點選定的葉片作上記號，方便保證每一次試驗采樣卡都是在同一位置，保證所有每次的試驗采樣點布置正確。將濃度為0.5%的可食用色素溶液作為噴霧介質。待采樣卡布置完畢后，根據(jù)表1設置噴頭型號、噴頭孔徑、移動速度、噴霧壓力等操作參數(shù)，然后啟動噴霧系統(tǒng)，使之以所設速度行駛經過采樣點布置區(qū)，霧滴被系統(tǒng)噴出沉積到采樣卡上，待霧滴干燥后，用標記好對應參數(shù)的自封袋收集采樣卡，再采用CardScan 采樣卡掃描儀對采樣卡進行表面掃描，最后用iDAS PRO霧滴沉積分析系統(tǒng)分析每張采樣卡的霧滴覆蓋率。

圖5 試驗過程示意圖像Fig.5 Schematic diagram of the experimental process

表1 試驗參數(shù)設置?Table1 Testing parameters

2 結果與分析

2.1 移動速度對移動噴霧中霧滴覆蓋率的影響

圖6所示為噴頭F110015、噴施壓力為0.2 MPa、u1 位置處在不同速度下采樣卡的霧滴覆蓋情況，由圖6可見：當噴頭型號和噴施壓力一定時，隨著移動速度的不同，每點的霧滴覆蓋率發(fā)生明顯改變，說明系統(tǒng)的移動速度對于霧滴在葉片上的沉積有著顯著效果，從而直接影響病蟲害致死率等防治效果。

圖6 移動速度不同時采樣卡紙上的霧滴覆蓋率結果Fig.6 Droplet coverage results of sample card with different moving speed

因為u1 位置的高度冠層最大，所以可以這樣認為，u1 處采樣卡表面霧滴覆蓋率最大的操作參數(shù)為最佳組合[15]。對于噴頭F110015 來說，當移動速度為0.25 m/s、噴霧壓力為0.2 MPa 時，u1 處采樣卡表面霧滴覆蓋率達到最大，為17.11%。

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，繪制移動速度與霧滴覆蓋率關系柱狀圖，以及3 次試驗數(shù)據(jù)的最大值與最小值的誤差條圖，可以得出u1 位置處移動速度對霧滴覆蓋率的影響變化趨勢如圖7。

圖7 移動噴霧時系統(tǒng)移動速度對霧滴覆蓋率的影響Fig.7 Results of moving speed on droplet coverage in the moving spraying

由圖7分析可知：對于在噴霧壓力不同的試驗條件下，移動速度對霧滴覆蓋率的影響表現(xiàn)出相似的規(guī)律。當系統(tǒng)的移動速度減慢，可增加植物葉片霧滴的沉積，提高冠層的穿透性；然而速度太慢，將導致霧滴長時間大量聚集，可能形成雨淋式即淋洗式噴霧；當系統(tǒng)的移動速度加快，可減少霧滴在樹木上的過量聚積，提高工作效率，擴大防治面積；然而速度太快，在樹木冠層外層稠密葉幕阻擋下，很難有效控制冠層內部葉片及樹干病蟲害，防治效果不佳。

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當移動速度從0.25 m/s 變化到1.00 m/s 時，F(xiàn)110015、F11002、F11003、F11004 和F11005 噴頭噴施出的霧滴覆蓋率隨著移動速度的增加呈現(xiàn)變大的趨勢，為1.00 m/s 時，噴頭F110015 對應的霧滴覆蓋率較低，主要因為F110015 的噴頭孔徑較小，形成的霧滴粒徑較小，在到達靶標的過程中需要克服空氣阻力，再加上移動速度較大，作用于相反方向的氣流阻力也較大，運行時間延長，實際上就相當于增加了霧滴行進的距離，霧滴粒徑進一步減小，更容易發(fā)生蒸發(fā)和飄移現(xiàn)象，所以落在目標采樣卡上的數(shù)量和表面積較小，對應的霧滴覆蓋率就較低。

2.2 噴頭孔徑對移動噴霧中霧滴覆蓋率的影響

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，繪制噴頭孔徑與霧滴覆蓋率關系的柱狀圖，以及3 次試驗數(shù)據(jù)的最大值與最小值的誤差條圖，取u1 位置的覆蓋率，可以得出噴頭孔徑對霧滴覆蓋率的影響變化趨勢如圖8。

圖8 噴頭孔徑對移動噴霧中霧滴覆蓋率的影響Fig.8 Results of nozzle orifice on droplet coverage in the moving spraying

按噴頭孔徑的不同，本研究試驗噴頭共分5種，從圖8可以分析出，在一定的移動速度和噴霧壓力下，霧滴覆蓋率基本都隨著噴頭孔徑的增大呈現(xiàn)先增大再減少的變化趨勢。主要是因為:當噴霧壓力保持不變時，液體流速隨著噴頭孔徑的增大而減小，液體破碎所需要的動能減少，霧滴粒徑變大[22]。通常，當霧滴粒徑比較小時，霧滴穿過冠層落在采樣卡上的數(shù)量較多，但是表面積較小，所以霧滴覆蓋率較低；當霧滴很大時，霧滴重力較大，在到達靶標的過程中部分大霧滴已經沉積到地面或樹干上，落到目標采樣卡上的數(shù)量較少，所以霧滴覆蓋率也較低；反而霧滴大小處于中間范圍時，霧滴穿過冠層落在采樣卡上的數(shù)量較多，而且霧滴表面積也較大，所以呈現(xiàn)出較高的霧滴覆蓋率。

在噴霧壓力達到0.3 MPa 時，F(xiàn)11003、F11004和F11005 這3 種噴頭孔徑的霧滴覆蓋率特別的高，主要是因為當噴頭孔徑較大，并且噴霧壓力較大時，這時候導致霧滴大量聚集，可能會形成淋洗式噴霧，如果在實際作業(yè)中出現(xiàn)，會造成農藥浪費和污染環(huán)境。

2.3 噴霧壓力對移動噴霧中霧滴覆蓋率的影響

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，繪制噴霧壓力與霧滴覆蓋率關系的柱狀圖，以及3 次試驗數(shù)據(jù)的最大值與最小值的誤差條圖，可以得出u1 位置處噴霧壓力對霧滴粒徑的影響變化趨勢如圖9。

2.4 響應面模型及因素交互作用對霧滴覆蓋率的影響

以本研究移動噴霧中霧滴覆蓋率的試驗結果為基礎，使用數(shù)據(jù)分析軟件Design Expert[23]進行多元回歸擬合，分析噴霧參數(shù)與霧滴覆蓋率的響應關系，建立霧滴覆蓋率與噴頭孔徑、移動速度和噴霧壓力的回歸模型，由軟件最優(yōu)算法計算出如下二次回歸模型，

圖9 噴霧壓力對移動噴霧中霧滴覆蓋率的影響Fig.9 Results of operating pressures on droplets coverage in the moving spraying

式中：A為噴頭孔徑，mm；B為噴霧壓力，MPa；C為移動速度，m/s；Y為霧滴覆蓋率，%。

如表2所示，為響應面回歸模型分析結果。

表2 響應面回歸模型分析結果Table2 Results of response surface model analysis

從表2可知，每個因素對響應方程影響的顯著性由F檢驗得到，P值越小，就說明這個因素對響應值的影響越顯著[18]。模型F值為4.97，表明這個模型是顯著的；如果P值小于0.05，則表明這個因素是顯著的；如果P值大于0.10，則表明這些因素是不顯著的。分析發(fā)現(xiàn)，覆蓋率模型Y影響極顯著（P＜0.01）的因素有噴霧壓力B，顯著（P＜0.05）的因素有AB，即噴頭孔徑和噴霧壓力的交互因素顯著，而其它項影響均不顯著（P＞0.05）。經過統(tǒng)計分析，得到影響噴頭穿透效果大小的因素次序為：噴霧壓力＞搭載平臺移動速度＞噴頭孔徑。

以試驗數(shù)據(jù)為基礎，運用Design Expert 數(shù)據(jù)分析軟件分析噴頭孔徑、移動速度與噴霧壓力對霧滴覆蓋率交互作用的響應曲面圖，如圖10所示。

圖10 因素交互作用對霧滴覆蓋率的影響Fig.10 Results of interactive factors on droplets coverage

圖10(a)顯示移動速度為0.5 m/s 時，噴頭孔徑和噴霧壓力對霧滴覆蓋率交互作用的響應曲面圖。當C=0.5 m/s 時，霧滴覆蓋率Y隨著噴頭孔徑A與噴霧壓力B的增大而增加；當噴頭孔徑較小時（A＜03），隨著噴霧壓力B的增大，霧滴覆蓋率呈現(xiàn)先降低再增高的趨勢，但總的趨勢較緩慢；當噴頭孔徑較大時(A 大于03)，隨著噴霧壓力B 的增大，霧滴覆蓋率增高的趨勢明顯。主要是因為當噴頭孔徑較小時，所對應的霧滴粒徑也較小，霧化質量較好，這時噴霧壓力的改變對霧滴粒徑的影響不大，所以總的趨勢較緩慢；當噴頭孔徑較大時，所對應的霧滴粒徑較大，霧化質量不好，這時噴霧壓力的改變對霧滴粒徑的影響較大，所以霧滴覆蓋率增高的趨勢較明顯。

圖10(b)為噴霧壓力為0.3 MPa 時，噴頭孔徑和移動速度對霧滴覆蓋率交互作用的響應曲面圖。當B=0.3 MPa 時，隨著移動速度的增加，霧滴覆蓋率呈現(xiàn)降低趨勢；隨著噴頭孔徑的增加，霧滴覆蓋率呈現(xiàn)增高趨勢。

圖10(c)為噴頭孔徑為04 時，噴霧壓力和移動速度對霧滴覆蓋率交互作用的響應曲面圖，隨著噴霧壓力的增加，霧滴覆蓋率急劇增高。

3 結論與討論

本研究在室內環(huán)境下，采用移動噴霧測試系統(tǒng)研究了霧化噴頭孔徑、噴施壓力、噴頭移動速度等因素對霧滴穿透性能和沉積分布的影響，得到以下結論:

在移動噴霧防治林木病蟲害過程中，影響噴頭穿透效果大小的因素次序為：噴霧壓力＞搭載平臺移動速度＞噴頭直徑，建立了以噴頭孔徑、搭載平臺移動速度和噴霧壓力為自變量、以霧滴覆蓋率為應變量的多元非線性回歸模，霧滴沉積量隨著噴霧壓力的增加呈現(xiàn)增加的趨勢。

當移動速度為最小的0.25 m/s 時，霧滴沉積量明顯高于其余速度，因為速度越小，噴霧在靶標區(qū)域停留時間越長，相應的霧滴沉積量也就越大；當移動速度適中的情況下（移動速度為0.50 m/s 和0.75 m/s），選擇較大的噴霧壓力可以提高霧滴覆蓋率，當移動速度為1.00 m/s 時，噴頭F110015 對應的霧滴覆蓋率較低，霧滴沉積量處于最低的狀態(tài)，因為速度越大，噴霧在到達靶標的同時，還受到與移動速度相反的空氣阻力，增加霧滴運動距離，導致霧滴沉積量變少。

建立霧滴覆蓋率與噴頭孔徑、移動速度和噴霧壓力的二次回歸模型，分析各因素交互作用對霧滴覆蓋率的影響。當移動速度為0.5 m/s 時，霧滴覆蓋率隨著噴頭孔徑和噴霧壓力的增大而增加，當噴頭孔徑較小時（＜03），隨著噴霧壓力的增大，霧滴呈現(xiàn)先降低再增高的趨勢，但總的趨勢較緩慢；當噴頭孔徑較大時（＞03），隨著噴頭壓力的增大，霧滴覆蓋率增高的趨勢明顯。當噴霧壓力為0.3 MPa 時，隨著移動速度的增加，霧滴覆蓋率呈現(xiàn)降低的趨勢，隨著噴頭孔徑的增加，霧滴覆蓋率呈現(xiàn)增高趨勢；當噴頭孔徑為04 時，隨著噴霧壓力的增加，霧滴覆蓋率急劇增高。

本研究結果對于植保作業(yè)中移動噴霧參數(shù)確定和器械選擇提供了理論依據(jù)與應用參考，未來的研究還可以從以下幾個方面開展：

考慮到樹木冠層濃密、枝葉繁茂，可以使用風送系統(tǒng)增加定向輸送能力和對靶穿透性，因此可以研究風量大小對移動噴霧過程中霧滴穿透性的影響；不同的生長階段，樹木的形態(tài)特征差異巨大，因此，可以設計針對不同生長階段、樹木形態(tài)特征的移動變量噴霧系統(tǒng)，改變噴頭在噴桿上的個數(shù)、間距等，研究變量噴霧系統(tǒng)對移動噴霧過程中霧滴穿透性的影響。