周貴東，丁寶鑫，李宇飛，白一銘，劉海堂，陳為琦

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163319)

1 靜電噴霧技術(shù)應(yīng)用研究現(xiàn)狀及研究目的

1.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

靜電噴霧技術(shù)在國外的研究和應(yīng)用早于國內(nèi)，自20世紀(jì)70年代開始，美國等西方農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國家，通過大量試驗對靜電噴霧技術(shù)原理展開探索[1-3]。如美國學(xué)者Law研制了基于感應(yīng)式靜電噴霧系統(tǒng)的靜電噴霧機(jī)和離心式靜電噴霧機(jī)等地面噴霧設(shè)備，取得了較好的作業(yè)效果[4-5]。美國 ESS 公司在已有研究成果基礎(chǔ)上，進(jìn)行了靜電噴霧配套機(jī)械的研制，并將輔助氣流與靜電進(jìn)行結(jié)合，實現(xiàn)了靜電噴霧設(shè)備的商品化[6-7]。在之后的多年里，相關(guān)學(xué)者基于航空施藥機(jī)械，開展配套靜電噴霧系統(tǒng)的研制，取得了較高的科技成果和經(jīng)濟(jì)效益。國內(nèi)對靜電噴霧技術(shù)的研究開展相對較晚，靜電噴霧的主要應(yīng)用對象是小型植保機(jī)械，如小型背負(fù)式靜電噴霧器、靜電噴霧車和風(fēng)送式靜電噴霧機(jī)，除此之外，國內(nèi)相關(guān)學(xué)者也利用靜電噴霧技術(shù)圍繞多種作物開展噴霧性能和病蟲害防治效果的研究[8]。如江蘇大學(xué)對靜電噴霧理論及其測試技術(shù)進(jìn)行了一系列的研究，試制法拉第桶式荷質(zhì)比測量裝置[9]。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研究團(tuán)隊研制了針對于果園的自動對靶靜電噴霧機(jī)。山西農(nóng)業(yè)大學(xué)研究團(tuán)隊設(shè)計了可消除反向電離的氣力式靜電噴頭[10-11]。

經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，我國農(nóng)業(yè)靜電噴霧技術(shù)尚處于技術(shù)研發(fā)階段，該技術(shù)在推廣和轉(zhuǎn)化上稍顯不足，除此之外我國的航空植保機(jī)械常應(yīng)用于應(yīng)對突發(fā)性災(zāi)害和特殊作物的病蟲草害防治，主要作為地面植保機(jī)械的補充性工具，為提升其地位，必須提高其噴霧質(zhì)量。由于田間作業(yè)環(huán)境復(fù)雜、植保無人機(jī)噴霧作業(yè)對病蟲害藥效的防治效果并非完全明朗，部分專家對大面積推廣和應(yīng)用該項技術(shù)還存在疑慮。只有更好地解決現(xiàn)有靜電噴霧系統(tǒng)充電效率較低、通用性和配套性較差的問題，才能保證整個靜電噴霧系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性。

1.2 研究目的

為減少霧滴飄移，提高航空植保過程中藥液有效利用率，本研究將靜電噴霧技術(shù)與植保無人機(jī)技術(shù)相結(jié)合，利用電場力增強(qiáng)霧滴在作物表面的附著力和沉積均勻性，并運用植保無人機(jī)變量噴霧技術(shù)，達(dá)到減量高效施藥的目的。通過試驗的方法，對比靜電噴霧系統(tǒng)和常規(guī)噴霧的實際作業(yè)效果，從沉積特性方面，分析靜電噴霧的技術(shù)優(yōu)勢，為進(jìn)一步優(yōu)化靜電噴霧技術(shù)提供指導(dǎo)和數(shù)據(jù)支撐。

2 農(nóng)用植保無人機(jī)靜電噴霧系統(tǒng)

將感應(yīng)式靜電充電技術(shù)運用于靜電噴霧系統(tǒng)的設(shè)計中，該系統(tǒng)組成包括供電電源、感應(yīng)環(huán)懸架、感應(yīng)環(huán)、離心噴頭、靜電發(fā)生器等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中關(guān)鍵部件為適用于植保無人機(jī)的感應(yīng)式離心靜電噴頭，該部件安裝于旋翼正下方。以防止旋翼下壓風(fēng)場干擾霧化效果。采用12 V直流電源配合可調(diào)靜電發(fā)生器為靜電噴頭充電，電源等部件布置于無人機(jī)橫軸下部。無人機(jī)作業(yè)平臺為四旋翼植保無人機(jī)，噴頭軸向距離為180 cm，無人機(jī)藥箱容積為10 L，電池容量為16 000 mA·h，無人機(jī)作業(yè)續(xù)航時間為15 min左右。

1.RTK差分天線模塊；2.供電電源；3.感應(yīng)環(huán)懸架；4.感應(yīng)環(huán)；5.離心噴頭；6.靜電發(fā)生器；7.藥箱

2.1 靜電噴頭

靜電噴霧系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件為感應(yīng)式靜電噴頭，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，噴頭組成包括電極安裝架、感應(yīng)環(huán)、出水口、旋葉、離心噴頭固定柱等。感應(yīng)電極材料為紫銅，該材料具有高導(dǎo)電性，另外材料具有一定耐腐蝕性，能夠保證較長使用壽命和較高荷電效率，感應(yīng)環(huán)與噴頭呈軸向嵌套布置，內(nèi)部保持較小間隙，電極安裝架為尼龍絕緣材料。

1.電極安裝架；2.感應(yīng)環(huán)；3.出水口；4.旋葉；5.離心噴頭固定柱；6.進(jìn)水口

2.2 靜電發(fā)生器接線方式

靜電發(fā)生器的接線決定了靜電噴霧系統(tǒng)的穩(wěn)定運行能力。采用感應(yīng)式荷電方式，利用可調(diào)式靜電發(fā)生器正極與感應(yīng)環(huán)相連，負(fù)極需要接地。系統(tǒng)接線簡圖如圖3所示。當(dāng)系統(tǒng)搭載平臺為無人機(jī)時，靜電發(fā)生器的負(fù)極連接農(nóng)用植保無人機(jī)機(jī)架金屬支架，此時負(fù)極端相當(dāng)于接地處理。

圖3 接線方式

2.3 靜電噴霧流量控制

為保證荷電效果，必須將充電過程與噴霧量進(jìn)行匹配，要求噴霧流量保持穩(wěn)定，為此設(shè)計植保無人機(jī)流量控制系統(tǒng)，該流量控制系統(tǒng)包含噴灑控制裝置、噴灑裝置、流量檢測裝置。在工作過程中，無人機(jī)飛控系統(tǒng)將飛行數(shù)據(jù)傳輸給噴灑控制模塊，通過PWM脈寬調(diào)制器調(diào)整水泵噴灑參數(shù)，最終控制噴灑流量值。

3 試驗設(shè)計和方法

3.1 試驗設(shè)計

試驗為田間試驗，在試驗進(jìn)行過程中，利用手持式風(fēng)速儀及溫濕度測量儀，對試驗區(qū)域的氣象條件進(jìn)行測量和記錄。所使用的試驗器材為風(fēng)速儀、米尺、水敏紙、多旋翼植保無人機(jī)、掃描儀、計算機(jī)、自封袋、曲別針、自來水。田間試驗所需材料及其具體用途如下表1。

表1 試驗材料與用途

選取四旋翼植保無人機(jī)進(jìn)行靜電噴霧和普通噴霧對比試驗，藥箱容量10 L，噴霧壓力0.15～0.4 MPa，額定噴幅5.5 m，用水量30 L·hm-2。霧滴檢測專用水敏紙的用途在于可以在田間觀測霧滴沉積效果，采集霧滴后的水敏試紙風(fēng)干處理，再用激光掃描儀對水敏試紙上的霧滴痕跡進(jìn)行掃描，最后運用圖像處理軟件進(jìn)行霧滴尺寸及密度分析。

3.2 試驗方案

為探明植保無人機(jī)施藥過程中，霧滴在靶標(biāo)作物上方的運動和分散狀態(tài)，試驗內(nèi)容包括穿透性檢測和飄移性能檢測。選取玉米和大豆兩種作物作為靶標(biāo)作物，分別劃定兩塊長30 m，寬15 m的試驗田塊，沿飛行航線劃定噴霧區(qū)與飄移采樣區(qū)，在噴霧區(qū)每隔2 m選取2株作物，在葉片正面、反面及距頂部15 cm的冠層正面布置水敏紙。試驗噴霧工作參數(shù)如下表2，作物冠層布點方式如圖4所示，水敏紙?zhí)镩g布點如圖5所示。

表2 試驗參數(shù)

圖4 水敏紙冠層布點示意圖

圖5 水敏紙?zhí)镩g布點

將霧滴采集水敏紙干燥后，按照采樣點位置將水敏紙進(jìn)行分類和編號，經(jīng)過掃描和圖像處理，軟件自動計算采樣位置的霧滴沉積量。最后將試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和計算，取得變異系數(shù)CV值，該指標(biāo)可以準(zhǔn)確反應(yīng)出霧滴沉積的均勻程度

(1)

(2)

式中S—同一次采集樣本標(biāo)準(zhǔn)差；

Xi—各采樣點霧滴沉積量,uL·cm-2；

n—各次采樣點數(shù)。

4 結(jié)果與分析

4.1 霧滴沉積均勻性對比分析

為簡化記錄并便于區(qū)分各組試驗數(shù)據(jù)，用字母A、B分別代替大豆和玉米。若噴霧方式為靜電噴霧則用+號表示。通過對數(shù)據(jù)的匯總與計算，得到霧滴采集信息匯總表(表3)。

表3 霧滴采集信息匯總表 單位：%

在相同作業(yè)條件下，對比靜電噴霧與非靜電噴霧的霧滴沉積效果發(fā)現(xiàn)，靜電噴霧的沉積量變異系數(shù)更小，減小幅度在25%左右，證明了使用靜電噴霧技術(shù)能夠有效提高噴霧沉積均勻性。

4.2 霧滴飄移分析

考慮到作物植株類型對霧滴飄移程度幾乎無影響，因此在大豆試驗田塊范圍內(nèi)選取飄移試驗區(qū)域，設(shè)置目標(biāo)組與對照組，分別對沉積量進(jìn)行采集，綜合室外試驗現(xiàn)場風(fēng)向，選取下風(fēng)向為飄移區(qū)，分別收集目標(biāo)區(qū)域與飄移區(qū)域霧滴，并按照區(qū)域收集水敏試紙，掃描后進(jìn)行圖像處理。經(jīng)過計算，得出飄移區(qū)域的霧滴沉積量，并對霧滴體積中徑進(jìn)行統(tǒng)計，得出霧滴飄移信息采集表(表4)。

表4 霧滴飄移信息采集匯總表

綜合霧滴飄移沉積數(shù)據(jù)，在一定的噴霧高度范圍內(nèi)，航空噴霧系統(tǒng)所產(chǎn)生的藥液霧滴具有更低的飄移率及更小的體積中徑，飄移減少量在28%左右。由此可以推斷，靜電噴霧技術(shù)能夠在保證有效沉積量的前提下，提升噴霧的霧化效果，使藥液霧滴在作物靶標(biāo)表面沉積狀態(tài)更加均勻。

5 結(jié)論與展望

5.1 結(jié)論

本研究主要開展了植保無人機(jī)配套靜電噴霧系統(tǒng)設(shè)計及其沉積性能試驗研究，通過對比靜電噴霧與普通噴霧在霧滴粒徑、均勻性、飄移性等沉積性能指標(biāo)，分析得出靜電噴霧技術(shù)工作特點，試驗數(shù)據(jù)表明，該系統(tǒng)能夠提高植保無人機(jī)霧滴沉積均勻度25%左右，降低霧滴飄移量28%左右，證實航空靜電噴霧技術(shù)可減少農(nóng)藥的使用量，降低種植成本，有利于農(nóng)田環(huán)境保護(hù)。

5.2 展望

目前，靜電噴霧系統(tǒng)已應(yīng)用于植保機(jī)械中，但在試驗中發(fā)現(xiàn)該技術(shù)還存在一定的不足，主要表現(xiàn)為藥液霧滴穿透能力不足，這與霧滴的尺寸存在一定關(guān)聯(lián)，若將靜電噴霧技術(shù)與植保無人機(jī)結(jié)合，借助無人機(jī)旋翼下風(fēng)場的作用，有利于提高霧滴穿透性能。因此下一步還應(yīng)對靜電噴霧系統(tǒng)作用位置進(jìn)行優(yōu)化，配合旋翼風(fēng)場擾動作用，提高靜電霧滴在作物冠層下部的沉積量，以充分發(fā)揮靜電噴霧技術(shù)的能力。