摘要：液體壓力式噴霧機(jī)和氣力式噴霧機(jī)被廣泛應(yīng)用于果園植保作業(yè)，但由于噴霧技術(shù)缺陷仍存在藥液利用率低以及無法按需施藥等問題。靜電與變量噴霧技術(shù)能有效提高農(nóng)藥沉積率，減少農(nóng)藥漂移，更好的滿足節(jié)水省藥的作業(yè)需求，從而得到了廣泛應(yīng)用。

　　本文對液體壓力式噴霧機(jī)和氣力式噴霧機(jī)，靜電和變量噴霧技術(shù)的研究進(jìn)展分別進(jìn)行了闡述，并對噴霧機(jī)械未來發(fā)展進(jìn)行了展望，在農(nóng)機(jī)農(nóng)藝深入融合背景下，自動化噴霧系統(tǒng)集成研究與產(chǎn)品化將成為熱點，果園噴霧機(jī)械藥量控制方法與系統(tǒng)開發(fā)將成為重要研究方向，根據(jù)作業(yè)對象，選取合適的噴霧機(jī)械，搭載靜電噴霧與變量噴霧系統(tǒng)來提高藥液利用率將成為果園噴霧機(jī)械的未來趨勢。

　　關(guān)鍵詞：噴霧機(jī)械;氣力式;液力式;靜電噴霧;變量噴霧

　　我國的果園總面積和總產(chǎn)量目前居世界第一。據(jù)國家統(tǒng)計局資料顯示，2016年全國果園面積達(dá)到12981.55千公頃。現(xiàn)代果園植保作業(yè)常采用化學(xué)、物理、生物防治方法，其中化學(xué)防治法以防治及時、效率高，技術(shù)成熟而被全球廣泛使用。我國2018年農(nóng)藥使用了337萬噸，利用率36.36%[1]，極少數(shù)的藥劑沉積在靶標(biāo)上起到殺蟲作用[2]。

　　其余沉積在土壤里彌漫到空氣中的農(nóng)藥，危害了人的健康并使得病蟲害的抗藥性增加，這迫使人們尋找提高藥液利用率的高效噴霧技術(shù)。目前，果園植保作業(yè)主要采用液體壓力式噴霧機(jī)和氣力式噴霧機(jī)進(jìn)行病蟲害防治，但多數(shù)采用定量噴施，尚未達(dá)到精準(zhǔn)對靶，智能噴施[3]。

　　為了達(dá)到作業(yè)效果，只能增加施藥量，這促使科研工作者尋求新的果園噴霧技術(shù)與噴霧機(jī)械配合。而靜電噴霧技術(shù)和變量噴霧技術(shù)以較高的藥液利用率，良好的作業(yè)效果受到農(nóng)業(yè)從業(yè)者的重點關(guān)注。本文將通過概述液體壓力式，氣力式噴霧機(jī)研究現(xiàn)狀，及靜電與變量噴霧技術(shù)進(jìn)展，展望果園噴霧機(jī)械的發(fā)展趨勢。

　　1液體壓力式噴霧機(jī)

　　法國最早使用手動噴霧器噴灑藥劑防治病蟲害[4]，隨后在美國被使用。1900年,汽油發(fā)動機(jī)運(yùn)用到噴霧機(jī)，蘇聯(lián)隨后開展了航空植保作業(yè)，主要運(yùn)用到森林與小麥，馬鈴薯等農(nóng)作物上。上述的霧化方式為液力壓力霧化，即通過特殊裝置將液體呈霧狀噴射出去。通常液力式噴霧機(jī)械分為小型背負(fù)式液力噴霧機(jī)和大型機(jī)動式液力噴霧機(jī)。我國主要使用保有量世界第一的小型背負(fù)式液力噴霧機(jī)[5]。

　　國外通常采用大型機(jī)動式液力噴霧機(jī)，由拖拉機(jī)牽引或自走。目前大型機(jī)動式液力噴霧機(jī)是液力式噴霧機(jī)的主流。國外知名農(nóng)機(jī)裝備公司，如Agrifac、約翰迪爾、凱斯、愛科、海吉、紐荷蘭、久保田等，設(shè)計生產(chǎn)了一系列成熟的自走式噴桿噴霧機(jī)。如約翰迪爾研發(fā)的4830自走式噴霧機(jī)，配備了BoomTracPro自動噴桿高度傳感器，智能顯示器，SprayStar噴量控制裝置，靜液壓驅(qū)動等技術(shù)。

　　其作業(yè)幅寬可達(dá)36m，具備16H連續(xù)作業(yè)能力。法國波爾圖(Berthoud)RAPTOR4200自走式噴藥機(jī)，配備了Ectronic電子調(diào)控系統(tǒng)，可控制噴桿收張，噴灑，壓力流速，每畝噴藥量等各作業(yè)參數(shù)。Axiale噴桿懸掛系統(tǒng)，靜液壓驅(qū)動等，作業(yè)幅寬24-42m，噴桿高度0.5-3.15m可調(diào)。國內(nèi)液力式噴霧機(jī)的作業(yè)噴幅，作業(yè)速度和噴藥質(zhì)量難以適應(yīng)先進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的要求，因此國內(nèi)科研院所，農(nóng)機(jī)所與企業(yè)研發(fā)出一系列大型自走液力式噴霧機(jī)。

　　如現(xiàn)代農(nóng)裝科技股份有限公司研發(fā)了包括3WZG-650、3WZG-750、3WZG-3000A等大型高地隙自走式噴桿噴霧機(jī)，其中3WZG-3000A型號噴霧機(jī)集成了靜液壓驅(qū)動、獨(dú)立式空氣懸架、輪距調(diào)整、多輪液壓助力、變量噴霧、集成底盤等多項技術(shù)，作業(yè)幅寬20-24m，噴桿作業(yè)高度可在0.6-2.2m可調(diào)。

　　噴桿采用自動平衡，有效減少噴桿不規(guī)律運(yùn)動引起噴霧沉積均勻性變化的問題。山東五征集團(tuán)研發(fā)的3WP4-2000和3WP4-1800自走式噴霧機(jī)采用全液壓四輪驅(qū)動、高低速控制及防打滑技術(shù)，具有四輪轉(zhuǎn)向、蟹行轉(zhuǎn)向等多種轉(zhuǎn)向模式，并集成最新北斗GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)和ARAG作業(yè)管理系統(tǒng)，具有導(dǎo)航自動駕駛功能。

　　小型背負(fù)式噴霧機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，價格低廉被廣泛使用，但噴霧射程較短，藥液很難達(dá)到果樹的樹冠與中膛位置，且葉背附著率低。較少的運(yùn)用于果園植保。機(jī)動液力式噴霧機(jī)有較大作業(yè)幅寬，較高的離地間隙，噴桿可布置成門式結(jié)構(gòu)，被用于籬架型果園及果樹幼苗的植保作業(yè)。但國內(nèi)的高地隙自走式噴霧機(jī)缺乏自己的核心技術(shù)，在發(fā)動機(jī)與噴頭方面的研究與國外仍然有一定差距。

　　2氣力式噴霧機(jī)

　　氣力式噴霧機(jī)又稱風(fēng)送式噴霧機(jī)，是現(xiàn)在國內(nèi)外廣泛運(yùn)用的果園植保機(jī)械。它將霧滴隨氣流運(yùn)動送到果樹內(nèi)膛，噴出的液滴經(jīng)過二次碰撞破碎成粒徑更小的霧滴，同時氣流吹動葉片發(fā)生退讓，躲避，扭轉(zhuǎn)等運(yùn)動，有效的增加葉片背部和內(nèi)膛的藥液附著率。國內(nèi)外對果園風(fēng)送式噴霧機(jī)的噴霧機(jī)理與影響規(guī)律進(jìn)行了探索，Crossa等的研究表明風(fēng)速對于靶標(biāo)沉積量的影響并非呈正比關(guān)系。Whit⁃ney等的試驗表明風(fēng)機(jī)的氣流速度場分布影響霧滴的分布。

　　Delele[6]等采用流體力學(xué)仿真探尋作業(yè)速度與噴霧質(zhì)量的關(guān)系。仿真結(jié)果表明：作業(yè)中的風(fēng)送式噴霧機(jī)速度衰減系數(shù)與拖拉機(jī)牽引力和氣流出口速度成正比。周海燕[8]發(fā)現(xiàn)霧滴的直徑越小和氣流速度越相仿，探尋了風(fēng)輪葉片數(shù)、角度對風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的影響。戴奮奮[7]指出對于風(fēng)送式噴霧機(jī)的風(fēng)量的確定，要考慮風(fēng)力末速度。國內(nèi)外科研工作者針對不同的作業(yè)對象研制出一系列風(fēng)送式噴霧機(jī)。

　　風(fēng)送式噴霧機(jī)可以將藥液隨氣流送到果樹冠層內(nèi)部，能有效的減小霧滴粒徑[33]，提高葉片背部附著率[34][35]，現(xiàn)有的風(fēng)送式噴霧機(jī)的研究主要集中在以下三個方面：

　　(1)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)對植保效果的影響。風(fēng)機(jī)作為一個主要部件，它的結(jié)構(gòu)影響著風(fēng)機(jī)的氣流速度場分布，進(jìn)而影響噴霧效果，通過改變風(fēng)機(jī)的導(dǎo)流板以及外形結(jié)構(gòu)達(dá)到理想的效果。

　　(2)技術(shù)參數(shù)對噴霧效果的影響，主要研究了拖拉機(jī)行駛速度、風(fēng)速、噴霧距離等因素對噴霧效果的影響，研究其影響規(guī)律并改進(jìn)噴霧方式，提升噴霧效果。

　　(3)對變量噴霧技術(shù)、仿形技術(shù)、靜電噴霧技術(shù)與風(fēng)送式噴霧機(jī)相結(jié)合的研究，發(fā)現(xiàn)風(fēng)送式噴霧機(jī)具有很好的兼容性，通過對不同技術(shù)融合，用藥量明顯減少且噴霧效果明顯提高。隨著時代的發(fā)展，國家對生態(tài)環(huán)境和人體健康的關(guān)注，以及氣液力噴霧硬件的穩(wěn)步發(fā)展，越來越多的科研工作者投入到環(huán)保高效型施藥技術(shù)的研究上，靜電噴霧技術(shù)，變量噴霧技術(shù)以有效提高農(nóng)藥沉積率，減少農(nóng)藥漂移，更好的滿足節(jié)水省藥的作業(yè)要求等特點受到廣泛關(guān)注。

　　3靜電式噴霧技術(shù)

　　靜電噴霧作為高效低污染新型施藥技術(shù)，受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。1745年的Bose首次提到液體靜電霧化的現(xiàn)象，1882年的Rayleigh，1940年法國Hampe在實驗室中進(jìn)行了靜電噴霧實驗[36]。靜電噴霧技術(shù)應(yīng)用到植保器械中首次出現(xiàn)在美國專利4356528中。該技術(shù)在噴霧過程中噴頭與靶標(biāo)之間建立靜電場，藥液經(jīng)噴頭攜帶上與靶標(biāo)極性相反的電荷，由于藥液和噴頭極性相同，與靶標(biāo)所帶電荷相反，在靜電力與其他外力的共同作用下，荷電霧滴被吸引到靶標(biāo)，并附著在靶標(biāo)的各個部位[37-39]。

　　由于靜電力的作用，霧滴漂移極大減少，并均勻的附著在葉片的正面與背部。Rayleigh率先對靜電噴霧進(jìn)行相關(guān)的理論研究，提出了Rayleigh極限，即帶電液滴能夠維持平衡狀態(tài)的最大帶電量。在這之后Drozin、Hendricks、Kelly等人在噴霧過程中液體錐面的成因和霧滴破碎機(jī)理等方面作了報道[40]。Castleman和Meyer的研究認(rèn)為霧滴從液膜破裂成液絲進(jìn)一步破碎成霧滴[41]。

　　Rash研究了液膜破碎成霧滴的直徑計算公式[42]。美國喬治亞大學(xué)[43]率先將噴頭為嵌入電極-靜電感應(yīng)噴頭的機(jī)動靜電噴霧機(jī)用于棉田作業(yè)，隨后被美國ESS公司買入了其研制出的靜電噴霧系統(tǒng)(ESS)和氣助式靜電噴霧系統(tǒng)(AA-ESS)，研制出一批用于葡萄園，溫室等的靜電噴霧機(jī)，跟普通施藥方式相比有效藥液噴灑量增加了55%[44]。英國科學(xué)家[45]通過風(fēng)洞研究了噴嘴高度，噴嘴直徑，霧滴帶電量以及風(fēng)速對靜電噴霧沉積效果的影響，并給出相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。并研制了一種轉(zhuǎn)盤式靜電噴頭，該噴頭將感應(yīng)電極于轉(zhuǎn)盤同軸旋轉(zhuǎn)，有效解決了電荷泄露的問題[46]。

　　德國[47]曾經(jīng)對多種噴霧機(jī)械用不同的充電方式進(jìn)行靜電噴霧的研究，發(fā)現(xiàn)電暈充電法適于普通田間噴霧機(jī)，與沒有加裝靜電噴霧裝置的噴霧機(jī)相比，靜電噴霧藥液沉積率顯著增加且小霧滴更容易沉積。韓國忠北國立大學(xué)的Gabriel[48]研究了壓力旋流霧化噴頭在靜電場中的霧化特性。結(jié)果表明噴頭在荷質(zhì)比0.27mc/kg，流量0.19L/min，霧滴體積中徑11um，電壓4000v時，該噴頭的沉積效果最佳。

　　以色列的GanMor[49]對靜電扇形噴頭的電極位置與作業(yè)后藥液沉積量進(jìn)行了研究，結(jié)果表明該噴頭的荷電霧滴比普通噴頭的霧滴更易沉積在植物的葉背處，具有良好的藥液沉積效果。印度的Venkata[50]針對普通農(nóng)戶設(shè)計了一種背負(fù)式靜電噴霧裝置，并優(yōu)化其技術(shù)參數(shù)增加了背負(fù)式靜電噴霧機(jī)的可靠性。

　　加拿大的Zhao[51]對靜電霧化噴頭進(jìn)行了分析研究，并把靜電噴霧過程中的電流分為五類。研究結(jié)果表明，當(dāng)電壓突破臨界最大電壓時，繼續(xù)增大電壓，靶標(biāo)上的電荷量不再增加。中國的牛萌萌[52]針對丘陵地區(qū)設(shè)計了一種在線混藥型靜電噴霧機(jī)，發(fā)現(xiàn)噴霧角度影響藥液沉積，有風(fēng)時不適合靜電噴霧機(jī)作業(yè)。何雄奎[53]將靜電噴霧與紅外線傳感器，風(fēng)送式噴霧機(jī)結(jié)合。試驗結(jié)果表明霧滴均勻附著在葉片正反面，用藥量減少50%。

　　4變量噴霧技術(shù)

　　傳統(tǒng)果園噴霧機(jī)以常量噴霧作用于靶標(biāo)，其施藥作業(yè)參數(shù)不能根據(jù)果樹冠層及病害位置自動調(diào)節(jié)。進(jìn)而造成沉積在葉片上的藥液不均勻，導(dǎo)致局部施藥量過多或漏噴，影響農(nóng)藥有效利用率，甚至嚴(yán)重影響到果品品質(zhì)。故開展對果園變量噴霧技術(shù)的研究是藥液高效利用的必然趨勢。

　　目前國內(nèi)外對于精準(zhǔn)對靶方法的研究主要是利用機(jī)器視覺，紅外傳感器，視覺傳感器，超聲波傳感器一種或多種組合傳感方式，通過流量控制系統(tǒng)，根據(jù)反饋信息，精準(zhǔn)判斷目標(biāo)的有無及靶標(biāo)的位置。隨著外界作業(yè)條件的變化來改變作業(yè)參數(shù)。對噴霧作業(yè)進(jìn)行最高效益的優(yōu)化。國內(nèi)外做了很多變量噴霧技術(shù)的研究。

　　5發(fā)展趨勢

　　上述四個方面梳理了果園噴霧機(jī)械及技術(shù)的研究現(xiàn)狀，為改善果園噴霧機(jī)械作業(yè)性能，提高噴霧質(zhì)量，結(jié)合上述國內(nèi)外研究，總結(jié)出值得關(guān)注的幾個方面。

　　5.1自動化噴霧系統(tǒng)集成研究與產(chǎn)品化

　　隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的提高和我國人口老齡化，今后我國的主要人員將流向第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)，這對于農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動化是機(jī)遇也是挑戰(zhàn)，針對精準(zhǔn)對靶技術(shù)，藥量及風(fēng)量控制等技術(shù)發(fā)展水平和產(chǎn)業(yè)化不同的問題，分步驟開展自動化噴霧系統(tǒng)的研究亟待展開，今后的噴霧機(jī)械會逐漸淘汰那些功耗大，效率低的噴霧機(jī)械，轉(zhuǎn)向精準(zhǔn)對靶，智能噴施的噴霧機(jī)械。

　　5.2果園藥量控制方法與系統(tǒng)開發(fā)

　　傳統(tǒng)的噴藥方式大多數(shù)藥液流失到空氣與土壤里，造成了環(huán)境污染和人中毒，也造成病害的抗藥性增加。可持續(xù)發(fā)展要求噴霧機(jī)械提高藥液利用率，從總管道的流量控制與噴頭的流量控制亟需技術(shù)集成與優(yōu)化，到與靶標(biāo)識別與靜電噴霧技術(shù)深入與結(jié)合，國內(nèi)科研院所一方面要關(guān)注國外農(nóng)業(yè)裝備公司產(chǎn)品的缺陷，有針對性的研發(fā)。另一方面針對市場的需求，集成先進(jìn)控制技術(shù)研發(fā)受市場歡迎的藥量控制系統(tǒng)與噴霧機(jī)械。

　　5.3農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合

　　我國地域遼闊地勢復(fù)雜，各地的果園種植模式各有特色。隨著對農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的不斷調(diào)控，今后經(jīng)濟(jì)類果園以及設(shè)施果園的面積不斷增大，目前我國的植保機(jī)械水平將遠(yuǎn)不能滿足，應(yīng)加強(qiáng)農(nóng)機(jī)與園藝之間的配套程度，積極推動噴霧機(jī)械產(chǎn)品研發(fā)，生產(chǎn)與推廣，促進(jìn)適于機(jī)械化生產(chǎn)的新農(nóng)藝，農(nóng)機(jī)農(nóng)藝不斷融合促進(jìn)，進(jìn)一步提高作業(yè)效率，增加果品品質(zhì)。

　　6結(jié)語

　　隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，要求果園噴霧機(jī)械的作業(yè)效率，噴霧質(zhì)量，工作性能不斷提高。綜上可知，液力式噴霧機(jī)技術(shù)成熟，生產(chǎn)了數(shù)量眾多的小型背負(fù)式噴霧機(jī)和作業(yè)幅寬大，作業(yè)效率高的機(jī)動式噴霧機(jī)，但我國的高地隙自走式噴霧機(jī)的發(fā)動機(jī)、智能控制系統(tǒng)、產(chǎn)品可靠性仍與國外有差距;氣力式噴霧機(jī)作為果園噴霧的主流機(jī)械，受到了廣泛的關(guān)注與研究。

　　其風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)等技術(shù)參數(shù)對噴霧效果的影響取得了一定的成果，但針對不同作業(yè)對象，仍需針對性的開發(fā);靜電噴霧技術(shù)使霧滴在靜電力，重力，氣流曳力的作用下沉積在靶標(biāo)上，具有較高的藥液利用率。但還需對靜電場下霧滴飄移，穿透特性進(jìn)行研究，并尋求一種價格低廉兼顧作業(yè)效果的靜電噴頭;果園變量噴霧技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，與噴霧機(jī)械有良好的適配性，但現(xiàn)在還處在樣機(jī)階段沒有得到廣泛的運(yùn)用，需要以快速識別靶標(biāo)與流量調(diào)整等技術(shù)為重點攻克目標(biāo)，模塊化植入以實現(xiàn)工程運(yùn)用;在未來根據(jù)作業(yè)對象，以合適的噴霧機(jī)械搭載靜電噴霧，變量噴霧技術(shù)提高藥液利用率將成為果園噴霧機(jī)械的主要趨勢。

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　　果品產(chǎn)業(yè)是寧波市農(nóng)業(yè)中具有較強(qiáng)競爭力的優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)之一，目前已成為農(nóng)民增收致富的新亮點和支柱產(chǎn)業(yè)，然而果品產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化水平低下成為制約其快速發(fā)展的主要短板之一。