２０１ １年１ １月 农机化研究 第１ １期 荷质比对荷电雾滴沉积分布影响的初步研究 徐晓军 ，吴春笃 ，杨超珍 （１．江苏大学 农业工程研究院，江苏镇江苏省重点实验室，江苏镇江摘２１２０１３；２．现代农业装备与技术省部共建教育部重点实验室／江 ３１５２１１） ２１２０１３；３．宁波工程学院机械工程学院，江苏宁波要： 自制静电喷雾系统，采用自制环状电极通过感应充电方式对雾滴充电，调节充电电压得到试验要求的 荷质比，对距离喷头５５０ｍｍ的模拟植株喷雾，研究对靶喷雾荷质比对雾滴沉积分布的影响。结果表明：静电喷 雾较常规喷雾能够有效改善荷电雾滴的沉积分布效果；随着雾滴荷质比的增加，荷电雾滴向靶标集中，改善喷雾 效果，且随着荷质比的增大，喷雾最大距离减小。 关键词：静电喷雾；雾滴荷质比；沉积分布 中图分类号：Ｓ１２５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００３－１８８Ｘ（２０１１）１１－０１３８－０５ ０ 引言 荷电喷雾技术是近年来发展起来的有效农药喷 施技术，它不但可以减少农药漂移产生的环境污染， 由于离开喷嘴的荷电雾滴与目标物所带电荷极性相 反，雾滴在电极与目标物间电场作用及重力等作用下 快速向目标运动，且能够沉降在目标物的背面及隐蔽 部位 。 而且能够大大提高杀虫概率。该技术领域的理论和 应用研究日益为国内外所关注…。与常规喷雾技术 ２试验装置及条件 ２．１ 喷雾系统 相比，静电雾化能显著提高药液在靶标作物下部和背 部的沉积效果，农药利用率提高了２０％～３０％［２－３ｊ。 在农药喷雾中，主要目的就是要增加雾滴在目标物上 的沉积量，减少雾滴飘移。而静电雾化技术能够使得 雾滴在目标物上的沉积性更加良好。然而，随着喷雾 液滴荷质比以及喷头离目标物距离的增加，漂移量会 感应荷电静电喷雾系统如图１所示。该系统由 供液系统与电极充电部分组成：供液系统提供液体雾 化的雾化压力，荷电部分对雾滴进行充电，以获得荷 电雾滴。 加大 ｊ。农药喷施精确与否取决于药液在农作物（靶 标）上的有效沉积 Ｊ，而影响荷电雾滴沉积的影响因 素复杂，沉积分布状态波动变化大。本文通过对一定 距离靶标荷电喷雾，进行雾滴荷质比对雾滴沉积分布 的试验研究，并对测量区域中轴线沉积量变化规律及 轴向沉积变化规律进行相关分析。 １．储液箱２．液泵３．电磁阀４．调压阀５．液压表 ６．喷头７．环状电极８．高电压表９．可调高压电源 １ 静电喷雾机理 静电喷雾机喷嘴具有正的或负的高压静电，使得 喷嘴喷出的雾滴带有与喷嘴极性相同的电荷。根据 静电感应原理，由于离地面不远的喷嘴带有高压电， 图１静电喷雾系统示意图 ２．２荷电装置 采用环状电极，利用感应充电方式对雾滴充电， 如图２所示。环状电极安装在绝缘支架上，通过高压 静电发生器对环状电极加一高压静电，在雾滴形成区 地面上的目标表面将带有与喷嘴极性相反的电荷。 收稿日期：２０ｌ１—０１一ｌ３ 附近，环状电极与雾滴液流之间的电场使得雾滴充 电 ，产生带电雾滴。试验中采用流量为２．８６ｍＬ／ｓ 的ＴＲ８０—００５Ｃ空心圆锥喷头，环状电极直径为 基金项目：国家“８６３”计划项目（２００８ＡＡ１００９０５）；江苏省科技支撑项 目（ＳＢＥ２Ｏ０８３Ｏ４９７） 作者简介：徐晓军（１９８６一），男，山东潍坊人，硕士研究生，（Ｅ－ｍａｉｌ） ｘｉａｏｊｕｎ—ｘｕ１９８６＠ｓｉｎａ．ｅｏｍ。 ６０ｒａｍ，电极中心距离喷嘴端面７ｍｍ。 ２．３荷质比测量 通讯作者：吴春笃（１９６２一），男，浙江温州人，教授，博士生导师，（Ｅ— ｍａｉｌ）ｗｕｃｄ＠ｕｊｓ．ｅｏｍ 荷电量是反映带电体基本情况的物理量，对于粉 ２０１ １年１ １月 农机化研究 第１ １期 状、液滴等的带电情况，常用荷质比来表示，即其质量 区域，喷头与测量区域轴向中轴线处于同一铅垂面， 电荷密度。荷质比是荷电量与该物体质量之比，是衡 且与雾滴沉积区域水平距离为１５ｃｍ。设置均匀测点， 量雾滴带电效果的重要评定参数，荷质比越大，证明 如图５所示。为了操作方便，取矩形测量区域为２４２ 雾滴的荷电效果越好。荷质比测量方法有法拉第筒 个５ｃｍ￣５ｃｍ正方形小格（轴向Ａ１一Ａ２２、横向Ｂ１一 法、网状目标法等，采用的原理基本相同，主要是应用 Ｂ１１），将口径为４ｃｍ、高度５ｃｍ的圆柱形雾滴收集容 对象以及场合不同。本试验采用网状目标法测量雾 器置于小格中央，收集各测点沉积雾滴，用量筒量取 滴荷质比，测量装置如图３所示。荷电雾滴群体到达 雾滴沉积量，并采用沉积量比例作为指标。 网状接收装置并聚集电荷在金属丝网上时即与地面 构成回路，产生微电流；用精密微安表测出该电流，同 时雾滴采样筒在一定时间内测出雾流量Ｑ 或质量ｍ， 则雾滴群体的平均荷质比为Ｑ／ｍ＝Ｉ／ｐＱ 。 ／ ／ １．通液管２．绝缘支撑架３．绝缘支架 ４．环状电极５．静电发生器６．雾化喷头 １．铁棒２．铜丝３．铜丝网 图２荷电装置示意图 图４模拟靶标示意图 ３ ２．５试验条件和测量工况 试验条件：环境温度２０℃，相对湿度６０％，室内 密闭，无外界气流影响；试验介质是自来水，喷雾压力 ０．２ＭＰａ，流量２．８６ｍＬ／ｓ，荷质比（ｍＣ／ｋｇ）为０（未荷 电），０．１，０．２，０．３，０．４；喷头水平放置，喷头高度（喷 头距离雾滴采集面）为５００ｍｍ，对靶喷雾距离（喷头距 离植株模拟靶标）为５５０ｒａｍ。 １．雾化喷头２．电极３．雾涌收集装置 ４．精密微安表５．铜丝网６．量筒 图３ 网状目标法荷质比测量装置示意图 ２．４模拟靶标及沉积雾滴收集装置 模拟靶标采用直径０．８ｃｍ、高度４ｃｍ的金属棒， １．喷头２．测区网格３．５５０ｍｍ靶标位置 并通过导线接地，如图４所示。雾滴沉积测量区域为 ４．均匀测点５．雾滴收集器皿 轴向长度（喷雾方向）１ １０ｃｍ、横向宽度５５ｃｍ的矩形 图５雾滴收集区域平面示意图 ２０１ １年１ １月 农机化研究 第１ １期 ３试验结果和分析 图６为对靶喷雾荷质比与沉积区域中轴线上各 测点沉积量的关系。随着荷质比的增大，靶标前沉积 雾滴集中区域逐渐向靶标移动，靶标后距离靶标较近 区域雾滴沉积量逐渐增大，并且喷雾最大距离减小。 图７为荷质比与轴向各轴总沉积量的关系，可见雾滴 荷电后轴向Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ９，Ｂ１０，Ｂ１ １雾滴沉积总量 增大，而测区中轴两侧的雾滴向中轴线集中。 ｌ２ １０ 蟋６ ４ ２ ０ １７５ ２２５ ２７５ ３２５ ３７５ ４２５ ４７５ ５２５ ５７５ ６２５ ６７５ ７２５ ７７５ ８２５ ８７５ ９２５ ９７５ １ ０２５ １ ０７５ １ １２５ Ｉ ｌ ７５ １ ２２５ －－ｐ轴线轴向测点与喷头距离／ｒａｍ 图６荷质比与中轴线沉积雾量的关系 ３０．００ ２５．００ ２Ｏ．（）（） 皿嘲 １５．００ ０，Ｏ０ ５．ＯＯ ０ 』ｊ ｌＯ 廿 “， ｂ Ｂｂ ４ Ｂ Ｉｊｆ 轴向 图７荷质比与荷电雾滴轴向沉积雾量的关系 荷质比与测区中轴线沉积量关系结果分析：由图 ６可知，与喷头距离为１７５～２７５ｍｍ测点的沉积量荷 电后相对于未荷电时明显增大，由于荷电后喷雾锥角 同种电荷的排斥力对于雾滴的分裂雾化起到促进作 用；雾滴粒径变小，进一步有效地受到空间电场的支 配，并且靶标在电极电场及雾滴群体电场作用下，带 增大，可以有更多的雾滴在此区域沉积；而电极带有 与雾滴同种电荷，其电场在喷头附近作用较强，可以 改变部分雾滴的初始运动方向，对粒径较小雾滴尤为 有更多的与雾滴极性相反的电荷，对雾滴的吸引作用 增强。当荷质比为０．４ｍＣ／ｋｇ时，最大沉积雾量值明 显减小，可知此时靶标对雾滴吸附作用明显，雾滴可 明显，它们可以向喷头斜下方、左侧、右侧甚至喷头后 方运动。在轴向距离为３７５—４２５ｍｍ区段，沉积量变 化明显，最大雾量沉积位置逐渐向靶标方向移动，在 其他荷电参数不变的情况下，较大的荷质比对应较大 以有效地吸附在靶标上。在轴向距离为５７５～６７５ｍｍ 区段，沉积量随荷质比增大而增大，雾滴粒径减小，受 电场支配作用增强，且靶标对其吸引力增大，飞行高 于靶标的雾滴运动到靶标后部时速度有所减小，使得 的充电电压，而感应充电荷电雾滴带有与电极极性相 同的电荷。电极产生的电场对雾滴运动有一定的加 速作用，同时雾滴荷质比增大，雾滴表面电荷量增大， ・在靶标后局部区域沉积量逐渐增大，进而使得７７５ｍｍ 以后区段的沉积量逐渐减小，同时可得知随着荷质比 的增大，喷雾距离会有一定程度上的减小。 １４０・ ２０１ １年１ １月 农机化研究 第１ １期 荷质比与荷电雾滴轴向沉积量的关系结果分析： 由图７可知，雾滴荷电后，测区左右边缘部分的沉积 量有所增大，有更多的雾滴到达该区域，说明对雾滴 荷电后雾锥角增大，且在电场作用下向两侧运动的雾 滴运动速度增加；而雾滴荷质比增大后沉积量变化不 明显，且有一定的减小，说明增加充电电压到一定程 度后雾锥角变化幅度较小，雾滴粒径减小以及受到电 极电场力作用加强，雾滴速度加快，飞出测量区域。 而在中轴线附近区域的沉积分布向靶标所在的中轴 方向集中，说明未荷电时沉积在靶标两侧的雾滴在荷 图１Ｏ荷质比为０．２ｍＣ／ｋｇ时沉积分布 电后能够受到靶标的吸引作用而向靶标移动。综合 图５可知，荷电雾滴从前后左右都可以吸附到靶标之 上，而随着荷质比增大变化不再明显。所以，雾滴吸 附到靶标之上除了需要有一定的荷质比条件外，还应 有合适的速度及必要的下落时间。 图８～图ｌ２为不同荷质比时的沉积分布情况。 从图８～图１２中可以看出随着雾滴荷质比的增大，雾 滴沉积分布情况有明显变化，雾滴逐渐向靶标方向沉 降；且随着荷质比增大，喷雾距离有所减小，说明增大 荷质比可以增强靶标对荷电雾滴的吸附作用，改善喷 雾效果，且减少沉降在非靶标区域的沉积量，从而减 少药液的浪费。 ３．５Ｏ Ｔ一 ３．ＯＯ ２．５０ 图１１荷质比为０．３ｍＣ／ｋｇ时沉积分布 ２．（）０’ １．５０ １．【ｌ（） 露０．５０ ０ ： 一图８未荷电时沉积分布 ４ 结论 图１２荷质比为０．４ｍＣ／ｋｇ时沉积分布 １）相对非荷电喷雾，荷电喷雾时荷电雾滴在电场 作用下可以有效地向靶标沉积，同时雾锥角增大，雾 滴可以覆盖更大的区域，所以利用喷杆荷电喷雾时可 以适当增大喷头间距。 ２）靶标与喷头应合适，距离过小则荷电雾滴速度 较大不能有效吸附到靶标，同时也达不到在荷电雾滴 靶标背部沉积的效果；距离过大则会有大量雾滴沉积 在靶标前，造成资源浪费。喷雾高度应合适，过低会 造成雾滴没有足够时间向靶标吸附；而过高会有较多 雾滴飞行轨迹较高，沉积在靶标后较远区域，同时室 图９荷质比为０．１ｍＣ／ｋｇ时沉积分布 外喷雾时外界气流会对雾滴运动产生较大影响。 ２０１ １年１ １月 参考文献： 农机化研究 第１ １期 ［４］Ｚｈａｏ Ｓ，Ｃａｓｔｌｅ Ｇ．Ｓ．Ｐ．，Ａｄａｍｉａｋ Ｋ．Ｆａｃｔｏｒｓ ａｆｆｅｃｔｉｎｇ ｄｅｐ— ［１］ Ｓ Ｅｄｗａｒｄ Ｌａｗ．Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ ｓｐｒａｙ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ：ａ ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ ｓｉｇｎｉｉｆｃａｎｔ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｏｓｉｔｉｏｎ ｉｎ ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ ｐｅｓｔｉｃｉｄｅ ｓｐｒａｙｉｎｇ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｌｅｃ・ ｔｒｏｓｔａｔｉｃｓ，２００８，６６：５９４—６０１． ２０ｔｈ ｃｅｎｔｕｒｙ［Ｊ］．Ｊｏｕｍａｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃｓ，２００１，５ １／５２：２５— ４２． ［５］宋淑然，洪添胜，王卫星，等．水稻田农药喷雾分布与雾滴 沉积量的试验分析［Ｊ］．农业机械学报，２００４，３５（６）：９０－ ９３． ［２］ 吴春笃，拾亚男，张波，等．气助式静电喷雾靶标物背部沉 积特性［Ｊ］．排灌机械，２００９，２７（４）：２４２—２４６． ［３］ＧＵＰＴＡ Ｃ Ｐ，ＤＵＣ Ｔ Ｘ．Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｓｔｕｄｉｅｓ ｏｆａ ｈａｎｄ ｈｅｌｄ ａｉｒ— ａｓｓｉｓｔｅｄ ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ ｓｐｒａｙｅｒ［Ｊ］．Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ＡＳＡＥ， １９９６，３９（５）：１ ６３３—１ ６３９． ［６］王荣．植保机械理论与设计［Ｍ］．吉林：吉林人民出版社， ２ｏ０２． ［７］ 杨超珍．农用喷雾机器人基础技术研究［Ｄ］．镇江：江苏大 学，２００５． Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ－ｔｏ－ｍａｓｓ Ｒａｔｉｏ ｏｆ Ｄｒｏｐｌｅｔｓ ｏｎ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ Ｄｒｏｐｌｅｔｓ Ｘｕ Ｘｉａｏｊａｎ ，Ｗｕ Ｃｈｕｎｄｕ ，Ｙａｎｇ Ｃｈａｏｚｈｅｎ （１．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ ２１２０１３，Ｃｈｉｎａ；２．Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｍｏｄｅｍ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ＆Ｊｉａｎｇｓｕ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ ２ １ ２０ １ ３，Ｃｈｉｎａ；３．Ｃｏｌ— ｌｅｇｅ ｏｆ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｉｎｇｂｏ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｕｎｖｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎｉｎｇｂｏ ３ １ ５２ １ １，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ ｓｐｒａｙｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｓｅｔ ｕｐ，ｗｈｉｃｈ ｕｓｅｄ ｔｈｅ ｒｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｔｏ ｇｅｔ ｃｈａｒｇｉｎｇ ｄｒｏｐｌｅｔｓ ｂｙ ｗａｙ ｏｆ ｉｎ— ｄｕｃｔｉｏｎ ｃｈａｒｇｉｎｇ，ａｎｄ ａｄｊｕｓｔｉｎｇ ｔｈｅ ｃｈａｒｇｉｎｇ ｖｏｌｔａｇｅ ｔｏ ｇｅｔ ｔｈｅ ｃｈａｒｇｅ－ｔｏ－ｍａｓｓ ｏｆ ｄｒｏｐｌｅｔｓ．Ｔｈｅ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ－ｔｏ－ｍａｓｓ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｄｒｏｐｌｅｔｓ ｏｎ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｄｉｓｔｉｒｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｄｒｏｐｌｅｔｓ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ｂｙ ｓｐｒａｙｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｔａｒｇｅｔ，５５０ｍｍ ｆａｒ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｓｐｒａｙ ｎｏｚｚｌｅ．Ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｔｔｒａｃｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔａｒｇｅｔ ａｎｄ ｃｈａｒｇｉｎｇ ｄｒｏｐｌｅｔｓ ｗａｓ ｅｎｈａｎｃｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎ— ｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｃａｒｒｙｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ ｄｒｏｐｌｅｔｓ，ＳＯ ｃｈａｒｇｅ—ｔｏ－ｍａｓｓ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｄｒｏｐｌｅｔ ｗｈｅｎ ｓｐｒａｙ ｉｎ ｆｉｅｌｄ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅｌｙ ｉｎ— ｃｒｅａｓｅｄ ｔｏ ｇｅｔ ｂｅｔｔｅｒ ｓｐｒａｙｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ，ｔｈｅ ｓｐｒａｙ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｈｉｇｈｅｒ ｃｈａｒｇｅ—ｔｏ—ｍａｓｓ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｄｒｏｐｌｅｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ ｓｐｒａｙｉｎｇ；ｃｈａｒｇｅ－ｔｏ—ｍａｓｓ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｄｒｏｐｌｅｔｓ；ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｄｒｏｐｌｅｔｓ ・１４２・