基于林木病虫害防治的移动喷雾参数对雾滴穿透性影响分析

周瑞琼，张慧春，郑加强，周宏平，唐雨生，汪 东

（1.南京林业大学 机械电子工程学院，江苏 南京 210037；2.江苏省生产力促进中心，江苏 南京 210042；3.南京森林警察学院，江苏 南京 210023）

喷施化学农药是病虫草害防治的重要手段，其作业效率影响着农作物产量的高低，更对环境保护和农产品安全具有决定作用[1-4]。目前，我国在林业病虫害的防治作业中大多采用液力雾化技术，由于林木树冠高大、枝叶茂密、纯液力雾化的雾滴很难穿透林木冠层并沉积均匀，往往雾滴在外层稠密叶幕阻挡下聚集形成水滴滚落流失，造成冠层内部及树干病虫害得不到有效控制，不得不采用大容量、淋洗式喷雾方法，增加喷药次数，造成农药的大量浪费和严重的环境污染[5-7]。为了发挥农药的最佳效力达到有效防治的效果，雾化后的农药雾滴必须均匀、适当地分布在植物叶片等靶标上，达到一定的富集量[8]。先进的喷雾技术与装备研究开发是降低农药污染和提高防治效果的关键，农药最佳沉积分布的条件就是单位面积内的农药剂量衰减至低于致死剂量前病害、虫害必须获得致死剂量[9-10]。

移动式喷雾主要适合于城市绿化树、公路行道树、苗圃林木、公园景区高大树木、以及果园果树的病虫害防治工作，特点在于劳动强度小、工作效率高。目前国内生产的农用喷雾机较好，但针对林木病虫害防治的移动喷雾机具和技术比较落后，与先进国家产品存在差距，难以林木病虫害防治的高效、环保需求。国内外众多专家学者也对此进行了开发设计，如福建省林业科学研究院设计了3WZ-300T 型喷雾车，其结构包括了车架底盘系统、容器系统和喷雾工作系统3 大部分，移动式喷雾车动力通过减速装置驱动柱塞泵，柱塞泵将药液箱中的药液抽出并加压，由喷头雾化喷洒到叶面上，车架底盘有2 个转向轮，转向灵活，能够轻便地推动整机，边行走边作业[11]。河北省利用南通广益机电有限公司开发的6HW—50 高射程喷雾机进行林木病虫害防治作业，高射程喷雾机由发电机组、喷雾系统、风送系统、供药系统和控制系统等组成。发电机发出电能，通过控制系统驱动风送系统、喷雾系统和供药系统进行工作，风送系统的周流风机产生强大的气流，将经过供药系统和喷雾系统雾化后的农药雾滴输送到防治目标，从而达到防治目的[12]。江苏大学基于UTM-30LX 型激光传感器搭建了室内仿真树靶标检测试验平台，模拟移动喷雾时复杂路况设计了滚转角、俯仰角和偏航角等姿态角偏移检测试验，提出了采用极坐标值与三角函数重新匹配、检测帧与检测点重新组合和深度值系数矫正等3 种姿态角偏移矫正方法，消除激光传感器姿态角的偏移对喷雾靶标检测的影响，获取精确的喷雾靶标外形尺寸信息以及三维重构图像，满足了移动喷雾时变量喷雾检测的精度要求[13]。

林木植株冠形差异巨大，枝叶茂密繁盛，生长周期较长，因此针对林木病虫害防治应选择适宜的农药药剂、配备合适的喷头等喷雾药械，采用正确的压力和移动速度等喷雾技术，只有达到农药药剂施药器械与喷雾技术的优化，才能提高施药效率，避免农药浪费和环境污染[14-16]。林业病虫防治生产作业时，常常以树木叶片被喷施至药液流淌（雨淋式即淋洗式喷雾）作为衡量喷雾质量的标准，但是增加施药量不仅加大了成本，也会导致过度使用的农药流失、浪费和污染[17]。药液经喷雾器械雾化后形成雾滴沉积在植物叶面，形成斑点状分布，业内经常将单位面积上的雾滴数、雾滴粒径及雾滴覆盖率等定义为农药沉积结构，趁机结构通过影响病害、虫害与药剂的接触几率和接触期间获得的农药剂量来致死，为了研究实际喷雾作业中雾滴的穿透能力，即雾滴能克服叶幕中空气的阻力，顺利进入叶冠内部，并沉积在内部枝叶上[18]，本研究拟采用移动喷雾测试系统，研究喷头移动速度、喷头类型（包括孔径）和喷雾压力对雾滴穿透规律的影响特性。

1 材料与方法

1.1 试验系统

建立了移动喷雾测试系统，如图1所示，由供液模块、喷雾压力调控和速度实时显示模块、喷头高度和角度调节模块、速度控制调节模块和防冲撞限位模块5 大部分组成。

图1 移动喷雾测试系统的整体三维结构简图像Fig.1 The overall three - dimensional structure of the mobile spray test system

工作原理为：试验前，将移动喷雾系统的手动调节旋转底座和高度调节架调节至试验指定位置，然后锁紧紧定螺钉；接通轨道车电机电源；打开速度显示系统，调节至理想的试验速度，实现系统定速运动。试验开始时，先把压力调节器调至最小档，接通高压泵的电源，然后调节压力调节器至试验指定压力，按动遥控器按钮启动轨道车，实现喷头沿着水平方向的定速移动，从而实现试验过程中喷头的羽流可以沿系统运动方向扫过靶标区域，完整地覆盖靶标中的测试点。

移动喷雾测试系统实物如图2所示，包括供液系统、高压泵、速度控制调节器、喷头、仿真树、高度调节架、压力表、移动平台以及轨道等。

1.2 试验喷头

图2 移动喷雾测试系统实物图像Fig.2 Physical map of mobile spray test system

农林生产中一般在喷施机械上安装扇形喷头，其具有能产生高冲击力的液柱流、喷雾分布均匀、雾滴粒径适中等特点[19-21]。因此，本研究试验采用了国产和进口扇形喷头，分别为：苏州蓝翱精密塑胶有限公司与农业部南京农业机械化研究所合作开发、生产的F110 系列扇形喷头；富锦市立兴植保机械制造有限公司生产的T110 系列国产扇形喷头和立成型L110 系列国产扇形喷头；美国TeeJet 公司生产的XR110 型延长范围扇形喷头、AIXR110 型气吸扇形喷头和TP110 型均匀航空用扇形喷头。喷头标号的意义解释如下:以XR11002为例，“XR”为喷头类型，“110”为喷雾角度，“02”为喷头孔径。图3为供试喷头实物图（以喷头孔径为03 为例），图4为国产喷头（以F110系列为例）的结构图。

图3 供试喷头Fig.3 Nozzles for the test

图4 国产F110 系列喷头结构图像Fig.4 Structure of domestic F110 nozzles

在南京林业大学机械电子工程学院林业机械系植保机械实验室，以移动喷雾系统为试验台，进行室内雾滴穿透试验。其中移动喷雾系统轨道长12 m，有效工作长度9 m，行进速度0～3.0 m/s可调。

1.3 试验设计

试验靶标为仿真树，该仿真树冠幅为1.08 m，株高为1.26 m，靶标沿行驶方向平行放置在离喷头出口1 m 处，喷头距离地面1 m。如图5(a)所示，在仿真树冠层内，以树干为垂直线，把冠层以垂直高度均分为3 个部分，两条分割线处各均分4 个部分，共8 个放置点（上层沿逆时针方向分别为u1、u2、u3、u4，中层沿逆时针方向分别为m1、m2、m3、m4），用回形针在每个布置点卡住一张采样卡（采样卡尺寸4.95 cm×3 cm），用于测定每个布置点的雾滴沉积覆盖率，以此来测试喷雾技术参数对雾滴穿透规律的影响。每组的试验都重复进行3 次，取其平均值作为最终的数据。

在移动喷雾穿透性试验中，试验采样点布置见图5(b)所示，在每张采样卡背后标记试验参数后，用回形针把采样卡固定在相对应的冠层处，把各点选定的叶片作上记号，方便保证每一次试验采样卡都是在同一位置，保证所有每次的试验采样点布置正确。将浓度为0.5%的可食用色素溶液作为喷雾介质。待采样卡布置完毕后，根据表1设置喷头型号、喷头孔径、移动速度、喷雾压力等操作参数，然后启动喷雾系统，使之以所设速度行驶经过采样点布置区，雾滴被系统喷出沉积到采样卡上，待雾滴干燥后，用标记好对应参数的自封袋收集采样卡，再采用CardScan 采样卡扫描仪对采样卡进行表面扫描，最后用iDAS PRO雾滴沉积分析系统分析每张采样卡的雾滴覆盖率。

图5 试验过程示意图像Fig.5 Schematic diagram of the experimental process

表1 试验参数设置†Table1 Testing parameters

2 结果与分析

2.1 移动速度对移动喷雾中雾滴覆盖率的影响

图6所示为喷头F110015、喷施压力为0.2 MPa、u1 位置处在不同速度下采样卡的雾滴覆盖情况，由图6可见：当喷头型号和喷施压力一定时，随着移动速度的不同，每点的雾滴覆盖率发生明显改变，说明系统的移动速度对于雾滴在叶片上的沉积有着显著效果，从而直接影响病虫害致死率等防治效果。

图6 移动速度不同时采样卡纸上的雾滴覆盖率结果Fig.6 Droplet coverage results of sample card with different moving speed

因为u1 位置的高度冠层最大，所以可以这样认为，u1 处采样卡表面雾滴覆盖率最大的操作参数为最佳组合[15]。对于喷头F110015 来说，当移动速度为0.25 m/s、喷雾压力为0.2 MPa 时，u1 处采样卡表面雾滴覆盖率达到最大，为17.11%。

根据试验数据，绘制移动速度与雾滴覆盖率关系柱状图，以及3 次试验数据的最大值与最小值的误差条图，可以得出u1 位置处移动速度对雾滴覆盖率的影响变化趋势如图7。

图7 移动喷雾时系统移动速度对雾滴覆盖率的影响Fig.7 Results of moving speed on droplet coverage in the moving spraying

由图7分析可知：对于在喷雾压力不同的试验条件下，移动速度对雾滴覆盖率的影响表现出相似的规律。当系统的移动速度减慢，可增加植物叶片雾滴的沉积，提高冠层的穿透性；然而速度太慢，将导致雾滴长时间大量聚集，可能形成雨淋式即淋洗式喷雾；当系统的移动速度加快，可减少雾滴在树木上的过量聚积，提高工作效率，扩大防治面积；然而速度太快，在树木冠层外层稠密叶幕阻挡下，很难有效控制冠层内部叶片及树干病虫害，防治效果不佳。

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当移动速度从0.25 m/s 变化到1.00 m/s 时，F110015、F11002、F11003、F11004 和F11005 喷头喷施出的雾滴覆盖率随着移动速度的增加呈现变大的趋势，为1.00 m/s 时，喷头F110015 对应的雾滴覆盖率较低，主要因为F110015 的喷头孔径较小，形成的雾滴粒径较小，在到达靶标的过程中需要克服空气阻力，再加上移动速度较大，作用于相反方向的气流阻力也较大，运行时间延长，实际上就相当于增加了雾滴行进的距离，雾滴粒径进一步减小，更容易发生蒸发和飘移现象，所以落在目标采样卡上的数量和表面积较小，对应的雾滴覆盖率就较低。

2.2 喷头孔径对移动喷雾中雾滴覆盖率的影响

根据试验数据，绘制喷头孔径与雾滴覆盖率关系的柱状图，以及3 次试验数据的最大值与最小值的误差条图，取u1 位置的覆盖率，可以得出喷头孔径对雾滴覆盖率的影响变化趋势如图8。

图8 喷头孔径对移动喷雾中雾滴覆盖率的影响Fig.8 Results of nozzle orifice on droplet coverage in the moving spraying

按喷头孔径的不同，本研究试验喷头共分5种，从图8可以分析出，在一定的移动速度和喷雾压力下，雾滴覆盖率基本都随着喷头孔径的增大呈现先增大再减少的变化趋势。主要是因为:当喷雾压力保持不变时，液体流速随着喷头孔径的增大而减小，液体破碎所需要的动能减少，雾滴粒径变大[22]。通常，当雾滴粒径比较小时，雾滴穿过冠层落在采样卡上的数量较多，但是表面积较小，所以雾滴覆盖率较低；当雾滴很大时，雾滴重力较大，在到达靶标的过程中部分大雾滴已经沉积到地面或树干上，落到目标采样卡上的数量较少，所以雾滴覆盖率也较低；反而雾滴大小处于中间范围时，雾滴穿过冠层落在采样卡上的数量较多，而且雾滴表面积也较大，所以呈现出较高的雾滴覆盖率。

在喷雾压力达到0.3 MPa 时，F11003、F11004和F11005 这3 种喷头孔径的雾滴覆盖率特别的高，主要是因为当喷头孔径较大，并且喷雾压力较大时，这时候导致雾滴大量聚集，可能会形成淋洗式喷雾，如果在实际作业中出现，会造成农药浪费和污染环境。

2.3 喷雾压力对移动喷雾中雾滴覆盖率的影响

根据试验数据，绘制喷雾压力与雾滴覆盖率关系的柱状图，以及3 次试验数据的最大值与最小值的误差条图，可以得出u1 位置处喷雾压力对雾滴粒径的影响变化趋势如图9。

2.4 响应面模型及因素交互作用对雾滴覆盖率的影响

以本研究移动喷雾中雾滴覆盖率的试验结果为基础，使用数据分析软件Design Expert[23]进行多元回归拟合，分析喷雾参数与雾滴覆盖率的响应关系，建立雾滴覆盖率与喷头孔径、移动速度和喷雾压力的回归模型，由软件最优算法计算出如下二次回归模型，

图9 喷雾压力对移动喷雾中雾滴覆盖率的影响Fig.9 Results of operating pressures on droplets coverage in the moving spraying

式中：A为喷头孔径，mm；B为喷雾压力，MPa；C为移动速度，m/s；Y为雾滴覆盖率，%。

如表2所示，为响应面回归模型分析结果。

表2 响应面回归模型分析结果Table2 Results of response surface model analysis

从表2可知，每个因素对响应方程影响的显著性由F检验得到，P值越小，就说明这个因素对响应值的影响越显著[18]。模型F值为4.97，表明这个模型是显著的；如果P值小于0.05，则表明这个因素是显著的；如果P值大于0.10，则表明这些因素是不显著的。分析发现，覆盖率模型Y影响极显著（P＜0.01）的因素有喷雾压力B，显著（P＜0.05）的因素有AB，即喷头孔径和喷雾压力的交互因素显著，而其它项影响均不显著（P＞0.05）。经过统计分析，得到影响喷头穿透效果大小的因素次序为：喷雾压力＞搭载平台移动速度＞喷头孔径。

以试验数据为基础，运用Design Expert 数据分析软件分析喷头孔径、移动速度与喷雾压力对雾滴覆盖率交互作用的响应曲面图，如图10所示。

图10 因素交互作用对雾滴覆盖率的影响Fig.10 Results of interactive factors on droplets coverage

图10(a)显示移动速度为0.5 m/s 时，喷头孔径和喷雾压力对雾滴覆盖率交互作用的响应曲面图。当C=0.5 m/s 时，雾滴覆盖率Y随着喷头孔径A与喷雾压力B的增大而增加；当喷头孔径较小时（A＜03），随着喷雾压力B的增大，雾滴覆盖率呈现先降低再增高的趋势，但总的趋势较缓慢；当喷头孔径较大时(A 大于03)，随着喷雾压力B 的增大，雾滴覆盖率增高的趋势明显。主要是因为当喷头孔径较小时，所对应的雾滴粒径也较小，雾化质量较好，这时喷雾压力的改变对雾滴粒径的影响不大，所以总的趋势较缓慢；当喷头孔径较大时，所对应的雾滴粒径较大，雾化质量不好，这时喷雾压力的改变对雾滴粒径的影响较大，所以雾滴覆盖率增高的趋势较明显。

图10(b)为喷雾压力为0.3 MPa 时，喷头孔径和移动速度对雾滴覆盖率交互作用的响应曲面图。当B=0.3 MPa 时，随着移动速度的增加，雾滴覆盖率呈现降低趋势；随着喷头孔径的增加，雾滴覆盖率呈现增高趋势。

图10(c)为喷头孔径为04 时，喷雾压力和移动速度对雾滴覆盖率交互作用的响应曲面图，随着喷雾压力的增加，雾滴覆盖率急剧增高。

3 结论与讨论

本研究在室内环境下，采用移动喷雾测试系统研究了雾化喷头孔径、喷施压力、喷头移动速度等因素对雾滴穿透性能和沉积分布的影响，得到以下结论:

在移动喷雾防治林木病虫害过程中，影响喷头穿透效果大小的因素次序为：喷雾压力＞搭载平台移动速度＞喷头直径，建立了以喷头孔径、搭载平台移动速度和喷雾压力为自变量、以雾滴覆盖率为应变量的多元非线性回归模，雾滴沉积量随着喷雾压力的增加呈现增加的趋势。

当移动速度为最小的0.25 m/s 时，雾滴沉积量明显高于其余速度，因为速度越小，喷雾在靶标区域停留时间越长，相应的雾滴沉积量也就越大；当移动速度适中的情况下（移动速度为0.50 m/s 和0.75 m/s），选择较大的喷雾压力可以提高雾滴覆盖率，当移动速度为1.00 m/s 时，喷头F110015 对应的雾滴覆盖率较低，雾滴沉积量处于最低的状态，因为速度越大，喷雾在到达靶标的同时，还受到与移动速度相反的空气阻力，增加雾滴运动距离，导致雾滴沉积量变少。

建立雾滴覆盖率与喷头孔径、移动速度和喷雾压力的二次回归模型，分析各因素交互作用对雾滴覆盖率的影响。当移动速度为0.5 m/s 时，雾滴覆盖率随着喷头孔径和喷雾压力的增大而增加，当喷头孔径较小时（＜03），随着喷雾压力的增大，雾滴呈现先降低再增高的趋势，但总的趋势较缓慢；当喷头孔径较大时（＞03），随着喷头压力的增大，雾滴覆盖率增高的趋势明显。当喷雾压力为0.3 MPa 时，随着移动速度的增加，雾滴覆盖率呈现降低的趋势，随着喷头孔径的增加，雾滴覆盖率呈现增高趋势；当喷头孔径为04 时，随着喷雾压力的增加，雾滴覆盖率急剧增高。

本研究结果对于植保作业中移动喷雾参数确定和器械选择提供了理论依据与应用参考，未来的研究还可以从以下几个方面开展：

考虑到树木冠层浓密、枝叶繁茂，可以使用风送系统增加定向输送能力和对靶穿透性，因此可以研究风量大小对移动喷雾过程中雾滴穿透性的影响；不同的生长阶段，树木的形态特征差异巨大，因此，可以设计针对不同生长阶段、树木形态特征的移动变量喷雾系统，改变喷头在喷杆上的个数、间距等，研究变量喷雾系统对移动喷雾过程中雾滴穿透性的影响。