生物农药后置混合的便携式农药喷洒装置设计

　　0、 引言

　　目前，农林病虫害防治仍以化学防治为主，但其副作用也不容忽视，残留在环境中农药有害物质严重影响了自然环境。大量散失的农药挥发到空气中，流入水体中，沉降聚集在土壤中，不仅污染农畜渔果产品，还会通过食物链的富集作用转移到人体，对人体产生危害。随着高毒化学农药逐步减少，生物农药的应用越来越被关注。生物农药是一种包括生物产生的天然活性物质、生物活体以及按天然物质的化学结构或类似衍生结构而人工合成的农药。生物农药能控制和调节各种有害生物(包括植物、动物、微生物)的生长、发育和繁殖的过程，对人畜无毒无害。因此，采用生物农药防治病虫害将成为植物保护的重要手段之一。

　　美国最早拥有了由密歇根州立大学农业工程系研制的 Proptec 100 型生物农药喷洒喷雾机，许多学者也进行了生物农药喷洒技术研究(Patterson，2003;Brusselman，2011; Bagherpour，2012 等 )。研究结果显示: 喷头结构及雾化参数对生物农药活性有直接影响，而转笼喷头在保证生物农药活性的情况下可以减少喷洒流失量，确保生物农药有效发挥作用。在我国，能够满足生物制剂喷洒的特殊需求的施药机械的研究甚少。南京林业大学周宏平等研制了高射程生物农药喷洒机及其转笼雾化装置，建立了转笼喷头雾化性能的多因素线性模型，并进行了模型拟合度检验，确定生物农药喷施装备的结构参数和操作参数对于雾滴流场均匀性、雾滴粒径分布、生物农药活性的影响。在实际作业中，更多采用常规的化学农药喷洒机具进行喷洒作业，造成生物农药中含有的大量菌核、菌 ALL 及孢子等活性物质不再具有活性，很难达到防治病虫害的需求。但是，为更好地发挥生物效应，设计了一种基于常规背负式喷雾机的、采用水雾与生物农药后置混合法的便携式生物农药喷洒装置，并就生物农药与水的混合特性、喷洒时的工作参数(工作压力、流量) 等对微生物农药活性的影响程度进行了试验研究，力求获得液体流量和生物农药量的最佳混合参数组合，适应生物农药喷洒的要求。

　　1、 生物农药喷洒装置

　　生物农药喷洒机(ZL201220195429． 7)由发动机、离心风机、背负架、操纵机构、清水雾化器和生物药粉吹出器等组成，如图 1 所示。工作时，离心风机产生的一部分气流送入水箱，将水压入输水管，经过喷嘴后雾化成水雾; 另一部分气流进入导风管，并在分流位置被分流成两股(如图 2 所示) ，一股进入生物药箱，迫使药箱中的生物药粉均匀从药箱出药口吹出，另一股将落下的生物农药研直管中吹到出药口处，并使生物农药沿着运动方向与水雾混合，并不影响其活性。混合后的生物农药雾滴在气流和水压的推动下落向靶标，并由于生物农药变得湿润而不宜被吹散，提高生物农药防治病虫害的效果。其中，发动机、离心风机、背负架、操纵机构相似于机动式喷雾器的结构，这里不再详述。

　　清水雾化器包括输水管和雾化喷嘴。输水管采用直径为 8mm，长度为 420mm 的空心不锈钢管，与雾化喷嘴采用螺纹连接; 输水管的另一端通过输水软管与水箱出口紧密相连，不允许漏液。雾化喷嘴为液力雾化喷头，喷雾压力为 0． 1 ～ 0． 3MPa，流量为 0． 4～ 0． 9L / min。

　　生物药粉吹出器包括容置生物药粉的药箱、直管、药量调节阀。药箱与直管、进风口和出药口一体注塑成型，直管总长度为 600mm，高度为 100mm，两端为弧形结构，防止生物农药堆积; 药箱设置在距离直管进风口侧 1/3 位置处，通过出药口和直管相连通，药箱进风口和进风口之间通过直管壁体内的内管道连通; 药量调节阀设置在药箱出药口处; 直管和药箱设有内管道，其宽度为 10mm，来自离心风机产生的一小部分气流可以通过内管道送入药箱，迫使药箱中的生物药粉均匀从药箱出药口吹出; 通过控制药量调节阀可以控制阀瓣开启的大小控制生物药粉的通过量，从而控制用药量; 直管内侧可用来固定输水管，雾化喷嘴设置在输水管的端部，其朝向与出药口相仿，相对位置接近。

　　2、 试验研究

　　对于本文设计的生物农药喷洒装置而言，药水混合性能、混合后雾滴粒径、均匀性、运动特性及生物农药的活性是评价生物农药喷洒质量的主要指标。在相同喷洒条件下，雾滴直径越小、药水混合越均匀、定向运动特性越好，越可保证生物活性，那么生物农药将向着靶标运动，并渗入微细空隙粘附在植株上，流失较少，防治效果好。

　

　　2． 1 药水混合性能试验

　　影响药水混合性能的主要因素是药和水的流量以及药和水混合时的粒子运动速度，而药和水混合时的压力是获得不同药和水粒子速度的主要原因。因此，可以用流量比 q 、压力比 h 、混药效率 η 的关系来评价药水混合性能。

　　流量比 q 是药的质量流量与水体积流量之比，定义为q = qp/ qw(1)其中，qw为水的体积流量，可通过操纵机构的阀门来控制，密度为 1． 0kg/m3; qp为药的质量流量，可通过药量调节阀来控制。

　　压力比 h 是反映射流混药装置压力损失的一个无量纲参数。压力比大，表明压力损失小。定义为h = Pt·Pn/ Ph(2)其中，Pt为喷水压力; Pn为喷药压力; Ph为水药混合压力。

　　这里认为，生物农药随气流运动的跟随性很好，因而风机产生气流在直管出口处压力可看作喷药压力。喷水压力主要是由风机气流对药箱内液体产生的压力决定，同时也与清水雾化液力喷头所需的喷雾压力有关。试验时，选择 TeejetTXVK－6 型空心圆锥液力雾化喷头(所需最小喷雾压力 0． 1MPa，即刻打开喷头溢流阀，正常实现喷雾) ，则当风机气流对药箱内液体压力超过喷头的最小喷雾压力越多时，溢流阀打开得越充分，雾滴雾化效果和流量会发生变化。因此，在试验条件下，改变便携式生物农药喷洒机的电机转速，从而改变离心风机的叶轮转速，相应地可以改变离心风机产生的气流压力，从而获得不同的喷水压力和喷药压力。其中，喷药压力可以通过皮托管测试喷药出口处气流压力; 喷水压力可以通过在流体进入喷头前的管路中设置一个流体压力传感器来获得;水药混合压力可以采用在喷口前端设置带有 MＲZ42接触力传感器的靶标，按照混合后液体对靶标的冲击压力来测得。

　　混药效率 η 是射流混药装置的压力比与流量比的乘积，定义为η = hq (3)

　　2． 2 雾化性能试验

　　图 3 所示为雾化性能测试原理，测量不同清水流量(0． 8L/min，0． 4L/min) 、生物农药流量(50g/min，25g / min ) 及 风 机 的 转 速 (2500r / min，3500r / min，4500r / min) 条件下的药水混合形成雾滴的雾流场和雾滴粒径特性。图 3 中的 6 和 7 是 PIV(美国 TSI，片光源面上速度精度 0． 1% ，穿过片光源面方向 0． 2% ，测速范围 0 ～ 1 000 m/s) 或激光粒度仪(中国济南微纳，30 通道，测试范围 4． 6 ～ 323μm) 的激光接收端和发射端。通过 PIV 测量系统可以获得不同参数下的流场图，从而可以分析生物农药粒子在不同参数下的混合均匀性和运动特性; 通过激光粒度仪测试系统，分析不同操作参数对于雾滴体积中径 VMD(volumemedian diameter) 的影响。试验装置距离地面高度为 1． 25m，激光测试单元设置于距离喷头喷射方向 0． 5m 位置处，激光发射方向与喷头及生物农药喷射方向垂直。测试过程中室温恒定，试验介质为清水，每组试验重复 3 次。试验所用喷头为 TeejetTXVK－6 型空心圆锥液力雾化喷头，喷头孔径为 0． 8mm。

　　

　　2． 3 生物农药活性试验

　　生物农药活性是判断生物农药喷施装备发挥有效喷洒的主要依据。本文就风机转速对苏云金杆菌活性的影响进行了试验，检测喷施后生物农药的孢子存活率，以保证生物制剂有效控制病虫害。

　　1) 试验方法: 改变影响药水混合特性及生物农药活性的风机转速参数，观察生物农药的活性变化情况。为了保证数据的准确性，在同一种条件下，在喷雾角度范围内放置 3 排培养皿，每排沿喷射方向放置3 个培养皿收集生物农药，得到 9 组重复性数据。

　　2) 试验设备: 除了生物农药喷洒装置和控制设备之外，还需人工气候箱、电热恒温干燥箱、超净工作台、电子显微镜、高压灭菌锅等专用存放、消毒和检测活性的设备。

　　3) 试验试剂: 选取水作为苏云金芽孢杆菌制剂的溶剂，每 500mL 制剂中加入 10% 经过滤的苏云金芽孢杆菌发酵液，然后分别加入 2% 抗氧化剂苯甲酸钠、1% Tween －20、2% 抑制剂十二烷基苯甲酸钠，充分摇匀后，配成制剂，室温保存备用。试剂的培养基采用 LB 培养基，具体配方为胰蛋白胨 10g/L、酵母提取物5g/L、NaCl 10g/L，用 NaOH 调节 pH 至7． 4，加入15g 琼脂粉。

　　苏云金杆菌孢子的活性可以用每毫升活菌数来表示，利用平板菌落计数法测定活性。用喷施 48h 后的苏云金杆菌每毫升的活菌数除以未经喷施的活菌数，得到苏云金杆菌的存活率。

　　3、 结果与分析

　　3． 1 药水混合效率分析

　　如表 1 所示，通过试验和计算获得了生物农药和清水的混合效率。可以看出，随着风机转速增大，药和水的流量比、压力比变化不大，而混合效率差别相对较大。当风机转速为 3 500r/min 时，药和水的混合效果最好，主要是因为转速较低时(2 500r/min) 水和药的流量都比较小，输送生物农药与水混合的气流速度也比较小，由于药和水本身重力作用，不能完全进行混合; 当风机转速为 4 500r/min 时，水喷射雾化的压力和药被气流输送的速度均比较大，二者在出口处来不及完全混合。但从整体来看，生物农药和水的混合效率都在 90% 以上，说明本文设计的后混式生物农药喷洒装置能够满足生物农药喷洒的需要。

　　3． 2 雾滴流场分析

　　运用 PIV 测试系统对生物农药喷洒的均匀性及运动特性进行了测量，生物农药喷洒流场测试结果显示在图 4 中。其中，图 4(a) 、(b) 、(c) 是在清水控制阀门和药量调节阀全开条件下改变风机转速分别为 2 500、3 500、4 500r/min 时得到的，图 4(d) 是在风机转速为 4 500r/min、清水控制阀门和药量调节阀半开时得到的结果。

　

　　试验结果可知: 调节清水控制阀门和药量调节阀控制位置相同时，随着风机转速的增大，雾滴的速度增加，雾滴谱均匀，喷雾效果较好。当调节清水控制阀门和药量调节阀半开时，水量和药量均减少，同样在 4 500r/min 的风机转速条件下，雾滴速度明显增加，雾滴运动速度分布不均匀，沿着喷头喷射的轴向方向雾滴运动速度相对较大。

　　3． 3 雾滴粒径测试试验

　　选用激光粒度分析仪进行药水混合后的雾滴粒径测量和粒径分布分析。工作过程中，在距离喷头50cm 处分别对 3 种风机转速下的雾滴体积中径 VMD进行了测量，测量结果如表 2 所示。清水流量和生物农药流量对雾滴体积中径有一点影响，但影响不大;雾滴体积中径与风机转速相关性较高; 雾滴平均体积中径随着风机转速的增大变小，扩散比变小，说明雾滴尺寸更均匀。

　

　　小雾滴容易飘移，但是在风机气流的作用下，即使是小于 100μm 的小雾滴也有较高的定向运动速度，因此不容易飘移。此外，在施药量相同的情况下，雾滴直径越小，雾滴数目越多，覆盖面积大且均匀，渗入微细空隙粘附在植株上的雾滴多，流失少，防治效果就比较优良。

　　3． 4 生物农药活性试验

　　生物农药的存活率受到很多因素的影响，如温度、湿度、风速等因素; 另外，试剂的配比、浓度、是否添加油剂等因素也影响其活性成分的保持; 即使不经过雾化，生物农药本身的活性也不到 100% 。在不同风机转速下对苏云金杆菌的活性进行测试，实验数据如表 3 所示。

　

　　由表 3 中可计算出，3 种转速下平均活性分别为90． 44% 、91． 22% 、93． 67% 。转速对于活性的影响的相关系数为－0． 382，产生负相关系数，表明转速越大，苏云金杆菌的相对活性越低。这是由于在转速变大后，气流增加，强气流对于孢子的损害程度变得严重。

　　但就整体活性而言，最低为 90． 44% ，说明采用这种药水后混式的生物农药喷洒方式的生物农药相对活性的绝对数值比较高，效果比较理想。

　　4、 结论

　　1) 开发了基于背负式机动喷雾器的生物农药喷洒机，并着重对包括清水雾化器和生物药粉吹出器在内的药水混合装置进行了设计。

　　2) 该便携式生物农药喷洒装置在风机正常运转条件下，生物农药和水的混合效率都在 90% 以上，能够满足生物农药喷洒的需要。

　　3) 在喷孔直径为 0． 8mm 时，随着风机转速的增加，雾滴流速较高，雾滴粒径变小，分布均匀，容易沿着气流大方向做定向运动，可以达到比较满意的生物农药喷洒效果。

　　4) 生物农药活性最低为 90． 44% ，采用这种药水后混式的生物农药喷洒方式的生物农药相对活性的绝对数值较高，喷洒效果好。

　　参考文献:
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　　［3］ 郭荣． 我国生物农药的推广应用现状及发展策略［J］． 中国生物防治学报，2011，27(1) : 124－127．