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200 年 月 第 期
背負(fù)式靜電噴霧器的設(shè)計
姚海蘭
（塔里木大學(xué)機械電氣化工程學(xué)院， 阿拉爾 843300）
摘 要：靜電噴霧技術(shù)是應(yīng)用高壓靜電在噴頭與噴霧目標(biāo)之間建立一個靜電場，而農(nóng)藥液體流經(jīng)噴頭霧化后，通過不同的方式被充上電荷，形成群體帶電霧滴（霧滴云），然后在靜電場力和其他外力的聯(lián)合作用下，霧滴做定向運動而吸附在目標(biāo)的各個部位，達(dá)到沉積效率高、霧滴漂移散失少和改善生態(tài)環(huán)境等良好的性能。背負(fù)式靜電噴霧器，是由貯液桶殼體、背負(fù)帶、蓄電池、靜電裝置、電動隔膜泵、活塞泵、電源開關(guān)、噴霧閥門、手持柄、手柄、噴桿、連接管、噴管、靜電噴頭等構(gòu)成，背負(fù)式靜電噴霧器的優(yōu)點是有效地消除了農(nóng)藥外濾傷害操作者的弊病，并且省力，且電動泵壓力比人手動吸筒壓力大，增大了噴灑距離和范圍。霧化效果好，省時、省力、省藥。
關(guān)鍵詞：背負(fù)式；靜電裝置；設(shè)計；噴霧器
中圖分類號： 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：
0 引言
目前，我國農(nóng)藥生產(chǎn)技術(shù)處于國際先進(jìn)技術(shù)，而植保機械和農(nóng)藥施用技術(shù)相對落后。長期以來，我國農(nóng)藥施用技術(shù)仍停留在傳統(tǒng)的大容量和大霧滴噴霧技術(shù)水平上。噴灑的農(nóng)藥僅有少部分附著在植物冠表面上，絕大部分藥液和藥粉都流淌或散落在地面上。噴施農(nóng)藥的有效利用率只有20%－30%，而真正到達(dá)害蟲體的藥量不到施藥量的1%。換言之，99%以上的農(nóng)藥不僅未發(fā)揮殺病蟲作用，反而變成了環(huán)境污染源，由此帶來了1）農(nóng)藥浪費、2）農(nóng)產(chǎn)品中農(nóng)藥殘留超標(biāo)、3）環(huán)境污染、4）作物藥害和操作者中毒等負(fù)面影響，造成了不應(yīng)有的損失及其他不良后果。利用靜電噴霧技術(shù)防治農(nóng)作物病蟲害是現(xiàn)代植保施藥的一項新技術(shù)，它很好地解決了傳統(tǒng)施藥過程中存在的問題。
針對我國背負(fù)式靜電噴霧器的發(fā)展現(xiàn)狀和存在問題以及未來植保機發(fā)展要求，為改善傳統(tǒng)背負(fù)式施藥器械的噴霧效果,運用靜電噴霧技術(shù),設(shè)計了背負(fù)式靜電噴霧器。背負(fù)式靜電噴霧器是一種應(yīng)用現(xiàn)代電子技術(shù)的新型植保消殺器械。它具有省藥、省水、省力，高效、環(huán)保、節(jié)能和消殺效果優(yōu)良等一系列優(yōu)點。
1 設(shè)計原理及機構(gòu)
1.1 設(shè)計原理
針對我國農(nóng)藥施用技術(shù)仍停留在傳統(tǒng)的大容量和大霧滴噴霧技術(shù)水平上。噴灑的農(nóng)藥僅有少部分附著在植物冠表面上，絕大部分藥液和藥粉都流淌或散落在地面上。由此帶來了農(nóng)藥浪費、農(nóng)產(chǎn)品中農(nóng)藥殘留超標(biāo)、環(huán)境污染、作物藥害和操作者中毒等負(fù)面影響，設(shè)計了背負(fù)式靜電噴霧器。該機有兩種工況：（1）當(dāng)蓄電池有充足電時（蓄電池提供電動泵、高壓靜電發(fā)生器工作所需的電能，一次充電作業(yè)5小時）：背負(fù)式靜電噴霧器工作時電動隔膜泵自動將藥液從藥箱輸送到噴桿中并在噴頭處霧化，改變了傳統(tǒng)的操作方式，不僅降低了作業(yè)人員的勞動強度，而且提高了工作效率。高壓靜電發(fā)生器通過導(dǎo)線與管路內(nèi)部相連，使管路中的藥液帶上負(fù)電，并經(jīng)噴頭霧化形成帶負(fù)電的霧滴。并且對噴霧器的機身及噴桿部件做了必要的絕緣處理。（2）根據(jù)使用環(huán)境當(dāng)蓄電池不能正常供電時：即為背負(fù)式手動噴霧器，藥液箱還有藥液的時候可繼續(xù)作業(yè)，省藥，免浪費。
1
其優(yōu)點是應(yīng)用高壓靜電在噴頭與噴霧目標(biāo)之間建立一個靜電場，而農(nóng)藥液體流經(jīng)噴頭霧化后，通過不同的方式被充上電荷，形成群體帶電霧滴（霧滴云），然后在靜電場力和其他外力的聯(lián)合作用下，霧滴做定向運動而吸附在目標(biāo)的各個部位，達(dá)到沉積效率高、霧滴漂移散失少和改善生態(tài)環(huán)境等良好的性能。充電使霧滴與噴霧目標(biāo)表面產(chǎn)生吸引力，這種吸引力就是電場力。盡管霧滴很輕，且霧滴上的電荷量很小，但霧滴與噴霧目標(biāo)表面吸引力卻很強，約是霧滴與地球引力的40倍。電場力可以把帶電霧滴快速強拉到噴霧目標(biāo)，在此過程中，帶電霧滴受電場力作用沿電場線（電力線）運動，從而引起“靜電回繞”現(xiàn)象。帶電霧滴可以反向移向噴霧目標(biāo)，這就是利用靜電場力實現(xiàn)霧滴在植物冠的內(nèi)部附著，其結(jié)果是大大提高了藥液或藥粉對植物葉面的覆蓋率和均勻度，從而增加了藥液與病蟲害接觸的機會，提高了噴藥效果，降低了用藥量，這是常規(guī)噴霧所達(dá)不到的。
1.2 總體設(shè)計
背負(fù)式靜電噴霧器的機結(jié)構(gòu)示意，如圖1所示。
1.噴頭 2.噴頭開關(guān) 3噴桿 4.藥液箱 5.大密封蓋 6.把手 7.小密封蓋 8.倒桿 9.背帶
10.空氣室 11.合流管 12.藥液箱 13.濾網(wǎng) 14.活塞桿 15.隔膜泵 16.靜電裝置 17.蓄電池
圖1 背負(fù)式靜電噴霧器結(jié)構(gòu)示意圖
作業(yè)時，背負(fù)式靜電噴霧器工作時電動隔膜泵自動將藥液從藥箱輸送到噴桿中并在噴頭處霧化，高壓靜電發(fā)生器通過導(dǎo)線與管路內(nèi)部相連，使管路中的藥液帶上負(fù)電，并經(jīng)噴頭霧化形成帶負(fù)電的霧滴。噴霧器的噴桿長度可調(diào)，故而可以適用不同的植保作業(yè)要求。
其主要技術(shù)參數(shù)如下：
機身尺寸/mm：380×180×530
噴桿長度/mm：800—1260
藥箱容量/L：16
體積流量L/h：6—8
噴頭壓力/MPa：0.30-0.45
平均霧滴直徑/μm：70~100
靜電電壓/KV：20
電源電壓（鉛酸蓄電池）/V：12
整機凈質(zhì)重量/kg：6±0.5
2 關(guān)鍵部件設(shè)計
2.1 電動隔膜泵
電動隔膜泵采用鋁合金材質(zhì)，它包含隔膜泵本體和隔膜泵腔體，隔膜泵本體的內(nèi)部設(shè)置有隔膜泵腔體，隔膜泵腔體為工字型設(shè)計。具有泵體，泵體內(nèi)設(shè)置有進(jìn)水閥孔和出水閥孔。在進(jìn)水閥孔和出水閥孔分別設(shè)置有進(jìn)水閥和出水閥，在進(jìn)水閥孔和出水閥孔的兩側(cè)泵體上設(shè)置有進(jìn)水管和出水管，所述進(jìn)水閥和出水閥由閥座體、閥球和十字型擋銷組成，所述擋銷與閥球彈性接觸。采用耐腐蝕的多種進(jìn)口材料合成，具有自吸功能、熱保護(hù)、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、使用壽命長、設(shè)計精致、物美價廉等優(yōu)點，具有耐油（液態(tài)植物油）、耐熱（最高溫度55°）、耐弱酸、耐弱堿、耐腐蝕、耐部分化學(xué)品等性能。
電機通過減速箱帶動左右兩端柱塞上面的隔膜一前一后往復(fù)運動，在左右兩個泵腔內(nèi)，裝有上下四個單向球閥，隔膜的運動，造成工作腔內(nèi)的容積的改變，迫使四個單向球閥交替的開啟和關(guān)閉，從而將液體不斷地吸入和排出，在泵體上設(shè)置有超壓自動卸壓裝置。電機驅(qū)動一個與之相連的帶隔膜的泵頭，電機運轉(zhuǎn)時使泵頭隔膜一側(cè)吸水，使另一側(cè)產(chǎn)生高壓，水從高壓側(cè)直接噴出去，優(yōu)點是設(shè)計簡單、壓力大、噪音小、耗電小，電瓶連續(xù)工作時間長。電動隔膜泵的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示。
圖2 電動隔膜泵的結(jié)構(gòu)示意圖
確定隔膜泵的工作壓力為12V（泵配220V變壓器，不可直接使用220V家用電，也不可以使用24V、38V電）。電線不分正負(fù)極，水泵可以任意方向放置。
隔膜泵的總效率計算;
q=qt-?q qt=vn
公式中：
qt—理論流量L?min
V—排量L
n—轉(zhuǎn)速r/min
q--實際流量L?min
經(jīng)計算得：隔膜泵的實際流量為3.5 L?min
隔膜泵的功率：Pi=Tiω
公式中：
Pi -- 輸入功率w
Ti–輸入轉(zhuǎn)矩 n/m
ω---角速度，rads
輸出功率:Po=?pq
公式中：
?p—-壓力差N/m2
q--實際流量L?min
隔膜泵的總效率：n=PPi
公式中：--總效率
--輸出功率
?--?輸入功率
經(jīng)計算得隔膜泵的總效率為0.86。
2.2 活塞泵
根據(jù)常見的幾種背負(fù)式噴霧器的工作壓力范圍和設(shè)計的預(yù)期目標(biāo)與設(shè)計目的確定背負(fù)式靜電噴霧的工作壓力為：0.30-0.40 MPa。
現(xiàn)根據(jù)背負(fù)式靜電噴霧的工作壓力0.30-0.40 MPa，無電時，背負(fù)式手動噴霧器確定活塞泵的選型，選擇SX-16H型活塞泵（工作壓力0.30-0.40）。
同理，活塞泵與隔膜泵的計算公式相同，經(jīng)計算得活塞泵的總效率為0.70?；钊玫慕Y(jié)構(gòu)示意圖，如圖3所示。
圖3 活塞泵的結(jié)構(gòu)示意圖
表2-1 電動隔膜泵主要參數(shù)
項目
參數(shù)
功率
轉(zhuǎn)速
出口壓力
工作電壓
最大工作電流
36W
1450r/min
0.4（MPa）
9-14V
3.5A
3 背負(fù)式靜電噴霧器的靜電裝置的設(shè)計
3.1 靜電裝置的選擇
高壓靜電發(fā)生器原理：靜電噴霧是利用靜電場所產(chǎn)生的電力線的穿透特性，沿定向( 或電力線) 運動，霧滴主動吸附到帶異性電荷的植株表面。在電場的作用下，霧滴可克服重力吸附在植株的背面，從而相對減少農(nóng)藥的飄移散失，加大藥液對植株表面的覆蓋率和均勻度，從而顯著增加藥液與病蟲接觸的機會.
所以選用靜電發(fā)生器的要求是：一方面要能提供足夠高的電壓，另一方面從安全角度考慮，要能防止強烈的火花放電現(xiàn)象，即輸出電壓要高（100KV-120KV），而輸出電流要低，通常要求低于200mA，且電極電流急劇上升超過額定值時，安全保護(hù)裝置會起自動作用而切斷電源，高壓輸出瞬間消失，不致產(chǎn)生火花放電，防止電擊傷人。采用12V高壓靜電發(fā)生器。
靜電裝置的技術(shù)參數(shù)，如表3-1所示。
表3-1 12V靜電高壓發(fā)生器技術(shù)參數(shù)
項目
參數(shù)
輸入
輸出
電流
尺寸
12V
0-30kv
2-3A
115×30×25mm
用途：12V靜電高壓發(fā)生器符合靜電噴霧器量，最大的輸出電壓可達(dá)到30KV。為了適應(yīng)不同農(nóng)戶的要求，在內(nèi)部安裝可調(diào)電阻，輸出電壓可以自主調(diào)節(jié)以達(dá)到最佳狀態(tài)。使用時：輸入線分正負(fù)極，紅色線接蓄電池正極，白色線接負(fù)極，輸出線不分正負(fù)極。
3.2高壓靜電發(fā)生器的計算
吸附效果的計算; 靜電噴霧器的霧滴荷質(zhì)比高，霧滴靜電吸附效果就好。
計算荷質(zhì)比， 其計算公式:
Aq = q / M = i / Q
式中：
Aq 為荷質(zhì)比 (μC/g)
q 為靜電荷電 量 ( μC)
i 為霧滴群電流 ( μA)
Q 為收集霧滴群質(zhì)量流量 ( g/s)
荷質(zhì)比計算式中：噴頭孔徑：0. 7 mm；噴霧壓力：0. 4 MPa； 流量：3. 1 g/S( 185 mL/min ) 。
經(jīng)計算得：荷質(zhì)比為1.9μC/g.
4 結(jié)論
(1)背負(fù)式靜電噴霧器工作效率高，能減少農(nóng)藥對周圍環(huán)境的污染。
（2）背負(fù)式靜電噴霧器體積小，易操作，結(jié)構(gòu)簡單，通用性好，使用壽命長。
（3）使背負(fù)式靜電噴霧器能滿足防疫、倉儲、畜牧場、環(huán)衛(wèi)、酒店衛(wèi)生清潔、小麥、玉米、棉花等各種作物的要求，省水 、藥效時間長 、減少污染、減少害蟲，增加產(chǎn)量。
（4）制造價格便宜，容易普及，能滿足使用的要求。
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