喷杆式喷雾机雾流方向角对靶标上液态沉积量的影响

喷杆式喷雾机雾流方向角对靶标上液态沉积量的影响

0改变农药沉积量农业和肥料是稳定和高产作物的重要保障。FAO在评价20世纪50年代以后粮食增产时,认为化学物质的投入贡献率占到40%。为发挥农药药效必须保证良好的农药喷施质量,首先表现为令人满意的防治效果,这是使用农药的根本目的。但同时也要防止或最大限度的减少农药对环境和有益生物的危害风险。不正确的使用方法致使农药使用超量,不但浪费大量的农药,增加种植成本,而且流失到环境中的农药对土地和水体造成污染。反之,科学的使用方法会提高农药在靶标上的沉积量,增加雾滴在作物冠层中的穿透性,提高农药利用率,以最小的经济成本和生态成本获得最佳的防治效果。扇形雾喷头由于具有较好的喷洒均匀性,被广泛应用于喷杆喷雾机上用来防治大田平面作物的病虫草害。在使用过程中发现如把喷头与行驶方向形成45°角,则雾滴的穿透性能得到很大改善。在许多试验中发现通过改变雾流方向角,药液在冠层中沉积分布会发生改变。柯西通过改变雾流方向角提高了小麦植株中下部的沉积量,减少了药液失落到地面上的量。为了提高雾滴在小麦穗头上的沉积量,摩泽采取使喷头倾斜一个角度的措施。试验中使喷头与水平面夹角15°,比喷头垂直下喷时所能获得的沉积量提高了大约40%。由此可见,喷雾过程中改变雾流方向角会对药液沉积造成显著影响,本次试验的目的就是研究雾流方向角对于药液在水平靶标和垂直靶标上的沉积影响。1材料和方法1.1扇型雾喷头试验装置试验在中国农业大学药械与施药技术中心的植保机械实验室中进行,利用实验室的喷雾天车(德国产)进行大田喷雾模拟试验。天车轨道高2.5m,长9m,匀速区长6m,一台调速电机驱动轨道车,调节电机转速可调节轨道车的前进速度,模拟不同作业速度。轨道车上安装喷杆,高度可调,管路与喷杆连接处安装有稳压调压装置,喷杆上安装有5个喷头,试验喷头采用德国Lechler公司生产的标准扇型雾喷头ST120-015,喷头间隔为0.5m,喷雾高度为0.5m,喷雾压力0.25MPa,喷量为150L/hm2和300L/hm2。根据作业速度,与所有喷头的流量q的计算式为q=Q×V×B600q=Q×V×B600(1)式中q——所有喷头的流量,L/min;Q——用药液量,L/hm2;V——机车前进速度(行进速度为1.18m/s,0.59m/s),km/h;B——工作宽度,m。试验装置可使喷头垂直向下喷雾,也可向前或向后转动0～90°喷雾。规定垂直向下喷雾时雾流方向角α为0°,向前喷雾即偏向喷杆前进方向时,α为正值;向后喷雾时,α为负值(如图1)。共设计±40°、±30°、±20°、±10°、0°九个α值。1.2表单一叶型设计由于大田作物中小麦、水稻等禾本科作物叶片大多直立,而棉花大豆等阔叶作物,叶片平展,所以设定靶标为垂直和水平两种状态,分别代表直立型叶子和平展型叶子。本试验采用直径4cm的圆盘滤纸做为人工靶标,圆盘滤纸水平布置作为水平靶标,垂直布置作为垂直靶标。如图2所示,在天车匀速区内沿喷杆前进方向布置两列共6行滤纸,其中3行水平放置,3行垂直放置,每行间隔160mm(图2b),为研究冠层不同部位的药液沉积量变化,将靶标分为上中下3层,距离地面高度分别为250mm、400mm、550mm(图2a)。1.3荧光值的测定试验采用荧光测定法,用1‰的BSF(Brillantsulfoflavin)水溶液代替农药进行喷雾试验,根据喷量、喷雾时间,喷雾过后10～30min后滤纸变干,用镊子将滤纸收集到干燥的洗涤瓶中,然后在每个瓶中加一定量的蒸馏水(含酒精5%),然后放在震荡仪上震荡15min,使沉积在滤纸上的BSF洗脱下来,最后用LS-2荧光分析仪(英国PerkinElmerg公司)测定液体中的荧光值。每次试验重复3次,取平均值。以α=0°时靶标上的药液沉积量为基准,与其他喷雾角喷雾时靶标上的药液沉积量相比,计算方法如下式Dp=xα−x0x0×100%Dp=xα-x0x0×100%(2)式中Dp——沉积增加百分比;xα——雾流方向角α时靶标上的沉积量;x0——雾流方向角0°时靶标上的沉积量。2结果与分析2.1雾流方向角的影响图3所示为不同雾流方向角与水平靶标上的药液沉积量增加百分比Dp之间的关系。结果表明,除喷雾量300L/hm2雾流方向角为20°时药液沉积量略微减少3.38%,改变雾流方向角可以增加药液在水平靶标上的沉积量。并且在中、下部靶标上药液的沉积量增加程度比上部靶标上的显著。喷量150L/hm2时上、中、下3层Dp最大值分别是20.29%、55.83%、44.86%,此时雾流方向角分别为20°、-40°、20°。喷量300L/hm2时上、中、下3层Dp最大值分别是23%、62.84%、78.43%,此时雾流方向角分别为-20°、30°、30°。分析原因,雾滴离开喷头后向靶标运动的过程可以分为两种,当雾滴刚离开喷头时,雾滴的动能较大,其运动轨迹符合弹道理论模型,随着雾滴在空气曳力的作用下运动,细小雾滴的动能逐渐衰减,其运动轨迹符合随机游动模型,在这个过程中,细小雾滴极易受到气流的影响。总起来说,在雾滴的整个运动过程中,尺寸较大的雾滴基本遵循弹道理论模型运动,而尺寸较小的雾滴的运动开始会符合弹道理论模型,随着动能减少,雾滴的运动开始符合随机游动模型。雾流方向角的变化会改变雾滴的运动初始角度,从而会改变雾滴的弹道轨迹,由于扇形喷头形成的扇形雾流会夹带空气形成一扇形的气帘,因此改变雾流方向角同时可以改变气帘的角度,从而改变气帘后的空气流场,进一步改变空气中符合随机游动模型的细小雾滴的沉积形态。由于靶标水平布置,上层的靶标会阻挡雾滴向下层靶标沉积,特别是会阻挡沿弹道模型的雾滴沉积,偏转雾流方向角后,上层靶标对雾滴的阻挡作用减弱,雾滴倾斜入射,因此可以增加雾滴在中部和下部靶标的沉积,同时雾流后的空气流场改变,也可能增加细小雾滴的沉积。所以雾滴在中、下部靶标上比上部靶标上的沉积量增加程度大的多。综合分析,当喷量150L/hm2时上部和下部药液沉积增加程度最大的雾流方向角均为20°,虽然此时中部靶标上的药液沉积增加量为50.31%,不是最大值,但是同最大值55.83%相差不显著,所以当雾流方向角20°时的药液沉积效果最好。喷量300L/hm2雾流方向角30°时,中部和下部靶标的药液沉积量增加最多,分别为62.84%、和78.43%,此时上部增加了9.75%,虽然同最大值23%相差一定程度,但是综合分析发现喷量300L/hm2时的最佳雾流方向角是30°。表1所示为不同雾流方向角与药液在上中下3部分水平靶标沉积量的关系,结果表明,当喷量为150L/hm2喷杆处于最佳雾流方向角20°喷雾时,药液在中部和下部靶标的沉积量分别为1.142ug/mL、1.302ug/mL,同喷量300L/hm2垂直0°喷雾时药液在中下部靶标的沉积量1.324ug/mL、1.196ug/mL相差不多,所以通过调整雾流方向角以低容量喷雾作业可以使冠层中下部区域的药液沉积达到同大容量垂直喷雾同等的效果,这样当棉花等叶片平展型作物的病虫害主要防治区域位于冠层中下部时,可以通过调整雾流方向角降低喷雾量而保持同样的药液沉积效果,可以节省大量的农药,提高作业效率,减少对于环境的污染。2.2垂直靶标位置影响药物沉积量的影响表3图4所示为喷量为150L/hm2、300L/hm2时雾流方向角同垂直靶标的沉积增加百分比Dp之间的关系,结果表明喷量150L/hm2时药液在靶标上部和下部的沉积量增加程度比中部靶标的显著。当雾流方向角为20°和40°时上部靶标药液沉积量增加较多,分别为117.7%和109.09%;当雾流方向角为-40°时,在中部靶标上的药液沉积增加最多为58.5%;改变雾流方向角会使药液在下部靶标的沉积量都增加,-40°时增加程度最大为119.18%。分析原因,因靶标垂直布置,喷头偏转一定角度改变了雾滴的初始运动方向,从而增加了垂直靶标对喷雾雾流的承受面积,提高雾滴对靶标的撞击沉积能力,所以会增加药液在靶标上的沉积量。当向后偏转时,同样会增加垂直靶标对喷雾雾流的承受面积,只不过会增加药液在靶标另外一面的沉积量,所以也会增加药液的沉积,但是观察喷雾雾流形态,向后偏转时雾流尾部有较大范围的拖曳尾流,因此,如果在迎风作业的情况下,向后偏转雾流方向角会增加飘失的危险。综合分析,当雾流方向角度为20°～40°时,上部靶标药液沉积增加最多,而此时中部靶标和下部靶标的沉积也增加一定程度,所以喷量150L/hm2时的最佳雾流方向角为20°～40°。喷量为300L/hm2时调整雾流方向角都会增加药液在靶标上的沉积量。上、中、下3部分的沉积增加程度相差不显著,中部和下部增加程度最大的都是在雾流方向角度为30°时,分别是208.93%、146.99%;上部增加程度达最大169.11%时的雾流方向角为40°。综合分析,喷量300L/hm2时的最佳雾流方向角度为30°,其次是40°。表1中数据表明两种喷量下雾流方向角度与药液在上中下三部分垂直靶标上的沉积量,当喷量150L/hm2,雾流方向角度为20°、30°、40°时药液在垂直靶标上部和中部的沉积量都超过了喷量300L/hm2时喷头位于垂直位置喷雾时的沉积量。所以对于叶片直立的作物来说,如果病虫害的防治部位主要位于上部和中部,可以通过调整喷雾流方向角降低喷雾量而保持同样的施药效果。2.2喷杆前进速度影响在本次试验中,喷雾压力不变,喷头型号不变,喷头间距固定,喷雾量由喷杆的前进速度控制,所以造成不同喷量时的最佳雾流方向角不同是由不同的喷杆前进速度引起的。对于同样大小的雾滴,与气流的相对速度不同,雾滴运动过程中受到的空气阻力也不同,所以不同的前进速度会改变雾滴的受力,从而改变雾滴的运动轨迹。这也是造成喷杆前进速度不同,最佳雾流方向角也不同。如果喷头型号和喷雾压力改变,喷头产生的雾滴大小不同,雾滴所具有的初速度也不同,即使在相同的喷杆前进速度时也会得到不同的最佳雾流方向角。3不同喷雾的流方向角1)改变雾流方向角能够增加药液在水平靶标和垂直靶标上的沉积量。综合来看,对于水平靶标,喷量150L/hm2和30