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200 年 月 第 期
背負(fù)式靜電噴霧器的設(shè)計(jì)
姚海蘭
（塔里木大學(xué)機(jī)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(gè)靜電場(chǎng)，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(chǎng)力和其他外力的聯(lián)合作用下，霧滴做定向運(yùn)動(dòng)而吸附在目標(biāo)的各個(gè)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(dòng)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(diǎn)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(dòng)泵壓力比人手動(dòng)吸筒壓力大，增大了噴灑距離和范圍。霧化效果好，省時(shí)、省力、省藥。
關(guān)鍵詞：背負(fù)式；靜電裝置；設(shè)計(jì)；噴霧器
中圖分類號(hào)： 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：
0 引言
目前，我國(guó)農(nóng)藥生產(chǎn)技術(shù)處于國(guó)際先進(jìn)技術(shù)，而植保機(jī)械和農(nóng)藥施用技術(shù)相對(duì)落后。長(zhǎng)期以來，我國(guó)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(fèi)、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(xiàng)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(duì)我國(guó)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(jī)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(yùn)用靜電噴霧技術(shù),設(shè)計(jì)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(diǎn)。
1 設(shè)計(jì)原理及機(jī)構(gòu)
1.1 設(shè)計(jì)原理
針對(duì)我國(guó)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(fèi)、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(jì)了背負(fù)式靜電噴霧器。該機(jī)有兩種工況：（1）當(dāng)蓄電池有充足電時(shí)（蓄電池提供電動(dòng)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(shí)）：背負(fù)式靜電噴霧器工作時(shí)電動(dòng)隔膜泵自動(dòng)將藥液從藥箱輸送到噴桿中并在噴頭處?kù)F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(dòng)強(qiáng)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(duì)噴霧器的機(jī)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(shí)：即為背負(fù)式手動(dòng)噴霧器，藥液箱還有藥液的時(shí)候可繼續(xù)作業(yè)，省藥，免浪費(fèi)。
1
其優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)用高壓靜電在噴頭與噴霧目標(biāo)之間建立一個(gè)靜電場(chǎng)，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(chǎng)力和其他外力的聯(lián)合作用下，霧滴做定向運(yùn)動(dòng)而吸附在目標(biāo)的各個(gè)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(chǎng)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(qiáng)，約是霧滴與地球引力的40倍。電場(chǎng)力可以把帶電霧滴快速?gòu)?qiáng)拉到噴霧目標(biāo)，在此過程中，帶電霧滴受電場(chǎng)力作用沿電場(chǎng)線（電力線）運(yùn)動(dòng)，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(chǎng)力實(shí)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(duì)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(jī)會(huì)，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(jì)
背負(fù)式靜電噴霧器的機(jī)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(shí)，背負(fù)式靜電噴霧器工作時(shí)電動(dòng)隔膜泵自動(dòng)將藥液從藥箱輸送到噴桿中并在噴頭處?kù)F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(zhǎng)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(jī)身尺寸/mm：380×180×530
噴桿長(zhǎng)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(jī)凈質(zhì)重量/kg：6±0.5
2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)
2.1 電動(dòng)隔膜泵
電動(dòng)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(jì)。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(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、使用壽命長(zhǎng)、設(shè)計(jì)精致、物美價(jià)廉等優(yōu)點(diǎn)，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(jī)通過減速箱帶動(dòng)左右兩端柱塞上面的隔膜一前一后往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在左右兩個(gè)泵腔內(nèi)，裝有上下四個(gè)單向球閥，隔膜的運(yùn)動(dòng)，造成工作腔內(nèi)的容積的改變，迫使四個(gè)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(dòng)卸壓裝置。電機(jī)驅(qū)動(dòng)一個(gè)與之相連的帶隔膜的泵頭，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)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(diǎn)是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、壓力大、噪音小、耗電小，電瓶連續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)。電動(dòng)隔膜泵的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示。
圖2 電動(dòng)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(jì)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(shí)際流量L?min
經(jīng)計(jì)算得：隔膜泵的實(shí)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(shí)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(jì)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(jì)的預(yù)期目標(biāo)與設(shè)計(jì)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(shí)，背負(fù)式手動(dòng)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(jì)算公式相同，經(jīng)計(jì)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(dòng)隔膜泵主要參數(shù)
項(xiàng)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(jì)
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(chǎng)所產(chǎn)生的電力線的穿透特性，沿定向( 或電力線) 運(yùn)動(dòng)，霧滴主動(dòng)吸附到帶異性電荷的植株表面。在電場(chǎng)的作用下，霧滴可克服重力吸附在植株的背面，從而相對(duì)減少農(nóng)藥的飄移散失，加大藥液對(duì)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(jī)會(huì).
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(qiáng)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(shí)，安全保護(hù)裝置會(huì)起自動(dòng)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(xiàng)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(shí)：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(jì)算
吸附效果的計(jì)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(jì)算荷質(zhì)比， 其計(jì)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(jì)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(jì)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(duì)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(jiǎn)單，通用性好，使用壽命長(zhǎng)。
（3）使背負(fù)式靜電噴霧器能滿足防疫、倉(cāng)儲(chǔ)、畜牧場(chǎng)、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(shí)間長(zhǎng) 、減少污染、減少害蟲，增加產(chǎn)量。
（4）制造價(jià)格便宜，容易普及，能滿足使用的要求。
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