长期以来，中国果园施药大多采用每公顷600 L以上的大容量喷雾法^[1]，而目前每公顷50~200 L的低容量风送喷雾也已普遍推广。风送喷雾可以提高雾滴的穿透能力，但也造成了大量农药流失到土壤与环境中，使环境受到污染^[2]。风送静电喷雾是结合风送喷雾与静电喷雾技术，利用气流曳力与静电力的作用，改善叶片背面的雾滴沉积，同时由于气流的输运作用，改善荷电雾滴穿透能力不足，有利于提高作物冠层内部的药液沉积^[3-5]。

目前，运用静电喷雾技术提高冠层雾滴沉积量，改善荷电雾滴穿透能力不足，仍是广大科研工作者追求的目标。周宏平等^[6]设计改进了航空静电喷头并运用于轻型飞机，提高了农药有效利用率。贾卫东等^[7]、王军锋等^[8]设计了静电感应喷头，已应用于风幕式喷杆喷雾机上，并进行了静电喷雾沉积特性试验。周良富等^[9]设计了双气流辅助静电喷雾机，用于果园喷雾并进行了室内与田间试验，有效提高了农药沉积量。孙少华等^[10]、贾卫东等^[11]利用接触充电将静电喷雾运用于背负式喷雾器上，使雾滴粒径变细，提高了雾滴覆盖密度。Mamidi等^[12]设计了静电喷枪并进行静电喷雾效果试验，静电效果显著。吕晓兰等^[13]研究了喷雾压力、气流速度和作业速度对雾滴沉积分布的影响，得到各喷雾参数对雾滴覆盖率影响的显著性排序。Delete等^[14]、周良富等^[15]用仿真试验研究了工作电压、作业速度、喷雾距离和靶标材质、喷雾压力、气流速度等作业参数对喷雾效果的影响，并建立了静电喷雾覆盖率的响应面模型。谢守勇等^[16]对静电喷雾的静电电压、喷雾压力、喷头形式和喷孔直径设计了正交试验，分析其对于雾滴直径、均匀度和附着率影响的显著性排序并选出最优组合。吴春笃等^[17]对气助式静电的静电电压、气体压力、喷雾距离进行了交叉试验，验证了静电喷雾对于靶标背部的沉积量有显著效果，同时证明了适当增大电压可显著提高靶标背部沉积量。杨洲等^[18]分析不同侧风和静电电压对静电喷雾的飘移率影响，证明静电喷雾需在无风或低速风的环境下使用效果明显。

上述研究有助于提高农药利用率，并为本研究提供了技术参考，但缺乏对最优电极材料及绝缘材料选择的考虑，更多集中于静电系统设计与室内效果试验研究方面。本文针对雾滴在叶背面覆盖密度低的问题，增加了风送静电喷头结构设计和最优材料选择，设计了一种适用于果园自走式喷雾机的风送静电喷头，以期为果园风送静电喷头设计与效果检验提供参考。

1 试验平台 1.1 风送静电喷雾试验平台

风送静电喷雾试验平台主要由变频电机专用风机、动力喷雾机LS-545F、变频调频三相异步电动机、静电喷头及静电发生器、管道及药箱等组成，如图 1所示。试验平台主要部件参数见表 1。

1.2 试验平台工作原理

调节感应电压、风机转速、喷雾压力等参数后，启动喷雾开关，在喷头处喷出形成雾滴群，雾滴群在电场下感应充电，在气流曳力和静电力的作用下，着落在植株或试验纸卡上，即完成喷雾作业。

2 风送静电喷头设计 2.1 设计原理

目前静电喷雾有3种充电方式即电晕充电、接触充电、感应充电。电晕充电所需电压很高(几万伏甚至几十万伏)；接触充电要求药箱、接头等都具有好的绝缘材料，工程上较难实现；感应充电适用于气压雾化与液压雾化，所需喷头流量小，雾滴细，因所需充电电压较低适用于本研究。故采用感应充电，选用TR80005款(LECHLER)喷嘴，喷嘴喷雾状为锥形空心雾，设计的电极为锥形电极，其开角为80°。该静电喷雾采用液压雾化的感应静电充电方式，异性电荷相吸，同性电荷相斥是感应充电的基本原理。要使水分子带上负电荷，静电喷雾系统应该使安装在喷嘴外圈的电极加上正电压，当雾滴穿过电极时，电极与锥形液膜之间的电场使雾滴的负电荷会暂时多于正电荷，也就是说，雾滴被感应上负电；否则雾滴被感应上正电^[19]。

针对空心圆锥雾化喷头，采用锥形电极使锥形液膜带上电荷。感应充电时，高压电源的一端接锥形电极，另一端接地，如图 2-a所示。锥形电极与锥形液膜之间的绝缘介质，可视为一个大阻值的电阻，与锥形电极和锥形液膜组成的平行板电容器并联。锥形电极是电容器的高压极板，射流形成的锥形液膜是电容器的接地极板，电源电势为U，电阻为R，其等效电学模型如图 2-b^[20-21]所示。

平行板电容器的电容(C)计算公式：

(1)

(2)

(3)

式中：S为电极内圈总面积；θ为电极开角；H为电极高度；L为电极与液膜的间距；X为电极与喷嘴的间距；ε为绝缘材料的介电常数；U为感应电压；Q为电荷总量。

从式(3)中看出，电极板上所带电荷与电极高度(H)、电极与液膜的间距(L)、电极与喷嘴的间距(X)及绝缘材料的介电常数(ε)有关，且与X、H、ε成正比，与L成反比。那么选择合适的L、H及X是锥形电极设计的关键。

2.2 结构尺寸设计及材料选择 2.2.1 电极材料的选择

目前大多数感应静电喷头的电极都为不锈钢304材质。而由表 2可知，铜有好的导电性与加工性，且电极帽能有效防止电极铜被农药腐蚀，故选用铜作为电极材料。

2.2.2 电极与喷嘴的间距

由式(3)可知，理论上电极与喷嘴之间的距离(X)越大，雾滴所带荷质比越大；但X过大时，雾滴荷质比反而减小。原因是理论上的成立必须建立在雾滴中的负电荷能够顺利导走的情况下，即如果一个孤立的雾滴经过了一个静电场，在感应荷电的情况下，静电场只是影响了雾滴上电荷的分布，但整个雾滴还是呈现电中性，并不会使雾滴荷电^[22]。上述研究建立在X>10 mm情况下，故选择X在0~10 mm内^[23]。同时考虑到尺寸要求，选择5 mm。

2.2.3 绝缘材料的选择

由式(3)可知，介电常数(ε)也是影响电极板上电荷的重要因素。目前大多数静电喷头都是以空气作为绝缘材料。但以空气作为绝缘材料，雾滴易吸附于或喷于电极上，引起放电现象，不利于雾滴获得良好的荷电效果。由表 3可知，选用环氧树脂作为电极帽材料，其介电常数为3~4，并具备高绝缘性、高耐腐蚀性、易加工等优势。故选择环氧树脂作为绝缘材料。

2.2.4 电极与液膜的间距和电极高度

绝缘材料环氧树脂厚度为2 mm，具有很好的绝缘效果，由式(3)可知，电极与液膜的间距(L)越小越好，但是实际喷雾过程中，在喷嘴处会形成浓雾团。L越小，雾滴易滞留于绝缘材料上，不仅浪费药液而且药液积累多影响雾滴感应充电，试验得出液膜与绝缘材料之间距离3~5 mm，故L取5~7 mm。

从式(3)可知，电极高度越大，电极板上所带电荷量越大。考虑设计及安装尺寸要求，最好在10~15 mm，这样不但能保证电极电荷量且能保证在风力帮助下，雾滴逃离喷嘴处。

2.3 模型图和实物图

风送静电喷头的模型图及实物图见图 3。

3 静电效果检验 3.1 试验因素及检验指标确定 3.1.1 试验因素确定

感应电压是影响风送静电喷雾的主要因素之一。感应电压使电极产生电场，使雾滴带电形成静电喷雾，通过调节感应电压可以分析雾滴在电场内的充电规律。喷雾压力是调节喷雾流量的重要手段，那么在不同流量下，研究静电喷雾的效果是必要的。风机转速同感应电压一样，也是影响风送静电喷雾的主要因素之一，调节风机转速，控制喷头周围的风速场，在风力作用下，雾滴才能到达更远的距离。喷雾距离是雾滴在喷雾时所能到达的距离，且是喷雾试验中理论研究与实际喷雾作业之间的重要纽带。

3.1.2 检验指标确定

雾滴荷质比是衡量喷雾器静电效果的重要指标之一。通常认为，荷质比越大，所产生的静电效果越明显。利用荷质比指标，可以迅速对不同充电方案和工作参数作出初步的对比性检验。雾滴覆盖密度是喷雾器实际喷雾效果最直观的指标之一。利用雾滴覆盖密度，可以快速判断各工作参数所对应的实际喷雾效果。

3.2 试验设计 3.2.1 雾滴覆盖密度测量方法

将76 mm×76 mm纸卡布置在与喷头平行高度的不同喷雾距离处(0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 m)，每一行布置3张间距0.2 m的纸卡，如图 4所示。在排除风力干扰(风力只能使纸卡振动，不能使纸卡翻转)的工况下(风机转速1 300 r · min^-1，喷雾压力0.3 MPa)分别设定感应电压0、5 kV，使用质量分数为0.25%的丽春红2R药液进行喷雾作业。重复作业3次，收集纸卡扫描成图片，利用图像分析软件分析，经计算得出雾滴覆盖密度。

3.2.2 雾滴荷质比测量方法

将静电喷头固定于法拉第筒(外筒直径540 mm，高度600 mm，内筒直径500 mm，高度580 mm，内置3层不锈钢网收集雾滴，但不阻碍气流，内筒与外筒之间使用绝缘橡胶隔离，不锈钢网与内筒口距离200 mm)进口的中心轴线相同的高度上，通过移动法拉第筒来改变测量距离。将开关打开，每次喷雾60 s，收集雾滴于烧杯中并称量，记录万用表(VC890C+，量程0~200 μA)数据并重置，每个距离重复3次，取平均值。试验示意图见图 5。

3.3 试验结果 3.3.1 静电及喷雾密度对雾滴覆盖密度的影响

利用Excel 2010和SPSS 22.0对静电组与无静电组正、背面覆盖密度进行数据处理与分析。由图 6可见：在静电作用下，雾滴的吸附能力大幅度增强，在正、背面都有体现。在1.5~2.0 m内静电组比无静电组在正面覆盖密度高60%以上；在1.0~2.0 m内静电组比无静电组在背面覆盖密度高70%以上。纸卡测试法与现实喷雾有一定差别，纸卡所能接收的范围很小，在雾量充足的情况下，因为带电雾滴具有较强吸附性，所以在纸卡正、背面都比不带电雾滴覆盖密度高。

静电雾滴在喷雾距离达1.0 m时，在正面覆盖密度达最大值。这是因为静电雾滴在喷雾距离较近的情况下，由于静电效果明显，所以在喷雾距离0.5 m处雾滴覆盖密度稍小于1.0 m处。

通过SPSS 22.0对试验数据进行方差分析，结果显示：因素A对正、背面覆盖密度显著性值分别为0.039、0.011，因素B对正、背面覆盖密度显著性值分别为0.002、0.001。因素A及因素B对正、背面覆盖密度都呈显著水平，充分说明了该静电喷头在实际喷雾试验中可以取得较好的喷雾吸附效果。

3.3.2 雾滴荷质比检测结果

在感应电压5 kV、喷雾压力0.3 mPa工况下，测量了不同风机转速、不同喷雾距离的荷质比。结果(表 4)显示，雾滴群在不同参数组合下，出口距离0.2 m处荷质比不同，最大可达1.167 mC · kg^-1。在满足果园喷雾要求下，距喷头距离0.5 m处进行喷雾作业，荷质比达到0.6 mC · kg^-1以上，静电作用可以起到效果。风机转速小于1 500 r · min^-1时，感应充电后的雾滴群由于受电场力的作用会着落在易着落的地方，则大量雾滴停留在电极帽处，聚成水滴，产生放电现象，消耗电荷，荷质比由1.167 mC · kg^-1减少为0.947 mC · kg^-1。当风机转速增大到1 600 r · min^-1时，荷质比减少为0.987 mC · kg^-1，这是由于风速过大后，雾滴群在电场内的时间变短，影响了感应充电的效果，则荷质比变小。

综合以上结果，在风机转速1 500 r · min^-1、喷雾压力0.3 MPa、感应电压5 kV、喷雾距离0.2 m，可以获得荷质比1.167 mC · kg^-1。测量喷头流量为0.2 L · min^-1，并将这种喷雾压力和感应电压作为果园喷雾田间试验的工作参数。

4 果园验证试验

试验时间为2018年1月7—10日，试验地点为江西省吉安市井冈山国家农业科技园，试验期间气温为5~13 ℃，相对湿度为50%~80%。

冠层沉积量测量：使用0.25%的丽春红2R溶液作为喷雾液进行喷雾试验。根据柚子树大小确定采样点数和位置，沿树高方向(z轴)和风送喷雾方向(x轴)，沿x方向用假想的竖直平面各自将树冠层分为3层，沿z方向用假想的水平平面将树冠分成3层，把面与面的交叉点(共9个)作为取样点(图 7)。在每片树叶正、反面用回形针固定2张76 mm×76 mm的纸卡。每次喷雾结束，等纸卡晾干后，收集纸卡用塑封袋装好，带回实验室做进一步分析处理。

样本处理：将带回实验室的纸卡样本剪成条状并标号，分别放入烧杯中，使用50 mL的纯净水洗涤，取少量样液，使用分光光度计测量溶液的吸光值，根据标定的拟合表达式确定溶液浓度的大小，进而根据式(4)求得单位面积纸卡上的雾量值。

(4)

式中：m为纸卡上雾量值(μg · cm^-2)；K为拟合系数；A为吸光度值；V为加水量(mL)；c为丽春红溶液浓度(%)；ρ为0.25%丽春红的密度，约等于1 g · cm^-3；S为纸卡面积。

试验数据分析：在静电作用下，冠层正、背面沉积量有明显增加，验证了静电作用对正、背面沉积有积极作用。另外，分析A、B、C面的沉积量均值可知，静电作用下雾滴在喷雾方向的正、背面穿透能力分别提升了7.7%和4.3%。分析a、b、c面的沉积量均值可知，静电作用下雾滴在作业行驶方向的正、背面均匀性分别提升了9.7%和13%(表 5)。

由表 6可知，当风机转速由1 300 r · min^-1增大到1 700 r · min^-1的过程中，正、背面沉积量均先增大后减少，与上述荷质比测量结果一致。

5 结论

本文针对雾滴在叶背面覆盖密度低的问题，设计了一种新型的风送静电喷头。电极设计成锥形电极，开角为80°，高10 mm，厚2 mm，材料为铜，具有高导电性；电极帽设计成仿锥形，可将电极盖住并密封，防止电极被药液腐蚀，材料选用环氧树脂制作，可提高介电常数，增大感应充电电场电荷。雾滴覆盖密度对比结果说明，有无静电对正、背面覆盖密度影响显著。在实际喷雾试验中，静电作用使雾滴吸附能力加强，更易吸附于纸卡上。在喷雾距离1~2 m内，背面覆盖密度相对增幅达到70%以上，证明该静电喷头具有明显的静电喷雾效果。雾滴荷质比检验结果表明：随风机转速增加荷质比变大，当转速为1 500 r · min^-1时，荷质比为极值点；风机转速再变大时，荷质比则减小。同时该静电喷头在风机转速1 500 r · min^-1、喷雾压力0.3 MPa、感应电压5 kV，距离喷嘴0.2 m处，最大荷质比可达1.167 mC · kg^-1，并且距离喷头1 m处的雾滴仍然带电。而田间验证试验表明：在各种环境因素影响下，静电效果大打折扣，正、背面沉积量分别提高了14.4%、32.7%。在风机转速由1 300 r · min^-1增大到1 700 r · min^-1的过程中，正、背面沉积量均先增大后减少，与上述荷质比测量变化结果一致。