树干注射施药技术作为一种选择性化防施药方法具有不污染环境，不受施药环境条件的限制，药效期长、防效高等显著优点(秦飞等，1997)，随着钻蛀害虫、维管束病害、线虫、具蜡壳保护的吸汁害虫等用常规喷药措施难以有效防治的病虫害的危害日趋严重，和人们环境保护、生态平衡意识的迅速增强，其开发应用问题得到了包括美、英、日、澳、韩等先进国家在内的世界许多国家的重视，前人研究发表了一大批各种原理和结构的注药机(胥占义等，1998)。然而，令人遗憾的是这众多的机型中还没有一款能够完全满足用户的各种实际使用需要，还没有能够真正投入商业性的生产推广应用。为此，笔者根据数年中从事这一工作的实践体会，将收集到的国内外的一些机型的工作原理和技术关键作一初步的比较分析，并在此基础上设计开发了一款机型，以期对该项技术的发展有所帮助。

1 树干注药的两种技术路线比较

树干注药的技术路线决定产品结构。从国际国内已发表的技术成果看，笔者认为基本上可以归纳为两种技术路线:一类是无(低)压、低浓度、大剂量注射，另一类是高压、高浓度、低剂量注射。

1.1 无压、低浓度、大剂量注射

此类注射，药液实际上是依靠树木水份输导组织中的液流流经注射针头孔部位时，由输导组织中的液流与针管中的药液之间的压力差而被“吸入”后与之一同向上部输送的(其中的特例还可以包括在树干上钻一个倾斜的孔，然后将药液灌入孔中封住)。因此，当树木的蒸腾作用停止或很弱(如夜间、阴雨天)时，药液就不能进入树体；另一方面，由于在这一过程中注药孔周围的树体组织全体处于药液的浸渍之中，如果采用高浓度的农药，则当药液浸入形成层组织时，往往会引起组织坏死即出现注药部位药害。为防止药害的发生，必须使药液的浓度降得很低，(通常要低于2000 mg/kg)，这样又使注药时间大大延长。由于这些原因，使得能够应用的药物受到很大限制，虽然这些注药器具十分简单，价格低廉，但是，只能满足一些特定对象的特定需要的注射，无法普遍推广应用。

1.2 高压、高浓度、低剂量注射

此类注射，药液首先在人们施于的强制力的作用下快速进入并贮存在木质部中，之后随蒸腾流传输到树体各个部位。这一技术路线可以克服前一技术路线的不足，其条件是要有可靠的增压机构，以产生能够适应各种软、硬质树木注射所需要的压力，并且注射针头与树体必须有良好的密封性，足以阻止高压注射液沿针体向外流入皮下。又可分两类:一类如美国林务局(Forest Service)的F.S注射机和我国的SZ-1等注射系统，是将设定剂量的药液从开始压注直到结束，连续不停地注入树体内的连续式注射；另一类如美国4505067号专利和我国6HZ系列注射系统，是将设定的注射剂量分为若干份，每次压入一份，这样一次一次地压入树体内的脉冲式注式。实际应用结果表明:在针头与树体(木质部)密封良好、压力足够大的情况下，如果压入注射液的速度大于导管等输导组织允许的流动速度(随树种和季节等不同而变化)，组织会发生爆裂，脉冲式每秒压注1~5 mL对绝大多数树种是安全的。

2 高压快速注射式树干注药机的关键技术比较

如前所述，要实现高压快速注射必需具备可靠的增压系统、针头与树体间具有良好的密封力和方便快捷的进退针系统3个条件。

2.1 增压机构的结构

增压机构是高压树干注药机械的心脏，作用是将药液吸入、然后加压并泵出。因此，如何保证吸入药液的增压是其核心。已发表的机型有以下3类方式:

2.1.1 双单向阀有密封柱塞泵式

这是最多采用的一种结构，由柱塞泵和位于其前方的出液球阀和后方的吸液球阀构成。其实这是一种最经典的液压系统装置，几乎所有的手动液压千斤顶都采用这种结构。这种装置在油压系统中工作到31.5 MPa都是可靠的，但实践表明用作注射药液则不够可靠———系统的压力保持时间过短，即阀的泄漏比较严重，且无规律性。究其原因，我们认为主要是工作介质不同所致。首先，药液与液压油的粘度差异极大(液压油的粘度高，密封性好)。其次，液压油是在一个密闭的系统中循环工作，能够保证“洁净”度，而注药系统则是开放的，不仅有药剂品种、浓度等变化，而且常常还会混有一些杂物等。为了提高阀的可靠性，有的人采用多阀串联、膜阀、锥阀(钢性)等多种改良型结构，但均因效能改善有限，只能用于要求中低压以下的注射。

2.1.2 单单向阀无密封精密偶合柱塞泵式

此类结构的机型如重庆的“XH轻型高压树干注入器”和徐州的“6HZ.DIV型树干注药机”等。它较前者主要是去掉了位于柱塞泵后方的吸液阀，只有一个位于泵前的单向阀和配合间隙极小的精密回偶合柱塞泵构成，其吸液为真空式，排液时依靠柱塞与泵体间极小的间隙(≤0.01 mm)来阻止药液的回泄。我国机械工业标准规定此种结构的液压泵的允许泄漏量为≤2%，但当工作介质由油换成药液时，其泄漏更为严重，在人力手工压缩(2 mL/s)条件下的工作压力最好的也只能达到10 Mpa左右，只能用于泡桐、杨柳等要求注射压力低的树种，对于槐、梨等需高压注射的树种不能实现有效注射。

2.1.3 无单向阀密闭唧筒式

这种结构的机型如美国4011685号专利，我国CN1038389A号专利等。它取消了全部单向阀，结构与一般医用注射器完全一样。由于受柱塞推力的限制，一般唧筒(截面积)只能做得很小，使用中需频繁地取下针头灌药，失去方便性而无法普及。为解决这一问题，90年代初徐州光学仪器厂曾推出了一种将唧筒做到一定大(约250 mL)、唧筒活塞由两台液压千斤顶推动的改良型，这一结构工作是可靠的，但结构比较复杂、重复大，另外，储药量仍然偏小且灌药比较费事。

2.2 注药针的结构与进退针方式

注药针头直接与树体相接，是决定能否将药液送入树体内及工效高低的第2个关键。

2.2.1 现有技术

90年代以前的注药针头代表性的有顶端开孔的中空圆管式、中空螺纹管式和侧开孔的尖头圆柱式、尖头木螺钉式几类。中空圆管式从20年代的美国Mauget注射器到80年代的中国专利88211060.U等无(低)压系统中得到广泛应用，使用时先在树体上钻一个与针体粗细相当的孔，然后将针头插入孔中。这种针头用于高压注射时注射会沿针体外泄，为此，美国林务局的一个研究小组(Gregory Jones和Mcwain)采取在针体上套一个密封圈、并由法兰盘由4根针子钉在树体上将其紧紧压住的方式来阻止高压药液的外泄。与此相仿的还有英国的“树木救星”等。显然，这种方式不仅费事而且对树体还要产生额外的损伤。之后，Hemelick(美国)发表了一种中空螺纹管式针头，依靠针体上凸起的螺纹嵌进树体组织形成密封效果，因而工效大为提高，曾被广泛用于美国榆树荷兰病防治中。但这种针头仍需在树体上预先钻孔，还不够简便快捷。于是一种外形与木螺丝相同的侧开孔自旋进式针头被推了出来，然而实际应用表明这种“自旋进”式针头能够适用的树种很少。直到90年代初，我国陈永益等(1992)研究了一种顶端为平刃、前半部圆柱体侧开4孔(各孔间夹角90°)、后半部圆锥体的针头，采用撞击式进退针，虽然在一些树种的注射中有漏药现象(夏民洲等，1993)，但其初步显示出的自进密封能力和快捷的进退针速度等优点，展示了其良好的发展前景。之后，秦飞等(1996；1999)对其作了进一步改进完善，发展成一种楔形系列针头。

2.2.2 影响注射针设计的树木生理学因素与针头设计改进方向

要实现对各种树木的高压快速注射，针头必须满足进退针操作简单快捷和针体与树体有足够的密封力两个条件。要做到这两点，必须对不同树种间木质部组织的生理学特性和力学特性有充分的认识。经过数年摸索，我们认为影响设计的主要因素有:①不同树种树干组织密度相差极大(可达10倍以上)，而且同一树种由于生长立地条件、生长快慢等也有较大差异，因而对进退针的阻力和组织对针体的压力(封闭力)差异也就很大。②大多数树木的顺纹力学强度很高，而横纹力学强度很低，易劈裂。③树干中蒸腾流在木质部横断面上通过的速度并不是均一的。龙泽英纪等(1996)证明:同一树体木质部的透水性是纵方向〉圆周方向〉放射方向，即液流垂直方向比同一年轮中圆周方向流动快，圆周方向的流动比越过年轮的放射方向流动容易。在不同树种间，日本扁柏为外侧边材以内0.8~1.0 cm处稍快；柳杉为边材外侧快，内侧约为外侧的一半；木兰则是各年轮间基本一致，但最外侧稍小一点。④不同树种间树皮厚薄差异很大，同一树种因大小不同差异也可能很大，但一些厚皮树种如杨树的树干直径与树皮厚之间存在密切的正相关关系(赵博光等，1996)。⑤树皮与木质部之间的形成层细胞娇弱，不能耐受大量药剂的刺激。

注药针设计就是要开发出能够适应上述特性各异的树干组织结构的注射、使药液能够注入到最优输导组织部位、操作简便快捷的针头(系列)。实现这一目标的主要研究方向是:一要彻底解决“自进密封”，因为先预打孔，然后再插(拧)入针头的两步操作法“事倍功半”。楔形冲击式自进密封注射针的问题是大锥度对软材质树种具有良好的自进密封能力，但对松等树种则易产生挤裂使药液沿针体外泄，小锥度则正好相反。因而要解决针体锥度的优化，形成若干系列。其二，由于树皮厚薄和不同树种最佳输导部位的不同，要优选形成若干长度系列。其三，针体要选用有良好的硬度和韧性，不易弯、折的材料。

2.2.3 进退针方式与针头的形状结构密切相关

早期(中空园管式针头)都是采取塞入式，即在树体上先钻好孔，然后再将针头塞进去。螺纹管式针头也是两步操作法，即先在树体上钻好孔，然后再将针头拧进去。90年代以来，随着楔形针的发展，撞击式进退针渐成主流方式。

3 6HZ.D625B型树干注药机的研制 3.1 技术路线与主要技术指标的确定

本机型选用冲击式进退针、高压低剂量脉冲式注射技术路线，关键技术指标确定为:注药压力≤25 MPa，在任意测压点下的压力保证时间≥10 min，一次压缩注药量；2±0.2 mL；药液压注速度；手控1~2 s；移动方式，手提式，全机重量：6~7 kg。

3.2 增压系统的设计

增压系统采用双单向阀有密封柱塞泵式结构方式：(1)采用药瓶高置于吸、出液阀上方的正压供液方式，从而省去了一般负压吸药系统中必须的放排气机构，使用更简便。(2)吸、出液单向阀采用柔性密封阀结构，其中吸液阀采取阀蕊与柱塞连动的“强开强闭”专利设计。实际测试表明这种结构在≤25 Mpa的任意测压点下，压力保证时间都能达到15 min以上，说明阀的泄漏问题得到圆满解决，可以保证注射计量(定容式)准确性。(3)采用四连杆杠杆加力机构，柱塞的往(压出药液)复(吸入药液)均由曳手强制曳引，数年的实际运用考验表明，只要泵体和柱塞的材料与热处理工艺适当，完全能够抵抗横向分力磨损，使用寿命能够得到保证，从而省略了导向滑块(杆)的复杂机构，结构简洁，工作可靠。

3.3 注药针与进退针机构的设计

采取冲击式快速自进密封技术路线。

3.3.1 注药针设计

如本文第2节所述，注药针设计的关键在于优选、解决好针体的锥度系列和长度系列，此外，还要注意切断刃的刃角等因素。

(1) 锥度系列:根据对试验结果的模糊聚类分析，优选确定了适用于中软材质树种的1:25和适用于中硬材质树种的1:50两个锥度系列。

(2) 长度系列¹⁾:优选确定了适用于中软材质树种的26、36、46 cm和适用于中硬材质树种的20、28、36 cm两个长度系列。

1) 针头长度分绝对长度即从刃口至末端的物理全长和有效长度即从出药孔到针头压帽端面间的长度。本文所述长度系列值指有效长度值。

(3) 切断刃刃角    进针阻力和针头寿命与此有重要关系。刃角过大则进针阻力大，过小则强度降低且增加了针体绝对长度。经试验确定适用于中硬材质的树种的刃角为48°~50°，适用于中软材质的树种的刃角为38°~40°。

3.3.2 进退针机构设计

进退针方式的繁易是影响工效的决定性因素。要求既要保证针头进退时使之平衡受力，又要达到快速的工作要求，将其设计为具有导向滑杆的滑锤撞击机构，滑锤与安装针头的针头座之间采用卡口联接方式，在使用中可以快速联接与脱离。根据人体工学与用户主要注射树种的不同，分别设计了大、小两种质量的滑锤。

3.4 计量系统设计

在低剂量注射系统中，流量计式计量装置的误差偏大；另一方面，考虑到可能发生因污物等造成吸液阀失灵等使药液回泄的情况，采取了在吸液阀后方设置量筒式计量装置的专利设计，由放液开关、量筒、放药管、吸药管和通气管组成，从而确保了计量精确度，可以满足各种精确计量试验需要。

3.5 整机总体结构如图 2所示 4 应用效果

用户的实际应用表明，采用本机注射防治林木果树病虫害，与喷药、喷烟等传统的地面施药技术相比，具有以下明显优点：(1)不受气候、立地条件、树木高度和病虫害危害部位的制约，适应范围广，使用机动灵活。无论是阴雨连绵，还是大风、干旱缺水条件下均可及时地开展防治。并且药效期比喷药延长1倍(氧化乐果、甲胺磷)以上，特别对在高大树木上部或木质部内以及具蜡壳保护的蚧虫等用传统的喷药方法很难防治的病虫害，可以很轻松地实施有效防治。(2)与手工环割涂药、钻孔灌药相比，对树体的损伤小、药液传递快、工效高、防治效果好。采用本机注射的注药孔，一般情况下，生长量大的树种1~2个月左右、生长量低的如苹果等当年大多也可以愈合，比环割、钻孔法快1倍以上。台班工效(胸径20~30 cm的杨树，两人一组操作)可以达到400株上，与工农-36型机动喷雾机相比，工效基本相当，但防治效果大为提高，用药量减少，防治成本平均下降50%以上。(3)与叶面喷施或土施相比，大幅度提高了经济林施用植物生长调节剂、微量元素营养的安全性和效果。本注药机械的注药泵排量误差2±0.2 mL，计量筒刻度分辨率1 mL，可以准确控制单株用药量，微肥利用率比叶面喷施高40倍以上，比土施高450倍以上(苹果)。(4)没有药物污染环境，对非标靶生物不产生直接伤害。是一种“外科手术式”的化学防治，其对林分或果园生态系统各生物种群的影响被限定在只是帮助人们调节有害生物和非有害生物的构成关系上，能够完全满足人们长期以来一直希望达到的化学防治和天敌等非有害生物的保护和相互协调的要求，促进生态平衡的演进发展。

实际的试生产表明，在年产1000台规模下，该机型的主要经济技术指标全部超过了原林业部科技司提出的“成本300左右、使用寿命3年以上、日防治300株树左右”的要求，可以适应我国各种造林树种注射各种药剂的需要。