摘要传统的农药混药方式都是预混式混药,即由操作人员将农药和水进行人工混合。这种混药方式存在很多弊端。综述了国内外几种混药装置的研究进展,提出了实际应用中存在的问题,并进行了展望。文章发表在《中国科技资源导刊》上，是工程师职称论文发表范文，供同行参考。
关键词植保机械;混药装置;在线混合技术;直接注入系统
喷雾机的混药装置是指完成农药与水混合的装置。在农药的使用过程中,传统的喷雾混药方式是预混式混药。即由操作人员将农药与水按一定的比例一起装入大药箱中,人工搅拌使农药与水均匀混合[1]。这种混药方式存在着很多缺点:譬如,在搅拌混合的过程中,操作人员不得不与农药密切接触,可能会对操作人员的身体健康造成危害;在进行浓度配制时,配制的药液在剂量、混合的均匀度等方面容易造成比较大的误差,影响喷雾效果;农药直接与喷雾机的机械部件长时间接触并摩擦,造成机械污染及腐蚀;而且喷雾结束后,大量已混合好却未用完的药液也会造成极大的浪费和环境污染。因此,为了避免这种混药方式给施药人员、喷雾机械以及环境和非靶标生物带来的危害,实现农药药水分离、在线混合和施药机具的装备自动化是植保机械与施药技术研究的发展趋势之一。国内外的很多专家学者在农药药水在线混合装置方面做出了开创性的研究。
农药药水在线混合技术是将药箱和水箱分开,利用喷雾机管道系统内部的水流或者喷雾机管道系统外部的能源完成农药与水的在线混合。这种混药技术实现了农药的标准化、专业化、精确化施用,以环境保护和操作者安全为核心,通过混药器在线控制农药的使用量,同时在施用过程中避免操作者与农药接触,因此可以减小农药对操作者产生的危害,同时减少对环境以及周围非靶标生物的污染。而且喷雾装置在施用后更有利于清洗,可拆卸、回收和翻新或安全废弃并长期无虑。笔者综述了国内外农药药水在线混合技术的研究进展,并展望了今后发展的趋势。
1国外农药混药装置的研究进展
1970年,Amsden首次提出了农药在线混合技术,引起了世界各国科学家的广泛关注,经过近40年的研究,农药在线混合技术已经有了显着的发展与进步。目前,发达国家广泛采用的是大型机动喷杆式喷雾机,重点研究的是采用外加能源式在线混药。其中,农药直接注入系统就是利用喷雾机管道系统外部的能源,完成农药的精确计量以及药、水在管道内的混合。这种混药装置在水流量保持恒定的情况下,利用喷雾机管道系统外部的能源,根据喷雾机的前进速度来调节农药的注入量,通过喷雾机管道系统内混合液浓度的变化,达到单位面积上农药的用量恒定。按农药注入量调节方式的不同,农药直接注入系统又可分为压缩空气直接注入系统和变容积泵直接注入系统。
1.1压缩空气直接注入系统
压缩空气直接注入系统的混药装置由2个液箱、2个变面积流量计和1个压缩空气灌组成。2个液箱分别是药箱和水箱,2个变面积流量计分别是测量农药与水的流量,压缩空气罐则是用来给2个液箱提供恒定的压力。喷雾作业时,操作人员通过调节2个液箱内的空气压力来调节水和农药的流量,当2个变面积流量计分别测出的流量符合指定的标准时即可。
1.2变容积泵直接注入系统
20世纪80年代中期,由美国开发的Mid-West Technology CC I-2000 型直接注入系统的混药装置就是变容积泵直接注入系统。该系统具备独立的药箱和水箱,由与喷雾机前进速度成正比的变容积泵使定量的农药进入主水管道,与来自水箱的水混合,再经喷雾泵输入喷雾主管。由于水药分置,与传统的喷雾机相比,该系统具有操作简便、节约用药、保护环境等优点。
1.3其他喷雾混药装置
国外的很多专家学者在混药装置方面做了一些研究,也得到了一些显着的成果。如Larson等研制了试验用喷雾机,该喷雾机能够根据拖拉机的前进速度,通过计量泵按比例调节农药注入水流的注入量。Reichard和Ladd研制了试验用在线混合喷雾机,这种喷雾机不管拖拉机的行进速度如何,只通过计量泵调节合适的农药量使其与水流混合,水与农药按一定比例混合后到达喷嘴,当拖拉机到达地头时,由于速度降低,农药与水的流量将按比例减小。1994年,Ghate和Phatak完成了压缩空气直接注入系统的设计。该系统能够精确测量喷雾机的前进速度,并增加了调节药箱压力的调压阀,根据此信号,通过控制调节阀的开度,调节药箱内的压力,从而调节农药注入喷雾机管道系统的注入量,达到农药浓度与前进速度成比例变化。水流量恒定,农药浓度随前进速度同步变化,因而单位面积上农药用量就能够恒定。1998年,Koo Y M将总流量控制和农药直接注入技术相结合,开发了一套直接注入总流量控制系统。该系统随喷雾机的前进速度同步调节水流量和农药的注入量,因而农药浓度保持不变;由于总流量与喷雾机前进速度成正比变化,因此不仅单位面积上农药用量恒定,而且单位面积上的喷雾总量也恒定[10]。Steward等针对Raven SCS-700农药注入系统研究了控制子系统的数学模型,并用模型进行控制响应预测,开展流量与阀有关参数的关系、控制器动态性能和稳定性研究等[11]。Gillis等开展了为基于机器视觉的农药喷雾机中的农药在线注入系统研究[12-13],Slaughter等开发了侧向除草剂喷雾机上配置农药直接注入系统[14],该系统能够实现精确对靶施药。
2国内混药装置的研究进展
2.1静态混合装置
中国农业大学的何雄奎教授等人在传统的农药直接注入系统的基础上采用SK静态混合器实现药水在线混合[14],把不同农药剂型、不同黏度溶液的混合均匀度与传统的混药装置进行了对比,由于其特殊的设备结构和流体的运动,使两种流体各自分散,然后再彼此混合起来,可以达到比较好的均匀混合效果,该方法对比较繁多的药剂类型和复杂的农药混合来说比较理想,在很宽的雷诺数范围内也能使用。与传统的混药装置相比较,混合均匀度有了改善,缩短了流体流经的水管长度,从而减少了变量延迟的时间。
2.2射流泵混药装置
射流混药装置是一种利用喷雾机管道系统内部的水力完成农药与水在线混合的混药装置,由喷嘴、吸入室、混合管和扩散管等部分组成[15]。射流混药装置的基本原理就是湍流射流、湍流混合的过程,高压水通过喷嘴射出,在混合管入口处利用动量交换的能量传递方式吸入周围的低压药液,水与农药在混合管入口及管内混合,高压水速度减小,低压药液速度增大,在混合口出口处均匀混合,速度一致,混合液通过扩散管时,由于扩散管的横截面积逐渐增大,混合液速度减小,压强升高,再由装置流出,以此实现药、水的抽吸和在线混合。这种射流喷雾混药装置在使用时能达到药、水分离,避免了操作人员与农药的直接接触,能安全地使用农药和消除残留物对环境的污染,具有装置成本低、操作简单等优点。
2.3正压式混药装置
正压式混药装置是在射流混药装置的原理上,结合手动喷雾器的特性改进而来,该混药装置由吸入室、突缩管、混合室、挤压室等几部分组成[16]。在吸入式的下端有连通挤压室的分流孔,挤压室内有药液挤压装置。喷雾作业时,水流进入吸入室后,一部分经突缩管流入混合室,由于水流通径变小,因而速度增大,压力下降;另一部分经分流孔进入挤压室,对药液挤压装置施压,由于挤压室与混合室之间存在压力差,药液挤压装置内的药液经吸口被挤压入混合室。最后2种液体在混合室中充分混合均匀,经喷杆由喷头喷出。该装置采用正压挤压的方式,实现了自动混药技术在手动喷雾器上的成功应用,并具有应用范围广阔的优点[17]。
3存在的问题
农药的自动混药装置相对于预混式混药有很多优势,同时也存在着一些问题。在我国,自动混药装置的市场化产品并不多,2001年苏州农业机械厂生产的出水混药器用药量大,压损大,计算操作复杂。2008年有工厂生产了进水混药器,由于进水压力真空度不够且进水压力受回水量影响大,造成吸药的比例常常不稳定,因此真正落实到生产使用中还存在着一些问题。
4结语
国内外的喷雾混药装置从预混式混药发展到农药与水在喷雾管道内的在线混合,是农药安全使用研究上的一项重大突破。在线混合装置实现了农药与水的实时调节,而且能很好地保证农药与水混合的稳定性和均匀性,很好地保护环境及人身、食品的安全。目前,在发达国家,农药直接注入系统是一种应用比较广泛的混药方式;在我国,农药在线混药技术在农田的病虫害防治中也在逐步推广,并且具有广阔的发展前景。
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