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病虫害防治一直是农林业不断努力探索解决的重要问题。目前占主流地位的病虫害防治方法是化学防治。然而,实际生产中因为害虫抗药性的提高,防治效果下降,继而相应的化学农药的开发难度和开发成本却越来越高。再者,大量的农药残留导致的食品安全问题日益突出,每年仅因蔬菜农药残留超标导致的中毒事故就达10万人次,造成外贸损失高达70亿美元[1]。同时化学农药对非靶标生物的杀灭和毒害作用严重影响了自然生态平衡和生态系统的自我调节能力。这些都使得研究人员和生产企业开始把注意力转向低毒、低残留、不易产生抗药性的生物农药的开发与使用。现有的农药喷洒装备大都为喷洒化学农药的机械,专门喷施生物农药的器械较少。和化学农药不同,生物农药的喷洒关键在于喷洒后生物农药的活性。由于生物农药的杀虫作用与细菌数量和活性相关,此外,其活性还和生物农药的成分配比、喷施器械的结构以及喷施的技术参数有关[2-3],所以生物农药喷洒器械的研究和化学农药喷洒器械的研究不同,它除了要考虑雾滴粒径、覆盖率、均匀性等雾化性能问题,还要考虑到生物农药的活性保持问题。生物农药喷洒器械的结构参数和操作参数影响雾化程度以及生物农药活性的保持。然而,雾化程度的正确选用以及生物农药活性的保持有助于提高药液的使用效率,减少对环境的污染[4-5]。雾滴粒径越大,沉降到靶标的速度就越快,单个雾滴所具有的动能也越大,不易随风飘移,但大雾滴撞击到靶标上的附着能力差,极易发生弹跳和滚落流失,造成大量农药损失且污染了环境;小雾滴对靶标的覆盖密度和均匀度远优于大雾滴,并且附着能力强、穿透性能好,能够沉积到大雾滴不易沉积到的植株背面,但小雾滴易蒸发飘移;生物农药的活性越高越有利于目标病虫害的防治。本研究设计了风送转盘式生物农药离心雾化系统,通过改变离心雾化转盘的结构参数(外径、齿数、斜角)以及操作参数(流量、转速、风速)进行雾滴粒径、生物农药活性以及防治药效试验,为确定专门喷施生物农药的风送转盘式离心雾化机构提供科学依据。
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雾滴粒径是衡量喷头雾化性能的重要指标,是农药喷雾技术最为重要和最易控制的因素。转盘的结构参数对于雾滴粒径是有影响的,本次试验用白僵菌药液,在转速6 000 r·min-1,进液流量20 mL·h-1,风速5 m·s-1的参数下,测得不同结构参数的转盘喷施的雾滴粒径(实验数据为重复3次后的平均值)。数据如表 1所示。
表 1 不同转盘结构下白僵菌的雾滴粒径
Table 1. Particle diameter in different structures of turntable
转盘外径/mm 雾滴粒径/μm 转盘斜角/(°) 雾滴粒径/μm 转盘结构齿数/个 雾滴粒径/μm 80 99.72 45 86.61 90 96.51 100 86.16 60 89.16 120 95.69 120 81.73 75 95.69 150 87.65 由表 1可以看出:雾化转盘外径从80 mm增大到120 mm时,雾滴粒径从99.72 μm减小到81.73 μm,可见随着雾化转盘外径的增大,雾滴粒径逐渐减小;转盘斜角从45°增大到75°,雾滴粒径由86.61 μm逐渐增大至95.51 μm,可见雾滴粒径随着转盘斜角的增大而增大;转盘齿数由90个增加至150个时,雾滴粒径由96.51 μm减少到87.65 μm,可见转盘齿数越多,雾滴粒径越小。这是因为,外径越大,离心力越大,雾滴在离开转盘的初速度越高,甩出后的粒径越小;而转盘斜角越大,雾滴在盘内壁的流动距离越长,雾滴在离开转盘的初速度越高,甩出后的粒径越小;转盘齿数越多,单位齿距内液丝的直径越小,从而甩出后粒径越小。
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记经过转盘雾化的白僵菌孢子萌发率为A1,未经转盘雾化的白僵菌孢子(对照组)萌发率为A2。在流量为20 L·h-1,风速为5 m·s-1,转速6 000 r·min-1,喷施距离为0.5 m的条件下,不同外径的雾化转盘生物农药活性试验数据如表 2。
表 2 不同转盘结构下的活性及药效数据表
Table 2. Activity and efficacy data in different structures of turntable
转盘外径/mm (A1/A2)/% T/头 转盘斜角/(°) (A1/A2)/% T/头 转盘结构齿数/个 (A1/A2)/% T/头 80 94.99 10 45 98.96 9 90 90.09 10 100 89.56 10 60 89.56 10 120 88.51 9 120 97.51 9 75 88.51 9 150 97.05 10 说明:A1/A2表示因素对生物农药活性的影响,T表示1个采样组中10头小菜蛾死亡的头数。为了减少误差,本研究的所有数据都是取样3次后的平均值 由表 2可看出:3种外径转盘下生物农药活性衡量值A1/A2分别为94.99%,89.56%和97.51%,平均值为94.02%,最低值为89.56%,表明使用不同外径的转盘都能获得较高活性;3种斜角下活性分别为98.96%,89.56%和88.51%,转盘斜角对于活性的影响为负相关,表明转盘斜角越大,生物农药的相对活性越低;3种齿数下A1/A2分别为90.09%,88.51%和97.05%,平均值为91.88%,最低值为88.51%,表明使用不同齿数的转盘都能获得较高活性。就整体活性而言,活性最低为88.51%,说明即使转盘结构参数对生物农药活性有影响,但其相对活性的绝对数值高,满足使用要求。
在药效方面,经过不同结构参数的雾化转盘喷施后的生物农药对于小菜蛾的致死率都在90%以上,满足使用要求。
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用外径为120 mm,斜角为60°,齿数为120个的转盘,改变其操作参数进行正交试验,结果如表 3所示。
表 3 操作参数对于生物农药活性影响的正交试验表
Table 3. Effect of operation parameters for the activity of biological pesticide orthogonal test table
试验号 流量/(L·h-1) 转速/(r·min-1) 风速/(m·s-1) (A1/A2)/% 小菜蛾死亡数/头 1 20 3 000 5 97 9 2 20 4 500 7 108 10 3 20 6 000 9 63 9 4 40 3 000 7 61 9 5 40 4 500 9 80 10 6 40 6 000 5 134 10 7 60 3 000 9 80 10 8 60 4 500 5 65 10 9 60 6 000 7 97 10 k1/% 89 79 103 k2/% 92 85 89 k3/% 81 99 74 R 0.10 0.19 0.29 说明: (k1, k2, k3表示与参照组(ck组)比值的均值, R表示极差 通过极差的大小对比,得到影响生物农药活性大小的操作参数因素次序为风速 > 转速 > 流量。从生物农药活性上看,本试验希望寻找到对于生物农药活性的影响最小也就是平均萌发率与对照组的比值最高的操作参数组合。从表 3可知:流量列对应的均值试验2最大,转速列对应的均值试验3最大,风速列对应的均值试验1最大。所以,为了获得最佳的操作参数组合,结合本试验结果,流量为40 L·h-1,转速为6 000 r·min-1,风速为5 m·s-1对生物农药活性的影响最小。
在药效方面,无论何种操作参数组合小菜蛾的死亡率都在90%以上,满足使用要求。
Performance of an air-assisted spinning disc nozzle for biological pesticide
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摘要: 针对专门喷施生物农药的器械较少的现状,设计制造了风送离心式雾化装置,并通过改变风送离心雾化转盘的结构参数(外径、齿数、斜角)以及操作参数(流量、转速、风速)进行雾滴粒径、生物农药活性以及小菜蛾Plutella xylostella防治药效试验。得出的主要结论有:转盘外径越大,雾滴粒径越小;斜角度数越大,雾化粒径越小;齿数越多,雾滴粒径越小。由此推荐了针对不同环境下的作物,风送转盘式生物农药离心雾化喷头的最佳结构参数组合,转盘外径、转盘斜角、转盘齿数对于生物农药活性的影响都不大,满足病虫害防治要求。综合各因素,提出了风送转盘式生物农药离心雾化喷头操作参数的优化设置为:流量为40 L·h-1,转速为6 000 r·min-1,风速为5 m·s-1;从药效上看,各种结构参数和操作参数组合小菜蛾的死亡率都在90%以上,满足使用要求。Abstract: To improve the situation that there is few special equipment for biological pesticide spraying, the air assisted centrifugal atomization device has been designed and manufactured. By changing the structural parameters (diameter, number of teeth, bevel) and operating parameters (flow rate, rotational speed and wind speed), this research conducted experiments on the particle diameter, biological pesticide activity and efficacy trials. The main findings are as follows:The bigger atomization wheel diameter is the smaller atomized particle size will be; the smaller the angle degree is the greater atomized particle size will be; the larger number of teeth is the smaller atomized particle diameter will be. As a result, the best combinations of disc nozzle structural parameters have been recommended for various environments. Another conclusion is that the wheel diameter, the turntable angle, and number of teeth have little influence on biological pesticide activity, thus meeting the requirement of plant pest prevention and control. The optimal combination of operational parameters are as follows:The flow rate is 40 L·h-1; the speed is 6 000 r·min-1 and the wind speed is 5 m·s-1. From the perspective of pesticide efficacy, Plutella xylostella mortality rate is over 90%, which meets the use requirements.
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表 1 不同转盘结构下白僵菌的雾滴粒径
Table 1. Particle diameter in different structures of turntable
转盘外径/mm 雾滴粒径/μm 转盘斜角/(°) 雾滴粒径/μm 转盘结构齿数/个 雾滴粒径/μm 80 99.72 45 86.61 90 96.51 100 86.16 60 89.16 120 95.69 120 81.73 75 95.69 150 87.65 表 2 不同转盘结构下的活性及药效数据表
Table 2. Activity and efficacy data in different structures of turntable
转盘外径/mm (A1/A2)/% T/头 转盘斜角/(°) (A1/A2)/% T/头 转盘结构齿数/个 (A1/A2)/% T/头 80 94.99 10 45 98.96 9 90 90.09 10 100 89.56 10 60 89.56 10 120 88.51 9 120 97.51 9 75 88.51 9 150 97.05 10 说明:A1/A2表示因素对生物农药活性的影响,T表示1个采样组中10头小菜蛾死亡的头数。为了减少误差,本研究的所有数据都是取样3次后的平均值 表 3 操作参数对于生物农药活性影响的正交试验表
Table 3. Effect of operation parameters for the activity of biological pesticide orthogonal test table
试验号 流量/(L·h-1) 转速/(r·min-1) 风速/(m·s-1) (A1/A2)/% 小菜蛾死亡数/头 1 20 3 000 5 97 9 2 20 4 500 7 108 10 3 20 6 000 9 63 9 4 40 3 000 7 61 9 5 40 4 500 9 80 10 6 40 6 000 5 134 10 7 60 3 000 9 80 10 8 60 4 500 5 65 10 9 60 6 000 7 97 10 k1/% 89 79 103 k2/% 92 85 89 k3/% 81 99 74 R 0.10 0.19 0.29 说明: (k1, k2, k3表示与参照组(ck组)比值的均值, R表示极差 -
[1] 叶建仁.中国森林病虫害防治现状与展望[J].南京林业大学学报, 2000, 24(6):1-5. YE Jianren. Current status and perspective on forest pests control in China[J]. J Nanjing For Univ, 2000, 24(6):1-5. [2] 张慧春, 周宏平, 郑加强, 等.喷头雾化性能及雾滴沉积可视化模型研究[J].林业工程学报, 2016, 1(3):91-96. ZHANG Huichun, ZHOU Hongping, ZHENG Jiaqiang, et al. A study of spary nozzle atomization performance and droplet deposition visual mode[J]. J For Eng, 2016, 1(3):91-96. [3] 张慧春, 郑加强, 周宏平, 等.转笼式生物农药雾化喷头的性能试验[J].农业工程学报, 2013, 29(4):63-70. ZHANG Huichun, ZHENG Jiaqiang, ZHOU Hongping, et al. Performance experiments of rotary cage atomizer for biological pesticide application[J]. Transac Chin Soc Agric Eng, 2013, 29(4):63-70. [4] HOFFMANN W C. Technical note:comparison of three imaging systems for water-sensitive papers[J]. Appl Eng Agric, 2005, 21(6):961-964. [5] BAYAT A, BOZDOGAN N Y. An air-assisted spinning disc nozzle and its performance on spray deposition and reduction of drift potential[J]. Crop Prot, 2005, 24(11):951-960. [6] 祁力钧, 傅泽田, 高振江.转子喷头的雾滴轨迹及雾滴飘移性能[J].中国农业大学学报, 2002, 7(2):47-52. QI Lijun, FU Zetian, GAO Zhenjiang. Spray pattern and drift potential of a spinning disk[J]. J China Agric Univ, 2002, 7(2):47-52. [7] FOX R D, DERKSEN R C, ZHU Heping, et al. A history of air-blast sprayer development and future prospects[J]. Transac ASABE, 2008, 51(2):405-410. [8] 李锐, 李生才.生物农药及其发展对策[J].山西农业科学, 2008, 36(7):74-76. LI Rui, LI Shengcai. Biopesticide and its developmental measure[J]. J Shanxi Agric Sci, 2008, 36(7):74-76. -
链接本文:
https://zlxb.zafu.edu.cn/article/doi/10.11833/j.issn.2095-0756.2018.02.022