基于TRIZ理論的航空靜電噴霧系統的優化設計

2018-08-10 09:26:18趙明明周桂霞

農機化研究 2018年10期

趙明明, 胡軍，周桂霞，張偉

(黑龍江八一農墾大學工程學院，黑龍江大慶 163319)

0 引言

水稻是我國主要的糧食作物，而水稻病蟲害的防治是保證水稻生產安全的重點內容[1]。傳統的植保作業主要以手動和小型噴霧機為主，生產效率低，勞動強度大，對人身和環境造成了污染。航空植保作業節約了農藥使用量，地形適應度廣，提高了生產效率；但藥液受氣流場影響，造成漂移，農藥的有效利用率低[2]。為此，設計一種既能產生粒徑均勻霧滴又能加速運動的霧滴向靶標沉積的噴霧系統具有重要意義。

靜電噴霧技術作為一種先進、高效的施藥技術，已引起了諸多關注。英國Bertelli Randell公司生產的ON-TARGET靜電噴頭使用12V直流電，能夠產生40kV電壓,可用于噴桿噴霧機和背負式機動噴霧機上，比普通噴頭減少損失 65%，節省人力 50%，大大降低了過量使用農藥對環境的污染程度[3]。2011年，茹煜等人研發了與Y5B 型農用飛機配套的航空靜電噴霧系統，得到靜電噴霧能使霧滴沉積提高14個/cm2，霧滴飄移明顯減少；但是，由于該靜電噴霧裝置感應環帶電效果不穩定，且會產生尖端放電，會帶來安全問題,并沒有進行推廣[4]。2012年，周宏平等人對單噴嘴航空靜電噴頭進行了改進設計，改進后的航空靜電噴頭荷質比最大可達 2.26 mc/kg，與常規扇形航空噴頭相比霧滴沉積平均提高18個/cm2[5]。根據前人的研究基礎，靜電噴霧技術可以提高霧滴的沉積質量，減輕環境污染，通過對噴頭的設計和優化可以得到作業水平較好的噴霧系統。因此，本文基于TRIZ理論設計了錐形感應式噴頭靜電，創新設計靜電噴霧系統。

1 TRIZ理論

TRIZ 技術進化理論是在20 世紀80年代由Altshuller G．等人提出的創新理論，是一套實用性和系統性很強的解決發明問題的理論和方法[6-7]。其主要設計思路是對實際中無法直接解決的問題，通過將其轉換為一個TRIZ問題，利用TRIZ體系中的理論和工具獲得TRIZ通用解，進而得到具體問題的解決方法，最終解決實際問題[8-9]。

TRIZ理論的應用流程如下：首先進行問題的描述，提出最終理想解；根據系統分析，找出存在的問題和矛盾，并通過TRIZ工具找到解決的方法；最后確定設計方案。

2 噴霧系統的優化設計

2.1 問題描述

作物病蟲草害防治一直是困擾我國農業生產的巨大難題，提高植保機械技術水平，進行高效、低污染施藥技術的研究，以及植物保護機具的設計和開發是一項迫切的任務[10]。噴霧系統中，噴頭是關鍵的霧化部件，是藥液霧化的重要裝置，霧滴的大小、速度、分布狀況等在很大程度上都決定于噴頭的類型、大小和制造質量[11]。為了提高霧滴的沉積質量、減少漂移，對噴頭增加電極使其與作物之間形成靜電場，對霧滴產生吸附作用，可以增加靶標的沉積，提高藥液有效利用率。為進一步分析噴霧系統的結構設計問題，本文提出的最終理想解如表1所示。最終的設計目標是提高葉片沉積量的噴霧系統。

表1 IFR分析

2.2 系統分析

2.2.1 系統完備性分析

系統的作用是履行功能，系統完備性法要求系統包含動力裝置、輸送裝置、執行裝置、控制裝置。據此分析噴霧系統的工作系統，如圖1所示。

圖1 噴霧系統工作過程

對于執行裝置噴頭，可以優化其結構和形狀，進而改善其霧化效果，提高農藥利用率。噴頭的結構包括噴頭體和噴嘴，噴嘴型號的改變可以直接改變噴霧的流量以及噴霧壓力。為了產生粒徑大小均勻的霧滴，本設計中控制噴霧壓力為0.2MPa。

2.2.2 九屏圖分析

最初的植保作業采用人工手動施藥的背負式噴霧作業，污染環境，危害人體健康。隨著各種型號的噴霧機的出現，減輕了人工勞動強度，作業效率有所提高，無人機或有人機配備的精量、自動噴霧系統是未來發展的趨向。根據九屏圖分析可知：靜電噴霧技術的研究將推動植保作業的發展，系統結構、系統組成均會有所不同。

2.2.3 技術矛盾

為了提高農藥的有效利用率，使葉面上農藥的沉積量增多，減少農藥的漂移損失，減輕環境污染，提高農藥有效利用率，就要改變農藥的特性，對農藥進行重新的配置；但病蟲害種類繁多，除草和殺蟲的農藥種類也不盡相同，所以改善物質損失的過程中也要對農藥的適應性和多用性提出要求。技術矛盾和發明原理如表2所示。

圖2 系統九屏圖分析

通用工程參數惡化的參數No.35適應性及多用性No. 36 系統的復雜性改善的參數No.23物質損失15,10,235,10,28,24

提出技術方案一：采用15動態原則的原理，達到物體特性在每一工作階段都是最佳的。主要通過向藥液中添加助劑的方法，改變藥液的沉積特性，減少藥液漂移的幾率。針對病蟲害種類差異、作業飛機機型的不同，配置不同比例的助劑，實現最佳防治效果；但助劑的配制繁瑣，使用條件受限制。

提出技術方案二：采用28機械系統替代原理，增加新的機械場，改變物體的受力情況。在最有利于霧滴沉積的位置增加改變場，進而改變霧滴的受力和運動。

提出技術方案三：采用10預先作用原理，預先安置1個物體，使其發揮作用。在噴頭處安置1個使霧滴細化的裝置，二次霧化霧滴，達到理想的粒徑大小。

2.2.4 物理矛盾

物理矛盾來源于不同的設計條件對同一個工程參數了提出相反的要求。霧滴粒徑大，能夠保證其保持動量，減少漂移的可能；但霧滴粒徑過大，會使其沉積質量下降，落到靶標后容易滑落到地面，造成農藥的浪費。霧滴粒徑小，能夠提高其在靶標的沉積效率，農藥的有效利用率提高；但霧滴粒徑過小，其動量小，受氣流場影響大，造成漂移增多。這樣就存在了“粒徑大又小”的物理矛盾。TRIZ理論分離原理包括時間分離、空間分離、條件分離及整體與部分分離4種類型。

提出技術方案四：利用條件分離原理來解決霧滴粒徑“既大又小”的物理矛盾，通過調節噴霧壓力，改變噴霧流量及霧滴的粒徑大小。噴霧壓力越大，噴霧流量也越大，霧滴的粒徑越小。霧滴的粒徑減小，葉面覆蓋范圍增大，葉面的沉積密度增加；但霧滴粒徑過小，噴霧流量增加，農藥的使用量增加，增加使用成本。

2.2.5 物場分析

普通的噴霧系統中，霧滴與作物之間存在機械場，沒有吸附作用，附著在作物上的霧滴靠重力沉降，數量少，沉積量低。該物場模型的效應不足，判斷它屬于“有用但不充分的相互作用”類型。噴霧系統的物-場分析如圖3(a)所示；增加1個物質電極S3，產生電場F2來強化有用效用，得出的新模型如圖3(b)所示。

圖3 系統分析前后的物-場模型

提出技術方案五：引入物質S3(即電極)并形成另一個場F2(即電場作用)來強化有用效應。通過引入的靜電場，增加了霧滴與作物之間的吸附作用，提高了霧滴的穿透能力，增加霧滴沉積后到葉片的質量，從而提高了農藥的有效利用率。

靜電霧滴在下落過程中主要受到電場力、重力及空氣曳力3個力的作用。電場受環境和噴霧高度的影響，會在下落一段距離后衰減甚至消失，所以設計的電極的位置非常重要。通過理論分析和計算，設計并制作錐形電極的角度和長度，將導電的銅箔作為感應電極，通過連接件固定于噴嘴外環，環繞從噴嘴噴出的霧滴，使霧滴荷電，形成感應充電式靜電噴頭，利用3D打印技術制作如圖4所示的電極，并與錐形噴頭相連接，得到如圖5所示的靜電噴頭。該靜電噴頭結構簡單，應用范圍較廣，是航空靜電噴霧系統的重要組成部分。