王猛，郝蕙玲，张建，吕鸿雁，周宏平，茹煜

舰船环境相对封闭，内部空间管道、孔洞、缝隙 较多，加上海上空气湿度大，容易造成病源微生物及媒介昆虫的滋生繁殖，舰艇有害生物作为致病源或传播媒介严重威胁舰员健康；一些媒介昆虫如蟑螂等还可能进入仪器设备引发故障，影响舰艇作业安全［1-3］。舰艇卫生防疫作为有效维持舰艇卫生安全的必要手段，意义重大、责任艰巨［4-5］。

使用消毒剂、杀虫剂对环境进行防疫消杀作业一直是舰艇卫生防疫最为重要的手段之一［6］，喷雾器械的性能是决定灭杀效果的关键因素。

舰艇上配备的精密仪器设备较多，独立空间狭小。目前市场上防疫消杀器械性能单一，不能较好地满足舰船防疫设备小型化、多功能的特殊要求。现有后勤通用防疫设备中，车载喷雾机、担架式喷雾机、机动喷雾机、烟雾机等器材动力模式与舰艇使用环境不匹配，手动式喷雾器、手持式喷雾器等喷雾性能、作业功效因雾滴粗放、射程受限等也不适合舰艇环境使用。因此，需要根据舰艇防疫需求及其作业特点研制舰艇环境专用的防疫消杀机。

课题组研制的舰用防疫消杀机，技术创新点是内置电机转速恒定，通过控制气液流量配比的技术方式，实现雾化雾滴粒径5～100 μm 连续可调，一台机器同时具备空间气雾喷洒（粒径不大于50 μm）和表面滞留喷洒（粒径50～100 μm）功能，解决舰艇防疫器材一机多能的勤务需求。

1 舰用防疫消杀机总体方案设计

1.1 勤务功能和环境适用性需求舰船内部存储空间有限，不能配备型号、数量过多的防疫器材。根据舰艇环境常见有害生物的生物学特性，舰用防疫消杀机应同时满足表面滞留喷洒和空间喷洒2 种作业功能需求，表面滞留喷洒主要用于杀灭物体表面的微生物及蟑螂等爬行类害虫，雾滴粒径范围应覆盖50～100 μm 区间；空间喷洒主要用于杀灭空气微生物及蚊虫等飞行类害虫，雾滴粒径应控制在50 μm 以内。

外形尺寸方面，舰船防疫消杀机的重量应适合单人携带，参考GB 12330−90《体力搬运重量限值》［7］，装药后机器重量不宜大于15 kg。舰上电源获取较为便利，防疫消杀机宜采用电力作为驱动源，从舱室插座上取电。舰船卫生防疫作业人员更替较为频繁，器材应操作简便、维护简单。

1.2 雾化方式的筛选目前卫生防疫系统所使用的消杀器械主要为各种类型的喷雾器，按药液的喷洒雾化原理可分为机械式雾化、气力雾化和热力雾化3 类。机械式雾化是最常见的一种雾化方式［8］，其关键核心部件是液力雾化喷头或离心雾化喷头。液力雾化需要提供产生较高压力的增压系统，系统较为复杂，此类雾化方式的流量调节范围较小，雾滴粒径通常可控制在200 μm 左右；离心雾化［9-10］是通过执行电机带动雾化转盘或者转笼，使药液在转盘/转笼的离心作用下形成细小雾滴，此类原理的喷头加工工艺要求较高，雾滴粒径主要取决于电机转速、液体压力、转盘直径等因素，通常可控制在50～100 μm，其雾化效果优于液力雾化，缺点是流量较小、有效射程较短，应用范围有限。气力雾化是依靠风机产生一定压力的高速气流，使气流冲击液体产生雾滴，达到雾化的目的［11-12］，此类装置雾滴的粒径与气流流速、喷液压力有关，一般可将雾滴粒径控制在50～100 μm，甚至50 μm 以下，目前国内外的超低量雾化器、气溶胶雾化器大多采用该雾化原理。热力雾化是利用高温将烟雾裂解成细小颗粒，粒径大小一般小于30 μm，由于粒径较小，适合消灭飞行类害虫。但高温会使药液产生化学分解，可供选择的农药类型很少。

考虑舰艇环境特点，比较各种雾化技术特点，气力雾化方式是较为合理的选择。

2 系统结构设计研究

根据前文确定的总体方案论证结果，课题组设计的舰用防疫消杀机，系统功能组成可分为电源、送风单元、供液单元、控制单元和雾化单元，具体结构包括机壳、药液箱、喷嘴芯、两级固定叶轮、串激电机、旋转电机、绕线装置、旋转卡环、喷雾接头、控制按钮、背带等零部件。配套有喷雾软管、水平直喷头和30°喷头3 种喷雾接头，各喷头能通过自身卡扣与机身上配套设计的旋转卡环快速安装。连接喷雾软管状态的舰用防疫消杀机内部结构图见图1。连接水平直喷头和30°喷头的剖面视图见图2。

图1 舰用防疫消杀机内部结构示意图

图2 舰用防疫消杀机不同工作状态

喷雾作业时，串激电机产生高速气流，一部分气流产生虹吸作用从药箱中抽取药液形成液流，另一部分气体高速冲击液流，实现雾化效果。该系统电机转速恒定，通过调节液体供应量来控制雾滴粒径，满足不同防疫作业需求。

2.1 电源该舰用防疫消杀机电源制式为220 V，50 Hz，为匹配舰船舱室条件，采用船用电源插头取电。供电电源线采用可伸缩设计，通过布置在壳体内部的回弹式自动收线装置实现自动收放。

2.2 送风单元该舰用防疫消杀机采用气力雾化原理，送风单元由动力电机和电机罩壳共同组成。动力电机是带叶轮的串激电机，其主要作用是为气力雾化提供足够的风量和风压。根据市场调研和初步试验分析，当电机以20 000～30 000 r/min 的转速运转时，其前端会产生30～50 m/s 的高压气流，能够达到雾滴平均粒径5～30 μm 的雾化效果，此时喷雾水平射程为8 m，能够较好地满足大空间舱室防疫喷洒作业需求。

电机罩壳是形成气流的关键功能件，内部布置有串激电机、电机挡板、电源线及药管等；其前端设计为锥形结构，主要作用是减少气流损失、增加气流速度，达到提升雾化效果的目的。

2.3 供液单元供液单元由药箱、供液管和液体流量调节器组成。药箱设计成与机壳一体式结构，供液管的末端设置在药箱底部，药液经供液管、液体流量调节器输送至雾化单元。

药箱容积大小会直接影响防疫消杀机的外形尺寸和重量，舰上水源获取较为便利，按最大流量工况、一次装药可持续喷雾10 min 计算，并考虑一定的冗余量，药箱容积6～8 L 较为适宜，故设计为8 L。本套器材装药前重量为6.4 kg，装满药液时重量为14.4 kg，低于GB 12330−90《体力搬运重量限值》［7］中关于男性单人搬运重量、全日搬运重量和相应步行距离乘积的限值要求。

送风单元产生的风压恒定，为满足雾滴粒径5～100 μm 可调的勤务需求，可通过液体流量调节器调节液体流量大小。流量越小，可达到的雾滴直径越小，流量越大，雾滴直径越大。

课题组设计的舰用防疫消杀机，主要通过控制气流、液流配比来实现不同喷雾粒径。当一定压力的液流通过雾化单元上呈窄缝形状的喷嘴时，形成特定厚度的液膜，液膜在高速垂向气流的冲击作用下破碎成小液滴从喷孔喷出，离开喷孔后在周围空气的高速摩擦作用下，二次破碎成更小的液体颗粒。Lefebvre［13］对预成膜气动式雾化过程进行能量衡算，得到雾滴平均直径（又称索太尔平均直径）计算式如下所示：

式中dsmd为索太尔平均直径（μm）；ρ1为液体密度（kg/m³）；t为液膜厚度（mm）；k为气耗率（%），k=M1/M2；M1,M2为气体、液体质量流量（kg/s）；σ为液体表面张力（N/m）；u为气液相对速度（m/s）；C为气体射流动能利用率（%）。

根据公式推导出气耗率，即气液质量流量之比如下所示：

以水作为介质来计算，水的密度ρ1=1.0 kg/m3，水在室温25 ℃时的表面张力值σ=7.21×10-2N/m，液膜厚度与粒径相关，t=1.7 μm、气液相对速度越大，雾滴粒径越小，设u=28 m/s、气体射流动能利用率C＝80%，根据设计要求弥雾平均粒径50～100 μm；气雾平均粒径5～30 μm。

将上述参数带入式（2）可得质量流量之比k=20%～40%。

气耗率参数为气液比的调节提供了设计依据。影响气液比的参数除了液流量外，还包括喷头结构、二级旋风结构参数，通过设计调整合适的气力雾化喷头结构尺寸参数、调节合适的气液流量和压力，可以获得不同的气液比和不同的雾滴粒径。

2.4 雾化单元雾化单元是该舰用型防疫消杀机的关键部件。课题组设计的雾化单元包括喷头盖板、两级固定叶轮、喷嘴芯及支座，三维模型见图3。两级固定叶轮为反向叶轮结构，功能是利用风道调整风向并提升喷头位置处的风速，起到提高药液雾化效果的作用。喷嘴芯通过螺纹固定安装在支座上，并与供液管相连，来自药箱的液体通过负压作用被输送至喷嘴芯处，串激电机叶轮产生的高速气流经过前端的喷嘴体将雾滴细化。

图3 两级反向叶轮结构图

喷嘴芯的长度、支座直径是影响雾化效果的主要因素。经过多次试验对比和迭代设计，选用喷嘴芯长度为24 mm，支座直径为16 mm 的两级固定叶轮，能够较好地满足5～30 μm 细雾滴要求。

2.5 控制单元控制单元包括电源开关、定时开关、喷头旋转开关、流量调节开关和控制面板，其中控制面板见图4。定时开关主要用于实现在密闭空间内无人值守喷雾，以降低药液对作业人员的危害，启动定时开关后30 s 开始按设定时间自动喷雾，配合使用30°喷头，可实现360°旋转喷雾。流量调节开关上刻有气雾、弥雾区间指示，分别用于空间弥散喷洒和表面滞留喷洒。

图4 操作控制面板

3 样机雾化效果试验

最小雾滴粒径作为喷雾器械最为重要的性能，是影响灭杀效果的关键因素之一，也是防疫消杀器材开发最为关键的核心技术，通过搭建雾化单元原理样机，试验验证设计方案的合理性。

3.1 雾化单元原理样机试验课题组搭建了雾化单元简化原理样机，喷嘴直径2 mm，电机额定输入功率900 W，最大风量3.5 m/min，最大转速32 000 r/min，药箱用容量2 L、最小刻度1 ml 的量筒替代。见图5。用清水作为替代药液，进行了雾化效果试验。采用激光粒子计数器进行雾滴粒径测试，得到的雾滴粒径分布图见图6。

图5 防疫消杀机原理样机

图6 原理样机雾滴粒径分布图

经过对30 min 喷雾过程的雾滴粒径进行统计分析，原理样机试验结果表明，该原理样机雾滴粒径 均 值 为25.636 μm，其 中，50% 的 粒 径 小 于18.149 μm，90%的粒径小于44.633 μm，其面积平均直径D［3，2］为17.318 μm，体积平均粒径D［4，3］为25.636 μm。

3.2 科研样机试验按照前文所述的舰用防疫消杀机系统结构设计方案，加工定制的科研样机见图7。主 机 外 形 尺 寸330 mm×330 mm×420 mm，重 量6.4 kg，喷雾软管长度600 mm，装满药液后总重量约14.8 kg。

图7 舰用防疫消杀机科研样机

按照JB/T 10752−2007《电动气力超低容量喷雾器》［14］的相关规定，在国家植保机械质量监督检验中心对2 台科研样机进行了雾滴性能检验，试验介质为清水，试验仪器包括激光粒谱仪、电子计量秤、电子秒表等。试验结果见表1。

表1 科研样机喷雾性能试验结果

试验数据表明，按照该方案研制的舰用防疫消杀机能够满足空间处理效率不小于80 m3/min；表面处理效率不小于10 m2/min；满足弥雾平均粒径50～100 μm、气雾平均粒径5～30 μm 的工作效率要求。

基于对舰用防疫消杀机勤务功能、雾化方式的论证结果，设计了能够满足舰船防疫消杀作业需求的舰用防疫消杀机；该样机整机结构形式紧凑，能够满足舰艇内部操作的便携式、多功能、小型化要求；原理样机和科研样机试验结果均表明，样机喷雾功能能够满足空间喷洒、表面滞留喷洒2 种防疫作业需求，雾滴粒径能满足5～100 μm 可调的需求，较好地满足了舰船防疫作业需求。