全 文 ： 第 vz卷 第 t期u s s t年 t 月
林 业 科 学
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树干注药机核心技术的比较研究与
y‹ q⁄yux…型注药机研制 3
李 兴
k国家林业局 北京 tssztwl
秦 飞
k徐州市蚕种冷库惠农公司 徐州 uutsswl
周正标
k徐州市森检站 徐州 uutsswl
韩军玲
k长春市植保站 长春 tvssssl
贾 颂
k甘肃省森防站 兰州 zvssvsl
摘 要 } 本文对国际国内数十种树干注药机械装置的技术路线和关键技术的特点进行具体对比分析 o剖析
了影响树干注药机开发的树木生理学特性 o探讨了各种注药机的优点和不足之处 o明确了研究开发方向 o并
据此开发出一种能够精确计量的直压式高压快速树干注药系统 ) ) ) y‹ q⁄yux…型树干注药机 ∀
关键词 } 林木病虫害 o农药 o注射 o机械
收稿日期 }t|||2ts2s{ ∀
3 参加本项目工作的还有徐州市多管局林文涛 !胥占义 !葛成立 o甘肃省森防站高汉忠 o赤峰市园林处林 青 o承德市林业果树研究
所章德全 o云南省德宏热带作物研究所张宏波 o淮阴市环保局马志贵 o北京林业大学许志春等许多同志参与了有关工作 o该研究是全体
产品用户大力支持的成果 o在此一并致谢 ∀本文由秦 飞同志执笔 ∀
Α ΧΟΜΠΑΡΑΤΙς Ε ΣΤΥ∆Ψ ΟΝ ΤΗΕ ΚΕΡ ΝΑΛ ΤΕΧΗΝΙΘΥΕΣ ΦΟΡ
ΠΕΣΤΙΧΙ∆ΕΙΝϑΕΧΤΙΟΝ ΣΨΡΙΝΓΕ ΑΝ∆ ∆ΕΣΙΓΝ ΟΦΙΤΣ yΗΖ .∆yuxΒ ΤΨΠΕ
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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 o不受施药环境条件的限制 o药
效期长 !防效高等显著优点k秦 飞等 ot||zl o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 o和人们环境保护 !生态平衡意识的迅速
增强 o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 o前人研究
发表了一大批各种原理和结构的注药机k胥占义等 ot||{l ∀然而 o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 o还没有能够真正投入商业性的生产推广应用 ∀为此 o
笔者根据数年中从事这一工作的实践体会 o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 o并在此基础上设计开发了一款机型 o以期对该项技术的发展有所帮助 ∀
t 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 o笔者认为基本上可以归纳
为两种技术路线 }一类是无k低l压 !低浓度 !大剂量注射 o另一类是高压 !高浓度 !低剂量注射 ∀
111 无压 !低浓度 !大剂量注射
此类注射 o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 o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0后与之一同向上部输送的k其中的特例还可以包括在
树干上钻一个倾斜的孔 o然后将药液灌入孔中封住l ∀因此 o当树木的蒸腾作用停止或很弱k如夜间 !阴
雨天l时 o药液就不能进入树体 ~另一方面 o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 o如果采用高浓度的农药 o则当药液浸入形成层组织时 o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 o必须使药液的浓度降得很低 ok通常要低于 usss °ªr®ªl o这样又使注药时间
大大延长 ∀由于这些原因 o使得能够应用的药物受到很大限制 o虽然这些注药器具十分简单 o价格低
廉 o但是 o只能满足一些特定对象的特定需要的注射 o无法普遍推广应用 ∀
112 高压 !高浓度 !低剂量注射
此类注射 o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 o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 o其条件是要有可靠的增压机构 o以
产生能够适应各种软 !硬质树木注射所需要的压力 o并且注射针头与树体必须有良好的密封性 o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kƒ²µ¨¶·≥ µ¨√¬¦¨l的 ƒ q≥注射机和
我国的 ≥ p t等注射系统 o是将设定剂量的药液从开始压注直到结束 o连续不停地注入树体内的连续
式注射 ~另一类如美国 wxsxsyz号专利和我国 y‹系列注射系统 o是将设定的注射剂量分为若干份 o每
次压入一份 o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k木质部l
密封良好 !压力足够大的情况下 o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k随树种
和季节等不同而变化l o组织会发生爆裂 o脉冲式每秒压注 t ∗ x °对绝大多数树种是安全的 ∀
u 高压快速注射式树干注药机的关键技术比较
如前所述 o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 v个条件 ∀
211 增压机构的结构
增压机构是高压树干注药机械的心脏 o作用是将药液吸入 !然后加压并泵出 ∀因此 o如何保证吸入
药液的增压是其核心 ∀已发表的机型有以下 v类方式 }
u1t1t 双单向阀有密封柱塞泵式 这是最多采用的一种结构 o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 o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 vt1x  °¤都是可靠的 o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 o即阀的泄漏比较严重 o且无规律性 ∀究其原因 o我们认为主要是工作介
质不同所致 ∀首先 o药液与液压油的粘度差异极大k液压油的粘度高 o密封性好l ∀其次 o液压油是在一
个密闭的系统中循环工作 o能够保证/洁净0度 o而注药系统则是开放的 o不仅有药剂品种 !浓度等变化 o
而且常常还会混有一些杂物等 ∀为了提高阀的可靠性 o有的人采用多阀串联 !膜阀 !锥阀k钢性l等多种
改良型结构 o但均因效能改善有限 o只能用于要求中低压以下的注射 ∀
u1t1u 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/ ÷ ‹ 轻型高压树干注入器0和
徐州的/ y‹ q⁄Œ∂ 型树干注药机0等 ∀它较前者主要是去掉了位于柱塞泵后方的吸液阀 o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 o其吸液为真空式 o排液时依靠柱塞与泵体
间极小的间隙k [ s qst °°l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 [ u h o但当工作介质由油换成药液时 o其泄漏更为严重 o在人力手工压缩ku °r¶l条件下的工作
压力最好的也只能达到 ts  ³¤左右 o只能用于泡桐 !杨柳等要求注射压力低的树种 o对于槐 !梨等需高
压注射的树种不能实现有效注射 ∀
u1t1v 无单向阀密闭唧筒式 这种结构的机型如美国 wstty{x号专利 o我国 ≤‘tsv{v{|„号专利等 ∀
它取消了全部单向阀 o结构与一般医用注射器完全一样 ∀由于受柱塞推力的限制 o一般唧筒k截面积l
tvt 第 t期 李 兴等 }树干注药机核心技术的比较研究与 y‹ q⁄yux…型注药机研制
只能做得很小 o使用中需频繁地取下针头灌药 o失去方便性而无法普及 ∀为解决这一问题 o|s年代初徐
州光学仪器厂曾推出了一种将唧筒做到一定大k约 uxs °l !唧筒活塞由两台液压千斤顶推动的改良
型 o这一结构工作是可靠的 o但结构比较复杂 !重复大 o另外 o储药量仍然偏小且灌药比较费事 ∀
212 注药针的结构与进退针方式
注药针头直接与树体相接 o是决定能否将药液送入树体内及工效高低的第 u个关键 ∀
u1u1t 现有技术 |s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 us年代的美国 ¤∏ª¨·注射器到 {s年代的中国
专利 {{uttsys1 ˜等无k低l压系统中得到广泛应用 o使用时先在树体上钻一个与针体粗细相当的孔 o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 o为此 o美国林务局的一个研究小组
kŠµ¨ª²µ¼ ²±¨ ¶和 ¦º¤¬±l采取在针体上套一个密封圈 !并由法兰盘由 w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0等 ∀显然 o这种方式不仅费事
而且对树体还要产生额外的损伤 ∀之后 o‹¨°¨¯¬¦®k美国l发表了一种中空螺纹管式针头 o依靠针体上凸
起的螺纹嵌进树体组织形成密封效果 o因而工效大为提高 o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 o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 o然而实际应用表明这种/自旋进0式针头能够适用的树种很少 ∀直到 |s年代初 o我国陈
永益等kt||ul研究了一种顶端为平刃 !前半部圆柱体侧开 w孔k各孔间夹角 |sβl !后半部圆锥体的针
头 o采用撞击式进退针 o虽然在一些树种的注射中有漏药现象k夏民洲等 ot||vl o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 o展示了其良好的发展前景 ∀之后 o秦 飞等kt||y ~t|||l对其
作了进一步改进完善 o发展成一种楔形系列针头 ∀
u1u1u 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 o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 o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 o我们认为影响设计
的主要因素有 }≠不同树种树干组织密度相差极大k可达 ts倍以上l o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 o因而对进退针的阻力和组织对针体的压力k封闭力l差异也就很大 ∀ 
大多数树木的顺纹力学强度很高 o而横纹力学强度很低 o易劈裂 ∀ ≈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kt||yl证明 }同一树体木质部的透水性是纵方向4圆周方向4放
射方向 o即液流垂直方向比同一年轮中圆周方向流动快 o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 o日本扁柏为外侧边材以内 s1{ ∗ t1s ¦°处稍快 ~柳杉为边材外侧快 o内侧约为外
侧的一半 ~木兰则是各年轮间基本一致 o但最外侧稍小一点 ∀ …不同树种间树皮厚薄差异很大 o同一树
种因大小不同差异也可能很大 o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k赵博光等 ot||yl ∀  树皮与木质部之间的形成层细胞娇弱 o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k系列l ∀实现这一目标的主要研究方向是 }一要彻底解决/自进密
封0 o因为先预打孔 o然后再插k拧l入针头的两步操作法/事倍功半0 ∀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 o但对松等树种则易产生挤裂使药液沿针体外泄 o
小锥度则正好相反 ∀因而要解决针体锥度的优化 o形成若干系列 ∀其二 o由于树皮厚薄和不同树种最
佳输导部位的不同 o要优选形成若干长度系列 ∀其三 o针体要选用有良好的硬度和韧性 o不易弯 !折的
材料 ∀
u1u1v 进退针方式与针头的形状结构密切相关 早期k中空园管式针头l都是采取塞入式 o即在树体
上先钻好孔 o然后再将针头塞进去 ∀螺纹管式针头也是两步操作法 o即先在树体上钻好孔 o然后再将针
头拧进去 ∀|s年代以来 o随着楔形针的发展 o撞击式进退针渐成主流方式 ∀
v y‹ q⁄yux…型树干注药机的研制
311 技术路线与主要技术指标的确定
uvt 林 业 科 学 vz卷
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 o关键技术指标确定为 }注药压力 [ ux
 °¤o在任意测压点下的压力保证时间 ∴ts °¬±o一次压缩注药量 ~u ? s1u °~药液压注速度 ~手控 t ∗
u ¶~移动方式 o手提式 o全机重量 }y ∗ z ®ª∀
312 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 }ktl采用药瓶高置于吸 !出液阀上方的正压供液
方式 o从而省去了一般负压吸药系统中必须的放排气机构 o使用更简便 ∀kul吸 !出液单向阀采用柔性
密封阀结构 o其中吸液阀采取阀蕊与柱塞连动的/强开强闭0专利设计 ∀实际测试表明这种结构在 [ ux
 ³¤的任意测压点下 o压力保证时间都能达到 tx °¬±以上 o说明阀的泄漏问题得到圆满解决 o可以保
图 t 增压系统结构
ƒ¬ªqt ׫¨ ¶·µ∏¦·∏µ¨ ¦«¤µ·²©³µ¨¶¶∏µ¨ ¦¼¯¬±§¨µ
t 阀芯密封圈 ≥ ¤¨¯ §¨¦¬µ¨¯¨ k¬± √¤¯√¨¦²µ¨l ou 出液阀芯 ∂ ¤¯√¨¦²µ¨
k ¬¨¬·l ov 出液阀体 ∂ ¤¯∏¨ ¥²¬k ¬¨¬·l ow联杆 Œ±·¨µ²¦®¬±ª³²¯¨ox曳
手 ƒ³µ¦¨·§µ¤¼ ¬±³¯¨° ±¨·oy 档圈 ≥·¨° ¦¬µ¨¯¨ oz 柱塞杆密封圈
≥ ¤¨¯ §¨¦¬µ¨¯¨ k¬± ³∏°³¦²¯∏°l o{ 泵体 °∏°³ ¥²§¼ o| 柱塞 °∏°³
¦²¯∏°± ots 拉杆 ∂ ¤¯√¨³∏¶«µ²§ott档环 …¯ ²¦®µ¬±ªotu平垫 Š¤¶2
®¨ ·otv 机体 ¤¦«¬±¨ ¥²§¼ otw 平垫 Š¤¶®¨ ·otx 吸液阀体 ∂ ¤¯√¨
¥²¬ k ±¨·¨µl oty 弹簧 ≥³µ¬±ªotz 吸液阀芯 ∂ ¤¯√¨¦²µ¨ k ±¨·¨µl q
证注射计量k定容式l准确性 ∀kvl采用四连杆杠杆加
力机构 o柱塞的往k压出药液l复k吸入药液l均由曳
手强制曳引 o数年的实际运用考验表明 o只要泵体和
柱塞的材料与热处理工艺适当 o完全能够抵抗横向
分力磨损 o使用寿命能够得到保证 o从而省略了导向
滑块k杆l的复杂机构 o结构简洁 o工作可靠 ∀
313 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 ∀
v1v1t 注药针设计 如本文第 u节所述 o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 o此外 o还要注意切断刃的刃角等因素 ∀
ktl锥度系列 }根据对试验结果的模糊聚类分
析 o优选确定了适用于中软材质树种的 tΒux和适用
于中硬材质树种的 tΒxs两个锥度系列 ∀
tl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 ∀
kul长度系列tl }优选确定了适用于中软材质树
种的 uy !vy !wy ¦°和适用于中硬材质树种的 us !u{ !
vy ¦°两个长度系列 ∀
kvl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 o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 w{β ∗ xsβ o适用于中软材质的
树种的刃角为 v{β ∗ wsβ ∀
v1v1u 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 o又要达到快速的工作要求 o将其设计为
具有导向滑杆的滑锤撞击机构 o滑锤与安装针头的
针头座之间采用卡口联接方式 o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 o分别设计了大 !小两种质量的滑锤 ∀
314 计量系统设计
在低剂量注射系统中 o流量计式计量装置的误差偏大 ~另一方面 o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 o采取了在吸液阀后方设置量筒式计量装置的专利设计 o由放液开关 !量
筒 !放药管 !吸药管和通气管组成 o从而确保了计量精确度 o可以满足各种精确计量试验需要 ∀
vvt 第 t期 李 兴等 }树干注药机核心技术的比较研究与 y‹ q⁄yux…型注药机研制
315 整机总体结构如图 2 所示
图 u 总体结构图
ƒ¬ªqu „ ¦²°³¯ ·¨¨ ¶¨·²©¨´ ∏¬³° ±¨·
t出液阀 ≥¬±ª¯¨§¬µ¨¦·¬²± √¤¯√¨ou 机体 ¤¦«¬±¨ ¥²§¼ ov 通气管
Š¤¶¨¶·∏¥¨ ow 机架 ¤¦«¬±¨ ¶¨¤·ox 量筒 • ¬¨ª«¬±ª·∏¥¨ oy 高压管
°µ¨¶¶∏µ¨ ³¬³¬±ªoz 针座阀 ≥¬±ª¯¨ §¬µ¨¦·¬²± √¤¯√¨o{ 针头 ≥¼µ¬±ª¨
±¨ §¨¯¨o| 针头座 ≥¼µ¬±ª¨ ±¨ §¨¯¨ ¶¨¤·ots 卡头 …¤¼²±¨ ·2¶²¦®¨ ·ott
锤头 ‹¤°° µ¨otu 把手 ‹¤±§¯¨otv 底板 ≥«¨ ¯¯ ¶¨¤·otw 支架 …²·2
·¯¨ §¶¨¤·otx 开关 ≥º¬·¦«oty 药瓶  §¨¬¦¬±¨ ¥²··¯¨ §q
w 应用效果
用户的实际应用表明 o采用本机注射防治林木
果树病虫害 o与喷药 !喷烟等传统的地面施药技术相
比 o具有以下明显优点 }ktl不受气候 !立地条件 !树
木高度和病虫害危害部位的制约 o适应范围广 o使用
机动灵活 ∀无论是阴雨连绵 o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
t倍k氧化乐果 !甲胺磷l以上 o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 o可以很轻松地实施有效
防治 ∀kul与手工环割涂药 !钻孔灌药相比 o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 o一般情况下 o生长量大的树种 t
∗ u个月左右 !生长量低的如苹果等当年大多也可
以愈合 o比环割 !钻孔法快 t倍以上 ∀台班工效k胸
径 us ∗ vs ¦°的杨树 o两人一组操作l可以达到 wss
株上 o与工农2vy型机动喷雾机相比 o工效基本相当 o
但防治效果大为提高 o用药量减少 o防治成本平均下
降 xs h以上 ∀kvl与叶面喷施或土施相比 o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 u ? s1u °o计量筒刻度分辨率 t °o可以准确控制
单株用药量 o微肥利用率比叶面喷施高 ws倍以上 o比土施高 wxs倍以上k苹果l ∀kwl没有药物污染环
境 o对非标靶生物不产生直接伤害 ∀是一种/外科手术式0的化学防治 o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 o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 o促进生态平衡的演进
发展 ∀
实际的试生产表明 o在年产 tsss台规模下 o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 vss左右 !使用寿命 v年以上 !日防治 vss株树左右0的要求 o可以适应我国各种造林树
种注射各种药剂的需要 ∀
参 考 文 献
周金龙 o陈永益等 q便携式液压蓄能树干定量注射机 q实用新型专利说明书 qt||uk…l第 twxu号 o中国专利 |uutvywy qz
秦 飞等 q手持定量树木注药器 q实用新型专利公报 ot||y otukwzl }x o中国专刊 o|xuwsw{{ qx
胥占义等 q树干注射施药技术进展 q世界林业研究 ot||{ ou }v{ ∗ wv
赵博光等 q光肩星天牛在杨树上产卵部位的选择 q北京林业大学学报 ot|kvl }u{ ∗ vt
夏民州等 q甲胺磷等农药在树干内输导动态及防治试验 q森林病虫通讯 ot||v ow }vt ∗ vv
秦 飞等 q树干注射施药技术及应用 q林业科技开发 ot||z ot }us ∗ ut
龙泽英纪等 q树干横断面的树液流速分布 q日林志 ot||y oz{kul }t|s ∗ t|w
徐 灏 q新编机械设计手册 q北京 }机械工业出版社 ot||x
¤··«¨ º¶Š „著 q丁竟刚等译 q农药使用技术 q北京 }化学工业出版社 ot|{u
¤µ¶« ∂ • 著 q郑忠等译 q内吸性杀虫剂 q北京 }化学工业出版社 ot|{z
¤° ¶¨ ‹ ¬¯¯ µ¨ετ αλq邱忠泽等译 q林业除草剂使用手册 q北京 }科技文献出版社 ot||u
≥«¬ª¯ ¼¨  ∞ o ¬¶¦«®¨ ≤ • 主编 q河海大学机械学院译 q机械设计通用手册 o北京 }机械工业出版社 ot||v
wvt 林 业 科 学 vz卷