同種類型不同型號的3種噴嘴性能測試分析

申江峰,何玉靜,余泳昌

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南鄭州 450002)

?

同種類型不同型號的3種噴嘴性能測試分析

申江峰,何玉靜,余泳昌*

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南鄭州 450002)

[目的] 篩選適當(dāng)?shù)膰婎^噴嘴，使用小霧滴噴灑，實(shí)現(xiàn)最小的用藥量，實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥的精準(zhǔn)噴施，減少大容量、大霧滴噴霧技術(shù)給農(nóng)業(yè)帶來的負(fù)面影響。 [方法]選用哈爾濱博納科技有限公司生產(chǎn)的試驗(yàn)室噴霧性能測試臺，對3種同類型不同型號(LICHENG Vp110015、Vp11003和Vp11006)的扇形噴嘴性能進(jìn)行比較分析，根據(jù)噴霧機(jī)噴頭的壓力與流量關(guān)系、噴霧角大小、霧滴粒徑分布等參數(shù)的比較，選出比較適合大田作業(yè)的噴嘴。采用高精度超聲波傳感器，進(jìn)行超聲波數(shù)據(jù)的采集和處理，得出噴霧分布均勻性。[結(jié)果]在同一壓力(0.3 MPa)下3種噴嘴的流量分別為0.74、0.85和2.26 L/min；采用低照度高感度工業(yè)攝像機(jī)，進(jìn)行圖像采集和處理，測量得出噴霧角測量噴霧角的大小分別為109.5°、109.0°和114.1°；采用噴霧激光粒度儀進(jìn)行霧滴測試體積粒徑結(jié)果為91.881、119.625和185.499um。[結(jié)論]綜合考慮，型號為Vp11003的噴嘴具有較好的噴灑性能，選取該型號的噴嘴對大田作物進(jìn)行噴霧效果更佳。

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)；噴嘴性能；扇形

農(nóng)業(yè)病蟲害防治是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重點(diǎn)環(huán)節(jié)，也是農(nóng)業(yè)高產(chǎn)高質(zhì)的保障；植物保護(hù)是控制農(nóng)作物病、蟲、草害的主要手段，也是保證農(nóng)業(yè)高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)，奪取全而豐收的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。目前植物保護(hù)的方法主要有化學(xué)防治、物理防治、生物防治和綜合防治等。由于化學(xué)防治法具有工效高、防治及時(shí)等特點(diǎn)，特別是對于突發(fā)性、大面積暴發(fā)的病蟲害，能夠做到及時(shí)控制與防治[1]。因此，它仍然是現(xiàn)階段乃至今后相當(dāng)長的時(shí)期內(nèi)世界各國對作物進(jìn)行病蟲草害防治的主要方法。

使用農(nóng)藥防治農(nóng)林病蟲草害的目的是要用最少量的農(nóng)藥取得最佳防治效果，并且不引起環(huán)境污染等負(fù)面效應(yīng)[2]。但實(shí)際上，傳統(tǒng)的噴霧技術(shù)噴撒出去的農(nóng)藥只有極少部分能達(dá)到要防治的靶標(biāo)上[3]。目前，我國施藥技術(shù)大多以大容量、大霧滴噴霧技術(shù)為主，其農(nóng)藥有效利用率只有20%左右，約80%的藥液滾落或飄移進(jìn)入非靶標(biāo)環(huán)境中，施藥過程中漂移、流失的農(nóng)藥是一種環(huán)境污染源，這種施藥技術(shù)現(xiàn)狀是造成農(nóng)藥使用中負(fù)面影響的重要原因之一[2,4]。為了減少大容量、大霧滴噴霧技術(shù)給農(nóng)業(yè)帶來的負(fù)面影響，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)噴施，實(shí)現(xiàn)用最小的藥量、最小的環(huán)境污染達(dá)到最大控制病蟲害的目的，建議選用小霧滴進(jìn)行噴施，但小霧滴在空中漂浮的時(shí)間較長，霧滴漂移潛能將增大[5]。因此，需要選擇適當(dāng)?shù)膰婎^噴嘴，使之不僅可以使用小霧滴噴灑實(shí)現(xiàn)用最小的藥量，而且還可以提高噴灑質(zhì)量[6-7]。該文在試驗(yàn)室噴霧性能測試臺上對同類型3種不同型號的扇形噴嘴性能進(jìn)行了比較分析，以期篩選出適合大田作物應(yīng)用的噴嘴型號。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1研究對象。 噴嘴類型為扇形型號：LICHENG Vp110015、Vp11003和Vp11006。

1.1.2主要儀器。試驗(yàn)室噴霧性能測試臺，該試驗(yàn)臺由哈爾濱博納科技有限公司生產(chǎn)； S18UIA高精度超聲波傳感器，由無錫電力方科技有限公司生產(chǎn)，其體積小，但具有其他大型傳感器所有的功能，而且不受被測物體的顏色影響，可用于小型容器內(nèi)進(jìn)行液位高度檢測；DMK21BF04型低照度高感度工業(yè)攝像機(jī)，由東莞市富愛其自動(dòng)化有限公司生產(chǎn)；采用低照度高感度工業(yè)攝像機(jī)，研制C++語言程序軟件，進(jìn)行圖像采集和處理(得出噴霧角)；Winner312噴霧激光粒度儀，由河南微納儀器有限公司生產(chǎn)；Winner312工業(yè)噴霧激光粒度分析儀，適用于工業(yè)噴霧粒度大小及粒度分布的測定，還可以測定固體顆粒以及液體顆粒的粒度分布?？捎糜诠S化驗(yàn)室、高等院校和研究室質(zhì)量控制、產(chǎn)品檢驗(yàn)、科學(xué)研究、新品開發(fā)等。Winner312激光粒度分析儀必須與計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)使用，主機(jī)與計(jì)算機(jī)可以通過標(biāo)準(zhǔn)串行口實(shí)現(xiàn)雙向通訊。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備性能與試驗(yàn)方法

1.2.1噴霧性能綜合試驗(yàn)臺。噴霧性能綜合試驗(yàn)臺，由藥液循環(huán)系統(tǒng)(由電機(jī)、水泵、過濾器、調(diào)壓閥、球閥、三通、彎頭、不銹鋼管、膠管、接頭等構(gòu)成)、噴霧激光粒度儀、控制臺等組成。試驗(yàn)臺總長3 600 mm、寬2 200 mm、高2 250 mm, 框架采用鋁合金型材，防腐防銹。

噴桿上安裝4個(gè)噴霧器，間距500 mm，噴桿上下可調(diào)，調(diào)節(jié)范圍為300～800 mm，通過減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)鏈輪、鏈條進(jìn)行上下調(diào)節(jié)，由噴桿上的箭頭指示刻度尺上的刻度位置。噴桿可前后移動(dòng)，由氣缸驅(qū)動(dòng)，當(dāng)移動(dòng)到試驗(yàn)臺前端，可以方便裝卸噴嘴。攝像機(jī)架連接在試驗(yàn)臺框架上，通過氣缸可以90度旋轉(zhuǎn)，防止噴桿向前移動(dòng)時(shí)發(fā)生干涉，攝像機(jī)距離噴嘴≥400 mm。噴霧分布均勻性測試由超聲波液位傳感系統(tǒng)、試管及試管架、試管架翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成。試管架翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用齒輪傳動(dòng)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)角度為105°，實(shí)現(xiàn)接水位置、測量位置、傾倒位置精確定位。試管架由60個(gè)試管固定在試管架上，翻轉(zhuǎn)時(shí)保證不上下、左右晃動(dòng)。選用D=45 mm、H=250 mm的量筒，最大可測量流量3 L/min的噴頭4支，以滿足國內(nèi)噴霧機(jī)的要求。超聲波測量系統(tǒng)由超聲波液位傳感器、鋁合金導(dǎo)軌、導(dǎo)向滑塊、步進(jìn)電機(jī)、限位開關(guān)、齒輪齒條驅(qū)動(dòng)裝置組成，保證超聲波液位傳感器在導(dǎo)軌上平穩(wěn)勻速的移動(dòng)。

液泵測試系統(tǒng)，應(yīng)用傳感器融合技術(shù)，自動(dòng)監(jiān)控液泵的進(jìn)出口壓力、扭矩、轉(zhuǎn)速和流量參數(shù)，他們以模擬信號(4～20 mA)形式經(jīng)PLC的A/D 模塊轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，PLC同時(shí)通過高速計(jì)數(shù)器獲得編碼器轉(zhuǎn)速信號，并都經(jīng)由RS232傳送給計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)采集、顯示、數(shù)據(jù)融合處理、儲存和打印試驗(yàn)報(bào)表等。

該試驗(yàn)在學(xué)院試驗(yàn)室噴霧性能綜合試驗(yàn)臺上進(jìn)行，如圖1所示。

圖1 噴霧性能綜合試驗(yàn)臺

1.2.2噴霧性能綜合試驗(yàn)臺工作原理。在田間測試噴霧機(jī)的噴霧性能時(shí)，噴頭的壓力與流量、噴霧角、噴灑的均勻性、水泵消耗功率等是無法有效并精確測量的，而在試驗(yàn)室內(nèi)的噴霧性能綜合試驗(yàn)臺上，利用計(jì)算機(jī)視覺圖像處理技術(shù)、超聲波精確測距技術(shù)、傳感器耦合技術(shù)和計(jì)算機(jī)綜合控制技術(shù)，可以自動(dòng)并精確地測量各個(gè)數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對噴霧機(jī)噴灑部件和增壓部件各項(xiàng)指標(biāo)的綜合測試。

(1)采用低照度高感度工業(yè)攝像機(jī)，進(jìn)行圖像采集和處理，從而測量得出噴霧角；(2)采用高精度超聲波傳感器，進(jìn)行超聲波數(shù)據(jù)的采集和處理，得出噴霧分布均勻性；(3)通過計(jì)算機(jī)和PLC通信的方式，進(jìn)行相應(yīng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的控制和傳感器的數(shù)據(jù)采集。

1.2.3試驗(yàn)內(nèi)容。

(1)噴霧分布均勻性及流量測試。 噴桿上安裝4個(gè)噴霧器，噴桿上下可調(diào)，通過減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)鏈輪、鏈條進(jìn)行上下調(diào)節(jié)，由噴桿上的箭頭指示刻度尺上的刻度位置。噴桿可前后移動(dòng)，由氣缸驅(qū)動(dòng)，當(dāng)移動(dòng)到試驗(yàn)臺前端，可以方便裝卸噴嘴。攝像機(jī)架連接在試驗(yàn)臺框架上，通過氣缸可以90度旋轉(zhuǎn)，防止噴桿向前移動(dòng)時(shí)發(fā)生干涉，如圖2所示。

圖2 噴桿噴霧器

針對此項(xiàng)內(nèi)容的測試，選擇噴頭高度為385 mm下進(jìn)行。首先打開控制臺，其次調(diào)節(jié)藥液循環(huán)系統(tǒng)上的壓力閥，試驗(yàn)設(shè)計(jì)了3個(gè)壓力大小分別為0.2、0.3和0.4 MPAa，測試時(shí)間為1 min。

操作過程：選取3種噴嘴型號為Vp110015、Vp11003和Vp11006，在噴頭高度為385 mm下，分別在壓力為0.2、0.3和0.4 MPAa下測出其單位時(shí)間內(nèi)流量。

(2)噴霧的霧錐角測試。試驗(yàn)步驟為測試前，先打開攝影燈(攝影燈連續(xù)工作不宜超過10 min)，接著打開控制臺電源，具體操作如下：①按【噴桿上升】或【噴桿下降】按鈕，調(diào)節(jié)噴桿到試驗(yàn)要求的高度；②按【氣泵】按鈕，啟動(dòng)氣泵，手動(dòng)調(diào)節(jié)調(diào)壓閥，調(diào)節(jié)氣壓；③按【水泵】變頻器的“FWD”按鈕，開始噴水；④在測試軟件上按【噴霧角測量】按鈕，啟動(dòng)噴霧角測量程序；⑤點(diǎn)擊【開始測試】，進(jìn)入頁面；⑥【手動(dòng)測量角度】，通過鼠標(biāo)畫兩條直線，計(jì)算機(jī)計(jì)算兩直線的夾角，并顯示于測量結(jié)果框中；⑦測量完畢后，按【水泵】變頻器的“STOP”按鈕，停止噴水。

(3)不同壓力下霧粒徑大小測試。滴粒徑分布是利用激光粒度儀測得的，而噴霧激光粒度儀主要由激光發(fā)射器和光電傳感器組成。具體操作如下：①按【霧滴噴頭左移】或【霧滴噴頭右移】來調(diào)整噴頭位置；②利用噴霧激光粒度儀，進(jìn)行霧滴測試。

圖3 激光粒度儀原理

霧滴尺寸大小量程為15～711 um，樣品比重為1 g/cm3，樣品濃度為4.007，擬合誤差0.006；當(dāng)霧滴粒徑為438.932 um時(shí)，累積量達(dá)到100%。

2 結(jié)果與分析

2.1 噴霧分布均勻性及流量由表1可知噴嘴型號Vp110015，壓力為0.2 MPa時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)測試流量為0.64 L/min；壓力為0.3 MPa時(shí)，測出單位時(shí)間內(nèi)流量為0.74 L/min；壓力為0.4 MPa時(shí)，測出單位時(shí)間內(nèi)流量為0.81 L/min。噴嘴型號Vp11003和Vp11006，分別測出單位時(shí)間內(nèi)壓力為0.2 MPa情況下，其流量分別為0.76和2.24 L/min；壓力為0.3 MPa時(shí)，流量分別為0.85和2.62 L/min；壓力為0.4 MPa時(shí)，流量分別為0.96和3.16 L/min，對比噴嘴型號和調(diào)節(jié)壓力分析可知，優(yōu)選壓力為0.3 MPa，噴嘴型號為Vp11003的噴嘴。

表1 噴嘴流量測試結(jié)果 L/min

注：噴頭高度385 mm；單位時(shí)間內(nèi)流量測試min。

2.2 噴霧的霧錐角由表2可知，不僅噴嘴類型會(huì)影響霧錐角大小，而且壓力調(diào)節(jié)的大小同時(shí)也會(huì)影響霧錐角。在噴霧過程中，理論上應(yīng)盡量選擇較大的霧錐角和適當(dāng)?shù)膲毫Α谋?的數(shù)據(jù)中對比壓力大小和噴嘴類型可得出，噴嘴類型為Vp11006，調(diào)節(jié)壓力為0.3 MPa時(shí)的噴霧角較為適宜。

表2 霧錐角測試結(jié)果 °

2.3 不同壓力下霧粒徑的大小對型號為Vp110015的噴嘴在壓力為0.2、0.3和0.4 MPa下測試粒徑大小，得到一組數(shù)據(jù)分別為96.365、91.881和83.829 um。

2.3.1不同壓力下Vp110015噴嘴的霧粒徑的大小。由圖4可知，當(dāng)壓力為0.2 MPa時(shí)，霧滴尺寸大小量程為15～711 um，樣品比重為1 g/cm3，樣品濃度為4.007，體積中徑X50=98.365 um，擬合誤差0.006；當(dāng)霧滴粒徑為438.932 um時(shí)，累積量達(dá)到100%。

圖4 Vp110015，壓力為0.2 MPa

霧滴由于是出自同一設(shè)備，故霧滴量程一定。由圖5可知，當(dāng)壓力為0.3 MPa時(shí)，此時(shí)的霧滴體積中徑為91.881 um，樣品濃度為4.315，擬合誤差為0.006，當(dāng)霧滴粒徑為438.932 um時(shí)，累積量達(dá)到100%。

圖5 Vp110015，壓力為0.3 MPa

由圖6可知，當(dāng)壓力為0.4 MPa時(shí)，此時(shí)霧滴體積中徑為83.829 um，樣品濃度為4.676，擬合誤差為0.005，當(dāng)霧滴粒徑為344.875 um時(shí)，累積量達(dá)到100%。

圖6 Vp110015，壓力為0.4 MPa

2.3.2不同壓力下vp11003和vp11006噴嘴的霧粒徑的大小。使用同樣的方法，在不同壓力下測出噴嘴型號為vp11003和vp11006的粒徑大小。

由圖7可知，當(dāng)壓力為0.2 MPa時(shí)， Vp11003的噴嘴霧滴體積中徑為132.533 um，樣品濃度為4.129，擬合誤差為0.006，當(dāng)霧滴粒徑438.932 um時(shí)，累積量達(dá)到100%。

圖7 Vp11003,壓力為0.2 MPa

由圖8可知，當(dāng)壓力為0.3 MPa時(shí)， Vp11003的噴嘴霧滴體積中徑為119.626 um，樣品濃度為4.471，擬合誤差為0.006，當(dāng)霧滴粒徑438.932 um時(shí)，累積量達(dá)到100%。

圖8 Vp11003,壓力為0.3 MPa

由圖9可知，當(dāng)壓力為0.4 MPa時(shí)， Vp11003的噴嘴霧滴體積中徑為115.333 um，樣品濃度為4.268，擬合誤差為0.006，當(dāng)霧滴粒徑438.932 um時(shí)，累積量達(dá)到100%。

圖9 Vp11003,壓力為0.4 MPa

由圖10可知，當(dāng)壓力為0.2 MPa時(shí)，Vp11006噴嘴的霧滴體積中徑為188.719 um，樣品濃度為4.652，擬合誤差為0.008，當(dāng)霧滴粒徑438.932 um時(shí)，累積量達(dá)到100%。

圖10 Vp11006,壓力為0.2 MPa

由圖11可知，當(dāng)壓力為0.3 MPa時(shí)，Vp11006噴嘴的霧滴體積中徑為185.499 um，樣品濃度為4.801，擬合誤差為0.007，當(dāng)霧滴粒徑438.932 um時(shí)，累積量達(dá)到100%。

圖11 Vp11006, 壓力為0.3 MPa

由圖12可知，當(dāng)壓力為0.4 MPa時(shí)，Vp11006噴嘴的霧滴體積中徑為180.907 um，樣品濃度為4.923，擬合誤差為0.007，當(dāng)霧滴粒徑438.932 um時(shí)，累積量達(dá)到100%。

圖12 Vp11006, 壓力為0.4 MPa

由表3可知，3種型號噴嘴的實(shí)際測定數(shù)據(jù)，結(jié)合理論值針對3種噴嘴型號Vp110015、Vp11003和Vp11006在壓力為0.2、0.3和0.4 MPa下測試粒徑大小。綜合上述粒徑分布圖和表3可知，同一噴嘴中，噴霧粒徑大小隨調(diào)節(jié)壓力的增大而減??；同一壓力時(shí)，噴霧粒徑大小和噴嘴類型和大小有關(guān)。在實(shí)際噴霧過程中，粒徑過大會(huì)影響噴幅和流量的大小，同時(shí)也會(huì)影響霧滴的沉積率；霧滴粒徑過小也會(huì)影響噴霧效果，尤其受風(fēng)的影響比較大，防漂移效果比較差[8-9]。對比3種噴嘴和不同壓力下的粒徑大小，可選取噴嘴型號為Vp11003在0.3 MPAa的壓力下作為研究對象考慮。

表3 不同壓力下粒徑測試結(jié)果 μm

注：表中數(shù)據(jù)為不同壓力下粒徑(體積中徑)值。

3 結(jié)論

綜合上述不同型號噴嘴，在不同壓力下進(jìn)行比較測試分析得出：型號為Vp11003噴嘴從流量、霧錐角以及粒徑大小各種參數(shù)較為合理，更適合在實(shí)際噴霧過程中進(jìn)行噴霧。在實(shí)際噴霧操作過程中為了減少大容量、大霧滴噴霧技術(shù)給農(nóng)業(yè)帶來的負(fù)面影響，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)噴施，實(shí)現(xiàn)用最小的藥量、最小的環(huán)境污染達(dá)到最大控制病蟲害的目的，建議選用小霧滴進(jìn)行噴施。

[1] 傅澤田, 祁力鈞, 史巖. 化學(xué)農(nóng)藥施用技術(shù)與糧食安全[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2002, 18(6)：203-206.

[2] 屠予欽. 我國農(nóng)藥的有效利用率與農(nóng)藥的負(fù)面影響問題[J]. 世界農(nóng)藥, 2003(6)：1-4.

[3] 周華, 朱暢, 范明豪, 等. 高壓旋芯噴嘴的霧化特性[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2006(1)：63-66，58.

[4] 張弛, 張榮偉, 徐國強(qiáng), 等. 直射式雙旋流空氣霧化噴嘴的霧化效果[J]. 航空動(dòng)力學(xué)報(bào), 2006(5)：805-809.

[5] 閆云飛, 張力, 高振宇, 等.低壓旋流霧化噴嘴的霧化性能[J]. 化工學(xué)報(bào), 2009(5)：1141-1147.

[6] 陳斌, 郭烈錦, 張西民, 等. 噴嘴霧化特性試驗(yàn)研究[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào), 2001(2)：237-240.

[7] 龔景松,傅維鑣. 一種新型噴嘴的提出及流量特性的研究[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào), 2005(3)：507-510.

[8] 陳超, 袁壽其, 李紅, 等. 異形噴嘴對變量噴頭水力性能的影響[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2011(12)：111-115.

[9] 曾卓雄, 姜培正, 謝蔚明，等. 噴嘴霧化粒徑的試驗(yàn)研究[J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2000(4)：75-77.

Analysis on Performance Test of Three Kinds of Nozzle

SHEN Jiang-feng, HE Yu-jing, YU Yong-chang*

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Henan Agricultural University, Zhengzhou, Henan 450002)

[Objective] To select appropriate nozzle, realize accurate spray, reduce negative effects on agriculture. [Method] Using laboratory spray performance test platform, the spray performance of LICHENG Vp110015, Vp11003 and Vp11006 were compared and analyzed. According to relationship between pressure and flow rate, size of nozzle, droplet size distribution, the appropriate nozzle for large field was selected. Using high precision ultrasonic sensor, data collection and processing were conducted, the spray distribution enveness was obtained. [Result] Under the same pressure of 0.3 MPa, the flow rate of three nozzle are 0.74, 0.85 and 2.26 L/min; using low illumination and high sensitivity industrial camera to conduct image sampling and processing, the size of nozzle are 109.5°, 109.0° and 114.1° respectively; using spray laser particle size instrument to test, the grain size are 91.881, 119.625 and 185.499 um, respectively. [Conclusion] Comprehensive consideration, the model for Vp11003 nozzle has better performance of spray.

Precision agriculture; Nozzle performance; Fan

河南省科技廳科技攻關(guān)項(xiàng)目(102102210157)。

申江峰(1986-)，男，河南開封人，在讀碩士研究生，研究方向：機(jī)械化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與機(jī)器系統(tǒng)。*通訊作者，教授，博導(dǎo)，碩導(dǎo)，從事農(nóng)業(yè)電氣化及其自動(dòng)化研究。

2014-12-11

S 274

A

0517-6611(2015)04-376-04