植保常用扇形霧噴頭系列型譜模型研究

樊榮，楊福增

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，山西 太谷 030801； 2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西 楊陵712100)

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植保常用扇形霧噴頭系列型譜模型研究

樊榮1，楊福增2*

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，山西 太谷 030801； 2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西 楊陵712100)

摘要：[目的]為了實(shí)現(xiàn)植保常用扇形霧噴頭的數(shù)字化管理及生成，促使噴頭設(shè)計(jì)與生產(chǎn)向協(xié)調(diào)、統(tǒng)一、擇優(yōu)、簡(jiǎn)化方向發(fā)展。[方法]對(duì)常用扇形霧噴頭的結(jié)構(gòu)組成、性能特征、噴霧質(zhì)量進(jìn)行了理論分析，對(duì)不同終端型式的扇形霧噴頭進(jìn)行了霧型分布試驗(yàn)。[結(jié)果]霧型分布受?chē)娮旖K端型式影響較大。最終建立了不同系列噴頭的型譜模型，制定了扇形霧噴頭譜系結(jié)構(gòu)。[結(jié)論]此研究為相關(guān)軟件開(kāi)發(fā)與數(shù)據(jù)庫(kù)建立提供了支持與參考，便于噴頭的快速檢索與參數(shù)化設(shè)計(jì)，研發(fā)和生產(chǎn)新型植保噴頭。

關(guān)鍵詞：植保； 扇形霧噴頭； 型譜模型； 數(shù)字化

植物保護(hù)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要組成部分，在確保農(nóng)作物高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)方面發(fā)揮著重要作用[1]。植保機(jī)械作為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)必不可少的農(nóng)業(yè)裝備，在農(nóng)、林、果、牧業(yè)中居于相當(dāng)重要的地位[2]。噴頭是植保機(jī)械和噴霧系統(tǒng)中的基礎(chǔ)部件之一，其結(jié)構(gòu)的合理性決定藥液的霧化效果，影響噴霧機(jī)械的可靠性和經(jīng)濟(jì)性[3]。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)噴頭的研究主要集中在噴頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)、噴頭性能參數(shù)、噴頭材料開(kāi)發(fā)、噴頭新技術(shù)4方面[4]。湯伯敏等[5]針對(duì)傳統(tǒng)手動(dòng)噴霧器在使用中存在的問(wèn)題，研制了氣液二相流噴嘴，并進(jìn)行了藥液霧化性能與物理性能的相關(guān)性試驗(yàn)，明確了藥液粘性和表面張力對(duì)霧滴直徑、噴霧量的影響程度。孟祥金等[6]研究了氣力式靜電噴嘴的噴霧機(jī)理，闡述了該種噴嘴具有顯著改善噴霧效果的特點(diǎn)。劉青等[7]對(duì)gwzcD-25型風(fēng)送式超低量噴霧機(jī)的霧滴直徑和霧滴密度在噴幅方向的變化規(guī)律及其影響因素進(jìn)行了試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，在風(fēng)筒中安裝導(dǎo)流器，可增大噴幅并改善霧滴分布均勻性。李旭等[8]則對(duì)扇形霧噴嘴的加工工藝進(jìn)行了研究。

近幾年，我國(guó)科研工作者在藥液物理特性、噴霧技術(shù)等方面做了許多有益的探索并取得了一定成果，但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)的植保噴頭種類(lèi)少、品質(zhì)差，存在“跑、冒、滴、漏”現(xiàn)象[9]。其原因主要是我國(guó)對(duì)噴頭的基礎(chǔ)研究不足，比如絕大多數(shù)植保噴頭未實(shí)現(xiàn)系列化、標(biāo)準(zhǔn)化和通用化；沒(méi)有形成指導(dǎo)噴頭研發(fā)與生產(chǎn)的技術(shù)文檔；缺乏研發(fā)與選用的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)等，這些也是導(dǎo)致我國(guó)植保行業(yè)發(fā)展緩慢的直接原因。

本文從常用扇形霧噴頭結(jié)構(gòu)參數(shù)與性能特點(diǎn)間關(guān)系出發(fā)，對(duì)不同終端型式的扇形霧噴頭進(jìn)行了霧型分布試驗(yàn)，對(duì)常用扇形霧噴頭的結(jié)構(gòu)組成、性能特征、噴霧質(zhì)量進(jìn)行了理論分析，研究制定了植保常用扇形霧噴頭的譜系結(jié)構(gòu)，為扇形霧噴頭“三化”奠定一定基礎(chǔ)，為相關(guān)軟件開(kāi)發(fā)和噴頭產(chǎn)品參數(shù)化設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。

1扇形霧噴頭的結(jié)構(gòu)與性能

1.1主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

扇形霧噴頭一般由噴頭體、噴嘴、濾網(wǎng)、墊片、連接部件等組成，其中最重要的零件是噴嘴，其直接影響噴霧系統(tǒng)的噴霧效果和質(zhì)量[10]。扇形霧噴嘴的終端形狀及縱向剖面如圖1所示。

α-切口角度； H-切口深度； h-內(nèi)孔到終端面間距； e-過(guò)心距； D-噴孔直徑； R-噴口內(nèi)腔半徑圖1　扇形霧噴嘴終端剖面Fig.1　Terminal section of fan-spray nozzle

1.2扇形霧噴頭結(jié)構(gòu)參數(shù)理論分析

噴頭是使藥液霧化并均勻噴射的重要部件[11]。針對(duì)扇形霧噴頭，其霧化過(guò)程是：藥液在壓力作用下進(jìn)入噴頭，流經(jīng)噴嘴，受到噴嘴切槽楔面的擠壓延展成平面液膜繼而被分化為細(xì)小的霧滴，并最終均勻地霧化到目標(biāo)植被上。據(jù)此本研究主要從影響霧型分布、噴霧量和噴霧角度的因素對(duì)扇形霧噴頭的性能進(jìn)行分析。

1.2.1噴孔終端型式分析

噴嘴的噴孔終端形狀(或稱(chēng)出流口型式)是影響扇形霧噴頭霧型分布的主要因素。常見(jiàn)的噴孔終端型式有球頭形、橢球形、平頭形和圓錐臺(tái)形[12]。其中，球頭形和橢球形噴嘴較為常見(jiàn)，霧量分布效果也較好。為了更好地確定噴嘴終端形狀對(duì)霧型分布的影響，項(xiàng)目組在中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)藥械與施藥技術(shù)中心進(jìn)行了霧型分布試驗(yàn)，試驗(yàn)臺(tái)示意圖見(jiàn)圖2，部分試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3，最終得出不同噴頭的霧型分布如表1。

圖2　霧型分布試驗(yàn)臺(tái)示意圖Fig.2　The schematic diagram of a testbed for spray distribution

Table1Spraydistributionofdifferentterminalshapeoffan-spraynozzle

終端型式Terminaltype霧量分布形式Spraydistribution球頭形近似正態(tài)曲線橢球形近似均勻分布圓錐臺(tái)形三峰(中間峰由兩小峰構(gòu)成)平頭形三峰(中間高,兩側(cè)低)

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，霧量分布除與噴嘴的結(jié)構(gòu)形式有關(guān)外，還與加工質(zhì)量關(guān)系密切，比如噴嘴內(nèi)孔與“V”形切口相銜接處的加工誤差、表面粗糙度、噴孔和切口的不對(duì)稱(chēng)度和切口軸線的不同軸度等。此外，孔口邊緣的光滑程度也對(duì)霧量分布產(chǎn)生較大影響。因此，在加工制造時(shí)應(yīng)盡量降低這些誤差。

1.2.2噴霧量分析

噴霧量(也稱(chēng)噴頭流量)是噴頭的重要工作參數(shù)，主要與噴頭種類(lèi)、噴孔直徑、工作壓力有關(guān)。一般情況下，隨著噴孔直徑和壓力的增加，噴霧量也隨之增加。壓力增大，液流速度提高，增強(qiáng)了液流與空氣的撞擊力，使得液滴更加細(xì)碎，噴霧更加均勻。

根據(jù)流體力學(xué)中的伯努利方程,可推導(dǎo)出噴霧量Q的計(jì)算公式[13]：

(1)

式中：μ為噴頭流量系數(shù)；F為噴頭出水截面積；g為重力加速度；p為流體壓強(qiáng)；r為流體密度。

其中流量系數(shù)μ是通過(guò)根據(jù)水力學(xué)應(yīng)用二重積分法推導(dǎo)得出[14]，即：

(2)

式中：d1為常定管路直徑；d2為噴頭直徑。

(3)

其中：

(4)

由上述分析可知，扇形霧噴頭的噴霧量是由切口角度α、噴口直徑D和過(guò)心距e決定的。

1.2.3噴霧角分析

目前,噴霧角多以試驗(yàn)為基礎(chǔ)，應(yīng)用回歸分析來(lái)確定。相關(guān)研究表明，當(dāng)壓力逐漸增大時(shí)，噴霧角也會(huì)隨之增大[15]。但當(dāng)壓力增加到一定數(shù)值時(shí)，噴霧角將不再增大而保持在某一相應(yīng)數(shù)值。

壓力增大使噴霧角增大后，噴頭的流量和噴幅均增大，霧滴直徑減小，其分布情況也發(fā)生變化。因此，噴霧角可以表達(dá)壓力、流量、噴幅、霧滴直徑及其分布情況，故應(yīng)作為型譜編制的主要參數(shù)。

綜上，影響扇形霧噴頭性能的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有：噴頭終端形狀、過(guò)心距e、切槽角度α和噴口內(nèi)腔半徑R。

2噴霧質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)及影響因素分析

噴霧質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有霧滴分布均勻性、霧滴飄移性和霧滴對(duì)靶率[16]。前兩者分別指霧滴在目標(biāo)上分布的均勻程度和霧滴偏離靶區(qū)的程度。霧滴對(duì)靶率則用目標(biāo)單位面積上的霧滴數(shù)來(lái)表示。這三個(gè)指標(biāo)之間既有聯(lián)系又相互制約。較集中的霧型可有效降低飄移量，但藥液作用范圍小，霧滴均勻性差；小霧滴可提高噴灑均勻性，但很容易受周邊環(huán)境影響，產(chǎn)生漂移，使霧滴對(duì)目標(biāo)的覆蓋率降低。增大噴頭與目標(biāo)間的垂直距離，在一般情況下可改善霧滴分布均勻性，但在有側(cè)風(fēng)的情況下，會(huì)使漂移量急劇增加，極大降低對(duì)靶率，造成藥液浪費(fèi)，環(huán)境污染。

噴霧質(zhì)量主要受自然因素、農(nóng)藝條件和噴霧技術(shù)等眾多因素的影響[17]。自然因素如風(fēng)向、風(fēng)速、溫濕度和氣壓等，既是植保作業(yè)的制約因素，也是可利用條件，所以在噴霧作業(yè)時(shí)盡量利用自然條件以保證最佳的噴霧質(zhì)量。農(nóng)藝條件如農(nóng)藥狀態(tài)、作物形態(tài)、噴霧時(shí)間和施藥量，是科研工作者和用戶需要考慮的因素，也是噴霧技術(shù)所要滿足的對(duì)象。在噴頭研究、植保機(jī)械研制方面要結(jié)合農(nóng)藝要求研發(fā)符合應(yīng)用條件、適用性較高的噴霧系統(tǒng)。噴霧裝置類(lèi)型及工作參數(shù)確定(噴霧技術(shù)因素)在整個(gè)噴霧過(guò)程中也非常重要。只要這三方面協(xié)調(diào)配合好，就能獲得較為理想的噴霧質(zhì)量。

3扇形霧噴頭的譜系結(jié)構(gòu)

噴頭系列型譜是以最少數(shù)目的不同規(guī)格噴頭為標(biāo)志，能滿足較長(zhǎng)時(shí)期及一定范圍內(nèi)全部使用要求的噴頭系列[18]。本研究在理論分析的基礎(chǔ)上初步確定了型譜所需的特征參數(shù)。該型譜以當(dāng)前國(guó)內(nèi)應(yīng)用較為廣泛的扇形霧噴頭為主體，有發(fā)展需要的噴頭系列為補(bǔ)充，依據(jù)GB1.1-87《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則編寫(xiě)標(biāo)準(zhǔn)的一般規(guī)定》編制。該型譜綜合了生產(chǎn)和使用各方面間的最大技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，統(tǒng)一并協(xié)調(diào)了研發(fā)和使用之間的矛盾，為進(jìn)一步研究噴頭特性、設(shè)計(jì)新產(chǎn)品提供依據(jù)。

3.1型譜編制所需參數(shù)的確定

常用扇形霧噴頭產(chǎn)品型譜編制所需的主要參數(shù)有：噴頭終端形狀(對(duì)應(yīng)于扇形霧噴頭類(lèi)型)、噴霧角度和噴頭流量。

3.2扇形霧噴頭系列型譜編制

按照扇形霧噴嘴的特征參數(shù)逐層分解：第一層按噴嘴的終端形狀(第一特征參數(shù))劃分；第二層按噴霧角度(第二特征參數(shù))劃分；第三層按噴嘴流量(第三特征參數(shù))劃分，依次往下分解，直至底層產(chǎn)品。分解結(jié)果如圖4所示。

圖4　扇形霧噴頭型譜Fig.4　Different types of fan-shaped nozzle

3.3扇形霧噴頭型譜編碼系統(tǒng)

噴頭型譜編碼系統(tǒng)如下圖5所示。

圖5　型譜編碼系統(tǒng)Fig.5　Spectrum coding system

3.3.1噴頭類(lèi)型編碼

噴頭類(lèi)型編碼如表2所示。

其中第一個(gè)字母表明各個(gè)類(lèi)型噴頭的原始終端形狀，后一個(gè)字母表明是在原基礎(chǔ)上的變形或創(chuàng)新。即兩者字母相同，則為原始噴頭，若有創(chuàng)新，則按照英文字母順序變更第二個(gè)字母即可。

3.3.2噴霧角度編碼

噴霧角度編碼如表3所示。

3.3.3噴頭流量編碼(示例)

噴頭流量編碼如表4所示。

表2　噴頭類(lèi)型編碼表

表3　常用噴霧角度編碼

注：上表中僅列出了常用噴頭的噴霧角度，若有新型噴頭有其它噴霧角度，則用剩余字母表示。

Note:Thetableaboveliststhecommonsprayangleofnozzles,weadopttherestofthealphabetwhenwehavenewnozzlewithothersprayangle.

表4　噴頭流量編碼

注：上表中壓力為3bar時(shí)的實(shí)際流量，用數(shù)值的整數(shù)位位數(shù)來(lái)簡(jiǎn)易標(biāo)明流量狀況，方便工作人員了解和選用。

Note:Theactualflowisunderthepressureof3bar,usingintegerbitoffigurestoindicatetheflow,understandanduseconveniently.

3.3.4其他參數(shù)的編碼說(shuō)明

噴頭材質(zhì)編碼采用機(jī)械工程手冊(cè)中關(guān)于材料和代碼的編排方式。X、Y是對(duì)噴頭的補(bǔ)充說(shuō)明。X位置可表示該噴頭具有的特殊功能或特點(diǎn)，如小流量，大角度，側(cè)面噴射等；Y位置標(biāo)明噴頭的連接情況。也可參閱后期由本課題組編制的《植保常用噴頭系列型譜編制說(shuō)明》。

4結(jié)論

(1)目前，國(guó)內(nèi)具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的植保用噴頭模型系列型譜軟件較少，而植保常用扇形霧噴頭系列型譜模型的研究可為相關(guān)軟件的開(kāi)發(fā)提供一定的支持和參考。

(2)噴頭型譜的制定將為噴頭產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫(kù)的建立奠定基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)抽取，在噴頭產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中形成支持植保噴霧系統(tǒng)研制過(guò)程的標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)和通用件庫(kù)，并促進(jìn)對(duì)各類(lèi)參數(shù)及數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，從而快速形成新的設(shè)計(jì)方案。

(3)研究后期將致力于植保噴頭系列型譜模型庫(kù)及應(yīng)用軟件的建立與開(kāi)發(fā)，該軟件既可為噴頭的快速檢索與參數(shù)化設(shè)計(jì)搭建平臺(tái)，又可為新型植保噴頭的研發(fā)和生產(chǎn)提供良好的技術(shù)支持。同時(shí)，還能有效縮短設(shè)計(jì)周期、降低研發(fā)成本，對(duì)提高噴頭的制造質(zhì)量和研發(fā)新產(chǎn)品等都具有重要的意義。

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(編輯：李曉斌)

Theresearchonseriesspectrummodeloffan-spraynozzleinplantprotection

FanRong1，YangFuzeng2*

(1．College of Engineering，Shanxi Agriculture University，Taigu 030801，China； 2．College of Mechanical and Electronic Engineering，Northwest A&F University，Yangling 712100，China)

Abstract:[Objective]The goal of this paper was to achieve digital management and generation of fan-spray nozzle in plant protection, prompting nozzle design and production to the development direction of coordination and unity, merit, and simplified. [Methods]The structural composition, performance characteristics, spray quality of fan-spray were analyzed in theory. And the test on spray distribution of different nozzles were carried out. [Results]The results showed that spray distribution were influenced greatly by the nozzle terminal type.The fan-spray nozzle type spectrum and expression were established finally. [Conclusion]The study provided support and reference for the related software development and database establishment, facilitating rapid retrieval and parametric design of nozzle, which could build a foundation for development and production of new nozzle.

Key words:Plant protection； Fan-spray nozzle； Spectrum model； Digitization

收稿日期：2016-03-15 修回日期：2016-04-12

作者簡(jiǎn)介：樊榮(1987-)，女(漢)，陜西商洛人，碩士，研究方向：農(nóng)業(yè)裝備設(shè)計(jì)及理論 *通訊作者：楊福增，教授，博士生導(dǎo)師。Tel:13772025795；E-mail:yfz0701@163.com

基金項(xiàng)目：山西農(nóng)業(yè)大學(xué)青年科技創(chuàng)新項(xiàng)目(J141502002)；國(guó)家公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專(zhuān)項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(201203025)

中圖分類(lèi)號(hào)：S224.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-8151(2016)07-0524-05