自走式旋翼氣流靜電噴桿噴霧機噴霧性能測試

張海星，茹 煜

(南京林業(yè)大學(xué) 機械電子工程學(xué)院，南京 210037)

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自走式旋翼氣流靜電噴桿噴霧機噴霧性能測試

張海星，茹 煜

(南京林業(yè)大學(xué) 機械電子工程學(xué)院，南京 210037)

設(shè)計了一款自走式旋翼氣流輔助式靜電噴桿噴霧機，應(yīng)用靜電噴霧技術(shù)提高了霧滴在靶標(biāo)上的附著性，利用氣流輔助技術(shù)提高霧滴的穿透性。該機具有水平和垂直兩種工作方式，可針對不同高度、不同長勢的作物進行噴灑。對噴霧機開展了流量、水平噴幅測試，進行了霧滴沉積效果及霧滴穿透性等試驗研究。研究結(jié)果表明：整機靜態(tài)和動態(tài)流量接近，穩(wěn)定性較好；隨著噴頭與靶標(biāo)距離增大，噴霧幅寬增大。在整個幅寬范圍內(nèi)霧滴覆蓋較均勻，當(dāng)噴霧高度為1m時，9#～11#水敏紙上的覆蓋率和沉積量最大；霧滴粒徑為150～300μm，平均霧滴粒譜寬度1.1～1.8，說明霧滴分布較均勻。旋翼氣流對霧滴在植株內(nèi)的穿透性有直接影響，噴頭距離靶標(biāo)越近，霧滴穿透沉積效果越好。試驗結(jié)果對優(yōu)化旋翼氣流靜電噴桿噴霧機的結(jié)構(gòu)，提高其應(yīng)用效果具有重要意義。

噴桿噴霧機；靜電噴霧；氣流輔助；霧化性能

0 引言

中國農(nóng)林業(yè)每年受到病蟲害侵襲，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟損失，年均病蟲害發(fā)生面積近47 000萬hm2，造成糧食損失近250億kg[1]。在施藥環(huán)節(jié)中，簡易機具占較大比重，施藥技術(shù)較為落后，噴灑裝置進行相關(guān)作業(yè)時，造成農(nóng)藥的浪費[2-4]。歐美、日本等國家對農(nóng)業(yè)機械的現(xiàn)代化非常重視，噴桿噴霧機的發(fā)展十分迅速，其重要特征是以大、中型為主，噴幅在18～42m范圍[5]，采用了電、機、液一體化的復(fù)雜設(shè)計且設(shè)計美觀，操作方便，適應(yīng)性強，可靠性好。譬如，美國約翰迪爾4630噴霧機配備的智能化精準(zhǔn)的農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)可實現(xiàn)噴桿自動追蹤，防止重復(fù)噴灑[6-8]；俄羅斯研制的果園噴霧機采用超聲波測定樹冠位置，可提高農(nóng)藥的利用率，節(jié)省農(nóng)藥50%，提高生產(chǎn)率20%[9]。目前，設(shè)施農(nóng)業(yè)在我國農(nóng)業(yè)中已經(jīng)占了很大比例，這些大中型噴桿噴霧機并不能適應(yīng)設(shè)施農(nóng)業(yè)病蟲害防治需求。為此，研制了一款自走式旋翼氣流靜電噴桿噴霧機，將靜電噴霧技術(shù)[10-12]和氣流輔助技術(shù)結(jié)合并應(yīng)用于噴桿噴霧機上[13]，遠(yuǎn)程遙控履帶自走底盤進行病蟲害防治作業(yè)，并通過開展噴霧試驗研究其噴霧工作穩(wěn)定性及其噴霧作業(yè)性能。

1 噴霧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其工作原理

靜電噴桿噴霧系統(tǒng)主要由履帶小車、支撐裝置、升降調(diào)節(jié)裝置、供液裝置、旋翼氣流輔助裝置、噴桿、折疊裝置及高壓靜電噴霧系統(tǒng)等組成，如圖1所示。其中，支撐裝置尺寸為1 100mm×700mm×400mm采用敞開式，內(nèi)部有足夠的空間，可容納和便于放置液泵、30L藥箱、蓄電池、旋翼控制變頻器及高壓靜電發(fā)生器等部件。支撐裝置整體安放在履帶小車上面，可以實現(xiàn)自動移動，精確施藥。噴桿分布在支撐裝置的兩側(cè)，每側(cè)噴桿由兩段長度分別為1 800mm、直徑為φ30的空心圓管組成；兩側(cè)噴桿下部分別裝有5組噴霧裝置，相鄰兩個噴霧裝置間距350mm，在噴桿上部對應(yīng)噴霧裝置的位置處通過螺釘連接旋翼電機的套筒，用來固定旋翼氣流輔助裝置?？招膰姉U內(nèi)部可以使旋翼電機導(dǎo)線、噴霧軟管穿過，既實用又能保證整體的美觀。噴桿可通過鋼絲繩升降調(diào)節(jié)裝置實現(xiàn)水平上下調(diào)節(jié)，通過合頁折疊裝置實現(xiàn)水平和垂直方式的切換。

工作時，液泵將藥箱中的藥液抽出，通過輸液管和三通，輸送到噴桿兩側(cè)的各個噴頭進行噴灑；與此同時靜電噴頭上方的旋翼在電機的驅(qū)動下產(chǎn)生氣流，使得霧滴在氣流的作用下向下方靶標(biāo)沉降。水平和垂直2種工作方式，可針對不同高度，不同長勢的作物進行調(diào)節(jié)噴灑。本噴霧機采用的是一種液力式靜電噴頭，產(chǎn)生霧滴細(xì)小均勻、噴灑量大，旋翼裝置安裝在靜電噴頭上方，其最大轉(zhuǎn)速可達(dá)到6 000r/min，旋翼直徑為300mm。

(a) 垂直工作方式

(b) 水平工作方式

2 試驗設(shè)計

試驗于2016年6月在空曠地帶進行，試驗條件如下：①環(huán)境溫度30℃；②環(huán)境濕度55%；③環(huán)境風(fēng)速1級；④單噴嘴流量0.6～0.8L/min；⑤小車行駛速度1.5m/s。⑥噴霧機設(shè)置參數(shù)為噴霧壓力為0.3MPa、旋翼轉(zhuǎn)速3 000r/min、充電電壓8kV。

2.1 流量測試試驗

試驗前為了確保靜電噴嘴工作穩(wěn)定，對噴頭進行靜態(tài)和動態(tài)流量測試試驗，過程如下:

1)靜、動態(tài)流量的測定均用水為介質(zhì)，將10個噴頭安裝在履帶小車左右噴桿上。

2)靜流量的測定是將藥液箱盛水30L，小車不行駛，打開藥液泵開關(guān)，記錄30L水噴灑完為止所需的時間，重復(fù)3次，計算出噴頭的靜態(tài)流量。

3)動態(tài)流量的測定是將藥液箱盛水30L，小車開始行駛時，打開藥液泵開關(guān)，記錄待30L水噴灑完為止所需的時間，重復(fù)3次，計算出噴頭動態(tài)流量。

2.2 有效噴幅及沉積試驗

有效噴幅和沉積效果試驗采用噴桿水平噴灑作業(yè)方式。如圖2所示：分別放置4個桿架在噴霧機兩側(cè)，相鄰兩個桿架距離為1.2m，兩側(cè)桿架之間空出1.5m，方便噴霧機通過，桿架高度為0.6m；使用水敏紙(25mm×75mm)作為收集裝置，在每個桿架上固定2張水敏紙，相距0.6m。在進行噴幅試驗時，噴頭距離地面距離分別為1、1.2、1.4、1.6m，進行試驗時，噴霧機距離桿架5m，調(diào)節(jié)各項參數(shù)值，達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)后噴霧機勻速向前前行；箭頭方向為小車行走方向，經(jīng)過桿架5m后，關(guān)閉電源，收集水敏紙保存，調(diào)節(jié)高度進行下一組試驗；每組重復(fù)了3次，取其平均值。試驗場景如圖3所示。

圖2 噴霧試驗示意圖

圖3 噴霧試驗

2.3 霧滴穿透性試驗

霧滴穿透試驗采用噴桿水平噴灑和垂直噴灑分別作業(yè)方式，水平噴灑試驗選擇靶標(biāo)為高度1m左右的冠層作物，將水敏紙固定在作物的頂層、中層、下層。垂直噴灑試驗選擇靶標(biāo)為厚度1m左右的冠層作物，水敏紙固定在作物的前層、中層、后層。為了研究旋翼氣流對霧滴穿透性能的影響，試驗條件分為無旋翼氣流和有旋翼氣流2種情況，每種情況設(shè)置3個噴頭與作物距離，分別為200、300、400mm，試驗介質(zhì)為清水；每組重復(fù)3次，取其平均值。

2.4 數(shù)據(jù)分析方法

收集試紙靶標(biāo)樣品，并做好標(biāo)記，裝入防潮牛皮紙袋中，數(shù)據(jù)分析回實驗室進行。將收集的水敏試紙樣本用Depositscan軟件掃描，然后導(dǎo)入到iDAS PRO霧滴沉積分析系統(tǒng)軟件中進行覆蓋率、沉積量及沉積分布密度統(tǒng)計分析。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 流量試驗結(jié)果分析

流量測試結(jié)果如表1所示。

表1 流量測試結(jié)果

由表1可以看出：測試靜態(tài)流量和動態(tài)流量時噴頭噴霧都比較穩(wěn)定；通過比較3次試驗結(jié)果來看，數(shù)值上下浮動并不大，說明該噴霧系統(tǒng)運行穩(wěn)定、密封性較好。

3.2 有效噴幅試驗結(jié)果分析

理論上噴霧霧滴最低量為10個/cm2以上即達(dá)到有效幅寬的范圍。根據(jù)水敏紙上藍(lán)色霧滴的沉積結(jié)果得出噴幅結(jié)果如表2所示。

表2 噴幅測試結(jié)果

根據(jù)表2的結(jié)果分析得：噴幅受到噴霧高度的影響較明顯，即噴霧高度越高，噴霧的有效幅寬越大。由此可以推斷，在其他條件不變的情況下，噴霧機的噴幅距離與噴霧的高度成正比的關(guān)系。每當(dāng)噴霧高度上升0.2m時，噴幅的距離都會變大；在0.6m左右的范圍內(nèi)，最大噴霧高度為1.6m時，噴幅的距離為8.4m。但是，隨著噴霧高度的增加，旋翼裝置產(chǎn)生的氣流損失量也會增大，最終不能達(dá)到強迫霧滴沉積的效果，故噴霧高度不宜過高。

3.3 霧滴沉積性試驗結(jié)果分析

將試驗后的水敏紙收集保存，用IDAS PRO軟件進行數(shù)據(jù)分析處理后，得到的霧滴覆蓋率、沉積量、體積中值直徑及相對粒譜寬度結(jié)果如圖4～圖7所示。

3.3.1 霧滴覆蓋率結(jié)果分析

從圖4覆蓋率的數(shù)據(jù)上來看，噴頭距離靶標(biāo)越近，覆蓋率越大；反之，覆蓋率越小。噴霧高度為1m時，曲線比較陡，中間區(qū)域霧滴覆蓋率較高，兩頭霧滴覆蓋較少，霧滴覆蓋不均勻；隨著噴頭離地的距離增加，當(dāng)噴霧高度為1.6m時，曲線平緩說明霧滴覆蓋較均勻，并不是集中在離噴霧機近的地方，而是噴霧機基本能全部覆蓋標(biāo)靶(水敏紙)。噴霧機兩側(cè)覆蓋率不同主要是由于側(cè)風(fēng)引起的霧滴飄移所致。

圖4 霧滴覆蓋率

3.3.2 霧滴沉積量結(jié)果分析

沉積量根據(jù)霧滴的直徑，假定霧滴為球體，可知霧滴的體積，沉積量為全部霧滴的總體積。由圖5分析得知：隨著噴霧高度的增加，霧滴的沉積量也受到影響，但由于受到側(cè)風(fēng)的影響，未呈現(xiàn)正態(tài)分布的規(guī)律；當(dāng)噴霧高度為1m時，9#和11#水敏紙上的沉積量最大，接近50μL，且噴霧高度為1.4m和1.6m時，霧滴沉積量相比高度為1m時減少，主要是由于距離靶標(biāo)越遠(yuǎn)，霧滴到達(dá)靶標(biāo)運動距離越長，霧滴蒸發(fā)、飄移的可能性就越大，因而沉積相對減少，但是霧滴沉積量曲線比較平緩，說明在整個噴幅區(qū)間內(nèi)，霧滴沉積量比較均勻。

圖5 霧滴沉積量

3.3.3 霧滴體積中值直徑結(jié)果分析

體積中值直徑是全部霧滴從小到大順序累計點數(shù)，以累計值等于總體積的50%時，所對應(yīng)的霧滴直徑稱為體積中值直徑。由圖6可得:不同高度噴灑時，體積中值直徑略有不同，但差距不大,霧滴粒徑在150～300μm范圍居多，結(jié)果符合液力噴頭的特征;當(dāng)噴頭高度為1m時，體積中值直徑相對較大，但是曲線平緩，說明霧滴粒徑較均勻；當(dāng)噴頭高度為1.2～1.6m時，在整個噴幅范圍內(nèi)曲線同樣比較平緩，霧滴粒徑在150μm左右，在個別位置處有突變，主要是因為試驗過程中，霧滴在水敏紙上凝聚導(dǎo)致。

圖6 霧滴體積中值直徑圖

3.3.4 霧滴相對粒譜寬度結(jié)果分析

相對粒譜寬度(RS)，RS越小越好，理想為0，即占總體積80%的霧滴體積相同。由圖7可知：不同高度噴灑時，相對粒譜寬度(RS)也有所不同。當(dāng)噴頭高度為1m時，相對粒譜寬度較小，平均為1.11；當(dāng)噴頭高度為1.2、1.4、1.6m時，相對粒譜寬度平均為1.13、1.20、1.88，相對粒譜寬度隨著噴灑高度的增加，有所增加，說明噴灑高度越低，霧滴在噴幅范圍內(nèi)的靶標(biāo)上的霧滴粒徑跨度越小，霧滴粒徑的均勻性越好。

圖7 霧滴相對粒譜寬度圖

3.4 霧滴穿透性試驗結(jié)果分析

噴霧機噴桿水平工作和垂直工作試驗結(jié)果如表3、表4所示。

表3 噴霧機噴桿水平工作霧滴沉積密度分布

表4 噴霧機噴桿垂直噴霧機霧滴沉積密度分布

3.4.1 水平作業(yè)霧滴穿透性試驗結(jié)果分析

由表3可知：在進行噴桿水平噴灑作業(yè)時，霧滴在植株靶標(biāo)上的沉積密度受到噴桿高度及旋翼氣流的影響，調(diào)節(jié)噴灑高度為200mm時，其噴灑效果較好。對比來看，隨著噴灑高度的提升，其霧滴沉積密度逐漸減小，可能造成的原因是由于3個噴灑高度的逐漸增加，旋翼距離靶標(biāo)距離漸遠(yuǎn)，產(chǎn)生的風(fēng)量損失增加，產(chǎn)生氣流將帶電霧滴吹向作物靶標(biāo)深處的能力減弱。所以，建議以后的噴霧試驗，應(yīng)使噴桿高度距離作物頂層合理的位置。因為調(diào)節(jié)高度過高，風(fēng)量損失大，霧滴難以穿透冠層作物；而調(diào)節(jié)高度太接近作物頂層，霧滴從噴頭噴出不易形成錐形噴霧，霧滴沉積點過于集中，不能有效利用，還可能導(dǎo)致在噴霧機行走過程中，靜電噴頭觸碰到作物，損壞噴頭的風(fēng)險。旋翼產(chǎn)生的氣流對霧滴的沉積密度也有很大影響，此外，具有旋翼裝置的噴霧系統(tǒng)整體沉積密度高于沒有旋翼裝置的噴霧系統(tǒng)，說明旋翼裝置產(chǎn)生的氣流可以有效提高霧滴的沉積性和穿透性。

3.4.2 垂直作業(yè)霧滴穿透性試驗結(jié)果分析

由表4可以得到：噴霧機噴桿垂直工作時，同樣受到噴霧高度的影響，噴霧高度越高越遠(yuǎn)，其霧滴沉積率越低。隨著距離的增加，旋翼裝置距離靶標(biāo)越遠(yuǎn)，風(fēng)量損失增大，不能將霧滴吹向靶標(biāo)冠層深處，且噴桿豎直噴灑沉積密度整體小于噴桿水平噴灑沉積密度。分析可能造成的原因是噴桿處于垂直狀態(tài)，處于噴桿端點出需要的噴霧壓力較大，而使用的液泵功率有限，藥液不能得到預(yù)想的壓力從噴頭噴出，導(dǎo)致噴灑量減少，進而沉積率也會減少。此外，旋翼裝置同樣影響著霧滴的沉積效果，帶有旋翼裝置的噴霧系統(tǒng)沉積密度明顯較大。

綜上所述，旋翼氣流靜電噴桿噴霧機的霧滴粒徑和覆蓋率等噴霧性能符合地面植保機械的要求，其沉積量和霧滴粒譜的均勻性較好。

4 結(jié)論

1)針對我國設(shè)施作業(yè)要求及農(nóng)藥利用率低的現(xiàn)狀，結(jié)合靜電噴霧技術(shù)和氣流輔助技術(shù)設(shè)計了一款旋翼氣流靜電噴桿噴霧機，可實現(xiàn)水平和垂直作業(yè)適應(yīng)不同作業(yè)高度和作物長勢需求。

2)整機靜態(tài)和動態(tài)流量測試表明：噴霧機系統(tǒng)具有較好的密封性能，能夠進行穩(wěn)定的噴霧作業(yè)。

3)通過有效噴幅試驗，得知噴霧機噴幅受到噴霧高度的明顯影響，噴霧高度越高，其噴幅越大；但噴霧高度過高，會導(dǎo)致霧滴的沉積性降低。

4)霧滴的覆蓋率、沉積量、霧滴粒徑及粒譜受到噴霧高度的影響，噴霧高度越高，覆蓋率和沉積量減少，但覆蓋均勻性提高；噴霧高度較低時，霧滴體積中徑較大，但是霧滴粒譜均勻。

5)旋翼裝置產(chǎn)生的氣流可有效地提高霧滴的沉積量及農(nóng)藥的利用率。

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Spray Performance Test of a Self-propelled with Rotary Wing Air-flow Assisted Electrostatic Spray Boom Sprayer

Zhang Haixing, Ru Yu

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China)

This paper designs a self-propelled type rotor air assisted electrostatic spray rod spraying machine, electrostatic spraying technology improve the droplet adhesion in the target, using gas assisted technology to improve the droplet penetration, the machine with horizontal and vertical two kinds of work, according to different height, growing different crops were sprayed. Thesis on the spray machine to carry out the flow test, horizontal spray amplitude test, droplet deposition effect and penetration of droplets of experimental studies, the results of the study show that, close to the machine with static and dynamic traffic, the stability of the complete machine better; with the increase of the distance from the nozzle and the target, spray width increases. In the whole width range droplet coverage is uniform. When the spray height of 1m, 9#-11# water sensitive paper coverage rate and deposition; droplet average diameter of 150-300 μm, average droplet spectrum width items 1.1-1.8 that droplet distribution is uniform. Rotor airflow of droplets in a plant penetrating has a direct impact, closer to the distance between the nozzle target, penetration of droplets deposition, the better. The test results to optimize the rotor airflow electrostatic spray rod spraying machine structure, improve its application effect has important significance.

spray boom sprayer; electrostatic spray; air assisted; atomization performance

2016-08-23

“十二五”農(nóng)村領(lǐng)域國家計劃項目(2012BAD19B08)；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程項目(PAPD)

張海星(1992-)，男，貴陽人，碩士研究生，(E-mail)1023011014@qq.com。

茹 煜(1973-)，女，南京人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)superchry@163.com。

S491

A

1003-188X(2017)07-0164-05