宋海潮,徐幼林,鄭加強,翁秀奇,陳顯冰,代 祥
(1.南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械工程學(xué)院,江蘇南京210023;2.南京林業(yè)大學(xué)機械電子工程學(xué)院,江蘇南京210037)
我國每年農(nóng)藥用量約337萬 t,農(nóng)藥使用面積達1.8億hm2。因此,農(nóng)藥的高效利用越來越受到人們的重視。溶液類農(nóng)藥是使用效力最高的劑型,因為其有效成分是以分子狀態(tài)溶解分散在溶劑中[1],使用后有效成分的作用能夠得到快速、充分的發(fā)輝。
農(nóng)藥原液既有脂溶性又有水溶性的,目前絕大多數(shù)的農(nóng)藥屬于有機磷乳油,大多是脂溶性的[2-3]。由于脂溶性農(nóng)藥的滲透性大于水溶性農(nóng)藥,因此其防治效果優(yōu)于水溶性。但脂溶性農(nóng)藥與水混合成乳濁液分散體系時[4],均須通過劇烈地機械攪拌,把油打散成極細的油珠,然而乳濁液的油珠分散度并不是很高,在存放期間很容易發(fā)生油珠聚集并使乳劑破裂的現(xiàn)象,而且很難恢復(fù)[5]。提高農(nóng)藥的有效利用率,把小劑量農(nóng)藥和小容量藥液均勻噴灑沉積分布在目標(biāo)作物上,盡可能減少農(nóng)藥的損失,是新施藥方法的特點[6]。農(nóng)藥在線混合以保護環(huán)境和操作者的安全為目的,通過在線控制農(nóng)藥的使用來減小農(nóng)藥對操作者的危害,降低農(nóng)藥對環(huán)境及非靶標(biāo)生物的污染[7]。在線混藥技術(shù)已用于植物保護機械,但目前在線混藥主要針對水溶性農(nóng)藥,而脂溶性農(nóng)藥由于和水互不相溶,在線混合的難度比較大,研究很少。
旋動射流混藥器采用螺旋彎曲收縮管、繼旋器以及在擴散管中加入固定導(dǎo)葉等方式,增加工作液的卷吸能力與摻混作用,在沒有機械攪拌的情況下,可保證噴嘴出口位置處脂溶性農(nóng)藥與水的均勻混合[8-9]。參考文獻[8]中研究的混藥器擴散角為9°,擴散管長57.18 mm,繼旋器長 40.00 mm,混藥器有效長度為150.00 mm,仿真和試驗驗證可以實現(xiàn)脂溶性農(nóng)藥與水均勻混合。為了實現(xiàn)混藥器和噴嘴直接連接的最短結(jié)構(gòu),須要探討混藥器的有效長度。因此,為優(yōu)化旋動射流混藥器的結(jié)構(gòu),本研究旨在探討在沒有繼旋器的前提下,尋求擴散管角度的最佳值,以期實現(xiàn)脂溶性農(nóng)藥與水均勻混合。
試驗系統(tǒng)包括進水系統(tǒng)Ⅰ、進藥系統(tǒng)Ⅱ、圖像采集系統(tǒng)Ⅲ和混藥器快換系統(tǒng)Ⅳ,如圖1-a所示。試驗用噴嘴為KC1/4CC6508PP扇形噴嘴(廣州奧王噴嘴制造有限公司);進水系統(tǒng)和進藥系統(tǒng)分別提供穩(wěn)定壓力、流量的水和藥;水泵采用PLD1206型隔膜泵,藥泵采用PLD-2203型隔膜泵,水泵和藥泵均是石家莊市普蘭迪機電設(shè)備有限公司產(chǎn)品。進水端采用YN60耐振壓力表,量程為0.6 MPa,進藥端與混藥器出口端均采用YN60耐振壓力表,量程為0.4 MPa,YN60耐振壓力表為上海晨儀儀表有限公司產(chǎn)品。
相機采用IO Industries高速相機,型號為4M180-CL,分辨率為2048×2048,幀頻為180 f/s,像元大小為5.5 μm,芯片尺寸1。視頻記錄采用IO Industries Streams 7軟件?;焖幤骰旌显囼炁_如圖1-b所示。
1.2.1 旋動射流混藥器結(jié)構(gòu) 旋動射流混藥器結(jié)構(gòu)如圖2所示,主要由收縮管、分流器、擴散管等組成。收縮管入口直徑為13 mm,出口直徑為4 mm,收縮管長度為27 mm,螺距為81 mm,收縮角為19°;喉管長度為20 mm,直徑為4 mm;分流器內(nèi)直徑為4 mm,外直徑為8 mm;擴散管入口直徑為4 mm,出口直徑為13 mm,擴散管長度為57 mm,擴散管內(nèi)導(dǎo)葉高度最大值為6.5 mm,導(dǎo)葉包角為15°,導(dǎo)葉個數(shù)為3個。水管接頭、藥管接頭和噴嘴都是標(biāo)準件。在本研究中,用于試驗的3個混藥器除了擴散管內(nèi)擴散角不同,其他結(jié)構(gòu)參數(shù)都相同。
1.2.2 試驗用3D打印混藥器 旋動射流混藥器采用螺旋彎曲收縮管和在擴散管內(nèi)增加導(dǎo)葉的結(jié)構(gòu),單件生產(chǎn)成本高,同時為了便于試驗觀察,試驗樣件采用3D打印成型,用透明的有機玻璃材料?;焖幤鞲鹘M成件螺紋連接后,影響相機觀察內(nèi)部流動,因此混藥器打印成整體結(jié)構(gòu)。試驗時混藥器高度在同一水平面上。圖3-a是擴散角分別為10°、14°、18°的3D打印混藥器結(jié)構(gòu)設(shè)計圖,圖中序號所代表的部件名稱與圖2 一致,圖3 -b為擴散角分別為10°、14°、18°的3D 打印混藥器實物圖。
1.2.3 混藥器快換系統(tǒng) 試驗中,為了研究相同條件下混藥器的混合效果,須要對3種混藥器進行快速替換?;焖幤骺鞊Q系統(tǒng)如圖4所示,快換接頭分公頭(如圖4中41、61、71)和母頭(如圖4中42、62、72),公頭和混藥器連接,母頭分別與進水管、進藥管、出口等連接。圖中序號所代表的部件名稱與圖2一致。
擴散管的作用是把喉管出口處的動能變?yōu)閴耗埽?0]。當(dāng)擴散管的擴散度(斷面面積比)給定后,擴散角超過某一定值繼續(xù)增大時,阻力系數(shù)將急劇增加,甚至比相同長度直管大出許多倍[11]。這主要是由于流動發(fā)生劇烈的紊流混合,邊界層自擴散管管壁分離由此產(chǎn)生強烈的渦流區(qū)[12],同時擴散角擴大時流速降低,沿擴散管長度方向產(chǎn)生壓力的正梯度,在其作用下邊界層從管壁分離[12]。直壁擴散管(圖5)的主要幾何特性是擴散角 α、擴散度 n1、長度 L,它們之間的相互關(guān)系[10]為
式中:F1為擴散管出口面積;F0為擴散管入口面積;D0為擴散管入口直徑。
旋動射流混藥器的擴散管入口直徑D0=4 mm,出口直徑D1=13 mm。因此,根據(jù)公式(1),得到其擴散度n1=10.562 5固定不變,將n1值代入公式(2)后,得到擴散管的擴散角和擴散管有效長度的關(guān)系為
擴散管的擴散損失與擴散管入口流速分布、擴散角、擴散斷面直徑比等有關(guān)[13-14],本研究中,擴散管入口流速和擴散管斷面直徑比不變,改變的只有擴散角。普通射流混藥器一般采用均勻擴散角 α 為 5°~9°,直徑比 D1/D0為 2 ~4[11]。當(dāng)擴散角α=9°時(見圖2的擴散管結(jié)構(gòu)圖),擴散管有效長度實際長57 mm,混藥器總長104 mm,經(jīng)過試驗驗證,此時擴散管出口處脂溶性農(nóng)藥混合均勻[8-9]。公式(3)指出,擴散角和擴散管的長度成反比,因此為了減小混藥器長度,可通過增大擴散角實現(xiàn)。
為了深入分析擴散角的增加對擴散管長度和混藥器總長的影響,根據(jù)公式(3)可得出其關(guān)系如表1所示,根據(jù)擴散角按照1°遞增值的變化看混合管長度的變化規(guī)律。當(dāng)擴散角從9°逐漸增大至12°時,擴散管長度遞減值幅度在3~6 mm之間;擴散角從12°逐漸增大15°時,擴散管長度遞減值幅度在2~4 mm之間,擴散角從15°逐漸增大18°時,擴散管長度遞減值幅度在1~3 mm之間。因此,隨著擴散角的增大,混合管長度遞減的幅度減小。而擴散角為9°時,在有繼旋器的混藥器中,試驗驗證脂溶性農(nóng)藥能夠均勻混合[8]。由于繼旋器的有效長度為40 mm,因此通過放棄繼旋器,同時增大擴散角來減小混藥器的長度,研究其對脂溶性農(nóng)藥的混合效果。根據(jù)表1,為了減小混藥器的長度,根據(jù)擴散角遞增幅度,選擇擴散角為10°、14°、18°來試驗驗證其對脂溶性農(nóng)藥的混合效果,此時混藥器的總長分別為98、84、75 mm。
表1 擴散角變化和擴散管長度
脂溶性農(nóng)藥替代物為菜籽油,菜籽油表面張力為29.8 mN/m,運動黏度為 43 mm2/s,密度為 0.9 g/cm3。為了便于圖像采集與分析,菜籽油中加入了美國路陽LUYOR-6100油性熒光劑,密度為0.91 g/cm3,可完全溶于石油制品,最適宜波長為365 nm,閃點(ASTM D-3278)大于85℃(185°F)。圖6為菜籽油、熒光劑6100、水的混合效果圖,將3瓶試樣搖晃均勻后,立即在紫光燈下觀察發(fā)現(xiàn),沒有添加熒光劑6100的菜籽油在紫光燈下是灰色的,沒有清晰的亮度(圖6-a);而加了熒光劑的另外2瓶試樣觀察很清晰;熒光劑6100在菜籽油中能夠完全溶解(圖6-b);加了熒光劑6100和水的菜籽油搖晃均勻后又會很快分離(圖6-c)。
由于熒光劑6100可完全溶解于菜籽油中,因此只要分析熒光劑6100在混藥器中與水的混合比就可以確定菜籽油在水中的混合比,為了分析熒光劑在指定區(qū)域內(nèi)(混藥器出口處)混合的均勻程度,可以在混藥器出口處選定一定大小的方框,采用均方根誤差(root-mean-square error,簡稱RMSE)來分析該方框內(nèi)樣本的離散程度,RMSE對測量數(shù)據(jù)中的最大和最小誤差反映非常敏感,能夠很好地反映出測量的精密度:
式中:Ti是像素測量值數(shù)組;Ai是像素平均值;n是數(shù)據(jù)點總個數(shù)。
對圖3中的3種混藥器利用圖1中的混合試驗臺分別進行試驗,并用IO Industries Streams7軟件采集原始圖像如圖7所示。其中,A、B、C 分別為混藥器的擴散角為 18°、14°、10°時對脂溶性農(nóng)藥替代物菜籽油進行在線混合的原始圖像。
圖7分別為3種混藥器擴散角α的混合效果圖,選擇圖7各圖中混藥器出口處的紅色矩形區(qū)域(方框內(nèi))的圖像,采用Matlab軟件進行圖像處理,計算混藥器出口處紅色矩形區(qū)域內(nèi)的RMSE。
擴散角α=10°的均方根誤差測量結(jié)果如圖8所示,其中圖8-a為藥水混合區(qū)域的均方根誤差分析圖,圖8-b為藥水混合相同區(qū)域?qū)兯ㄟ^時測量的標(biāo)定均方根誤差,將圖8所得的各測量值,列入表2。
同理,用相同的方法對圖7中另外2種混藥器的在線混合圖像進行數(shù)據(jù)處理,將所得到的數(shù)據(jù)匯總(表2)。
通過對表 2 的對比分析可知,擴散角為18°、14°、10°的藥水混合 RMSE 測量值分別為 7.239 8、6.726 1、5.658 6。經(jīng)過對相同區(qū)域進行水標(biāo)定后,得到3種不同擴散角混藥器的RMSE 測量值與標(biāo)定值的差,分別為 1.833 1、1.595 1、1.106 3。擴散角α=10°的混藥器出口紅色區(qū)域藥水混合RMSE測量值最小,RMSE測量值與標(biāo)定值的差比擴散角α=14°時小0.488 8,比擴散角 α =18°時小0.726 8,藥水混合均勻性比較好;擴散角α=14°的RMSE測量值與標(biāo)定值的差比擴散角 α=18°時小0.238 0。因此,隨著擴散角的減小,RMSE降低,藥水混合均勻性提高。
為了更直觀地分析各混藥器的混合效果,選取圖7中3種混藥器擴散管出扣紅色標(biāo)記區(qū)域的混合圖像,利用Matlab軟件進行圖像處理,得到灰度值分布圖,如圖9所示,圖7中紅色區(qū)域坐標(biāo)點和坐標(biāo)軸與圖9相對應(yīng)。
圖9-a為α=10°時混藥器的灰度值分布圖。X坐標(biāo)值的變化從90到40時,灰度值變化逐漸均勻,如四邊形X1內(nèi);X坐標(biāo)值從30到0時灰度值已經(jīng)均勻;Y坐標(biāo)值的變化,如圖中方形Y1內(nèi),灰度值分布沒有明顯的突變。由于其RMSE僅為1.106 3,因此根據(jù)RMSE值和灰度值分布圖,可知對理化性能和菜籽油相似的脂溶性農(nóng)藥,采用本研究無繼旋器而擴散角設(shè)定參數(shù)α=10°的混藥器能夠?qū)崿F(xiàn)藥水均勻混合。
表2 混藥器均方根誤差
圖9-b為α=14°時混藥器的灰度值分布圖。當(dāng)X坐標(biāo)值從90變化到0時,圖中方形區(qū)域X2內(nèi)的灰度值在坐標(biāo)Y值為60時,總是處于最高值,沒有減小的趨勢。由于其RMSE為1.595 1,因此α=14°時混藥器對理化性能和菜籽油相似的脂溶性農(nóng)藥不能實現(xiàn)均勻混合。
圖9-c為α=18°時混藥器的灰度值分布圖,從方形區(qū)域X3和X4可以看出,整幅圖的灰度值變化都不均勻,而且其RMSE最大,為1.833 1,因此 α=18°時混藥器混合均勻性最差。
研究旋動射流混藥器在沒有繼旋器的前提下,擴散管角度分別為18°、14°、10°時,對脂溶性農(nóng)藥混合效果的影響。通過RMSE和灰度值分布圖對試驗提取圖像進行數(shù)據(jù)處理,分析發(fā)現(xiàn),采用均方根誤差和灰度值分布圖,可以對脂溶性農(nóng)藥和水的混合均勻性進行有效分析。擴散角α=10°、擴散管長51.44 mm、有效長度為98 mm的混藥器可以實現(xiàn)脂溶性農(nóng)藥和水的均勻混合,與擴散角 α=9°、有繼旋器的混藥器相比,擴散角增大1°,擴散管長度減小了5.74 mm,混藥器有效長度減小了52 mm,進一步優(yōu)化了混藥器結(jié)構(gòu)。擴散角為14°、18°時,混藥器有效長度分別為84、75 mm的混藥器不能實現(xiàn)脂溶性農(nóng)藥和水的均勻混合。