果園施藥機(jī)械藥液混合方式研究

河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 孫沐鈺 王沂蒙 秦川

緒言

在果園果樹(shù)種植生長(zhǎng)過(guò)程中，為保證果園生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)，果農(nóng)正確使用農(nóng)藥做好病、蟲(chóng)、草害等防治工作尤為重要。在噴灑農(nóng)藥之前需要將藥、水按比例混合，稀釋藥液。目前，我國(guó)大部分地區(qū)采用人工的方式來(lái)配置農(nóng)藥，這將存在一些不可避免的問(wèn)題：人與農(nóng)藥直接接觸容易中毒；果農(nóng)對(duì)農(nóng)藥容量把控不夠準(zhǔn)確會(huì)造成浪費(fèi)和污染；人工操作產(chǎn)生的誤差使農(nóng)藥的噴灑不能達(dá)到預(yù)期效果等。因此，為了改善上述問(wèn)題，新型藥液混合機(jī)械方式的研究是一個(gè)非常重要的研究方向。

1 施藥機(jī)械藥液混合方式類(lèi)別

目前常見(jiàn)的機(jī)械藥液混合方式主要有射流混藥方式、靜態(tài)混藥方式、管道混藥方式、正壓式混藥方式等，這幾種混藥方式采用的技術(shù)不同，工作特性也有所不同[1]。

1.1 射流混藥方式

射流混藥主要是指在農(nóng)藥自動(dòng)混合藥液裝置上采用射流混合器的應(yīng)用方式。射流混藥裝置如圖1所示，主要由進(jìn)水口1、收縮管2、混合管3等部分組成。射流混藥裝置是通過(guò)利用噴霧機(jī)管道系統(tǒng)內(nèi)部水力實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥與水在線混合的混藥裝置[2]。射流混藥裝置在緊靠進(jìn)水口1的一個(gè)非常短的過(guò)渡區(qū)域內(nèi)有一個(gè)射流自噴嘴噴出口，在進(jìn)藥口4入口處吸入周?chē)牡蛪阂后w（此處能量來(lái)源于動(dòng)能交換），而高壓水通過(guò)進(jìn)水口1射出，高壓水的射出速度是極高的，這會(huì)造成剪切層進(jìn)從而形成漩渦，高速噴射的水的射出會(huì)在漩渦的作用下帶起周?chē)黧w流動(dòng)，此時(shí)高速噴射的水會(huì)將自身的動(dòng)量瞬間轉(zhuǎn)移給裝置中的其他液體從而使得整個(gè)裝置中的液體流動(dòng)，此時(shí)產(chǎn)生的巨大的速度落差會(huì)引起裝置中不同液體的劇烈混合現(xiàn)象[3]。射流混藥裝置具有混合效率高、投資成本低、消耗功率低等優(yōu)點(diǎn)?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，射流混藥方式在農(nóng)藥混合領(lǐng)域被大量應(yīng)用。

圖1射流混藥裝置

1.2 靜態(tài)混藥方式

靜態(tài)混合裝置的內(nèi)部沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件，主要運(yùn)用的是其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特殊性、合理性以及內(nèi)部單元和流體流動(dòng)實(shí)現(xiàn)各種流體的混合，即通過(guò)設(shè)置靜態(tài)混合裝置內(nèi)部的固定構(gòu)件使得不同的流體得到充分均勻的混合。靜態(tài)混合裝置的工作原理是在管線中讓流體流動(dòng)沖擊各種類(lèi)型的板元件以此來(lái)實(shí)現(xiàn)流體層流運(yùn)動(dòng)形成湍流或增加其運(yùn)動(dòng)的速度梯度，在流體流動(dòng)狀態(tài)為層流時(shí)，靜態(tài)混合裝置重復(fù)對(duì)流體進(jìn)行“分割——位置移動(dòng)——重新混合”的操作。在流體的流動(dòng)狀態(tài)為湍流時(shí)，除了上述情況以外，流體還會(huì)在斷面方向產(chǎn)生劇烈的渦流，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生巨大的剪切力作用在流體上，使流體進(jìn)一步的分割，終而達(dá)到混合的作用。圖2所示為sk型靜態(tài)混合裝置圖，它由裝置連接法蘭1、管殼2以及若干左右旋單元片組成。在靜態(tài)混合裝置中，其內(nèi)部的螺旋單元片是固定的。相鄰兩節(jié)中的螺旋單元片相錯(cuò)90°，并且它們的旋轉(zhuǎn)方向相反。當(dāng)流體流經(jīng)裝置入口時(shí)被分為兩股，這兩股流體沿旋轉(zhuǎn)單元片的旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)流動(dòng)180°后，再次被分為兩股，之后以反方向旋轉(zhuǎn)后流出第一個(gè)混合單元，在流體流過(guò)×個(gè)混合單元時(shí)，流體已經(jīng)經(jīng)歷了2×次分割與旋轉(zhuǎn)混合，通過(guò)這種方式，流體產(chǎn)生流向變化，出現(xiàn)紊流現(xiàn)象，從而達(dá)到提高混合效率的目的。與傳統(tǒng)的混藥方式相比較，靜態(tài)混藥方式使得流體的混合程度得到了很大程度的提高[2]。

圖2 sk型靜態(tài)混合器裝置

1.3 管道混藥方式

管道混藥方式運(yùn)用的是管道混合器，管道混合器是一種沒(méi)有任何的機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的混合器，通過(guò)一種或多種混合元件的作用，使得流體在管道內(nèi)部流動(dòng)時(shí)達(dá)到均勻混合目的的混合裝置。目前，我國(guó)采用的管道混合裝置有孔板式、靜態(tài)擋板式、三通式混合器等。管道混藥裝置由管道分別和噴嘴、多孔板、渦流室等能夠促進(jìn)混合的元件組成?；旌系姆绞街饕袊娮焓健⒍嗫资?、渦流式等。管道混合裝置可用于互溶液體的均勻混合過(guò)程之中，也可用于氣體——液體、液體——液體、固體——液體等非均相體系的混合、溶解、傳質(zhì)和分散之中。常見(jiàn)的渦流式混合裝置如圖3所示，在渦流室中，兩種流體分別從上、下兩個(gè)流體入口進(jìn)入渦流室當(dāng)中，一種流體從圖示的右上方入口處切向流入渦流室中，邊旋轉(zhuǎn)邊向下流動(dòng)，形成渦流流動(dòng)，與此同時(shí)，另一種流體自左下方的入口切向流入渦流室中，邊旋轉(zhuǎn)邊向上流動(dòng)，兩種流體在渦流室2中完成混合后從渦流室的出口3沿其切線方向流出以便后續(xù)使用。管道混藥裝置不用借用外部能源，但是它自己會(huì)產(chǎn)生降壓。管道混藥裝置具有節(jié)省空間、功耗低、投資成本低、易于控制等特點(diǎn)[3]。

圖3渦流室式混合裝置

1.4 正壓式混藥方式[4]

正壓式混藥方式是結(jié)合人工手動(dòng)噴霧器的特征性能以及射流混藥方式的原理基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，南京農(nóng)機(jī)化研究所的吳萍等人對(duì)此進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。吳萍[4]等人設(shè)計(jì)的正壓式混藥裝置如圖4所示。該裝置由吸入室1、廠突縮管3、混合管5、擠壓室6等幾部分組成。在吸入室1的下端位置開(kāi)有連通擠壓室6的分流孔2，擠壓室內(nèi)部設(shè)有藥液的擠壓裝置。作業(yè)時(shí)，當(dāng)水流進(jìn)入吸入室后，其中一部分經(jīng)過(guò)廠突縮管流入混合室內(nèi)，因?yàn)樗鞯耐◤酵蝗蛔冃?，?dǎo)致水流速度迅速增大，使得壓力下降；另一部分經(jīng)過(guò)分流孔被引入擠壓室，對(duì)藥液的擠壓裝置進(jìn)行施壓。藥液擠壓裝置內(nèi)的藥液因?yàn)榛旌瞎芘c擠壓室之間的壓力差在經(jīng)過(guò)吸孔時(shí)被擠壓進(jìn)入混合裝置當(dāng)中，兩種液體在混合器當(dāng)中被均勻混合。采用正壓式的混合藥液的方式能夠使得藥液在被吸入的過(guò)程中保持穩(wěn)定，藥液混合的過(guò)程也能夠保持良好的均勻性。

圖4南京農(nóng)機(jī)化研究所手動(dòng)藥械混藥實(shí)驗(yàn)裝置

2 機(jī)械藥液混合方式特點(diǎn)

果園施藥機(jī)械藥液混合的方式主要是通過(guò)傳感器以及控制系統(tǒng)的配合對(duì)整個(gè)藥液混合過(guò)程進(jìn)行控制，我們所追求的藥液混合方式是使得進(jìn)入混藥區(qū)域的水量和藥量可以得到精準(zhǔn)的控制，而后經(jīng)過(guò)有效的攪拌混合使藥液混合均勻后順利地進(jìn)入機(jī)械作業(yè)的藥箱中，為的是達(dá)到農(nóng)藥混合配比均勻、精確，提高農(nóng)藥在果園的利用率，從而增強(qiáng)后面機(jī)械噴霧作業(yè)的效果。因此，果園機(jī)械藥液混合方式應(yīng)均具有以下幾個(gè)特點(diǎn)。

（1）機(jī)械自動(dòng)混藥，且過(guò)程穩(wěn)定

混藥方式要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化過(guò)程，不需要人為的干預(yù)操作，并且藥液在混合后可保持良好的穩(wěn)定狀態(tài)，各組分之間的狀態(tài)保持穩(wěn)定，混合后的農(nóng)藥效果應(yīng)比傳統(tǒng)的要好。

（2）藥液得到充分混合且配比精確

果園機(jī)械藥液混合裝置能夠自動(dòng)并且準(zhǔn)確的控制好水與藥的配合比例，提高被混合的藥液的濃度的精準(zhǔn)性，同時(shí)藥液混合的均勻性也能夠得到提高。

（3）安全性好，利用率高。

藥液混合裝置能夠?qū)崿F(xiàn)藥、水分離，有效避免了人與農(nóng)藥的直接接觸，提高了整個(gè)混合藥液過(guò)程的安全性，同時(shí)能夠有效地控制系統(tǒng)中剩余的藥液，從而減少浪費(fèi)，提高藥液的利用率。

3 存在問(wèn)題

果園若采用藥液機(jī)械混合方式的確比手工混藥方式優(yōu)點(diǎn)多，但是不免也存在一些問(wèn)題。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)機(jī)械藥液混合的研究主要在上文所提到的靜態(tài)混藥以及射流混藥方式上，而且射流混藥方式還存在一些沒(méi)有解決的問(wèn)題，如壓強(qiáng)比低、藥液混合過(guò)程不穩(wěn)定等問(wèn)題。靜態(tài)混藥方式也同樣存在許多未能解決的問(wèn)題。到目前，每種理論都還存在著一定的局限性，并且它們相互之間還有矛盾的現(xiàn)象產(chǎn)生。

4 結(jié)語(yǔ)

藥液混合方式的研究與發(fā)展使得藥液混合方式從手工操作混合藥液發(fā)展到了如今的在線操作混合藥液，這是高效混藥和精準(zhǔn)配比混藥的一項(xiàng)重大突破。目前，在我國(guó)，機(jī)械藥液混合方式在不斷的被推廣過(guò)程中，可以確信的是，這將有非常廣闊的發(fā)展前景。