植保機(jī)在線混藥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及混藥性能試驗(yàn)

汪福杰，蔣蘋，石毅新，胡文武，羅亞輝，周書嫻

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖南 長沙 410128)

傳統(tǒng)噴霧機(jī)械的混藥方式為預(yù)混式[1]，作業(yè)前需將農(nóng)藥與水按比例注入藥箱，并攪拌均勻，存在配比誤差較大、農(nóng)藥浪費(fèi)較多等問題。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)要求植保機(jī)械進(jìn)行精準(zhǔn)的配藥和施藥，因而將藥箱和水箱分開、實(shí)現(xiàn)藥水分離的在線混藥技術(shù)已經(jīng)成為植保機(jī)械的發(fā)展趨勢，研發(fā)自動化程度高、混藥效果好的在線混藥系統(tǒng)已成為必然。

在線混藥裝置主要分為射流式和注入式兩大類[2–3]。1991年GHATE等[4]首次提出壓縮空氣式混藥裝置，將藥箱與水箱分離，根據(jù)搭載機(jī)械行進(jìn)速度調(diào)節(jié)水箱和藥箱內(nèi)部壓力調(diào)控混合液濃度。ALBERT等[5]提出，SMRX混合器內(nèi)部放置足夠的障礙物，可以誘導(dǎo)無序流動，促進(jìn)混合且內(nèi)置元件成90°夾角時(shí)混合效果最佳。SARVANAN等[6]基于流體動力學(xué)方法對射流式混合器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)噴嘴直徑對射流混合器混合效果具有較大影響。尹紅霞[7]錯(cuò)排靜態(tài)混合器內(nèi)葉片，發(fā)現(xiàn)錯(cuò)排角度可使混合均勻性得到明顯改善且混合器內(nèi)壓力損失明顯減小，注藥口與原水成 60°時(shí)混合性能最佳。何秀華等[8]發(fā)現(xiàn)流道內(nèi)周期性布置擋板結(jié)構(gòu)，可以增大流體接觸面積，誘發(fā)混沌對流，增大雷諾系數(shù)，提高對流強(qiáng)度，當(dāng)雷諾系數(shù)大于 20時(shí)，微混合器可實(shí)現(xiàn)液體完全混合。針對在線混藥技術(shù)所開展的研究多集中于精準(zhǔn)控制小流量農(nóng)藥的實(shí)時(shí)取藥量上。張文昭等[9]通過電控噴嘴調(diào)節(jié)藥流量，當(dāng)藥流量為 0.1～0.9 mL/s時(shí)，取藥精度為±5%；李晉陽等[10]使用流量調(diào)節(jié)閥對藥流量進(jìn)行調(diào)控，將小劑量農(nóng)藥取用相對偏差控制在 4%以內(nèi)，滿足了在線混藥濃度需求。對混合效果的檢測方法較多，郭敬坤[11]利用高速攝影儀拍攝農(nóng)藥中示蹤粒子在混合液中的分布并進(jìn)行圖像處理，分析其射流裝置的混合效果，但光源、氣泡和管道表面曲率對試驗(yàn)結(jié)果具有一定影響。賈衛(wèi)東等[12]采用光電法，基于農(nóng)藥的透光性對百草枯混合液進(jìn)行定點(diǎn)試驗(yàn)，確定其濃度，但這種方法需要特定光源和藥劑顏色，不具有普適性。楊亞飛等[13]在特定光源下根據(jù)不同液體折射率對混合效果進(jìn)行檢測。

為進(jìn)一步提高在線混藥系統(tǒng)的混藥精準(zhǔn)性和混合性能，筆者依據(jù)高地隙植保機(jī)噴霧作業(yè)平臺，設(shè)計(jì)了一種在線混藥系統(tǒng)，采用 CFD方法對多種混合器進(jìn)行數(shù)值模擬，確定最佳混合器結(jié)構(gòu)參數(shù)，并進(jìn)行試驗(yàn)，分析其混藥性能，以期為植保機(jī)在線混藥系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 在線混藥系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理

在線混藥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括取水單元、取藥單元、混合器、噴霧單元、控制單元及相關(guān)傳感器、檢測器件等。取水單元水泵選用隔膜泵，流量范圍 0～160 L/min，通過電機(jī)驅(qū)動隔膜泵取水；在隔膜泵出口處加裝壓力表讀取實(shí)時(shí)水壓，壓力表量程為 0～3 MPa，精度為±2.5%；在取水單元管路上安裝 YF–DN40水流量傳感器，傳感器量程5～150 L/min，精度±3%，通過開發(fā)板直接供電。取藥單元中取藥泵選用慧宇蠕動泵(BT100J–1A)，流量范圍0～0.46 L/min，精度為±1%，蠕動泵采用220 V交流電源供電。噴霧單元主要包括YF–DN40藥水流量傳感器、壓力表和FVP11003噴頭。在線混藥系統(tǒng)工作時(shí)，控制單元控制蠕動泵，從藥箱中抽取農(nóng)藥，經(jīng)單向閥注入混合器，與經(jīng)隔膜泵吸取進(jìn)入混合器的水混合，混合液經(jīng)隔膜泵加壓后經(jīng)過噴頭噴施。

圖1 在線混藥系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)Fig.1 Schematic diagram of the online mixing system

2 在線混藥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)

為滿足水流量檢測與控制、藥流量控制、高低液位狀態(tài)異常蜂鳴器報(bào)警等功能需求，在線混藥系統(tǒng)控制系統(tǒng)核心選用 STM32F103R8T6開發(fā)板?？刂葡到y(tǒng)工作時(shí)，通過電腦串口助手設(shè)置所需藥水混合比例，單片機(jī)根據(jù)設(shè)置和接收到的實(shí)時(shí)水流量數(shù)據(jù)計(jì)算所需農(nóng)藥量，通過 RS–485總線控制蠕動泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)藥流量，使得實(shí)際藥水混合比符合預(yù)設(shè)值。同時(shí)通過 RS–485總線調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率，改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制實(shí)時(shí)水流量。

2.2 混合器

2.2.1 結(jié)構(gòu)

查閱相關(guān)文獻(xiàn)[14–17]，選用內(nèi)置擾流板式混合器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)實(shí)際安裝位置尺寸和隔膜泵、蠕動泵出口管徑、所選水管管徑，設(shè)計(jì)了 3種混合器，其內(nèi)部擾流板分布分別為單個(gè)擾流板、單個(gè)擾流板反向、多個(gè)擾流板。將 3種模型和內(nèi)部無擾流板的圓柱形靜態(tài)混合器進(jìn)行對比，如圖2所示，混合器主體為直徑0.1 m、長0.5 m的圓柱，注水口直徑為 0.02 m，注藥口直徑為0.01 m，出水口直徑為0.02 m，第1塊擾流板距離入口為 0.05 m。注水口和注藥口垂直布置，確保藥液通過注藥口直接注入水中，混合器內(nèi)分布特定結(jié)構(gòu)和數(shù)量的擾流板。

圖2 在線混藥裝置混藥單元的結(jié)構(gòu)Fig.2 Schematic diagram of the mixing unit for the online mixing device

2.2.2 混合器數(shù)值模擬

1) CFD數(shù)學(xué)建模。用SolidWorks軟件對混合器進(jìn)行 1∶1三維實(shí)體建模。已知葉片錯(cuò)排混合效果優(yōu)于順排[17]，在模型 d內(nèi)部依次增加擾流板個(gè)數(shù)，并使擾流板在管道內(nèi)按照螺旋線等距錯(cuò)排，依次建立模型 d1、d2、d3、d4，其內(nèi)部擾流板數(shù)量分別為 3、5、7、9塊。已知噴霧量為 140 L/min，藥水比(1∶300)～(1∶3 000)，根據(jù)雷諾系數(shù)[18]式(1)、湍流強(qiáng)度公式[19]式(2)，計(jì)算混合器內(nèi)部流場雷諾系數(shù)為 29 533，處于完全湍流區(qū)間，故該流場采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型。因模型為液–液兩相混合，故選用 Fluent中的歐拉模型和混合模型[20]。

式中：v1、v2為藥、水的體積流量(m3/h)；D為混合器直徑；為液體黏性系數(shù)為液體的密度。

2) 邊界條件及參數(shù)設(shè)置。根據(jù)實(shí)際藥水配比需求，設(shè)置混合器邊界條件，主要參數(shù)如表1所示。注水口、注藥口均設(shè)置為速度入口，分別為水相和藥品相；出口設(shè)置為壓力出口；設(shè)置注水口和注藥口與混合器內(nèi)部相交面為交界面；混合器管壁設(shè)置為固面。求解方程采用 Simple算法，二階迎風(fēng)方程，使用出口處藥液體積分?jǐn)?shù)和殘差作為監(jiān)視器，收斂的精度設(shè)置為10–5，計(jì)算5 000步以內(nèi)收斂。

表1 混藥裝置基本參數(shù)及邊界條件Table 1 Basic parameters and boundary condition settings

3) 網(wǎng)格劃分。采用ANSYS16.0中的ICEM模塊劃分混合器流體域網(wǎng)格。因混合器結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在網(wǎng)格劃分時(shí)采用分塊劃分的方法，對混合器注藥口、注水口及出口的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化。整個(gè)網(wǎng)格區(qū)域劃分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格[19]和非結(jié)構(gòu)化結(jié)合的方式。混合器網(wǎng)格數(shù)分別為2 473 347、2 280 608、2 731 353、3 442 783、3 510 718、3 685 568、3 702 420。

4) 模擬結(jié)果。采用混合均勻性變異系數(shù)[18]作為評價(jià)混合效果的指標(biāo)。混合均勻性變異系數(shù)的取值范圍為 0～1，當(dāng)混合均勻性變異系數(shù)為 1時(shí)，判定藥水完全沒有混合；當(dāng)混合均勻性變異系數(shù)小于5%時(shí)，判定藥水完全混合。

分析表2，常壓時(shí)，增加混合器內(nèi)部擾流板數(shù)量增加有助于液體混合。當(dāng)擾流板數(shù)量為 7時(shí)，在距離注水口 220 mm處混合均勻性變異系數(shù)為0.031，在出口處混合均勻性變異系數(shù)為 0.022，符合設(shè)計(jì)需求。

模型 d的 4種優(yōu)化模型在軸向中心剖面上的藥液體積分?jǐn)?shù)云圖如圖3所示。分析圖3知，在模擬農(nóng)藥密度、黏度完全相同的情況下，增加混合器內(nèi)部布置擾流板數(shù)量有助于液體混合，但存在畸變，當(dāng)擾流板增加至一定數(shù)量后，混合性能變差，這與模擬數(shù)據(jù)相符。通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)混合器內(nèi)部布置7塊擾流板時(shí)混合效果最佳。

表2 常壓下距離注水口不同距離處的混合均勻性變異系數(shù)模擬值Table 2 Simulated values of the variation coefficient of mixed uniformity at different distances under 0.1 MPa

圖3 沿管徑方向藥液體積分?jǐn)?shù)云圖Fig.3 Mixer axial pesticide liquid integral number cloud

圖4 軸向速度流線圖Fig.4 Diagram of axial velocity streamline

圖4為混合器軸向藥水速度流線圖。分析發(fā)現(xiàn)，注藥口有輕微藥液回流現(xiàn)象，故提出藥劑高壓注入混合器的在線混藥系統(tǒng)。因選用噴頭壓力為0.3 MPa，整個(gè)在線混藥系統(tǒng)回路中存在壓力損失，故注藥口壓力設(shè)置為 1 MPa，并進(jìn)行數(shù)值模擬，混合均勻性變異系數(shù)列于表3。

表3 加壓下距離注水口不同距離處的混合均勻性變異系數(shù)模擬值Table 3 Simulated values of the variation coefficient of mixed uniformity at different distances under 1 MPa

分析表3，加壓狀態(tài)下混合器混合均勻性優(yōu)于常壓狀態(tài)；混藥比為1∶300時(shí)，模型d4混合均勻性變異系數(shù)最小，混合效果最好。在距離入水口220 mm處，即第3塊擾流板后藥水混合均勻，變異系數(shù)為 0.038，在混合器出口處變異系數(shù)為0.020。

增大藥水混合比，對內(nèi)置 7塊擾流板的模型進(jìn)行仿真分析，在藥水比 1∶3 000時(shí)，混合器出口處混合均勻性變異系數(shù)為 0.018，符合低于 5%的要求；因此，選用內(nèi)置 7塊擾流板的模型 d4進(jìn)行試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院智能農(nóng)機(jī)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。根據(jù)在線混藥系統(tǒng)混合器數(shù)值模擬結(jié)果，提出藥劑加壓注入的在線混藥方法，考慮到選用噴頭壓力及管道壓力損失，將蠕動更換為電磁隔膜計(jì)量泵進(jìn)行藥劑加壓試驗(yàn)。電磁隔膜計(jì)量泵壓力1 MPa，流量0～0.5 L/min，工作電壓220 V，精度±1%，其控制方法和隔膜泵相同。試驗(yàn)分別在藥劑常壓和加壓條件下進(jìn)行。

3.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)前，建立胭脂紅標(biāo)準(zhǔn)溶液曲線。配制 5份質(zhì)量濃度為 3 g/L的胭脂紅溶液代替水溶性農(nóng)藥，將樣本溶液分別稀釋至 1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)樣品，并以純水作為空白對照。采用島津公司 UVmini–1240紫外可見分光光度計(jì)設(shè)定吸收波長為 507 nm[20]，測定溶液的吸光度。運(yùn)用MATLAB軟件和最小二乘法對樣本溶液吸光度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

按照藥水配比需求輸入配比系數(shù)，控制單元讀取水流量傳感器采集的流量數(shù)據(jù)。根據(jù)實(shí)際配比需求，通過RS–485總線控制蠕動泵轉(zhuǎn)速，按照所需比例調(diào)節(jié)實(shí)際農(nóng)藥流量。根據(jù)試驗(yàn)需求，在噴頭下放置量杯，進(jìn)行取樣，分別檢測在不同注藥壓力、不同藥水比例下在線混藥系統(tǒng)的混合穩(wěn)定性和均勻性。

3.3 混藥穩(wěn)定性試驗(yàn)

在藥液常壓和加壓時(shí)，分別在不同時(shí)間，不同藥液比下取樣。在3個(gè)回路18個(gè)噴頭下依次放置量杯采集混合液，每間隔30 s取樣 1次，每次取樣2 s，18個(gè)樣本為1組，結(jié)果取平均值。

常壓下混藥穩(wěn)定性數(shù)據(jù)列于表4。混合后藥水實(shí)際質(zhì)量濃度和預(yù)期質(zhì)量濃度之間的最大相對誤差為 6%。這可能是混藥比過大時(shí)，藥劑需求量減小，蠕動泵轉(zhuǎn)速過小，液體無法連續(xù)流動；蠕動泵本身存在脈沖，造成流速不穩(wěn)；藥液壓力小于混合器內(nèi)部水流壓力，導(dǎo)致藥劑無法完全按照實(shí)際需求注入混合器進(jìn)行混合。

表4 常壓(0.1MPa)狀態(tài)的混藥穩(wěn)定性Table 4 Stability of mixed pesticides under 0.1 MPa

在藥液加壓系統(tǒng)下進(jìn)行試驗(yàn)，藥劑經(jīng)過電磁隔膜計(jì)量泵加壓1 MPa，在藥水比增大時(shí)仍可以順利注入混合器。加壓狀態(tài)下混藥穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果列于表5。

表5 加壓(1 MPa)狀態(tài)下的混藥穩(wěn)定性Table 5 Stability test results of the mixed pesticides under 1 MPa

加壓至1 MPa時(shí)，最大相對誤差為4.301%，絕對誤差小于0.126 mg/L，絕對誤差和相對誤差比常壓下均有改善。

3.4 混藥均勻性試驗(yàn)

在藥劑加壓試驗(yàn)平臺，改變藥水混合比，在同一噴頭下用量杯取樣，每組取樣2 min，在每個(gè)取樣周期內(nèi)隨機(jī)取樣10次，單次取樣時(shí)間2 s。

不同混藥比下的混合均勻性變異系數(shù)列于表6。

表6 加壓(1 MPa)狀態(tài)下的混藥均勻性變異系數(shù)Table 6 Test result of uniformity coefficient of the mixed pesticide under 1 MPa

分析表6知，胭脂紅混合液的實(shí)際質(zhì)量濃度和預(yù)期的相近。混合均勻性變異系數(shù)低于3.989%，滿足設(shè)計(jì)要求，有較好的混合效果。加壓狀態(tài)下在線混藥系統(tǒng)混合均勻性變異系數(shù)和模擬結(jié)果基本吻合，誤差較小，說明試驗(yàn)結(jié)果符合預(yù)期，建立的CFD模型真實(shí)有效。

3.5 工況改變試驗(yàn)

為確保所設(shè)計(jì)混藥系統(tǒng)具有良好混藥效果，在各混藥比下，改變隔膜泵取水量，對在線混藥系統(tǒng)的混合性能進(jìn)行試驗(yàn)。

在不同混藥比下，改變水流量，分別用量杯在同一噴頭取樣，每次取樣2 min，在每個(gè)取樣周期內(nèi)隨機(jī)取樣10次，單次取樣時(shí)間2 s，混藥均勻性變異系數(shù)列于表7。

表7 不同水流量下混藥系統(tǒng)的混合均勻性變異系數(shù)Table 7 Variation coefficient of mixing performance for the pesticide mixing system under different water flows

結(jié)果表明，在線混藥系統(tǒng)混合均勻性系數(shù)隨水流量增加而減小，這與水流量增加湍動能增大、液體混合效果改善的事實(shí)相符。水流量在35～140 L/min時(shí)，在線混藥系統(tǒng)混合均勻性系數(shù)均小于 5%，說明所設(shè)計(jì)的在線混藥系統(tǒng)混合效果良好。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一套精準(zhǔn)在線混藥系統(tǒng)，可提高植保機(jī)械噴霧作業(yè)中農(nóng)藥的有效利用率。對混藥系統(tǒng)所采用的混合器進(jìn)行數(shù)值模擬，混合器內(nèi)部增加擾流板可改善混合均勻性，混合器內(nèi)置 7塊擾流板，且藥水流向正對第 1塊擾流板時(shí)的混合效果最佳。

對在線混藥系統(tǒng)進(jìn)行混合均勻性和穩(wěn)定性試驗(yàn)，加壓至 1 MPa時(shí)，藥水混合濃度相對誤差最大為4.301%，明顯優(yōu)于常壓下的6%，混合性能更優(yōu)。加壓 1 MPa時(shí)，藥水混合均勻性變異系數(shù)小于3.989%，證明設(shè)計(jì)系統(tǒng)混藥性能良好。

在線混藥系統(tǒng)變工況試驗(yàn)表明，水流量在35～140 L/min時(shí)，在線混藥系統(tǒng)混合均勻性系數(shù)均小于5%，說明在線混合系統(tǒng)具有良好的混藥效果。