噴桿式噴霧機(jī)在線混藥試驗(yàn)研究

楊亞飛　王國強(qiáng)　王力

摘要：為研究射流混藥器在實(shí)際噴霧作業(yè)時(shí)對噴霧系統(tǒng)的影響，搭建應(yīng)用射流混藥裝置的噴桿式噴霧機(jī)在線混藥系統(tǒng)。通過改變噴頭型號、噴霧壓力和混藥噴霧系統(tǒng)的總噴霧量，研究射流混藥裝置在混藥噴霧系統(tǒng)中的工作特性。結(jié)果表明，當(dāng)混藥系統(tǒng)的工作參數(shù)與射流混藥裝置匹配不當(dāng)時(shí)，系統(tǒng)的藥液管路會出現(xiàn)藥液回流現(xiàn)象；射流混藥裝置在混藥噴霧系統(tǒng)中有最小工作流量Qmin；為評價(jià)混藥均勻性提出空間變異系數(shù)這一指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果表明該在線混藥系統(tǒng)的空間變異系數(shù)在5%以內(nèi)。

關(guān)鍵詞：射流混藥裝置；在線混藥；最小工作流量回流；空間變異系數(shù)；噴桿式噴霧機(jī)

中圖分類號：S224.3文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：20955553 （2023） 11003805

Experimental study on online mixing of spray-boom sprayer

Yang Yafei， Wang Guoqiang， Wang Li

（Jiangsu Agri-animal Husbandry Vocational College， Taizhou， 225300， China）

Abstract：In order to study the influence of the jet mixer on the spray system during the actual spray operation， the spray bar sprayer online mixing system using the jet mixer was built. The working characteristics of the jet mixing device in the online mixing spray system， such as inlet pressure， outlet pressure， and flow rate were studied by changing the nozzle type， the spray pressure and the total spray volume of the mixed spray system. The results showed that the backflow phenomenon of this system would appear when working parameters of the mixing system could not match the parameters of the jet mixing apparatus. Jet mixing apparatus had a minimum work flow Qmin in the work load. In order to evaluate the uniformity of the online mixing system concentration， we come up with the space variation coefficient. The experimental results showed that the spatial variation coefficient of the online drug mixing system was within 5%.

Keywords：vehicle-mounted mixing apparatus; online mixing pesticide; minimum working flow; space variation coefficient; spray-boom sprayer

0引言

在線混藥相較于傳統(tǒng)預(yù)混藥方式，具有的優(yōu)勢有：藥水分離、按實(shí)際需求在線混藥，節(jié)約農(nóng)藥和水；避免人與藥直接接觸，從而最大程度地減少施藥人員農(nóng)藥中毒的可能性［14］。

射流在線混藥系統(tǒng)因其結(jié)構(gòu)簡單、使用方便等特點(diǎn)引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。何培杰［5］和李羊林［6］等分別針對單級和雙極射流混藥裝置進(jìn)行不同壓力比和混藥比的試驗(yàn)研究。邱白晶等［7］給出射流混藥裝置面積比、嘴管距等結(jié)構(gòu)參數(shù)對混藥效果模擬結(jié)果。邱白晶等［8］對射流在線混藥系統(tǒng)在不同噴霧壓力下混藥均勻性進(jìn)行試驗(yàn)研究。陳志剛等［9］對射流混藥器不同的混藥管入口角度下混藥效率進(jìn)行仿真研究。代祥等［10］通過圖像處理技術(shù)對射流混藥均勻性進(jìn)行研究。

目前對射流在線混藥系統(tǒng)的研究主要集中在不同參數(shù)的射流混藥器以及不同噴霧條件下對混藥質(zhì)量影響，然而對射流混藥裝置與在線混藥系統(tǒng)連接后的工作狀態(tài)并未有涉及。在電路系統(tǒng)中系統(tǒng)與系統(tǒng)連接會產(chǎn)生負(fù)載效應(yīng)［11］，射流混藥器應(yīng)用到實(shí)際噴霧中是否產(chǎn)生負(fù)載效應(yīng)，對噴霧系統(tǒng)的影響等值得對其進(jìn)行探討。本文搭建噴桿噴霧機(jī)在線混藥系統(tǒng)平臺，對應(yīng)用射流混藥器的噴霧系統(tǒng)工作狀態(tài)進(jìn)行研究。

1噴桿噴霧機(jī)在線混藥噴霧系統(tǒng)平臺

1.1在線混藥噴霧系統(tǒng)組成

在線混藥噴霧系統(tǒng)包括液泵、射流混藥裝置、吸藥管路、水箱、藥箱和測量裝置，如圖1所示。系統(tǒng)中使用的柱塞泵額定轉(zhuǎn)速為1200～1400r/min，工作壓力為0.1～3.5MPa。

本文選用型號為ST110-01扇形霧噴頭和TR80-005c圓錐霧噴頭的農(nóng)用噴頭。高地隙噴桿噴霧機(jī)噴桿長為8m，根據(jù)噴頭霧錐角參數(shù)，確定噴頭分布間距為0.5m，共布置16個(gè)噴頭。在管路中布置的壓力表P1與射流混藥器安裝距離S1為500mm，壓力表P2與射流混藥器安裝距離S2為400mm。

1.2在線混藥噴霧系統(tǒng)測量裝置

根據(jù)在線混藥噴霧系統(tǒng)噴頭噴霧數(shù)據(jù)選擇合適的設(shè)備和測量裝置，其中p₁表示射流混藥器進(jìn)口端A處的進(jìn)口壓力，p₂表示射流混藥器出口端C處的出口壓力；Q₁表示流量計(jì)F₁值為系統(tǒng)的水流量，Q₂表示流量計(jì)F₂值為噴霧總流量，Q₃表示流量計(jì)F₃值為藥液流量。在線混藥噴霧系統(tǒng)其設(shè)備和測量元件的型號及參數(shù)如表1所示。

1.3射流混藥裝置

本文采用專門針對噴桿噴霧機(jī)噴霧系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的射流混藥裝置。用Fluent軟件對混藥器進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，吸入室設(shè)計(jì)為圓錐型，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。射流混藥裝置為有機(jī)玻璃制作，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

正常工作時(shí)，由液泵提供的主流體水由射流混藥器進(jìn)口A流進(jìn)噴嘴，在噴嘴作用下形成高速流體，藥液從進(jìn)口B被吸入吸藥室；藥液被高速流體卷吸進(jìn)入混藥管混合，混合后經(jīng)擴(kuò)散管出口C流入噴霧管路。回流狀態(tài)時(shí)，主流體水通過噴嘴流進(jìn)混藥器，分別從進(jìn)口B和擴(kuò)散管出口C流出，藥液不能被吸入射流混藥器；因此射流混藥裝置在工作時(shí)，必須避免回流現(xiàn)象發(fā)生。

在實(shí)際噴霧中影響射流混藥裝置混藥效果的結(jié)構(gòu)參數(shù)有多種，本文主要對應(yīng)用到噴霧系統(tǒng)中的固定結(jié)構(gòu)參數(shù)射流混藥裝置進(jìn)行研究，射流混藥裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對系統(tǒng)混藥效果的影響在本文中不做闡述。

2試驗(yàn)方案和濃度均勻性檢測方法

2.1試驗(yàn)方案

在線混藥系統(tǒng)的總流量由噴頭型號、噴霧壓力和噴頭個(gè)數(shù)共同決定。預(yù)備試驗(yàn)表明，進(jìn)口壓力p₁、出口壓力p₂和總噴霧流量Q₂之間相互影響，p₁改變會引起p₂和噴霧總量Q₂同時(shí)改變。將p₁作為操作量，調(diào)節(jié)范圍0.30～1.2MPa，操作步長0.10MPa；p₂和Q₃作為監(jiān)測量，數(shù)值為0.20～0.45MPa。

試驗(yàn)時(shí)對操作壓力p₁由0.3MPa開始按步長改變壓力值，檢測的p₂值是否在范圍內(nèi)，若p₂不在檢測范圍繼續(xù)改變p₁，直到p₂值在檢測范圍時(shí)記錄該狀態(tài)下p₁、p₂、F₁、F₂和F₃的測量值；繼續(xù)改變p₁進(jìn)行測量，直到p₂取值范圍的邊界值，然后進(jìn)行回程測量到另一個(gè)邊界值。

噴霧管路的壓力損失，經(jīng)測量得到測量點(diǎn)p₂處與噴頭之間的壓力損失量小于0.005MPa，p₂處的測量壓力可以視為噴頭的噴霧壓力。

為了研究射流混藥裝置在系統(tǒng)不同工作參數(shù)下的工作特性，16個(gè)噴頭都選用TR80-005c時(shí)系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)吸藥，而選用ST110-01噴頭時(shí)可以吸藥［12］。因此選用ST110-01和TR80-005c兩種不同型號的噴頭與噴霧壓力共同改變混藥系統(tǒng)總噴霧量。共設(shè)計(jì)了3種試驗(yàn)方案，方案1是采用16個(gè)ST110-01扇形霧噴頭，方案2采用16個(gè)TR80-005c圓錐霧噴頭，方案3是交叉采用ST110-01和TR80-005c噴頭。

2.2混藥濃度均勻性評價(jià)

對混藥器混藥均勻性數(shù)值計(jì)算中采用了離析度IOS（Intensity of Segregation）作為其混藥效果的評價(jià)指標(biāo)［13］。離析度可以定量評價(jià)溶液混合均勻程度，離析度測量需要得到混合空間內(nèi)取樣點(diǎn)混合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。實(shí)踐中對在線混藥系統(tǒng)管路內(nèi)進(jìn)行多點(diǎn)取樣測量操作困難，且難以保證測量精度；對在線混藥系統(tǒng)均勻性的評價(jià)不宜采用離析度作為評價(jià)指標(biāo)，需要提出適合的在線混藥系統(tǒng)均勻性的指標(biāo)。

為評價(jià)在線混藥系統(tǒng)的混藥均勻性引入評價(jià)指標(biāo)：空間變異系數(shù)，空間變異系數(shù)指在同一時(shí)間內(nèi)噴霧系統(tǒng)中每一個(gè)噴頭噴霧濃度之間的變異系數(shù)；其中噴霧濃度為霧滴的平均濃度，變異系數(shù)的計(jì)算公式為

CV=S/X（1）

式中：

S——樣本濃度標(biāo)準(zhǔn)差；

X-——樣本濃度平均值。

2.3噴霧濃度取樣方式和檢測方法

2.3.1取樣方式

在噴霧系統(tǒng)的同一工作狀態(tài)下，對16個(gè)噴頭噴出的霧滴同時(shí)取樣5s，重復(fù)取樣3次；改變工作狀態(tài)重復(fù)上面操作進(jìn)行取樣。該取樣方式得到5s內(nèi)噴出霧滴的平均濃度。

對混藥的噴霧系統(tǒng)進(jìn)行均勻性檢測，為方便記錄和測量，將圖1中噴頭進(jìn)行編號，噴頭編號由左到右依次為1～16號。

2.3.2濃度檢測方法

試驗(yàn)中使用胭脂紅作為模擬農(nóng)藥，以方便觀察藥液流動方向。采用分光光度法檢測藥液濃度，試驗(yàn)中使用UNICO-UV2102型分光光度計(jì)；圖3所示為胭脂紅溶液的吸光度波長曲線，從圖3中可以看出，λ=508nm時(shí)吸收曲線處于波峰位置，該波長的光對胭脂紅最敏感，在試驗(yàn)中均采用λ=508nm作為分析波長。

吸光度與溶液濃度關(guān)系曲線受分光光度計(jì)，比色皿等條件的影響，需根據(jù)試驗(yàn)材料進(jìn)行試驗(yàn)標(biāo)定；為減小測量誤差整個(gè)過程采用同一組比色皿。通過標(biāo)定試驗(yàn)得到吸光度—濃度曲線，如圖4所示；擬合得到胭脂紅溶液濃度與吸光度之間關(guān)系的數(shù)學(xué)解析式如式（2）所示，其中決定系數(shù)R²=0.997 7。

C=0.037A+0.0006（2）

式中：

A——吸光度；

C——標(biāo)準(zhǔn)試液濃度。

3結(jié)果與分析

3.1射流混藥裝置試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)方案1結(jié)果表明，射流混藥器與噴霧系統(tǒng)的工作參數(shù)匹配良好，藥液被自動吸入混藥器，混藥噴霧系統(tǒng)正常工作。分析該工作狀態(tài)，混藥器進(jìn)口壓力p₁與出口壓力p₂之間有較大的壓差，射流混藥裝置進(jìn)口A流體的部分壓力勢能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽苄纬捎行У墓ぷ魃淞?。正常工作時(shí)進(jìn)口壓力p₁、出口壓力p₂和總流量Q₂之間關(guān)系如圖5所示；p₂為0.30MPa時(shí)，藥液管路充滿胭脂紅溶液，管路中液體呈現(xiàn)紅色。

但試驗(yàn)方案2結(jié)果表明，射流混藥裝置工作狀態(tài)完全改變。分析為射流混藥器的結(jié)構(gòu)參數(shù)與系統(tǒng)的工作參數(shù)不匹配，進(jìn)口壓力p₁和出口p₂之間壓力差明顯減小，射流作用下降，藥液出現(xiàn)回流現(xiàn)象，射流混藥裝置完全失去效果。系統(tǒng)進(jìn)口壓力p₁，出口壓力p₂P₂和總流量Q₂關(guān)系如圖6所示；p₂P₂為0.3MPa時(shí)，水從藥液管路中流出，管路中溶液無顏色變化。

試驗(yàn)方案3檢測射流混藥器在兩種噴頭交叉混藥系統(tǒng)中的工作特性。結(jié)果顯示，在此過程中射流混藥器藥液管路出現(xiàn)正常吸藥和藥液回流兩種現(xiàn)象，定義這個(gè)吸藥和回流的過渡區(qū)間為臨界工作區(qū)間。

當(dāng)系統(tǒng)噴頭14個(gè)ST110-01扇形霧噴頭，2個(gè)TR80-005c圓錐霧噴頭時(shí)，系統(tǒng)處于臨界吸藥工作狀態(tài)；系統(tǒng)噴頭13個(gè)ST110-01扇形霧噴頭，3個(gè)TR80-005c圓錐霧噴頭系統(tǒng)，系統(tǒng)處于臨界回流狀態(tài)。臨界工作區(qū)間系統(tǒng)工作參數(shù)如表3所示。

如果系統(tǒng)出現(xiàn)藥液回流，對噴頭型號、數(shù)量不做改變，只通過提高系統(tǒng)壓力使噴頭噴霧量增大而提高總噴霧量，回流狀態(tài)不會改變，出現(xiàn)回流不可逆現(xiàn)象。對此分析為射流混藥裝置在系統(tǒng)中有最小工作流量Q_min，系統(tǒng)總噴霧量要大于混藥器最小工作流量時(shí)，射流混藥裝置才能正常吸藥，在線混藥噴霧系統(tǒng)正常工作。

3.2混藥系統(tǒng)均勻性空間變異系數(shù)

對實(shí)現(xiàn)自動混藥的試驗(yàn)方案1進(jìn)行混藥系統(tǒng)均勻性檢測。其中混藥系統(tǒng)的工作壓力為0.9MPa、1.0MPa、1.1MPa和1.2MPa壓力狀態(tài)下進(jìn)行取樣，每個(gè)壓力下取樣3次總計(jì)192個(gè)樣本。

結(jié)果顯示，在保持工作壓力不變的情況下，檢測系統(tǒng)的混藥均勻性，其中對進(jìn)口壓力p₁為1.2MPa，出口壓力0.35MPa，總噴霧量7.94L/min，藥液流量0.201L/min工作狀態(tài)時(shí)，3次測量結(jié)果數(shù)據(jù)如表4所示，空間變異系數(shù)最大為2.05%。

噴霧系統(tǒng)在不同工作狀態(tài)下的各項(xiàng)工作參數(shù)如表5所示；不同工作壓力下的混藥系統(tǒng)的空間變異系數(shù)如表6所示，最大為2.14%。

試驗(yàn)結(jié)果表明使用16個(gè)ST110-01扇形噴頭的噴桿式在線混藥噴霧系統(tǒng)中，在相同的進(jìn)口壓力下，空間變異系數(shù)不大于2.05%；在不同的進(jìn)口壓力下空間變異系數(shù)不大于2.14%，均小于5%，混藥均勻性良好。

4結(jié)論

1）? 構(gòu)建了應(yīng)用射流混藥裝置的噴桿噴霧機(jī)在線混藥系統(tǒng)平臺。當(dāng)使用14個(gè)ST110-01扇形霧噴頭和2個(gè)TR80-005c圓錐霧噴頭時(shí)，系統(tǒng)處于臨界吸藥工作狀態(tài)；當(dāng)使用13個(gè)ST110-01扇形霧噴頭和3個(gè)TR80-005c圓錐霧噴頭系統(tǒng)，系統(tǒng)處于臨界回流狀態(tài)，且回流時(shí)改變系統(tǒng)壓力，回流仍不可逆，工作時(shí)必須避免回流現(xiàn)象發(fā)生。

2）? 對射流混藥裝置在混藥噴霧系統(tǒng)工作狀態(tài)的研究，得到應(yīng)用于噴霧系統(tǒng)中的射流混藥器有最小工作流量。噴霧總流量應(yīng)大于射流混藥裝置最小工作流量，混藥器才能正常工作。

3）? 使用16個(gè)ST110-01扇形霧噴頭，在相同的進(jìn)口壓力下，空間變異系數(shù)不大于2.05%；在不同的進(jìn)口壓力下空間變異系數(shù)不大于2.14%，均小于5%，說明該射流混藥器配合ST110-01扇型噴頭的在線混藥噴霧系統(tǒng)時(shí)混藥均勻性良好，滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要求。

參考文獻(xiàn)

［1］袁琦堡， 胡煉， 羅錫文， 等. 在線實(shí)時(shí)混藥噴霧系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)， 2016， 47（S1）： 176-181.Yuan Qibao， Hu Lian， Luo Xiwen， et al. Design and experiment of online mixing spraying system ［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2016， 47（S1）： 176-181.

［2］楊亞飛， 王國強(qiáng)， 翟旭軍， 等. 基于線性CCD混藥濃度在線檢測裝置性能試驗(yàn)研究［J］. 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)， 2019， 40（10）： 142-146.Yang Yafei， Wang Guoqiang， Zhai Xujun， et al. Experimental research of the device of online detection concentration based on linear CCD ［J］. Journal of Agricultural Mechanization， 2019， 40（10）： 142-146.

［3］Vondricka J， Lammers P S. Real-time controlled direct injection system for precision farming ［J］. Precision Agriculture， 2009， 10（5）： 421-430.

［4］邱白晶， 閆潤， 馬靖， 等. 變量噴霧技術(shù)研究進(jìn)展分析［J］. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)， 2015， 46（3）： 59-72.Qiu Baijing， Yan Run， Ma Jing， et al. Research progress analysis of variable rate sprayer technology ［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2015， 46（3）： 59-72.

［5］何培杰， 吳春篤， 陳翠英. 新型噴霧混藥裝置性能研究［J］. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)， 2001， 32（3）： 44-47.He Peijie， Wu Chundu， Chen Cuiying， et al. Performance of a new type spraying-mixing apparatus ［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2001， 32（3）： 44-47.

［6］李羊林， 吳春篤， 傅錫敏. 雙級射流混藥裝置的試驗(yàn)研究［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 2008， 24（1）： 172-174.Li Yanglin， Wu Chundu， Fu Ximin. Experimental study on two-stage jet mixing apparatus ［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2008， 24（1）： 172-174.

［7］邱白晶， 徐溪超， 楊寧， 等. 射流混藥裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)對混藥性能影響的模擬分析［J］. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)， 2011， 42（6）： 76-79.Qiu Baijing， Xu Xichao， Yang Ning， et al. Simulation analysis of structure parameters of jet-mixing apparatus on jet-mixing performance ［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2011， 42（6）： 76-79.

［8］邱白晶， 馬靖， 鄧斌， 等. 在線混藥噴霧系統(tǒng)混藥性能試驗(yàn)［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 2014， 30（17）： 78-85.Qiu Baijing， Ma Jing， Deng Bin， et al. Experiment on mixing performance of on-line mixing spray system ［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2014， 30（17）： 78-85.

［9］陳志剛， 毛偉， 王鵬程， 等. 基于Fluent的對射流混藥管吸入室收縮半角研究［J］. 軟件導(dǎo)刊， 2021， 20（5）： 62-66.Chen Zhigang， Mao Wei， Wang Pengcheng， et al. Study on contraction half angle of suction chamber of jet mixing pipe based on Fluent ［J］. Software Guide， 2021， 20（5）： 62-66.

［10］代祥， 徐幼林， 陳駿陽， 等. 射流混藥器改進(jìn)提高混藥均勻性及動態(tài)濃度一致性［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 2019， 35（8）： 65-74.Dai Xiang， Xu Youlin， Chen Junyang， et al. Improved jet mixer injection nozzle enhancing pesticide mixing uniformity and dynamic concentration consistency ［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2019， 35（8）： 64-74.

［11］代祥， 徐幼林， 宋海潮， 等. 混藥器混合均勻性分析方法與在線混合變工況試驗(yàn)［J］. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)， 2018， 49（10）： 172-179.Dai Xiang， Xu Youlin， Song Haichao， et al. Mixing uniformity analysis methods and in-line mixing experiments of mixer under variable working conditions ［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2018， 49（10）： 172-179.

［12］占清， 朱自科， 陳勇， 等. 超高穩(wěn)定度大直流恒流源的設(shè)計(jì)［J］. 電子器件， 2017， 40（3）： 607-611.Zhan Qing， Zhu Zike， Chen Yong， et al. Design of ultrahigh-stability big DC constant current source ［J］. Chinese Journal of Electron Devices， 2017， 4（3）： 607-611.

［13］邱白晶， 徐溪超， 鄧斌， 等. 射流混藥裝置面積比對混藥均勻性的影響［J］. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)， 2011， 42（10）： 95-100.Qiu Baijing， Xu Xichao， Deng Bin， et al. Effect of area ratio on mixing homogeneity in jet-mixing apparatus ［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2011， 42（10）： 95-100.