离心喷头变量喷施系统静态喷雾特性分析_郭依剑.pdf

2023 年 1 月 灌溉排水学报 第 42 卷 第 1 期 Jan.2023 Journal of Irrigation and Drainage No.1 Vol.42 100 文章编号：1672-3317（2023）01-0100-07 离心喷头变量喷施系统静态喷雾特性分析 郭依剑1，朱兴业1*，童林丹3，魏 巧2，王鑫建1（1.江苏大学 流体机械工程技术研究中心，江苏 镇江 212013；2.江苏润果农业发展有限公司，江苏 镇江 212013；3.温岭市产品质量检验所，浙江 温岭 317599）摘 要：【目的】探究离心喷头变量喷施系统的静态喷雾特性。【方法】采用隔膜泵、高精度涡轮流量计、电磁阀、离心喷头构建了一套离心喷头变量喷施系统，对其静态喷雾特性进行了试验分析。在喷头流量为 1.5 L/min，转速分别为 8 000、9 000、10 000、11 000、12 000、13 000 r/min 条件下，利用水敏纸和雾滴收集装置分别测定了雾滴粒径的大小和雾滴沉积分布状况。【结果】随着离心喷头转速的增加，雾滴粒径逐渐变小；相同喷施半径下，不同角度的雾滴沉积量不同；离心喷头静态雾滴分布中心剖切面呈双峰分布，随着离心喷头转速的增加，雾滴沉积分布中心剖切面左侧峰值呈下降趋势，左侧峰值位置向雾滴分布中心方向移动，右侧峰值基本不变，右侧峰值位置向远离雾滴分布中心的方向移动。【结论】离心喷头转速对雾滴粒径大小和雾滴沉积分布状况存在显著影响，合理控制雾滴粒径大小、提高雾滴沉积分布均匀性是提高喷洒过程中的农药利用率、减少环境污染的关键。关 键 词：离心喷头；变量施药；脉冲宽度调制 中图分类号：S49 文献标志码：A doi：10.13522/ki.ggps.2022387 OSID：郭依剑,朱兴业,童林丹,等.离心喷头变量喷施系统静态喷雾特性分析J.灌溉排水学报,2023,42(1):100-105,111.GUO Yijian,ZHU Xingye,TONG Lindan,et al.Analyzing Static Spray Characteristics of Variable Spray System of Centrifugal NozzleJ.Journal of Irrigation and Drainage,2023,42(1):100-105,111.0 引 言1【研究意义】作物病、虫、草害防治是农业生产中的重要环节，通过对农作物喷施农药仍然是主要的防治手段。目前，我国农药的喷施方式多以背负式人工喷雾、中小型喷杆喷雾机喷雾为主，这些喷施方式主要采用大容量和常量雾化喷头，不仅用药量大，而且药液易从靶目标流失，造成农药浪费和环境污染1。离心喷头属于超低容量雾化喷头，是利用电机带动雾化盘高速旋转产生离心力对药液进行雾化，通过调节喷头的转速和流量可以改变雾滴粒径和雾滴沉积分布，达到药液变量喷施的目的，能有效解决常量喷雾导致的农药利用率低的问题，是现代高效植保机械与减量施药技术的主要发展方向2-3。【研究进展】国内外众多学者对喷头的变量喷施系统开展了大量研究，其中包括 PWM（Pulse Width Modulation）控制调流技术、喷头雾化机理、雾滴沉积量、雾滴漂移控制等。Ford 等4研究了单个雾滴的收稿日期：2022-07-13 基金项目：江苏省重点研发计划项目（现代农业）（BE2021341）；江苏大学农业装备学部项目（NZXB20210101）；江苏省研究生科研与实践创新计划项目（KYCX22_3672）作者简介：郭依剑（1997-），男。硕士研究生，主要从事节水灌溉装备研究。E-mail: 通信作者：朱兴业（1982-），男。研究员，主要从事流体机械及排灌装备研究。E-mail: 杀伤范围，证明了单个雾滴具有药效控制范围，该范围被称为杀伤面积或杀伤半径，彻底否定了大容量喷雾方式。Washington5在研究百菌清和代森锰锌对香蕉夜斑菌的防治效果时，发现雾滴体积中径为250 m时，百菌清雾滴杀伤半径为 1.02 mm，通过控制雾滴中径，可实现喷雾覆盖密度的联动变化，可以获得病、虫、草害的最佳防治粒径。王玲等6设计了一套微型无人机脉宽调制型变量喷药系统，并利用可控多风速环境，通过荧光粉测试方法对悬停无人机变量喷药的雾滴沉积规律进行了试验研究。赵铖等7研发了一种基于低容量离心雾化技术的喷杆喷雾机，通过田间施药对比试验，对雾滴沉积分布的均匀性、小麦冠层药液穿透性、作业效率以及防治效果进行了分析。周瑞琼等8通过设计低速风洞，分析了压力、喷头类型、喷雾介质、风速及其互作效应对喷雾飘移的影响，为基于喷雾参数互作效应的植保机械施药决策系统数据库的建立提供数据支持。【切入点】前人研究主要集中在液力式喷头变量喷施系统的喷雾特性，通过改变喷雾系统中电磁阀的通断时间来调节喷头雾化效果。由于高速高精度电磁阀价格较高，较难在农药喷施系统中得以广泛应用。相比之下，离心喷头通过调节转速和流量来实现对雾滴粒径和雾滴沉积分布的精准控制，更容易实现农药的变量喷施。鉴于此，本郭依剑 等：离心喷头变量喷施系统静态喷雾特性分析 101 研究对离心喷头变量喷施系统静态喷雾特性进行系统探究9-11。【拟解决的关键问题】本文拟采用植保无人机常用的双雾化盘离心喷头，通过构建离心喷头变量喷施试验系统，对雾滴粒径和雾滴沉积分布特性进行试验研究，明确雾滴粒径和静态雾滴沉积分布与喷头转速之间的关系，从而为离心喷头变量喷施系统的动态喷雾特性分析奠定基础。1 材料与方法 1.1 试验装置与材料试验在江苏大学喷灌实验室内进行，试验装置如图 1 所示。试验所用喷头为市面上常见的一种高速双雾化盘离心喷头12，多用于大疆植保无人机 T20 和T30的改装，喷头转速可达2万转，流量为1.5 L/min，高转速下雾滴粒径可达到 50 m。液路部分采用 12 V直流隔膜泵供液，数显表选用摩乔传感开发的流量控制系统，可以显示实时流量和累计流量，且可以控制电磁阀的开闭。高精度涡轮流量计是利用霍尔元件的霍尔效应来测量磁性物理量的传感器，进出口直径为6 mm，流量范围可以控制在 0.33 L/min。电路部分主要由 PWM 信号发生器、48 V 直流电源、电子调速器、无刷电机组成。PWM 信号发生器可以输出不同频率和占空比的方波，通过改变 PWM 占空比可以控制喷头的转速。图 1 试验装置示意 Fig.1 Schematic diagram of test device 1.2 试验方法 1.2.1 离心喷头转速测量 试验用离心喷头主要用于多旋翼植保无人机，喷头转速由 PWM 占空比控制，由于无人机遥控器输出的 PWM 频率为 500 Hz，PWM 脉宽在 1 0002 000 s之间，所以 PWM 信号发生器输出的 PWM 占空比在50%100%之间。考虑到 PWM 占空比过小，离心喷头转速过低，PWM 占空比过大会影响无刷电机的使用寿命，因此本试验条件如下：离心喷头采用 48 V的直流电源供电，PWM 频率设置为 500 Hz，PWM占空比设置在 64%90%之间，利用设计的离心喷头变量喷施系统，在不同的 PWM 占空比条件下，采用非接触式高精度转速表测量离心喷头转速，得出PWM 占空比大小和离心喷头转速之间的关系13。1.2.2 雾滴粒径的采集 雾滴粒径通过水敏纸（WSP）采集。WSP 是一种黄色表面的涂布纸，在与水滴接触时会变成深蓝色，具有便于图像处理和保存、显色明显的特点，是目前提供雾滴参数快速检测的一种常用材料。试验过程中，当喷头工作状况稳定时，将 WSP 快速从喷头下方 1 m、喷洒半径 0.8 m 处掠过，采集离心喷头转速为 8 000、9 000、10 000、11 000、12 000、13 000 r/min 时的雾滴粒径。1.2.3 静态雾滴沉积分布试验 采用口径为 100 mm 的航空杯收集雾滴。航空杯设置 17 行，相邻 2 行的距离为 200 mm，每行 17 列，相邻 2 列的距离为 200 mm，从而形成 3 200 mm 3 200 mm 的方形区域，基本覆盖了整个离心喷头的喷洒范围。用自来水代替药液，调整喷头安装角度和位置，使喷头垂向地面，正对第 9 行第 9 列的航空杯位置；调节喷头高度，使被测喷头到雾滴收集平面的垂直距离为 1 m14；试验前，首先用精度为 0.1 g 的电子秤称量并记录各航空杯的质量；设置 PWM 频率为 500 Hz，通过调整 PWM 占空比将喷头转速调整为 8 000 r/min；通过电位器调节隔膜泵使喷头流量稳定在 1.5 L/min，设置流量控制系统，水泵开启后，当喷头累计流量达到 20 L 时，自动关闭电磁阀和水泵；电磁阀自动关闭后，一组试验结束，称量并记录各航空杯的质量，2 次质量之差即为航空杯内沉积的雾滴质量；然后将喷头转速增加 1 000 r/min 重复上述试验，直至喷头转速达到 13 000 r/min。离心喷头变量喷施系统如图 2 所示。图 2 离心喷头变量喷施系统 Fig.2 Test diagram of variable rate spraying system of centrifugal nozzle 灌溉排水学报 http:/ 102 2 结果与分析2.1 PWM 占空比对离心喷头转速的影响 离心喷头转速和 PWM 占空比的对应关系如图 3所示。电压为 48 V、PWM 频率为 500 Hz 时，离心喷头转速和 PWM 占空比呈线性关系，利用 PWM 信号发生器调节 PWM 占空比，可以较好地控制离心喷头的转速。图 3 离心喷头转速和 PWM 占空比之间的关系 Fig.3 Relationship between centrifugal nozzle speed and PWM duty cycle2.2 离心喷头转速对雾滴粒径的影响 雾滴粒径采集结束后，使用扫描仪将 WSP 扫描成电子图像。流量为 1.5 L/min 时，离心喷头不同转速下的雾化效果如图 4 所示，WSP 从左到右对应的离心喷头转速为从低到高。图 4 水敏纸采样扫描结果 Fig.4 Scanning image of water sensitive paper sampling results对图像进行批量处理及分析，可以得到每一张WSP 上的雾滴粒径和数量分布，取样雾滴的体积按雾滴大小顺序进行累积，其累积值为取样雾滴体积总和的 50%所对应的雾滴直径，被称为体积中值直径（VMD）；取样雾滴的个数按雾滴大小顺序进行累积，其累积值为取样雾滴个数总和的 50%所对应的雾滴直径，被称为数量中值直径（NMD）。不同转速下的VMD 和 NMD 如图 5 所示。离心喷头转速在 8 000、9 000、10 000、11 000、12 000、13 000 r/min 时，喷头下方 1 m、喷施半径 0.8 m 处的雾滴体积中值直径分别为 226.5、210.7、208.8、162.9、154.2、142.9 m，数量中值直径分别为 217.0、165.7、143.0、116.0、109.0、93.3 m，雾滴谱宽度分别为 1.04、1.27、1.46、1.4、1.41、1.53。相同流量下，离心喷头转速越大，雾滴的体积中值直径越小，数量中值直径越小，雾滴谱宽度呈增大趋势，喷头的雾化效果越好。这主要是因为离心喷头是通过雾化盘高速旋转产生离心力将药液雾化，当喷头的转速较低时，药液的黏度和表面张力是影响雾化效果的主要因素，此时雾滴数量较少、粒径较大；当喷头的转速变高时，药液被拉成许多丝状射流，在内雾化盘不远处就迅速断裂，变成无数液滴，随后打到外雾化盘尼龙螺丝上进一步雾化10。图 5 不同转速下的雾滴粒径 Fig.5 Droplet diameter at different speeds 2.3 离心喷头转速对静态雾滴沉积分布的影响 在流量为 1.5 L/min、转速为 10 000 r/min 的工况下，离心喷头静态雾滴沉积分布如