植保常用扇形雾喷头系列型谱模型研究

樊荣，杨福增

(1.山西农业大学 工学院，山西 太谷 030801； 2.西北农林科技大学 机械与电子工程学院，陕西 杨陵712100)



植保常用扇形雾喷头系列型谱模型研究

樊荣1，杨福增2*

(1.山西农业大学 工学院，山西 太谷 030801； 2.西北农林科技大学 机械与电子工程学院，陕西 杨陵712100)

摘要：[目的]为了实现植保常用扇形雾喷头的数字化管理及生成，促使喷头设计与生产向协调、统一、择优、简化方向发展。[方法]对常用扇形雾喷头的结构组成、性能特征、喷雾质量进行了理论分析，对不同终端型式的扇形雾喷头进行了雾型分布试验。[结果]雾型分布受喷嘴终端型式影响较大。最终建立了不同系列喷头的型谱模型，制定了扇形雾喷头谱系结构。[结论]此研究为相关软件开发与数据库建立提供了支持与参考，便于喷头的快速检索与参数化设计，研发和生产新型植保喷头。

关键词：植保； 扇形雾喷头； 型谱模型； 数字化

植物保护是农业生产的重要组成部分，在确保农作物高产、稳产方面发挥着重要作用[1]。植保机械作为实现这一目标必不可少的农业装备，在农、林、果、牧业中居于相当重要的地位[2]。喷头是植保机械和喷雾系统中的基础部件之一，其结构的合理性决定药液的雾化效果，影响喷雾机械的可靠性和经济性[3]。

目前，国内外对喷头的研究主要集中在喷头内部结构、喷头性能参数、喷头材料开发、喷头新技术4方面[4]。汤伯敏等[5]针对传统手动喷雾器在使用中存在的问题，研制了气液二相流喷嘴，并进行了药液雾化性能与物理性能的相关性试验，明确了药液粘性和表面张力对雾滴直径、喷雾量的影响程度。孟祥金等[6]研究了气力式静电喷嘴的喷雾机理，阐述了该种喷嘴具有显著改善喷雾效果的特点。刘青等[7]对gwzcD-25型风送式超低量喷雾机的雾滴直径和雾滴密度在喷幅方向的变化规律及其影响因素进行了试验研究。结果表明，在风筒中安装导流器，可增大喷幅并改善雾滴分布均匀性。李旭等[8]则对扇形雾喷嘴的加工工艺进行了研究。

近几年，我国科研工作者在药液物理特性、喷雾技术等方面做了许多有益的探索并取得了一定成果，但与发达国家相比，我国的植保喷头种类少、品质差，存在“跑、冒、滴、漏”现象[9]。其原因主要是我国对喷头的基础研究不足，比如绝大多数植保喷头未实现系列化、标准化和通用化；没有形成指导喷头研发与生产的技术文档；缺乏研发与选用的国家标准等，这些也是导致我国植保行业发展缓慢的直接原因。

本文从常用扇形雾喷头结构参数与性能特点间关系出发，对不同终端型式的扇形雾喷头进行了雾型分布试验，对常用扇形雾喷头的结构组成、性能特征、喷雾质量进行了理论分析，研究制定了植保常用扇形雾喷头的谱系结构，为扇形雾喷头“三化”奠定一定基础，为相关软件开发和喷头产品参数化设计提供技术支持。

1扇形雾喷头的结构与性能

1.1主要结构参数

扇形雾喷头一般由喷头体、喷嘴、滤网、垫片、连接部件等组成，其中最重要的零件是喷嘴，其直接影响喷雾系统的喷雾效果和质量[10]。扇形雾喷嘴的终端形状及纵向剖面如图1所示。

α-切口角度； H-切口深度； h-内孔到终端面间距； e-过心距； D-喷孔直径； R-喷口内腔半径图1　扇形雾喷嘴终端剖面Fig.1　Terminal section of fan-spray nozzle

1.2扇形雾喷头结构参数理论分析

喷头是使药液雾化并均匀喷射的重要部件[11]。针对扇形雾喷头，其雾化过程是：药液在压力作用下进入喷头，流经喷嘴，受到喷嘴切槽楔面的挤压延展成平面液膜继而被分化为细小的雾滴，并最终均匀地雾化到目标植被上。据此本研究主要从影响雾型分布、喷雾量和喷雾角度的因素对扇形雾喷头的性能进行分析。

1.2.1喷孔终端型式分析

喷嘴的喷孔终端形状(或称出流口型式)是影响扇形雾喷头雾型分布的主要因素。常见的喷孔终端型式有球头形、椭球形、平头形和圆锥台形[12]。其中，球头形和椭球形喷嘴较为常见，雾量分布效果也较好。为了更好地确定喷嘴终端形状对雾型分布的影响，项目组在中国农业大学药械与施药技术中心进行了雾型分布试验，试验台示意图见图2，部分试验结果见图3，最终得出不同喷头的雾型分布如表1。

图2　雾型分布试验台示意图Fig.2　The schematic diagram of a testbed for spray distribution

Table1Spraydistributionofdifferentterminalshapeoffan-spraynozzle

终端型式Terminaltype雾量分布形式Spraydistribution球头形近似正态曲线椭球形近似均匀分布圆锥台形三峰(中间峰由两小峰构成)平头形三峰(中间高,两侧低)

试验发现，雾量分布除与喷嘴的结构形式有关外，还与加工质量关系密切，比如喷嘴内孔与“V”形切口相衔接处的加工误差、表面粗糙度、喷孔和切口的不对称度和切口轴线的不同轴度等。此外，孔口边缘的光滑程度也对雾量分布产生较大影响。因此，在加工制造时应尽量降低这些误差。

1.2.2喷雾量分析

喷雾量(也称喷头流量)是喷头的重要工作参数，主要与喷头种类、喷孔直径、工作压力有关。一般情况下，随着喷孔直径和压力的增加，喷雾量也随之增加。压力增大，液流速度提高，增强了液流与空气的撞击力，使得液滴更加细碎，喷雾更加均匀。

根据流体力学中的伯努利方程,可推导出喷雾量Q的计算公式[13]：

(1)

式中：μ为喷头流量系数；F为喷头出水截面积；g为重力加速度；p为流体压强；r为流体密度。

其中流量系数μ是通过根据水力学应用二重积分法推导得出[14]，即：

(2)

式中：d1为常定管路直径；d2为喷头直径。

(3)

其中：

(4)

由上述分析可知，扇形雾喷头的喷雾量是由切口角度α、喷口直径D和过心距e决定的。

1.2.3喷雾角分析

目前,喷雾角多以试验为基础，应用回归分析来确定。相关研究表明，当压力逐渐增大时，喷雾角也会随之增大[15]。但当压力增加到一定数值时，喷雾角将不再增大而保持在某一相应数值。

压力增大使喷雾角增大后，喷头的流量和喷幅均增大，雾滴直径减小，其分布情况也发生变化。因此，喷雾角可以表达压力、流量、喷幅、雾滴直径及其分布情况，故应作为型谱编制的主要参数。

综上，影响扇形雾喷头性能的主要结构参数有：喷头终端形状、过心距e、切槽角度α和喷口内腔半径R。

2喷雾质量的评价指标及影响因素分析

喷雾质量的评价指标主要有雾滴分布均匀性、雾滴飘移性和雾滴对靶率[16]。前两者分别指雾滴在目标上分布的均匀程度和雾滴偏离靶区的程度。雾滴对靶率则用目标单位面积上的雾滴数来表示。这三个指标之间既有联系又相互制约。较集中的雾型可有效降低飘移量，但药液作用范围小，雾滴均匀性差；小雾滴可提高喷洒均匀性，但很容易受周边环境影响，产生漂移，使雾滴对目标的覆盖率降低。增大喷头与目标间的垂直距离，在一般情况下可改善雾滴分布均匀性，但在有侧风的情况下，会使漂移量急剧增加，极大降低对靶率，造成药液浪费，环境污染。

喷雾质量主要受自然因素、农艺条件和喷雾技术等众多因素的影响[17]。自然因素如风向、风速、温湿度和气压等，既是植保作业的制约因素，也是可利用条件，所以在喷雾作业时尽量利用自然条件以保证最佳的喷雾质量。农艺条件如农药状态、作物形态、喷雾时间和施药量，是科研工作者和用户需要考虑的因素，也是喷雾技术所要满足的对象。在喷头研究、植保机械研制方面要结合农艺要求研发符合应用条件、适用性较高的喷雾系统。喷雾装置类型及工作参数确定(喷雾技术因素)在整个喷雾过程中也非常重要。只要这三方面协调配合好，就能获得较为理想的喷雾质量。

3扇形雾喷头的谱系结构

喷头系列型谱是以最少数目的不同规格喷头为标志，能满足较长时期及一定范围内全部使用要求的喷头系列[18]。本研究在理论分析的基础上初步确定了型谱所需的特征参数。该型谱以当前国内应用较为广泛的扇形雾喷头为主体，有发展需要的喷头系列为补充，依据GB1.1-87《标准化工作导则编写标准的一般规定》编制。该型谱综合了生产和使用各方面间的最大技术经济效果，统一并协调了研发和使用之间的矛盾，为进一步研究喷头特性、设计新产品提供依据。

3.1型谱编制所需参数的确定

常用扇形雾喷头产品型谱编制所需的主要参数有：喷头终端形状(对应于扇形雾喷头类型)、喷雾角度和喷头流量。

3.2扇形雾喷头系列型谱编制

按照扇形雾喷嘴的特征参数逐层分解：第一层按喷嘴的终端形状(第一特征参数)划分；第二层按喷雾角度(第二特征参数)划分；第三层按喷嘴流量(第三特征参数)划分，依次往下分解，直至底层产品。分解结果如图4所示。

图4　扇形雾喷头型谱Fig.4　Different types of fan-shaped nozzle

3.3扇形雾喷头型谱编码系统

喷头型谱编码系统如下图5所示。

图5　型谱编码系统Fig.5　Spectrum coding system

3.3.1喷头类型编码

喷头类型编码如表2所示。

其中第一个字母表明各个类型喷头的原始终端形状，后一个字母表明是在原基础上的变形或创新。即两者字母相同，则为原始喷头，若有创新，则按照英文字母顺序变更第二个字母即可。

3.3.2喷雾角度编码

喷雾角度编码如表3所示。

3.3.3喷头流量编码(示例)

喷头流量编码如表4所示。

表2　喷头类型编码表

表3　常用喷雾角度编码

注：上表中仅列出了常用喷头的喷雾角度，若有新型喷头有其它喷雾角度，则用剩余字母表示。

Note:Thetableaboveliststhecommonsprayangleofnozzles,weadopttherestofthealphabetwhenwehavenewnozzlewithothersprayangle.

表4　喷头流量编码

注：上表中压力为3bar时的实际流量，用数值的整数位位数来简易标明流量状况，方便工作人员了解和选用。

Note:Theactualflowisunderthepressureof3bar,usingintegerbitoffigurestoindicatetheflow,understandanduseconveniently.

3.3.4其他参数的编码说明

喷头材质编码采用机械工程手册中关于材料和代码的编排方式。X、Y是对喷头的补充说明。X位置可表示该喷头具有的特殊功能或特点，如小流量，大角度，侧面喷射等；Y位置标明喷头的连接情况。也可参阅后期由本课题组编制的《植保常用喷头系列型谱编制说明》。

4结论

(1)目前，国内具有实际应用价值的植保用喷头模型系列型谱软件较少，而植保常用扇形雾喷头系列型谱模型的研究可为相关软件的开发提供一定的支持和参考。

(2)喷头型谱的制定将为喷头产品数据库的建立奠定基础。在此基础上，通过数据挖掘和数据抽取，在喷头产品的设计与制造过程中形成支持植保喷雾系统研制过程的标准件库和通用件库，并促进对各类参数及数据的统一管理，从而快速形成新的设计方案。

(3)研究后期将致力于植保喷头系列型谱模型库及应用软件的建立与开发，该软件既可为喷头的快速检索与参数化设计搭建平台，又可为新型植保喷头的研发和生产提供良好的技术支持。同时，还能有效缩短设计周期、降低研发成本，对提高喷头的制造质量和研发新产品等都具有重要的意义。

参考文献

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(编辑：李晓斌)

Theresearchonseriesspectrummodeloffan-spraynozzleinplantprotection

FanRong1，YangFuzeng2*

(1．College of Engineering，Shanxi Agriculture University，Taigu 030801，China； 2．College of Mechanical and Electronic Engineering，Northwest A&F University，Yangling 712100，China)

Abstract:[Objective]The goal of this paper was to achieve digital management and generation of fan-spray nozzle in plant protection, prompting nozzle design and production to the development direction of coordination and unity, merit, and simplified. [Methods]The structural composition, performance characteristics, spray quality of fan-spray were analyzed in theory. And the test on spray distribution of different nozzles were carried out. [Results]The results showed that spray distribution were influenced greatly by the nozzle terminal type.The fan-spray nozzle type spectrum and expression were established finally. [Conclusion]The study provided support and reference for the related software development and database establishment, facilitating rapid retrieval and parametric design of nozzle, which could build a foundation for development and production of new nozzle.

Key words:Plant protection； Fan-spray nozzle； Spectrum model； Digitization

收稿日期：2016-03-15 修回日期：2016-04-12

作者简介：樊荣(1987-)，女(汉)，陕西商洛人，硕士，研究方向：农业装备设计及理论 *通讯作者：杨福增，教授，博士生导师。Tel:13772025795；E-mail:yfz0701@163.com

基金项目：山西农业大学青年科技创新项目(J141502002)；国家公益性行业(农业)科研专项经费项目(201203025)

中图分类号：S224.3

文献标识码：A

文章编号：1671-8151(2016)07-0524-05