设施离心雾化喷雾机的雾化性能探究试验*

石雨欣，龚艳，刘德江，张晓，陈晓，王果

(农业农村部南京农业机械化研究所，南京市，210014)

0 引言

我国设施农业已进入高速发展阶段，但截至2019年，设施农业机械化水平仅为40.53%[1]。设施以大棚、中小棚为主，日光温室占有一定比例[2]，棚内空间小，大型机械无法作业、缺乏小型高效机械；多无行间硬化路，机械也难以进入作业。其次，因设施空间密闭、温湿度高、作物缺少天敌、易发生连作障碍等因素，病虫害频发，由此引发的损失率高达20%～30%。目前，设施病虫害化学防控多以背负式手动(电动)喷雾器、担架式机动喷雾机等传统机具喷施化学药剂为主[3-4]，作业效率低，雾化质量不高，防治效果差，施药频率高而利用率低、污染环境[5]，背负柱塞式手动喷雾器的农药利用率最高仅为30%。

现有研究与试验显示，采用自动化程度更高的植保设备[6-8]，根据作物施药需求进行喷雾参数改变与控制(如雾滴粒径、喷雾角度、喷雾方式)对提高农药有效利用率、减少药液流失和降低污染有重要作用[9-16]；同时利用静电、气流辅助等设备可以有效提高雾滴附着能力、改善雾滴冠层分布性能[17-19]。

不同防治需求的雾滴粒径尺寸差异大。生物最佳粒径理论指出，针对不同种类药剂、不同病害，合适范围的雾滴粒径和一定的覆盖密度就可以得到理想的防治效果：体积中值直径为10～50 μm杀虫剂雾滴适合防治飞行类害虫，杀菌剂和用于防治叶面爬行类的杀虫剂适合30～150 μm，而除草剂的最佳雾滴粒径范围为100～300 μm[20-21]。

东西走向、南北种植的日光温室，无行间硬化路、车行道窄，铺设悬挂导轨成本高、难度大，采用离心雾化与气流辅助技术的小型轮式喷雾机可实现于行侧将目标范围的雾滴输送至行内冠层远处。因此，本文以已有搭载了对行间歇施药控制系统的推车式电动离心雾化喷雾机为试验设备，根据现有文献研究指导和前期试验结果，将喷雾距离、雾化器转速、泵流量纳为试验因素，于实验室环境下，进行雾滴粒径影响因素试验、雾滴粒径模型标定试验，为该施药系统的参数控制提供依据，为相关研究提供理论和试验基础。

1 材料与方法

1.1 试验设备

针对已有推车式电动离心雾化喷雾机，前期进行了机载对行间歇施药控制系统的硬件设计与搭建、软件程序编写。图1、图2分别为喷雾机结构、机载施药控制系统硬件。

图1 推车式电动离心雾化喷雾机结构图

图2 喷雾机控制系统硬件原理图

操作人员于HMI操作界面进行喷雾作业的控制，手动模式下可指定喷雾机运行距离和启停、施药模式、喷雾参数，从而进行单步作业和测试要求；自动模式下，STM32单片机可根据HMI界面输入的作物信息、目标行数、工作参数等进行自动喷雾作业；STM32单片机实时将喷雾机运行状态实时回传给HMI。试验采用控制系统的测试模式。

1.2 试验设计

雾滴进入植株行冠层后雾滴粒径、雾滴粒谱及轨迹变化不可测量与预测，因此无法建立冠层中的雾滴轨迹模型。雾滴粒径大小对穿透性和沉积性有一定影响，因此可通过建立未到达冠层时的初始雾滴粒径模型，作为后续田间实际雾滴沉积性能分布规律探究试验的数据支撑，以期获得沉积分布均匀的目标雾滴群。

风速、喷雾距离、雾化器转速和泵流量均为喷雾参数或工作参数，应将四者纳入初始雾滴粒径的影响因素试验。文献[17, 22]表明气流辅助式喷雾机的风筒轴线上的平均风速随距风筒出口距离呈负对数相关性；雾滴于植株冠层内的穿透性与风速呈正相关性，为满足一定行长内的雾滴风送需求，前期进行了该喷雾机的风速相关试验，结果表明，额定风速下的射程为7.0 m 左右，满足部分日光温室行长需求。因此，在额定风速下，进行以喷雾距离、泵流量、雾化器转速为影响因素的初始雾滴粒径试验，并对泵流量和雾化器转速进行标定试验。

1.2.1 标定试验

泵流量标定试验：工作频率为1 000 Hz时，确定流量与其控制电机占空比的定量关系。流量只与泵速控制电机转速相关，本部分试验方式如下：塑料水盆收集待测占空比下的液体，每次连续收集30 s，再用精度为0.2 g的电子天平称量液体质量，重复3次后取平均值并换算为喷雾流量。待测占空比为0～100%，步长为10%。

雾化器转速标定试验：频率为1 000 Hz时，确定雾化器与控制电机占空比的定量关系。采用非接触式转速表HT4200(测量范围为30～50 000 r/min)，测试前将反射膜贴在雾化器表面合适位置，转速表固定于距离雾化器300 mm处的合适位置并对准反射膜。改变控制电机的占空比，待示数稳定后记录，重复3次取平均值。根据雾化器实际工作区间，选取占空比的测量区间为6%～36%，步长1%。

1.2.2 雾滴粒径影响因素试验

实际施药作业中，由防治需求确定目标粒径范围，同时要求该雾滴群的粒谱尽可能窄。因此，采用体积中值直径DV.50和相对跨度R作为评价指标，用以衡量雾滴群体积和雾滴均匀性。

体积中值直径DV.50，指取样雾滴按体积大小顺序累积，累积到体积値为取样雾滴体积总和的50%时，所对应的雾滴直径。通常用于描述雾滴群整体体积直径。

相对跨度R，一次喷雾中，雾滴谱宽度(DV.10～DV.90)与其体积中值直径的比值，反映该雾滴群内雾滴均匀性，如式(1)所示。

(1)

式中：DV.10——一次喷雾中，将取样雾滴的体积按雾滴从小到大的顺序积累，当累积值等于取样雾滴体积总和的10%时所对应的雾滴直径；

DV.90——一次喷雾中，将取样雾滴的体积按雾滴从小到大的顺序积累，当累积值等于取样雾滴体积总和的90%时所对应的雾滴直径。

DV.10～DV.90，即雾滴谱宽度，表示一次喷雾中，占取样雾滴体积总和80%的雾滴的直径范围(去掉最大与最小雾滴)。

因此，该部分以体积中值直径DV.50和相对跨度R作为评价指标，以喷雾距离、雾化器转速、泵流量为试验因素，探究雾滴粒径是否有显著性影响，并考虑两两交互效应。因此采用三因素三水平的全面试验方法，可覆盖选取的水平值所有组合的情况，增强试验数据说服力。试验中，喷雾距离水平值S根据实际施药作业中喷施距离确定，取0.50、0.75、1.00 m；雾化器电机占空比的水平值由实际所需转速确定，取15%、25%、35%，分别代表低、中、高转速；泵流量电机占空比的水平值取40%、70%、100%，代表低、中、高流量。

试验步骤：将喷雾机调整至雾化器中轴线与激光粒度仪的测量中轴线在水平面垂直面。风机电机占空比设置为100%，风筒角度设置为水平状态，以雾化器外表面与粒度仪的测量中轴线距离代替实际情况下的喷雾距离，分别测得不同测量距离下，不同雾化器电机占空比和泵流量电机占空比下的体积中值直径DV.50和相对跨度R，并进行3次重复试验。

1.2.3 雾滴粒径模型标定试验

根据雾滴粒径影响因素试验结果，确定本部分的试验因素及水平。根据试验结果采用非线性回归拟合方式得到关于雾滴粒径模型公式，作为该控制系统的粒径调控依据。

本部分固定喷雾距离为0.75 m；因雾滴粒径改变主要取决于雾化器转速，因此雾化器转速占空比水平值定为14%～36%，步长为1%；泵转速占空比水平值为40%、70%、100%。试验步骤同1.2.2。

2 结果与分析

2.1 标定试验

根据试验结果，在各自有效占空比范围内，泵流量、雾化器转速均与其控制电机占空比均可进行线性拟合，拟合优度R2分别为0.997 7、0.998 8，如图3、图4所示。

图3 不同泵速控制电机占空比下的流量

图4 不同雾化器控制电机占空比下的雾化器转速

可得流量标定函数、雾化器转速标定函数如式(2)、式(3)所示，取值范围为有效占空比区间。通过式(2)、式(3)反推可得目标流量、雾化器转速下的控制电机占空比，作为喷雾机机载控制系统的相关喷雾参数调控模型。

Q=1 525Dpump-192.54 (30%≤Dpump≤100%)

(2)

n=36 682Dnozzle-90.10 (6%≤Dnozzle≤36%)

(3)

式中：Dpump——泵电机转速占空比，%；

Dnozzle——雾化器电机转速占空比，%；

Q——瞬时流量，mL/min；

n——雾化器瞬时转速，r/min。

2.2 雾滴粒径影响因素试验

表1为雾滴粒径影响因素试验的试验安排与结果。将表1试验结果导入SPSS，对指标DV.50和R分别进行单变量方差分析，考虑两两因子的交互影响，方差分析结果见表2，调整后R2分别为0.991和0.850。

表1 参数水平及试验数据Tab. 1 Parameters and result

表2为方差分析结果，置信水平为95%时，两指标的模型成立；对于DV.50，交互项S×Dnozzle、Dpump×Dnozzle均显著；对于R，Dpump、Dnozzle分别对其有显著性影响。由于在实际的单次区域作业中，喷雾机于导轨上运动，即喷雾距离S不改变。因此，先考虑含S项因子对指标的影响，即先进行关于DV.50的S×Dnozzle的简单效应分析；再进行关于DV.50的Dpump×Dnozzle的简单效应分析、关于R的Dpump和Dnozzle的分析。

关于DV.50，进行S与Dnozzle的简单效应分析。Dnozzle各水平下，仅在Dnozzle为15%(表3)时，S对DV.50有显著性影响，组间均有统计性差异；S越大，DV.50越小，最大差值为6.137 μm。S为任一水平时，Dnozzle组间均有统计性差异(p=0.000，未列出)，DV.50随Dnozzle增大而减小，最小差值为12.733 μm，大于S组间最大差值。本部分说明，在喷雾距离测量范围内，喷雾距离变化对总变异的贡献极小，即喷雾距离在0.50～1.00 m 变化时，对雾滴粒径影响可忽略不计。

表2 方差分析Tab. 2 Variance analysis of DV.50 and R

表3 不同喷雾距离下DV.50 的成对比较(部分结果)Tab. 3 Pairwise comparisons with spray distance of DV.50 (partial result)

表4 不同泵转速下DV.50 的成对比较(部分结果)Tab. 4 Pairwise comparisons with pump’s motor of DV.50 (partial result)

关于DV.50，进行Dpump与Dnozzle的简单效应分析。Dpump任一水平下，Dnozzle均对DV.50有负相关的显著性影响，且组间均有统计性差异。Dnozzle任一水平下，Dpump均对DV.50有正相关的显著性影响，Dnozzle为15%、25%时，组间有统计性差异；Dnozzle为35%(表4)时，仅Dpump为40%和100%存在统计性差异，即高低流量之间存在统计性差异。

由表2数据整合处理绘制成图5，为Dpump与Dnozzle不同水平值下的指标数值变化曲线。图5(a)、图5(b)可得，流量或雾化器转速的增大均会导致R增大，即雾滴均匀性变差；但总体低于1.500。结合之前分析，图5(c)、图5(d)可得，Dpump(Dnozzle)任一水平下，DV.50随Dnozzle(Dpump)增大而减小(增大)。即另一因素水平固定时，Dpump越大，雾滴粒径越大；Dnozzle越大，雾滴粒径越小。同时由图5(d) 可得，DV.50的变化主要受Dnozzle进行调节。

(a) 不同流量下的相对跨度R

(b) 不同雾化器转速下的相对跨度R

(c) 不同流量下的体积中值直径DV.50

(d) 不同雾化器转速下的体积中值直径DV.50

2.3 雾滴粒径模型标定试验

根据试验结果绘制散点矩阵图，如图6所示。由于Dpump水平较少，其水平值以不同形状作为标记进入散点图绘制。和2.2节相同结论的部分不再赘述，另有：(1)任一Dpump水平值下，DV.50关于Dnozzle成非线性负相关，相关性强；(2)两指标之间，DV.50与R成负相关，相关性较弱。

图6 散点图矩阵

因此，对试验数据进行SPSS下的非线性回归分析，通过设定关于DV.50的不同模型，不断将所设参数代入损失函数求解，残差平方和达到最小值(最优解)时，迭代中止。

2.2节中已知DV.50主要受Dnozzle调节，因此将Dnozzle的一次项系数与二次项系数、Dpump的一次项系数纳入待选模型，筛选模型为与结果如表5所示。

表5 非线性回归拟合结果Tab. 5 Result of non linear regression imitating method

实际作业中，可控制喷雾时间来改变施药量。若初始雾滴粒径DV.50与流量Dpump均已指定，则可通过所选模型计算得所需Dnozzle；若仅指定初始雾滴粒径DV.50，为获得R值较小的初始雾滴群，Dpump自动设置为30%，并代入所选模型得Dnozzle。

由于代码控制中，线性模型效率高，实施方便。因此选择模型3作为最终标定模型，R2为0.917，高于模型1的0.883，但代码效率接近。可建立非线性回归方程如式(4)所示，上述两种作业情况均可将式(4)转化为关于Dnozzle的线性模型。

DV.50=-171.357Dnozzle+25.069Dpump-

57.712Dpump×Dnozzle+107.265

(4)

其中：14%≤Dnozzle≤36%，30%≤Dpump≤100%。在有效占空比调节范围内，DV.50在46.9～100.3 μm可调，符合实际需求。

3 结论

针对搭载对行间歇施药控制系统的推车式电动离心雾化喷雾机，分别进行了流量、雾化器转速与其控制电机占空比的标定试验、雾滴粒径影响因素试验、雾滴粒径模型标定试验。

1) 流量、雾化器转速与其控制电机占空比均可进行线性拟合，可通过拟合模型由目标流量或雾化器转速得所需控制电机占空比。

2) 针对指标体积中值直径DV.50，仅在雾化器电机占空比为15%(低转速)时，喷雾距离对DV.50有显著性影响；喷雾距离越大，DV.50越小，最大差值仅为6.137 μm，该变量对总变异贡献极小，实际应用时可忽略不计；任一喷雾距离或流量下，雾化器转速对DV.50呈负相关的显著性影响；任一雾化器转速下，泵流量对DV.50呈正相关的显著性影响；DV.50主要受雾化器转速调节。针对指标相对跨度R，雾化器转速或泵流量的增加，均会导致R增大，即降低初始雾滴均匀性，R均不超过1.500。

3) 采用非线性回归法对不同雾化器转速和泵流量下的DV.50进行拟合，得到喷雾距离在0.50～1.00 m下的初始雾滴粒径控制模型，R2为0.917，在有效占空比调节范围内，初始雾滴粒径在46.9～100.3 μm范围可调，满足不同情况下的雾滴粒径需求。