代秋芳,洪添勝,宋淑然,陳 姍,張 丞(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)電子工程學(xué)院,廣東 廣州 510642;2.國(guó)家柑橘產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系機(jī)械研究室,廣東 廣州 510642;.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院,廣東 廣州 5106422;4.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程基礎(chǔ)教學(xué)與實(shí)訓(xùn)中心,廣東 廣州 510642)
果園管道恒壓噴霧霧滴均勻性試驗(yàn)與分析
代秋芳1,2,洪添勝2,3,宋淑然1,2,陳 姍2,4,張 丞3
(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)電子工程學(xué)院,廣東 廣州 510642;2.國(guó)家柑橘產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系機(jī)械研究室,廣東 廣州 510642;3.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院,廣東 廣州 5106422;4.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程基礎(chǔ)教學(xué)與實(shí)訓(xùn)中心,廣東 廣州 510642)
霧滴均勻性是衡量噴霧效果的重要指標(biāo)之一,探索管道恒壓噴霧中壓力和孔徑對(duì)空心圓錐霧噴頭霧滴均勻性的影響具有重要意義。通過(guò)噴霧性能綜合試驗(yàn)平臺(tái),利用激光粒度儀,測(cè)量管道恒壓噴霧中3種孔徑空心圓錐霧噴頭在8種壓力下的5種霧滴均勻性參數(shù)數(shù)據(jù),獲得霧滴累積分布,分析霧滴的分布和均勻性。結(jié)果表明,在本試驗(yàn)壓力范圍(0.70~1.40 MPa)下,霧滴粒徑較一致,霧滴較均勻;當(dāng)壓力大于0.80 MPa時(shí)霧滴均勻性很好;壓力越大、孔徑越小,霧滴越均勻;D<20 μm的霧滴(均小于0.538%)和D≥100 μm的霧滴(均小于0.325%)可忽略不計(jì),主要為D<60 μm的霧滴(90.132%~99.234%),擴(kuò)散比為0.893~0.916;5種均勻性參數(shù)均隨壓力呈二次多項(xiàng)式變化規(guī)律,R2均在0.984以上;5種均勻性參數(shù)與孔徑和壓力均有良好的二元線性關(guān)系(R2分別為0.952、0.952、0.937、0.850和0.831)。結(jié)果驗(yàn)證了管道恒壓噴霧裝置有助于提高霧滴均勻性,對(duì)管道恒壓噴霧中噴頭的選型、噴霧壓力的設(shè)置及噴霧效果的優(yōu)化有重要參考意義。
果園;管道恒壓噴霧;霧滴均勻性;孔徑;壓力
代秋芳,洪添勝,宋淑然,等. 果園管道恒壓噴霧霧滴均勻性試驗(yàn)與分析[J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué),2016,43(7):164-171.
我國(guó)南方山地果園多,移動(dòng)式噴霧機(jī)械很難進(jìn)入。許多果農(nóng)仍采用背負(fù)式噴霧機(jī)或擔(dān)架式噴霧機(jī)帶長(zhǎng)軟管進(jìn)行噴藥作業(yè),勞動(dòng)強(qiáng)度大,效率低。本研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)的管道恒壓噴霧系統(tǒng)無(wú)需機(jī)具在山地中移動(dòng)行走,可多人同時(shí)作業(yè),具有省力、省工、噴霧效果好等優(yōu)點(diǎn),適合山地果園使用[1-3]。管道噴霧時(shí)管道內(nèi)藥液的壓力隨作業(yè)人數(shù)的不同產(chǎn)生波動(dòng),藥液在管道中流動(dòng)出現(xiàn)壓力損失,導(dǎo)致整個(gè)管網(wǎng)各點(diǎn)壓力各不相同,因此壓力成為影響管道噴霧系統(tǒng)中噴頭霧滴均勻性的最重要因素之一[4-5]。另外,在壓力相同、噴頭類型一樣的情況下,噴頭孔徑也成為影響霧滴均勻性的主要因素。由此可見,在果園管道噴霧中,噴霧壓力和噴頭孔徑是影響霧滴均勻性的重要因素,然而到目前為止,還未見有文獻(xiàn)對(duì)管道噴霧中噴頭霧滴均勻性進(jìn)行詳細(xì)研究。
霧滴均勻性是衡量噴霧質(zhì)量的重要指標(biāo)[6-8],直接影響霧滴的飄移[9]、沉積[10-11]和藥效的發(fā)揮[12]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用各種方法對(duì)霧滴均勻性進(jìn)行評(píng)估,包括利用圖像處理技術(shù)對(duì)霧滴進(jìn)行顯微識(shí)別[13]、利用高速攝像機(jī)結(jié)合數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)霧滴分布和霧滴的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析[14]、利用激光粒度儀測(cè)量霧滴譜[15],同時(shí)對(duì)影響噴頭霧滴均勻性的各種因素進(jìn)行了分析[16-17]。但這些研究大多測(cè)量在較低壓力噴霧時(shí)噴頭的霧滴均勻性參數(shù),大多集中在單因素對(duì)霧滴均勻性的影響方面,而對(duì)適合果園需求的高壓力噴霧時(shí)噴頭霧滴的均勻性研究較少,主要影響因素與霧滴均勻性之間的相關(guān)關(guān)系研究也較少。
由于果園噴霧要求霧滴均勻,霧滴均勻性可根據(jù)噴施對(duì)象的需求進(jìn)行調(diào)節(jié),因此,本試驗(yàn)通過(guò)改變壓力和孔徑,利用激光粒度儀采集霧滴均勻性參數(shù)數(shù)據(jù),研究壓力和孔徑對(duì)霧滴均勻性影響,驗(yàn)證研發(fā)管道恒壓噴霧裝置的重要性,提高噴霧霧滴均勻性,可為果園管道恒壓噴霧中噴頭的選型、噴霧壓力設(shè)置及噴霧效果優(yōu)化提供一定參考。
1.1果園管道恒壓噴霧系統(tǒng)
本團(tuán)隊(duì)研發(fā)的管道恒壓噴霧系統(tǒng)如圖1所示,該設(shè)施在果園埋下管網(wǎng),管網(wǎng)進(jìn)液端配有藥池和恒壓噴藥控制裝置,管道每隔一段距離就安裝上升至地面的立式管,每個(gè)立管在打藥時(shí)再與軟管和噴槍相連接,利用變頻電動(dòng)機(jī)和藥泵,把藥液輸送到果樹旁,人工逐株打藥,可多人同時(shí)作業(yè)。
圖1 果園管道恒壓噴霧系統(tǒng)
圖2 管道恒壓噴霧系統(tǒng)的控制裝置
管道恒壓噴霧系統(tǒng)的控制裝置由柱塞泵、壓力傳感器、變頻電動(dòng)機(jī)、變頻器和控制箱組成(圖2),可使出水口壓力保持恒定,解決了傳統(tǒng)管道噴霧壓力不穩(wěn)定和易爆管等問(wèn)題。管道恒壓噴霧裝置中的關(guān)鍵技術(shù)是利用自整模糊PID算法對(duì)管道中藥液壓力進(jìn)行調(diào)控。因此,本研究結(jié)果可驗(yàn)證管道恒壓噴霧系統(tǒng)保持壓力恒定的重要性,也為噴霧時(shí)控制裝置中壓力的設(shè)定和優(yōu)化控制提供了參考。
1.2霧滴均勻性描述參數(shù)
DR:擴(kuò)散比(Diffusion ratio,DR)是衡量霧滴均勻性能的指標(biāo)之一。DR越接近于1,表示霧滴的粒徑越均勻;DR不小于0.67,表明噴霧質(zhì)量較好;DR大于0.90,則表明噴霧質(zhì)量很好[18]。
DW:霧滴譜寬度(droplets spectral width,DW),霧滴譜寬度越窄,霧滴越均勻。
RS:相對(duì)霧滴譜寬度(relative droplets spectral width,RS),描述粒度分布的相對(duì)寬度或不均勻程度,RS越小越好,理想為0。計(jì)算公式如下:式中,NMD為粒徑中值,指取樣霧滴的個(gè)數(shù)按霧滴大小順序進(jìn)行累計(jì),其累計(jì)值為取樣霧滴個(gè)數(shù)總和的50%所對(duì)應(yīng)的霧滴直徑;D10為顆粒累積分布為10%的粒徑,指取樣霧滴的體積按霧滴大小順序進(jìn)行累計(jì),其累計(jì)值為取樣霧滴體積總和的10%所對(duì)應(yīng)的霧滴直徑,即小于此粒徑的顆粒體積含量占全部顆粒的10%;D50為顆粒累積分布為50%的粒徑;D90為顆粒累積分布為90%的粒徑。
1.3試驗(yàn)裝置
噴霧性能綜合試驗(yàn)平臺(tái):Autobona WFS-II噴霧性能綜合試驗(yàn)平臺(tái)可測(cè)量噴頭的壓力、流量、噴霧角、噴灑的均勻性、水泵消耗功率和霧滴參數(shù)。本試驗(yàn)主要用平臺(tái)中的變頻器、壓力傳感器、試液循環(huán)系統(tǒng)和激光粒度儀測(cè)量噴頭霧滴均勻性參數(shù)來(lái)分析霧滴均勻性。
激光粒度儀:Winner318B激光粒度儀可測(cè)定霧滴均勻性參數(shù)。該儀器的激光器為綠色激光器,功率30 mW;波長(zhǎng)532 nm,量程為15~711 μm;準(zhǔn)確性誤差<3%;重復(fù)性誤差<3%。儀器采用信息光學(xué)原理,通過(guò)測(cè)量顆粒群的散射譜分析其粒度分布和均勻性。
拉絲??讖綔y(cè)量?jī)x:拉絲??讖綔y(cè)量?jī)x可測(cè)量噴頭孔徑。測(cè)量?jī)x將光學(xué)與數(shù)碼、軟件相結(jié)合,在軟件中對(duì)孔徑、孔型進(jìn)行測(cè)量,可得出圓孔的半徑、直徑、真圓度。測(cè)量?jī)x的分辨率:0.1 μm;重復(fù)精度:±0.5 μm;測(cè)量范圍:0.05~30 mm;變倍方式:連續(xù)變倍;最大倍率:800倍。
1.4試驗(yàn)方法
試驗(yàn)在噴霧性能綜合試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行,對(duì)Lechler TR80系列噴頭(圖3)的霧滴均勻性參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。該系列噴頭是一種帶陶瓷芯的空心圓錐霧噴頭,共3種型號(hào),分別為TR80-01C、TR80-02C和TR80-03C,壓力范圍0.3~2.0 MPa,高耐磨,耐化學(xué)藥劑,有極細(xì)霧滴譜,適用于壓力要求較高的山地果園管道恒壓噴霧系統(tǒng)。由于預(yù)試驗(yàn)中,壓力小于0.70 MPa時(shí),霧滴均勻性很差,DR均小于1,因此本試驗(yàn)在噴霧壓力大于0.70 MPa時(shí)進(jìn)行,調(diào)節(jié)壓力在0.70~1.40 MPa變化,步進(jìn)0.10 MPa;試驗(yàn)用水為清水;用拉絲??讖綔y(cè)量?jī)x測(cè)得TR80-01C、TR80-02C、TR80-03C噴頭孔徑分別為1.0、1.4、1.8 mm。
圖3 Lechler TR80噴頭
用激光粒度儀對(duì)噴頭中軸線上距噴嘴15 cm處?kù)F滴顆粒群的散射譜進(jìn)行測(cè)量,得到霧滴能譜數(shù)據(jù),再將能譜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為霧滴均勻性參數(shù)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)前用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(直徑25 μm)進(jìn)行標(biāo)定。為去除背景光影響,每次測(cè)量前先測(cè)試背景10次再進(jìn)行樣品測(cè)試。本試驗(yàn)對(duì)樣品連續(xù)測(cè)量100次得到100條測(cè)試數(shù)據(jù)(100個(gè)時(shí)刻),取平均值,作為每種工況下樣品的測(cè)試數(shù)據(jù)。
1.5數(shù)據(jù)處理
試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用Excel 2007軟件進(jìn)行處理,利用SPSS 16.0進(jìn)行二元線性分析,利用origin 9.0進(jìn)行繪圖及曲線擬合。能譜數(shù)據(jù)向霧滴均勻性參數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)產(chǎn)生的計(jì)算誤差稱為擬合誤差,本試驗(yàn)擬合誤差均小于0.012,符合試驗(yàn)要求。
2.1霧滴累積分布情況分析
在0.70~1.40 MPa壓力下,3種噴頭的霧滴累積分布見圖4。從圖4可以看出,TR80-01C、TR80-02C、TR80-03C噴頭的霧滴較均勻,粒徑D<20 μm的霧滴占比很?。ň∮?.538%),可以忽略不計(jì);D<40 μm的霧滴分別為84.314%~93.374%、82.778%~91.514%、79.659%~90.221%;D<60 μm的霧滴分別為94.928%~99.234%、92.510%~98.101%、90.132%~97.144%;D<80 μm的霧滴分別為99.092%~99.889%、98.374%~99.703%、97.535%~ 99.389%;D<100 μm的霧滴分別為100%、100%、99.675%~100%;D≥100 μm的霧滴很少(均小于0.325%),可忽略不計(jì)??梢?,壓力越大、孔徑越小,霧滴累積分布更集中,霧滴更均勻。
2.2霧滴均勻性變化趨勢(shì)分析
為詳細(xì)了解霧滴均勻性參數(shù)的變化趨勢(shì),利用Origin分別繪出能反映霧滴均勻性的5種參數(shù)隨壓力變化的曲線,從圖5可以看出,噴霧壓力在0.70~1.40 MPa變化時(shí),3種噴頭的霧滴均勻性發(fā)生了以下變化:
(1)霧滴粒徑較為一致。其中小部分霧滴粒徑為50 μm≤D≤100 μm,TR80-01C、TR80-02C、TR80-03C噴頭此類霧滴占比分別為<8%、<11%、<13%;大部分霧滴D<50 μm,TR80-01C、TR80-02C、TR80-03C噴頭此類霧滴占比分別為>92%、>89%、>86%;隨著壓力增大、孔徑減小,3種噴頭50 μm≤D ≤100 μm的霧滴占比均稍變小,D<50 μm的霧滴占比均增大,霧滴亦越均勻。
圖4 不同壓力下霧滴的累積分布
圖5 壓力對(duì)噴頭霧滴均勻性參數(shù)的影響
(2)TR80-01C、TR80-02C、TR80-03C噴頭的DR變化范圍分別為0.903~0.916、0.899~0.914、0.893~0.911,DW變化范圍分別為13.097~18.066、13.636~25.593、14.150~34.566 μm,RS變化范圍分別為0.556~0.428、0.801~0.442、1.070~0.457。壓力越大、孔徑越小,導(dǎo)致DR越大、DW和RS越小,表明霧滴越均勻。這是由于壓力越大,液體噴出的初速度就越大,噴孔中液體擾動(dòng)程度及噴出后所受到的空氣介質(zhì)阻尼也越大,霧滴破碎更充分;噴孔越小,液體噴出時(shí)受到更大的節(jié)流,噴孔內(nèi)擾動(dòng)增加,霧滴破碎更充分。本試驗(yàn)DR均不小于0.67且接近于1,RS均接近于0,表明霧滴均較均勻,噴灑質(zhì)量均良好。
(3)當(dāng)壓力大于0.80 MPa時(shí),霧滴DR均大于0.90,噴霧效果較理想。
2.3基于壓力的均勻性參數(shù)模型
以TR80-01C、TR80-02C、TR80-03C噴頭為研究對(duì)象,利用Excel中的數(shù)據(jù)分析工具,經(jīng)曲線回歸依次分析5種均勻性參數(shù)隨壓力的變化規(guī)律。在進(jìn)行多項(xiàng)式回歸時(shí),同時(shí)利用線性函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、對(duì)數(shù)函數(shù)和冪函數(shù)進(jìn)行回歸分析,這些函數(shù)的決定系數(shù)均比多項(xiàng)式回歸的決定系數(shù)小,因此采用多項(xiàng)式表示各均勻性參數(shù)隨壓力的變化規(guī)律。以噴霧壓力為橫坐標(biāo)(x)、均勻性參數(shù)為縱坐標(biāo)(y),壓力取值為0.80~1.40 MPa,步進(jìn)0.10 MPa,得到3種型號(hào)噴頭的5種均勻性參數(shù)與噴霧壓力的擬合曲線(表1)。從表1可以看出,霧滴的均勻性參數(shù)隨壓力的變化規(guī)律均能用二次多項(xiàng)式表示,且回歸均具有較高相關(guān)系數(shù),決定系數(shù)R2均達(dá)0.984以上;霧滴的均勻性與壓力和孔徑密切相關(guān),5種均勻性參數(shù)的變化趨勢(shì)與壓力和孔徑的變化趨勢(shì)基本一致,具有很強(qiáng)的相關(guān)性。
2.4基于壓力和孔徑的二元線性模型
用SPSS軟件進(jìn)行二元線性回歸分析,其中,壓力取值范圍為0.80~1.40 MPa,步進(jìn)0.1MPa;孔徑取值范圍為1.0~1.8 mm,步進(jìn)0.4 mm。從表2~表4可以看出:(1)回歸模型的決定系數(shù)R2、調(diào)整決定系數(shù)RC2均較高,其中50 μm≤D≤100 μm的霧滴占比、D<50 μm的霧滴占比以及DR、DW、RS的決定系數(shù)R2分別為0.952、0.952、0.937、0.850和0.831,說(shuō)明回歸方程擬合優(yōu)度較高,符合擬合要求。
表1 霧滴均勻性參數(shù)的曲線擬合
(2)由F檢驗(yàn)可知,所有均勻性參數(shù)的回歸方程均有顯著值P=0.000<0.01,即拒絕H0∶b1= b2=0的假設(shè),表明50 μm≤D≤100 μm的霧滴占比、D<50 μm的霧滴占比以及DR、DW、RS與孔徑和壓力之間均存在極顯著線性回歸關(guān)系。
表2 回歸方程擬合
(3)由t檢驗(yàn)可知,50 μm≤D≤100 μm的霧滴占比、D<50 μm的霧滴點(diǎn)比以及DR、DW、RS的回歸系數(shù)b0、b1和b2均有顯著值P=0.000<0.01,即拒絕H0∶b0=0、H0∶b1=0和H0∶b2=0的假設(shè),表明方程的回歸系數(shù)b0(常數(shù)項(xiàng))、b1(孔徑系數(shù))和b2(壓力系數(shù))影響均極顯著。
回歸通過(guò)了F檢驗(yàn)和t檢驗(yàn),且擬合優(yōu)度較高,表明本試驗(yàn)建立的霧滴均勻性參數(shù)與壓力和孔徑的多元回歸模型是準(zhǔn)確的。
表4 擬合的回歸系數(shù)及t檢驗(yàn)
本試驗(yàn)主要圍繞果園管道恒壓噴霧霧滴的均勻性進(jìn)行,通過(guò)測(cè)量管道恒壓噴霧中3種孔徑空心圓錐霧噴頭在8種壓力下的5種霧滴均勻性參數(shù)數(shù)據(jù),得出以下結(jié)論:(1)Lechler TR80-01C、TR80-02C和TR80-03C型噴頭在0.70~1.40 MPa壓力下,霧滴粒徑較一致,霧滴較均勻,當(dāng)噴霧壓力大于0.80 MPa時(shí),霧滴很均勻。其中,D<20 μm的霧滴(<0.538%)和D≥100 μm的霧滴(均<0.325%)可忽略不計(jì),D<60 μm的霧滴占90.132%~99.234%;DR 為0.893~0.916;DW為13.097~34.566 μm;RS為0.428~1.070。(2)壓力越大、孔徑越小,霧滴越均勻。(3)50 μm≤D≤100 μm的霧滴占比、D<50 μm的霧滴占比以及DR、DW和RS均隨壓力呈現(xiàn)二次多項(xiàng)式變化規(guī)律,建立了5個(gè)均勻性參數(shù)的二次多項(xiàng)式模型,決定系數(shù)R2均達(dá)0.984以上。(4)50μm≤D≤100 μm的霧滴占比、D<50μm的霧滴占比以及DR、DW 和RS與孔徑和壓力均為二元線性關(guān)系,建立了5個(gè)均勻性參數(shù)的二元線性模型,模型決定系數(shù)R2分別為0.952、0.952、0.937、0.850和0.831。(5)驗(yàn)證了研發(fā)管道恒壓噴霧裝置的重要性,對(duì)管道恒壓噴霧中噴頭的選型、噴霧壓力的設(shè)置及噴霧效果的優(yōu)化具有指導(dǎo)意義。壓力和孔徑對(duì)霧滴其他參數(shù)的影響、其他果園用噴頭霧滴均勻性參數(shù)的變化規(guī)律和實(shí)際農(nóng)藥對(duì)霧滴均勻性參數(shù)的影響有待進(jìn)一步研究。
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(責(zé)任編輯 鄒移光)
Test and analysis of droplet uniformity for pipeline constant pressure spray in orchards
DAI Qiu-fang1,2,HONG Tian-sheng2,3,SONG Shu-ran1,2,CHEN Shan2,4,ZHANG Cheng3
(1. College of Electronic Engineering,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,China;2. Division of Citrus Machinery,China Agriculture Research System,Guangzhou 510642,China;
3. College of Engineering,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,China;4. Engineering Foundational Teaching and Training Center,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,China)
Droplet uniformity is one of the key measures of spray effect,and it is important to study the influences of pressure and pore diameter on droplet uniformity of hollow cone nozzle in pipeline constant spray. Two important aspects were researched with spray performance by test platform and laser particle analyzer,five parameters of droplet uniformity under three types of pore diameter and eight types of pressure were mearsured to get the cumulative distribution of droplet,and analyze the distribution and uniformity. The results showed that,under the testing pressure (0.70-1.40 MPa),droplet diameter was consistent and droplet was uniform. When the pressurewas more than 0.80 MPa,the spray effect was very high. The higher the pressure was,and the smaller the pore diameter of nozzle was,the more uniform the droplets would be. Droplets with diameter less than 20 μm (<0.538%)and more than 100 μm (<0.325%) could both be neglected,and the main droplets diameter was less than 60 μm (90.132%-99.234%). Diffusion ratio of droplets was 0.893-0.916. The relationships between five types of droplet uniformity parameters and pressure could all be described by quadratic polynomial equations (R2 were all more than 0.984),and meanwhile,five types of droplet uniformity parameters influenced by pressure and pore diameter could all meet the binary linear equations (R2was 0.952,0.952,0.937,0.850 and 0.831). The results verified that pipeline constant pressure spray could improve droplets uniformity,and meanwhile they provided valuable
for selecting nozzle,setting spray pressure and optimizing spray effect of pipeline constant pressure spray in orchards.
orchard;pipeline constant pressure spray;droplet uniformity;pore diameter;spray pressure
S275.3;S49
A
1004-874X(2016)07-0164-08
2016-04-11
廣東省自然科學(xué)基金(2015A030310398);國(guó)家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)(CARS-27);國(guó)家公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201203016);廣東省“揚(yáng)帆計(jì)劃”引進(jìn)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)專項(xiàng)(201312G06);廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2015B090901031)
代秋芳(1979-),女,博士,講師,E-mail:daiqiufang@scau.edu.cn
洪添勝(1955-),男,博士,教授,E-mail:tshong@scau.edu.cn