石寶寶，石復習，陳 軍，蔣宗謹，劉世浩

( 西北農(nóng)林科技大學 機械與電子工程學院，陜西 楊凌 712100 )

0 引言

目前，獼猴桃園主要施藥設備有壓力式噴霧器、彌霧機及風送式噴霧機3種。其中，壓力式噴霧器霧滴直徑分布較大，噴施效果差；彌霧機購置成本高昂，行間轉(zhuǎn)移靈活性差，不適合棚架作業(yè)；風送式噴霧機噴施均勻性差，作業(yè)飄灑嚴重，環(huán)境污染嚴重。雙流體霧化是利用一定壓力的空氣或蒸汽，以高速沖擊速度較低的被霧化液體，將其撕裂成細小的液滴。雙流體霧化噴嘴主要用于增濕、冷卻降溫及噴霧涂層等等，具有霧化均勻、霧化粒徑穩(wěn)定區(qū)間大、氣體與液體可獨立控制等特點，便于實現(xiàn)變量施藥，可廣泛應用于果園精準施藥，目前尚未得到廣泛應用[1-4]。

雙流體霧化噴嘴是實現(xiàn)雙流式噴霧的核心部件，其結(jié)構(gòu)簡單、適應性強，對于高黏度和低黏度的液體都有良好的霧化性能，并且在保證霧化效果的基礎(chǔ)上，容易通過調(diào)節(jié)氣壓和液體流量，靈活改變氣壓與液體流量來控制噴施距離、噴施量等特性參數(shù)，從而滿足不同條件的噴施要求[5-7]。將雙流體噴嘴應用于獼猴桃園施藥噴霧，對于降低農(nóng)藥用量，減少藥液飄灑，實現(xiàn)精準變量施藥具有重要作用。

目前，針對雙流體噴施的研究主要有霧滴粒徑、霧滴速度、霧滴個數(shù)、流量、霧化角及噴孔直徑等方面的研究。盧平等在雙流體霧化特性試驗中，利用了PIV測量技術(shù)，測試了不同氣液比下的霧滴粒徑，霧化顆粒平均粒徑隨著氣液比的增加呈現(xiàn)下降趨勢；王貞濤等利用了相位多普勒粒子動態(tài)分析儀測試了噴嘴不同孔徑下的霧滴粒徑和不同工作壓力下的霧滴軸向平均滴速，獲取了噴孔直徑為1.2mm噴嘴具有更好的霧化效果，選用0.3MPa或者0.4MPa的工作壓力較為合適[8-9]。

本文以扇形噴嘴、廣角圓形噴嘴、圓形噴嘴3種雙流體噴嘴為研究對象，根據(jù)獼猴桃果園的架型結(jié)構(gòu)、樹形大小和樹冠密度等作業(yè)條件，在設定氣壓和液體流量條件下，獲取雙流式噴射霧化作業(yè)的控制參數(shù)，探討了氣壓與貫穿距、氣壓與霧化角及氣壓與液體流量的關(guān)系，確定了影響雙流體噴嘴霧化效果的主要因素及最佳控制參數(shù)，為雙流體噴嘴的變量施藥作業(yè)系統(tǒng)的構(gòu)建，提供基礎(chǔ)設計參數(shù)。

1 試驗裝置及方法

1.1 試驗裝置

試驗采用東莞市沙鷗噴霧系統(tǒng)有限公司、D-1/4-SS+SUC23-SS、D-1/4-SS+SUC11-SS、D-1/4-SS+SUK30-SS型號的雙流體霧化噴嘴。試驗臺選用4040鋁型材搭建，噴射控制所需的儀器全部安置于試驗臺上。試驗裝置由行走系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)及液路系統(tǒng)3部分組成。行走系統(tǒng)包括底架等；氣路系統(tǒng)包括空氣壓縮機、氣源處理器、節(jié)流閥、氣體流量計及氣體壓力表等；液路系統(tǒng)包括藥箱、齒輪泵、單向閥、液體流量計、液體壓力表及雙流體噴嘴等。試驗系統(tǒng)裝置示意圖如圖1所示。

1.空氣壓縮機 2.氣源處理器 3.節(jié)流閥 4.氣體流量計 5.氣體壓力表 6.雙流體噴嘴 7.液體壓力表 8.液體流量計 9.單向閥 10.齒輪泵 11.藥箱圖1 試驗系統(tǒng)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of test system

霧化特性研究中，空氣壓縮機和齒輪泵是試驗裝置中的動力源，由氣源處理器進行氣體動力的穩(wěn)定并且調(diào)節(jié)氣壓的大?。还?jié)流閥對氣路系統(tǒng)進行氣體調(diào)節(jié)，產(chǎn)生壓力損失，防止過大氣流將液流頂回去；氣體壓力表和流量計監(jiān)測氣路系統(tǒng)管路中的壓力和流量。液路系統(tǒng)中單向閥可以有效防止液體回流，液體壓力表和流量計監(jiān)測液路系統(tǒng)管路中的壓力和流量。氣液雙流體試驗系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 雙流體試驗系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of twin-fluid test system

霧化特性試驗過程中使用到3種噴嘴，這3種噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)一致，只是空氣帽不同，現(xiàn)給出雙流體扇形噴嘴結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.氣體入口 2.氣體出口 3.擋圈 4.雙流體出口 5.空氣帽 6.液體出口 7.液體入口 8.可調(diào)針閥圖2 雙流體扇形噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of twin-fluid sector nozzle

采用相同的齒輪泵壓力，調(diào)節(jié)噴霧氣壓進行霧化特性試驗，工作氣壓范圍1.5～4.0bar，標準齒輪泵電壓為12V。通過固定泵壓條件下，改變氣壓得到3種雙流體噴嘴的噴射特性參數(shù)，通過壓力表和流量計檢測噴嘴氣體入口和液體入口前的壓力和流量。試驗裝置設定為噴嘴霧化，噴嘴高度距離地面1.2m，與地面水平放置，噴霧時該裝置處于靜止狀態(tài)，通過調(diào)節(jié)氣源處理器實現(xiàn)氣液雙流式變量噴霧。

1.2 試驗方法

以空氣和清水作為工作介質(zhì)進行雙流體霧化試驗研究，將試驗裝置按圖1搭建即可，對于不同氣壓下的霧化特性參數(shù)進行試驗。試驗過程中，保證噴嘴水平分布，噴嘴出口水平噴射，在地面放置皮尺和濕敏紙，可以有效測量貫穿距的大??；在進行霧化角的測量時，噴嘴垂直分布，距離地面高度1.2m，噴霧角度的背景粘貼藍色紙張，便于更好地用相機拍攝圖片。根據(jù)圖2雙流體扇形噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖可知：空氣壓縮機產(chǎn)生的壓縮空氣和清水分別通過氣體入口和液體入口進入噴嘴，隨之產(chǎn)生1路液體，3路氣體，且在空氣帽處混合霧化，形成細小霧滴，最終在雙流體出口處實現(xiàn)噴霧；每次試驗重復3次取平均值，以確保獲得更精確的數(shù)據(jù)。

2 霧化特性試驗

2.1 氣壓對霧化角的影響

霧化角是指霧化流場邊界間的夾角，根據(jù)上述搭建的試驗裝置，將噴嘴垂直布置，豎直向下噴霧，設定齒輪泵電壓值為12V，改變氣壓得到不同霧化條件的角度，固定相機拍攝霧化角圖片。圖3～圖5分別給出了廣角圓形噴嘴、圓形噴嘴、扇形噴嘴在氣壓p為1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0bar下的霧化霧炬圖。

(a) p=1.5bar (b) p=2.0bar

(c) p=2.5bar (d) p=3.0bar

(e) p=3.5bar (f) p=4.0bar圖3 廣角圓形噴嘴霧化霧炬圖Fig.3 Wide angle circular nozzle spray map

(a) p=1.5bar (b) p=2.0bar

(c)p=2.5bar (d) p=3.0bar

(e) p=3.5bar (f) p=4.0bar圖4 圓形噴嘴霧化霧炬圖Fig.4 Circular nozzle spray map

(c) p=2.5bar (d) p=3.0bar

(e) p=3.5bar (f) p=4.0bar圖5 扇形噴嘴霧化霧炬圖Fig.5 Fan nozzle spray torch chart

從圖3～圖5中可以看出：扇形噴嘴的霧化錐角適中，霧炬較為飽滿，霧化顆粒沿霧炬徑向分布較為均勻，且以極細的霧滴形式存在，整體霧化效果良好。其中，在氣壓為2.0bar下霧化角基本最大，當p為2.0bar時，圖3廣角圓形噴嘴的霧錐角最大約55°，霧滴分布有交叉、重疊；圖4圓形噴嘴的霧錐角約為14°；圖5扇形噴嘴約為90°。

將上述噴霧條件下所得的霧化霧炬圖轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)曲線，研究氣壓對霧化角的影響，如圖6所示。在齒輪泵電壓值為12V的情況下，3種噴嘴的霧化角都隨著氣壓的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。在氣壓一定的情況下，扇形噴嘴的霧化角最大，廣角圓形噴嘴的霧化角次之，圓形噴嘴的霧化角最小。

由圖6可以看出：圓形噴嘴在氣壓值為3.5bar時，霧化角為0°，可見在氣壓值為3.5bar及以后圓形噴嘴不再有液體，不適合噴霧；廣角圓形噴嘴在4.0bar時霧化角亦為0°，霧化過程中沒有液體，不適合噴霧；而扇形噴嘴在整個控制氣壓變化范圍內(nèi)都有均勻的霧滴分布，可見在氣壓變化的過程中扇形噴嘴優(yōu)于廣角圓形噴嘴和圓形噴嘴。

圖6 氣壓對霧化角的影響Fig.6 Effect of air pressure on atomizing angle

2.2 氣壓對貫穿距的影響

根據(jù)噴嘴霧化霧炬圖，噴霧從噴嘴到最大彌散處的總距離為貫穿距。測試貫穿距時利用搭建的試驗平臺，將齒輪泵電壓值設定為12V不變，調(diào)節(jié)空氣壓縮機輸出的氣壓，氣壓范圍1.5～4.0bar，利用皮尺和水敏紙的效果測試出對應的貫穿距。

圖7為雙流體扇形噴嘴、廣角圓形噴嘴和圓形噴嘴的氣壓與貫穿距的關(guān)系曲線。調(diào)節(jié)空氣壓縮機輸出氣壓的大小得到噴霧霧滴的貫穿距，為實現(xiàn)變量噴霧提供了對應的數(shù)據(jù)關(guān)系。

將這些數(shù)據(jù)用EXCEL處理，得出3種噴嘴下氣壓與貫穿距的擬合關(guān)系式分別為

L1=-0.2357p12+1.605p1-0.2593

(1)

L2=-1.6p22+7.12p2-5.12

(2)

L3=-2.2571p32+9.7457p3-6.1886

(3)

圖7 氣壓對貫穿距的影響Fig.7 Effect of air pressure on penetration

由圖7可以看出：在液路系統(tǒng)齒輪泵電壓設定為12V不變時，扇形噴嘴、廣角圓形噴嘴和圓形噴嘴的貫穿距均隨著氣壓的增大先增大后減小。其中，圓形噴嘴和廣角圓形噴嘴在氣壓為2.5bar時貫穿距基本最大，扇形噴嘴在氣壓為2.5bar下貫穿距為2.2m，在3.5bar時貫穿距基本達到最大，為2.6m，都符合獼猴桃園的實際情況；在氣壓大于3.5bar時，廣角圓形噴嘴和圓形噴嘴的貫穿距都為0，說明此時噴嘴出口處基本無液體，不適合霧化。但是對于一般的果園來說，一定壓力下的貫穿距就可以保證霧滴的有效穿透性，過大的貫穿距會造成藥液浪費。針對獼猴桃園的樹高、葉幕層等綜合考慮來說，扇形噴嘴優(yōu)于廣角圓形噴嘴和圓形噴嘴，且選用2.5bar的氣壓較為合適。

2.3 氣壓對流量的影響

在液路系統(tǒng)齒輪泵電壓給定12V的情況下，依據(jù)搭建的試驗平臺，調(diào)節(jié)氣源處理器，改變空氣壓縮機的輸出氣壓值，噴嘴的可調(diào)針閥放到最大位置，可以保證液體的最大流量，氣路的節(jié)流閥開到最大，使霧化效果最佳。想要驗證氣路與液路系統(tǒng)之間的相互關(guān)系，氣路控制氣壓，液路控制流量，故此求證氣壓對流量的相關(guān)關(guān)系。圖8為氣壓對液體流量的影響。

圖8 氣壓對液體流量的影響Fig.8 Effect of air pressure on liquid flow

由圖8可以看出：扇形噴嘴、廣角圓形噴嘴和圓形噴嘴這3種噴嘴對應的液體流量都隨著氣壓的增大而減小，減小幅度為扇形噴嘴低于廣角圓形噴嘴和圓形噴嘴。其中，在氣壓一定時，扇形噴嘴的流量最大，廣角圓形噴嘴的流量次之，圓形噴嘴的最小。在氣壓為2.5bar時，扇形噴嘴的流量為0.315L/min，廣角圓形噴嘴的流量為0.233L/min，圓形噴嘴的流量為0.182L/min。改變氣路系統(tǒng)中氣壓的大小，液路系統(tǒng)中液體流量隨著變化，可見該套試驗系統(tǒng)中氣液相互影響，相互制約。

在氣路系統(tǒng)中，噴嘴氣流量的大小決定了空壓機的選型，因此合適的氣路系統(tǒng)必須要有合適的空壓機。在液路系統(tǒng)齒輪泵電壓為12V不變時，調(diào)節(jié)氣源處理器改變空氣壓縮機輸出的氣壓值，得出氣流量的大小。圖9為氣壓對氣流量的影響。

圖9 氣壓對氣體流量的影響Fig.9 Effect of air pressure on gas flow

由圖9可以看出：扇形噴嘴、廣角圓形噴嘴和圓形噴嘴這3種噴嘴對應的氣體流量都隨著氣壓的增大而增大；當氣壓一定時，廣角圓形噴嘴所消耗的氣體流量最大，扇形噴嘴次之，圓形噴嘴最小。由于圓形噴嘴的霧化出口僅有一個圓形口，出口截面積最小，所以對應的氣體流量最?。欢鴱V角圓形噴嘴的出口有6個細小的圓形口，使得出口截面積最大，所以對應的氣體流量最大；扇形噴嘴的雙流體出口為一弧度，截面積處于中間，對應的氣體流量處于中間。當氣壓為2.5bar時，扇形噴嘴的氣體流量為90L/min，廣角圓形噴嘴的氣體流量為98L/min，圓形噴嘴的氣體流量為80L/min，均處于空氣壓縮機額定流量120L/min內(nèi)，滿足試驗要求。

2.4 氣路系統(tǒng)上氣壓的損失

在氣路系統(tǒng)中，有節(jié)流閥的添加及一些管路通路上的儀表通孔，長度不一致的硬質(zhì)管路都造成了氣路系統(tǒng)上的壓力損失，壓力的損失導致氣體流量的減少。在噴霧過程中，節(jié)流閥處于最大開通狀態(tài)，壓力表放置于雙流體噴嘴氣體入口前面，通過比較氣源處理器和氣體壓力表的大小，得到氣路系統(tǒng)整個管路的壓力損失。液路系統(tǒng)上齒輪泵的電壓給定12V，測試氣路系統(tǒng)上3種噴嘴的壓力損失，如圖10所示。

圖10 氣路系統(tǒng)上的壓力損失Fig.10 Pressure loss on the gas path system

根據(jù)圖10氣路系統(tǒng)上的壓力損失可以看出：在氣壓變化范圍內(nèi)圓形噴嘴壓力損失最小，在氣壓為1.5～2.0bar時，扇形噴嘴損失最大，廣角圓形噴嘴次之；在2.0～4.0bar時，廣角圓形噴嘴損失最大，扇形噴嘴次之。

3 結(jié)論

1)在相同的齒輪泵壓力下，噴嘴霧化角的大小隨著氣路系統(tǒng)下氣壓的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，綜合霧化效果和霧化角度，扇形噴嘴優(yōu)于廣角圓形噴嘴和圓形噴嘴。

2)根據(jù)氣壓與貫穿距的試驗結(jié)果對比分析得出：3種噴嘴的貫穿距均隨著氣壓的增大先增大后減小，在氣壓為2.5bar時，貫穿距基本達到最大值；針對獼猴桃園具體形狀尺寸，扇形噴嘴的貫穿距優(yōu)于圓形噴嘴和廣角圓形噴嘴。

3)雙流體噴嘴在霧化過程中，氣路系統(tǒng)中的氣壓對氣體流量和液體流量都有直接的影響，隨著氣壓的增大氣體流量增大，而液體流量隨著氣壓的增大呈現(xiàn)減小的趨勢，氣路與液路系統(tǒng)的壓力和流量相互影響，相互制約。

4)在氣路系統(tǒng)傳輸過程中，空壓機輸出的壓力會在管路與儀表通孔中損失，在氣壓變化范圍內(nèi)圓形噴嘴壓力損失最小。