李建平, 茹 煜, 倪佳勝, 陳旭陽, 夏達明

(南京林業(yè)大學(xué) 機械電子工程學(xué)院， 江蘇 南京 210037)

果樹病蟲害會影響果樹的正常生長和發(fā)育，造成果品產(chǎn)量減少及果品品質(zhì)降低，所以需要定期向果樹噴灑農(nóng)藥[1].目前風(fēng)送式果園噴霧機是最常用的作業(yè)裝備，但由于果園樹冠密度較大，常規(guī)的噴霧霧滴沉積效果不理想，霧滴飄移嚴(yán)重[2-4]，而靜電噴霧技術(shù)具有增加植物葉片背部的沉積效率、節(jié)水省藥等優(yōu)勢[5].因此，風(fēng)送式果園靜電噴霧機應(yīng)用靜電噴霧技術(shù)可以改善傳統(tǒng)噴霧霧滴穿透性不足、沉降效果不好的問題，提高農(nóng)藥的利用率[6-9].

文獻[10]對果園風(fēng)送靜電噴霧機進行了帶電霧滴和非帶電霧滴的沉積研究, 研究表明帶電霧滴沉積效果明顯更好；文獻[11]研制出果園自動對靶靜電噴霧機, 與普通的風(fēng)送式果園噴霧機相比, 節(jié)省農(nóng)藥50%～70%，目標(biāo)沉積增加兩倍多；在靜電霧化理論的研究方面，文獻[12]通過建立靶區(qū)和靶標(biāo)沉積量隨噴頭水平距離變化的數(shù)學(xué)模型來探究靜電噴霧霧滴的沉積特性，得出荷質(zhì)比隨靜電電壓的增加而增加，增強靜電電壓可以提高沉積面積；文獻[13]利用Fluent軟件對單個靜電噴頭的靜電場進行分析，選擇了不同充電電壓以及不同電極間距時的靜電場分布情況進行分析，結(jié)果得出較高電壓有利于感應(yīng)充電；文獻[14]運用激光粒度分析儀和粒子圖像測速(PIV)對風(fēng)送式靜電噴桿霧化噴頭的霧滴沉積性能以及漂移性能做了研究，試驗表明:增大充電電壓，荷質(zhì)比先增大后趨于穩(wěn)定，提高噴霧壓力可使霧滴粒徑變小且霧滴運動速度增大；文獻[15]則利用Maxwell軟件對單個噴嘴的靜電場進行數(shù)值模擬，以此了解荷電噴霧中環(huán)形電極誘導(dǎo)的靜電場分布特性.

隨著人們對果品數(shù)量和質(zhì)量的要求越來越高，一些大面積種植的果園，諸如葡萄園、梨園、蘋果園等果品基地為了提高結(jié)果率，常采用果園支撐架使枝條定向生長，形成低矮種植模式.但是適應(yīng)果樹形態(tài)、工作效率高、霧滴沉積效果好的果園靜電噴霧機還較為缺乏.因此，文中以適用于Y型定向生長果樹的梯形果園風(fēng)送靜電噴霧機為研究對象，探究不同參數(shù)對果園靜電噴霧機的影響，利用Fluent軟件建立多噴頭噴霧仿真模型，并結(jié)合樣機試驗研究，探究不同工作參數(shù)對霧滴荷電特性和霧化性能的影響，得到最優(yōu)參數(shù)組合，為后續(xù)果園靜電噴霧機的設(shè)計與參數(shù)優(yōu)化提供參考.

1 梯形風(fēng)送式果園靜電噴霧機

梯形風(fēng)送式果園靜電噴霧機主要由履帶底盤、機架、梯形噴霧裝置、風(fēng)送系統(tǒng)、靜電噴霧系統(tǒng)、動力系統(tǒng)組成，其中梯形噴霧裝置主要由兩塊相互平行的擋板，通過上下兩塊鋼板焊接在一起組成殼體，其中一面通過螺栓固定在機架尾部，另一面是橢圓型的進風(fēng)口，殼體兩側(cè)的出風(fēng)口是由一排相互垂直于兩側(cè)鋼板的支撐桿固定，用來安裝靜電噴頭.風(fēng)送系統(tǒng)采用軸流風(fēng)機為主體，安裝在梯形噴霧裝置軸心處，并設(shè)計有導(dǎo)流板，可以減小風(fēng)送時的阻力，增大出口風(fēng)速.

靜電噴霧系統(tǒng)由液泵、噴桿、靜電噴頭、高壓靜電發(fā)生器、蓄電池等組成.靜電噴頭采用2組圓錐型靜電噴頭，沿梯形噴霧裝置兩側(cè)出風(fēng)口呈弧形分布，每側(cè)布置8個，單個噴頭的噴射角是80°，蓄電池為高壓發(fā)生器供電，高壓靜電發(fā)生器的負(fù)極輸出端通過高壓導(dǎo)線與2組靜電噴頭電極相連，正極與牽引機架相連并接地.整機的結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 果園靜電噴霧機整機示意圖

工作時，果園靜電噴霧機將藥液霧化后經(jīng)過充電電極使霧滴帶電，并在風(fēng)力的作用下二次霧化，由靜電力和風(fēng)力將霧滴送到植株上，從而增加霧滴附著性能、減少農(nóng)藥流失.具體工作過程為發(fā)動機驅(qū)動液壓泵，液壓泵帶動高壓水泵和軸流風(fēng)機的轉(zhuǎn)動，藥箱的藥液由輸液管流進噴桿，最后從各自噴頭中向外噴出，藥液首先被液力霧化成霧滴，然后霧滴經(jīng)感應(yīng)荷電，在靜電力的作用下沿著電力線朝著植物目標(biāo)運動，到達葉片的正面和背面，保證了藥液的有效利用率，減少了飄移損失量.

2 感應(yīng)電場和噴霧特性仿真分析

2.1 仿真模型

仿真模型如圖2所示，長、寬、高分別為2 000、800、1 000 mm，感應(yīng)電極為大側(cè)半徑30 mm、小側(cè)半徑18 mm、錐角40°的圓錐形電極(見圖3)，距噴頭軸向1 200 mm處布置圓柱面靶標(biāo)，中間噴頭中心位于坐標(biāo)原點，其余噴頭與中間噴頭間距為100、150和200 mm，模型建立完之后導(dǎo)入ICEM CFD16.0中進行網(wǎng)格劃分，根據(jù)全局網(wǎng)格尺寸控制網(wǎng)格數(shù)量，在電極與圓柱體處進行網(wǎng)格加密處理.

圖2 計算域模型

圖3 圓錐形電極模型簡化圖

2.2 邊界條件

文中以充電電壓6 kV和噴霧水壓0.5 MPa時作為邊界條件，采用k-epsilon中的Realizable模型，啟動Fluent中Energy和Species模塊，噴霧口設(shè)置為液體速度入口，出口選擇outflow，出口流速8 m·s-1.啟動Fluent中DPM模塊，選擇泰勒破碎模型，材料為water，噴霧角為80°，噴霧壓力為0.5 MPa，流量為0.6 L·min-1，顆粒流數(shù)量設(shè)置為50，采用Eulerian-Lagrangian耦合算法.利用UDF來加載電場力，充電電壓設(shè)置為8 kV，霧滴的電荷量密度設(shè)置為0.2 C·m-3，環(huán)形電極材料設(shè)置為 steel.

2.3 仿真結(jié)果分析

2.3.1靜電噴頭間距對電場強度的影響

在充電電壓為8 kV、出口風(fēng)速為20 m·s-1的條件下，仿真研究了噴頭間距為100、150和200 mm 3種不同條件下對電場強度的影響.圖4是距噴頭軸向距離50 mm平面上的電場強度E分布云圖，此截面上的噴頭間距100、150和200 mm的平均電場強度分別為770.60、959.29和726.97 V·m-1.

圖4 距噴頭軸向距離50 mm平面上的電場強度分布

圖5是不同噴頭間距沿徑向(z)電場強度分布曲線.

圖5 不同噴頭間距沿徑向電場強度分布

從圖5中可以看出，距離噴嘴電極越近電場強度越大，距噴嘴20 mm范圍內(nèi)是最佳荷電區(qū)域，離噴嘴越遠(yuǎn)，電場強度衰減速度越快，因此霧滴充電過程主要集中在噴嘴電極附近.當(dāng)噴頭間距從200 mm減小到150 mm時，噴嘴10 mm范圍內(nèi)電場強度升高，說明電極間距越小，空間電場強度疊加得越均勻.噴頭間距進一步減小到100 mm時，可以看出電場強度反而降低，說明過近的電極間距會造成噴頭與電極之間絕緣程度的下降，從而導(dǎo)致電場強度的降低.因此在這3種噴頭間距條件下，150 mm的靜電噴頭間距荷電效果最好.

2.3.2充電電壓對噴霧沉積的影響

通過靶標(biāo)圓柱體表面的液膜沉積厚度來探究不同充電電壓對噴霧沉積的影響.在噴霧壓力0.5 MPa，噴霧流量0.6 L·min-1，流速20 m·s-1氣流輔助的條件下，設(shè)定0、6、8和10 kV 4組電壓，獲得靶標(biāo)圓柱體表面的液膜圖，如圖6所示.充電電壓0、6、8和10 kV在靶標(biāo)上的最大沉積厚度分別為7.87×10-6、1.40×10-5、2.10×10-5和1.90×10-5m，可以發(fā)現(xiàn)，帶電噴霧的沉積效率大于非帶電噴霧，帶電噴霧的沉積圖案更分散，噴灑更為均勻，適當(dāng)增加電壓，可以強化電場強度，進而提高霧滴的荷電效果，當(dāng)電壓為8 kV時，沉積量最大，噴霧沉積效果最好.

圖6 靶標(biāo)圓柱面液膜圖

2.3.3充電電壓對噴霧軌跡的影響

在噴霧壓力0.5 MPa、噴霧角80°、噴霧流量0.6 L·min-1的條件下，設(shè)計充電電壓為0、6、8和10 kV，探究充電電壓對噴頭噴霧軌跡的影響.噴霧器周圍的邊界被視為入口，提供20 m·s-1的空氣氣流流入，目標(biāo)圓柱體被視為吸收液滴的靶標(biāo)，且電勢為0的接地導(dǎo)體.圖7是不同充電電壓下的霧滴軌跡云圖，由圖可以看出：不帶電的液滴對氣流的跟隨性強，形成一條狹窄的羽流，該羽流撞擊目標(biāo)圓柱體的中心，并圍繞圓柱體流動，靶標(biāo)捕捉率較低；而當(dāng)增大充電電壓后，霧滴荷電能力增強，荷電能力強的液滴由于同種電荷相互排斥而形成更寬的羽狀，流經(jīng)圓柱體靶標(biāo)時，向目標(biāo)彎曲，靶標(biāo)捕捉率明顯提高.

圖7 充電電壓對霧滴軌跡的影響

3 霧滴沉積性能試驗

3.1 試驗裝置及參數(shù)

試驗對象采用如圖8所示的自主研發(fā)設(shè)計的梯形風(fēng)送果園噴霧機，主要技術(shù)參數(shù)為整機外形尺寸(長×寬×高) 2 550 mm×1 200 mm×1 390 mm，油箱容積30 L，藥箱容積500 L，輸出功率12 kW，轉(zhuǎn)速3 600 r·min-1，行走速度1～6 km·h-1，傾側(cè)能力<18°，爬坡能力<25°，蓄電池80 Ah 12 V.

圖8 試驗所用噴霧機

霧滴沉積測試系統(tǒng)由電腦、USB無線連接器、數(shù)據(jù)接收節(jié)點及天線、傳感器節(jié)點及天線共同組成，測試裝置選用北京農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心開發(fā)的iDAS霧滴沉積傳感器，傳感器根據(jù)電容變化來分析沉積量，利用風(fēng)速儀(Testo 416)測量出口風(fēng)速.

在作業(yè)過程中，影響果園噴霧機噴霧效果的主要因素有出口風(fēng)速、充電電壓和行駛速度3個因素.根據(jù)樹苗的高度和噴霧機霧化裝置到達葉片的距離，試驗方案中出口風(fēng)速設(shè)計為10、20和30 m·s-13個水平；充電電壓設(shè)計為6 000、8 000和10 000 V 3個水平；行駛速度設(shè)計為0.3和0.5 m·s-12個水平.

3.2 采樣點布置

進行采樣點布置時，隨機選擇兩棵相鄰樹苗A和B作為試驗對象，果樹高度在3.5 m，樹枝成Y字形生長，將Y形梨樹等分成6份，根據(jù)樹葉靠近噴霧機的距離分成前枝和后枝，每棵樹布置6個傳感器，共布置12個傳感器節(jié)點，采樣點各區(qū)域傳感器布置情況如圖9所示.

圖9 噴霧試驗示意圖

3.3 試驗數(shù)據(jù)處理方法

試驗采用無線傳感法，在試驗前運行霧滴沉積監(jiān)測傳感器軟件，記錄并顯示霧滴沉積量數(shù)據(jù)，利用iDAS霧滴沉積傳感器來檢測噴霧霧滴的沉積量.根據(jù)傳感器收集到的數(shù)據(jù)，每個傳感器共有藍(lán)、黃、紅3條變化曲線，分別為沉積量實時變化曲線、累積沉積量變化曲線和累積蒸發(fā)量變化曲線.文中通過提取在試驗結(jié)束時傳感器葉片上的累積沉積量的數(shù)據(jù)，繪制點線圖，對比分析各個變量對果園靜電噴霧霧滴沉積的影響規(guī)律.

3.4 結(jié)果分析

3.4.1霧滴沉積試驗分析

行駛速度0.3 m·s-1、3種出口風(fēng)速條件下的霧滴沉積量變化折線圖如圖10所示.從圖10a中可見，在相同車速和出口風(fēng)速時，充電電壓增大可以增加霧滴在葉片的總體沉積量，提高霧滴穿透性.在充電電壓為6 kV時，前3個測量點(即前枝)的霧滴沉積量遠(yuǎn)高于后3個測量點(即后枝)，造成霧滴在前枝大量沉積的現(xiàn)象，隨著充電電壓增加到8 kV時，前枝霧滴沉積量逐漸增加，總體變化不大，但后枝葉片霧滴沉積量明顯提高，以第4個測量點為例，該點的霧滴沉積量由5 422.85 μg增加到7 685.17 μg，沉積量提高了41.7%，說明霧滴經(jīng)圓錐管狀電極產(chǎn)生的高壓靜電場后, 被感應(yīng)荷電, 通過適當(dāng)增加電壓, 可以強化電場強度, 提高霧滴的荷電效果，增加霧滴穿透性能.但當(dāng)電壓大于8 kV時，可以看出霧滴總體沉積量反而下降，主要是由于霧滴荷電飽和，霧滴的荷電效果也被削弱.從圖10b、c可以看出，在出口風(fēng)速20和30 m·s-1的條件下，沉積量隨電壓的變化規(guī)律是相近的，電壓為8 kV時，霧滴荷電效果最好，霧滴穿透性強，沉積量最大.

圖10 不同出口風(fēng)速下霧滴沉積量變化情況

在保持充電電壓和行駛速度不變時，通過比較3幅折線圖可以看出，隨著出口風(fēng)速的增大，在同一電壓條件下，6個測量點的霧滴沉積量都是呈先增大后減小的趨勢，以電壓6 kV、第1個測量點為例，出口風(fēng)速10 m·s-1時，該點的霧滴沉積量為20 037.00 μg，霧滴的沉積量隨噴霧距離的增大而減小，且減小幅度較為明顯，后枝的沉積顯著不足，隨著出口風(fēng)速增加到20 m·s-1時，該點的霧滴沉積量提高到24 774.00 μg，霧滴的沉積量明顯增加，且后枝的沉積效果也有所改善，當(dāng)出口風(fēng)速增加到30 m·s-1時，霧滴沉積量減少到了22 133.00 μg，原本沉積在葉片上的霧滴被吹落到地面，導(dǎo)致霧滴總體的沉積量反而減少.同樣在電壓8、10 kV條件下，每個測量點霧滴沉積量趨勢也是相似的，呈先增后減.因此，出口風(fēng)速在20 m·s-1左右時，霧滴沉積效果最好，風(fēng)速大于20 m·s-1會導(dǎo)致霧滴吹落，降低沉積量.

3.4.2行駛速度對霧滴沉積的影響

電壓和出口風(fēng)速相同時，不同行駛速度下霧滴沉積量變化如圖11所示.在車速0.3和0.5 m·s-1時，可以看出，充電電壓和出口風(fēng)速相同時，改變行駛速度對于沉積量的影響不明顯，3幅圖的軌跡基本相同，以圖11a的第1個測量點為例，車速0.3和0.5 m·s-1時霧滴沉積量分別為20 037.17和19 625.81 μg，沉積量差距不大，基本受風(fēng)速與電壓影響，作業(yè)速度上沒有體現(xiàn)出有規(guī)律性特征，因此可選擇0.5 m·s-1的作業(yè)速度來提高工作效率.

圖11 不同行駛速度下霧滴沉積量變化情況

3.4.3多因素方差分析

利用SPSS軟件進行果園靜電噴霧機的多因素方差分析，表1是不同因素對霧滴沉積影響分析表.從表中可以看出，出口風(fēng)速、充電電壓和噴霧距離3個因素P值均遠(yuǎn)小于0.05，說明對霧滴沉積有顯著影響，且為正相關(guān)；行駛速度的P=0.079>0.05，說明行駛速度對霧滴沉積無顯著影響，行駛速度與霧滴沉積為負(fù)相關(guān).通過對比偏Eta方可以得出各因素對霧滴沉積量的影響程度，綜上分析可知，試驗中設(shè)置的參數(shù)對霧滴沉積量的影響大小順序為噴霧距離、出口風(fēng)速、充電電壓、行駛速度.

表1 不同因素對霧滴沉積影響分析表

4 結(jié) 論

1) 利用Fluent軟件建立了靜電噴霧流場、離散場和電場耦合模型，分析了噴頭間距、充電電壓對于感應(yīng)電場和噴霧流場的影響，結(jié)果表明：帶電噴霧的沉積圖案更分散，噴灑更為均勻，并且增大充電電壓后，噴霧流經(jīng)圓柱體靶標(biāo)時向目標(biāo)彎曲，靶標(biāo)捕捉率明顯提高；霧滴充電過程主要集中在噴嘴電極附近，噴嘴20 mm范圍內(nèi)是最佳荷電區(qū)域，電極間距越小，空間電場強度疊加的越均勻，但過近的電極間距會造成噴頭與電極之間絕緣程度的下降，充電電壓8 kV、噴頭間距150 mm時霧滴荷電效果最好，沉積量最大.

2) 沉積性試驗結(jié)果表明：充電電壓增大可以增加霧滴在葉片的總體沉積量，提高霧滴穿透性，并且隨著充電電壓的增加，前枝霧滴沉積量逐漸增加，總體變化不大，但后枝葉片霧滴沉積量明顯得到提高，增大出口風(fēng)速時，霧滴沉積量總體呈先增大后減小的趨勢，出口風(fēng)速20 m·s-1時沉積效果最好，田間試驗結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致.結(jié)合仿真試驗得出靜電噴霧的最佳作業(yè)參數(shù)組合為充電電壓8 kV、噴頭間距150 mm和出口風(fēng)速20 m·s-1，通過多因素方差分析得出試驗中設(shè)置的參數(shù)對霧滴沉積量的影響大小順序為噴霧距離、出口風(fēng)速、充電電壓、行駛速度.

3) 影響噴霧機施藥效果的主要變量有出口風(fēng)速、作業(yè)速度以及噴頭間距，由于果園施藥時環(huán)境比較復(fù)雜，除上述主要影響變量外還存在其他未知因素，需要進一步研究.