楊亞飛　王國強　王力

摘要：為研究射流混藥器在實際噴霧作業(yè)時對噴霧系統(tǒng)的影響，搭建應用射流混藥裝置的噴桿式噴霧機在線混藥系統(tǒng)。通過改變噴頭型號、噴霧壓力和混藥噴霧系統(tǒng)的總噴霧量，研究射流混藥裝置在混藥噴霧系統(tǒng)中的工作特性。結果表明，當混藥系統(tǒng)的工作參數與射流混藥裝置匹配不當時，系統(tǒng)的藥液管路會出現藥液回流現象；射流混藥裝置在混藥噴霧系統(tǒng)中有最小工作流量Qmin；為評價混藥均勻性提出空間變異系數這一指標，試驗結果表明該在線混藥系統(tǒng)的空間變異系數在5%以內。

關鍵詞：射流混藥裝置；在線混藥；最小工作流量回流；空間變異系數；噴桿式噴霧機

中圖分類號：S224.3文獻標識碼：A文章編號：20955553 （2023） 11003805

Experimental study on online mixing of spray-boom sprayer

Yang Yafei， Wang Guoqiang， Wang Li

（Jiangsu Agri-animal Husbandry Vocational College， Taizhou， 225300， China）

Abstract：In order to study the influence of the jet mixer on the spray system during the actual spray operation， the spray bar sprayer online mixing system using the jet mixer was built. The working characteristics of the jet mixing device in the online mixing spray system， such as inlet pressure， outlet pressure， and flow rate were studied by changing the nozzle type， the spray pressure and the total spray volume of the mixed spray system. The results showed that the backflow phenomenon of this system would appear when working parameters of the mixing system could not match the parameters of the jet mixing apparatus. Jet mixing apparatus had a minimum work flow Qmin in the work load. In order to evaluate the uniformity of the online mixing system concentration， we come up with the space variation coefficient. The experimental results showed that the spatial variation coefficient of the online drug mixing system was within 5%.

Keywords：vehicle-mounted mixing apparatus; online mixing pesticide; minimum working flow; space variation coefficient; spray-boom sprayer

0引言

在線混藥相較于傳統(tǒng)預混藥方式，具有的優(yōu)勢有：藥水分離、按實際需求在線混藥，節(jié)約農藥和水；避免人與藥直接接觸，從而最大程度地減少施藥人員農藥中毒的可能性［14］。

射流在線混藥系統(tǒng)因其結構簡單、使用方便等特點引起了國內外學者的廣泛關注。何培杰［5］和李羊林［6］等分別針對單級和雙極射流混藥裝置進行不同壓力比和混藥比的試驗研究。邱白晶等［7］給出射流混藥裝置面積比、嘴管距等結構參數對混藥效果模擬結果。邱白晶等［8］對射流在線混藥系統(tǒng)在不同噴霧壓力下混藥均勻性進行試驗研究。陳志剛等［9］對射流混藥器不同的混藥管入口角度下混藥效率進行仿真研究。代祥等［10］通過圖像處理技術對射流混藥均勻性進行研究。

目前對射流在線混藥系統(tǒng)的研究主要集中在不同參數的射流混藥器以及不同噴霧條件下對混藥質量影響，然而對射流混藥裝置與在線混藥系統(tǒng)連接后的工作狀態(tài)并未有涉及。在電路系統(tǒng)中系統(tǒng)與系統(tǒng)連接會產生負載效應［11］，射流混藥器應用到實際噴霧中是否產生負載效應，對噴霧系統(tǒng)的影響等值得對其進行探討。本文搭建噴桿噴霧機在線混藥系統(tǒng)平臺，對應用射流混藥器的噴霧系統(tǒng)工作狀態(tài)進行研究。

1噴桿噴霧機在線混藥噴霧系統(tǒng)平臺

1.1在線混藥噴霧系統(tǒng)組成

在線混藥噴霧系統(tǒng)包括液泵、射流混藥裝置、吸藥管路、水箱、藥箱和測量裝置，如圖1所示。系統(tǒng)中使用的柱塞泵額定轉速為1200～1400r/min，工作壓力為0.1～3.5MPa。

本文選用型號為ST110-01扇形霧噴頭和TR80-005c圓錐霧噴頭的農用噴頭。高地隙噴桿噴霧機噴桿長為8m，根據噴頭霧錐角參數，確定噴頭分布間距為0.5m，共布置16個噴頭。在管路中布置的壓力表P1與射流混藥器安裝距離S1為500mm，壓力表P2與射流混藥器安裝距離S2為400mm。

1.2在線混藥噴霧系統(tǒng)測量裝置

根據在線混藥噴霧系統(tǒng)噴頭噴霧數據選擇合適的設備和測量裝置，其中p₁表示射流混藥器進口端A處的進口壓力，p₂表示射流混藥器出口端C處的出口壓力；Q₁表示流量計F₁值為系統(tǒng)的水流量，Q₂表示流量計F₂值為噴霧總流量，Q₃表示流量計F₃值為藥液流量。在線混藥噴霧系統(tǒng)其設備和測量元件的型號及參數如表1所示。

1.3射流混藥裝置

本文采用專門針對噴桿噴霧機噴霧系統(tǒng)而設計的射流混藥裝置。用Fluent軟件對混藥器進行仿真設計，吸入室設計為圓錐型，其他結構參數如表2所示。射流混藥裝置為有機玻璃制作，其結構如圖2所示。

正常工作時，由液泵提供的主流體水由射流混藥器進口A流進噴嘴，在噴嘴作用下形成高速流體，藥液從進口B被吸入吸藥室；藥液被高速流體卷吸進入混藥管混合，混合后經擴散管出口C流入噴霧管路?；亓鳡顟B(tài)時，主流體水通過噴嘴流進混藥器，分別從進口B和擴散管出口C流出，藥液不能被吸入射流混藥器；因此射流混藥裝置在工作時，必須避免回流現象發(fā)生。

在實際噴霧中影響射流混藥裝置混藥效果的結構參數有多種，本文主要對應用到噴霧系統(tǒng)中的固定結構參數射流混藥裝置進行研究，射流混藥裝置結構參數的變化對系統(tǒng)混藥效果的影響在本文中不做闡述。

2試驗方案和濃度均勻性檢測方法

2.1試驗方案

在線混藥系統(tǒng)的總流量由噴頭型號、噴霧壓力和噴頭個數共同決定。預備試驗表明，進口壓力p₁、出口壓力p₂和總噴霧流量Q₂之間相互影響，p₁改變會引起p₂和噴霧總量Q₂同時改變。將p₁作為操作量，調節(jié)范圍0.30～1.2MPa，操作步長0.10MPa；p₂和Q₃作為監(jiān)測量，數值為0.20～0.45MPa。

試驗時對操作壓力p₁由0.3MPa開始按步長改變壓力值，檢測的p₂值是否在范圍內，若p₂不在檢測范圍繼續(xù)改變p₁，直到p₂值在檢測范圍時記錄該狀態(tài)下p₁、p₂、F₁、F₂和F₃的測量值；繼續(xù)改變p₁進行測量，直到p₂取值范圍的邊界值，然后進行回程測量到另一個邊界值。

噴霧管路的壓力損失，經測量得到測量點p₂處與噴頭之間的壓力損失量小于0.005MPa，p₂處的測量壓力可以視為噴頭的噴霧壓力。

為了研究射流混藥裝置在系統(tǒng)不同工作參數下的工作特性，16個噴頭都選用TR80-005c時系統(tǒng)無法實現吸藥，而選用ST110-01噴頭時可以吸藥［12］。因此選用ST110-01和TR80-005c兩種不同型號的噴頭與噴霧壓力共同改變混藥系統(tǒng)總噴霧量。共設計了3種試驗方案，方案1是采用16個ST110-01扇形霧噴頭，方案2采用16個TR80-005c圓錐霧噴頭，方案3是交叉采用ST110-01和TR80-005c噴頭。

2.2混藥濃度均勻性評價

對混藥器混藥均勻性數值計算中采用了離析度IOS（Intensity of Segregation）作為其混藥效果的評價指標［13］。離析度可以定量評價溶液混合均勻程度，離析度測量需要得到混合空間內取樣點混合物的質量分數。實踐中對在線混藥系統(tǒng)管路內進行多點取樣測量操作困難，且難以保證測量精度；對在線混藥系統(tǒng)均勻性的評價不宜采用離析度作為評價指標，需要提出適合的在線混藥系統(tǒng)均勻性的指標。

為評價在線混藥系統(tǒng)的混藥均勻性引入評價指標：空間變異系數，空間變異系數指在同一時間內噴霧系統(tǒng)中每一個噴頭噴霧濃度之間的變異系數；其中噴霧濃度為霧滴的平均濃度，變異系數的計算公式為

CV=S/X（1）

式中：

S——樣本濃度標準差；

X-——樣本濃度平均值。

2.3噴霧濃度取樣方式和檢測方法

2.3.1取樣方式

在噴霧系統(tǒng)的同一工作狀態(tài)下，對16個噴頭噴出的霧滴同時取樣5s，重復取樣3次；改變工作狀態(tài)重復上面操作進行取樣。該取樣方式得到5s內噴出霧滴的平均濃度。

對混藥的噴霧系統(tǒng)進行均勻性檢測，為方便記錄和測量，將圖1中噴頭進行編號，噴頭編號由左到右依次為1～16號。

2.3.2濃度檢測方法

試驗中使用胭脂紅作為模擬農藥，以方便觀察藥液流動方向。采用分光光度法檢測藥液濃度，試驗中使用UNICO-UV2102型分光光度計；圖3所示為胭脂紅溶液的吸光度波長曲線，從圖3中可以看出，λ=508nm時吸收曲線處于波峰位置，該波長的光對胭脂紅最敏感，在試驗中均采用λ=508nm作為分析波長。

吸光度與溶液濃度關系曲線受分光光度計，比色皿等條件的影響，需根據試驗材料進行試驗標定；為減小測量誤差整個過程采用同一組比色皿。通過標定試驗得到吸光度—濃度曲線，如圖4所示；擬合得到胭脂紅溶液濃度與吸光度之間關系的數學解析式如式（2）所示，其中決定系數R²=0.997 7。

C=0.037A+0.0006（2）

式中：

A——吸光度；

C——標準試液濃度。

3結果與分析

3.1射流混藥裝置試驗結果

試驗方案1結果表明，射流混藥器與噴霧系統(tǒng)的工作參數匹配良好，藥液被自動吸入混藥器，混藥噴霧系統(tǒng)正常工作。分析該工作狀態(tài)，混藥器進口壓力p₁與出口壓力p₂之間有較大的壓差，射流混藥裝置進口A流體的部分壓力勢能轉變?yōu)閯幽苄纬捎行У墓ぷ魃淞?。正常工作時進口壓力p₁、出口壓力p₂和總流量Q₂之間關系如圖5所示；p₂為0.30MPa時，藥液管路充滿胭脂紅溶液，管路中液體呈現紅色。

但試驗方案2結果表明，射流混藥裝置工作狀態(tài)完全改變。分析為射流混藥器的結構參數與系統(tǒng)的工作參數不匹配，進口壓力p₁和出口p₂之間壓力差明顯減小，射流作用下降，藥液出現回流現象，射流混藥裝置完全失去效果。系統(tǒng)進口壓力p₁，出口壓力p₂P₂和總流量Q₂關系如圖6所示；p₂P₂為0.3MPa時，水從藥液管路中流出，管路中溶液無顏色變化。

試驗方案3檢測射流混藥器在兩種噴頭交叉混藥系統(tǒng)中的工作特性。結果顯示，在此過程中射流混藥器藥液管路出現正常吸藥和藥液回流兩種現象，定義這個吸藥和回流的過渡區(qū)間為臨界工作區(qū)間。

當系統(tǒng)噴頭14個ST110-01扇形霧噴頭，2個TR80-005c圓錐霧噴頭時，系統(tǒng)處于臨界吸藥工作狀態(tài)；系統(tǒng)噴頭13個ST110-01扇形霧噴頭，3個TR80-005c圓錐霧噴頭系統(tǒng)，系統(tǒng)處于臨界回流狀態(tài)。臨界工作區(qū)間系統(tǒng)工作參數如表3所示。

如果系統(tǒng)出現藥液回流，對噴頭型號、數量不做改變，只通過提高系統(tǒng)壓力使噴頭噴霧量增大而提高總噴霧量，回流狀態(tài)不會改變，出現回流不可逆現象。對此分析為射流混藥裝置在系統(tǒng)中有最小工作流量Q_min，系統(tǒng)總噴霧量要大于混藥器最小工作流量時，射流混藥裝置才能正常吸藥，在線混藥噴霧系統(tǒng)正常工作。

3.2混藥系統(tǒng)均勻性空間變異系數

對實現自動混藥的試驗方案1進行混藥系統(tǒng)均勻性檢測。其中混藥系統(tǒng)的工作壓力為0.9MPa、1.0MPa、1.1MPa和1.2MPa壓力狀態(tài)下進行取樣，每個壓力下取樣3次總計192個樣本。

結果顯示，在保持工作壓力不變的情況下，檢測系統(tǒng)的混藥均勻性，其中對進口壓力p₁為1.2MPa，出口壓力0.35MPa，總噴霧量7.94L/min，藥液流量0.201L/min工作狀態(tài)時，3次測量結果數據如表4所示，空間變異系數最大為2.05%。

噴霧系統(tǒng)在不同工作狀態(tài)下的各項工作參數如表5所示；不同工作壓力下的混藥系統(tǒng)的空間變異系數如表6所示，最大為2.14%。

試驗結果表明使用16個ST110-01扇形噴頭的噴桿式在線混藥噴霧系統(tǒng)中，在相同的進口壓力下，空間變異系數不大于2.05%；在不同的進口壓力下空間變異系數不大于2.14%，均小于5%，混藥均勻性良好。

4結論

1）? 構建了應用射流混藥裝置的噴桿噴霧機在線混藥系統(tǒng)平臺。當使用14個ST110-01扇形霧噴頭和2個TR80-005c圓錐霧噴頭時，系統(tǒng)處于臨界吸藥工作狀態(tài)；當使用13個ST110-01扇形霧噴頭和3個TR80-005c圓錐霧噴頭系統(tǒng)，系統(tǒng)處于臨界回流狀態(tài)，且回流時改變系統(tǒng)壓力，回流仍不可逆，工作時必須避免回流現象發(fā)生。

2）? 對射流混藥裝置在混藥噴霧系統(tǒng)工作狀態(tài)的研究，得到應用于噴霧系統(tǒng)中的射流混藥器有最小工作流量。噴霧總流量應大于射流混藥裝置最小工作流量，混藥器才能正常工作。

3）? 使用16個ST110-01扇形霧噴頭，在相同的進口壓力下，空間變異系數不大于2.05%；在不同的進口壓力下空間變異系數不大于2.14%，均小于5%，說明該射流混藥器配合ST110-01扇型噴頭的在線混藥噴霧系統(tǒng)時混藥均勻性良好，滿足農業(yè)生產要求。

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