植保喷头内部结构及喷雾性能的实验及优化

　　0、 引言

　　目前,化学防治因具有高效和及时等特点,仍是人类对病虫草害进行综合防治最主要、最直接及有效的手段。但随着人们对生存环境要求以及对环境保护认识的日益提高,农药喷洒技术及植保器械的研究面临两个问题: 如何提高农药的使用效率; 如何避免或减轻农药对非靶标生物的影响和污染。国内农药生产技术处于世界领先水平,但施药器械和技术水平却存在严重问题。资料显示,我国农药的有效利用率仅为 20% 左右,剩余农药残留飘移到外界,会对人类以及其他生物的健康和环境等造成危害和污染。喷头是植保机械中的关键部件,对药业雾化质量有重大影响; 但目前在国内,喷头存在种类少、材质和制造技术差、雾化技术和水平低等许多问题。要解决这些问题,首先必须加强对植保喷头内部结构及喷雾性能的实验和研究,所以需要优化喷头的结构,得到更快速的喷头设计方法。

　　1、 植保喷头研究现状分析

　　植保喷头的种类可以根据雾化程度和动力不同来分类。按药液雾化程度的不同,可以分为通用喷头、微量喷头、烟雾喷头和迷雾喷头等 4 大类; 按照动力的不同,可以分为液力式喷头、气力式喷头、旋转喷头和重力式喷头等类型。就通用喷头而言,可分为扇形雾喷头和圆锥雾喷头。本文主要针对通用喷头进行参数化设计研究。国内外对喷头的研究主要在以下几个方面:

　　1) 喷头内部结构。通过改变喷头内部结构形式,改进喷头的喷雾性能,如实现变量喷雾、对靶喷雾,减少漏滴现象。

　　2) 喷头性能参数。对喷头的喷雾性能如喷雾量、喷幅和射程大小、雾滴尺寸、喷雾角度等进行分析,得到更好的喷雾规律。

　　3) 喷头材料的开发和研究。通过开发新材料和新工艺,减少喷头的磨损和腐蚀,增加喷头的使用寿命。

　　4) 喷头新技术的研发。开发智能喷雾、抗漂移喷雾、静电喷雾等新技术,实现喷雾性能研究与计算机的结合。

　　5) 喷头专用化、系列化和标准化的研究。

　　喷头喷雾性能的研究为喷头的内部结构设计提供了事实依据,而良好的内部结构为喷头的喷雾性能提供了基础,所以喷头的内部结构的优化设计显得尤为重要。

　　植保喷头的参数化设计研究: 开发出参数化设计模块和界面,能够快速得到喷头的三维模型; 同时,可以为植保喷头的快速设计提供基础,缩短设计、研制周期以及减少成本; 然后可以进行仿真试验和分析,得到喷头优化设计后的结构参数,使得喷头获得更好的喷雾性能; 并且能够分析各结构参数对喷雾性能参数的影响规律。

　　2、 植保喷头内部结构优化设计流程

　　植保喷头的结构设计是一个综合过程,主要设计流程如图 1 所示。第 1 步,必须要确定植保喷头的关键结构参数,进行内部结构设计,并得到植保喷头的三维模型; 第 2 步,借助流体仿真分析软件对喷头内部流场进行仿真分析,分析设计的喷头能否满足性能要求。如果不能,则返回重新修改结构参数; 如果可以满足性能要求,则可以进行实物试验,检测是否可以达到实际设计要求,不符合,则修改仿真参数,反复修改参数和形式并进行分析,直到获得最终优化的结构参数和结构形式。

　　在仿真分析试验和实物检测试验过程中,均需要对喷头的结构参数和形式进行反复的修改,对于这种修改局部结构和参数的建模方式,通过使用二次开发工具开发出参数化设计模块和界面,能够快速、有效的得到喷头的三维模型。

　　3、 植保喷头结构参数和形式确定

　　3. 1 植保喷头结构图

　　植保喷头参数化设计,主要在于喷头的各个结构参数以及它们之间的相互关系式的确定。以扇形雾和锥形雾喷头为例,其主要结构参数如图 2 和图 3 所示。

　　1) 扇形雾喷头相关参数说明:H 为孔边距; H 为切槽深度; e 为过心距; D 为喷孔直径; α 为切槽角度; Hr为相对切深,Hr= 2(H - h) / D= R - e / R 。

　　2) 锥形雾喷头相关参数说明:d 为喷孔直径; b 为进液槽宽度; h 为进液槽高度;H 为垫圈厚度。

　　和确定。根据流体力学原理以及伯努利方程,喷雾量Q 的大小等于液体流速 ν 与喷孔出水处截面面积 F 的乘积,得

　　式中 g —重力加速度(m/s2) ;γ—液体的密度(kg / m3) ;p—液体压力(kPa) ;μ—流量系数。

　　其中,流量系数 μ 是计算流量 Q 的重要参数,其计算公式为

　　其中,∑μ 是喷头截面收缩系数之和,由喷头的结构结构参数决定。μ 仅仅用公式计算出来的结果与实际情况会有比较大的误差,必须经过实验进行相应的修正计算,才能得到较合理的流量系数值。最终可以依据实验数据拟合出流量 Q 和流量系数 μ 之间的关系式。

　　扇形雾喷头的出水处面积 F 计算方法分 3 种情况,其大小主要与喷孔直径 D、切槽角 α 以及过心距 e有关。由此可以知道,影响扇形雾喷头的喷雾量的主要结构参数为喷孔直径 D、切槽角度 α 和过心距 e。

　　3) 影响扇形雾喷头喷雾角的结构参数分析。喷雾角的计算目前还未形成一套很成熟的公式,主要是以试验为基础,通过一定的拟合和回归方法来计算得到。

　　大量试验和相关的公式表明,相对切深 Hr和切槽角 α 对喷雾角的影响显著。具体来说,其他参数不变时,当 Hr很小时,喷雾角随 Hr的增大而增大; 但当 Hr增大到一定程度时,喷雾角反而随着 Hr的增大而减小。喷雾角随着切槽角 α 的增大而减小。

　　综上所述,可以知道,喷孔直径 D、切槽角 α 以及过心距 e 均对扇形雾喷头的性能产生影响。所以,以上3 个参数都是参数化设计模块中的可修改结构参数。

　　3. 2. 2 锥形雾喷头结构参数分析

　　1) 影响锥形雾喷头喷雾量的结构参数分析。锥形雾喷头的喷雾量的计算公式为

　　式中 F—喷孔截面积(mm2) ;P—药液进入喷头的压力(kPa) ;μ—流量系数,当喷孔直径为 1. 13 ~ 2. 24mm时,μ =0. 161 ~0. 467。

　　试验表明,流量系数与喷头的结构设计参数 Kt形式存在一定关系,由公式计算所得与实际情况存在偏差,当 1. 10 ≤ Kt≤ 1. 80 时,有以下近似关系μ = 0. 21888K2t- 0. 7216Kt+ 0. 9515 (4)其中,Kt主要与喷孔直径、进液槽的高度 h 和宽度 b 有关。由此可知,影响锥形雾喷头的喷雾量的主要结构参数为喷孔直径 d、切向进液槽的宽度 b 和高度 h。

　　2) 影响锥形雾喷头喷雾角的结构参数分析。同样,锥形雾喷头喷雾角的计算也没有形成一套成熟的理论公式,也是通过实验以及一定的处理方法获得,实验表明,喷雾角的大小与喷头的结构形式有很大关系,主要包括喷孔直径 d、切向进液槽的宽度 b 和高度h。

　　3) 影响锥形雾喷头喷幅的结构参数分析。实验表明,涡流室的深度大小,对喷头的喷幅和射程产生较大影响,涡流室深度变浅时,可使雾滴变细,射程减小; 反之雾滴变粗,射程增大,喷幅减小。即垫圈的厚度是影响喷头喷幅和射程的较大因素。

　　综上所述,可以将喷孔直径 d、切向进液槽的宽度b 和高度 d、垫圈厚度 H 作为锥形雾喷头参数化模块中的可修改参数。

　　4、 植保喷头参数化设计模块和界面

　　本文通过 Pro/E 二次开发工具 Pro/Toolkit,根据对植保喷头的关键结构参数的分析和确定,来实现植保喷头参数化设计模块和界面的开发。

　　4. 1 参数设定和约束关系式的确定

　　在参数化设计之前,需要完成尺寸标注、相关约束关系式的确定等工作,将尺寸与参数通过关系式关联,并写入约束关系式,如图 4 所示。

　　4. 2 参数化设计界面

　　植保喷头参数化设计界面主要包括两个页面:植保喷头分类页面,即圆锥雾喷头和扇形喷头页面扇形雾喷头和锥形雾喷头修改参数的子页面,如。

　　用户可以通过植保喷头分类页面浏览植保喷头的分类,并选择打开其某个类别下的喷头模型;为可修改结构参数页面,单击“读入”按钮,选中的某个类型的喷头,主要结构参数就会显示出来,可以选择修改其中的相关结构参数,最后选择打开模型按钮,就可以得到修改参数后的新的喷头模型。

　　4. 3 二次开发工具 Pro / Toolkit

　　完成建立植保喷头参数化设计的页面后,可以通过 Pro/Toolkit 进行程序编制,为植保喷头分类页面和可修改结构参数页面建立具体的响应函数。

　　5、 界面以及实例应用

　　本文采用的是动态链接库(DLL) 模式运行二次开发工具 Pro/Toolkit 应用程序,成功启动 Pro/E 后,在菜单中会出现如图 7 所示的按钮; 单击即可进入植保喷头的参数化设计模块界面,选择相应的喷头并且修改可选择的结构参数,就可以得到对应的喷头模型。

　　6、 结束语

　　主要介绍了植保喷头的参数化设计基础,分析了植保喷头内部结构优化设计的流程。从影响植保喷头的喷雾性能的角度出发,分析和确定参数化设计过程中喷头的可修改的关键结构参数; 利用 Pro/E 二次开发工具 Pro/Toolkit,以扇形雾和锥形雾喷头为例,开发出参数化设计模块和界面,提高了植保喷头的设计效率并减少了成本和周期。同时,其可以用于植保喷头模型内部流场的模拟仿真分析,进一步对喷头的结构进行优化,为植保喷头的优化设计提供依据和基础。

　　参考文献:
　　[1] 何雄奎. 改变我国植保机械和施药技术严重落后的现状[J]. 农业工程学报,2004,20(1) : 14 -15.
　　[2] 杨学军,严荷荣,徐赛章,等. 植保机械的研究现状和发展趋势[J]. 农业机械学报,2002,33(6) : 129 -131,137.
　　[3] 王立军,姜明海,孙文峰,等. 喷雾机设计中喷头的选型[J]. 农机化研究,2005 (2) : 151 -153.
　　[4] 罗瑶,裴毅,李明,等. 植保用喷头的研究[J]. 企业技术开发,2007,26(4) : 51 -53.
　　[5] 李秉礼,吴罗罗,阴景润,等. 国产农用喷雾器喷头性能参数测定与分析[J]. 北京农业大学学报,1989(1) : 119- 126.
　　[6] 杨学军,严荷荣,周海燕. 扇形雾喷嘴的试验研究[J]. 中国农机化,2004(1) : 39 -42.