植保无人机扇形和空心锥喷头雾化性能研究

孙胜 唐宇 苗爱敏

摘要：体积中值粒径、数量中值粒径和喷雾角是影响植保无人机喷头雾化性能的关键因素，基于喷头雾化粒径测试平台，以扇形喷头和空心锥喷头为对象，研究体积中值粒径、数量中值粒径、喷雾角与喷施压力之间的关系。结果表明，扇形喷头中ST-110-01的雾化性能优于ST-110-02和ST-110-03;空心锥喷头中KZ-08-04的雾化性能优于KZ-08-06和KZ-08-08。当喷施压力在500～600 kPa范围内时，ST-110-01的雾化液滴体积中值粒径为140～150 μm，适合杀虫剂和杀菌剂的喷施;而KZ-08-04的雾化液滴体积中值粒径为279～288 μm时，适合除草剂喷施。

关键词：体积中值粒径;数量中值粒径;喷雾角;喷施压力;植保无人机

中图分类号： S252+.3  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2019）11-0246-04

随着科技的发展，传统的地面病虫害防治工作方式由于效率低、费水费药、喷洒不均匀、安全性差等缺点[1]，逐渐被效率高、节水节药、喷洒均匀、节省劳动力的无人设备代替[2]。目前，植保无人机广泛应用于病虫草害防治作业中。在药液的喷洒过程中，无人机喷头性能是影响药液防治效果的关键因素之一[3]。喷头的选择一般是根据喷头雾化雾滴的大小。为此，根据雾滴粒径的大小可将喷头雾化液滴分为气雾滴（﹤50 μm）、弥雾滴（50～100 μm）、细雾滴（100～200 μm）、中等雾滴（200～300 μm）、粗雾滴（>300 μm）[4-5]。通常情况下，为了使农药在靶标作物叶片或者嫩芽上有良好沉积，须选用细雾滴喷洒;而对于草害的防治，为了避免药液飘移到临近不需要的地块，则采用中雾滴或者粗雾滴喷施。在田间作业中，植保无人机常采用单一的扇形喷头或空心锥喷头进行所有的药液喷施，由于喷头的类型与靶标常存在不适应性，使用不当将会导致农药的浪费和污染[6-7]。基于此，针对植保无人机常用2类喷头的雾化性能，研究农药喷施与喷头的适应关系，不仅为植保无人机对不同防治目标选择相适应的喷头和压力提供重要参考，还对提高农药利用率，减少农药环境污染具有重要意义。

自20世纪50年代起，国内外学者就开始对喷头雾化特性展开研究，Dombrowski等得出了扇形喷头的速度模型[8-9]。Miller等充分研究喷头的雾滴及雾化性能且对喷头进行分类，并应用于农业实践中[10-14]。李旭等对低流量扇形雾喷头的计算公式和加工工艺进行推导，用CAD二次开发技术实现了设计方法构建[15]。杨学军等对扇形雾喷嘴的结构、性能及主要结构参数之间的关系进行了研究[16]。战强等设计了一种新型气泡雾化喷嘴，并研究了流量和雾化特性[17]。时玲等对国内和国外生产的扇形雾喷头进行了性能和参数的试验研究[18]。瞿恩昱等对扇形雾喷头球头结构建模，对不同材料进行磨损试验研究[19]。李洪旗等将FLUENT软件应用于扇形喷头的设计等[20]。传统的研究方法主要是集中在结构参数、改造设计、加工工艺、材料磨损、流量分布、雾滴速度、雾化场空间测量等方面，对扇形喷头和空心锥喷头的粒径、喷雾角等雾化性能参数的研究较少，而该性能参数是影响农药喷洒效果的重要影响因素。

喷头的数量中值粒径、体积数量中值粒径和喷雾角主要受压力的影响[21]。数量中值粒径和体积中值粒径主要影响靶标的吸收以及雾滴的飘移，喷雾角度主要影响着药液的覆盖面积以及喷洒的均匀性[18]。为此，本研究选用扇形喷头和空心锥喷头进行试验测试，2类喷头试验基于喷头雾化粒径测试平台，研究体积中值粒径、数量中值粒径、喷雾角与喷施压力之间的关系，对影响喷头雾化性能参数中的体积中值粒径、数量中值粒径、喷雾角进行试验数据分析，研究2种不同类型喷头的雾化性能。

1 材料与方法

1.1 试验设备和材料

本研究选用测试喷头为LECHLER公司生产的扇形喷头ST-110-01、ST-110-02、ST-110-03以及LICHENG公司生产的空心锥喷头KZ-08-04、KZ-08-06、KZ-08-08，具体参数如表1所示。参数是通过利用蔡司SteREO Disooverry.V20电动体视显微镜给各个喷头拍照，并使用自带软件进行孔径等参数的测量获取。

喷头雾化性能的测试平台是根据试验测试需要自行设计的。该测试平台包括喷雾系统、粒径测试系统和单反相机（图1），喷雾系统实现药液在不同工作压力下的供给和喷洒;粒径测试系统由激光粒度仪采集系统和计算机数据分析系统组成，可实现对多种喷嘴进行雾化粒径的测试分析。喷头雾化性能测试测试平台技术参数如表2所示。

1.2 试验方法

本试验依据喷头的实际使用情况，在喷头雾化粒径测试平台上进行试验。试验测试时，植保无人机在田间作业时最佳作业高度是距冠层1 m[22-23]，喷头出水口距激光粒度仪测试点垂直距离为1 m。采用100～600 kPa的压力范围，每隔20 kPa的压力使用Winner319B進行10次体积中值粒径和数量中值粒径采集，取其均值。用单反照相机（佳能5D Mark Ⅱ）进行喷雾角的单色图像采集，然后用ImageJ软件进行图像喷雾角的测定，每张图像喷雾角测量3次取其平均值。最后通过Origin 9.1作图分析。

2017年10月中旬在仲凯农业工程学院自动化学院英东楼210农业航空雾化研究室进行试验测试，关窗的实验室温度为21～25 ℃，相对湿度为62%。

2 结果与分析

2.1 扇形喷头的雾化性能对比分析

2.1.1 扇形喷头雾化粒径和压力的关系 扇形喷头上圆形喷孔处开了1条狭缝，当压力药液进入喷头后，受内半月形槽底部的导向作用，药液被分成对称的液流。2股液流流经喷孔处相遇，相互撞击，细碎成雾滴喷出，喷出后又与外半月形槽两侧壁撞击，细碎且受其约束，与此同时，受到外半月形槽底部的引向作用，形成扇形喷出，由于刚从喷嘴喷出的雾滴速度很大，从喷嘴喷出后与空气发生撞击，进一步细碎成小雾滴，喷洒到靶标上。经液流、外半月形槽两侧壁、空气等多次撞击，药液的压力越大，药液的动能就越大，撞击后形成的雾滴就越小。因此，药液的压力对喷头雾化液滴的大小影响很大。

为此，分别在喷头雾化测试平台上对3种扇形喷头进行测试，图2给出了3种扇形喷头的雾滴数量中值粒径和体积中值粒径随着压力的变化情况。由图2可知，当压力在 300 kPa 左右时，数量中值粒径和体积中值粒径随压力变化的曲线出现转折;当压力小于300 kPa时，随着压力的增加，雾滴的数量中值粒径和体积中值粒径急剧减小。此压力范围，由于药液在喷嘴孔口的瞬时流量未达到饱和，药液的流速随着压力的增加而增加，药液的流速越快，雾滴的多次撞击产生的雾滴（越破碎）粒径越小;当压力大于300 kPa时，随着压力的增加，雾滴的数量中值粒径和体积中值粒径变化趋于平缓。此压力范围，药液在喷嘴孔口的瞬时的流量趋于饱和状态，此时药液在喷嘴孔口处的速度不再随着压力的增加而增大，雾滴的粒径随着压力的增加而趋于平缓，一般在扇形喷头作业的时候压力达到500～600 kPa就达到最大的雾化效果;同种压力下，3种型号扇形喷头的数量中值粒径几乎相同，但体积中值粒径不同。体积中值粒径反映喷头雾化的绝大部分雾滴粒径范围及其适用性，而数量中值粒径则反映的是雾滴大小的集中趋势。结合表1扇形喷头和空心锥喷头孔径参数可知，ST-110-01喷头、ST-110-02喷头的雾化口开口宽度相差277.39 μm，ST-110-02喷头与ST-110-03喷头雾化口宽度只相差了78.48 μm。而ST-110-01喷头和ST-110-02喷头孔径的差值相差了337.89 μm，ST-110-02喷头与ST-110-03喷头的孔径相差了597.1 μm。结合表1、图2可知，此时扇形喷头雾化雾滴的体积中值粒径随着喷头雾化口切口宽度增大而增大，而数量中值粒径却不受其影响。由于切口的宽度会影响雾膜的厚度，雾膜越厚，分裂出来的雾滴越大，在相同压力时，孔径大的喷头雾膜厚。3种型号扇形喷头体积中值粒径相接近，而ST-110-01喷头的体积中值粒径最小。因此，3种型号的喷头中ST-110-01喷头的雾化效果最优。在500～600 kPa压力下，喷头ST-110-01雾化液滴的体积中值粒径达到140～150 μm、数量中值粒径达到40～44 μm。ST-110-01扇形喷头雾化的液滴为细雾滴，适用于施用杀虫杀菌剂。

2.1.2 扇形喷头喷雾角与压力的关系 扇形喷头的药液在压力的作用下通过孔口受外半月形槽两侧壁的影响形成扁扇形雾膜。图3对比了3种扇形喷头的喷雾角随压力变化而变化的情况，可以看出，当压力在300 kPa左右时，雾化角随压力变化的曲线出现转折;当压力小于300 kPa时，药液在孔口的单位时间的流量随着压力的增加而增加，由于单位时间内药液量的增加，同时又受到外半月形槽两侧壁的影响，使得形成的雾膜随着药液量的增加向扇形的两边扩增，因此，这个压力范围内的喷雾角随压力的增大而急剧增大;当压力大于300 kPa时， 由于喷头孔口单位时间的流量已经饱和，随着压

力的增加流量不再增加，因此，喷雾角随着压力的增大而趋于平缓;在相同压力下，3个扇形喷头的喷雾角以ST-110-01喷头的喷雾角最大;扇形喷头切口的宽度影响液膜的厚度，喷口的宽度越窄，液膜越薄，喷洒越均匀。由图3可知，ST-110-01喷头的雾化口宽度及孔径最小，对比其他2种型号喷头，在同压力下，流量越小，喷雾角越大。说明ST-110-01喷头的喷洒覆盖度更大，作业效率更高，更均匀。

综上，从喷头雾化雾滴的体积中值粒径、数量中值粒径和喷雾角对比ST-110-01、ST-110-02和ST-110-03扇形喷头的雾化参数，在压力相同的情况下，扇形喷头ST-110-01的雾化粒径最小且雾滴覆盖度更广。实际作业中ST扇形喷头压力设置到500～600 kPa就可达到雾化的最佳效果，适合于施用杀虫杀菌剂。

2.2 空心锥喷头的雾化性能对比

2.2.1 空心锥喷头雾化粒径和压力的关系 空心锥喷头孔口具有螺旋角的斜槽使药液流动产生离心力，药液在喷腔内绕喷孔轴线旋转，液体喷出后，内壁所给的约束力消失，液体受到离心力的作用而向四面飞开，雾滴的飛行方向与它原来的运动轨迹相切，由于药液的喷施是连续的，药液从喷孔喷出后，形成散射状锥形薄膜，薄膜撕裂成不稳定的液丝，最后散成大小不等、不稳定的雾滴，大雾滴与空气相撞进一步细碎成更小的雾滴。

对空心锥喷头在喷头雾化测试平台上进行测试。图4给出了3种空心锥喷头的雾滴数量中值粒径和体积中值粒径随着压力变化而变化的情况，与图2的3种扇形喷头的雾滴数量中值粒径和体积中值粒径随着压力变化而变化的情况相似：当压力在 300 kPa 时，数量中值粒径和体积中值粒径随压力变化的曲线出现转折;当压力小于300 kPa时，随着压力的增加，雾滴的数量中值粒径急剧减小;当压力大于300 kPa时，雾滴的数量中值粒径和体积中值粒径随压力的增加趋于平缓;虽然压力对扇形喷头、空心锥喷头的雾化粒径的曲线变化趋于一致，但扇形喷头药液在未喷出喷嘴前比空心锥喷头雾化过程中多了2次撞击。由此推测，药液的多次撞击是扇形喷头雾滴比空心锥喷头雾滴小的原因之一。在同一种压力下，3种型号空心锥喷头单位时间内药液的动能是相同，孔径大的喷头单位时间内药液量流出的越多，动能就越小，数量中值粒径几乎相同，但体积中值粒径不同，结合表1扇形喷头和空心锥喷头孔径参数可知，KZ-08-04喷头和KZ-08-06喷头的孔径相差239.15 μm，KZ-08-06喷头和KZ-08-08喷头的孔径相差297.88 μm，相比KZ-08-04喷头和KZ-08-06号喷头的孔径差值多了58.73 μm。由图4可知，在一定范围内，相同压力下空心锥喷头雾化雾滴的体积中值粒径受喷头孔径的增大而增大，而数量中值粒径却几乎不受其影响。体积中值粒径反映喷头雾化的绝大部分雾滴粒径范围及其适用性，而数量中值粒径则反映的是雾滴大小的集中趋势。由此推测，孔径的大小影响空心锥喷头大雾滴的数量。因此，KZ-08-04喷头雾化的液滴最小。3种型号空心锥喷头体积中值粒径相接近，而KZ-08-04喷头的体积中值粒径最小。因此，3种型号的喷头中KZ-08-04喷头的雾化效果最优。在500～600 kPa压力下，喷头KZ-08-04雾化液滴体积中值粒径达到279～288 μm、数量体积中值粒径达到206～212 μm。KZ-08-04空心锥喷头雾化的液滴为中等雾滴，适用于施用除草剂。

2.2.2 空心錐喷头喷雾角与压力的关系 空心喷头空心锥喷头孔口具有螺旋角的斜槽使药液流动产生离心力，液体受到离心力的作用而向四面飞开，由于药液的喷施是连续的，形成散射状锥形雾膜。图5对比了空心锥喷头的喷雾角随压力变化而变化的情况，可以看出，250 kPa压力时，空心锥喷头喷雾角与压力的关系曲线出现了转折;在小于250 kPa压力时，喷头喷雾角随压力的增大而迅速增大，此时由于喷头孔口的瞬时的药液量还没达到饱和，药液从喷口喷出的速度随着压力的增加而增加，速度越大，雾滴的离心力越大，喷头的喷雾角就越大;当压力大于250 kPa时，由于受到孔径的限制，喷头孔口的瞬时药液量达到饱和，药液从喷口喷出的速度随着

压力的增加不再增加，因此，此压力范围的喷雾角随压力的增大趋于平缓。由表1可知，KZ-08-04喷头的孔径最小，3个空心锥喷头中KZ-08-04喷头的喷雾角最大，对比其他2种型号喷头，在同压力下，流量越小，喷雾角越大。因此，KZ-08-04喷头的喷洒覆盖度更大，作业效率更高、更均匀。

从喷头雾化雾滴的体积中值粒径、数量中值粒径和喷雾角对比KZ-08-04、KZ-08-06和KZ-08-08空心锥喷头的雾化参数，在压力相同的情况下空心锥喷头KZ-08-04的雾化粒径最小且雾滴覆盖度更广。在田间作业中压力设置在500～600 kPa压力时，KZ空心锥喷头雾化的液滴为中等雾滴，适合于施用除草剂。

3 结论

本试验利用喷头雾化粒径测试平台，选用ST型扇形喷头和KZ型空心锥喷头进行试验测试，对影响喷头雾化性能参数中的体积中值粒径、数量中值粒径、喷雾角进行试验数据分析，分别对扇形喷头和空心锥喷头的雾化性能进行对比，所得结论如下：（1）通过试验测试对比，扇形喷头中ST-110-01型号的喷头的雾化性能最好。空心锥喷头中KZ-08-04型号的喷头雾化性能最好。（2）在500～600 kPa压力范围内，ST型扇形喷头的和KZ型空心锥喷头将药液雾化到最小液滴，ST-110-01扇形喷头雾化液滴的体积中值粒径达到140～150 μm，数量体积中值粒径达到40～44 μm，喷雾角达到124°～126°;而KZ-08-04空心锥喷头雾化液滴的体积中值粒径达到279～288 μm、数量体积中值粒径达到206～212 μm、喷雾角达到104～106°。ST型扇形喷头适用于喷施杀虫剂和杀菌剂，而KZ型空心锥喷头适合喷施除草剂。

此研究不仅为植保无人机对不同防治目标选择合适的喷头和压力提供重要参考，还对提高农药利用率，减少农药环境污染具有重要意义。

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