喷杆式喷雾机在线混药试验研究

杨亚飞　王国强　王力

摘要：为研究射流混药器在实际喷雾作业时对喷雾系统的影响，搭建应用射流混药装置的喷杆式喷雾机在线混药系统。通过改变喷头型号、喷雾压力和混药喷雾系统的总喷雾量，研究射流混药装置在混药喷雾系统中的工作特性。结果表明，当混药系统的工作参数与射流混药装置匹配不当时，系统的药液管路会出现药液回流现象；射流混药装置在混药喷雾系统中有最小工作流量Qmin；为评价混药均匀性提出空间变异系数这一指标，试验结果表明该在线混药系统的空间变异系数在5%以内。

关键词：射流混药装置；在线混药；最小工作流量回流；空间变异系数；喷杆式喷雾机

中图分类号：S224.3文献标识码：A文章编号：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

在線混药相较于传统预混药方式，具有的优势有：药水分离、按实际需求在线混药，节约农药和水；避免人与药直接接触，从而最大程度地减少施药人员农药中毒的可能性［14］。

射流在线混药系统因其结构简单、使用方便等特点引起了国内外学者的广泛关注。何培杰［5］和李羊林［6］等分别针对单级和双极射流混药装置进行不同压力比和混药比的试验研究。邱白晶等［7］给出射流混药装置面积比、嘴管距等结构参数对混药效果模拟结果。邱白晶等［8］对射流在线混药系统在不同喷雾压力下混药均匀性进行试验研究。陈志刚等［9］对射流混药器不同的混药管入口角度下混药效率进行仿真研究。代祥等［10］通过图像处理技术对射流混药均匀性进行研究。

目前对射流在线混药系统的研究主要集中在不同参数的射流混药器以及不同喷雾条件下对混药质量影响，然而对射流混药装置与在线混药系统连接后的工作状态并未有涉及。在电路系统中系统与系统连接会产生负载效应［11］，射流混药器应用到实际喷雾中是否产生负载效应，对喷雾系统的影响等值得对其进行探讨。本文搭建喷杆喷雾机在线混药系统平台，对应用射流混药器的喷雾系统工作状态进行研究。

1喷杆喷雾机在线混药喷雾系统平台

1.1在线混药喷雾系统组成

在线混药喷雾系统包括液泵、射流混药装置、吸药管路、水箱、药箱和测量装置，如图1所示。系统中使用的柱塞泵额定转速为1200～1400r/min，工作压力为0.1～3.5MPa。

本文选用型号为ST110-01扇形雾喷头和TR80-005c圆锥雾喷头的农用喷头。高地隙喷杆喷雾机喷杆长为8m，根据喷头雾锥角参数，确定喷头分布间距为0.5m，共布置16个喷头。在管路中布置的压力表P1与射流混药器安装距离S1为500mm，压力表P2与射流混药器安装距离S2为400mm。

1.2在线混药喷雾系统测量装置

根据在线混药喷雾系统喷头喷雾数据选择合适的设备和测量装置，其中p₁表示射流混药器进口端A处的进口压力，p₂表示射流混药器出口端C处的出口压力；Q₁表示流量计F₁值为系统的水流量，Q₂表示流量计F₂值为喷雾总流量，Q₃表示流量计F₃值为药液流量。在线混药喷雾系统其设备和测量元件的型号及参数如表1所示。

1.3射流混药装置

本文采用专门针对喷杆喷雾机喷雾系统而设计的射流混药装置。用Fluent软件对混药器进行仿真设计，吸入室设计为圆锥型，其他结构参数如表2所示。射流混药装置为有机玻璃制作，其结构如图2所示。

正常工作时，由液泵提供的主流体水由射流混药器进口A流进喷嘴，在喷嘴作用下形成高速流体，药液从进口B被吸入吸药室；药液被高速流体卷吸进入混药管混合，混合后经扩散管出口C流入喷雾管路。回流状态时，主流体水通过喷嘴流进混药器，分别从进口B和扩散管出口C流出，药液不能被吸入射流混药器；因此射流混药装置在工作时，必须避免回流现象发生。

在实际喷雾中影响射流混药装置混药效果的结构参数有多种，本文主要对应用到喷雾系统中的固定结构参数射流混药装置进行研究，射流混药装置结构参数的变化对系统混药效果的影响在本文中不做阐述。

2试验方案和浓度均匀性检测方法

2.1试验方案

在线混药系统的总流量由喷头型号、喷雾压力和喷头个数共同决定。預备试验表明，进口压力p₁、出口压力p₂和总喷雾流量Q₂之间相互影响，p₁改变会引起p₂和喷雾总量Q₂同时改变。将p₁作为操作量，调节范围0.30～1.2MPa，操作步长0.10MPa；p₂和Q₃作为监测量，数值为0.20～0.45MPa。

试验时对操作压力p₁由0.3MPa开始按步长改变压力值，检测的p₂值是否在范围内，若p₂不在检测范围继续改变p₁，直到p₂值在检测范围时记录该状态下p₁、p₂、F₁、F₂和F₃的测量值；继续改变p₁进行测量，直到p₂取值范围的边界值，然后进行回程测量到另一个边界值。

喷雾管路的压力损失，经测量得到测量点p₂处与喷头之间的压力损失量小于0.005MPa，p₂处的测量压力可以视为喷头的喷雾压力。

为了研究射流混药装置在系统不同工作参数下的工作特性，16个喷头都选用TR80-005c时系统无法实现吸药，而选用ST110-01喷头时可以吸药［12］。因此选用ST110-01和TR80-005c两种不同型号的喷头与喷雾压力共同改变混药系统总喷雾量。共设计了3种试验方案，方案1是采用16个ST110-01扇形雾喷头，方案2采用16个TR80-005c圆锥雾喷头，方案3是交叉采用ST110-01和TR80-005c喷头。

2.2混药浓度均匀性评价

对混药器混药均匀性数值计算中采用了离析度IOS（Intensity of Segregation）作为其混药效果的评价指标［13］。离析度可以定量评价溶液混合均匀程度，离析度测量需要得到混合空间内取样点混合物的质量分数。实践中对在线混药系统管路内进行多点取样测量操作困难，且难以保证测量精度；对在线混药系统均匀性的评价不宜采用离析度作为评价指标，需要提出适合的在线混药系统均匀性的指标。

为评价在线混药系统的混药均匀性引入评价指标：空间变异系数，空间变异系数指在同一时间内喷雾系统中每一个喷头喷雾浓度之间的变异系数；其中喷雾浓度为雾滴的平均浓度，变异系数的计算公式为

CV=S/X（1）

式中：

S——样本浓度标准差；

X-——样本浓度平均值。

2.3喷雾浓度取样方式和检测方法

2.3.1取样方式

在喷雾系统的同一工作状态下，对16个喷头喷出的雾滴同时取样5s，重复取样3次；改变工作状态重复上面操作进行取样。该取样方式得到5s内喷出雾滴的平均浓度。

对混药的喷雾系统进行均匀性检测，为方便记录和测量，将图1中喷头进行编号，喷头编号由左到右依次为1～16号。

2.3.2浓度检测方法

试验中使用胭脂红作为模拟农药，以方便观察药液流动方向。采用分光光度法检测药液浓度，试验中使用UNICO-UV2102型分光光度计；图3所示为胭脂红溶液的吸光度波长曲线，从图3中可以看出，λ=508nm时吸收曲线处于波峰位置，该波长的光对胭脂红最敏感，在试验中均采用λ=508nm作为分析波长。

吸光度与溶液浓度关系曲线受分光光度计，比色皿等条件的影响，需根据试验材料进行试验标定；为减小测量误差整个过程采用同一组比色皿。通过标定试验得到吸光度—浓度曲线，如图4所示；拟合得到胭脂红溶液浓度与吸光度之间关系的数学解析式如式（2）所示，其中决定系数R²=0.997 7。

C=0.037A+0.0006（2）

式中：

A——吸光度；

C——标准试液浓度。

3结果与分析

3.1射流混药装置试验结果

试验方案1结果表明，射流混药器与喷雾系统的工作参数匹配良好，药液被自动吸入混药器，混药喷雾系统正常工作。分析该工作状态，混药器进口压力p₁与出口压力p₂之间有较大的压差，射流混药装置进口A流体的部分压力势能转变为动能形成有效的工作射流。正常工作时进口压力p₁、出口压力p₂和总流量Q₂之间关系如图5所示；p₂为0.30MPa时，药液管路充满胭脂红溶液，管路中液体呈现红色。

但试验方案2结果表明，射流混药装置工作状态完全改变。分析为射流混药器的结构参数与系统的工作参数不匹配，进口压力p₁和出口p₂之间压力差明显减小，射流作用下降，药液出现回流现象，射流混药装置完全失去效果。系统进口压力p₁，出口压力p₂P₂和总流量Q₂关系如图6所示；p₂P₂为0.3MPa时，水从药液管路中流出，管路中溶液无颜色变化。

试验方案3检测射流混药器在两种喷头交叉混药系统中的工作特性。结果显示，在此过程中射流混药器药液管路出现正常吸药和药液回流两种现象，定义这个吸药和回流的过渡区间为临界工作区间。

当系统喷头14个ST110-01扇形雾喷头，2个TR80-005c圆锥雾喷头时，系统处于临界吸药工作状态；系统喷头13个ST110-01扇形雾喷头，3个TR80-005c圆锥雾喷头系统，系统处于临界回流状态。临界工作区间系统工作参数如表3所示。

如果系统出现药液回流，对喷头型号、数量不做改变，只通过提高系统压力使喷头喷雾量增大而提高总喷雾量，回流状态不会改变，出现回流不可逆现象。对此分析为射流混药装置在系统中有最小工作流量Q_min，系统总喷雾量要大于混药器最小工作流量时，射流混药装置才能正常吸药，在线混药喷雾系统正常工作。

3.2混药系统均匀性空间变异系数

对实现自动混药的试验方案1进行混药系统均匀性检测。其中混药系统的工作压力为0.9MPa、1.0MPa、1.1MPa和1.2MPa压力状态下进行取样，每个压力下取样3次总计192个样本。

结果显示，在保持工作压力不变的情况下，检测系统的混药均匀性，其中对进口压力p₁为1.2MPa，出口压力0.35MPa，总喷雾量7.94L/min，藥液流量0.201L/min工作状态时，3次测量结果数据如表4所示，空间变异系数最大为2.05%。

喷雾系统在不同工作状态下的各项工作参数如表5所示；不同工作压力下的混药系统的空间变异系数如表6所示，最大为2.14%。

试验结果表明使用16个ST110-01扇形喷头的喷杆式在线混药喷雾系统中，在相同的进口压力下，空间变异系数不大于2.05%；在不同的进口压力下空间变异系数不大于2.14%，均小于5%，混药均匀性良好。

4结论

1）  构建了应用射流混药装置的喷杆喷雾机在线混药系统平台。当使用14个ST110-01扇形雾喷头和2个TR80-005c圆锥雾喷头时，系统处于临界吸药工作状态；当使用13个ST110-01扇形雾喷头和3个TR80-005c圆锥雾喷头系统，系统处于临界回流状态，且回流时改变系统压力，回流仍不可逆，工作时必须避免回流现象发生。

2）  对射流混药装置在混药喷雾系统工作状态的研究，得到应用于喷雾系统中的射流混药器有最小工作流量。喷雾总流量应大于射流混药装置最小工作流量，混药器才能正常工作。

3）  使用16个ST110-01扇形雾喷头，在相同的进口压力下，空间变异系数不大于2.05%；在不同的进口压力下空间变异系数不大于2.14%，均小于5%，说明该射流混药器配合ST110-01扇型喷头的在线混药喷雾系统时混药均匀性良好，满足农业生产要求。

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