申江峰,何玉静,余泳昌

(河南农业大学机电工程学院，河南郑州 450002)



同种类型不同型号的3种喷嘴性能测试分析

申江峰,何玉静,余泳昌*

(河南农业大学机电工程学院，河南郑州 450002)

[目的] 筛选适当的喷头喷嘴，使用小雾滴喷洒，实现最小的用药量，实现农药的精准喷施，减少大容量、大雾滴喷雾技术给农业带来的负面影响。 [方法]选用哈尔滨博纳科技有限公司生产的试验室喷雾性能测试台，对3种同类型不同型号(LICHENG Vp110015、Vp11003和Vp11006)的扇形喷嘴性能进行比较分析，根据喷雾机喷头的压力与流量关系、喷雾角大小、雾滴粒径分布等参数的比较，选出比较适合大田作业的喷嘴。采用高精度超声波传感器，进行超声波数据的采集和处理，得出喷雾分布均匀性。[结果]在同一压力(0.3 MPa)下3种喷嘴的流量分别为0.74、0.85和2.26 L/min；采用低照度高感度工业摄像机，进行图像采集和处理，测量得出喷雾角测量喷雾角的大小分别为109.5°、109.0°和114.1°；采用喷雾激光粒度仪进行雾滴测试体积粒径结果为91.881、119.625和185.499um。[结论]综合考虑，型号为Vp11003的喷嘴具有较好的喷洒性能，选取该型号的喷嘴对大田作物进行喷雾效果更佳。

精准农业；喷嘴性能；扇形

农业病虫害防治是农业生产的重点环节，也是农业高产高质的保障；植物保护是控制农作物病、虫、草害的主要手段，也是保证农业高产、稳产，夺取全而丰收的一个重要环节。目前植物保护的方法主要有化学防治、物理防治、生物防治和综合防治等。由于化学防治法具有工效高、防治及时等特点，特别是对于突发性、大面积暴发的病虫害，能够做到及时控制与防治[1]。因此，它仍然是现阶段乃至今后相当长的时期内世界各国对作物进行病虫草害防治的主要方法。

使用农药防治农林病虫草害的目的是要用最少量的农药取得最佳防治效果，并且不引起环境污染等负面效应[2]。但实际上，传统的喷雾技术喷撒出去的农药只有极少部分能达到要防治的靶标上[3]。目前，我国施药技术大多以大容量、大雾滴喷雾技术为主，其农药有效利用率只有20%左右，约80%的药液滚落或飘移进入非靶标环境中，施药过程中漂移、流失的农药是一种环境污染源，这种施药技术现状是造成农药使用中负面影响的重要原因之一[2,4]。为了减少大容量、大雾滴喷雾技术给农业带来的负面影响，实现精准喷施，实现用最小的药量、最小的环境污染达到最大控制病虫害的目的，建议选用小雾滴进行喷施，但小雾滴在空中漂浮的时间较长，雾滴漂移潜能将增大[5]。因此，需要选择适当的喷头喷嘴，使之不仅可以使用小雾滴喷洒实现用最小的药量，而且还可以提高喷洒质量[6-7]。该文在试验室喷雾性能测试台上对同类型3种不同型号的扇形喷嘴性能进行了比较分析，以期筛选出适合大田作物应用的喷嘴型号。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1研究对象。 喷嘴类型为扇形型号：LICHENG Vp110015、Vp11003和Vp11006。

1.1.2主要仪器。试验室喷雾性能测试台，该试验台由哈尔滨博纳科技有限公司生产； S18UIA高精度超声波传感器，由无锡电力方科技有限公司生产，其体积小，但具有其他大型传感器所有的功能，而且不受被测物体的颜色影响，可用于小型容器内进行液位高度检测；DMK21BF04型低照度高感度工业摄像机，由东莞市富爱其自动化有限公司生产；采用低照度高感度工业摄像机，研制C++语言程序软件，进行图像采集和处理(得出喷雾角)；Winner312喷雾激光粒度仪，由河南微纳仪器有限公司生产；Winner312工业喷雾激光粒度分析仪，适用于工业喷雾粒度大小及粒度分布的测定，还可以测定固体颗粒以及液体颗粒的粒度分布。可用于工厂化验室、高等院校和研究室质量控制、产品检验、科学研究、新品开发等。Winner312激光粒度分析仪必须与计算机联机使用，主机与计算机可以通过标准串行口实现双向通讯。

1.2 试验设备性能与试验方法

1.2.1喷雾性能综合试验台。喷雾性能综合试验台，由药液循环系统(由电机、水泵、过滤器、调压阀、球阀、三通、弯头、不锈钢管、胶管、接头等构成)、喷雾激光粒度仪、控制台等组成。试验台总长3 600 mm、宽2 200 mm、高2 250 mm, 框架采用铝合金型材，防腐防锈。

喷杆上安装4个喷雾器，间距500 mm，喷杆上下可调，调节范围为300～800 mm，通过减速电机驱动链轮、链条进行上下调节，由喷杆上的箭头指示刻度尺上的刻度位置。喷杆可前后移动，由气缸驱动，当移动到试验台前端，可以方便装卸喷嘴。摄像机架连接在试验台框架上，通过气缸可以90度旋转，防止喷杆向前移动时发生干涉，摄像机距离喷嘴≥400 mm。喷雾分布均匀性测试由超声波液位传感系统、试管及试管架、试管架翻转机构组成。试管架翻转机构采用齿轮传动进行翻转，翻转角度为105°，实现接水位置、测量位置、倾倒位置精确定位。试管架由60个试管固定在试管架上，翻转时保证不上下、左右晃动。选用D=45 mm、H=250 mm的量筒，最大可测量流量3 L/min的喷头4支，以满足国内喷雾机的要求。超声波测量系统由超声波液位传感器、铝合金导轨、导向滑块、步进电机、限位开关、齿轮齿条驱动装置组成，保证超声波液位传感器在导轨上平稳匀速的移动。

液泵测试系统，应用传感器融合技术，自动监控液泵的进出口压力、扭矩、转速和流量参数，他们以模拟信号(4～20 mA)形式经PLC的A/D 模块转化为数字量，PLC同时通过高速计数器获得编码器转速信号，并都经由RS232传送给计算机，由计算机负责采集、显示、数据融合处理、储存和打印试验报表等。

该试验在学院试验室喷雾性能综合试验台上进行，如图1所示。

图1 喷雾性能综合试验台

1.2.2喷雾性能综合试验台工作原理。在田间测试喷雾机的喷雾性能时，喷头的压力与流量、喷雾角、喷洒的均匀性、水泵消耗功率等是无法有效并精确测量的，而在试验室内的喷雾性能综合试验台上，利用计算机视觉图像处理技术、超声波精确测距技术、传感器耦合技术和计算机综合控制技术，可以自动并精确地测量各个数据，从而实现对喷雾机喷洒部件和增压部件各项指标的综合测试。

(1)采用低照度高感度工业摄像机，进行图像采集和处理，从而测量得出喷雾角；(2)采用高精度超声波传感器，进行超声波数据的采集和处理，得出喷雾分布均匀性；(3)通过计算机和PLC通信的方式，进行相应运动机构的控制和传感器的数据采集。

1.2.3试验内容。

(1)喷雾分布均匀性及流量测试。 喷杆上安装4个喷雾器，喷杆上下可调，通过减速电机驱动链轮、链条进行上下调节，由喷杆上的箭头指示刻度尺上的刻度位置。喷杆可前后移动，由气缸驱动，当移动到试验台前端，可以方便装卸喷嘴。摄像机架连接在试验台框架上，通过气缸可以90度旋转，防止喷杆向前移动时发生干涉，如图2所示。

图2 喷杆喷雾器

针对此项内容的测试，选择喷头高度为385 mm下进行。首先打开控制台，其次调节药液循环系统上的压力阀，试验设计了3个压力大小分别为0.2、0.3和0.4 MPAa，测试时间为1 min。

操作过程：选取3种喷嘴型号为Vp110015、Vp11003和Vp11006，在喷头高度为385 mm下，分别在压力为0.2、0.3和0.4 MPAa下测出其单位时间内流量。

(2)喷雾的雾锥角测试。试验步骤为测试前，先打开摄影灯(摄影灯连续工作不宜超过10 min)，接着打开控制台电源，具体操作如下：①按【喷杆上升】或【喷杆下降】按钮，调节喷杆到试验要求的高度；②按【气泵】按钮，启动气泵，手动调节调压阀，调节气压；③按【水泵】变频器的“FWD”按钮，开始喷水；④在测试软件上按【喷雾角测量】按钮，启动喷雾角测量程序；⑤点击【开始测试】，进入页面；⑥【手动测量角度】，通过鼠标画两条直线，计算机计算两直线的夹角，并显示于测量结果框中；⑦测量完毕后，按【水泵】变频器的“STOP”按钮，停止喷水。

(3)不同压力下雾粒径大小测试。滴粒径分布是利用激光粒度仪测得的，而喷雾激光粒度仪主要由激光发射器和光电传感器组成。具体操作如下：①按【雾滴喷头左移】或【雾滴喷头右移】来调整喷头位置；②利用喷雾激光粒度仪，进行雾滴测试。

图3 激光粒度仪原理

雾滴尺寸大小量程为15～711 um，样品比重为1 g/cm3，样品浓度为4.007，拟合误差0.006；当雾滴粒径为438.932 um时，累积量达到100%。

2 结果与分析

2.1 喷雾分布均匀性及流量由表1可知喷嘴型号Vp110015，压力为0.2 MPa时，单位时间内测试流量为0.64 L/min；压力为0.3 MPa时，测出单位时间内流量为0.74 L/min；压力为0.4 MPa时，测出单位时间内流量为0.81 L/min。喷嘴型号Vp11003和Vp11006，分别测出单位时间内压力为0.2 MPa情况下，其流量分别为0.76和2.24 L/min；压力为0.3 MPa时，流量分别为0.85和2.62 L/min；压力为0.4 MPa时，流量分别为0.96和3.16 L/min，对比喷嘴型号和调节压力分析可知，优选压力为0.3 MPa，喷嘴型号为Vp11003的喷嘴。

表1 喷嘴流量测试结果 L/min

注：喷头高度385 mm；单位时间内流量测试min。

2.2 喷雾的雾锥角由表2可知，不仅喷嘴类型会影响雾锥角大小，而且压力调节的大小同时也会影响雾锥角。在喷雾过程中，理论上应尽量选择较大的雾锥角和适当的压力。从表2的数据中对比压力大小和喷嘴类型可得出，喷嘴类型为Vp11006，调节压力为0.3 MPa时的喷雾角较为适宜。

表2 雾锥角测试结果 °

2.3 不同压力下雾粒径的大小对型号为Vp110015的喷嘴在压力为0.2、0.3和0.4 MPa下测试粒径大小，得到一组数据分别为96.365、91.881和83.829 um。

2.3.1不同压力下Vp110015喷嘴的雾粒径的大小。由图4可知，当压力为0.2 MPa时，雾滴尺寸大小量程为15～711 um，样品比重为1 g/cm3，样品浓度为4.007，体积中径X50=98.365 um，拟合误差0.006；当雾滴粒径为438.932 um时，累积量达到100%。

图4 Vp110015，压力为0.2 MPa

雾滴由于是出自同一设备，故雾滴量程一定。由图5可知，当压力为0.3 MPa时，此时的雾滴体积中径为91.881 um，样品浓度为4.315，拟合误差为0.006，当雾滴粒径为438.932 um时，累积量达到100%。

图5 Vp110015，压力为0.3 MPa

由图6可知，当压力为0.4 MPa时，此时雾滴体积中径为83.829 um，样品浓度为4.676，拟合误差为0.005，当雾滴粒径为344.875 um时，累积量达到100%。

图6 Vp110015，压力为0.4 MPa

2.3.2不同压力下vp11003和vp11006喷嘴的雾粒径的大小。使用同样的方法，在不同压力下测出喷嘴型号为vp11003和vp11006的粒径大小。

由图7可知，当压力为0.2 MPa时， Vp11003的喷嘴雾滴体积中径为132.533 um，样品浓度为4.129，拟合误差为0.006，当雾滴粒径438.932 um时，累积量达到100%。

图7 Vp11003,压力为0.2 MPa

由图8可知，当压力为0.3 MPa时， Vp11003的喷嘴雾滴体积中径为119.626 um，样品浓度为4.471，拟合误差为0.006，当雾滴粒径438.932 um时，累积量达到100%。

图8 Vp11003,压力为0.3 MPa

由图9可知，当压力为0.4 MPa时， Vp11003的喷嘴雾滴体积中径为115.333 um，样品浓度为4.268，拟合误差为0.006，当雾滴粒径438.932 um时，累积量达到100%。

图9 Vp11003,压力为0.4 MPa

由图10可知，当压力为0.2 MPa时，Vp11006喷嘴的雾滴体积中径为188.719 um，样品浓度为4.652，拟合误差为0.008，当雾滴粒径438.932 um时，累积量达到100%。

图10 Vp11006,压力为0.2 MPa

由图11可知，当压力为0.3 MPa时，Vp11006喷嘴的雾滴体积中径为185.499 um，样品浓度为4.801，拟合误差为0.007，当雾滴粒径438.932 um时，累积量达到100%。

图11 Vp11006, 压力为0.3 MPa

由图12可知，当压力为0.4 MPa时，Vp11006喷嘴的雾滴体积中径为180.907 um，样品浓度为4.923，拟合误差为0.007，当雾滴粒径438.932 um时，累积量达到100%。

图12 Vp11006, 压力为0.4 MPa

由表3可知，3种型号喷嘴的实际测定数据，结合理论值针对3种喷嘴型号Vp110015、Vp11003和Vp11006在压力为0.2、0.3和0.4 MPa下测试粒径大小。综合上述粒径分布图和表3可知，同一喷嘴中，喷雾粒径大小随调节压力的增大而减小；同一压力时，喷雾粒径大小和喷嘴类型和大小有关。在实际喷雾过程中，粒径过大会影响喷幅和流量的大小，同时也会影响雾滴的沉积率；雾滴粒径过小也会影响喷雾效果，尤其受风的影响比较大，防漂移效果比较差[8-9]。对比3种喷嘴和不同压力下的粒径大小，可选取喷嘴型号为Vp11003在0.3 MPAa的压力下作为研究对象考虑。

表3 不同压力下粒径测试结果 μm

注：表中数据为不同压力下粒径(体积中径)值。

3 结论

综合上述不同型号喷嘴，在不同压力下进行比较测试分析得出：型号为Vp11003喷嘴从流量、雾锥角以及粒径大小各种参数较为合理，更适合在实际喷雾过程中进行喷雾。在实际喷雾操作过程中为了减少大容量、大雾滴喷雾技术给农业带来的负面影响，实现精准喷施，实现用最小的药量、最小的环境污染达到最大控制病虫害的目的，建议选用小雾滴进行喷施。

[1] 傅泽田, 祁力钧, 史岩. 化学农药施用技术与粮食安全[J].农业工程学报, 2002, 18(6)：203-206.

[2] 屠予钦. 我国农药的有效利用率与农药的负面影响问题[J]. 世界农药, 2003(6)：1-4.

[3] 周华, 朱畅, 范明豪, 等. 高压旋芯喷嘴的雾化特性[J]. 农业机械学报, 2006(1)：63-66，58.

[4] 张弛, 张荣伟, 徐国强, 等. 直射式双旋流空气雾化喷嘴的雾化效果[J]. 航空动力学报, 2006(5)：805-809.

[5] 闫云飞, 张力, 高振宇, 等.低压旋流雾化喷嘴的雾化性能[J]. 化工学报, 2009(5)：1141-1147.

[6] 陈斌, 郭烈锦, 张西民, 等. 喷嘴雾化特性试验研究[J]. 工程热物理学报, 2001(2)：237-240.

[7] 龚景松,傅维镳. 一种新型喷嘴的提出及流量特性的研究[J]. 工程热物理学报, 2005(3)：507-510.

[8] 陈超, 袁寿其, 李红, 等. 异形喷嘴对变量喷头水力性能的影响[J]. 农业机械学报, 2011(12)：111-115.

[9] 曾卓雄, 姜培正, 谢蔚明，等. 喷嘴雾化粒径的试验研究[J]. 西安交通大学学报, 2000(4)：75-77.

Analysis on Performance Test of Three Kinds of Nozzle

SHEN Jiang-feng, HE Yu-jing, YU Yong-chang*

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Henan Agricultural University, Zhengzhou, Henan 450002)

[Objective] To select appropriate nozzle, realize accurate spray, reduce negative effects on agriculture. [Method] Using laboratory spray performance test platform, the spray performance of LICHENG Vp110015, Vp11003 and Vp11006 were compared and analyzed. According to relationship between pressure and flow rate, size of nozzle, droplet size distribution, the appropriate nozzle for large field was selected. Using high precision ultrasonic sensor, data collection and processing were conducted, the spray distribution enveness was obtained. [Result] Under the same pressure of 0.3 MPa, the flow rate of three nozzle are 0.74, 0.85 and 2.26 L/min; using low illumination and high sensitivity industrial camera to conduct image sampling and processing, the size of nozzle are 109.5°, 109.0° and 114.1° respectively; using spray laser particle size instrument to test, the grain size are 91.881, 119.625 and 185.499 um, respectively. [Conclusion] Comprehensive consideration, the model for Vp11003 nozzle has better performance of spray.

Precision agriculture; Nozzle performance; Fan

河南省科技厅科技攻关项目(102102210157)。

申江峰(1986-)，男，河南开封人，在读硕士研究生，研究方向：机械化农业生产与机器系统。*通讯作者，教授，博导，硕导，从事农业电气化及其自动化研究。

2014-12-11

S 274

A

0517-6611(2015)04-376-04