石宝宝，石复习，陈 军，蒋宗谨，刘世浩

( 西北农林科技大学 机械与电子工程学院，陕西 杨凌 712100 )

0 引言

目前，猕猴桃园主要施药设备有压力式喷雾器、弥雾机及风送式喷雾机3种。其中，压力式喷雾器雾滴直径分布较大，喷施效果差；弥雾机购置成本高昂，行间转移灵活性差，不适合棚架作业；风送式喷雾机喷施均匀性差，作业飘洒严重，环境污染严重。双流体雾化是利用一定压力的空气或蒸汽，以高速冲击速度较低的被雾化液体，将其撕裂成细小的液滴。双流体雾化喷嘴主要用于增湿、冷却降温及喷雾涂层等等，具有雾化均匀、雾化粒径稳定区间大、气体与液体可独立控制等特点，便于实现变量施药，可广泛应用于果园精准施药，目前尚未得到广泛应用[1-4]。

双流体雾化喷嘴是实现双流式喷雾的核心部件，其结构简单、适应性强，对于高黏度和低黏度的液体都有良好的雾化性能，并且在保证雾化效果的基础上，容易通过调节气压和液体流量，灵活改变气压与液体流量来控制喷施距离、喷施量等特性参数，从而满足不同条件的喷施要求[5-7]。将双流体喷嘴应用于猕猴桃园施药喷雾，对于降低农药用量，减少药液飘洒，实现精准变量施药具有重要作用。

目前，针对双流体喷施的研究主要有雾滴粒径、雾滴速度、雾滴个数、流量、雾化角及喷孔直径等方面的研究。卢平等在双流体雾化特性试验中，利用了PIV测量技术，测试了不同气液比下的雾滴粒径，雾化颗粒平均粒径随着气液比的增加呈现下降趋势；王贞涛等利用了相位多普勒粒子动态分析仪测试了喷嘴不同孔径下的雾滴粒径和不同工作压力下的雾滴轴向平均滴速，获取了喷孔直径为1.2mm喷嘴具有更好的雾化效果，选用0.3MPa或者0.4MPa的工作压力较为合适[8-9]。

本文以扇形喷嘴、广角圆形喷嘴、圆形喷嘴3种双流体喷嘴为研究对象，根据猕猴桃果园的架型结构、树形大小和树冠密度等作业条件，在设定气压和液体流量条件下，获取双流式喷射雾化作业的控制参数，探讨了气压与贯穿距、气压与雾化角及气压与液体流量的关系，确定了影响双流体喷嘴雾化效果的主要因素及最佳控制参数，为双流体喷嘴的变量施药作业系统的构建，提供基础设计参数。

1 试验装置及方法

1.1 试验装置

试验采用东莞市沙鸥喷雾系统有限公司、D-1/4-SS+SUC23-SS、D-1/4-SS+SUC11-SS、D-1/4-SS+SUK30-SS型号的双流体雾化喷嘴。试验台选用4040铝型材搭建，喷射控制所需的仪器全部安置于试验台上。试验装置由行走系统、气路系统及液路系统3部分组成。行走系统包括底架等；气路系统包括空气压缩机、气源处理器、节流阀、气体流量计及气体压力表等；液路系统包括药箱、齿轮泵、单向阀、液体流量计、液体压力表及双流体喷嘴等。试验系统装置示意图如图1所示。

1.空气压缩机 2.气源处理器 3.节流阀 4.气体流量计 5.气体压力表 6.双流体喷嘴 7.液体压力表 8.液体流量计 9.单向阀 10.齿轮泵 11.药箱图1 试验系统装置示意图Fig.1 Schematic diagram of test system

雾化特性研究中，空气压缩机和齿轮泵是试验装置中的动力源，由气源处理器进行气体动力的稳定并且调节气压的大小；节流阀对气路系统进行气体调节，产生压力损失，防止过大气流将液流顶回去；气体压力表和流量计监测气路系统管路中的压力和流量。液路系统中单向阀可以有效防止液体回流，液体压力表和流量计监测液路系统管路中的压力和流量。气液双流体试验系统主要技术参数如表1所示。

表1 双流体试验系统主要技术参数Table 1 Main technical parameters of twin-fluid test system

雾化特性试验过程中使用到3种喷嘴，这3种喷嘴内部结构一致，只是空气帽不同，现给出双流体扇形喷嘴结构如图2所示。

1.气体入口 2.气体出口 3.挡圈 4.双流体出口 5.空气帽 6.液体出口 7.液体入口 8.可调针阀图2 双流体扇形喷嘴结构示意图Fig.2 Schematic diagram of twin-fluid sector nozzle

采用相同的齿轮泵压力，调节喷雾气压进行雾化特性试验，工作气压范围1.5～4.0bar，标准齿轮泵电压为12V。通过固定泵压条件下，改变气压得到3种双流体喷嘴的喷射特性参数，通过压力表和流量计检测喷嘴气体入口和液体入口前的压力和流量。试验装置设定为喷嘴雾化，喷嘴高度距离地面1.2m，与地面水平放置，喷雾时该装置处于静止状态，通过调节气源处理器实现气液双流式变量喷雾。

1.2 试验方法

以空气和清水作为工作介质进行双流体雾化试验研究，将试验装置按图1搭建即可，对于不同气压下的雾化特性参数进行试验。试验过程中，保证喷嘴水平分布，喷嘴出口水平喷射，在地面放置皮尺和湿敏纸，可以有效测量贯穿距的大小；在进行雾化角的测量时，喷嘴垂直分布，距离地面高度1.2m，喷雾角度的背景粘贴蓝色纸张，便于更好地用相机拍摄图片。根据图2双流体扇形喷嘴结构示意图可知：空气压缩机产生的压缩空气和清水分别通过气体入口和液体入口进入喷嘴，随之产生1路液体，3路气体，且在空气帽处混合雾化，形成细小雾滴，最终在双流体出口处实现喷雾；每次试验重复3次取平均值，以确保获得更精确的数据。

2 雾化特性试验

2.1 气压对雾化角的影响

雾化角是指雾化流场边界间的夹角，根据上述搭建的试验装置，将喷嘴垂直布置，竖直向下喷雾，设定齿轮泵电压值为12V，改变气压得到不同雾化条件的角度，固定相机拍摄雾化角图片。图3～图5分别给出了广角圆形喷嘴、圆形喷嘴、扇形喷嘴在气压p为1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0bar下的雾化雾炬图。

(a) p=1.5bar (b) p=2.0bar

(c) p=2.5bar (d) p=3.0bar

(e) p=3.5bar (f) p=4.0bar图3 广角圆形喷嘴雾化雾炬图Fig.3 Wide angle circular nozzle spray map

(a) p=1.5bar (b) p=2.0bar

(c)p=2.5bar (d) p=3.0bar

(e) p=3.5bar (f) p=4.0bar图4 圆形喷嘴雾化雾炬图Fig.4 Circular nozzle spray map

(c) p=2.5bar (d) p=3.0bar

(e) p=3.5bar (f) p=4.0bar图5 扇形喷嘴雾化雾炬图Fig.5 Fan nozzle spray torch chart

从图3～图5中可以看出：扇形喷嘴的雾化锥角适中，雾炬较为饱满，雾化颗粒沿雾炬径向分布较为均匀，且以极细的雾滴形式存在，整体雾化效果良好。其中，在气压为2.0bar下雾化角基本最大，当p为2.0bar时，图3广角圆形喷嘴的雾锥角最大约55°，雾滴分布有交叉、重叠；图4圆形喷嘴的雾锥角约为14°；图5扇形喷嘴约为90°。

将上述喷雾条件下所得的雾化雾炬图转换成数据曲线，研究气压对雾化角的影响，如图6所示。在齿轮泵电压值为12V的情况下，3种喷嘴的雾化角都随着气压的增大呈现先增大后减小的趋势。在气压一定的情况下，扇形喷嘴的雾化角最大，广角圆形喷嘴的雾化角次之，圆形喷嘴的雾化角最小。

由图6可以看出：圆形喷嘴在气压值为3.5bar时，雾化角为0°，可见在气压值为3.5bar及以后圆形喷嘴不再有液体，不适合喷雾；广角圆形喷嘴在4.0bar时雾化角亦为0°，雾化过程中没有液体，不适合喷雾；而扇形喷嘴在整个控制气压变化范围内都有均匀的雾滴分布，可见在气压变化的过程中扇形喷嘴优于广角圆形喷嘴和圆形喷嘴。

图6 气压对雾化角的影响Fig.6 Effect of air pressure on atomizing angle

2.2 气压对贯穿距的影响

根据喷嘴雾化雾炬图，喷雾从喷嘴到最大弥散处的总距离为贯穿距。测试贯穿距时利用搭建的试验平台，将齿轮泵电压值设定为12V不变，调节空气压缩机输出的气压，气压范围1.5～4.0bar，利用皮尺和水敏纸的效果测试出对应的贯穿距。

图7为双流体扇形喷嘴、广角圆形喷嘴和圆形喷嘴的气压与贯穿距的关系曲线。调节空气压缩机输出气压的大小得到喷雾雾滴的贯穿距，为实现变量喷雾提供了对应的数据关系。

将这些数据用EXCEL处理，得出3种喷嘴下气压与贯穿距的拟合关系式分别为

L1=-0.2357p12+1.605p1-0.2593

(1)

L2=-1.6p22+7.12p2-5.12

(2)

L3=-2.2571p32+9.7457p3-6.1886

(3)

图7 气压对贯穿距的影响Fig.7 Effect of air pressure on penetration

由图7可以看出：在液路系统齿轮泵电压设定为12V不变时，扇形喷嘴、广角圆形喷嘴和圆形喷嘴的贯穿距均随着气压的增大先增大后减小。其中，圆形喷嘴和广角圆形喷嘴在气压为2.5bar时贯穿距基本最大，扇形喷嘴在气压为2.5bar下贯穿距为2.2m，在3.5bar时贯穿距基本达到最大，为2.6m，都符合猕猴桃园的实际情况；在气压大于3.5bar时，广角圆形喷嘴和圆形喷嘴的贯穿距都为0，说明此时喷嘴出口处基本无液体，不适合雾化。但是对于一般的果园来说，一定压力下的贯穿距就可以保证雾滴的有效穿透性，过大的贯穿距会造成药液浪费。针对猕猴桃园的树高、叶幕层等综合考虑来说，扇形喷嘴优于广角圆形喷嘴和圆形喷嘴，且选用2.5bar的气压较为合适。

2.3 气压对流量的影响

在液路系统齿轮泵电压给定12V的情况下，依据搭建的试验平台，调节气源处理器，改变空气压缩机的输出气压值，喷嘴的可调针阀放到最大位置，可以保证液体的最大流量，气路的节流阀开到最大，使雾化效果最佳。想要验证气路与液路系统之间的相互关系，气路控制气压，液路控制流量，故此求证气压对流量的相关关系。图8为气压对液体流量的影响。

图8 气压对液体流量的影响Fig.8 Effect of air pressure on liquid flow

由图8可以看出：扇形喷嘴、广角圆形喷嘴和圆形喷嘴这3种喷嘴对应的液体流量都随着气压的增大而减小，减小幅度为扇形喷嘴低于广角圆形喷嘴和圆形喷嘴。其中，在气压一定时，扇形喷嘴的流量最大，广角圆形喷嘴的流量次之，圆形喷嘴的最小。在气压为2.5bar时，扇形喷嘴的流量为0.315L/min，广角圆形喷嘴的流量为0.233L/min，圆形喷嘴的流量为0.182L/min。改变气路系统中气压的大小，液路系统中液体流量随着变化，可见该套试验系统中气液相互影响，相互制约。

在气路系统中，喷嘴气流量的大小决定了空压机的选型，因此合适的气路系统必须要有合适的空压机。在液路系统齿轮泵电压为12V不变时，调节气源处理器改变空气压缩机输出的气压值，得出气流量的大小。图9为气压对气流量的影响。

图9 气压对气体流量的影响Fig.9 Effect of air pressure on gas flow

由图9可以看出：扇形喷嘴、广角圆形喷嘴和圆形喷嘴这3种喷嘴对应的气体流量都随着气压的增大而增大；当气压一定时，广角圆形喷嘴所消耗的气体流量最大，扇形喷嘴次之，圆形喷嘴最小。由于圆形喷嘴的雾化出口仅有一个圆形口，出口截面积最小，所以对应的气体流量最小；而广角圆形喷嘴的出口有6个细小的圆形口，使得出口截面积最大，所以对应的气体流量最大；扇形喷嘴的双流体出口为一弧度，截面积处于中间，对应的气体流量处于中间。当气压为2.5bar时，扇形喷嘴的气体流量为90L/min，广角圆形喷嘴的气体流量为98L/min，圆形喷嘴的气体流量为80L/min，均处于空气压缩机额定流量120L/min内，满足试验要求。

2.4 气路系统上气压的损失

在气路系统中，有节流阀的添加及一些管路通路上的仪表通孔，长度不一致的硬质管路都造成了气路系统上的压力损失，压力的损失导致气体流量的减少。在喷雾过程中，节流阀处于最大开通状态，压力表放置于双流体喷嘴气体入口前面，通过比较气源处理器和气体压力表的大小，得到气路系统整个管路的压力损失。液路系统上齿轮泵的电压给定12V，测试气路系统上3种喷嘴的压力损失，如图10所示。

图10 气路系统上的压力损失Fig.10 Pressure loss on the gas path system

根据图10气路系统上的压力损失可以看出：在气压变化范围内圆形喷嘴压力损失最小，在气压为1.5～2.0bar时，扇形喷嘴损失最大，广角圆形喷嘴次之；在2.0～4.0bar时，广角圆形喷嘴损失最大，扇形喷嘴次之。

3 结论

1)在相同的齿轮泵压力下，喷嘴雾化角的大小随着气路系统下气压的增大呈现先增大后减小的趋势，综合雾化效果和雾化角度，扇形喷嘴优于广角圆形喷嘴和圆形喷嘴。

2)根据气压与贯穿距的试验结果对比分析得出：3种喷嘴的贯穿距均随着气压的增大先增大后减小，在气压为2.5bar时，贯穿距基本达到最大值；针对猕猴桃园具体形状尺寸，扇形喷嘴的贯穿距优于圆形喷嘴和广角圆形喷嘴。

3)双流体喷嘴在雾化过程中，气路系统中的气压对气体流量和液体流量都有直接的影响，随着气压的增大气体流量增大，而液体流量随着气压的增大呈现减小的趋势，气路与液路系统的压力和流量相互影响，相互制约。

4)在气路系统传输过程中，空压机输出的压力会在管路与仪表通孔中损失，在气压变化范围内圆形喷嘴压力损失最小。