果园施药机械药液混合方式研究

2020-04-23河北农业大学孙沐钰王沂蒙秦川

河北农机 2020年3期

河北农业大学孙沐钰王沂蒙秦川

绪言

在果园果树种植生长过程中，为保证果园生产实现稳产、高产，果农正确使用农药做好病、虫、草害等防治工作尤为重要。在喷洒农药之前需要将药、水按比例混合，稀释药液。目前，我国大部分地区采用人工的方式来配置农药，这将存在一些不可避免的问题：人与农药直接接触容易中毒；果农对农药容量把控不够准确会造成浪费和污染；人工操作产生的误差使农药的喷洒不能达到预期效果等。因此，为了改善上述问题，新型药液混合机械方式的研究是一个非常重要的研究方向。

1 施药机械药液混合方式类别

目前常见的机械药液混合方式主要有射流混药方式、静态混药方式、管道混药方式、正压式混药方式等，这几种混药方式采用的技术不同，工作特性也有所不同[1]。

1.1 射流混药方式

射流混药主要是指在农药自动混合药液装置上采用射流混合器的应用方式。射流混药装置如图1所示，主要由进水口1、收缩管2、混合管3等部分组成。射流混药装置是通过利用喷雾机管道系统内部水力实现农药与水在线混合的混药装置[2]。射流混药装置在紧靠进水口1的一个非常短的过渡区域内有一个射流自喷嘴喷出口，在进药口4入口处吸入周围的低压液体（此处能量来源于动能交换），而高压水通过进水口1射出，高压水的射出速度是极高的，这会造成剪切层进从而形成漩涡，高速喷射的水的射出会在漩涡的作用下带起周围流体流动，此时高速喷射的水会将自身的动量瞬间转移给装置中的其他液体从而使得整个装置中的液体流动，此时产生的巨大的速度落差会引起装置中不同液体的剧烈混合现象[3]。射流混药装置具有混合效率高、投资成本低、消耗功率低等优点。基于以上优点，射流混药方式在农药混合领域被大量应用。

图1射流混药装置

1.2 静态混药方式

静态混合装置的内部没有转动构件，主要运用的是其结构设计的特殊性、合理性以及内部单元和流体流动实现各种流体的混合，即通过设置静态混合装置内部的固定构件使得不同的流体得到充分均匀的混合。静态混合装置的工作原理是在管线中让流体流动冲击各种类型的板元件以此来实现流体层流运动形成湍流或增加其运动的速度梯度，在流体流动状态为层流时，静态混合装置重复对流体进行“分割——位置移动——重新混合”的操作。在流体的流动状态为湍流时，除了上述情况以外，流体还会在断面方向产生剧烈的涡流，此时会产生巨大的剪切力作用在流体上，使流体进一步的分割，终而达到混合的作用。图2所示为sk型静态混合装置图，它由装置连接法兰1、管壳2以及若干左右旋单元片组成。在静态混合装置中，其内部的螺旋单元片是固定的。相邻两节中的螺旋单元片相错90°，并且它们的旋转方向相反。当流体流经装置入口时被分为两股，这两股流体沿旋转单元片的旋转方向旋转流动180°后，再次被分为两股，之后以反方向旋转后流出第一个混合单元，在流体流过×个混合单元时，流体已经经历了2×次分割与旋转混合，通过这种方式，流体产生流向变化，出现紊流现象，从而达到提高混合效率的目的。与传统的混药方式相比较，静态混药方式使得流体的混合程度得到了很大程度的提高[2]。

图2 sk型静态混合器装置

1.3 管道混药方式

管道混药方式运用的是管道混合器，管道混合器是一种没有任何的机械运动部件的混合器，通过一种或多种混合元件的作用，使得流体在管道内部流动时达到均匀混合目的的混合装置。目前，我国采用的管道混合装置有孔板式、静态挡板式、三通式混合器等。管道混药装置由管道分别和喷嘴、多孔板、涡流室等能够促进混合的元件组成。混合的方式主要有喷嘴式、多孔式、涡流式等。管道混合装置可用于互溶液体的均匀混合过程之中，也可用于气体——液体、液体——液体、固体——液体等非均相体系的混合、溶解、传质和分散之中。常见的涡流式混合装置如图3所示，在涡流室中，两种流体分别从上、下两个流体入口进入涡流室当中，一种流体从图示的右上方入口处切向流入涡流室中，边旋转边向下流动，形成涡流流动，与此同时，另一种流体自左下方的入口切向流入涡流室中，边旋转边向上流动，两种流体在涡流室2中完成混合后从涡流室的出口3沿其切线方向流出以便后续使用。管道混药装置不用借用外部能源，但是它自己会产生降压。管道混药装置具有节省空间、功耗低、投资成本低、易于控制等特点[3]。

图3涡流室式混合装置

1.4 正压式混药方式[4]

正压式混药方式是结合人工手动喷雾器的特征性能以及射流混药方式的原理基础上发展而来的，南京农机化研究所的吴萍等人对此进行了实验研究。吴萍[4]等人设计的正压式混药装置如图4所示。该装置由吸入室1、厂突缩管3、混合管5、挤压室6等几部分组成。在吸入室1的下端位置开有连通挤压室6的分流孔2，挤压室内部设有药液的挤压装置。作业时，当水流进入吸入室后，其中一部分经过厂突缩管流入混合室内，因为水流的通径突然变小，导致水流速度迅速增大，使得压力下降；另一部分经过分流孔被引入挤压室，对药液的挤压装置进行施压。药液挤压装置内的药液因为混合管与挤压室之间的压力差在经过吸孔时被挤压进入混合装置当中，两种液体在混合器当中被均匀混合。采用正压式的混合药液的方式能够使得药液在被吸入的过程中保持稳定，药液混合的过程也能够保持良好的均匀性。

图4南京农机化研究所手动药械混药实验装置

2 机械药液混合方式特点

果园施药机械药液混合的方式主要是通过传感器以及控制系统的配合对整个药液混合过程进行控制，我们所追求的药液混合方式是使得进入混药区域的水量和药量可以得到精准的控制，而后经过有效的搅拌混合使药液混合均匀后顺利地进入机械作业的药箱中，为的是达到农药混合配比均匀、精确，提高农药在果园的利用率，从而增强后面机械喷雾作业的效果。因此，果园机械药液混合方式应均具有以下几个特点。

（1）机械自动混药，且过程稳定

混药方式要实现自动化过程，不需要人为的干预操作，并且药液在混合后可保持良好的稳定状态，各组分之间的状态保持稳定，混合后的农药效果应比传统的要好。

（2）药液得到充分混合且配比精确

果园机械药液混合装置能够自动并且准确的控制好水与药的配合比例，提高被混合的药液的浓度的精准性，同时药液混合的均匀性也能够得到提高。

（3）安全性好，利用率高。

药液混合装置能够实现药、水分离，有效避免了人与农药的直接接触，提高了整个混合药液过程的安全性，同时能够有效地控制系统中剩余的药液，从而减少浪费，提高药液的利用率。

3 存在问题

果园若采用药液机械混合方式的确比手工混药方式优点多，但是不免也存在一些问题。目前，国内外对机械药液混合的研究主要在上文所提到的静态混药以及射流混药方式上，而且射流混药方式还存在一些没有解决的问题，如压强比低、药液混合过程不稳定等问题。静态混药方式也同样存在许多未能解决的问题。到目前，每种理论都还存在着一定的局限性，并且它们相互之间还有矛盾的现象产生。