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1、植保喷头内部结构及喷雾性能的实验及优化 0、引言 目前,化学防治因具有高效和及时等特点,仍是人类对病虫草害进行综合防治最主要、最直接及有效的手段。但随着人们对生存环境要求以及对环境保护认识的日益提高,农药喷洒技术及植保器械的研究面临两个问题:如何提高农药的使用效率;如何避免或减轻农药对非靶标生物的影响和污染。国内农药生产技术处于世界领先水平,但施药器械和技术水平却存在严重问题。资料显示,我国农药的有效利用率仅为20%左右,剩余农药残留飘移到外界,会对人类以及其他生物的健康和环境等造成危害和污染。喷头是植保机械中的关键部件,对药业雾化质量有重大影
2、响;但目前在国内,喷头存在种类少、材质和制造技术差、雾化技术和水平低等许多问题。要解决这些问题,首先必须加强对植保喷头内部结构及喷雾性能的实验和研究,所以需要优化喷头的结构,得到更快速的喷头设计方法。 1、植保喷头研究现状分析 植保喷头的种类可以根据雾化程度和动力不同来分类。按药液雾化程度的不同,可以分为通用喷头、微量喷头、烟雾喷头和迷雾喷头等4大类;按照动力的不同,可以分为液力式喷头、气力式喷头、旋转喷头和重力式喷头等类型。就通用喷头而言,可分为扇形雾喷头和圆锥雾喷头。本文主要针对通用喷头进行参数化设计研究。国内外对喷头的研究主要在以下几个方
3、面: 1)喷头内部结构。通过改变喷头内部结构形式,改进喷头的喷雾性能,如实现变量喷雾、对靶喷雾,减少漏滴现象。 2)喷头性能参数。对喷头的喷雾性能如喷雾量、喷幅和射程大小、雾滴尺寸、喷雾角度等进行分析,得到更好的喷雾规律。 3)喷头材料的开发和研究。通过开发新材料和新工艺,减少喷头的磨损和腐蚀,增加喷头的使用寿命。 4)喷头新技术的研发。开发智能喷雾、抗漂移喷雾、静电喷雾等新技术,实现喷雾性能研究与计算机的结合。 5)喷头专用化、系列化和标准化的研究。 喷头喷雾性能的研究为喷头的内部结构设计提供了事实依据,而良好的内部结构为喷头的喷雾性
4、能提供了基础,所以喷头的内部结构的优化设计显得尤为重要。 植保喷头的参数化设计研究:开发出参数化设计模块和界面,能够快速得到喷头的三维模型;同时,可以为植保喷头的快速设计提供基础,缩短设计、研制周期以及减少成本;然后可以进行仿真试验和分析,得到喷头优化设计后的结构参数,使得喷头获得更好的喷雾性能;并且能够分析各结构参数对喷雾性能参数的影响规律。 2、植保喷头内部结构优化设计流程 植保喷头的结构设计是一个综合过程,主要设计流程如图1所示。第1步,必须要确定植保喷头的关键结构参数,进行内部结构设计,并得到植保喷头的三维模型;第2步,借助流体仿真分
5、析软件对喷头内部流场进行仿真分析,分析设计的喷头能否满足性能要求。如果不能,则返回重新修改结构参数;如果可以满足性能要求,则可以进行实物试验,检测是否可以达到实际设计要求,不符合,则修改仿真参数,反复修改参数和形式并进行分析,直到获得最终优化的结构参数和结构形式。 在仿真分析试验和实物检测试验过程中,均需要对喷头的结构参数和形式进行反复的修改,对于这种修改局部结构和参数的建模方式,通过使用二次开发工具开发出参数化设计模块和界面,能够快速、有效的得到喷头的三维模型。 3、植保喷头结构参数和形式确定 3.1植保喷头结构图 植保喷头参数化设计,主
6、要在于喷头的各个结构参数以及它们之间的相互关系式的确定。以扇形雾和锥形雾喷头为例,其主要结构参数如图2和图3所示。 1)扇形雾喷头相关参数说明:H为孔边距;H为切槽深度;e为过心距;D为喷孔直径;α为切槽角度;Hr为相对切深,Hr=2(H-h)/D=R-e/R。 2)锥形雾喷头相关参数说明:d为喷孔直径;b为进液槽宽度;h为进液槽高度;H为垫圈厚度。 和确定。根据流体力学原理以及伯努利方程,喷雾量Q的大小等于液体流速ν与喷孔出水处截面面积F的乘积,得 式中g重力加速度(m/s2);γ液体的密度(kg/m3);p
7、液体压力(kPa);μ流量系数。 其中,流量系数μ是计算流量Q的重要参数,其计算公式为 其中,∑μ是喷头截面收缩系数之和,由喷头的结构结构参数决定。μ仅仅用公式计算出来的结果与实际情况会有比较大的误差,必须经过实验进行相应的修正计算,才能得到较合理的流量系数值。最终可以依据实验数据拟合出流量Q和流量系数μ之间的关系式。 扇形雾喷头的出水处面积F计算方法分3种情况,其大小主要与喷孔直径D、切槽角α以及过心距e有关。由此可以知道,影响扇形雾喷头的喷雾量的主要结构参数为喷孔直径D、切槽角度&alph
8、a;和过心距e。 3)影响扇形雾喷头喷雾角的结构参数分析。喷雾角的计算目前还未形成一套很成熟的公式,主要是以试验为基础,
