植保無人機扇形和空心錐噴頭霧化性能研究

孫勝 唐宇 苗愛敏

摘要：體積中值粒徑、數量中值粒徑和噴霧角是影響植保無人機噴頭霧化性能的關鍵因素，基于噴頭霧化粒徑測試平臺，以扇形噴頭和空心錐噴頭為對象，研究體積中值粒徑、數量中值粒徑、噴霧角與噴施壓力之間的關系。結果表明，扇形噴頭中ST-110-01的霧化性能優于ST-110-02和ST-110-03;空心錐噴頭中KZ-08-04的霧化性能優于KZ-08-06和KZ-08-08。當噴施壓力在500～600 kPa范圍內時，ST-110-01的霧化液滴體積中值粒徑為140～150 μm，適合殺蟲劑和殺菌劑的噴施;而KZ-08-04的霧化液滴體積中值粒徑為279～288 μm時，適合除草劑噴施。

關鍵詞：體積中值粒徑;數量中值粒徑;噴霧角;噴施壓力;植保無人機

中圖分類號： S252+.3? 文獻標志碼： A? 文章編號：1002-1302（2019）11-0246-04

隨著科技的發展，傳統的地面病蟲害防治工作方式由于效率低、費水費藥、噴灑不均勻、安全性差等缺點[1]，逐漸被效率高、節水節藥、噴灑均勻、節省勞動力的無人設備代替[2]。目前，植保無人機廣泛應用于病蟲草害防治作業中。在藥液的噴灑過程中，無人機噴頭性能是影響藥液防治效果的關鍵因素之一[3]。噴頭的選擇一般是根據噴頭霧化霧滴的大小。為此，根據霧滴粒徑的大小可將噴頭霧化液滴分為氣霧滴（﹤50 μm）、彌霧滴（50～100 μm）、細霧滴（100～200 μm）、中等霧滴（200～300 μm）、粗霧滴（>300 μm）[4-5]。通常情況下，為了使農藥在靶標作物葉片或者嫩芽上有良好沉積，須選用細霧滴噴灑;而對于草害的防治，為了避免藥液飄移到臨近不需要的地塊，則采用中霧滴或者粗霧滴噴施。在田間作業中，植保無人機常采用單一的扇形噴頭或空心錐噴頭進行所有的藥液噴施，由于噴頭的類型與靶標常存在不適應性，使用不當將會導致農藥的浪費和污染[6-7]?；诖?，針對植保無人機常用2類噴頭的霧化性能，研究農藥噴施與噴頭的適應關系，不僅為植保無人機對不同防治目標選擇相適應的噴頭和壓力提供重要參考，還對提高農藥利用率，減少農藥環境污染具有重要意義。

自20世紀50年代起，國內外學者就開始對噴頭霧化特性展開研究，Dombrowski等得出了扇形噴頭的速度模型[8-9]。Miller等充分研究噴頭的霧滴及霧化性能且對噴頭進行分類，并應用于農業實踐中[10-14]。李旭等對低流量扇形霧噴頭的計算公式和加工工藝進行推導，用CAD二次開發技術實現了設計方法構建[15]。楊學軍等對扇形霧噴嘴的結構、性能及主要結構參數之間的關系進行了研究[16]。戰強等設計了一種新型氣泡霧化噴嘴，并研究了流量和霧化特性[17]。時玲等對國內和國外生產的扇形霧噴頭進行了性能和參數的試驗研究[18]。瞿恩昱等對扇形霧噴頭球頭結構建模，對不同材料進行磨損試驗研究[19]。李洪旗等將FLUENT軟件應用于扇形噴頭的設計等[20]。傳統的研究方法主要是集中在結構參數、改造設計、加工工藝、材料磨損、流量分布、霧滴速度、霧化場空間測量等方面，對扇形噴頭和空心錐噴頭的粒徑、噴霧角等霧化性能參數的研究較少，而該性能參數是影響農藥噴灑效果的重要影響因素。

噴頭的數量中值粒徑、體積數量中值粒徑和噴霧角主要受壓力的影響[21]。數量中值粒徑和體積中值粒徑主要影響靶標的吸收以及霧滴的飄移，噴霧角度主要影響著藥液的覆蓋面積以及噴灑的均勻性[18]。為此，本研究選用扇形噴頭和空心錐噴頭進行試驗測試，2類噴頭試驗基于噴頭霧化粒徑測試平臺，研究體積中值粒徑、數量中值粒徑、噴霧角與噴施壓力之間的關系，對影響噴頭霧化性能參數中的體積中值粒徑、數量中值粒徑、噴霧角進行試驗數據分析，研究2種不同類型噴頭的霧化性能。

1 材料與方法

1.1 試驗設備和材料

本研究選用測試噴頭為LECHLER公司生產的扇形噴頭ST-110-01、ST-110-02、ST-110-03以及LICHENG公司生產的空心錐噴頭KZ-08-04、KZ-08-06、KZ-08-08，具體參數如表1所示。參數是通過利用蔡司SteREO Disooverry.V20電動體視顯微鏡給各個噴頭拍照，并使用自帶軟件進行孔徑等參數的測量獲取。

噴頭霧化性能的測試平臺是根據試驗測試需要自行設計的。該測試平臺包括噴霧系統、粒徑測試系統和單反相機（圖1），噴霧系統實現藥液在不同工作壓力下的供給和噴灑;粒徑測試系統由激光粒度儀采集系統和計算機數據分析系統組成，可實現對多種噴嘴進行霧化粒徑的測試分析。噴頭霧化性能測試測試平臺技術參數如表2所示。

1.2 試驗方法

本試驗依據噴頭的實際使用情況，在噴頭霧化粒徑測試平臺上進行試驗。試驗測試時，植保無人機在田間作業時最佳作業高度是距冠層1 m[22-23]，噴頭出水口距激光粒度儀測試點垂直距離為1 m。采用100～600 kPa的壓力范圍，每隔20 kPa的壓力使用Winner319B進行10次體積中值粒徑和數量中值粒徑采集，取其均值。用單反照相機（佳能5D Mark Ⅱ）進行噴霧角的單色圖像采集，然后用ImageJ軟件進行圖像噴霧角的測定，每張圖像噴霧角測量3次取其平均值。最后通過Origin 9.1作圖分析。

2017年10月中旬在仲凱農業工程學院自動化學院英東樓210農業航空霧化研究室進行試驗測試，關窗的實驗室溫度為21～25 ℃，相對濕度為62%。

2 結果與分析

2.1 扇形噴頭的霧化性能對比分析

2.1.1 扇形噴頭霧化粒徑和壓力的關系 扇形噴頭上圓形噴孔處開了1條狹縫，當壓力藥液進入噴頭后，受內半月形槽底部的導向作用，藥液被分成對稱的液流。2股液流流經噴孔處相遇，相互撞擊，細碎成霧滴噴出，噴出后又與外半月形槽兩側壁撞擊，細碎且受其約束，與此同時，受到外半月形槽底部的引向作用，形成扇形噴出，由于剛從噴嘴噴出的霧滴速度很大，從噴嘴噴出后與空氣發生撞擊，進一步細碎成小霧滴，噴灑到靶標上。經液流、外半月形槽兩側壁、空氣等多次撞擊，藥液的壓力越大，藥液的動能就越大，撞擊后形成的霧滴就越小。因此，藥液的壓力對噴頭霧化液滴的大小影響很大。

為此，分別在噴頭霧化測試平臺上對3種扇形噴頭進行測試，圖2給出了3種扇形噴頭的霧滴數量中值粒徑和體積中值粒徑隨著壓力的變化情況。由圖2可知，當壓力在 300 kPa 左右時，數量中值粒徑和體積中值粒徑隨壓力變化的曲線出現轉折;當壓力小于300 kPa時，隨著壓力的增加，霧滴的數量中值粒徑和體積中值粒徑急劇減小。此壓力范圍，由于藥液在噴嘴孔口的瞬時流量未達到飽和，藥液的流速隨著壓力的增加而增加，藥液的流速越快，霧滴的多次撞擊產生的霧滴（越破碎）粒徑越小;當壓力大于300 kPa時，隨著壓力的增加，霧滴的數量中值粒徑和體積中值粒徑變化趨于平緩。此壓力范圍，藥液在噴嘴孔口的瞬時的流量趨于飽和狀態，此時藥液在噴嘴孔口處的速度不再隨著壓力的增加而增大，霧滴的粒徑隨著壓力的增加而趨于平緩，一般在扇形噴頭作業的時候壓力達到500～600 kPa就達到最大的霧化效果;同種壓力下，3種型號扇形噴頭的數量中值粒徑幾乎相同，但體積中值粒徑不同。體積中值粒徑反映噴頭霧化的絕大部分霧滴粒徑范圍及其適用性，而數量中值粒徑則反映的是霧滴大小的集中趨勢。結合表1扇形噴頭和空心錐噴頭孔徑參數可知，ST-110-01噴頭、ST-110-02噴頭的霧化口開口寬度相差277.39 μm，ST-110-02噴頭與ST-110-03噴頭霧化口寬度只相差了78.48 μm。而ST-110-01噴頭和ST-110-02噴頭孔徑的差值相差了337.89 μm，ST-110-02噴頭與ST-110-03噴頭的孔徑相差了597.1 μm。結合表1、圖2可知，此時扇形噴頭霧化霧滴的體積中值粒徑隨著噴頭霧化口切口寬度增大而增大，而數量中值粒徑卻不受其影響。由于切口的寬度會影響霧膜的厚度，霧膜越厚，分裂出來的霧滴越大，在相同壓力時，孔徑大的噴頭霧膜厚。3種型號扇形噴頭體積中值粒徑相接近，而ST-110-01噴頭的體積中值粒徑最小。因此，3種型號的噴頭中ST-110-01噴頭的霧化效果最優。在500～600 kPa壓力下，噴頭ST-110-01霧化液滴的體積中值粒徑達到140～150 μm、數量中值粒徑達到40～44 μm。ST-110-01扇形噴頭霧化的液滴為細霧滴，適用于施用殺蟲殺菌劑。

2.1.2 扇形噴頭噴霧角與壓力的關系 扇形噴頭的藥液在壓力的作用下通過孔口受外半月形槽兩側壁的影響形成扁扇形霧膜。圖3對比了3種扇形噴頭的噴霧角隨壓力變化而變化的情況，可以看出，當壓力在300 kPa左右時，霧化角隨壓力變化的曲線出現轉折;當壓力小于300 kPa時，藥液在孔口的單位時間的流量隨著壓力的增加而增加，由于單位時間內藥液量的增加，同時又受到外半月形槽兩側壁的影響，使得形成的霧膜隨著藥液量的增加向扇形的兩邊擴增，因此，這個壓力范圍內的噴霧角隨壓力的增大而急劇增大;當壓力大于300 kPa時， 由于噴頭孔口單位時間的流量已經飽和，隨著壓

力的增加流量不再增加，因此，噴霧角隨著壓力的增大而趨于平緩;在相同壓力下，3個扇形噴頭的噴霧角以ST-110-01噴頭的噴霧角最大;扇形噴頭切口的寬度影響液膜的厚度，噴口的寬度越窄，液膜越薄，噴灑越均勻。由圖3可知，ST-110-01噴頭的霧化口寬度及孔徑最小，對比其他2種型號噴頭，在同壓力下，流量越小，噴霧角越大。說明ST-110-01噴頭的噴灑覆蓋度更大，作業效率更高，更均勻。

綜上，從噴頭霧化霧滴的體積中值粒徑、數量中值粒徑和噴霧角對比ST-110-01、ST-110-02和ST-110-03扇形噴頭的霧化參數，在壓力相同的情況下，扇形噴頭ST-110-01的霧化粒徑最小且霧滴覆蓋度更廣。實際作業中ST扇形噴頭壓力設置到500～600 kPa就可達到霧化的最佳效果，適合于施用殺蟲殺菌劑。

2.2 空心錐噴頭的霧化性能對比

2.2.1 空心錐噴頭霧化粒徑和壓力的關系 空心錐噴頭孔口具有螺旋角的斜槽使藥液流動產生離心力，藥液在噴腔內繞噴孔軸線旋轉，液體噴出后，內壁所給的約束力消失，液體受到離心力的作用而向四面飛開，霧滴的飛行方向與它原來的運動軌跡相切，由于藥液的噴施是連續的，藥液從噴孔噴出后，形成散射狀錐形薄膜，薄膜撕裂成不穩定的液絲，最后散成大小不等、不穩定的霧滴，大霧滴與空氣相撞進一步細碎成更小的霧滴。

對空心錐噴頭在噴頭霧化測試平臺上進行測試。圖4給出了3種空心錐噴頭的霧滴數量中值粒徑和體積中值粒徑隨著壓力變化而變化的情況，與圖2的3種扇形噴頭的霧滴數量中值粒徑和體積中值粒徑隨著壓力變化而變化的情況相似：當壓力在 300 kPa 時，數量中值粒徑和體積中值粒徑隨壓力變化的曲線出現轉折;當壓力小于300 kPa時，隨著壓力的增加，霧滴的數量中值粒徑急劇減小;當壓力大于300 kPa時，霧滴的數量中值粒徑和體積中值粒徑隨壓力的增加趨于平緩;雖然壓力對扇形噴頭、空心錐噴頭的霧化粒徑的曲線變化趨于一致，但扇形噴頭藥液在未噴出噴嘴前比空心錐噴頭霧化過程中多了2次撞擊。由此推測，藥液的多次撞擊是扇形噴頭霧滴比空心錐噴頭霧滴小的原因之一。在同一種壓力下，3種型號空心錐噴頭單位時間內藥液的動能是相同，孔徑大的噴頭單位時間內藥液量流出的越多，動能就越小，數量中值粒徑幾乎相同，但體積中值粒徑不同，結合表1扇形噴頭和空心錐噴頭孔徑參數可知，KZ-08-04噴頭和KZ-08-06噴頭的孔徑相差239.15 μm，KZ-08-06噴頭和KZ-08-08噴頭的孔徑相差297.88 μm，相比KZ-08-04噴頭和KZ-08-06號噴頭的孔徑差值多了58.73 μm。由圖4可知，在一定范圍內，相同壓力下空心錐噴頭霧化霧滴的體積中值粒徑受噴頭孔徑的增大而增大，而數量中值粒徑卻幾乎不受其影響。體積中值粒徑反映噴頭霧化的絕大部分霧滴粒徑范圍及其適用性，而數量中值粒徑則反映的是霧滴大小的集中趨勢。由此推測，孔徑的大小影響空心錐噴頭大霧滴的數量。因此，KZ-08-04噴頭霧化的液滴最小。3種型號空心錐噴頭體積中值粒徑相接近，而KZ-08-04噴頭的體積中值粒徑最小。因此，3種型號的噴頭中KZ-08-04噴頭的霧化效果最優。在500～600 kPa壓力下，噴頭KZ-08-04霧化液滴體積中值粒徑達到279～288 μm、數量體積中值粒徑達到206～212 μm。KZ-08-04空心錐噴頭霧化的液滴為中等霧滴，適用于施用除草劑。

2.2.2 空心錐噴頭噴霧角與壓力的關系 空心噴頭空心錐噴頭孔口具有螺旋角的斜槽使藥液流動產生離心力，液體受到離心力的作用而向四面飛開，由于藥液的噴施是連續的，形成散射狀錐形霧膜。圖5對比了空心錐噴頭的噴霧角隨壓力變化而變化的情況，可以看出，250 kPa壓力時，空心錐噴頭噴霧角與壓力的關系曲線出現了轉折;在小于250 kPa壓力時，噴頭噴霧角隨壓力的增大而迅速增大，此時由于噴頭孔口的瞬時的藥液量還沒達到飽和，藥液從噴口噴出的速度隨著壓力的增加而增加，速度越大，霧滴的離心力越大，噴頭的噴霧角就越大;當壓力大于250 kPa時，由于受到孔徑的限制，噴頭孔口的瞬時藥液量達到飽和，藥液從噴口噴出的速度隨著

壓力的增加不再增加，因此，此壓力范圍的噴霧角隨壓力的增大趨于平緩。由表1可知，KZ-08-04噴頭的孔徑最小，3個空心錐噴頭中KZ-08-04噴頭的噴霧角最大，對比其他2種型號噴頭，在同壓力下，流量越小，噴霧角越大。因此，KZ-08-04噴頭的噴灑覆蓋度更大，作業效率更高、更均勻。

從噴頭霧化霧滴的體積中值粒徑、數量中值粒徑和噴霧角對比KZ-08-04、KZ-08-06和KZ-08-08空心錐噴頭的霧化參數，在壓力相同的情況下空心錐噴頭KZ-08-04的霧化粒徑最小且霧滴覆蓋度更廣。在田間作業中壓力設置在500～600 kPa壓力時，KZ空心錐噴頭霧化的液滴為中等霧滴，適合于施用除草劑。

3 結論

本試驗利用噴頭霧化粒徑測試平臺，選用ST型扇形噴頭和KZ型空心錐噴頭進行試驗測試，對影響噴頭霧化性能參數中的體積中值粒徑、數量中值粒徑、噴霧角進行試驗數據分析，分別對扇形噴頭和空心錐噴頭的霧化性能進行對比，所得結論如下：（1）通過試驗測試對比，扇形噴頭中ST-110-01型號的噴頭的霧化性能最好?？招腻F噴頭中KZ-08-04型號的噴頭霧化性能最好。（2）在500～600 kPa壓力范圍內，ST型扇形噴頭的和KZ型空心錐噴頭將藥液霧化到最小液滴，ST-110-01扇形噴頭霧化液滴的體積中值粒徑達到140～150 μm，數量體積中值粒徑達到40～44 μm，噴霧角達到124°～126°;而KZ-08-04空心錐噴頭霧化液滴的體積中值粒徑達到279～288 μm、數量體積中值粒徑達到206～212 μm、噴霧角達到104～106°。ST型扇形噴頭適用于噴施殺蟲劑和殺菌劑，而KZ型空心錐噴頭適合噴施除草劑。

此研究不僅為植保無人機對不同防治目標選擇合適的噴頭和壓力提供重要參考，還對提高農藥利用率，減少農藥環境污染具有重要意義。

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