噴霧機的噴霧系統設計

宋金山

摘 要：目前國內市場所售的用于草坪的噴霧機普遍存在噴霧控制精度低的缺陷。然而為了提高草坪的質量又無法避免在日常養護作業中使用農藥，農藥的過量使用，對環境造成的污染在不斷破壞動物的生存環境及人類的身體健康。這就要求提高噴霧作業精度，以安全可靠的自動噴霧控制系統提高藥物的利用率。因此，論述了一款噴霧機的高精度噴霧系統的設計。該噴霧系統采用隔膜泵作為動力源，隔膜泵通過水管與噴霧機尾部噴霧控制系統相聯，噴霧控制系統所配置的壓力傳感器和行駛輪所配置的速度傳感器為控制臺反饋信號，從而實現高精度噴霧作業。主要對噴霧系統設計、噴霧系統原理及主要零部件選型進行了論述。

關鍵詞：噴霧機;噴霧系統;高精度噴霧

中圖分類號：S491 ? ? ? ?文獻標識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.04.006

0 引言

作物和草坪等植物病蟲害的防治離不開農藥的使用，然而所噴灑的農藥大部分都沒有作用到防治靶標上，有效利用率相對較低，不僅造成經濟方面的損失，還會造成環境污染，進而影響人畜健康。農藥有效利用率的提高，是農藥學科面臨的重要且迫切的問題，新時期農藥使用技術的主要研究內容也將針對其進行展開。農藥有效利用率的提高，避免非有效的噴灑，就對施藥機具和噴霧系統提出了更高的要求。根據國內外該類產品現狀，開發一款噴霧機的噴霧系統解決噴霧精度低的問題，意義重大且迫在眉睫。

1 噴霧系統方案論證

噴霧系統是噴霧機功能實現的關鍵所在，通過控制系統內液體的壓力和流量，達到所需要的噴灑效果。噴霧系統一般包含動力部分、控制部分和執行部分。

1.1 動力部分

動力部分主要元件是水泵，常用的有物理泵、離心泵和隔膜泵三種。

（1）物理泵。通常指的是三缸柱塞泵，通過三個柱塞進行往復運動來達到增壓和輸送目的的往復泵。

（2）離心泵。依靠葉輪的高速旋轉來使流體獲得較大的動能，并依靠流道出口的蝸殼斷面變化使流體的動能轉化為壓力能。

（3）隔膜泵。借助薄膜將被輸液體與活柱和泵缸隔開，從而保護活柱和泵缸。

通常情況下物理泵可達到的壓力最高，隔膜泵次之，離心泵壓力最低，而流量則剛好相反。在使用和維護保養方面，隔膜泵由于其自身的特點，使用時或使用過程中即使系統內沒有工作液，對泵也不會造成損害，其維護也只需更換膜片，操作簡單方便。而離心泵工作時系統內必須有工作液，否則旋轉軸處密封圈會由于干磨而損壞，需要其時刻關注系統內或者藥箱內工作液的使用情況。故本設計根據各種泵的性能及所要達到的技術指標，選擇隔膜泵進行設計。

1.2 控制部分和執行部分

控制元件主要是指噴霧機常用的閥和控制臺，執行元件則是指噴嘴，另外將相關的零部件也歸到控制部分和執行部分中進行論述。

（1）控制臺。控制臺分為手動控制和全自動變量噴霧控制兩種控制方式，其中手動控制即操作者根據需求手動調節打藥系統工作壓力，調定值相對固定不隨工作速度變化進行調整，噴灑精度較低。而全自動變量噴霧控制系統可以自行匹配工作壓力、行駛速度和噴嘴流量，以達到高噴灑精度。

（2）安全閥。保證系統安全，且其對系統的最高工作壓力起到限定作用，保證整個系統的安全性，以及系統在特殊情況下的性能穩定。

（3）噴頭體——噴嘴。實現藥液的噴灑功能，根據不同的藥液、噴灑情況，選擇不同形式和流量的噴嘴。

（4）藥液箱。儲液容器，容積、外形和材質各有不同，常見藥箱為聚乙烯材質，加液口藥箱蓋選擇有通氣功能的，以防吸空，且安裝藥箱處需密封，防止藥液滲出，同時需有過濾網。

（5）過濾器。通常至少配有3級過濾，且至少有1級濾網的孔徑不得大于噴孔的最小通過段。

（6）回水攪拌器。攪動藥液的作用，尤其是粉劑作用明顯，根據藥罐的容積和所需的攪動流量，選擇不同流量的回水攪拌器。

（7）藥罐沖洗噴嘴。噴灑作業結束后，用于清洗藥罐內部的噴嘴，根據藥罐的容積和藥罐外形結構，選擇相應結構和流量的噴嘴。

2 噴霧系統設計

噴霧系統即實現噴灑作業的工作部件的組合，每個零部件根據自身的功能各自發揮其相應的作用。

2.1 噴霧系統原理

隔膜泵吸水口經過過濾器從藥罐吸水，隔膜泵出水口經過三通接頭分為兩條支路：其一為選配件卷管器噴槍支路，該支路由球閥控制水路通斷，并設計有安全閥保證壓力穩定;另一支路為噴灑作業工作支路，通向噴桿，該支路同樣利用球閥控制水路通斷，并設計有安全閥保證該支路壓力穩定且保護整個系統，安全閥回水同時安裝了回水攪拌器，安全閥后聯接電磁開關閥組，控制三段噴桿水路通斷，其后聯接三通球閥，將該支路再次分為兩條支路，其一為沖洗藥罐支路，另一支路聯接電動調節閥，電動調節閥根據控制臺信號可控制系統工作壓力。控制部分中電磁開關閥組、電動調節閥、壓力傳感器及速度傳感器均與控制臺相聯，信號傳輸給電動調壓閥，利用增大或減小卸荷流量實現壓力調節，從而控制噴嘴處的壓力及流量，實現自動控制噴灑精度保證噴霧均勻性。噴霧系統原理如圖所示。

2.2.1 攪動流量計算

流體：藥箱容積（L）×0.05=總攪動流量（L·min-1）;

粉劑：藥箱容積（L）×0.125=總攪動流量（L·min-1）;

已知：選取較大攪動流量的粉劑，藥箱容積為500 L;

故：總攪動流量=500×0.125=62.5 L·min-1。

2.2.2 噴臂流量計算

噴臂流量（L·min-1）=化學藥物噴灑量（L·m-2）×打藥機速度（m·min-1）×噴幅（m）;

已知：化學藥物的噴灑量一般為0.01～0.02 L·m-2，選取0.02 L·m-2;工作行駛速度100～125 m·min-1，選取行駛速度125 m·min-1、噴幅5 m;

故：噴臂流量=0.02×125×5=12.5 L·min-1。

2.2.3 額外流量

Hypro品牌推薦增加計算流量的20%應對多變因素。

總流量=1.2×（攪動流量+噴臂流量）;

故：總流量=1.2×（62.5+12.5）=90 L·min-1。

綜上，選取Hypro品牌隔膜泵，型號為9910-D115，最高輸出壓力2 MPa，最大輸出流量108.3 L·min-1。

2.3 控制和執行部分選型

2.3.1 控制臺選型

全自動變量控制臺在操控的難易程度及安裝布置方面有較大差別，噴霧控制精度的提高主要依附于噴霧系統的設計。控制臺選取Teejet品牌的844E控制臺，型號90-02251。

2.3.2 噴嘴選型

噴嘴選取Teejet品牌XR延長范圍扇形噴嘴系列，具有良好的噴霧分布性能，用于自動控制噴霧系統，效果更加理想。

2.3.3 其它元件選型

壓力傳感器選取Teejet品牌，型號16-05015;

速度傳感器選取Teejet品牌，型號16-40004;

安全閥選取Teejet品牌，型號8460-3/4'';

電磁開關閥組選取Teejet品牌，型號433EC-2F75-D;

電動調節閥選取Teejet品牌，型號344BRL-2F-03CCS;

回水攪拌器選取Hypro品牌，型號3371-0028;

過濾器選取Teejet品牌，型號AA126ML-F75-50;

容器清洗噴嘴選取Teejet品牌，型號VSM-1/2-90。

選取隔膜泵9910-D115作為動力源，844E控制臺及相關零部件實現全自動變量噴霧，提高噴灑精度，從而提高藥物利用率。

3 結論

本論文設計了一款噴霧機的噴霧系統，采用全自動變量噴霧控制系統，使得噴霧作業量根據車速變化自動進行調節，實現單位噴霧作業量的均勻性。該款噴霧機在一定程度上彌補了目前自走噴桿式噴霧機普遍存在噴霧控制精度低的缺陷，提高藥物利用率，減少了藥物對環境造成的污染。

參考文獻：

[1] 濮良貴，紀名剛.機械設計[M].北京：高等機械出版社，2006.

[2] 王茁，李穎卓，張波.機電一體化系統設計[M].北京：化學工業出版社，2005.

[3] 鄭文緯，吳克堅 .機械原理[M].北京：高等教育出版社，1997.

[4] 高志，黃純穎. 機械創新設計[M].北京：高等機械出版社，2010.

[5] 聞邦椿.機械設計手冊[M].北京：機械工業出版社，2011.