温室风幕式施药装置设计与试验_邱威.pdf
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1、 南京农业大学学报,():收稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目();江苏省农业自主创新基金项目();国家级大学生创新创业训练计划项目();中央高校基本科研业务费专项资金()作者简介:邱威,副教授,硕导,主要从事植保机械与施药技术研究,:。通信作者。邱威,邬伊浩,周慧能,等 温室风幕式施药装置设计与试验 南京农业大学学报,():,():温室风幕式施药装置设计与试验邱威,邬伊浩,周慧能,方杰,吕晓兰,余洪峰(南京农业大学工学院 江苏省智能化农业装备重点实验室,江苏 南京;江苏省农业科学院农业设施与装备研究所,江苏 南京)摘要:目目的的 目前温室植保作业多采用背负式摆动作业方式,喷施过量与不足并
2、存,不均匀现象严重,针对此问题研制了一种适应于温室环境的风幕式施药装置,实现气、雾场均匀分布。方方法法 以风幕系统各出风口风速相等为设计目标,利用“静压复得”原理,完成了渐缩式导流管的设计,其最大截面直径为 ,最小截面直径为 ,出风口直径为 ,间距为 ,数量为 个。通过气流场分布试验分析出口风速对气流场气流特性的影响,雾场试验检验喷雾均匀性。结结果果 风幕式施药装置在 出风量的出口风速变异系数小于;有效作业区中心位置与出口风速间呈现线性关系,在 出口风速的有效作业区的高度为 ;有效作业区内雾量水平空间分布变异系数小于,与传统背负式摆动作业方式相比,雾滴覆盖率平均提高,层内雾滴分布变异系数平均减
3、小,各层间变异系数小于。结结论论 该风幕式施药装置气、雾场均匀性较好,为温室气流辅助施药装置设计提供了技术支撑。关键词:温室施药装置;风幕;均匀出风;雾量分布;雾滴覆盖中图分类号:文献标志码:文章编号:(),(,;(,):,“”,;,;,:;随着设施农业规模不断扩大,截至 年底,我国设施农业面积达到 万,位居世界首位。温室半封闭和全封闭施药环境中,药雾对环境及操作人员健康影响严重,因此对温室生产设施安全和环境南 京 农 业 大 学 学 报第 卷保护要求逐渐提高。目前面向温室的植保机械整体性能较低,多采用背负式或担架式等作业方式,由施药者摆动喷头进行喷施,喷施过量与不足并存,不均匀现象严重,农药
4、有效利用率不足。为了提升喷施均匀性,施药人员在背负式喷雾机上加装了手持式风送系统,取得一定的效果;但摆动式作业方式下,风筒形成的气流场不均匀,雾滴沉积分布均匀性还待提高,难以实现理想防治效果。因此,急需发展温室高效风送施药技术,解决施药均匀性差、农药浪费等现实问题。风幕技术是一种较为成熟的施药技术,即在喷杆喷雾机的喷杆上增加风筒和风机,在喷头上方沿喷雾方向强制送风,形成风幕,在细化雾滴、控制雾滴飘移、提高药液附着率、减少农药流失方面效果显著。等研究表明,使用风幕技术对玉米和大豆进行喷雾,整株作物的药液沉积量和药液沉积均匀性都得到了提高,作物顶部与底部的药液沉积量均显著增加;等比较了风幕式喷雾机
5、和普通液压喷头喷雾机的田间试验结果,发现风幕式喷雾机具有更好的雾滴沉积性能;等研究表明风幕式喷雾风速对西兰花叶表面雾滴沉积率的影响最为明显;张铁等进行了超高地隙喷杆喷雾机风幕系统对施药影响的试验,得出风幕出口风速是雾滴沉积分布均匀程度的决定因素;燕明德运用 技术测试了不同条件下风幕式喷杆喷雾两相流流场,表明风幕气流可以改善雾滴的粒径和速度分布,减小飘移。这些学者的研究证明了风幕能显著提升大田作物施药效果,并进一步探讨风幕式施药的主要影响因素及其对雾滴沉积分布的影响。但是以上研究多针对大田作物环境,不适应于温室作业环境特殊要求。也有学者研制了应用于温室的风幕式机具,并结合了静电喷雾和超声气力等技
6、术;还有学者针对温室环境建立了风送气流场分布模型,此类研究推动了温室风幕式施药技术的发展。作为风幕出风的关键部件,导流管结构参数显著影响气流场均匀性,进而影响雾滴沉积分布均匀性。目前导流管设计多采用经验方式或等径结构,气流场均匀性影响因素不明,均匀效果也有待进一步提高。本文借鉴均匀送风管道在通风工程上的应用,设计了一种带有渐缩式导流管的温室风幕式施药装置,能够使导流管各出风口均匀出风,提高形成风幕均匀性,达到提高施药均匀性目标。在此基础上,对机具气、雾流场分布均匀性及其影响因素进行试验研究,为温室气流辅助式施药装置设计提供了技术支撑。结构与原理 风幕式施药装置施药装置主要由机架、风幕系统、喷雾
7、系统组成,其构造如图 所示。装置采用整体式机架,机架上安装有药箱、药泵、风机等。国内常见温室过道宽度为 ,温室蔬菜高度 ,作物间距离在 。为保证装置能够在温室中行驶,施药装置轮距设置为 。为了保证施药机具有良好的轮廓通过性,使农机与农艺相结合,导流管的高度调节范围为 ,喷杆的高度调节范围为 ,以适应各种作物,主要技术参数如表 所示。图 温室风幕式施药装置结构.渐缩式导流管 ;喷头;送风管道 ;输药高压管 ;风机;药泵;机架;万向轮 ;药箱 ;车轮 第 期邱威,等:温室风幕式施药装置设计与试验表 温室风幕式施药装置作业参数 参数 数值 参数 数值 外形尺寸(长宽高)()出风口风速()装置质量 出
8、风口形状 圆锥形 作业幅宽 喷头形状 圆锥形 喷杆高度调节范围 喷头流量范围()导流管高度调节范围 喷头数 药箱容积 药泵型号 工作原理喷雾机正常工作时,药泵和风机同时启动。药泵驱动药液从药箱通过输药高压管输送至圆锥喷头。风机吹出气流,通过送风管道到达渐缩式导流管,气流均匀地从导流管 个出风口吹出,形成风幕。风幕扰动作物叶片的同时带动药液,将药液喷洒在作物上。通过对风幕出口风速、喷杆高度、导流管高度、喷杆和导流管间距等参数的调整,可以适应于不同温室作业环境与对象。关键部件及主要参数 出风口设计根据置换原则,由出风口产生的风幕不仅需要完全覆盖作物,还应驱逐并完全置换出风口与作物之间的全部空气。当
9、风幕吹动作物时,其附近静止的空气会被卷入射流一起运动,气流能携带雾滴到达叶面背部,起到更好的防治效果。由置换原则计算简图(图)可得总风量的计算公式。即:|()式中:为总风量();为覆盖面的半径();为喷雾机作业速度();为出风口到达作物顶部的距离();为气流衰减和沿途损失系数。各参数的取值范围:;,因风送距离较近,取。代入式()可求得机具风幕系统所需的最小风量为 。选择风机型号为,最大出风量为 。图 置换原则计算简图.:喷雾机作业速度 ;:覆盖面的半径 ;:出风口到达作物顶部的距离 则在各出风口处:()南 京 农 业 大 学 学 报第 卷式中:为出风口直径();为总出风量();为出风口风速()
10、。各参数的取值范围:;。代入式()可求得 。由于风压在管道内存在压力损失,出口风速将低于设计风速,因此选择较小出风口直径(),以获得较大的出口风速。为减少局部压力损失,采用圆锥形出风口,圆锥顶角。渐缩式导流管设计均匀直径的导流管在送风过程中由于压力损失的存在,每个出风口的风量、风速均不同,末端出风口的风量、风速明显减小,出风不均匀将导致风幕不均匀。为保证风幕的均匀性,使各出风口风量相同,则需要导流管内各处静压相同。若导流管的截面直径不变,则管内的静压会由于风量减少、风速减小而不断增大。因此本文将导流管设计为渐缩式结构,其截面面积不断减小,将管内富余的静压转化为动压,使管道内各处静压相同,最终达
11、到均匀送风的效果。渐缩式导流管由渐缩送风主管和出风口 部分组成,其结构如图 所示。图 渐缩式导流管简图.:导流管各截面圆的直径 ;:管段长度 选取 个出风口处导流管截面进行分析,根据伯努利方程,任意 个相邻截面有:()()式中:和 为第 和 个截面的静压();和 为第 和 个截面的风速();为两截面间的压力损失();为流量系数;为空气密度();为出风口风速()。各参数的取值范围:;。由式()可知当两截面之间的动压降等于两截面之间的压力损失时,两截面能够保持静压相等。对于钢制导流管,动压降大于压力损失。因此欲达到各处静压相等,其截面积应沿气流流动方向逐渐缩小,由静压计算公式()求得管道内静压为
12、。为计算管道内两截面间的压力损失,引入钢制风道单位长度沿程损失简化公式()计算单位长度沿程损失,由公式()计算局部阻力系数,将结果代入公式()可计算出两截面间的压力损失:()|()()式中:为钢制风道单位长度沿程损失();为钢制风道单位长度沿程损失系数,数值为;为管段的当量直径(),取起始截面直径计算;为管段的平均风速(),取起始截面平均风速计算;为局部阻力系数;为各出风口出风量();为管段剩余风量();为管段的长度()。各参数的取值范围:;。设置起始段截面直径 ,取设计风量为风机最大出风量的一半,即 ,可得第一截面风速 ,动压 。将数据代入公式()()()可计算得第一、二截面间压力损失为。则
13、第二截面处动压 ,风速 ,由第二截面风速与风量可求得第二截面直径 。以此类推,便可计算出导流管各截面处直径。导流管相关参数计算结果如表 所示。第 期邱威,等:温室风幕式施药装置设计与试验表 导流管相关参数计算结果及测量结果 截面编号截面静压()截面风量()截面动压()截面风速()()截面直径()机具性能试验 出口风速试验在温室施药作业中,机具出风量应当根据施药对象不同而调整。为研究该机具不同风量下出口风速变化情况,建立出风量和出口风速间的对应关系,测量仪器选用 风速计,测量精度为 。以设计风量为参考,在相邻 种出风量下测量出风口风速。待风速仪读数稳定后,继续测量 ,记录 内最大风速和最小风速,
14、计算平均值,结果如表 所示。同时记录试验时温、湿度及大气气压参数。以变异系数和离散率为评价指标,变异系数用以评价不同出风口出风均匀性;离散率用以评价同一出风口出风随时间变化稳定性。离散率计算公式:()()式中:为第 个出风口的离散率;为第 个出风口最大风速();为第 个出风口最小风速();为第 个出风口平均风速()。由表 可知,不同风量下各出风口离散率均不大于,说明该机具出口风速随时间变化程度小,稳定程度高;当出风量为 ,各出风口平均风速随出风量增大而线性增大,越接近导流管末端的出风口风速越小,这是由于末端导流管截面风速不断减小,出风口位置处易形成速度死区;风速变异系数和出风量间呈现出先减小后
15、增大的函数关系,这是由于风量较小或较大时,各出风口处实际静压与设计时所使用的静压偏差较大,使得导流管截面风速偏差也较大,降低出风均匀性;当出风量为 ,出口平均风速变异系数小于,对应的风速范围为 ,在 出风量时风速均匀性最佳。表 不同出风量下出口风速及变异系数 出风量()不同出口风速()出口平均风速()最大离散率 变异系数 气流场分布试验为研究在变异系数较小(小于)的出口平均风速作用下(下文用出口风速代替出口平均风速)风幕整体均匀性的变化,分别选取、种出口风速,测试该机具风幕的气流场分南 京 农 业 大 学 学 报第 卷图 气流场分布试验布点.布特性。测量点的布局如图 所示,风幕在横向上间隔 设
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