董福龍，周宏平

(1.南京林業(yè)大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，江蘇 南京 210037；2.安徽科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 鳳陽 233100)

植保機(jī)械在保護(hù)農(nóng)林作物高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)方面發(fā)揮著重要作用[1]。植保機(jī)械用的噴頭(或噴嘴)是藥液的霧化裝置，屬于植保機(jī)械的關(guān)鍵部件，其性能優(yōu)劣決定噴施作業(yè)過程中的施藥量、霧滴大小和均勻度等衡量噴霧質(zhì)量的關(guān)鍵性指標(biāo)，也是改進(jìn)噴霧施藥技術(shù)的關(guān)鍵[2]。因此，研究植保噴頭對(duì)提高病蟲害防治效果、施藥機(jī)械使用效率和作業(yè)安全性有著十分重要的意義。

作為藥液霧化和均勻噴射的噴霧系統(tǒng)是通過噴頭控制藥液流量，使藥液霧化成霧滴并將其輸送分布至目標(biāo)物表面。噴霧質(zhì)量好壞表現(xiàn)在藥液霧滴的大小、密度和分布狀況，其很大程度上取決于噴頭類型、大小、質(zhì)量和噴霧參數(shù)。植保噴頭分類方法眾多，也較為復(fù)雜，一種噴頭的名稱往往包含幾種不同分類的綜合，不同種類的噴頭其作用原理、霧滴特性和適用條件都不盡相同，精心選擇合適的噴頭對(duì)農(nóng)林作物保護(hù)有重要影響。本文擬從通用噴頭、靜電噴頭、抗飄噴頭和變量噴頭方面對(duì)噴頭技術(shù)的研究展開評(píng)述。

1 通用噴頭技術(shù)

圖1 噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of nozzle

通用噴頭是目前植保機(jī)械中應(yīng)用最廣泛的一種霧化裝置，根據(jù)工作原理主要有離心式和壓力式兩種噴頭。離心式噴頭的藥液噴霧橫向沉積分布型呈馬鞍形，霧滴譜范圍較窄，霧化質(zhì)量較好，多用于噴施殺蟲劑或殺菌劑等；壓力式噴頭的藥液噴霧橫向沉積分布型呈正態(tài)分布，抗飄移性好，霧滴粒譜較寬廣，當(dāng)噴霧角80°時(shí)藥液沉積分布近似矩型，主要用于噴灑除草劑等。

噴頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化與設(shè)計(jì)一直都是噴霧技術(shù)研究的重點(diǎn)，目的是獲得理想、符合實(shí)際需要的性能參數(shù)，以使噴頭應(yīng)用更廣泛。美國貝特噴霧嘴公司James等發(fā)明了一種改進(jìn)型平面扇形噴嘴，如圖1所示，該噴頭在尖端(或噴射端上)設(shè)置了一個(gè)橢圓或方形小孔，從而形成的平面扇形能均勻分布液體。Yoon等[3]先用數(shù)值模擬計(jì)算方法對(duì)高速實(shí)心錐形噴嘴的噴射進(jìn)行了仿真研究，后經(jīng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，得出離散系數(shù)(q)與徑向位置成正比，噴嘴出口附近(1.40

噴頭性能參數(shù)對(duì)其流量、噴霧角、霧化效果和噴霧量分布性能影響至關(guān)重要。Gil等[6]研究了不同噴頭藥液霧化后在空氣中的損失規(guī)律，建立了噴霧損失量與霧滴大小及小變化的氣候變量之間的多元回歸方程；Li和Kumar等[7]通過對(duì)壓力式噴嘴和噴霧干燥旋轉(zhuǎn)盤進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，研究噴嘴霧化效果，得到流場(chǎng)的速度矢量、溫度場(chǎng)和霧滴粒徑的分布數(shù)據(jù)，表明在噴嘴軸心處會(huì)產(chǎn)生“渦核”，而在出口處會(huì)形成回流，霧滴譜相對(duì)較窄且霧滴粒徑較小。Santolaya等[8]用實(shí)驗(yàn)的方式對(duì)噴嘴噴射出的錐形液膜破碎的過程進(jìn)行了研究，證明在噴嘴出口附近區(qū)域其霧滴較大，小液滴會(huì)被回流氣體帶回，大小液滴之間有明顯相對(duì)速度，致使液滴相互碰撞。Jiang等[9]利用CFD軟件中的湍流物理模型對(duì)噴頭流場(chǎng)進(jìn)行了研究，運(yùn)用直接數(shù)值模擬(DNS)，雷諾平均方法(RANS)和大渦模擬(LES)對(duì)噴嘴的霧化和噴霧場(chǎng)進(jìn)行了研究。以上文獻(xiàn)通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)，研究了不同農(nóng)林作物最適宜的噴霧霧滴粒徑和藥液流體介質(zhì)破碎過程，建立了有關(guān)數(shù)學(xué)模型等，對(duì)指導(dǎo)農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)有重要意義。

新材料新技術(shù)的應(yīng)用，促進(jìn)了噴頭技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，噴頭材料主要有不銹鋼、工具鋼、黃銅、硬質(zhì)合金、人造寶石、金剛石、陶瓷等很多種類。Krishnan[10]利用電子顯微鏡研究了不同材質(zhì)噴頭的磨損情況，在137，275，551 kPa的壓力下，分別對(duì)銅、塑料和不銹鋼3種噴嘴進(jìn)行了磨損實(shí)驗(yàn)，對(duì)噴嘴的磨損方式與狀況進(jìn)行深入了解；Fife等[11]運(yùn)用CFD方法模擬生物農(nóng)藥分析不同類型噴頭的磨損程度，對(duì)液力噴頭的磨損情況進(jìn)行研究，并用不同生物農(nóng)藥試劑進(jìn)行試驗(yàn)，得出不同生物農(nóng)藥對(duì)噴頭的破壞情況和磨損原因；Zhu[12]根據(jù)扇形噴頭噴口處的結(jié)構(gòu)建立數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)出磨損率與噴頭噴口結(jié)構(gòu)尺寸的關(guān)系式。美國噴霧系統(tǒng)公司對(duì)扇形霧噴頭進(jìn)行磨損實(shí)驗(yàn)，如圖2，發(fā)現(xiàn)噴嘴磨損程度隨著工作時(shí)間延長而不斷增加，磨損情況增加量在噴頭不同部位表現(xiàn)的不一樣，發(fā)現(xiàn)噴嘴磨損部位不同對(duì)流量和噴灑均勻程度影響也不同[13]。近些年，陶瓷噴頭因具有很好的耐磨性和耐化學(xué)特性，噴霧質(zhì)量和流量精度優(yōu)良，改變了傳統(tǒng)的噴灌模式，在農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)中有著廣闊的應(yīng)用前景。

圖2 新噴嘴和磨損噴嘴比較Fig.2 Comparing the spray tip with new nozzle and worn nozzle

國外在噴頭結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化和變形設(shè)計(jì)、噴霧機(jī)理、新材料等方面進(jìn)行了深入研究，并結(jié)合現(xiàn)代設(shè)計(jì)與分析技術(shù)，已實(shí)現(xiàn)噴嘴產(chǎn)品的虛擬設(shè)計(jì)和流場(chǎng)特征的數(shù)值模擬，有助于噴頭設(shè)計(jì)優(yōu)化和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。但在新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、新噴霧理論方面研究較少。

2 靜電噴頭技術(shù)

靜電噴霧技術(shù)最早由美國農(nóng)業(yè)部(USDA-ARS)Carlton和Isler[14]研制了一種電動(dòng)旋轉(zhuǎn)噴嘴，利用圖3中的高壓充電環(huán)為噴霧霧滴充電，使噴霧霧滴帶正電或負(fù)電，但霧滴無法保持一個(gè)極性(+或-)不變。因此研究者探索了包括極性交替充電、雙極充電和電暈放電等多種方法解決這個(gè)問題[15]。改進(jìn)后的航空靜電噴霧系統(tǒng)采用圖4中的靜電旋轉(zhuǎn)式噴嘴，并在高速風(fēng)洞中對(duì)其荷質(zhì)比和沉積特性進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果達(dá)到工作要求[16]。

圖3 早期安裝在飛機(jī)噴桿上的航空靜電噴嘴Fig.3 Early electrostatic spinner nozzle mounted to aircraft boom for testing

圖4 第二代航空靜電噴霧噴嘴Fig.4 Next generation electrostatic spinner nozzle

美國佐治亞大學(xué)的研究人員成功研制了靜電噴霧系統(tǒng)(ESS)和氣助式靜電噴霧系統(tǒng)(AA- ESS)，被認(rèn)為是20世紀(jì)90年代以來最先進(jìn)的施藥器械。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，AA-ESS系統(tǒng)產(chǎn)生的帶電霧滴沉積到植物表面的霧滴密度是液壓噴霧器的兩倍多,顯著提高了藥液與病蟲害的接觸機(jī)率,大大提高了病蟲害防治效果，節(jié)約了用藥量。韓國Tae-Gyoung Kang等對(duì)果園靜電噴霧沉積特性進(jìn)行了研究,得出了靜電噴頭孔徑在0.59 mm，充電電壓4.0 kV，氣助流速27 m/s時(shí)，噴霧效果最佳，此時(shí)運(yùn)用脈沖感應(yīng)充電的靜電噴霧覆蓋率是常規(guī)噴霧的4.3倍。對(duì)靜電噴霧技術(shù)工作原理和噴霧系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使其能夠應(yīng)用于生產(chǎn)，已成為目前研究的熱點(diǎn)之一。

Kihm等[17]對(duì)旋轉(zhuǎn)式噴嘴進(jìn)行了霧滴尺寸測(cè)量及航空噴霧沉積試驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)室和田間測(cè)試，發(fā)現(xiàn)雙極充電能有效地消除機(jī)體殘余電荷的積聚。Jones等[18]對(duì)自由射流的靜電霧化(在感應(yīng)電極作用下)進(jìn)行了研究，得出非靜電霧化霧滴直徑為靜電霧化產(chǎn)生的霧滴直徑的1.9倍。Calton在1999年獲得美國航空靜電噴霧系統(tǒng)的發(fā)明專利，敘述了許多航空靜電噴霧系統(tǒng)的要求，并一直沿用至今，其包括：兩側(cè)噴桿保持相等的質(zhì)量流量和電量；荷質(zhì)比至少為0.8 mC/kg；采用不導(dǎo)電的空心錐形噴嘴用以產(chǎn)生足夠尺寸的霧滴以達(dá)到上述荷質(zhì)比要求；雙獨(dú)立電源供電；使用的藥液特性滿足上述荷質(zhì)比要求[19]。

圖5 SES公司的航空靜電噴霧系統(tǒng)Fig.5 Spectrum electrostatic spray system

美國SES公司購買了Calton的專利并進(jìn)行了大規(guī)模生產(chǎn)，將航空靜電噴霧系統(tǒng)推向市場(chǎng)，SES公司生產(chǎn)的航空靜電噴霧系統(tǒng)是目前最先進(jìn)的航空靜電噴霧設(shè)備。如圖5，該系統(tǒng)中每個(gè)靜電噴頭由相連的2個(gè)間距30 mm的噴嘴組成，用以產(chǎn)生正或負(fù)電壓的靜電發(fā)生器的電壓輸出端，分別連接安裝在飛機(jī)機(jī)翼兩側(cè)的航空靜電噴嘴，使得兩機(jī)翼負(fù)載的正、負(fù)電壓處于平衡，機(jī)身或噴霧支架上總靜電場(chǎng)近似為零，保證了飛機(jī)作業(yè)時(shí)的安全性。工作時(shí)航空靜電噴霧系統(tǒng)的霧滴感應(yīng)充電電壓為8～10 kV，噴嘴的工作壓力0.5 MPa，施藥量為9～18 L/hm2，霧滴體積中值直徑VMD值約為150 μm，遠(yuǎn)小于常規(guī)航空噴霧霧滴的VMD值300～400 μm。該系統(tǒng)大大減少了噴霧霧滴隨風(fēng)飄移造成的損失，成倍提高了施藥的有效利用率，在同等防治效果前提下，成倍減少了總耗藥量[20]。

靜電噴霧設(shè)備在美歐各國日趨完善，Bertelli、Randell公司生產(chǎn)的靜電噴頭使用12 V直流電，能夠產(chǎn)生40 kV的高壓，可用于噴桿噴霧機(jī)和背負(fù)式機(jī)動(dòng)噴霧噴粉機(jī)上，該噴頭比普通噴頭可減少藥液損失65%，大大降低農(nóng)藥對(duì)環(huán)境的污染。英國農(nóng)業(yè)工程學(xué)院研制的轉(zhuǎn)盤式靜電噴頭，用感應(yīng)電極與轉(zhuǎn)盤同軸旋轉(zhuǎn)，高壓電路用軸承接通，使高壓輸入到旋轉(zhuǎn)的電極上，采用旋轉(zhuǎn)電極能有效避免霧滴沉積到電極上而造成電荷泄漏。德國霍恩海姆大學(xué)研制了用在背負(fù)式噴霧機(jī)上的氣流剪切式靜電噴頭；印度及其它國家的研究人員也從噴嘴電流、靶標(biāo)電流、泄漏電流、徑向電流、反向電流等不同角度對(duì)靜電噴霧技術(shù)進(jìn)行了研究。

國外對(duì)靜電噴霧技術(shù)研究的深度和廣度都達(dá)到了較高水平。目前靜電噴霧技術(shù)已研究和試驗(yàn)多年，存在電能消耗大；絕緣材料性能不達(dá)標(biāo)，容易被靜電高壓擊穿絕緣層造成漏電，嚴(yán)重時(shí)會(huì)危及人身安全；反向電離現(xiàn)象嚴(yán)重等問題，還未達(dá)到人們的期望水平。對(duì)于如何實(shí)現(xiàn)噴霧遠(yuǎn)射程，保持霧滴粒徑均勻性以及相應(yīng)減少漏電和觸電危險(xiǎn),是值得研究者深入研究的方向。

3 抗飄噴頭技術(shù)

噴頭是控制藥液流量的關(guān)鍵部件，性能良好的噴頭才能提高藥液霧滴的穿透性，最大程度上減少霧滴的飄失[21]。通常按形狀不同可劃分為扇形噴頭、錐形噴頭和文丘里噴頭等3種類型。扇形噴頭(圖6)能產(chǎn)生由細(xì)到中等的霧滴，具備良好的覆蓋效果，能最大程度地減少霧滴飄移。錐形噴頭使藥液在噴頭噴腔內(nèi)繞軸孔線旋轉(zhuǎn)，液滴隨著噴腔內(nèi)壓力的增大在離心力的作用下噴出，霧滴噴出運(yùn)動(dòng)方向與其運(yùn)動(dòng)軌跡相切，形成一個(gè)圓錐體，有空心和實(shí)心錐形噴頭兩種。文丘里噴頭(圖7)是利用特殊的文丘里結(jié)構(gòu)，在噴頭內(nèi)部產(chǎn)生大量充氣霧滴，使霧滴質(zhì)量增加以降低霧滴的飄移性；另外，在霧滴接觸到靶標(biāo)時(shí)，氣泡破裂能在作物表面形成良好的藥液覆蓋效果。

圖6 扇形噴頭結(jié)構(gòu)示意Fig.6 Schematic diagram of fan-shaped nozzle

圖7 文丘里結(jié)構(gòu)示意Fig.7 Venturi structure diagram

在20世紀(jì)，防止農(nóng)藥飄失的反飄和幾乎無飄失的噴頭及各種專用扇型噴頭已出現(xiàn)在歐美一些國家。由德國Lechler公司研制生產(chǎn)ID防飄噴頭，利用噴射流原理，工作壓力在300～800 kPa，藥液在混合室內(nèi)和從兩側(cè)小孔進(jìn)入的氣體混合，形成液包氣的“小氣泡”大霧滴，大霧滴不易飄失并能提高霧滴的穿透性，擊中靶標(biāo)后的“小氣泡”會(huì)與靶標(biāo)發(fā)生碰撞或被靶標(biāo)上的纖毛刺破，實(shí)現(xiàn)二次霧化而碎裂成更多更細(xì)的霧滴，再次提高了霧滴覆蓋率，還能降低75%以上飄失，該噴頭已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)。

低飄噴頭是通過一定的噴頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使噴頭產(chǎn)生較大霧滴以有效降低飄移。市場(chǎng)上的低飄噴頭主要有[22]：①低壓扁扇形噴頭：其由美國噴霧系統(tǒng)公司制造的一種寬幅扁扇形噴頭，在同樣工作壓力下，具有和標(biāo)準(zhǔn)扇形霧噴頭相同的流量和霧形，在壓力低于200 kPa時(shí)，具備噴霧自動(dòng)控制功能，會(huì)產(chǎn)生較大霧滴，且霧流分布均勻并對(duì)靶標(biāo)有良好覆蓋；②前置孔噴頭(圖8)：在該噴頭中藥液從一小孔流到噴頭內(nèi)的一個(gè)小腔，再經(jīng)這個(gè)小腔通過一個(gè)短通道至噴孔噴出，該設(shè)計(jì)能形成較大霧滴，減小了藥液在噴口處的速度和壓力，防飄移效果顯著；③前置孔、混流室噴頭(圖9)：是將噴頭內(nèi)的前置孔(進(jìn)液口處)和混流室(出液口處)結(jié)合起來，混流室能吸收能量，降低出口處壓力，該方案改善了霧流均勻性，可獲得更加均勻的霧滴尺寸，正常工作壓力下產(chǎn)生的霧滴比標(biāo)準(zhǔn)扇形噴頭的大30%～50%；④吸入空氣式噴頭(圖10)：在進(jìn)液口具有一前置孔，采用文丘里管設(shè)計(jì)，藥液流在通過噴頭內(nèi)的前置孔時(shí)，因文丘里效應(yīng)導(dǎo)致壓力下降，噴頭內(nèi)吸入空氣，使氣泡與噴霧藥液混合，形成較大霧滴而降低飄移。

圖8 前置孔噴頭Fig.8 Front hole nozzle

圖9 前置孔、混流室噴頭Fig.9 Front hole and mixed flow chamber nozzle

少飄噴頭(LD)是在扇形噴頭后面安裝一孔片，藥液噴出后環(huán)繞內(nèi)腔“渦動(dòng)”，使藥液霧化成窄霧譜霧滴，大大減少霧滴因粒徑小而產(chǎn)生的飄移[23]。防飄移扇形噴頭所產(chǎn)生的霧滴平均粒徑大于標(biāo)準(zhǔn)扇形噴頭的平均粒徑，產(chǎn)生的細(xì)小霧滴小于100 μm比標(biāo)準(zhǔn)扇形噴頭少一半，防飄效果顯著。國外對(duì)噴頭選擇和霧滴霧化性能的研究一直都十分重視，ASAE噴頭選配系統(tǒng)的開發(fā)，S572標(biāo)準(zhǔn)的制定，噴頭型號(hào)選用檢索表以及噴頭選擇軟件系統(tǒng)的研制，都是在充分研究霧滴及霧化特性的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同型號(hào)噴頭的抗飄性能參數(shù)對(duì)噴頭進(jìn)行分類，用于指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[24]。近些年，低飄或防飄噴頭已廣泛應(yīng)用在農(nóng)林作物病蟲害防治中。

圖10 吸入空氣式噴頭Fig.10 Suction air type nozzle

抗飄噴頭技術(shù)是植保機(jī)械作業(yè)發(fā)展研究的主要方面，是提高農(nóng)藥藥效和藥液有效利用率的關(guān)鍵技術(shù)。與其它防飄技術(shù)相比，采用抗飄噴頭具有成本低，結(jié)構(gòu)改動(dòng)少等優(yōu)點(diǎn)；在藥液霧滴防飄和提高附著率方面，采用抗飄噴頭的噴桿噴霧機(jī)能達(dá)到與風(fēng)幕式噴桿噴霧機(jī)同樣的效果。在使用防飄移噴頭時(shí)，工作壓力要保持穩(wěn)定，否則會(huì)影響噴霧質(zhì)量。目前歐美一些植保機(jī)械廠家在開發(fā)研制新型防飄噴頭方面投入了大量精力。

4 變量噴頭技術(shù)

變量噴頭是相對(duì)傳統(tǒng)固定式噴頭而言，所謂“固定”是指噴頭在工作過程中的內(nèi)部結(jié)構(gòu)保持不變。變量噴頭是通過改變壓力來調(diào)節(jié)流量，稱壓力調(diào)流，是最早應(yīng)用于變量噴霧的調(diào)流技術(shù)之一。壓力調(diào)流的調(diào)節(jié)特性可用公式表達(dá)為[25]:

(1)

式(1)中，Q為流體流量，ρ為流體密度，p1為調(diào)節(jié)閥入口流體壓力，p2為調(diào)節(jié)閥出口的流體壓力，α和R分別反映節(jié)流類型和流阻。理論上α的取值范圍[1，2]。工程上一般取α=2，系統(tǒng)壓力差與流量的平方成正比，屬于典型非線性關(guān)系。壓力調(diào)流有固定的非線性特性，而同等精度條件下，壓力傳感器比流量傳感器的成本低很多，因而壓力調(diào)流在經(jīng)濟(jì)性方面有優(yōu)勢(shì)。從理論上分析，調(diào)流范圍要對(duì)應(yīng)相同調(diào)壓范圍，上式中的模型參數(shù)隨壓力變化而改變，而反映在噴頭結(jié)構(gòu)中就需要有相應(yīng)的隨動(dòng)部件。

圖11 可變量噴頭Fig.11 Variable nozzle

Womac等開發(fā)了一種可變流量噴頭，該噴頭由一個(gè)帶內(nèi)錐的殼體、一個(gè)調(diào)節(jié)流量的活塞、一塊金屬隔膜和兩個(gè)流體進(jìn)口組成。如圖11，噴嘴流量調(diào)節(jié)通過調(diào)整注入液體到A口與B口的壓力差，從而推動(dòng)活塞位置向上或向下移動(dòng)引起狹縫寬度的變化以控制噴出藥液流量。

Walker和Bansal[26]開發(fā)了一種噴孔壓力隨面積而改變的噴頭，用兩塊鉸接的金屬薄板調(diào)節(jié)噴頭出口尺寸，噴頭流量取決于出口大小、金屬薄板厚度與材料強(qiáng)度特性、液體壓力以及噴頭頭部形狀。但此噴頭的噴霧角較小。Womac[27]和Bui等[28]針對(duì)兩級(jí)噴孔噴頭，引入了隨動(dòng)定流芯而使噴孔面積隨動(dòng)，研制出一種雙隨動(dòng)器件的變量噴頭，結(jié)構(gòu)如圖12a。在圖12b中為高壓和低壓兩種狀態(tài)下隨動(dòng)器件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。藥液流經(jīng)過楔形溝槽流至前置噴孔，再從噴嘴噴孔流出，隨動(dòng)定流芯底部采用楔形溝槽結(jié)構(gòu)，其位置由藥液流壓力和彈簧力來控制，隨動(dòng)定流芯位置的改變使楔形溝槽開口度隨動(dòng)，實(shí)現(xiàn)噴頭流量調(diào)節(jié)。當(dāng)藥液流壓力小于彈簧力時(shí)，隨動(dòng)定流芯向下(噴霧孔方向)移動(dòng)，使通過噴孔的流量減少；當(dāng)藥液流壓力大于彈簧力時(shí)，隨動(dòng)定流芯向上(彈簧方向)移動(dòng)，使通過噴孔的流量增加。美國Spray Target公司采用該方案開發(fā)了VeriJet系列、VariTarget系列和VeriFlow系列產(chǎn)品。

1:彈簧;2:隔膜;3:隨動(dòng)定流芯;4:噴嘴頭;5:隨動(dòng)推桿;6:管路;7:入口;8:噴口;9:楔形溝槽1:Spring;2:Dissepiment;3:Constant flow core;4:Nozzle head;5:Follower push rod;6:Piping;7:Import;8:Outlet;9:Wedge groove圖12 VariTarget 變量噴頭Fig.12 VariTarget variable nozzle

Giles等[29]開發(fā)了脈寬調(diào)制(PWM)脈動(dòng)噴頭應(yīng)用于車載噴霧設(shè)備，在PWM系統(tǒng)中，藥液在一個(gè)容器中混合，通過電磁閥控制噴頭的開合時(shí)間比來調(diào)節(jié)流量，研究表明脈動(dòng)式變量噴霧系統(tǒng)對(duì)霧量分布、霧滴粒徑和霧滴速度的影響都較小。King等[30]利用變頻器來調(diào)節(jié)電機(jī)頻率和有效電壓幅值來控制泵的轉(zhuǎn)速、藥液壓力和流量，設(shè)計(jì)了一種變頻噴霧系統(tǒng)。該系統(tǒng)由整流電路(將交流電源轉(zhuǎn)換成直流電源)、中間電路(調(diào)節(jié)直流電壓)、反相電路(給電機(jī)輸入一定電壓)和控制電路(調(diào)節(jié)輸出電壓與輸入信號(hào)的比率)組成。

Ahmad等[31]利用旁通道來調(diào)節(jié)噴霧流量，噴嘴的流量由可變壓力旁通道來控制，從而調(diào)整噴嘴渦動(dòng)膛內(nèi)的流量分配，結(jié)果發(fā)現(xiàn)采用旁通道方法對(duì)噴霧粒徑譜影響明顯，流量從1.2 L/min增加到3.7 L/min時(shí)，噴嘴噴霧體積中徑由398 μm降到125 μm，流量增加可使噴霧粒徑譜減小。Pitts[32]和Han等[33]對(duì)上述噴嘴在實(shí)現(xiàn)可變量噴霧時(shí)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了研究，結(jié)果說明該噴嘴在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有一定潛力，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高而阻礙其應(yīng)用前景；并且噴嘴和流量控制膛是一體結(jié)構(gòu)，使原噴嘴被完全替換，而不是將旁通控制系統(tǒng)附加到原噴嘴上，且每個(gè)噴嘴都需要一個(gè)旁通控制通道，此方法使所有噴桿部件都可以聯(lián)接到公共的控制通道上，對(duì)獨(dú)立控制單個(gè)噴嘴不利。

圖13 變量噴頭結(jié)構(gòu)和工作原理圖Fig.13 The variable nozzle structure diagram and work schematic

1:噴頭;2:噴頭體;3:流體入口;4:噴嘴;5:圓柱狀底盤;6:水平凸緣1:Nozzle;2:Nozzle body;3:Import;4:Injector;5:Cylindrical chassis;6:Horizontal flange圖14 新型農(nóng)用噴霧噴頭Fig.14 The new agricultural spray nozzles

Daggupati[34]把電子控制系統(tǒng)集成到噴頭內(nèi)，設(shè)計(jì)了一種實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的集成噴頭方案，是通過控制電磁閥通斷電來驅(qū)動(dòng)閥芯動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)變量噴霧作業(yè)，如圖13。Funseth等[35]在噴頭內(nèi)設(shè)置了一個(gè)轉(zhuǎn)盤流量控制閥，轉(zhuǎn)盤流量控制閥由步進(jìn)電機(jī)控制轉(zhuǎn)動(dòng)，處于流體入口和噴嘴之間，該變量噴頭如圖14。Needham等[36]為實(shí)現(xiàn)分別控制藥液噴霧量和霧滴尺寸大小，提出了采用把比例電磁閥與噴頭耦合的設(shè)計(jì)方案。

變量噴頭技術(shù)經(jīng)十多年快速發(fā)展，在控制技術(shù)和變量器件方面取得了突破性進(jìn)展，從經(jīng)濟(jì)性方面考慮，運(yùn)用控制技術(shù)能提升低成本元器件和裝備性能。由于農(nóng)林業(yè)裝備的特殊性要求，有針對(duì)性地發(fā)展專門算法值得關(guān)注。對(duì)于國外不斷涌現(xiàn)的新專利及已形成的多種系列化產(chǎn)品，應(yīng)引起國內(nèi)科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)的重視。

5 結(jié)論與展望

噴頭作為植保機(jī)械的關(guān)鍵部件，國外研究人員對(duì)噴嘴結(jié)構(gòu)、作業(yè)目標(biāo)和噴嘴的霧化性能等進(jìn)行大量基礎(chǔ)性研究，并運(yùn)用現(xiàn)代CAD、CAE技術(shù)對(duì)噴頭材料及流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬與分析，當(dāng)前主要集中在運(yùn)用控制技術(shù)、信息技術(shù)、圖像處理技術(shù)和智能識(shí)別技術(shù)等實(shí)現(xiàn)機(jī)具與施藥技術(shù)的機(jī)電一體化、精準(zhǔn)施藥、智能對(duì)靶與防飄和開發(fā)新型機(jī)具等方面，而在新噴頭結(jié)構(gòu)開發(fā)、新噴霧理論應(yīng)用方面投入較少。目前各國企業(yè)都有自己的標(biāo)準(zhǔn)，國際上沒有形成統(tǒng)一的編碼制度；在使用中噴頭的磨損情況根據(jù)作業(yè)者經(jīng)驗(yàn)判定，缺乏完善的監(jiān)控指導(dǎo)體系。筆者認(rèn)為,今后對(duì)噴頭研究除已述方面外，還將在以下幾個(gè)方面引起關(guān)注：

(1)新噴頭研制。隨著新機(jī)具和新技術(shù)的運(yùn)用，應(yīng)優(yōu)先開發(fā)與之相配套的噴頭，其應(yīng)具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，能適應(yīng)不同作業(yè)環(huán)境需求。

(2)噴頭制造技術(shù)要專業(yè)化、高精化。運(yùn)用現(xiàn)代新設(shè)備、新技術(shù)、新工藝開發(fā)系列產(chǎn)品，提高噴頭的制造質(zhì)量、工藝水平和可靠性，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品專用化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化。

(3)建立健全的噴頭編碼制度。植保噴頭種類繁多，在國際上若能采用統(tǒng)一歸類編碼方式，有助于為現(xiàn)代農(nóng)林產(chǎn)業(yè)服務(wù)。

(4)建立專業(yè)化噴頭監(jiān)控體系。對(duì)噴頭的使用情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，預(yù)測(cè)噴頭的磨損和使用壽命，為生產(chǎn)廠商與作業(yè)者及時(shí)提供信息反饋。