0、 引言
目前,化學防治因具有高效和及時等特點,仍是人類對病蟲草害進行綜合防治最主要、最直接及有效的手段。但隨著人們對生存環境要求以及對環境保護認識的日益提高,農藥噴灑技術及植保器械的研究面臨兩個問題: 如何提高農藥的使用效率; 如何避免或減輕農藥對非靶標生物的影響和污染。國內農藥生產技術處于世界領先水平,但施藥器械和技術水平卻存在嚴重問題。資料顯示,我國農藥的有效利用率僅為 20% 左右,剩余農藥殘留飄移到外界,會對人類以及其他生物的健康和環境等造成危害和污染。噴頭是植保機械中的關鍵部件,對藥業霧化質量有重大影響; 但目前在國內,噴頭存在種類少、材質和制造技術差、霧化技術和水平低等許多問題。要解決這些問題,首先必須加強對植保噴頭內部結構及噴霧性能的實驗和研究,所以需要優化噴頭的結構,得到更快速的噴頭設計方法。
1、 植保噴頭研究現狀分析
植保噴頭的種類可以根據霧化程度和動力不同來分類。按藥液霧化程度的不同,可以分為通用噴頭、微量噴頭、煙霧噴頭和迷霧噴頭等 4 大類; 按照動力的不同,可以分為液力式噴頭、氣力式噴頭、旋轉噴頭和重力式噴頭等類型。就通用噴頭而言,可分為扇形霧噴頭和圓錐霧噴頭。本文主要針對通用噴頭進行參數化設計研究。國內外對噴頭的研究主要在以下幾個方面:
1\\) 噴頭內部結構。通過改變噴頭內部結構形式,改進噴頭的噴霧性能,如實現變量噴霧、對靶噴霧,減少漏滴現象。
2\\) 噴頭性能參數。對噴頭的噴霧性能如噴霧量、噴幅和射程大小、霧滴尺寸、噴霧角度等進行分析,得到更好的噴霧規律。
3\\) 噴頭材料的開發和研究。通過開發新材料和新工藝,減少噴頭的磨損和腐蝕,增加噴頭的使用壽命。
4\\) 噴頭新技術的研發。開發智能噴霧、抗漂移噴霧、靜電噴霧等新技術,實現噴霧性能研究與計算機的結合。
5\\) 噴頭專用化、系列化和標準化的研究。
噴頭噴霧性能的研究為噴頭的內部結構設計提供了事實依據,而良好的內部結構為噴頭的噴霧性能提供了基礎,所以噴頭的內部結構的優化設計顯得尤為重要。
植保噴頭的參數化設計研究: 開發出參數化設計模塊和界面,能夠快速得到噴頭的三維模型; 同時,可以為植保噴頭的快速設計提供基礎,縮短設計、研制周期以及減少成本; 然后可以進行仿真試驗和分析,得到噴頭優化設計后的結構參數,使得噴頭獲得更好的噴霧性能; 并且能夠分析各結構參數對噴霧性能參數的影響規律。
2、 植保噴頭內部結構優化設計流程
植保噴頭的結構設計是一個綜合過程,主要設計流程如圖 1 所示。第 1 步,必須要確定植保噴頭的關鍵結構參數,進行內部結構設計,并得到植保噴頭的三維模型; 第 2 步,借助流體仿真分析軟件對噴頭內部流場進行仿真分析,分析設計的噴頭能否滿足性能要求。如果不能,則返回重新修改結構參數; 如果可以滿足性能要求,則可以進行實物試驗,檢測是否可以達到實際設計要求,不符合,則修改仿真參數,反復修改參數和形式并進行分析,直到獲得最終優化的結構參數和結構形式。
在仿真分析試驗和實物檢測試驗過程中,均需要對噴頭的結構參數和形式進行反復的修改,對于這種修改局部結構和參數的建模方式,通過使用二次開發工具開發出參數化設計模塊和界面,能夠快速、有效的得到噴頭的三維模型。
3、 植保噴頭結構參數和形式確定
3. 1 植保噴頭結構圖
植保噴頭參數化設計,主要在于噴頭的各個結構參數以及它們之間的相互關系式的確定。以扇形霧和錐形霧噴頭為例,其主要結構參數如圖 2 和圖 3 所示。
1\\) 扇形霧噴頭相關參數說明:H 為孔邊距; H 為切槽深度; e 為過心距; D 為噴孔直徑; α 為切槽角度; Hr為相對切深,Hr= 2\\(H - h\\) / D= R - e / R 。
2\\) 錐形霧噴頭相關參數說明:d 為噴孔直徑; b 為進液槽寬度; h 為進液槽高度;H 為墊圈厚度。
和確定。根據流體力學原理以及伯努利方程,噴霧量Q 的大小等于液體流速 ν 與噴孔出水處截面面積 F 的乘積,得
式中 g —重力加速度\\(m/s2\\) ;γ—液體的密度\\(kg / m3\\) ;p—液體壓力\\(kPa\\) ;μ—流量系數。
其中,流量系數 μ 是計算流量 Q 的重要參數,其計算公式為
其中,∑μ 是噴頭截面收縮系數之和,由噴頭的結構結構參數決定。μ 僅僅用公式計算出來的結果與實際情況會有比較大的誤差,必須經過實驗進行相應的修正計算,才能得到較合理的流量系數值。最終可以依據實驗數據擬合出流量 Q 和流量系數 μ 之間的關系式。
扇形霧噴頭的出水處面積 F 計算方法分 3 種情況,其大小主要與噴孔直徑 D、切槽角 α 以及過心距 e有關。由此可以知道,影響扇形霧噴頭的噴霧量的主要結構參數為噴孔直徑 D、切槽角度 α 和過心距 e。
3\\) 影響扇形霧噴頭噴霧角的結構參數分析。噴霧角的計算目前還未形成一套很成熟的公式,主要是以試驗為基礎,通過一定的擬合和回歸方法來計算得到。
大量試驗和相關的公式表明,相對切深 Hr和切槽角 α 對噴霧角的影響顯著。具體來說,其他參數不變時,當 Hr很小時,噴霧角隨 Hr的增大而增大; 但當 Hr增大到一定程度時,噴霧角反而隨著 Hr的增大而減小。噴霧角隨著切槽角 α 的增大而減小。
綜上所述,可以知道,噴孔直徑 D、切槽角 α 以及過心距 e 均對扇形霧噴頭的性能產生影響。所以,以上3 個參數都是參數化設計模塊中的可修改結構參數。
3. 2. 2 錐形霧噴頭結構參數分析
1\\) 影響錐形霧噴頭噴霧量的結構參數分析。錐形霧噴頭的噴霧量的計算公式為
式中 F—噴孔截面積\\(mm2\\) ;P—藥液進入噴頭的壓力\\(kPa\\) ;μ—流量系數,當噴孔直徑為 1. 13 ~ 2. 24mm時,μ =0. 161 ~0. 467。
試驗表明,流量系數與噴頭的結構設計參數 Kt形式存在一定關系,由公式計算所得與實際情況存在偏差,當 1. 10 ≤ Kt≤ 1. 80 時,有以下近似關系μ = 0. 21888K2t- 0. 7216Kt+ 0. 9515 \\(4\\)其中,Kt主要與噴孔直徑、進液槽的高度 h 和寬度 b 有關。由此可知,影響錐形霧噴頭的噴霧量的主要結構參數為噴孔直徑 d、切向進液槽的寬度 b 和高度 h。
2\\) 影響錐形霧噴頭噴霧角的結構參數分析。同樣,錐形霧噴頭噴霧角的計算也沒有形成一套成熟的理論公式,也是通過實驗以及一定的處理方法獲得,實驗表明,噴霧角的大小與噴頭的結構形式有很大關系,主要包括噴孔直徑 d、切向進液槽的寬度 b 和高度h。
3\\) 影響錐形霧噴頭噴幅的結構參數分析。實驗表明,渦流室的深度大小,對噴頭的噴幅和射程產生較大影響,渦流室深度變淺時,可使霧滴變細,射程減小; 反之霧滴變粗,射程增大,噴幅減小。即墊圈的厚度是影響噴頭噴幅和射程的較大因素。
綜上所述,可以將噴孔直徑 d、切向進液槽的寬度b 和高度 d、墊圈厚度 H 作為錐形霧噴頭參數化模塊中的可修改參數。
4、 植保噴頭參數化設計模塊和界面
本文通過 Pro/E 二次開發工具 Pro/Toolkit,根據對植保噴頭的關鍵結構參數的分析和確定,來實現植保噴頭參數化設計模塊和界面的開發。
4. 1 參數設定和約束關系式的確定
在參數化設計之前,需要完成尺寸標注、相關約束關系式的確定等工作,將尺寸與參數通過關系式關聯,并寫入約束關系式,如圖 4 所示。
4. 2 參數化設計界面
植保噴頭參數化設計界面主要包括兩個頁面:植保噴頭分類頁面,即圓錐霧噴頭和扇形噴頭頁面扇形霧噴頭和錐形霧噴頭修改參數的子頁面,如。
用戶可以通過植保噴頭分類頁面瀏覽植保噴頭的分類,并選擇打開其某個類別下的噴頭模型;為可修改結構參數頁面,單擊“讀入”按鈕,選中的某個類型的噴頭,主要結構參數就會顯示出來,可以選擇修改其中的相關結構參數,最后選擇打開模型按鈕,就可以得到修改參數后的新的噴頭模型。
4. 3 二次開發工具 Pro / Toolkit
完成建立植保噴頭參數化設計的頁面后,可以通過 Pro/Toolkit 進行程序編制,為植保噴頭分類頁面和可修改結構參數頁面建立具體的響應函數。
5、 界面以及實例應用
本文采用的是動態鏈接庫\\(DLL\\) 模式運行二次開發工具 Pro/Toolkit 應用程序,成功啟動 Pro/E 后,在菜單中會出現如圖 7 所示的按鈕; 單擊即可進入植保噴頭的參數化設計模塊界面,選擇相應的噴頭并且修改可選擇的結構參數,就可以得到對應的噴頭模型。
6、 結束語
主要介紹了植保噴頭的參數化設計基礎,分析了植保噴頭內部結構優化設計的流程。從影響植保噴頭的噴霧性能的角度出發,分析和確定參數化設計過程中噴頭的可修改的關鍵結構參數; 利用 Pro/E 二次開發工具 Pro/Toolkit,以扇形霧和錐形霧噴頭為例,開發出參數化設計模塊和界面,提高了植保噴頭的設計效率并減少了成本和周期。同時,其可以用于植保噴頭模型內部流場的模擬仿真分析,進一步對噴頭的結構進行優化,為植保噴頭的優化設計提供依據和基礎。
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