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喷头综合性能精密测试试验台的研制及扇形雾喷头性能研究

柳平增  
【摘要】: 化学农药的过量使用,给人们的身体健康及生态平衡带来了严重威胁。施药器械落后、喷施方法及工艺不完善是导致农药过量使用的主要原因。大部分农药的施用,以药液雾化喷洒方式为主,喷头是植保机械中实现液体雾化的关键部件,喷头性能的优劣,直接关系着农药有效利用率的高低。与发达国家相比,目前我国制造的植保喷头,品种少,质量差,“跑、冒、滴、漏”现象严重。科研条件落后,科研仪器普遍缺乏,是我国植保行业面临的共同问题,对喷头性能的研究也远远不够。因此,研制喷头综合性能精密测试试验台,对喷头综合性能进行深入研究具有十分重要的意义。 本论文的研究工作包括: (1)喷头综合性能精密测试试验台的研制 为研究喷头的综合性能,研制了喷头综合性能精密测试试验台。试验台能够精确测量喷头的总流量、雾量分布、喷雾角、系统压力以及现场环境温度等参数。流量是选择喷头的重要指标,试验台流量的测量是用高精度的电磁流量计完成的,由变送器通过总线把测量数据传送给计算机。喷头的雾量分布是衡量喷头喷洒质量的重要指标,雾量分布是通过六十个微型重量传感器采集集雾槽集液量实现的。为防止液体飞溅,在集雾槽的设计中采用了独特的“迷宫”结构。传感器采集的信息由采集卡收集,多个采集卡通过总线互连构成了一个信息采集网络。喷雾角也是喷头的一个重要参数,喷雾角的测量是通过图像处理的方式完成的。系统压力的调整是由计算机通过两种方式实现的:一种是通过调压阀进行控制,调压阀用一微型马达通过涡轮涡杆机构驱动,采用PID算法实现对压力的自动调整;另一种是通过改变液泵电机转速实现的,液泵电机由变频器驱动,数控系统以通讯方式通过模糊控制算法实现对电机转速的精确控制。试验台还能够模拟喷头在田间动态作业的情形,喷头的运动是由计算机驱动汽缸实现的。闭环控制方式及图形化操作界面的运用,提高了控制系统的可靠性及操作的方便性。 (2)喷头综合性能精密测试试验台专用数控系统的研制 为提高测控系统的性能、可靠性及系统的易扩展性,研制了喷头综合性能精密测试试验台专用数控系统。数控系统既可配合上位管理机完成数据采集及各项控制任务,也可由数控系统单独完成各项测控功能.数控系统设计中,微处理器选用的是16位的、具有超低功耗特性的、功能强大的MSP430F149。在扩展接口电路设计中,74LVC4245及光电耦合器的结合使用,提高了数控系统的稳定可靠性。串行通讯接口的多路设计,提高了串行通讯电路的灵活性及稳定可靠性。用DS18B20采集环境温度,由数控系统完成对DS18B20的控制及数据读取。OCMJ4*8C液晶显示器采用串行接口方式,并用光电耦合器与系统隔离。键盘与单片机的接口也通过光电耦合器进行了隔离。系统中软硬件多种抗干扰措施的综合运用,有效地提高了数控系统的抗干扰能力。 (3)扇形雾喷头结构与性能关系研究 扇形雾喷头结构简单,生产成本相对较低,在植保领域应用广泛。扇形雾喷头的结构参数主要包括喷头内腔直径、相对切深和V型槽角度,性能参数主要包括喷头流量、喷雾角及雾量分布。论文对扇形雾喷头的结构参数对性能的影响进行了深入研究。 ①结构参数对流量的影响 流量反映了喷头单位时间内的用药量,对扇形雾喷头的流量进行了理论推导及试验研究。试验表明,喷头流量随内腔直径的增加而增大。理论计算分析表明,内腔直径的增大导致出流口面积的增加是流量增大的主要原因。 相对切深与流量的关系。试验表明,增加喷嘴的相对切深H_r,喷雾量随之增大,到达一定峰值后,随着相对切深的继续增加,流量反而减小。理论计算分析表明,相对切深的变化导致出流口面积的变化是流量变化的主要原因。 V型槽角度与流量的关系。试验表明,流量随V型槽角度的增加而增大。理论计算分析表明,V型槽角度的变化导致出流口面积的变化是流量变化的主要原因。 ②结构参数对喷雾角的影响 喷雾角反映了喷头雾量分布的横向幅度.试验表明,喷雾角随相对切深的增加而增大,增加到一定角度值后,随着相对切深的继续增加,喷雾角反而减小;随着V型槽开口角度的增大,喷雾角趋于减小;喷雾角随内腔直径的增加而增大,当增大到一定值后,趋势逐渐趋于平缓。 ③结构参数对雾量分布变异系数的影响 雾量分布变异系数反映了雾量分布的均匀程度。试验表明,V型槽开口角度、内腔直径以及相对切深与雾量分布变异系数之间均没有明显的相关关系。 ④喷头性能影响因素综合分析 在对喷头性能影响因素单因素分析的基础上,利用神经网络,对影响喷头性能的诸因素进行了综合分析。构建了喷头内腔直径、V型槽开口角度及相对切深与流量及喷雾角关系的BP神经网络,用学习样本训练后,再用测试样本进行验证,结果表明神经网络预测值与实际值变化趋势完全一致。这说明利用神经网络对影响喷头性能的诸因素进行综合分析是切实可行的,这对进行喷头性能研究及喷头制造都具有十分重要的意义。 (4)喷头使用性能研究 对于喷头的使用性能,主要研究了压力对流量、喷雾角及雾量分布变异系数的影响;高度变化对雾量分布的影响;还研究了喷头组合使用情况下压力、喷头间隔及高度变化对雾量分布的影响;最后还对一些喷头的质量及不同材质喷头的使用寿命进行了试验研究。 ①压力变化对流量、喷雾角及雾量分布的影响 流量随压力的增加而增大。不同类型的喷头对压力的敏感程度略有差异;喷雾角随压力的增加而增大,增加趋势较为平缓;压力变化对雾量分布变异系数没有明显的影响,说明雾量分布与压力间没有明显的相关关系。 ②高度变化对雾量分布的影响。 随着喷头高度的增加,雾量分布范围增大,雾量分布平均值趋于减小;在压力等其它条件不变的情况下,雾量分布变异系数随高度变化有一定的变化规律,都有一个最佳高度,喷头在此位置时,雾量分布变异系数最小,雾量分布也最均匀。 ③喷头组合使用性能研究 喷头组合使用时,压力、间距和高度都是非常重要的影响因素,主要研究了高度变化对组合喷头使用性能的影响。试验表明,在喷头间隔及压力一定的情况下,喷头的雾量分布变异系数随喷头高度变化而变化。存在一最佳位置,组合喷头在该位置时,雾量分布变异系数最小,雾量分布也最均匀。不同间距及不同压力条件下,喷头的最佳高度一般是不一样的。在雾量分布变异系数最小值处进行喷施作业,效果最佳。 ④喷头其它的性能试验 对TEEJET SS800和LURMARK 02F110两种喷头的性能进行了试验研究。试验表明,两种喷头的流量、喷雾角及雾量分布变异系数等参数的一致性较好。还利用试验台进行了不同材质喷头的使用寿命试验,结果发现,黄铜材质喷头的使用寿命最短,而刚玉瓷芯喷头的使用寿命最长。


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