噴頭綜合性能精密測試試驗臺的研制及扇形霧噴頭性能研究.pdf

1、化學(xué)農(nóng)藥的過量使用，給人們的身體健康及生態(tài)平衡帶來了嚴重威脅。施藥器械落后、噴施方法及工藝不完善是導(dǎo)致農(nóng)藥過量使用的主要原因。大部分農(nóng)藥的施用，以藥液霧化噴灑方式為主，噴頭是植保機械中實現(xiàn)液體霧化的關(guān)鍵部件，噴頭性能的優(yōu)劣，直接關(guān)系著農(nóng)藥有效利用率的高低。與發(fā)達國家相比，目前我國制造的植保噴頭，品種少，質(zhì)量差，“跑、冒、滴、漏”現(xiàn)象嚴重?？蒲袟l件落后，科研儀器普遍缺乏，是我國植保行業(yè)面臨的共同問題，對噴頭性能的研究也遠遠不夠。因此，研制

2、噴頭綜合性能精密測試試驗臺，對噴頭綜合性能進行深入研究具有十分重要的意義。 本論文的研究工作包括： (1)噴頭綜合性能精密測試試驗臺的研制 為研究噴頭的綜合性能，研制了噴頭綜合性能精密測試試驗臺。試驗臺能夠精確測量噴頭的總流量、霧量分布、噴霧角、系統(tǒng)壓力以及現(xiàn)場環(huán)境溫度等參數(shù)。流量是選擇噴頭的重要指標(biāo)，試驗臺流量的測量是用高精度的電磁流量計完成的，由變送器通過總線把測量數(shù)據(jù)傳送給計算機。噴頭的霧量分布是衡量噴頭噴

3、灑質(zhì)量的重要指標(biāo)，霧量分布是通過六十個微型重量傳感器采集集霧槽集液量實現(xiàn)的。為防止液體飛濺，在集霧槽的設(shè)計中采用了獨特的“迷宮”結(jié)構(gòu)。傳感器采集的信息由采集卡收集，多個采集卡通過總線互連構(gòu)成了一個信息采集網(wǎng)絡(luò)。噴霧角也是噴頭的一個重要參數(shù)，噴霧角的測量是通過圖像處理的方式完成的。系統(tǒng)壓力的調(diào)整是由計算機通過兩種方式實現(xiàn)的：一種是通過調(diào)壓閥進行控制，調(diào)壓閥用一微型馬達通過渦輪渦桿機構(gòu)驅(qū)動，采用PID算法實現(xiàn)對壓力的自動調(diào)整；另一種是通過改

4、變液泵電機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)的，液泵電機由變頻器驅(qū)動，數(shù)控系統(tǒng)以通訊方式通過模糊控制算法實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的精確控制。試驗臺還能夠模擬噴頭在田間動態(tài)作業(yè)的情形，噴頭的運動是由計算機驅(qū)動汽缸實現(xiàn)的。閉環(huán)控制方式及圖形化操作界面的運用，提高了控制系統(tǒng)的可靠性及操作的方便性。 (2)噴頭綜合性能精密測試試驗臺專用數(shù)控系統(tǒng)的研制 為提高測控系統(tǒng)的性能、可靠性及系統(tǒng)的易擴展性，研制了噴頭綜合性能精密測試試驗臺專用數(shù)控系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)既可配合上位管

5、理機完成數(shù)據(jù)采集及各項控制任務(wù)，也可由數(shù)控系統(tǒng)單獨完成各項測控功能。數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計中，微處理器選用的是16位的、具有超低功耗特性的、功能強大的MSP430F149。在擴展接口電路設(shè)計中，74LVC4245及光電耦合器的結(jié)合使用，提高了數(shù)控系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性。串行通訊接口的多路設(shè)計，提高了串行通訊電路的靈活性及穩(wěn)定可靠性。用DS18820采集環(huán)境溫度，由數(shù)控系統(tǒng)完成對DS18820的控制及數(shù)據(jù)讀取。OCMJ4*8C液晶顯示器采用串行接口方式，

6、并用光電耦合器與系統(tǒng)隔離。鍵盤與單片機的接口也通過光電耦合器進行了隔離。系統(tǒng)中軟硬件多種抗干擾措施的綜合運用，有效地提高了數(shù)控系統(tǒng)的抗干擾能力。 (3)扇形霧噴頭結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系研究 扇形霧噴頭結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)成本相對較低，在植保領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。扇形霧噴頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括噴頭內(nèi)腔直徑、相對切深和V型槽角度，性能參數(shù)主要包括噴頭流量、噴霧角及霧量分布。論文對扇形霧噴頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)對性能的影響進行了深入研究。 ①結(jié)構(gòu)參數(shù)對

7、流量的影響流量反映了噴頭單位時間內(nèi)的用藥量，對扇形霧噴頭的流量進行了理論推導(dǎo)及試驗研究。試驗表明，噴頭流量隨內(nèi)腔直徑的增加而增大。理論計算分析表明，內(nèi)腔直徑的增大導(dǎo)致出流口面積的增加是流量增大的主要原因。 相對切深與流量的關(guān)系。試驗表明，增加噴嘴的相對切深H<,r>，噴霧量隨之增大，到達一定峰值后，隨著相對切深的繼續(xù)增加，流量反而減小。理論計算分析表明，相對切深的變化導(dǎo)致出流口面積的變化是流量變化的主要原因。 V型槽角度

8、與流量的關(guān)系。試驗表明，流量隨V型槽角度的增加而增大。理論計算分析表明，V型槽角度的變化導(dǎo)致出流口面積的變化是流量變化的主要原因。 ②結(jié)構(gòu)參數(shù)對噴霧角的影響噴霧角反映了噴頭霧量分布的橫向幅度。試驗表明，噴霧角隨相對切深的增加而增大，增加到一定角度值后，隨著相對切深的繼續(xù)增加，噴霧角反而減?。浑S著V型槽開口角度的增大，噴霧角趨于減小；噴霧角隨內(nèi)腔直徑的增加而增大，當(dāng)增大到一定值后，趨勢逐漸趨于平緩。 ③結(jié)構(gòu)參數(shù)對霧量分布變

9、異系數(shù)的影響霧量分布變異系數(shù)反映了霧量分布的均勻程度。試驗表明，V型槽開口角度、內(nèi)腔直徑以及相對切深與霧量分布變異系數(shù)之間均沒有明顯的相關(guān)關(guān)系。 ④噴頭性能影響因素綜合分析在對噴頭性能影響因素單因素分析的基礎(chǔ)上，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對影響噴頭性能的諸因素進行了綜合分析。構(gòu)建了噴頭內(nèi)腔直徑、V型槽開口角度及相對切深與流量及噴霧角關(guān)系的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，用學(xué)習(xí)樣本訓(xùn)練后，再用測試樣本進行驗證，結(jié)果表明神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測值與實際值變化趨勢完全一致。這

10、說明利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對影響噴頭性能的諸因素進行綜合分析是切實可行的，這對進行噴頭性能研究及噴頭制造都具有十分重要的意義。 (4)噴頭使用性能研究 對于噴頭的使用性能，主要研究了壓力對流量、噴霧角及霧量分布變異系數(shù)的影響；高度變化對霧量分布的影響；還研究了噴頭組合使用情況下壓力、噴頭間隔及高度變化對霧量分布的影響；最后還對一些噴頭的質(zhì)量及不同材質(zhì)噴頭的使用壽命進行了試驗研究。 ①壓力變化對流量、噴霧角及霧量分布的影響流

11、量隨壓力的增加而增大。不同類型的噴頭對壓力的敏感程度略有差異；噴霧角隨壓力的增加而增大，增加趨勢較為平緩；壓力變化對霧量分布變異系數(shù)沒有明顯的影響，說明霧量分布與壓力間沒有明顯的相關(guān)關(guān)系。 ②高度變化對霧量分布的影響。 隨著噴頭高度的增加，霧量分布范圍增大，霧量分布平均值趨于減??；在壓力等其它條件不變的情況下，霧量分布變異系數(shù)隨高度變化有一定的變化規(guī)律，都有一個最佳高度，噴頭在此位置時，霧量分布變異系數(shù)最小，霧量分布也最

12、均勻。 ③噴頭組合使用性能研究噴頭組合使用時，壓力、間距和高度都是非常重要的影響因素，主要研究了高度變化對組合噴頭使用性能的影響。試驗表明，在噴頭間隔及壓力一定的情況下，噴頭的霧量分布變異系數(shù)隨噴頭高度變化而變化。存在一最佳位置，組合噴頭在該位置時，霧量分布變異系數(shù)最小，霧量分布也最均勻。不同間距及不同壓力條件下，噴頭的最佳高度一般是不一樣的。在霧量分布變異系數(shù)最小值處進行噴施作業(yè)，效果最佳。 ④噴頭其它的性能試驗對TE