施藥噴嘴分級可行性及方法研究

周晴晴，薛新宇，周良富，孫 濤，田志偉

（農業農村部南京農業機械化研究所，南京 210014）

0 引 言

噴嘴是植保機械中最重要的霧化零件，霧滴大小直接影響農藥霧滴的附著、滑落或飄移[1-4]。然而，目前中國農用噴嘴應用技術相對落后，對噴嘴分級及應用意識薄弱，農民使用自制非標準噴嘴和同一噴嘴噴施不同藥劑用于不同作物的現象普遍存在[5-6]。導致霧滴飄移和流失嚴重，農藥有效利用率低等問題[7-8]，其部分原因是國產農用噴嘴缺乏詳細的分級方法及應用數據。受噴嘴生產工藝影響，國內外相同型號噴嘴的霧化特性也不盡相同，不能直接采用國外噴嘴的分級結果來劃分國產噴嘴，因此開展適合于國產噴嘴的分級方法研究具有現實意義。依據ASAE S572.1標準，建立國內風洞條件下參考噴嘴的分級方法是噴嘴分級的前提條件[9]，同時也為國產噴嘴的分級測試提供技術與設備支撐。

霧滴粒徑測量結果受噴霧液體屬性、流量、噴霧壓力、噴孔形狀及截面積、采樣距離、采集區域和氣流速度等因素的影響[10-13]，更有文獻[14]顯示相同型號的噴嘴在同樣的測試壓力下，不同測試系統和測試地點獲得的霧滴粒徑結果差異也很大。如Fritz等[15]在風洞試驗室內采用激光衍射系統，研究了噴嘴在0.7、3.1和6.7 m/s風速下的霧滴粒徑，結果表明霧滴粒徑隨著氣流速度的增加而增大，建議在較高的氣流速度下，不同尺寸液滴之間的速度差減小[16]，可避免高估小霧滴的數量。但風速不應過高，因為過高的風速，如大于 305 km/h，將會引起二次霧化[17]。謝晨等[18-19]采用霧滴粒徑圖像分析儀（PDIA）研究噴嘴的破裂區長度，結果表明液膜長度隨著壓力、噴頭孔徑的改變而變化，認為破裂區長度在60 mm以內。而ASAE S572.1標準[20]要求采樣距離在200～500 mm之間，目的就是避免測量非完全霧化區。宋堅利等[21-22]采用相位多普勒粒子分析儀（PDPA）分析了扇形噴頭在噴霧扇面中的霧滴粒徑，結果表明霧滴粒徑分布為中間低、邊緣高的凹面形態，因此測試過程中采用激光掃描整個噴射霧流區[20]，更能準確地估計真實的液滴尺寸。

綜上所述，不同條件下的噴嘴霧滴粒徑的測試結果，沒有對比和直接利用意義。而基于霧滴譜的噴嘴分級能夠忽略試驗室的數據差異，獲得同個噴嘴相同或相近的分級結果[14]。噴嘴分級應嚴格遵照ASAE S572.1標準[20]要求，測量參考噴嘴和待分類噴嘴的霧滴譜時應使用相同的儀器、測量方法、取樣技術、掃描技術、操作員和相似的環境條件。國外關于噴嘴分級的研究已注重分級精確性及試驗室之間的一致性，如Womac[23]研究了參考噴嘴流量的一致性對對噴嘴霧滴粒徑的影響，為參考噴嘴的選擇提供依據。Fritz等[24]在美國農業部農業研究局（簡稱USDA）航空應用技術中心、林肯大學、澳大利亞昆士蘭大學 3個風洞試驗室內，建立了參考噴嘴的分級參考圖。結果表明在相同的測試條件下，不同試驗室霧滴粒徑差異在5%以內。國內關于噴嘴飄移性能及分級的研究較多[25-28]，而關于噴嘴霧滴粒徑分級研究較少，如張惠春等[29]在澳大利亞昆士蘭大學的風洞試驗室內測量了參考噴嘴的霧滴粒徑參數，但是卻在不同的風速和采樣距離下測試并分級待分類噴嘴，分級結果有偏差。

本試驗在南京農業機械化研究所（簡稱NJS）的低速風洞內，建立參考噴嘴分類的參考圖。基于霧滴譜的噴嘴分類方法，測量并分級Teejet和Lurmark扇形霧系列噴嘴，驗證分級方法的正確性。并將蘇州藍翱精密塑膠有限公司的扇形霧噴嘴 F110系列、實心圓錐霧噴嘴YZS80系列、空心圓錐霧噴嘴 YZK80系列噴嘴（簡稱Lanao F110、YZS80、YZK80）霧滴粒徑分級，對完善國產噴嘴的技術參數、便于用戶選擇噴嘴型號及確定工作壓力具有指導意義。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

試驗裝置主要包括 NJS-1型植保低速風洞（非標準設備，農業部南京農業機械化研究所研制，試驗段尺寸為7.5 m×1.2 m×1.8 m，風速0.5～10 m/s，氣流紊流度小于1%）、直線導軌（導軌行程100 cm，移動速度6 cm/s）、DP-02型激光粒度儀（珠海歐美克儀器有限公司，重復性誤差＜3%，測試范圍1～1 500 μm）、3WZ-25型三缸柱塞泵（物理農林機械科技有限公司，轉速430～850 r/min，流量7.5～15.5 L/min）、壓力表（上海自動化儀表有限公司，量程為0～1 MPa，精度0.4級），壓力表的壓力入口位于噴嘴出水口前端，壓力表放置在與激光相同高度位置上、風速儀（日本Kanomax公司，量程0～50 m/s，精度±2%）以及流量測試所用的秒表、水桶、電子秤等。

試驗裝置具有3個特點，1）風洞的頂部安裝直線導軌，在風洞頂部打孔，將直角折彎的銅制噴管的頂端穿過孔固定在導軌滑塊上，噴管底端安裝噴嘴。控制導軌電機正反轉，使噴嘴能夠上下滑動。2）在風洞的壁面兩側距噴嘴順風方向30.5 cm且風洞高度的中點處打孔，激光的發射端和接收端分別放置在風洞壁面的兩側，激光經發射端穿過孔到達接收端。3）噴嘴的噴霧方向與風速方向相同，且扇形噴嘴的噴霧面與激光垂直。試驗示意圖如圖1所示。

圖1 噴嘴霧滴粒徑測試示意圖Fig.1 Sketch map of nozzle’s droplet size measurement

1.2 噴嘴選擇

參考噴嘴有5個，分別是噴霧系統公司TeeJet 11001、11003、11006、8008和6510不銹鋼芯扇形噴嘴。待分類噴嘴共24個，分別是美國噴霧系統公司Teejet F110不銹鋼芯扇形噴嘴（01～08號）8種、英國劍橋 Lurmark F110塑料扇形噴嘴（015～05號）5種；國產Lanao F110塑料扇形噴嘴（015～05號）5種、YZS80塑料圓錐實心霧噴嘴（02～04號）3種、YZK80塑料圓錐空心霧噴嘴（02～04號）3種。

1.3 試驗設計

在低速風洞內測試參考噴嘴和待分類噴嘴的流量和霧滴粒徑，測試壓力、風速、采樣距離和采樣區域的設置如下。參考噴嘴 TeeJet 11001、11003、11006、8008和 6510的參考壓力分別為 0.45、0.3、0.2、0.25、0.2 MPa。待分類噴嘴的測試壓力為0.2、0.3、0.4 MPa。為避免高估小霧滴的數量，同時為了與Fritz等[24]在USDA航空應用技術中心的數據對比，氣流速度采用6.7 m/s。同理采樣距離和采樣區域與Bradley的試驗參數相同，如圖1所示，采樣距離為30.5 cm，采樣區域是此采樣距離下激光掃描的整個噴霧截面。確定采樣區域的具體操作方法是：啟動絲桿，驅動噴嘴從上到下滑動。當噴霧區域到達激光且遮光比達0.5%時計時開始，當噴霧區間遠離激光且遮光比減小到0.5%時計時結束。在粒徑分析系統軟件中設置激光粒度儀的采樣時間，使激光檢測時間與噴霧面行程時間相吻合。試驗過程中所用的噴霧介質是清水。

1.4 試驗方法及步驟

參考噴嘴和待分類噴嘴的流量和霧滴粒徑測試步驟如下：1）按圖1搭建好試驗裝置，確保系統運行良好。2）打開風洞風機，調整風機轉速，用風速儀測量風洞的風速為（6.7±0.2）m/s。3）開啟液泵，調節噴霧壓力至測試壓力。4）采用水桶和電子秤測試1 min內噴嘴噴灑水的質量測得流量。選擇與參考流量相差±40 mL/min以內[20]的參考噴嘴用于建立霧滴譜，選擇與生產廠家標定流量相差±5%以內[23]的待分類噴嘴用于進行噴嘴分類。5）啟動絲桿，讓噴嘴從上到下滑動。當噴霧區域到達激光且遮光比達0.5%時開始測試，測試結束后保存測量結果，記錄測定的10%、50%和90%體積直徑即DV10、DV50和 DV90以及直徑小于 100 μm 的噴霧體積百分比即V＜100 μm（%vol）的值。6）每組試驗至少重復測量3次，要求保存和記錄的霧滴微分分布呈單峰分布，且 3次重復數據尤其是 DV50的偏差在±5%以內。7）當改變壓力或更換噴嘴時，重復試驗步驟3）～6）。

1.5 數據處理

應用SAS統計分析軟件，采用最小顯著差數（LSD）的多重比較方法，顯著水平α為0.05，比較NJS和USDA參考噴嘴的測試數據顯著差異性，分析不同試驗設備對霧滴粒徑測量結果的影響。

1.6 基于霧滴譜的分級方法

根據參考噴嘴 TeeJet 11001、11003、11006、8008和6510不銹鋼芯扇形噴嘴的霧滴粒徑與累積體積分數的關系，建立噴嘴分類的參考圖。可以使用 DV10、DV50和DV90值的折線圖來簡化。折線圖把霧滴粒徑分為 6個區間，從小到大分別對應霧滴粒徑的6個類別：很細（VF）、細（F）、中等（M）、粗（C）、很粗（VC）、極粗（XC）。在參考圖上畫待分類噴嘴的霧滴譜折線圖。當待測噴嘴霧滴譜的折線圖處于參考圖單個分類類別中，而不打斷參考曲線時，則按折線所在的區間將待測噴嘴分類。當待測噴嘴霧滴譜折線打斷參考曲線，但不穿過2個區間時，則按大部分折線所在的區間將待測噴嘴分類。當待測噴嘴霧滴譜折線穿過2個及2個以上區間時，則忽略Dv90區域超大霧滴的影響，按DV10所在的區間將待測噴嘴分類，以指示液滴最小尺寸。在噴嘴分類中把參考噴嘴霧滴粒徑的平均值+標準差作為噴嘴分類的實際上限[20]。

2 結果與分析

2.1 參考噴嘴霧滴粒徑分析與分級

參考噴嘴TeeJet11001、11003、11006、8008和6510在參考壓力下南京農業機械化研究所霧滴粒徑平均值及標準差見表1。試驗數據和USDA對比[24]，USDA的風洞試驗段尺寸為 9.8 m×1.2 m×1.2 m，風速范圍是 0～8 m/s，采用Sympatec HELOS Vario激光衍射儀測量霧滴粒徑，動態粒徑測量范圍是0.5～3 500 μm。兩個試驗室數據的方差分析結果如表1所示，11003和11006號噴嘴無顯著差異，11001、8008和6510號噴嘴霧滴粒徑分布有顯著差異，且 11001噴嘴 NJS霧滴的測量值大于USDA，8008和 6510號噴嘴 NJS霧滴的測量值小于USDA。這是由于Sympatec HELOS Vario激光衍射儀和DP-02激光粒度儀測量范圍不同，2個儀器對細霧滴和粗霧滴的測量值存在偏差。且風洞系統、噴嘴運動系統不同，導致部分參考噴嘴霧滴粒徑的測試結果存在顯著差異。由于 2個試驗室數值相差不大且總體趨勢一致，因此測試數據可以用作本試驗室的噴嘴霧滴粒徑分級的參考臨界值。

表1 2個試驗室參考噴嘴的霧滴粒徑分布與方差分析Table 1 Droplet size distribution and variance analysis of reference nozzle in two laboratories

根據參考噴嘴DV10、DV50和DV90的值，繪出NJS風洞試驗室噴嘴分類的參考折線圖。如圖 2所示，TeeJet 11001、11003、11006、8008、6510噴嘴霧滴粒徑折線分別表示：很細/細（VF/F）、細/中（F/M）、中/粗（M/C）、粗/很粗（C/VC）、很粗/極粗（VC/XC）的臨界值。數值低于 11001型噴嘴的為很細，介于 11001型噴嘴與11003型噴嘴的為細，以此類推，把霧滴粒徑分為很細、細、中等、粗、很粗、極粗 6個等級。另外，由于本文待分類噴嘴級別在很細（VF）到極粗（XC）之間，所以沒有測量參考噴嘴 IP-16和 6515對應的極細/很細（XF/VF）和極粗/超級粗（XC/UC）的類別。

圖2 NJS風洞試驗室霧滴粒徑分級參考圖Fig.2 Reference map for droplet size classification in NJS wind tunnel laboratory

2.2 基于霧滴譜的分級方法驗證

根據噴嘴在0.2、0.3、0.4 MPa壓力下霧滴譜折線所在的區間，把美國噴霧系統公司Teejet F110不銹鋼芯扇形系列噴嘴、英國劍橋 Lurmark F110塑料扇形系列噴嘴分級。霧滴粒徑平均值與噴嘴分級結果見表2。對比噴嘴分級結果與廠家標稱的噴嘴級別[30]，發現Teejet F110-03噴嘴在0.2 MPa壓力下測試級別比標稱級別粗一個等級；Lurmark F110-04噴嘴在0.3 MPa壓力下，測試級別比標稱級別細一個等級，見表 2中加粗部分。原因一是由于上述噴嘴在上述壓力下的霧滴粒徑逼近噴嘴分級的臨界線，且測量結果存在波動性，所以導致分級結果的誤判；二是由于廠家測試條件和測試方法與本試驗不同，導致分級結果存在個別不一致現象。由于絕大部分噴嘴及其壓力下的測試級別與廠家標稱的噴嘴級別相符，表明NJS風洞試驗室建立的霧滴粒徑分級參考圖以及基于霧滴譜的噴嘴分級方法適用于噴嘴的分級。

2.3 國產系列噴嘴粒徑分級

根據Lanao F110、YZS80、YZK80系列噴嘴在0.2、0.3、0.4 MPa壓力下霧滴譜所在的區間，把噴嘴分級。霧滴譜及噴嘴分級結果見表3、表4和表5。

表2 Teejet F110不銹鋼芯扇形系列噴嘴與Lurmark F110塑料扇形系列噴嘴霧滴粒徑與分級Table 2 Droplet size and classification of Teejet F110 stainless steel fan series nozzles and Lurmark F110 fan series nozzles

表3 Lanao F110系列噴嘴的霧滴粒徑及分級Table 3 Droplet size and classification of Lanao F110 series nozzles

表4 Lanao YZS80系列噴嘴的霧滴粒徑及分級Table 4 Droplet size and classification of Lanao YZS80 series nozzles

表5 Lanao YZK80系列噴嘴的霧滴粒徑及分級Table 5 Droplet size and classification of Lanao YZK80 series nozzles

由表3、表4和表5可知，針對同一型號的噴嘴，隨著噴霧壓力的增加，霧滴粒徑減小，分級級別變化趨勢是由粗變細。針對不同型號的噴嘴，在噴嘴序號和噴霧壓力相同的情況下，霧滴粒徑由大到小的順序是：YZS80＞F110＞YZK80。

3 結論與討論

本文根據ASAE S572.1標準，規范測試方法和程序，在NJS-1型風洞試驗室對參考噴嘴、Teejet、Lurmark和Lanao噴嘴進行霧滴譜測試，得到了如下結論：

1）農業農村部南京農業機械化研究所（NJS）和美國農業部農業研究局（USDA）2個實驗室的參考噴嘴測試結果數值相差不大且總體趨勢一致，表明 NJS-1型風洞參考噴嘴測試數據可以用作本試驗室的噴嘴霧滴粒徑分級的參考臨界值。在此基礎上建立了NJS試驗室霧滴粒徑分級的參考圖，總結了基于霧滴譜的分級方法，把霧滴粒徑分為很細、細、中等、粗、很粗、極粗 6個等級。

2）Teejet、Lurmark扇形霧系列噴嘴除了 Teejet F110-03噴嘴在0.2 MPa壓力下測試級別比標稱級別粗一個等級、Lurmark F110-04噴嘴在0.3 MPa壓力下，測試級別比標稱級別細一個等級之外，其余噴嘴的測試級別與廠家標稱的噴嘴級別相符。表明 NJS-1型風洞試驗室建立的霧滴粒徑分級參考圖以及基于霧滴譜的噴嘴分級方法適用于噴嘴分級。

3）將基于霧滴譜的噴嘴分級方法用于國產Lanao噴嘴的分級，得到了Lanao F110、YZS80、YZK80系列噴嘴在0.2、0.3、0.4 MPa壓力下的霧滴譜及噴嘴級別。完善了國產噴嘴的霧化特性參數，便于用戶選擇噴嘴型號以及確定適當的作業參數。

本文只分析了風速為6.7 m/s條件下噴嘴霧滴粒徑及分級結果。其他低風速條件同樣可以采用本文描述的霧滴粒徑測試方法以及基于霧滴譜的噴嘴分級方法進行測試和分級。如果沒有風速，建議噴霧方向垂直向下。