變量混藥系統(tǒng)的研究

秦 禎,邢 旭,徐劍楠,馮曉靜

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,河北 保定 071001;2.現(xiàn)代農(nóng)裝科技股份有限公司,北京 100083)

0 引言

目前,我國(guó)越來(lái)越重視農(nóng)業(yè)的發(fā)展,農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展水平也相應(yīng)提高[1]。農(nóng)業(yè)機(jī)械化是科學(xué)技術(shù)在機(jī)械生產(chǎn)中的重要體現(xiàn),加速了傳統(tǒng)生產(chǎn)方式向現(xiàn)代化生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變進(jìn)程,有效提高農(nóng)業(yè)勞動(dòng)生產(chǎn)率是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平的提高也促進(jìn)了我國(guó)植保機(jī)械的發(fā)展[2]。目前,我國(guó)果園植保機(jī)械常用的混藥方式是預(yù)混式,即果農(nóng)根據(jù)多年積累的經(jīng)驗(yàn)將農(nóng)藥與水混合,農(nóng)藥和水以預(yù)定的比例放入藥箱中,攪拌混合均勻。這種混藥方式存在機(jī)具腐蝕嚴(yán)重、配藥比例不精確、剩余藥液未正確處理、對(duì)生態(tài)造成污染等諸多弊端[3],因此在線混藥方法逐漸受到關(guān)注并開(kāi)始研究和應(yīng)用。在線混藥方式可以根據(jù)農(nóng)藥施用的要求按比例混合藥物,提高農(nóng)藥利用率,保證農(nóng)藥施用人員的人身安全,也減少了對(duì)于生態(tài)環(huán)境的污染[4]。國(guó)內(nèi)外為了解決以上面臨的問(wèn)題所采取的混藥方式都存在著一些缺點(diǎn),如射流混藥系統(tǒng)混藥比難以精確掌控、壓強(qiáng)比較低等。雖然靜態(tài)混藥系統(tǒng)與射流混藥系統(tǒng)相比具有局域工作效率高、易于操作、能耗小的特點(diǎn),但在混合前需要對(duì)混合對(duì)象及混合過(guò)程做出分析,且這些系統(tǒng)共同具有的缺點(diǎn)是噴霧濃度相對(duì)單一,不能根據(jù)實(shí)際情況改變所需的噴霧濃度,缺乏流量控制等關(guān)鍵技術(shù)[5]。對(duì)于大型農(nóng)藥注入計(jì)量裝置而言,能夠?qū)崟r(shí)、精確地根據(jù)實(shí)際施藥要求調(diào)節(jié)農(nóng)藥與水的流量,是評(píng)價(jià)噴霧控制裝置最為重要的指標(biāo)[6]。變量混藥系統(tǒng)可以根據(jù)機(jī)具不同的行進(jìn)速度調(diào)節(jié)施藥量的大小,以保持單位面積施藥及藥液的噴施效果,提高了農(nóng)藥的利用率,減少了農(nóng)藥對(duì)非靶標(biāo)植物及周圍生態(tài)環(huán)境的污染[7]。

1 混藥系統(tǒng)參數(shù)及功能分析

1.1 混藥系統(tǒng)

大型噴霧機(jī)在線混藥系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)要求是清水以一定的速度通過(guò)水泵、變頻器、噴霧管路、壓力變送器、壓力調(diào)節(jié)器、流量傳感器,并最終輸送到混藥器中[8]。無(wú)水農(nóng)藥(原液)直接通過(guò)計(jì)量精確的電磁計(jì)量泵、管道、壓力表和流量計(jì)吸入混合器中與水混合,藥物和水充分混合后通過(guò)壓力閥最后通過(guò)噴嘴噴出。系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包含以下兩點(diǎn):一是通過(guò)調(diào)整藥水流量和壓力來(lái)滿足相應(yīng)噴霧要求的液壓系統(tǒng),主要是對(duì)關(guān)鍵設(shè)備的選型和組裝,如水泵、計(jì)量泵、壓力變送器、流量傳感器等;二是通過(guò)調(diào)節(jié)電磁計(jì)量泵的頻率和變頻器的頻率來(lái)調(diào)節(jié)農(nóng)藥的流量和水的流量,以確保設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠滿足不同的噴霧要求。

1.2 混藥系統(tǒng)

每667m2使用的液體量與噴嘴類型、數(shù)量、噴霧壓力、行進(jìn)速率有關(guān),因而選擇Lechler噴嘴制造商生產(chǎn)的TR噴嘴來(lái)分辨不同類型的噴嘴對(duì)液體噴射量的影響。

混合劑噴霧系統(tǒng)的參數(shù)選擇為TR80-03,噴嘴數(shù)量為10個(gè),工作速度3～5km/h。系統(tǒng)調(diào)節(jié)的最佳壓力在0.3～0.5MPa之間。當(dāng)噴霧操作壓力為0.5 MPa時(shí),系統(tǒng)液體的噴射量可滿足單位面積液體的需求量,因此最佳噴霧操作壓力為0.5 MPa。

1.3 混藥系統(tǒng)液壓回路的設(shè)計(jì)

自動(dòng)混合系統(tǒng)由水箱、藥箱、電機(jī)、三缸柱塞泵、止回閥、計(jì)量泵、混合裝置、壓力調(diào)節(jié)控制開(kāi)關(guān)和噴嘴組成。三缸柱塞泵和計(jì)量泵分別從水箱和藥箱中提取所需的液體體積,然后在混合器中徹底混合。單向閥控制開(kāi)關(guān)可以確保液體不會(huì)產(chǎn)生回流;壓力調(diào)節(jié)器控制開(kāi)關(guān)主要調(diào)節(jié)系統(tǒng)管道的入口和出口壓力值,以確保噴霧管路中的壓力能夠滿足藥物實(shí)際使用過(guò)程中所需的壓力。混合噴霧系統(tǒng)液壓回路方案如圖1所示。

圖1 混藥噴霧系統(tǒng)液壓回路

噴霧系統(tǒng)回路主要由水和藥液回路構(gòu)成,供水回路由水箱、電機(jī)、變頻器、單向閥及水泵等組成。工作時(shí),水由水泵泵出水箱。變頻器通過(guò)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)水流量,藥液通過(guò)計(jì)量泵從藥箱中準(zhǔn)確提取,通過(guò)單向閥進(jìn)入混合器與水進(jìn)行均勻混合;壓力表和流量計(jì)用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集,噴嘴所需的工作壓力由壓力調(diào)節(jié)閥給出,最后混合液體從噴嘴噴出。

液體濃度的穩(wěn)定性對(duì)于提高液體的利用率起著至關(guān)重要的作用,因此兩種液體的控制需要非常精確。當(dāng)液體混合時(shí),藥物的用量微小,所以使用計(jì)量泵對(duì)藥劑進(jìn)行吸取,保證所需藥液的準(zhǔn)確性。通常通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器的頻率來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速,然后根據(jù)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)水流量。

2 果園自動(dòng)混藥系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

果園自動(dòng)攪拌系統(tǒng)主要由藥和水管道組成。其中,供水管路主要由變頻器、三相異步電動(dòng)機(jī)、調(diào)壓閥和三缸柱塞泵組成,供藥回路主要由電磁計(jì)量泵、比例溢流閥、單向閥所構(gòu)成,信息收集系統(tǒng)主要由流量、壓力傳感裝置所構(gòu)成,藥、水分別以一定比例流經(jīng)混藥器,經(jīng)過(guò)充分混合后,由噴頭噴出。

硬件設(shè)備名稱及性能如表1所示。

表1 設(shè)備名稱及性能

3 農(nóng)藥注入計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

針對(duì)作物施藥過(guò)程中遇到的噴霧壓力不穩(wěn)定及藥物混合物濃度不準(zhǔn)確的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了電磁計(jì)量泵和水泵組合的控制系統(tǒng),根據(jù)實(shí)際混合藥物需求來(lái)控制藥物流量和水流量。藥液注入系統(tǒng)主要由渦輪流量變送器、壓力變送器、止回閥、球閥、噴頭組成,如圖2所示。

圖2中,水和藥物是由單獨(dú)的液壓管路調(diào)節(jié)。水通過(guò)定量泵按比例經(jīng)由水箱吸取后,流經(jīng)三缸柱塞泵,水流壓力由安裝在旁路上的比例溢流閥進(jìn)行調(diào)節(jié);抽吸后,多余的水通過(guò)球閥返回水箱;藥液與電磁計(jì)量泵成比例地泵送,通過(guò)球閥、單向閥和減壓閥注入混合室,在混合室內(nèi)均勻混合,并將充分混合的藥液輸送到噴霧管路通過(guò)噴嘴噴射。該系統(tǒng)基本上可以滿足不同的噴霧要求,精確控制藥液注入,確保噴霧過(guò)程所需液體濃度的準(zhǔn)確性,提高了農(nóng)藥的使用效率,符合目前綠色、高效、低污染的噴霧標(biāo)準(zhǔn)。

1.混合室 2.隔膜泵 3.藥箱 4.電磁計(jì)量泵 5.單向閥 6.流量傳感器 7.流量傳感器 8.壓力傳感器 9.變速箱 10.傳動(dòng)裝置 11.扭矩傳感裝置 12.進(jìn)口壓力表 13.球閥 14.水箱 15.球閥 16.三缸柱塞泵 17.調(diào)壓閥 18.水箱 19.水箱 20.調(diào)壓開(kāi)關(guān) 21.噴頭

4 農(nóng)藥注入計(jì)量系統(tǒng)的試驗(yàn)分析

為了確保系統(tǒng)能夠滿足實(shí)際需要的藥物和水的稀釋比例,需要進(jìn)行相關(guān)的測(cè)試來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性。

1)對(duì)抽取藥液的電磁計(jì)量泵進(jìn)行測(cè)試,確保混藥系統(tǒng)可以提供精確的藥液濃度,按照噴霧作業(yè)要求精確抽取藥液。

2)測(cè)試系統(tǒng)在不同壓力、頻率下的藥、水流量,通過(guò)計(jì)算分析藥、水誤差確保混藥系統(tǒng)可以滿足單位面積所需藥液噴施量。

3)測(cè)試不同頻率、壓力下藥液流量對(duì)于藥、水稀釋比的影響。

4)測(cè)試不同壓力、頻率下噴頭實(shí)際噴霧量與理論量之間存在的誤差。

4.1 藥液計(jì)量裝置精確性試驗(yàn)

藥液流量的精確性在實(shí)際噴霧操作中對(duì)藥液濃度和噴霧效果起著關(guān)鍵作用,混合藥液濃度低于規(guī)定濃度,則防治蟲害和雜草無(wú)法達(dá)到預(yù)期目標(biāo),大于規(guī)定濃度會(huì)對(duì)植物本身及周邊水域生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的污染。

4.1.1 試驗(yàn)方案

在測(cè)試之前,需要計(jì)算不同工作頻率下的電磁計(jì)量泵的理論流量。在沒(méi)有負(fù)載壓力的工作環(huán)境中,電磁計(jì)量泵的頻率相應(yīng)地改變不同頻率,測(cè)試時(shí)間分為1min和2min,抽取相應(yīng)的藥液,將藥物收集在量杯中,用電子秤測(cè)量藥物溶液的質(zhì)量,同相應(yīng)頻率下的理論值進(jìn)行比較。

q=Q÷(120/f)

(1)

式中q—理論流量;

Q—額定流量;

f—操作頻率。

4.1.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 電磁計(jì)量泵精確性試驗(yàn)

由表2可以看出:計(jì)量泵頻率在160～120Hz范圍,最大相對(duì)誤差不超過(guò)3%。因此,裝置具有精確抽取藥液的性能。

4.2 不同作業(yè)參數(shù)下藥流量及誤差試驗(yàn)

噴霧系統(tǒng)在測(cè)試過(guò)程中提供精確的藥物和水濃度,在病蟲害的防治方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。因此,測(cè)試不同工作參數(shù)下藥液的流量和誤差是非常有必要的。

4.2.1 試驗(yàn)方案

在量杯中注入一定體積的水,設(shè)為q(用來(lái)代替藥液),并以60～120Hz頻率的電磁計(jì)量泵取出相應(yīng)比例的液體。測(cè)試壓力范圍為0.3～0.6MPa,測(cè)試時(shí)間為1min。通過(guò)電子秤可以計(jì)算出藥液在混藥過(guò)程中實(shí)際輸出量q,可得出液體流量與不同壓力和頻率之間的關(guān)系;通過(guò)電磁計(jì)量泵理論值的計(jì)算,還可求出實(shí)際噴霧作業(yè)時(shí)藥液誤差值。

4.2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

不同作業(yè)參數(shù)下藥液的相對(duì)誤差如圖3所示。由圖3可以看出:當(dāng)計(jì)量泵的工作頻率相同時(shí),隨著管路壓力的不斷增加,液體的進(jìn)樣量持續(xù)減少,導(dǎo)致液體的相對(duì)誤差繼續(xù)增大;當(dāng)噴霧的操作壓力相同時(shí),隨著計(jì)量泵的工作頻率不斷增加,藥液的相對(duì)誤差不斷降低,在計(jì)量泵頻率為60Hz、噴霧操作壓力為0.6MPa時(shí)出現(xiàn)最大誤差,液體的最大相對(duì)誤差為22%;在計(jì)量泵頻率為100/110Hz時(shí),出現(xiàn)藥液的最小相對(duì)誤差;當(dāng)計(jì)量泵的頻率在80～100Hz范圍內(nèi)時(shí),藥液誤差相對(duì)穩(wěn)定。因此,為確保噴霧系統(tǒng)在0.3～0.5MPa的工作壓力下提供準(zhǔn)確的液體流量,需要使用壓力溢流閥,增加計(jì)量泵的頻率以減少藥液的相對(duì)誤差。

圖3 不同作業(yè)參數(shù)下藥液的相對(duì)誤差

4.3 藥液計(jì)量裝置精確性試驗(yàn)

噴霧過(guò)程中,如果稀釋比例太小,混合液體的濃度將大于理論所需的液體濃度,會(huì)對(duì)作物本身造成不利影響;如果稀釋比例過(guò)大,混合液體溶液的濃度將小于理論所需的液體濃度,不能達(dá)到要求的控制效果。

4.3.1 試驗(yàn)方案

在量杯中注入一定體積的水,設(shè)為q(用來(lái)代替藥液),并以60～120Hz的頻率的電磁計(jì)量泵抽取相應(yīng)比例的液體。試驗(yàn)壓力范圍為0.3～0.6 MPa,測(cè)試時(shí)間為1min。通過(guò)電子秤計(jì)算出藥液在混藥過(guò)程中實(shí)際輸出量q,即可得知藥液流量與不同壓力、頻率之間的關(guān)系;通過(guò)與電磁計(jì)量泵理論值進(jìn)行計(jì)算,還可求出實(shí)際噴霧作業(yè)時(shí)藥液誤差值。

4.3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

不同作業(yè)參數(shù)下藥、水稀釋比如圖4所示。由圖4可以看出:隨著電磁計(jì)量泵的實(shí)際工作頻率由60Hz增加到120Hz,藥液的稀釋比率不斷下降,導(dǎo)致混合液體的濃度增加;保持相同的操作頻率條件下,隨著噴霧的操作壓力增加,藥液的混合比率不斷上升;當(dāng)操作壓力范圍為0.3～0.6MPa時(shí),藥液最小稀釋比為1.19%,最大稀釋比為4.16%。由此可知:此混藥系統(tǒng)可精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)藥水稀釋比低于1:100的混藥要求。在實(shí)際施藥過(guò)程中,可通過(guò)改變噴霧作業(yè)壓力或計(jì)量泵頻率,以確保混藥系統(tǒng)達(dá)到所需稀釋比要求。

圖4 不同作業(yè)參數(shù)下藥、水稀釋比

5 結(jié)論

為了確保系統(tǒng)可以滿足實(shí)際的混藥要求,對(duì)所設(shè)計(jì)的混藥系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn),主要分析了供液裝置的精確性。對(duì)計(jì)量泵器件本身精準(zhǔn)性進(jìn)行了試驗(yàn),確定其最大誤差為3%。對(duì)壓力與水泵流量之間關(guān)系進(jìn)行試驗(yàn),當(dāng)壓力在0.3～0.5MPa范圍內(nèi)時(shí),水泵流量隨壓力增加而增加。在實(shí)際噴霧過(guò)程中,系統(tǒng)可通過(guò)改變不同作業(yè)壓力來(lái)滿足不同噴霧作業(yè)要求。針對(duì)藥液流量對(duì)稀釋比的影響進(jìn)行試驗(yàn),當(dāng)計(jì)量泵頻率范圍在60～120 Hz、作業(yè)壓力為0.3～0.6MPa時(shí),藥水最小稀釋比為1.19%～4.16%。由此可知:在理論噴霧壓力0.3～0.5MPa范圍內(nèi),可精確滿足1:1～1:100范圍內(nèi)的稀釋倍數(shù)。在不同作業(yè)條件下,混藥系統(tǒng)流量總體誤差小于5%,可滿足實(shí)際噴霧要求。