喷雾机的喷雾系统设计

宋金山

摘 要：目前国内市场所售的用于草坪的喷雾机普遍存在喷雾控制精度低的缺陷。然而为了提高草坪的质量又无法避免在日常养护作业中使用农药，农药的过量使用，对环境造成的污染在不断破坏动物的生存环境及人类的身体健康。这就要求提高喷雾作业精度，以安全可靠的自动喷雾控制系统提高药物的利用率。因此，论述了一款喷雾机的高精度喷雾系统的设计。该喷雾系统采用隔膜泵作为动力源，隔膜泵通过水管与喷雾机尾部喷雾控制系统相联，喷雾控制系统所配置的压力传感器和行驶轮所配置的速度传感器为控制台反馈信号，从而实现高精度喷雾作业。主要对喷雾系统设计、喷雾系统原理及主要零部件选型进行了论述。

关键词：喷雾机;喷雾系统;高精度喷雾

中图分类号：S491        文献标识码：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.04.006

0 引言

作物和草坪等植物病虫害的防治离不开农药的使用，然而所喷洒的农药大部分都没有作用到防治靶标上，有效利用率相对较低，不仅造成经济方面的损失，还会造成环境污染，进而影响人畜健康。农药有效利用率的提高，是农药学科面临的重要且迫切的问题，新时期农药使用技术的主要研究内容也将针对其进行展开。农药有效利用率的提高，避免非有效的喷洒，就对施药机具和喷雾系统提出了更高的要求。根据国内外该类产品现状，开发一款喷雾机的喷雾系统解决喷雾精度低的问题，意义重大且迫在眉睫。

1 喷雾系统方案论证

喷雾系统是喷雾机功能实现的关键所在，通过控制系统内液体的压力和流量，达到所需要的喷洒效果。喷雾系统一般包含动力部分、控制部分和执行部分。

1.1 动力部分

动力部分主要元件是水泵，常用的有物理泵、离心泵和隔膜泵三种。

（1）物理泵。通常指的是三缸柱塞泵，通过三个柱塞进行往复运动来达到增压和输送目的的往复泵。

（2）离心泵。依靠叶轮的高速旋转来使流体获得较大的动能，并依靠流道出口的蜗壳断面变化使流体的动能转化为压力能。

（3）隔膜泵。借助薄膜将被输液体与活柱和泵缸隔开，从而保护活柱和泵缸。

通常情况下物理泵可达到的压力最高，隔膜泵次之，离心泵压力最低，而流量则刚好相反。在使用和维护保养方面，隔膜泵由于其自身的特点，使用时或使用过程中即使系统内没有工作液，对泵也不会造成损害，其维护也只需更换膜片，操作简单方便。而离心泵工作时系统内必须有工作液，否则旋转轴处密封圈会由于干磨而损坏，需要其时刻关注系统内或者药箱内工作液的使用情况。故本设计根据各种泵的性能及所要达到的技术指标，选择隔膜泵进行设计。

1.2 控制部分和执行部分

控制元件主要是指喷雾机常用的阀和控制台，执行元件则是指喷嘴，另外将相关的零部件也归到控制部分和执行部分中进行论述。

（1）控制台。控制台分为手动控制和全自动变量喷雾控制两种控制方式，其中手动控制即操作者根据需求手动调节打药系统工作压力，调定值相对固定不随工作速度变化进行调整，喷洒精度较低。而全自动变量喷雾控制系统可以自行匹配工作压力、行驶速度和喷嘴流量，以达到高喷洒精度。

（2）安全阀。保证系统安全，且其对系统的最高工作压力起到限定作用，保证整个系统的安全性，以及系统在特殊情况下的性能稳定。

（3）喷头体——喷嘴。实现药液的喷洒功能，根据不同的药液、喷洒情况，选择不同形式和流量的喷嘴。

（4）药液箱。储液容器，容积、外形和材质各有不同，常见药箱为聚乙烯材质，加液口药箱盖选择有通气功能的，以防吸空，且安装药箱处需密封，防止药液渗出，同时需有过滤网。

（5）过滤器。通常至少配有3级过滤，且至少有1级滤网的孔径不得大于喷孔的最小通过段。

（6）回水搅拌器。搅动药液的作用，尤其是粉剂作用明显，根据药罐的容积和所需的搅动流量，选择不同流量的回水搅拌器。

（7）药罐冲洗喷嘴。喷洒作业结束后，用于清洗药罐内部的喷嘴，根据药罐的容积和药罐外形结构，选择相应结构和流量的喷嘴。

2 喷雾系统设计

喷雾系统即实现喷洒作业的工作部件的组合，每个零部件根据自身的功能各自发挥其相应的作用。

2.1 喷雾系统原理

隔膜泵吸水口经过过滤器从药罐吸水，隔膜泵出水口经过三通接头分为两条支路：其一为选配件卷管器喷枪支路，该支路由球阀控制水路通断，并设计有安全阀保证压力稳定;另一支路为喷洒作业工作支路，通向喷杆，该支路同样利用球阀控制水路通断，并设计有安全阀保证该支路压力稳定且保护整个系统，安全阀回水同时安装了回水搅拌器，安全阀后联接电磁开关阀组，控制三段喷杆水路通断，其后联接三通球阀，将该支路再次分为两条支路，其一为冲洗药罐支路，另一支路联接电动调节阀，电动调节阀根据控制台信号可控制系统工作压力。控制部分中电磁开关阀组、电动调节阀、压力传感器及速度传感器均与控制台相联，信号传输给电动调压阀，利用增大或减小卸荷流量实现压力调节，从而控制喷嘴处的压力及流量，实现自动控制喷洒精度保证喷雾均匀性。喷雾系统原理如图所示。

2.2.1 搅动流量计算

流体：药箱容积（L）×0.05=总搅动流量（L·min-1）;

粉剂：药箱容积（L）×0.125=总搅动流量（L·min-1）;

已知：选取较大搅动流量的粉剂，药箱容积为500 L;

故：总搅动流量=500×0.125=62.5 L·min-1。

2.2.2 噴臂流量计算

喷臂流量（L·min-1）=化学药物喷洒量（L·m-2）×打药机速度（m·min-1）×喷幅（m）;

已知：化学药物的喷洒量一般为0.01～0.02 L·m-2，选取0.02 L·m-2;工作行驶速度100～125 m·min-1，选取行驶速度125 m·min-1、喷幅5 m;

故：喷臂流量=0.02×125×5=12.5 L·min-1。

2.2.3 额外流量

Hypro品牌推荐增加计算流量的20%应对多变因素。

总流量=1.2×（搅动流量+喷臂流量）;

故：总流量=1.2×（62.5+12.5）=90 L·min-1。

综上，选取Hypro品牌隔膜泵，型号为9910-D115，最高输出压力2 MPa，最大输出流量108.3 L·min-1。

2.3 控制和执行部分选型

2.3.1 控制台选型

全自动变量控制台在操控的难易程度及安装布置方面有较大差别，喷雾控制精度的提高主要依附于喷雾系统的设计。控制台选取Teejet品牌的844E控制台，型号90-02251。

2.3.2 喷嘴选型

喷嘴选取Teejet品牌XR延长范围扇形喷嘴系列，具有良好的喷雾分布性能，用于自动控制喷雾系统，效果更加理想。

2.3.3 其它元件选型

压力传感器选取Teejet品牌，型号16-05015;

速度传感器选取Teejet品牌，型号16-40004;

安全阀选取Teejet品牌，型号8460-3/4'';

电磁开关阀组选取Teejet品牌，型号433EC-2F75-D;

电动调节阀选取Teejet品牌，型号344BRL-2F-03CCS;

回水搅拌器选取Hypro品牌，型号3371-0028;

过滤器选取Teejet品牌，型号AA126ML-F75-50;

容器清洗喷嘴选取Teejet品牌，型号VSM-1/2-90。

选取隔膜泵9910-D115作为动力源，844E控制台及相关零部件实现全自动变量喷雾，提高喷洒精度，从而提高药物利用率。

3 结论

本论文设计了一款喷雾机的喷雾系统，采用全自动变量喷雾控制系统，使得喷雾作业量根据车速变化自动进行调节，实现单位喷雾作业量的均匀性。该款喷雾机在一定程度上弥补了目前自走喷杆式喷雾机普遍存在喷雾控制精度低的缺陷，提高藥物利用率，减少了药物对环境造成的污染。

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