CN103170420A - 使用旋转步进位置的喷雾器脉动式喷嘴流量控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种农用喷洒器喷头，该喷头适于与多个类似的、等间距隔开的喷头一起安装到喷杆。每个喷头包括主体，主体包括流量控制部件，该流量控制部件被安装成围绕轴线转动并且包括流体控制通道装置，该流体控制通道装置被定位为用于在流量控制部件由动力马达摆动或转动时在流体入口和从主体引出的出口之间实现间歇连接，从而实现通过所述控制通道装置的脉动式流动。动力马达以由包括车辆速度和田地和作物条件的多种输入参数控制的速度运转，从而保持所希望的喷洒施用量。

Description

使用旋转步进位置的喷雾器脉动式喷嘴流量控制装置

技术领域

本发明涉及农用喷雾器，并且更具体地，涉及自动地控制来自喷头的喷洒速度，用于补偿车辆地速的变化，以维持恒定的施用量。

背景技术

农用喷雾器使用喷嘴，喷嘴用于喷洒可以是肥料、农药、杀菌剂、杀虫剂的液体到农作物上。传统的喷嘴由具有控制到目标的流量、液滴大小和喷洒模式的几何形状的孔口构成。通过该孔口的流量主要是孔口面积和几何形状以及在孔处的流体压力(即，刚好在孔口之前的压力)的函数。由于孔口大小是固定的，即，孔口的几何形状不发生变化，用于影响通过喷嘴的流量的最常见的方式是通过改变压力。

为了允许可变车辆速度，改变在喷嘴处的流体压力以影响流量变化已经成为在喷雾器上的常识。系统与车辆速度成比例地改变流量，以保持施用量相同。

然而，使用传统的固定孔口喷嘴有一定的局限性。压力与流量的关系是平方函数。为了增加一倍的流量需要压力增加四倍因子。不幸地，改变压力还改变雾化动力，导致对喷洒质量造成影响。喷洒质量特性，即，液滴大小和喷洒角度，在压力增加时都变得更小。这些变化可能负面地影响喷洒沉积和喷洒漂移。所以，产生对具有均匀压力的变速喷嘴的需要。

在最近几年中，脉宽调制(PWM)已被用来控制喷嘴流速，同时保持恒定压力。想法是使用电磁线圈和电枢阀结构打开和关闭到喷嘴的流动。阀以快的脉动频率在打开(全压力)和关闭(无压力)位置之间循环。通过改变打开时间部分与关闭时间部分之比改变有效流量。所以，如果每分钟喷洒1加仑的喷嘴仅50％的时间打开，结果将是每分钟半加仑的有效流量。在这种布置中，打开时间的占空比与有效流量是线性关系。在车辆速度减小时，占空比降低以与所需流量相匹配，同时保持恒定的压力。美国专利No.5,134,961公开这种类型的喷嘴装置，其通过电磁阀的间歇操作调节喷嘴流量，电磁阀连接至喷洒喷嘴和直接地定位在喷洒喷嘴的上游。通过循环阀打开和闭合，以类似开/关闭的方式控制通过该喷嘴的流量。

然而，PWM技术具有一些固有的问题。作为在行进过程中调整流量至喷嘴“关闭”和“打开”的结果，导致行进方向的变化系数差(在一项研究中高达65％)。在本领域中已知的是使喷嘴以10Hz频率脉动，并且每个一个喷嘴交替相位180°以混合喷雾。建议更快的脉冲以帮助变化系数。但是，螺线管电枢的打开/关闭响应时间构成对更快脉冲的限制。因此，人们希望找到一种更快脉冲的方法，以改善变化系数。

使用脉冲螺线管操作式阀以控制到喷嘴的流量的另一个缺点是，电流消耗是相当高的，并且需要能够处理高的电流负载的喷雾器车辆。

发明内容

根据本发明，提供一种改进的喷头装置，并且更具体地，提供一种喷头装置，包括喷嘴，到该喷嘴的喷洒流体的供给可以在“打开”和“关闭”状态之间自动地快速切换或脉动。

本发明的一个目的是提供一种喷头装置，包括流量控制阀装置，该流量控制阀装置能够被控制为快速地改变通过喷嘴的流量，以便补偿喷雾器车辆速度、作物和/或现田地条件的变化，同时克服如上所述的与现有技术的流量控制阀装置有关的缺点。这个目的是通过提供具有主体的喷头装置实现的，其中切换阀装置的流量控制部件被安装为用于转动并且包括流动通道装置，该流动通道装置用于在设置在本体中的流体入口和流体出口之间间歇地输送流动，出口被连接为用于输送流体到由主体支承的喷嘴的情况下。

用于实现上述目的的喷头装置的优选实施例包括由盘限定的流量控制部件，所述盘被安装为用于在流体入口和通向喷洒喷嘴的流体出口之间转动，所述盘包括一个或多个控制开口，所述一个或多个控制开口与流体入口连续地流体连通，并且在所述盘由电动步进马达转动时移动成与流体出口对齐和错位，该步进马达被控制为以补偿喷雾器车辆速度变化的速率用脉动输送流动到所述流体出口，从而保持所需的喷洒施用量。

根据随后的描述连同所附的附图的阅读，本发明的上述和其它的目的将变得明显。

附图说明

图1是用于通过供给至固定速率喷嘴的喷洒流体的打开/关闭脉动而根据喷洒车辆速度改变喷嘴喷洒速度以维持恒定的施用量的控制系统的示意图。

图2是根据本发明的原理构成的脉动式喷头的透视图。

图3是穿过在图2中显示的喷头的垂直剖视图。

图4是显示在图3中的流量控制盘的顶视图。

具体实施方式

现在参照图1，显示在不同的喷雾器车辆地速处，用于维持到田地的农业喷洒的施用量大致恒定的示意性控制系统10。控制系统10包括多个喷头12(仅显示一个)，所述多个喷头将被以彼此均匀隔开的关系沿着喷杆(未显示)的长度安装。每个喷头12包括具有入口16的歧管主体14，入口16被连接为接收来自供给管18的喷洒流体，供给管18由喷杆支承并且连接到供给泵20的出口，供给泵20具有连接到喷洒流体的源的入口，喷洒流体被包括在喷洒流体箱22内，喷洒流体箱22由喷雾器车辆承载。管状喷嘴连接器24包括固定到与下面描述的出口开口流体连通的歧管主体14的下表面的上端。传统喷洒喷嘴26例如通过卡口连接件连接到喷嘴连接部24的下端，并且包括常规的喷嘴梢28，喷嘴梢28具有给定的流量用于给定的喷洒流体供给压力。可以理解，其他喷嘴布置可用于将喷嘴设置成与出口开口流体连通。

流量控制阀装置30位于主体14内并且包括圆形流量控制盘32，以在下面详细描述的方式将圆形流量控制盘32安装为用于转动，用于实现喷洒流体到喷洒喷嘴26的脉动式流动。

流量控制盘32通过动力马达的运转而被自动转动，该马达可以是电控的气动马达、液压马达或电动马达，电动的、可逆的步进马达34是优选的。马达34被安装到主体14的顶表面上的中心位置，并且具有输出轴36，输出轴36被以在下面更详细描述的方式连接流量控制盘32的中心位置。马达34如通过马达控制信号引线38被电连接，用于接收来自马达控制器40的电控制脉冲，如由输出信号引线44连接到马达控制器40的电控制器42命令的那样。电子控制器42可以是具有存储器的微处理器，例如，与位场、土壤类型、土壤养分、土壤水分含量、杂草、疾病和地面地形相关的地面测绘数据可以连同相应的喷洒流体施用量一起存储到该存储器中。为了支持这种测绘数据，GPS接收器46通过位置输入信号引线48连接到控制器42。同样存储在控制器42的存储器中的是使喷嘴梢28的施用量与喷洒车辆的地速相关的数据。为了支持这种数据，通过地速输入信号引线52连接喷洒车辆地速传感器50。所进行的喷洒和正在使用的相应喷嘴梢的类型可以由手动可操作的数据输入装置54键入到控制器42的存储器中，手动可操作的数据输入装置54通过数据输入引线56连接到控制器42。

现在参照图2和3，显示图1的喷头12，但是省略了喷嘴26和喷嘴梢28。喷头主体14包括圆柱形上部入口部58和圆柱形底板62，圆柱形上部入口部58和圆柱形底板62完全由以圆形图案布置的多个螺栓和螺母组件64夹紧在一起。代替螺栓和螺母组件64，上部58和下部62例如可以被设计为拧在一起或彼此互锁。步进马达34包括圆柱形体66，圆柱形体66具有接合到水平法兰装置68的下部区域，水平法兰装置68通过螺纹紧固件70固定在主体14的上部入口部58的顶表面上。

如可以在图3中最好地可见，主体14的入口部58的中心位置设置有台阶状圆筒形通孔72。步进马达34的输出轴36沿着孔72的中心轴线设置，并且通过联轴器74连接到流量控制盘32，联轴器74具有盲孔76，盲孔76从该联轴器的上端沿轴向延伸并且接收输出轴36，联轴器74通过键或以众所周知的方式具有花键连接(未显示)并由固定螺丝78轴向固定而被固定为与轴36一起转动。联轴器74的下端部80具有非圆形横截面，这里显示为正方形，但是可以是如具有平面的圆形，被容纳在定位在盘32的轴向中心处的互补形状开口82中。联轴器74还包括接合流量控制盘32的顶表面的环形法兰84。一个或多个圆环状垫片86定位在法兰84的顶侧上，并且占用由形成在入口部58的底部中的圆形凹部限定的环形流体腔90的顶表面88和主体14的底板62的顶部之间的任何空间，腔90与喷洒流体入口16流体连通并且在流量控制盘32的顶部上延伸。喷洒流体沿着环形平坦界面从腔90的泄漏由O形环密封件92防止，该环形平坦界面建立在底板62的外环形区域的平坦顶部和歧管主体14的入口部58的外环形区域的平坦底部之间，O形环密封件92定位在环形密封槽中，该环形密封槽在腔90之外被设置入口部58的下侧中。沿联轴器74和通孔72的表面之间的环形界面的流体泄漏可以通过低摩擦、环形轴密封件94防止，低摩擦、环形轴密封件94定位在由通孔72限定的环状密封容器96中。环状密封件固定板98接合轴密封件94的顶表面，并且被支撑由通孔72限定的环形台阶表面100上。固定板98由止动环102保持在合适的位置，止动环102被容纳在环形止动环槽中，该环形止动环槽设置在通孔72的周壁区域中。

现在还参考图4，可以看出，流量控制盘3包括多个相同的径向槽104(显示20个)，所述多个相同的径向槽104围绕盘32的转动中心布置成同心环并且通过连结板106彼此隔开相等角度值。如图3中所示，显示一个径向槽104与流体出口110对准，流体出口110以对中关系设置到管状喷嘴连接器24的上端。因此，在入口16和喷嘴26之间打开流动状态，喷嘴梢28被支承在连接器24的底部处，注意到，连结板106的尺寸形成为在一个连结板在出口110上对中时关闭流体出口110以避免接收喷洒流体。

在操作中，操作者将首先手动选择正确类型和尺寸的喷嘴梢28用于有效地执行喷洒应用。喷嘴梢40的尺寸将取决于施用量(加仑/英亩)(GPA)、地速(英里/小时)(MPH)、在喷嘴处的喷洒流体的压力(磅/英寸²)(PSI)、和每个喷嘴喷洒的计划的有效宽度(W，以英寸为单位)。所选择的喷洒产品的制造商通常会提供标明推荐的GPA的标签，并且来自这个GPA的，由喷嘴/梢制造商提供的表格可以被输入，用于选择正确的喷嘴梢，用于在MPH和喷嘴压力范围中在适当的最大地速处实现这个GPA。因此，将使用以恒定的喷洒流体压力运转的标准喷洒喷嘴梢进行喷洒操作，用于以建议的喷洒施用量施加喷洒。

一旦为每个喷头12选择喷嘴梢28，则操作者将使用输入装置54用适当数据加载控制器42的存储器，所述数据使所需的喷洒施用量与用于转动流动至喷嘴26“打开”和“关闭”所需的步进马达52的脉动频率相关联，用于补偿喷洒车辆速度与喷嘴梢28的额定速度的差。假设适当的喷嘴梢28被额定用于在40PSI的喷嘴压力(如果条件是大风则可能需要较小的喷洒流体压力，并且必须增加液滴尺寸)和14MPH的适当喷洒车辆地速以推荐的10.0CPA施加喷洒，则一旦喷洒操作开始，喷洒车辆地速传感器50将代表地速的地速信号提供给电控制器42。电控制器42将这个地速信号与14MPH的适当的最大地速进行比较，获得等于14MPH/测出速度的比率，并且该比率用于生成马达控制信号，该马达控制信号用于控制流量控制盘以便产生适当的喷洒速率降低，从而补偿较低的喷雾器行进速度。例如，假定马达34被设计成使流量控制盘前进9°距离，应理解，由于盘32具有由连结板106分开的20个槽104，步进马达34将响应于接收连续电脉冲而运转，以交替地打开和关闭到喷嘴梢28的流路。因此，如果所检测的速度是2MPH，则该比率将是7/1，并且步进马达的脉动频率将被建立为引起连续控制电流脉冲之间的时间形成为使得盘32在一时间周期内定位在供给喷洒流体到喷嘴梢28的打开位置，该时间周期是盘32定位在阻止来自喷嘴梢28的喷洒流体的关闭位置中的时间量的7倍。因此，在行进速度是14MPH的最大目标速度的1/7时，喷嘴28传送喷洒的时间量是没有传送喷洒的时间量的7倍。另外，注意的是，步进马达34的结构将被选择为使得它更容易被控制操作，从而以一速度切换到喷嘴28的流动，所述速率是使用PWM的上述螺线管控制的10赫兹速率的5倍，伴随的好处是沿行进方向的喷撒变化系数更好，这意味更均匀的喷洒沉积，导致来自喷洒应用的更有效的结果。还加载到存储器中的是希望用于如由田地地图提供的场地的不同区域的调整值。

虽然步进马达34被描述为仅在喷洒操作过程中在一个转动方向转动，但应当理解，在流量控制部件是仅包括一个开口的盘的情况下，每隔一定时间或者以其它组算法切换马达的转动方向，可以引起脉动式流动。

虽然已经描述了优选的实施方案，但将变得明显的是，在不脱离本发明的如在所附权利要求中限定的范围的情况下，可以作出各种修改。

Claims (7)

1.一种喷头，该喷头适于沿着农用喷雾器喷杆安装，所述喷杆具有多个类似喷头，所述喷头包括：

限定有空腔的喷头主体；

流量控制部件，该流量控制部件安装在所述空腔中，用于围绕固定轴线转动，并且包括流体通道装置；

所述喷头主体设置有流体入口和流体出口，并且所述流体通道装置相对于所述流体入口和所述流体出口定位，使得在所述流量控制部件的运动期间所述流体通道装置在所述流体入口和所述流体出口之间间歇地建立流动路径；

喷嘴，该喷嘴被连接为用于接收来自所述流体出口的流体流；和

步进马达，该步进马达被连接到所述流量控制部件，用于实现所述流量控制部件围绕所述固定轴线的运动，用于在所述流体入口和所述流体出口之间间歇地建立所述流动路径。

2.根据权利要求1所述的喷头，其中，所述流量控制部件是盘，并且所述流体通道装置包括延伸穿过所述盘的至少一个开口。

3.根据权利要求2所述的喷头，其中，所述流体通道装置包括在相等角度间隔开的位置处延伸穿过所述盘的多个相同的开口，相邻开口之间的间距由连结板填充，该连结板在没有所述相同的开口对准所述流体出口时阻止所有流体流动通过所述流体出口。

4.一种用于农用喷雾器的喷头，包括：

主体，该主体包括与流体腔连通的喷洒流体入口，该流体腔包括底板，该底板具有大致平坦顶表面并且包括流量控制出口；

喷嘴，该喷嘴被安装到所述底板，用于接收来自所述流量控制出口的流体；

圆形流量控制盘，该流量控制盘在所述流体腔中定位在所述平坦顶表面上，从而位于所述喷洒流体入口和所述流量控制出口之间；

所述流量控制盘被安装为用于围绕一轴线转动，该轴线与所述流量控制出口隔开的距离小于所述流量控制盘的外径；

所述流量控制盘包括多个相同的、等角度间隔开的流量控制开口，所述流量控制开口定位成在所述流量控制盘转动期间顺序地移动成与所述流量控制出口对齐和错位；和

电动步进马达，该电动步进马达具有输出轴，该输出轴被连接为用于选择性地实现所述流量控制盘的转动，以便以由控制电流脉冲被传送到所述电动步进马达的速率确定的脉动频率将流体供给至所述喷嘴。

5.一种农用喷雾器，包括：

至少一个喷头，所述至少一个喷头包括用于控制喷洒流体入口和喷洒流体出口之间的流量的阀装置，

所述阀装置包括圆形流量控制盘，该流量控制盘位于所述喷洒流体入口和所述喷洒流体出口之间并且包括至少一个开口，在所述流量控制盘围绕转动轴线转动时，所述至少一个开口在所述喷洒流体入口和所述喷洒流体出口之间交替地建立分别允许流体流动和阻止流动的打开状态和关闭状态；

喷洒喷嘴，该喷洒喷嘴与所述喷洒流体出口流体连通地连接，并且包括喷嘴梢，该喷嘴梢用于在接收具有恒定的给定压力的喷洒流体时并且在喷雾器以最大地速行进时以建议的施用量喷洒流体；

步进马达，该步进马达连接到所述流量控制盘，用于响应于接收脉冲控制电流实现所述流量控制盘的步进转动；和

用于所述步进马达的控制系统，该控制系统包括马达控制装置，该马达控制装置被连接为用于接收喷洒车辆地速信号，和用于自动地控制所述步进马达，用于引起所述流量控制盘以一速率在所述打开位置和所述关闭位置之间步进，所述速率对以低于所述最大地速的速度行进的所述喷洒车辆进行补偿，以便保持来自所述喷嘴梢的恒定的喷洒施用量。

6.根据权利要求5所述的农用喷雾器，其中，所述步进马达被设计成在单步中引起所述流量控制盘在所述关闭位置和所述打开位置之间交替地步进。

7.根据权利要求5所述的农用喷雾器，其中，所述流量控制盘包括围绕所述转动轴线彼此相等地隔开的多个流量控制开口，并且包括分别定位在相邻的所述流量控制开口之间的多个相同的连结板，每个连结板的尺寸形成为用于在所述流量控制盘处于所述关闭位置时阻止流体流动通过所述喷洒流体出口；并且所述步进马达被设计成用于步进等于360°/2(控制开口的数量)的距离。

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