CN104161031A - 一种具有高混药比的射流混药器设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有高混药比的射流混药器设计方法，具体为：将喷雾系统设计参数、射流混药器最优设计参数和射流混药器几何尺寸参数之间用新的关系式联系起来，通过喷雾系统设计参数来确定射流混药器的最优设计参数值，并给出射流混药器的主要几何尺寸参数喷嘴出口直径D₁、喷嘴半锥角β、混药管直径D₂、首级扩散管直径D₃、次级扩散管直径D₄、次级扩散管长度L₁、首级扩散管长度L₂和混药管长度L₃的设计公式。本发明设计的射流混药器具有混药比大、效率高和喷药量大的特点，可实现良好的植保施药喷雾品质，可应用于大型喷雾车等植保机械的在线混药喷雾系统。

Description

一种具有高混药比的射流混药器设计方法

技术领域

本发明专利涉及一种具有高混药比的射流混药器设计方法，具体的说，涉及一种适用于大型喷雾车、担架式喷雾机和喷杆喷雾机等植保机械用在线混药喷雾系统的射流混药器设计方法。

背景技术

混药技术是影响植保机械施药品质的重要因素，在传统的植保机械中，包括背负式喷雾机、手动压缩式喷雾机和背负式机动喷雾机等均采用预混药方式，即在施药前采用人工方法将药液和清水进行混合，并倒入药箱之中。这种预混药方式对于作业人员、施药设备和环境均有较大危害，并容易产生农药残留等问题，此外，受到人工操作的影响，清水和药液配比不稳定，病虫害的防治效果也会受到一定的影响。为了提高混药技术的安全、环保、精确和可靠性，并获得良好稳定的病虫害防治效果，现代植保机械开始采用在线混药喷雾系统进行施药，该系统采用在线混药技术将药箱和水箱进行分离，并通过射流混药器将清水和药液进行高效、稳定的混合，该系统具有随时混药随时施药的特点。以射流混药器为核心混药设备的在线混药喷雾系统避免了作业人员与农药的直接接触，不易产生农药残留，同时可实现稳定的混药比，提高了植保施药的安全和可靠性。

目前，射流混药器主要是依据以往的经验进行设计，该方法未考虑到喷雾系统设计参数、混药比、清水和药液的密度等因素对射流混药器几何尺寸参数的影响，由此设计出来的射流混药器的混药比偏小，装置效率偏低，药液混合均匀度也较差，从而导致喷雾品质和病虫害防治效果较差，无法满足在线混药喷雾系统的要求。在现有的专利技术中，专利号为ZL201010132393.3的专利“一种自动混药装置”提出了一种具有螺旋结构的混药装置，主要是在扩散管后端设计了螺旋部分，有助于清水和药液的混合，并针对该装置的结构和材料提出了一些新的设计方法。专利号为ZL200820047346.7的专利“一种变量喷雾自动混药装置”和专利号为ZL201320285621.X的专利“一种自动混药的变量喷雾装置”针对混药和喷雾装置提出了一些新的设计方案，主要是关于水箱、药箱、管道、泵、射流混药器和喷头等设备的配置提供了一些新的设计方案。但现有的专利技术还存在以下两个问题：1.关于喷雾系统设计参数和射流混药器最优设计参数之间的关系，还没有提供确切的设计方法；2.关于射流混药器的喷嘴出口直径D₁和混药管直径D₂等主要几何尺寸没有提出具体的设计方法。

本发明提出一种具有高混药比的射流混药器设计方法，并将喷雾系统设计参数、射流混药器最优设计参数和射流混药器几何尺寸参数之间用新的关系式联系起来，通过喷雾系统设计参数来确定射流混药器的最优设计参数值，同时给出射流混药器的主要几何尺寸参数的具体设计公式。本发明设计的射流混药器具有混药比大、效率高和喷药量大的特点，其中较高的混药比参数可有效提高喷雾系统的药液混合浓度，尤其适用于采用大型低喷量喷雾系统的现代植保机械。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有高混药比的射流混药器设计方法，以提高射流混药器的混药比和效率，使其能适用于大型的低喷量喷雾系统。

为了解决以上技术问题，本发明将喷雾系统设计参数、射流混药器最优设计参数和射流混药器几何尺寸参数之间用新的关系式联系起来，通过喷雾系统设计参数来确定射流混药器的最优设计参数值，并给出射流混药器的主要几何尺寸参数的具体设计公式，具体技术方案如下：

一种具有高混药比的射流混药器设计方法，其特征在于：通过喷雾系统设计参数来确定射流混药器的最优设计参数值，并给出射流混药器的主要几何尺寸参数的设计公式；

喷雾系统设计参数、射流混药器最优设计参数和射流混药器几何尺寸参数之间适合以下关系：

$h=\frac{p_2-p_a}{p_1-p_a+k_1{\mathrm{\ρ}}_1{v}_1^2}=\frac{0.64-0.37\mathrm{In}\left(m\right)}{1.82m-0.95}(m^{1.36}-q)$

$q=\frac{q_2}{q_1}={0.32m}^2-0.81m+1.12$

$\mathrm{\η}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_2{q}_3(p_2-p_a+k_2{\mathrm{\ρ}}_2{v}_2^2)}{{\mathrm{\ρ}}_1{q}_1(p_1+k_1{\mathrm{\ρ}}_1{v}_1^2-p_2-k_2{\mathrm{\ρ}}_2{v}_2^2)}$

约束条件：

h≤h_max＝0.45-0.22In(q)

0.6≤q≤2.2

射流混药器的主要几何尺寸参数中，喷嘴出口直径D₁、喷嘴半锥角β、混药管直径D₂、首级扩散管直径D₃、次级扩散管直径D₄、次级扩散管长度L₁、首级扩散管长度L₂和混药管长度L₃的设计公式如下：

$D_1=1.66\sqrt{\frac{q_1\sqrt{\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_1+q{\mathrm{\ρ}}_2}{1+q}\right)}}{\sqrt{(p_1+k_1{\mathrm{\ρ}}_1{v}_1^2-p_a)}}}$

β＝4度～6度

D₂＝mD₁

D₃＝k₃D₂

D₄＝k₄D₂

L₁＝k₅(k₄-k₃)D₂

L₂＝k₅(k₃-1)D₂

L₃＝(7.98-0.3m)D₂

式中:

式中：

h是射流混药器的压力比；m是射流混药器的直径比，

D₁是喷嘴出口直径，单位是米；D₂是混药管直径，单位是米；

p₁是喷嘴进口的清水压力，单位是帕斯卡；

p₂是喷雾系统的喷洒压力，单位是帕斯卡；

p_a是外部大气压力，单位是帕斯卡；

ρ₁是清水密度，单位是千克/立方米；ρ₂是药液密度，单位是千克/立方米；

v₁是喷嘴进口流速，单位是米/秒；v₂是混药管出口流速，单位是米/秒；

k₁是修正系数，k₁＝0.53～0.55；k₂是修正系数，k₂＝0.41～0.43；

q是喷雾系统的混药比；q₁是清水流量，单位是升/分钟；

q₂是药液流量，单位是升/分钟；η是射流混药器装置效率，单位是％；

h_max是射流混药器的最大压力比值。

β是喷嘴半锥角，单位是度；

D₃是首级扩散管直径，单位是米；k₃是修正系数，k₃＝1.2～1.5；

D₄是次级扩散管直径，单位是米；k₄是修正系数，k₄＝1.6～1.8；

L₁是次级扩散管长度，单位是米；k₅是修正系数，k₅＝8.3～9.5；

L₂是首级扩散管长度，单位是米；L₃是混药管长度，单位是米。

上述等式关系将喷雾系统设计参数、射流混药器最优设计参数和射流混药器几何尺寸参数之间联系起来，可通过喷雾系统设计参数直接确定与其相适应的射流混药器的最优设计参数值，并采用上述设计公式可计算获得射流混药器主要几何尺寸参数的数值。此外，射流混药器的压力比和混药比参数还应满足约束条件的要求。在满足上述等式关系的条件下，除了上述设计公式确定的几何尺寸参数以外，射流混药器的其他几何尺寸参数建议参考液体射流泵设计理论进行设计。

射流混药器的材料一般选用普通碳钢或常用不锈钢材料，喷嘴还可考虑采用铜合金或陶瓷材料，以增加射流混药器的耐磨性和使用寿命。在不影响制造工艺的条件下，应适当降低喷嘴半锥角β的数值，增大喷嘴部件的厚度，从而有利于提高射流混药器的效率。

本发明具有益效果。本发明将喷雾系统设计参数、射流混药器最优设计参数和射流混药器几何尺寸参数之间联系起来，通过喷雾系统设计参数直接确定与其相适应的射流混药器的最优设计参数值，从而提高了射流混药器在实际应用中的混药比和效率。

附图说明

图1是本发明一个实施例的射流混药器轴面图；

图2是同一个实施例的喷嘴部件轴面图；

图3是同一个实施例的混药器主体部件轴面图。

图中：1.喷嘴，2.混药器主体部件，3.药液进口，4.吸入室，5.混药管，6.首级扩散管，7.次级扩散管，8.喷嘴出口直径D₁，9.喷嘴半锥角β，10.混药管直径D₂，11.首级扩散管直径D₃，12.次级扩散管直径D₄，13.次级扩散管长度L₁，14.首级扩散管长度L₂，15.混药管长度L₃。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案做进一步详细说明。

图1、图2和图3共同确定了本发明的具有高混药比的射流混药器的几何形状和尺寸参数。这是一种药液进口3垂直吸入的射流混药器结构，喷嘴1、混药管5、首级扩散管6和次级扩散管7水平同轴布置，喷嘴1采用锥形渐缩管型式，混药管5采用圆柱形直管结构，首级扩散管6和次级扩散管7均为锥形渐扩管型式。该射流混药器内部流道变化较为平缓，结构紧凑，沿程水力损失和局部水力损失较小，在降低喷嘴磨损的同时，可提高装置的效率。

实施例一

本实施例的设计参数为：清水流量q₁＝15升/分钟，药液流量q₂＝18升/分钟，喷雾系统的喷洒压力p₂＝300000帕斯卡，外部大气压力p_a＝101325帕斯卡，清水密度ρ₁＝1050千克/立方米，药液密度ρ₂＝940千克/立方米，喷嘴进口流速v₁＝2.4米/秒。本实施例射流混药器基于本发明的设计过程如下：

它将喷雾系统设计参数、射流混药器最优设计参数和射流混药器几何尺寸参数之间用新的关系式联系起来，通过喷雾系统设计参数来确定射流混药器的最优设计参数值，并给出射流混药器的主要几何尺寸参数喷嘴出口直径D₁、喷嘴半锥角β、混药管直径D₂、首级扩散管直径D₃、次级扩散管直径D₄、次级扩散管长度L₁、首级扩散管长度L₂和混药管长度L₃的设计公式。具体为以下过程。

一，通过喷雾系统设计参数值来确定射流混药器的最优设计参数值，根据前述公式： $q=\frac{q_2}{q_1}={0.32m}^2-0.81m+1.12,$ 代入数值得到射流混药器直径比m＝2.62。由公式： $h=\frac{p_2-p_a}{p_1-p_a+k_1{\mathrm{\ρ}}_1{v}_1^2}=\frac{0.64-0.37\mathrm{In}\left(m\right)}{1.82m-0.95}(m^{1.36}-q),$ 代入直径比m等数值，可获得射流混药器的压力比h＝0.19。

二，将上述计算结果代入约束公式h≤h_max＝0.45-0.22In(q)和0.6≤q≤2.2，可知上述压力比h和混药比q的数值均符合约束公式的要求。

三，再次根据公式 $h=\frac{p_2-p_a}{p_1-p_a+k_1{\mathrm{\ρ}}_1{v}_1^2}=\frac{0.64-0.37\mathrm{In}\left(m\right)}{1.82m-0.95}(m^{1.36}-q),$ 代入数值得到喷嘴进口的清水压力p₁＝1143777帕斯卡，其中修正系数k₁＝0.53。

四，清水在喷嘴出口处形成的高速射流是实现射流混药的关键，因此喷嘴出口直径D₁是射流混药器的关键尺寸，根据公式 $D_1=1.66\sqrt{\frac{q_1\sqrt{\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_1+q{\mathrm{\ρ}}_2}{1+q}\right)}}{\sqrt{(p_1+k_1{\mathrm{\ρ}}_1{v}_1^2-p_a)}}}$ 代入数值可得到本实施例的喷嘴出口直径D₁＝0.005米，其中修正系数k₁＝0.53。

五，本实施例的喷嘴半锥角β、混药管直径D₂、首级扩散管直径D₃、次级扩散管直径D₄、次级扩散管长度L₁、首级扩散管长度L₂和混药管长度L₃的设计方法如下：

喷嘴半锥角β＝4°；根据公式D₂＝mD₁，计算获得实施例的混药管直径D₂＝0.013米；根据公式D₃＝k₃D₂，计算获得实施例的首级扩散管直径D₃＝0.016米，其中修正系数k₃＝1.2；根据公式D₄＝k₄D₂，计算获得实施例的次级扩散管直径D₄＝0.021米，其中修正系数k₄＝1.6；根据公式L₁＝k₅(k₄-k₃)D₂，计算获得实施例的次级扩散管长度L₁＝0.044，其中修正系数k₅＝8.5；根据公式L₂＝k₅(k₃-1)D₂，计算获得实施例的首级扩散管长度L₂＝0.022米；根据公式L₃＝(7.98-0.3m)D₂，计算获得实施例的混药管长度L₃＝0.094米。

六，装置效率是衡量射流混药器性能的重要参数，在计算获得本实施例的最优设计参数和主要几何尺寸参数后，可通过公式 $\mathrm{\η}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_2{q}_3(p_2-p_a+k_2{\mathrm{\ρ}}_2{v}_2^2)}{{\mathrm{\ρ}}_1{q}_1(p_1+k_1{\mathrm{\ρ}}_1{v}_1^2-p_2-k_2{\mathrm{\ρ}}_2{v}_2^2)}$ 确定该实施例的装置效率值，代入上述数值获得本实施例的装置效率η＝26％，其中修正系数k₂＝0.41，混药管出口流速米/秒。

七，射流混药器的喷嘴1、混药管5、首级扩散管6和次级扩散管7为水平同轴设计，药液进口3的中心线与水平轴向相垂直。在确定了射流混药器的主要几何尺寸参数基础上，喷嘴和混药器主体部件的厚度设计应满足制造工艺的要求，在不影响制造工艺的条件下，应适当增大喷嘴和混药器主体部件的厚度。按照上述设计结果，绘制实施例的射流混药器轴面图、喷嘴部件轴面图和混药器主体部件轴面图分别如图1、图2和图3所示。

Claims (2)

1.一种具有高混药比的射流混药器设计方法，其特征在于：通过喷雾系统设计参数来确定射流混药器的最优设计参数值，并给出射流混药器的主要几何尺寸参数的设计公式；

喷雾系统设计参数、射流混药器最优设计参数和射流混药器几何尺寸参数之间适合以下关系：

$h=\frac{p_2-p_a}{p_1-p_a+k_1{\mathrm{\ρ}}_1{v}_1^2}=\frac{0.64-0.37\mathrm{In}\left(m\right)}{1.82m-0.95}(m^{1.36}-q)$

$q=\frac{q_2}{q_1}={0.32m}^2-0.81m+1.12$

$\mathrm{\η}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_2{q}_3(p_2-p_a+k_2{\mathrm{\ρ}}_2{v}_2^2)}{{\mathrm{\ρ}}_1{q}_1(p_1+k_1{\mathrm{\ρ}}_1{v}_1^2-p_2-k_2{\mathrm{\ρ}}_2{v}_2^2)}$

约束条件：

h≤h_max＝0.45-0.22In(q)

0.6≤q≤2.2

式中：

h是射流混药器的压力比；m是射流混药器的直径比，

D₁是喷嘴出口直径，单位是米；D₂是混药管直径，单位是米；

p₁是喷嘴进口的清水压力，单位是帕斯卡；

p₂是喷雾系统的喷洒压力，单位是帕斯卡；

p_a是外部大气压力，单位是帕斯卡；

ρ₁是清水密度，单位是千克/立方米；ρ₂是药液密度，单位是千克/立方米；

v₁是喷嘴进口流速，单位是米/秒；v₂是混药管出口流速，单位是米/秒；

k₁是修正系数，k₁＝0.53～0.55；k₂是修正系数，k₂＝0.41～0.43；

q是喷雾系统的混药比；q₁是清水流量，单位是升/分钟；

q₂是药液流量，单位是升/分钟；η是射流混药器装置效率，单位是％；

h_max是射流混药器的最大压力比值。

2.根据权利要求1所述的一种具有高混药比的射流混药器设计方法，其特征在于：射流混药器的主要几何尺寸参数中，喷嘴出口直径D₁、喷嘴半锥角β、混药管直径D₂、首级扩散管直径D₃、次级扩散管直径D₄、次级扩散管长度L₁、首级扩散管长度L₂和混药管长度L₃的设计公式如下：

$D_1=1.66\sqrt{\frac{q_1\sqrt{\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_1+q{\mathrm{\ρ}}_2}{1+q}\right)}}{\sqrt{(p_1+k_1{\mathrm{\ρ}}_1{v}_1^2-p_a)}}}$

β＝4度～6度

D₂＝mD₁

D₃＝k₃D₂

D₄＝k₄D₂

L₁＝k₅(k₄-k₃)D₂

L₂＝k₅(k₃-1)D₂

L₃＝(7.98-0.3m)D₂

式中

D₁是喷嘴出口直径，单位是米；q₁是清水流量，单位是升/分钟；

D₂是混药管直径，单位是米；

q是喷雾系统的混药比；p₁是喷嘴进口的清水压力，单位是帕斯卡；

p_a是外部大气压力，单位是帕斯卡；

ρ₁是清水密度，单位是千克/立方米；ρ₂是药液密度，单位是千克/立方米；

k₁是修正系数，k₁＝0.53～0.55；v₁是喷嘴进口流速，单位是米/秒；

β是喷嘴半锥角，单位是度；D₂是混药管直径，单位是米；

m是射流混药器的直径比，

D₃是首级扩散管直径，单位是米；k₃是修正系数，k₃＝1.2～1.5；

D₄是次级扩散管直径，单位是米；k₄是修正系数，k₄＝1.6～1.8；

L₁是次级扩散管长度，单位是米；k₅是修正系数，k₅＝8.3～9.5；

L₂是首级扩散管长度，单位是米；L₃是混药管长度，单位是米。