CN112705369B - 一种自动调节吸气速度的扇形气吸喷头 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种自动调节吸气速度的扇形气吸喷头，包括喷头体和液体通道，喷头体内设有与喷孔连通的液体通道，还包括压力槽和进气通道；所述液体通道入口段与压力槽连通，所述进气通道贯穿压力槽后与液体通道连通；所述压力槽内通过弹性阻尼装置安装进气孔板，通过液体通道入口压力的变化使进气孔板在压力槽与进气通道相交处移动；所述进气孔板上设有若干大小相同或相异的通孔，通过进气孔板在压力槽内移动，用于改变液体通道内的进气量。本发明能够根据流入喷头内的液体压力变化而自动调整进气速度，使吸入的气体更加充分地与液体通道进气处直柱段内的液体相撞击，从而使空气与压力液体更好的混合。

Description

一种自动调节吸气速度的扇形气吸喷头
技术领域
本发明涉及植保机械雾化喷雾领域，特别涉及一种自动调节吸气速度的扇形气吸喷头。
背景技术
喷雾飘移是影响喷雾作业质量和造成农药危害的重要因素，气吸喷头是一种有效的防飘移技术。基于文氏效应，气吸喷头自动吸入空气与药液混合，形成气液混合流，由其雾化形成的雾滴具有较大粒径，不易飘移。根据开尔文-赫姆霍兹不稳定规律，在有剪切力速度的流体内部或有速度差的两个不同流体的界面之间发生不稳定的现象，气液速度差越大，两者混合越充分。但现有气吸式喷头进气通道结构固定，进气速度无法调节，当喷雾压力变化时，进气速度会发生变化，不能保证合适的进气速度。同时，现有气吸喷头进气通道中心线与液体通道中心线夹角为90°，空气与液体撞击时混合效率有限，不能保证药液和空气充分混合，从而影响雾化效果。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种自动调节吸气速度的扇形气吸喷头，能够根据流入喷头内的液体压力变化而自动调整进气速度，使吸入的气体更加充分地与液体通道进气处直柱段内的液体相撞击，从而使空气与压力液体更好的混合。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种自动调节吸气速度的扇形气吸喷头，包括喷头体和液体通道，喷头体内设有与喷孔连通的液体通道，还包括压力槽和进气通道；所述液体通道入口段与压力槽连通，所述进气通道贯穿压力槽后与液体通道连通；所述压力槽内通过弹性阻尼装置安装进气孔板，通过液体通道入口压力的变化使进气孔板在压力槽与进气通道相交处移动；所述进气孔板上设有若干大小相同或相异的通孔，通过进气孔板在压力槽内移动，用于改变液体通道内的进气量。
进一步，所述进气孔板上设有若干大小相同的通孔；在进气孔板上，所述通孔自上而下由密集到逐渐稀疏布置；所述通孔轴向面积为进气通道轴向截面积的1/20～1/5。
进一步，所述进气通道中心线与液体通道中心线夹角α为钝角，夹角α为90°～145°。
进一步，所述进气孔板与压力槽之间设有密封件。
进一步，所述喷头体上分别对称设有至少2个压力槽和2个进气通道。
进一步，所述液体通道沿高压液体流过方向依次设有进液端直柱段、渐缩段、进气处直柱段、渐扩段和出液端直柱段；所述进液端直柱段与压力槽连通，所述进气处直柱段与进气通道连通。
进一步，所述渐缩段的进口直径和出口直径比例为2∶1，所述渐缩段横截面圆锥角度为25°～45°。
进一步，所述渐扩段的进口直径和出口直径比例为1∶2，所述渐扩段横截面圆锥角度为30°～60°。
所述进气孔板与进气通道交汇处通孔数量n的公式为：
Figure BDA0002849272190000021
其中：
Qs为进气量，单位为m3/s；
S0为通孔的面积，单位为m2；
m为进气通道的个数；
vs为进气速度，单位为m/s；
A1为进气通道垂直中心线的横截面的面积；
A2为进气处直柱段横截面的面积。
本发明的有益效果在于：
1.本发明所述的自动调节吸气速度的扇形气吸喷头，能够根据流入喷头内的液体压力变化而自动调整进气速度，使吸入的气体更加充分地与液体通道进气处直柱段内的液体相撞击，从而使空气与压力液体更好的混合。
2.本发明所述的自动调节吸气速度的扇形气吸喷头，给出了进气孔板与进气通道交汇处通孔数量n的公式，可以更好的实现气液混合。
附图说明
图1为本发明所述的自动调节吸气速度的扇形气吸喷头结构示意图。
图2为本发明中实施例中进气孔板的结构示意图。
图中：
1-喷头体；2-压力槽；3-进气孔板；4-进气通道；5-弹簧；6-弹簧座；7-喷孔；8-出液端直柱段；9-渐扩段；10-进气处直柱段；11-渐缩段；12-进液端直柱段。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本发明所述的自动调节吸气速度的扇形气吸喷头，包括喷头体1、液体通道、压力槽2和进气通道4，喷头体1内设有与喷孔7连通的液体通道，所述液体通道沿高压液体流过方向依次设有进液端直柱段12、渐缩段11、进气处直柱段10、渐扩段9和出液端直柱段8；所述进液端直柱段12与压力槽2连通，所述进气处直柱段10与进气通道4连通。渐缩段11出口处的直径、进气处直柱段10的直径、渐扩段9入口处的直径三者相等；所述渐缩段11的进口直径和出口直径比例为2∶1，所述渐缩段11横截面圆锥角度为25°～45°。所述渐扩段9的进口直径和出口直径比例为1∶2，所述渐扩段9横截面圆锥角度为30°～60°。所述进气通道4贯穿压力槽2后与液体通道连通；所述压力槽2内通过弹性阻尼装置安装进气孔板3，通过液体通道入口压力的变化使进气孔板3在压力槽2与进气通道4相交处移动；所述进气孔板3上设有若干大小相同或相异的通孔，通过进气孔板3在压力槽2内移动，用于改变液体通道内的进气量。
图1为本发明实施例1，所述进气孔板3上设有若干大小相同的通孔。在进气孔板3上，所述通孔自上而下由密集到逐渐稀疏布置；进气孔板3可在压力槽2内沿液体流过的方向上下活动；根据压力槽2的尺寸大小选择弹簧5，将弹簧5安装在弹簧座6上；将弹簧5和弹簧座6安装在喷头体1上，弹簧座6和喷头体1通过卡扣卡接固定；通孔轴向面积为进气通道4轴向截面积的1/20～1/5，所述进气孔板外3形为长方体，进气孔板3与压力槽2紧密配合，液体不会从压力槽2进入进气通道4或进气孔板3的通孔；将喷头体1安装在喷雾机的喷杆上，开启液泵。泵入喷头的液体带有一定的压力，压力液体流过液体通道，最终从喷孔7喷出。压力液体先进入喷头内的进液端直柱段12，部分液体从进液端直柱段12进入压力槽2，压力液体在压力槽2内挤压进气孔板3，进气孔板3进而给弹簧5施加压力，最终进气孔板3在液体的压力和弹簧5弹力的平衡下，位于一个平衡位置，此位置为平衡状态下的进气位置。
空气在进气孔板3的平衡位置下通过进气通道4，与进气处直柱段10内的压力液体相撞击，其中空气流与液体流撞击方向的角度为钝角α，夹角α为90°～145°，使喷头内的液体和空气能更好的撞击混合；进气通道4与进气孔板3上的通孔相匹配，保证进气速度基本不变。气液混合流进入渐扩段9，空气与液体进一步混合，进而到达出液端直柱段8由喷孔7喷出，形成喷雾，破碎成雾滴。
当喷雾压力发生变化时，如当喷雾压力增加，液体压力会推动进气孔板3向下移动，最终进气孔板3在液体的压力和弹簧5弹力的平衡下，位于一个新的平衡位置，此时，进气通道4对应进气孔板3上部位置，也即通孔数量较多位置，相应的，进气量增加，进气面积增加，进气速度基本不变。而当喷雾压力减小时，弹簧5会推动进气孔板3向上移动，当达到平衡位置时，进气通道4对应进气孔板3较下部位置，也即通孔数量较少位置，相应的，进气量减小，进气面积减小，进气速度基本不变。总之，进气孔板3的位置可随喷雾压力变化而变化，进而调节进气速度，即调节喷头的吸气速度，保证药液和空气充分混合。
所述平衡位置对应进气通道4相匹配的进气孔板3上通孔个数的计算：
当进入喷头的液体工作压力p1和单只喷嘴的流量Q给出时，
根据流量公式
Q＝S·v ①
可求出渐缩段11入口处的液体流速v1和渐缩段11出口处的液体流速v2：
Figure BDA0002849272190000041
Figure BDA0002849272190000042
式中，Q为喷头的流量，单位为m3/s；S1为渐缩段11入口处的截面积，单位为m2；S2为渐缩段11出口处的截面积，单位为m2；v1为渐缩段11入口处的液体流速，单位为m/s；v2为渐缩段11出口处的液体流速，单位为m/s。
再根据伯努利方程：
Figure BDA0002849272190000051
可求出渐缩段11出口处的压力
Figure BDA0002849272190000052
式中，p1为渐缩段11入口处的液体压力，单位为Pa；p2为渐缩段11出口处的液体压力单位为Pa；ρ为水的密度，单位为kg/m3；g为重力加速度；
根据文丘里管射流器的吸气量方程：
Figure BDA0002849272190000053
计算出进气量Qs，其中Δp＝p1-p2，
Figure BDA0002849272190000054
式中，Qs为进气量，单位为m3/s；μ为流量系数；α与温度有关，γ为大气温度的直降率，对于双原子气体取1.4；R为水的流量比重，单位为g/cm3；ΔP为压力差，设与p1相等，单位为100kPa；A＝A2-mA1，A2为进气处直柱段10横截面的面积，A1为进气通道4垂直中心线的横截面的面积；m为进气通道4的个数。Δp为渐缩段11入口处与渐缩段11出口处的压力差，单位为Pa；
再根据吸气速度方程计算出进气速度：
Figure BDA0002849272190000055
式中，vs为进气速度，单位为m/s；
根据公式①，计算出实际所需要的进气面积
Figure BDA0002849272190000056
式中，S3为实际所需要的进气面积，单位为m2；
最后根据进气孔板3上通孔的面积S0以及实际所需要的进气面积S3计算出实际所需要的通孔个数，则单个进气孔板3需要提供的通孔个数为
Figure BDA0002849272190000061
单个进气孔板3需要提供的通孔个数即单个进气孔板3与进气通道4相匹配的通孔个数为
Figure BDA0002849272190000062
所述通孔自上而下由密集到逐渐稀疏布置，具体进气孔板3上通孔位置分布的确定如下：
进气孔板3上通孔的位置分布特征受不同弹性系数的弹簧5影响。
其中液体压力公式得：
Fc＝pSc
式中：p为流入喷头体1的液体压力，Sc为压力槽2内液体与进气孔板3接触面的面积，FC为液体在面积Sc上所受的法向作用力；
其中弹簧5弹力根据胡克定律计算，得弹簧5变形量
Figure BDA0002849272190000063
式中：F为弹簧5弹力，k为弹簧5弹性系数，x为弹簧5变形量。
即平衡位置满足F＝FC，即满足
kx＝pSc。
选定弹簧5后，可建立单个进气孔板3与进气通道4相匹配的通孔个数与弹簧5压缩量的关系式，进而确定进气孔板3上通孔的位置分布特征。
实施例2
根据现有气吸喷头的研究结果，结合本实施例采用一种可以自动调节吸气量的扇形气吸喷头工作时，其渐缩段11入口处的直径取6mm，渐缩段11出口处的直径和进气处直柱段6的直径取3mm；进气通道4截面取长度为3mm、宽度为1.5mm的矩形；进气孔板3外形尺寸的长度取9mm、宽度取4.5mm、厚度取2mm，进气孔板3与压力槽2内液体接触面的面积Sc为进气孔板3宽度与厚度的乘积，即Sc为9mm2；进气孔板3上通孔的直径取0.4mm，即通孔面积S0为0.1256mm2；弹簧5选取外径为2mm，自然长度为6mm，弹性系数k为1N/mm的圆线螺旋弹簧。
由以上结论，根据表达式
Figure BDA0002849272190000064
可以计算出单个进气孔板3需要提供的通孔个数；
根据平衡位置满足F＝FC的条件可计算出弹簧5弹力和弹簧5压缩量，根据弹簧5压缩量、进气通道4的截面尺寸和单个进气孔板3需要提供的通孔个数确定通孔在进气孔板3上位置的分布特征。
例如，当进入喷头的液体工作压力p1为0.1MPa、喷头的流量Q为0.68L/min时，根据上式，得出进气量Qs为1.13×10-7m3/s，进气速度vs为0.06m/s，单个进气孔板3提供的通孔个数为8个，弹簧5弹力F为0.9N，弹簧5压缩量x为0.9mm，此时进气孔板3相应个数的通孔所在位置与进气通道4相匹配。
以进入喷头的液体工作压力p1为0.1MPa、喷头的流量Q为0.68L/min时的进气速度为参考标准，当工作压力增加时，为保证进气速度基本不变，根据计算得出的进气量来确定进气孔板3上所需的进气面积，最后通过进气孔板3上所需的进气面积来计算所需通孔的个数。
例如，当进入喷头的液体工作压力p1为0.3MPa、喷头的流量Q为1.18L/min时，根据上式，得出进气量Qs为2.05×10-7m3/s，进气孔板3上所需的进气面积为3.42mm2，所需通孔的个数为14个，弹簧5弹力F为2.7N,弹簧5压缩量x为2.7mm，此时进气孔板3相应个数的通孔所在位置与进气通道4相匹配。
例如，当进入喷头的液体工作压力p1为0.5MPa、喷头的流量Q为1.52L/min时，根据上式，得出进气量Qs为2.506×10-7m3/s，所需通孔的个数为17个，弹簧5弹力F为4.5N，弹簧5压缩量x为4.5mm，此时进气孔板3相应个数的通孔所在位置与进气通道4相匹配。
根据以上计算结果，可得出进入喷头的液体工作压力与弹簧5压缩量的关系：液体工作压力每增加0.1MPa，弹簧5压缩量增加0.9mm。
在本实施例所提供的参数条件下，可得进气孔板3上通孔的位置分布情况，单个进气孔板3与进气通道4相匹配的通孔个数n与弹簧5压缩量x的关系式可以简单表示为：
x＝0.014n2
如图2所示，以进气孔板3和弹簧5相接触的一端为参考面：在弹簧5自然状态下，进气孔板3上距此参考面2mm处的位置与进气通道4的下端相接触，并在此位置开始设置通孔，此位置记为进气初始位置，参考面到进气初始位置的距离记为l；
当进入喷头的液体工作压力p1为0.1MPa时，弹簧5压缩量x为0.9mm，即进气孔板3移动的距离为0.9mm，进气孔板3上进气初始位置沿其移动的反方向0.9mm处的距离记为l1；
当进入喷头的液体工作压力p1为0.3MPa时，弹簧5压缩量x为2.7mm，即进气孔板3移动的距离为2.7mm，进气孔板3上进气初始位置沿其移动的反方向2.7mm处的距离记为l2；
当进入喷头的液体工作压力p1为0.5MPa时，弹簧5压缩量x为4.5mm，即进气孔板3移动的距离为4.5mm，进气孔板3上进气初始位置沿其移动的反方向4.5mm处的距离记为l3。
应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种自动调节吸气速度的扇形气吸喷头，包括喷头体(1)和液体通道，喷头体(1)内设有与喷孔(7)连通的液体通道，其特征在于，还包括压力槽(2)和进气通道(4)；所述液体通道入口段与压力槽(2)连通，所述进气通道(4)贯穿压力槽(2)后与液体通道连通；所述压力槽(2)内通过弹性阻尼装置安装进气孔板(3)，通过液体通道入口压力的变化使进气孔板(3)在压力槽(2)与进气通道(4)相交处移动；所述进气孔板(3)上设有若干大小相同或相异的通孔，通过进气孔板(3)在压力槽(2)内移动，用于改变液体通道内的进气量；所述进气孔板(3)上设有若干大小相同的通孔；在进气孔板(3)上，所述通孔自上而下由密集到逐渐稀疏布置；所述液体通道沿高压液体流过方向依次设有进液端直柱段(12)、渐缩段(11)、进气处直柱段(10)、渐扩段(9)和出液端直柱段(8)；所述进液端直柱段(12)与压力槽(2)连通，所述进气处直柱段(10)与进气通道(4)连通；所述进气孔板(3)与进气通道(4)交汇处通孔数量n的公式为：
Figure FDA0003367741570000011
其中：
Qs为进气量，单位为m3/s；
S0为通孔的面积，单位为m2；
m为进气通道(4)的个数；
vs为进气速度，单位为m/s；
A1为进气通道(4)垂直中心线的横截面的面积；
A2为进气处直柱段(10)横截面的面积。
2.根据权利要求1所述的自动调节吸气速度的扇形气吸喷头，其特征在于，所述通孔轴向面积为进气通道(4)轴向截面积的1/20～1/5。
3.根据权利要求1所述的自动调节吸气速度的扇形气吸喷头，其特征在于，所述进气通道(4)中心线与液体通道中心线夹角α为钝角，夹角α为90°～145°。
4.根据权利要求1所述的自动调节吸气速度的扇形气吸喷头，其特征在于，所述进气孔板(3)与压力槽(2)之间设有密封件。
5.根据权利要求1所述的自动调节吸气速度的扇形气吸喷头，其特征在于，所述喷头体(1)上分别对称设有至少2个压力槽(2)和2个进气通道(4)。
6.根据权利要求1所述的自动调节吸气速度的扇形气吸喷头，其特征在于，所述渐缩段(11)的进口直径和出口直径比例为2∶1，所述渐缩段(11)横截面圆锥角度为25°～45°。
7.根据权利要求1所述的自动调节吸气速度的扇形气吸喷头，其特征在于，所述渐扩段(9)的进口直径和出口直径比例为1∶2，所述渐扩段(9)横截面圆锥角度为30°～60°。
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