梁偉， 管華盛， 張裕兵， 王暉

（昌河飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，江西 景德鎮(zhèn)333002）

0 引 言

隨著現(xiàn)代農(nóng)林業(yè)向高效、環(huán)保和節(jié)能模式轉(zhuǎn)變，對農(nóng)林作物的病蟲災(zāi)害防治、生長態(tài)勢監(jiān)控等方面提出了更高要求。利用直升機(jī)低空低速性能優(yōu)越、起降靈活的特點，搭載相關(guān)噴灑設(shè)備進(jìn)行植保作業(yè)，正好滿足這一需求[1-2]。為滿足不同作物、藥劑的作業(yè)需求，直升機(jī)農(nóng)林噴灑系統(tǒng)往往要進(jìn)行多工況流量調(diào)節(jié)。因此研究噴灑系統(tǒng)的流量調(diào)節(jié)范圍，分析不同流量工況下關(guān)鍵部件的工作特性，對噴灑系統(tǒng)的設(shè)計、使用和維護(hù)尤為必要。

隨著計算機(jī)仿真技術(shù)的快速發(fā)展，運用流體系統(tǒng)仿真軟件對諸如液壓、燃油、管網(wǎng)等流體系統(tǒng)進(jìn)行分析和設(shè)計計算，是對傳統(tǒng)理論分析和實驗研究的重要補(bǔ)充。直觀的模擬結(jié)果對認(rèn)識流體系統(tǒng)的工作特性，分析部件對總體性能的影響具有重要作用，有助于縮減產(chǎn)品研制周期和成本。本文根據(jù)現(xiàn)有離心泵、節(jié)流閥、噴頭等部件的性能參數(shù)，建立噴灑系統(tǒng)的系統(tǒng)仿真模型，調(diào)節(jié)節(jié)流閥開度和噴頭過流面積，仿真計算得到系統(tǒng)流量，以及泵、噴頭的壓力、流量、效率等工作特性。為泵、閥和噴頭等關(guān)鍵部件的選型提供技術(shù)支撐，給噴灑系統(tǒng)的調(diào)試、維護(hù)和性能優(yōu)化提供重要參考。

1 物理模型

噴灑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，藥箱用于存儲噴灑作業(yè)所需藥液，并接收回流的藥液。離心泵給噴灑系統(tǒng)輸送一定壓力和流量的藥液，要求結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、抗污能力強(qiáng)、可靠性高。三通電磁閥位于泵下游，通過電磁閥的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)噴灑和攪拌兩種功能切換。過濾器用于過濾掉大直徑顆粒雜物，以免堵塞噴管中的噴頭。節(jié)流閥位于過濾器下游，通過控制閥的開度，改變管路特性，實現(xiàn)噴灑流量的調(diào)節(jié)，以滿足不同噴灑作業(yè)的流量需求。為使藥液霧化形成霧滴，噴灑系統(tǒng)的末端安裝有一定數(shù)量的噴頭。主噴管連接節(jié)流閥和噴頭，旁路管和主噴管并聯(lián)，回流管連接藥箱、三通電磁閥和旁路管。小流量噴灑或誤關(guān)閉噴灑時，藥液通過旁路管返回藥箱，防止因管路壓力過高而破壞離心泵的正常工作。

圖1 噴灑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

2 仿真模型

2.1 離心泵

離心泵工作轉(zhuǎn)速高、結(jié)構(gòu)簡單、抗污能力強(qiáng)、工作可靠，在農(nóng)業(yè)排灌、工業(yè)流體傳送等領(lǐng)域用途廣泛，尤其憑借其大流量、壓力平穩(wěn)和比質(zhì)量小的優(yōu)點，廣泛用于航空流體傳送系統(tǒng)[3]，能夠滿足直升機(jī)農(nóng)林噴灑系統(tǒng)的使用需求。揚(yáng)程-流量（H-Q）特性是離心泵的主要性能之一，其中揚(yáng)程是指單位質(zhì)量流量的液體經(jīng)過葉輪所獲得的能量，其計算公式為

式中：p1為進(jìn)口總壓；p2為出口總壓；γ為液體重度。

揚(yáng)程和流量關(guān)系為

式中：u2為離心泵葉輪出口牽連速度；Ψ2為排擠系數(shù)；D2為葉輪直徑；b2為葉輪出口寬度；β2為葉片出口角；ηw為葉輪水力效率；Kl為有限葉片修正系數(shù)。

根據(jù)選定離心泵的性能參數(shù)，自定義泵的揚(yáng)程-流量特性。

2.2 節(jié)流閥

節(jié)流閥用于流量調(diào)節(jié)。改變閥的開度，其過流面積、總壓損失隨之變化，從而改變閥的損失系數(shù)。損失系數(shù)K和過流面積A的關(guān)系為

式中：Δp為總壓損失；Q為體積流量；ρ為流體密度。過流面積和節(jié)流閥開度間的關(guān)系由其物理結(jié)構(gòu)決定。

選用系統(tǒng)庫中的節(jié)流閥模型，損失系數(shù)K和開度Ratio的關(guān)系如圖2所示。Ratio為1表示閥完全打開，為0表示閥完全關(guān)閉。由圖2可知：損失系數(shù)不隨閥的開度線性變化，開度為0.5時，損失系數(shù)僅為10，流動損失較小，即藥液流經(jīng)節(jié)流閥產(chǎn)生的壓降較??；開度為0.2時，損失系數(shù)大于100，開度越小，損失系數(shù)增大越劇烈，產(chǎn)生的壓降越大。

圖2 節(jié)流閥損失系數(shù)與開度的關(guān)系

2.3 噴頭

噴頭由單向閥和噴嘴組成，當(dāng)噴灑壓力達(dá)到單向閥開啟力時，就能噴灑作業(yè)。單向閥壓力損失和流量的關(guān)系如圖3所示，單向閥的開啟壓力約為0.02 MPa，流量越大，通過閥產(chǎn)生的壓降越大。

噴嘴屬于壓力式霧化噴嘴，通過噴嘴內(nèi)孔橫截面的收縮，高壓藥液在噴嘴中聚集，然后急速噴出，實現(xiàn)藥液壓力勢能向動能轉(zhuǎn)換，從而達(dá)到相對于周圍氣體較高的流動速度，通過環(huán)境中的氣體和液體之間的強(qiáng)剪切作用達(dá)到液體霧化的效果[4]。噴嘴流量方程為

圖3 單向閥壓降

噴灑系統(tǒng)仿真模型，選用兩支路水箱作為噴灑藥箱：一路用于給離心泵供給藥液；另一路用于回收回流藥液。由于藥箱需要連通大氣，箱內(nèi)壓力設(shè)置為恒定標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。主噴管和回流管選用剛性管，管徑為50 mm，兩位三通電磁閥用于連接回流和噴灑管路。過濾器不影響整個系統(tǒng)流量調(diào)節(jié)特性，為簡化計算，建模過程中忽略過濾器。按圖1所示噴灑系統(tǒng)原理連接各仿真元件，系統(tǒng)仿真模型如圖4 所示，整個噴灑系統(tǒng)有57個噴頭。

圖4 噴灑系統(tǒng)仿真模型

3 仿真結(jié)果

噴灑系統(tǒng)實際作業(yè)介質(zhì)為農(nóng)藥溶液，是不可壓縮流體。仿真模式設(shè)置為不可壓穩(wěn)態(tài)模擬。為簡化參數(shù)設(shè)置，仿真介質(zhì)設(shè)置為水、溫度為20 ℃，噴頭出口壓力設(shè)置為1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

3.1 節(jié)流閥開度調(diào)節(jié)

為分析節(jié)流閥開度對系統(tǒng)流量的影響，根據(jù)節(jié)流閥損失系數(shù)特性曲線，設(shè)置不同的節(jié)流閥開度參數(shù)，其中Ratio為節(jié)流閥相對開度，取值范圍為0～1，0表示閥完全關(guān)閉，1表示完全打開。仿真計算得到噴灑系統(tǒng)流量和泵的性能，如表1所示。

由表1可知，節(jié)流閥開度由1調(diào)小至0.03，Lp從150.5 L/min減小至61.1 L/min。節(jié)流閥開度在0.3～1.0時，噴灑流量調(diào)節(jié)效果并不明顯，開度降至0.1后流量顯著降低。由離心泵的工作原理可知，泵的工作狀態(tài)受管路特性影響，調(diào)小節(jié)流閥開度，管路負(fù)載增加，噴灑流量減小。受節(jié)流閥特性影響（如圖2），只有調(diào)至小開度工況，閥的損失系數(shù)才顯著增加，促使噴灑流量明顯降低。

表1 不同節(jié)流閥開度的仿真結(jié)果

3.2 噴頭調(diào)節(jié)

根據(jù)農(nóng)林噴灑質(zhì)量要求，噴灑系統(tǒng)能夠進(jìn)行超低容量、低容量、常量噴灑作業(yè)，滿足不同植被、藥液或災(zāi)害的防護(hù)需求，這就要求噴灑系統(tǒng)具備大范圍流量調(diào)節(jié)能力。該農(nóng)林噴灑系統(tǒng)通過節(jié)流閥的開度調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了2.5左右的流量調(diào)節(jié)比，但難以滿足多作業(yè)模式的流量需求。由圖1所示噴灑系統(tǒng)原理可知，噴灑系統(tǒng)的管路負(fù)載主要由旁路管路和主噴管路并聯(lián)而成，主噴管路上負(fù)載由節(jié)流閥和噴頭構(gòu)成，因此想要獲得較大的流量調(diào)節(jié)范圍，可改變噴頭負(fù)載大小，即更換不同口徑的噴頭。

為研究噴頭過流面積對系統(tǒng)流量的影響，采用某型多口徑規(guī)格噴頭，噴頭1過流直徑為1.46 mm，噴頭2過流直徑為1.27 mm，噴頭3過流直徑為1.03 mm。仿真計算結(jié)果如表2 所示。由表2可知：使用噴頭2，噴灑系統(tǒng)流量約為50.1～75.4 L/min；使用噴頭3，噴灑系統(tǒng)流量約為39.5～48.9 L/min。改變噴頭規(guī)格，可顯著拓寬噴灑系統(tǒng)的流量調(diào)節(jié)范圍，結(jié)合節(jié)流閥的開度調(diào)節(jié)，流量調(diào)節(jié)比可達(dá)3.8左右。

3.3 泵特性分析

表2 不同規(guī)格噴頭的仿真結(jié)果

圖5 不同出口負(fù)載的離心泵特性

由式（1）可知，進(jìn)口壓力恒定工況時，離心泵的揚(yáng)程主要受出口壓力影響，出口壓力越大，揚(yáng)程越大。而離心泵的出口壓力由負(fù)載決定，調(diào)節(jié)節(jié)流閥開度和噴頭過流面積均會引起泵出口負(fù)載變化。由圖5所示的泵特性曲線可知，不同節(jié)流閥開度或使用不同過流面積的噴頭，離心泵的揚(yáng)程基本維持在39 m左右。減小節(jié)流閥開度，泵效率隨之降低，大過流面積噴頭尤為顯著。而減小噴頭過流面積，離心泵效率大幅降低。

為拓寬噴灑系統(tǒng)的流量調(diào)節(jié)范圍，可通過調(diào)節(jié)泵出口的節(jié)流閥開度、噴頭過流面積等參數(shù)來實現(xiàn)。對于本直升機(jī)用農(nóng)林噴灑系統(tǒng)，調(diào)節(jié)節(jié)流閥開度和噴頭口徑均不會對離心泵揚(yáng)程帶來顯著影響，但調(diào)小節(jié)流閥開度或噴頭過流面積會引起泵效率降低。

4 結(jié) 語

通過仿真分析本農(nóng)林噴灑系統(tǒng)在不同節(jié)流閥開度和噴頭流量調(diào)節(jié)特性，得出以下結(jié)論：1）調(diào)節(jié)噴灑系統(tǒng)中節(jié)流閥的相對開度，能夠改變管路負(fù)載，離心泵工作狀態(tài)隨之變化，實現(xiàn)噴灑系統(tǒng)的流量調(diào)節(jié)。2）減小噴灑系統(tǒng)噴頭的過流面積，噴灑流量隨之降低；使用不同過流面積的噴頭可顯著拓寬噴灑系統(tǒng)的流量調(diào)節(jié)范圍。3）調(diào)節(jié)節(jié)流閥開度，或改變噴頭過流面積，離心泵的揚(yáng)程基本不變；但調(diào)小節(jié)流閥開度或減小噴頭過流面積會使泵效率隨之降低。