摘要：變量施藥系統(tǒng)具有提高農(nóng)藥利用率、降低農(nóng)藥殘留、減輕環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)控制方式可分為藥液濃度調(diào)節(jié)式、壓力調(diào)節(jié)式和流量調(diào)節(jié)式?；诿}寬調(diào)制技術(shù)的變流量式施藥系統(tǒng)因流量調(diào)節(jié)范圍廣、霧滴特性穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)，但在變量施藥過程中因部分噴頭啟閉、泵源脈動(dòng)、閥體開關(guān)動(dòng)作等會(huì)造成管路壓力波動(dòng)，導(dǎo)致霧化質(zhì)量差，藥量不精準(zhǔn)等亟待解決的問題。從變量施藥系統(tǒng)類型、系統(tǒng)壓力波動(dòng)特性研究、系統(tǒng)壓力波動(dòng)抑制方法與裝備方面綜述國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，分析總結(jié)藥液濃度調(diào)節(jié)式、壓力調(diào)節(jié)式、流量調(diào)節(jié)式變量施藥系統(tǒng)的構(gòu)成、優(yōu)勢(shì)和缺陷，重點(diǎn)闡述和歸納國(guó)內(nèi)外施藥系統(tǒng)中管路和噴頭附近壓力波動(dòng)特性，主要介紹回流穩(wěn)壓、空氣閥、穩(wěn)壓噴嘴等壓力沖擊抑制方法和裝備，指出我國(guó)在變量施藥系統(tǒng)精確性、變量施藥系統(tǒng)壓力穩(wěn)定產(chǎn)品開發(fā)等方面的不足并提出展望，為實(shí)現(xiàn)變量施藥系統(tǒng)的進(jìn)一步精準(zhǔn)化、智能化提供思路。

關(guān)鍵詞：變量施藥；藥液濃度調(diào)節(jié)；脈寬調(diào)制；壓力波動(dòng)特性；壓力波動(dòng)消除

中圖分類號(hào)：S491 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095?5553 （2024） 11?0060?09

Research progress on pressure fluctuation characteristics and elimination methods of variable rate spraying system

Zhang Meng1， 2， Zhang Chunfeng2， Zhao Xueguan2， Yang Shuo2， Li Si3， Zhai Changyuan1， 2

（1. College of Agricultural Engineering， Jiangsu University， Zhenjiang， 212013， China;

2. Intelligent Equipment Research Center， Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences， Beijing， 100097， China;

3. Nongxin （Nanjing） Smart Agriculture Research Institute Co.， Ltd.， Nanjing， 211800， China）

Abstract： The variable?rate pesticide application system has several advantages of enhancing pesticide utilization rate， reducing pesticide residue levels， and reducing environmental pollution. Depending on the control mechanism employed， it can be categorized into three main typessuch as liquid concentration adjustment， pressure adjustment and flow adjustment. Particularly， the variable flow spraying system， leveraging pulse width modulation （PWM） technology， has garnered significant attention domestically and internationally in recent years owing to its broad flow adjustment range and consistent droplet characteristics. Nevertheless， during variable spraying operations， challenges such as nozzle opening and closing， pump pulsations， and valve switching actions can induce fluctuations in pipeline pressure， leading to compromised atomization quality and inaccurate dosing. This paper reviews the current research landscape， focusing on three key aspects suchas the types of variable pesticide application systems， investigations into system pressure fluctuation characteristics and approaches and equipment for mitigating pressure fluctuations. Furthermore， it delves into the composition， advantages， and limitations of variable pesticide application systems employing liquid concentration regulation， pressure regulation and flow regulation. Emphasis is placed on elucidating the pressure fluctuation characteristics observed near pipelines and nozzles in both domestic and international pesticide application systems. Various methods and equipment for suppressing pressure shocks， such as reflux pressure stabilization， air valves， and pressure?stabilizing nozzles， are extensively discussed. The study also highlights the challenges associated with the accuracy of variable pesticide application systems and the ongoing development of pressure?stabilizing products in China. Finally， it outlines future prospects， offering insights for enhancing the precision and intelligence of variable spraying systems.

Keywords： variable spraying; liquid concentration regulation; pulse?width modulation; pressure fluctuation characteristics; pressure fluctuation elimination

0 引言

化學(xué)農(nóng)藥是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)不可或缺的生產(chǎn)資料，對(duì)防治農(nóng)作物病蟲害、保障國(guó)家糧食安全和重要農(nóng)產(chǎn)品有效供給具有重要意義[1]。然而，傳統(tǒng)的粗放型施藥裝備不能滿足精確用藥需求[2]，容易造成農(nóng)藥噴灑過量或不足，無法滿足綠色和智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展需要[3]。發(fā)展精準(zhǔn)對(duì)靶、智能變量的智能植保機(jī)械是主要發(fā)展趨勢(shì)[4]，優(yōu)化噴霧藥量控制方法成為未來研究方向[5]。變量施藥的技術(shù)核心是根據(jù)不同區(qū)域的農(nóng)藥需求量，實(shí)時(shí)改變噴頭施藥量。但對(duì)施藥系統(tǒng)進(jìn)行變量控制往往會(huì)造成管路內(nèi)壓力波動(dòng)，影響霧滴特性和施藥效果。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)施藥系統(tǒng)由隔膜泵、電磁閥、噴頭啟閉數(shù)量、PWM控制參數(shù)等[6?9]因素對(duì)管路壓力波動(dòng)及霧化特性的影響展開了研究，并集成各種電子控制及傳感器技術(shù)優(yōu)化和改進(jìn)變量施藥控制系統(tǒng)[10]，以提高變量施藥系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確性。本文從施藥控制方式角度介紹國(guó)內(nèi)外變量施藥系統(tǒng)，綜述對(duì)施藥管路壓力波動(dòng)特性以及抑制方法的研究進(jìn)展，介紹國(guó)內(nèi)外壓力波動(dòng)消除裝置，分析我國(guó)精準(zhǔn)變量施藥技術(shù)存在的問題，并提出建議與解決方案。

1 變量施藥系統(tǒng)類型及構(gòu)成

在變量施藥系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)藥量的精確控制是研究的關(guān)鍵。藥量的調(diào)節(jié)方法有很多，如藥液濃度調(diào)節(jié)式、壓力調(diào)節(jié)式、流量調(diào)節(jié)式施藥系統(tǒng)，所用到的技術(shù)有PID控制技術(shù)、脈寬調(diào)制技術(shù)等，變量施藥系統(tǒng)類型及發(fā)展水平如表1所示。

1.1 藥液濃度調(diào)節(jié)式變量施藥系統(tǒng)

藥液濃度調(diào)節(jié)式變量施藥系統(tǒng)根據(jù)混藥方式可分為藥劑注入式[11]和藥劑并入式[12] 兩種控制系統(tǒng)。藥劑注入式系統(tǒng)通過控制器實(shí)時(shí)計(jì)算所需農(nóng)藥濃度，將相應(yīng)劑量注入管路恒定水流量中，從而實(shí)現(xiàn)變量調(diào)節(jié)施藥量，管路壓力不會(huì)發(fā)生變化從而減少對(duì)霧滴特性的影響。藥劑并入式系統(tǒng)則是同時(shí)改變藥劑和水的注入量，使農(nóng)藥和水在混藥裝置內(nèi)快速均勻地完成混合。蔡祥等[13]設(shè)計(jì)了一種噴嘴直接注入式農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)（圖1），水和藥液分泵存放，分別施壓泵入噴嘴附近混合腔混合均勻后由噴嘴噴出，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證該系統(tǒng)具有較好的施藥均勻性和變量精準(zhǔn)度。袁琦堡等[12]設(shè)計(jì)了一種在線實(shí)時(shí)混藥系統(tǒng)（圖2），控制器將水與藥劑以一定比例注入管路混藥器，充分混合后利用噴霧泵對(duì)藥液加壓并噴霧。

藥液濃度調(diào)節(jié)式變量系統(tǒng)也存在顯著缺點(diǎn)：在線混藥方式會(huì)導(dǎo)致藥液到達(dá)目標(biāo)濃度具有一定延時(shí)。Tompkins等[14]發(fā)現(xiàn)直接注入式變濃度噴霧從濃度控制指令的發(fā)出到期望濃度的藥液流至噴頭位置的時(shí)間延遲長(zhǎng)達(dá)12 s，因此提出藥劑注入位置靠近噴嘴的想法來減少延遲的影響。Hloben[15]深入研究了直接注入式變量噴霧系統(tǒng)兩個(gè)不同注射點(diǎn)位置的響應(yīng)時(shí)間，分析結(jié)果表明，在將藥劑注入管路部分的情況下，響應(yīng)時(shí)間為2.75～8.84 s；而如果直接在噴嘴附近注入，可以將滯后時(shí)間減少到0.30 s以下。但是藥劑注入式施藥系統(tǒng)多數(shù)為開環(huán)控制，缺乏實(shí)時(shí)混藥濃度信息反饋，各噴頭間藥液濃度難以一致。藥劑并入式系統(tǒng)混藥效果主要取決于混藥器的結(jié)構(gòu)，需要對(duì)藥液和水量分別控制，管路設(shè)計(jì)復(fù)雜，成本較高。

1.2 壓力調(diào)節(jié)式變量施藥系統(tǒng)

調(diào)壓式變量施藥系統(tǒng)是最早應(yīng)用于變量施藥的調(diào)流技術(shù)之一，其結(jié)合傳感器技術(shù)，根據(jù)噴藥機(jī)行走速度等信息，調(diào)節(jié)作用在固定孔噴嘴上的壓力，從而改變噴霧流量。在同等精度條件下，壓力式變量施藥系統(tǒng)以其低廉的成本、簡(jiǎn)單的操作在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。

Kunavut等[16]利用一種管夾閥來控制各個(gè)噴嘴的通流面積，實(shí)現(xiàn)噴嘴壓力的控制，進(jìn)而達(dá)到對(duì)其噴量的調(diào)節(jié)作用。常相鋮[17]測(cè)試了單一噴頭下變量噴霧系統(tǒng)的流量調(diào)節(jié)范圍，得出了施藥流量波動(dòng)較小，噴霧效果最為穩(wěn)的范圍是l～l.6 L/min的結(jié)論，并指出超過該范圍將導(dǎo)致更差的液滴尺寸分布，并且增加液滴飄移的風(fēng)險(xiǎn)。調(diào)壓式變量施藥方法不僅會(huì)造成霧滴粒徑和沉積分布的改變，而且具有一定的遲滯性，研究表明，從控制系統(tǒng)發(fā)出指令到噴嘴壓力達(dá)到目標(biāo)值所用時(shí)間約2 s[18]。為更精確地控制系統(tǒng)的施藥量變化，史巖等[19]在自行設(shè)計(jì)的壓力式變量施藥系統(tǒng)（圖3）的基礎(chǔ)上采用電液比例減壓閥控制施藥系統(tǒng)噴霧單元的工作壓力，搭建了壓力式變量施藥系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)驗(yàn)證達(dá)到較滿意的控制效果。邱白晶等[20]設(shè)計(jì)了一種變量噴霧設(shè)備，提出通過預(yù)留時(shí)間設(shè)定的方法來改善變壓調(diào)節(jié)式噴霧設(shè)備在流量調(diào)節(jié)時(shí)存在的延遲現(xiàn)象以減小噴灑流量誤差。

變壓力式變量施藥系統(tǒng)原理簡(jiǎn)單、成本低廉，得到了廣泛應(yīng)用，但是壓力差與流量的平方成正比，因此需要較大的壓力變化來產(chǎn)生相對(duì)較小的流量變化，這就導(dǎo)致變壓式施藥流量可調(diào)節(jié)范圍較小，同時(shí)也會(huì)帶來霧滴畸變、系統(tǒng)壓力不穩(wěn)定等問題。

1.3 流量調(diào)節(jié)式變量施藥系統(tǒng)

流量調(diào)節(jié)式變量施藥系統(tǒng)主要基于脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，通過控制PWM信號(hào)的占空比和頻率來調(diào)節(jié)施藥量。根據(jù)應(yīng)用方式可分為間歇式和連續(xù)式PWM噴霧兩種。間歇式基本原理是在保持系統(tǒng)壓力恒定的條件下，通過控制噴頭附近高速電磁閥開關(guān)頻率和開啟時(shí)間調(diào)節(jié)噴頭流量；連續(xù)式則是利用PWM技術(shù)控制電路輸出功率，從而改變電磁比例調(diào)節(jié)閥的開度，實(shí)現(xiàn)對(duì)噴霧量的無極調(diào)節(jié)，兩者都可實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)噴頭噴灑流量的精確控制，但目前廣泛使用的是間歇式變量噴霧技術(shù)。

PWM變量施藥技術(shù)具有流量調(diào)節(jié)范圍大、易于控制、響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，因此近年來諸多學(xué)者對(duì)施藥控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及霧化特性展開研究。在PWM施藥系統(tǒng)中，高速電磁閥與固定孔噴嘴配合就可以在不改變噴霧壓力的前提下實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)噴頭的流量控制，根據(jù)這一特點(diǎn)可利用控制系統(tǒng)在噴霧機(jī)轉(zhuǎn)彎作業(yè)中調(diào)節(jié)噴桿不同位置的噴頭流量，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎補(bǔ)償，從而保證噴霧均勻性。但這對(duì)控制系統(tǒng)的要求相對(duì)較高，所以國(guó)內(nèi)外多位學(xué)者對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了開發(fā)和完善來改進(jìn)噴霧效果[21]。

Shahemabadi等[22]提出了一種PWM電磁閥激活算法，通過改變每秒的脈沖個(gè)數(shù)和脈沖的寬度來達(dá)到調(diào)節(jié)流量的目的。該算法適用于將高速電磁閥換成成本相對(duì)較低、性能較低、開啟和關(guān)閉時(shí)間明顯較慢的工業(yè)電磁閥，來實(shí)現(xiàn)變流量目的。Liu等[23]開發(fā)了一種由微處理器和脈寬調(diào)制（PWM）控制的電磁閥激活的自動(dòng)流量控制系統(tǒng)，流量控制電路產(chǎn)生多路不同占空比的PWM指令并傳送給電磁閥組，實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)噴嘴流量的獨(dú)立精確控制，完成基于植株特征的精密變量噴霧。魏新華等[24]以DSP56 F805作控制芯片，構(gòu)建了一種基于PWM技術(shù)的間歇式噴霧控制裝置，實(shí)現(xiàn)12路獨(dú)立PWM信號(hào)輸出。試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)產(chǎn)生的PWM脈寬調(diào)制信號(hào)，有效頻率不大于5 Hz，流量可調(diào)節(jié)范圍大于10，各種檢測(cè)參數(shù)誤差在可接受范圍內(nèi)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量工作來研究各種控制參數(shù)與噴霧流量的數(shù)值關(guān)系。翟長(zhǎng)遠(yuǎn)等[25]綜合噴霧壓力、PWM控制信號(hào)頻率及占空比、噴霧流量，運(yùn)用二次回歸正交組合設(shè)計(jì)方法，為不同型號(hào)噴頭建立流量模型。蔣煥煜等[26]對(duì)噴霧瞬時(shí)壓力數(shù)據(jù)利用卡爾曼濾波法推導(dǎo)出噴霧流量信息，再結(jié)合分段線性擬合方法，將噴霧流量與PWM信號(hào)占空比相關(guān)聯(lián)，最終建立PWM噴霧流量模型。

PWM信號(hào)的頻率和占空比、系統(tǒng)壓力、噴嘴孔尺寸和類型等因素對(duì)噴霧質(zhì)量和液滴尺寸的影響也是衡量PWM施藥控制系統(tǒng)的重要指標(biāo)。鄧巍等[27]基于脈寬調(diào)制技術(shù)（PWM）的連續(xù)式變量噴霧裝置研究了不同類型噴嘴的噴霧動(dòng)態(tài)特性，得到了霧滴速度、噴霧比能、噴霧動(dòng)能中值直徑和體積中值直徑隨流量變化的規(guī)律。蔣煥煜等[26]在動(dòng)態(tài)條件下分別測(cè)試了不同PWM頻率、占空比和噴霧壓力對(duì)不同方向上霧量分布均勻性的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)PWM頻率越高單噴頭在噴霧前進(jìn)方向上的霧量分布均勻性越好。Wei等[28]通過組合測(cè)試試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)液滴粒徑分布、噴嘴激活壓力和流量都隨占空比、噴嘴孔口尺寸和PWM電磁閥型號(hào)而變化，在不同的占空比下為不同類型噴嘴選擇PWM電磁閥型號(hào)提供了參考。

通過以上分析得知，PWM變量施藥技術(shù)能很好改善變壓力式控制技術(shù)存在的霧滴畸變、系統(tǒng)壓力不穩(wěn)定問題及變濃度式控制技術(shù)存在的延遲問題，保證藥液噴灑的均勻性和流量可調(diào)性，因此被廣泛認(rèn)可、應(yīng)用于精密變量噴霧作業(yè)中。國(guó)內(nèi)外學(xué)者分別從控制系統(tǒng)優(yōu)化以及壓力、PWM頻率及占空比等因素對(duì)霧滴特性的影響等層面對(duì)其做了大量深入的研究。但是，目前PWM變量噴霧控制系統(tǒng)的精度仍有待提高，而且有關(guān)施藥管路中壓力波動(dòng)問題對(duì)施藥量的影響研究較少，大部分仍處于試驗(yàn)研究階段。因此，國(guó)內(nèi)應(yīng)進(jìn)一步加大在變量施藥控制精度以及施藥管路壓力波動(dòng)消除的研究，提高控制系統(tǒng)的精度及穩(wěn)定性。

2 系統(tǒng)壓力波動(dòng)特性研究

在施藥系統(tǒng)操作過程中，需要維持一定的噴嘴壓力來保證精確的施藥量，同時(shí)系統(tǒng)壓力大小及穩(wěn)定性將影響液滴粒徑和噴霧角度，扇形噴霧角度一致性對(duì)于實(shí)現(xiàn)相鄰噴嘴的理想重疊并保持均勻覆蓋至關(guān)重要。施藥系統(tǒng)壓力均勻性是保證噴霧效果的關(guān)鍵性能指標(biāo)之一，在優(yōu)化霧滴特性并減少農(nóng)藥污染方面發(fā)揮著重要作用。精確測(cè)量和分析施藥管路內(nèi)動(dòng)態(tài)壓力特性可以幫助更好地分析現(xiàn)有系統(tǒng)，并進(jìn)一步推進(jìn)變量施藥技術(shù)發(fā)展。

2.1 壓力沖擊原理分析

在有壓管道中流體動(dòng)量發(fā)生突然變化時(shí)，由于不可壓縮的介質(zhì)具有的慣性引起的壓力波，叫做水擊波或水錘。水擊波形成的壓力沖擊較復(fù)雜，影響因素有介質(zhì)特性、管道直徑、管材韌性等[29]。水擊波沿管道傳播，在原來的液壓之上迭加增壓，誘發(fā)比較激烈的管道振動(dòng)，極易造成管道破裂和噴頭受損，擊壞壓力和流量等儀表，嚴(yán)重威脅設(shè)備安全。

如圖4所示，左側(cè)為較大的容腔（藥箱）與右側(cè)管道通過閥門連接，相較于管路直徑，容腔的體積較大，故認(rèn)為其內(nèi)部壓力恒定，閥門開啟時(shí)，管道內(nèi)的液體以一定流速流過，不考慮管中的壓力損失。當(dāng)管道的末端（噴頭）突然關(guān)閉時(shí)，藥液被瞬間截停。根據(jù)能量轉(zhuǎn)化和守衡定律，液體的動(dòng)能[ρAlv22]轉(zhuǎn)化為液體的彈性能[AlΔp22K']，即

[ρAlv22=AlΔp22K'] （1）

式中： ρ——液體密度，kg/m3;

v——液體流速，m/s；

p——系統(tǒng)壓力，MPa；

A——管道截面積，mm2；

l——管道長(zhǎng)度，m；

[K']——藥液的等效體積彈性模量，MPa。

由式（1）得到

[Δp=ρK'v] （2）

由式（2）可知，沖擊壓力最大升值[Δp]與流速v成正比。因此產(chǎn)生水錘沖擊的外界條件是管路中的流速突然變化，而內(nèi)在因素是液體本身的不可壓縮性和慣性[30]。

1.噴頭 2.管路 3.閥門 4.藥箱

上述算法基于經(jīng)典水錘理論，計(jì)算效率高，可以用來估算基于忽略管道運(yùn)動(dòng)過程中的能量損失、閥門瞬時(shí)關(guān)閉、管道約束剛度很大條件下的最大水錘壓力[31]。但此方法未考慮管道彎頭和空間的效應(yīng)，故只能計(jì)算一維模型，無法實(shí)現(xiàn)流動(dòng)的可視化。基于計(jì)算機(jī)技術(shù)，采用CFD方法對(duì)水擊過程進(jìn)行數(shù)值模擬會(huì)比簡(jiǎn)化的經(jīng)典水錘理論得到與實(shí)際更加接近的結(jié)果[32]。FLUENT是基于三維、可壓、非定常N-S方程的有限體積法流場(chǎng)計(jì)算軟件，其動(dòng)網(wǎng)格和滑移網(wǎng)格技術(shù)可以模擬瞬態(tài)流動(dòng)，能夠應(yīng)用于管道閥門系統(tǒng)的計(jì)算[33]。郭蘭蘭等[34]基于FLUENT的滑移網(wǎng)格技術(shù)對(duì)管道中球閥突然關(guān)閉引起的水擊現(xiàn)象進(jìn)行了數(shù)值模擬，計(jì)算得出了不同關(guān)閥時(shí)間和關(guān)閥方式下的水擊壓強(qiáng)隨時(shí)間的變化關(guān)系。

在施藥系統(tǒng)中引起壓力波動(dòng)的原因多種多樣，如隔膜泵的間歇性吸排液特性，電磁閥頻繁啟閉，比例溢流閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，噴頭啟閉數(shù)量等，研究施藥系統(tǒng)管路及噴嘴附近的壓力波動(dòng)問題對(duì)于提高變量噴霧系統(tǒng)精確性、保證霧滴特性具有重要意義。

2.2 管道壓力波動(dòng)特性

造成施藥系統(tǒng)管路壓力變化的原因主要有噴霧機(jī)作業(yè)速度的變化、泵源脈動(dòng)、閥件運(yùn)動(dòng)等。在施藥過程中，施藥機(jī)需要根據(jù)需求實(shí)時(shí)調(diào)整噴嘴流量，以實(shí)現(xiàn)變量施藥。但無論是通過改變電動(dòng)球閥的開度還是控制噴頭開啟數(shù)量的方式實(shí)現(xiàn)，管路中都會(huì)出現(xiàn)壓力波動(dòng)的現(xiàn)象，從而使得流量以及霧滴特性發(fā)生改變，影響變量施藥的精確性。

對(duì)于變量施藥系統(tǒng)來說泵源脈動(dòng)對(duì)系統(tǒng)壓力的影響最為明顯。隔膜泵的原理是活塞使橡膠隔膜作凹凸運(yùn)動(dòng)，引起隔膜腔室的容積發(fā)生周期性變化進(jìn)而完成溶液的輸送。吸排特性會(huì)導(dǎo)致隔膜泵輸出的瞬時(shí)流量在泵的直流流量上疊加高頻脈動(dòng)流量，從而使出口壓力呈現(xiàn)波動(dòng)。除了基于系統(tǒng)分析方法對(duì)隔膜泵壓力脈動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究，也有學(xué)者利用ANSYS、ADINA等軟件對(duì)隔膜泵液力特性進(jìn)行有限元分析。宋俊偉[35]對(duì)隔膜泵復(fù)雜模型進(jìn)行CFD三維仿真模型簡(jiǎn)化，仿真研究隔膜泵的關(guān)鍵參數(shù)對(duì)隔膜泵輸出壓力脈動(dòng)的影響規(guī)律，解釋了穩(wěn)壓氣室對(duì)隔膜泵輸出壓力脈動(dòng)的抑制機(jī)理。

針對(duì)施藥系統(tǒng)中由于球型調(diào)節(jié)閥快速關(guān)閉造成的水錘沖擊，Chen等[36]采用試驗(yàn)方法和數(shù)值計(jì)算研究一定關(guān)閥時(shí)間下的關(guān)閥水錘效應(yīng)規(guī)律，分析關(guān)閥速度對(duì)水錘沖擊波形的影響。王新華等[37]指出由于換向閥突然開啟和關(guān)閉瞬間進(jìn)油閥和回油閥開啟與關(guān)閉的滯后，會(huì)導(dǎo)致排出總管內(nèi)產(chǎn)生壓力脈沖尖峰，造成整個(gè)系統(tǒng)的振動(dòng)。

隔膜泵和閥門動(dòng)作對(duì)施藥系統(tǒng)造成的壓力波動(dòng)不容忽視，但是泵輸出的高頻周期脈動(dòng)遇到液壓系統(tǒng)管路的阻抗時(shí)又會(huì)形成更為復(fù)雜的壓力波動(dòng)，這導(dǎo)致各閥門間的壓力差異而且不成一定的規(guī)律，引起各獨(dú)立噴頭間噴霧流量變異較大。郭北濤等[38]指出在水擊波運(yùn)動(dòng)過程中，因?yàn)榱黧w的黏性摩擦和管壁的變形作用，能量不斷損失，因而壓力沖擊波在管道中的傳播是不斷快速衰減并最終消失的振蕩。

在施藥系統(tǒng)中常常設(shè)置回流管路對(duì)噴頭流量和壓力進(jìn)行穩(wěn)定控制。為研究回流比例對(duì)管路壓力波動(dòng)特性的影響，張春鳳等[39]搭建對(duì)靶施藥壓力波動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，裝設(shè)有回流比例閥可將藥液一部分流向5路噴桿，一部分回流至藥箱。研究發(fā)現(xiàn)管路壓力波動(dòng)與關(guān)閉噴頭占比以及系統(tǒng)初始?jí)毫τ忻芮新?lián)系，設(shè)置回流管路可有限減少管路壓力波動(dòng)，并給出了不同靶標(biāo)占比下的最佳回流比例區(qū)間。

2.3 噴頭壓力波動(dòng)特性

現(xiàn)階段對(duì)于施藥系統(tǒng)中壓力波動(dòng)的研究多數(shù)是關(guān)于噴嘴上游管路壓力波動(dòng)的研究，國(guó)內(nèi)對(duì)于電磁閥頻繁啟閉造成的噴頭附近壓力沖擊研究較少。PWM系統(tǒng)旨在根據(jù)所選應(yīng)用壓力提供實(shí)時(shí)流量變化，但是由電磁閥頻繁啟閉帶來的噴頭附近壓力損失和占空比中的壓力動(dòng)態(tài)會(huì)影響流量的一致性，從而影響液滴大小分布、對(duì)作物冠層的穿透性、飄移特性和噴霧角，還會(huì)導(dǎo)致相鄰噴頭噴霧重疊度差，影響覆蓋精度。

施藥系統(tǒng)的脈寬調(diào)制（PWM）電磁閥的出現(xiàn)解決了傳統(tǒng)變壓力式施藥控制系統(tǒng)的一些缺點(diǎn)，控制更為精確。電磁閥工作原理是依靠電磁鐵的通斷電實(shí)現(xiàn)閥門的打開和關(guān)閉。電磁閥在PWM高電平信號(hào)期間通電導(dǎo)致閥門打開，并允許藥液通過噴頭。理想情況下，噴頭處的壓力應(yīng)始終與上游管路壓力保持一致。但是研究表明，在PWM占空比波形中，作用在電磁閥上的瞬時(shí)上游壓力隨電磁閥的啟閉動(dòng)作而變化。當(dāng)閥門開啟時(shí)，噴頭附近上游壓力低于管路壓力，而當(dāng)閥門關(guān)閉時(shí)，上游壓力上升到管路壓力以上并持續(xù)波動(dòng)。Sharda等[40]研究表明，噴頭壓力在目標(biāo)值的7%～20%范圍內(nèi)變化，需要更好的噴頭控制技術(shù)來補(bǔ)償這一誤差。表2為國(guó)內(nèi)外噴頭附近壓力波動(dòng)研究現(xiàn)狀分析。

Silva等[41]測(cè)試了40個(gè)配有脈沖寬度調(diào)制（PWM）電磁閥在有無系統(tǒng)壓力補(bǔ)償、不同占空比、及噴頭開啟數(shù)量等條件下的噴霧壓力以及總流量變化。試驗(yàn)結(jié)果表明，沒有壓力補(bǔ)償噴霧管道的工作壓力顯著低于同條件下具有壓力補(bǔ)償?shù)墓艿缐毫?，從而?dǎo)致總流量也相對(duì)較少，而且兩種壓力條件下的總流量差異隨著占空比和活動(dòng)噴嘴數(shù)量的增加而增加。Wei等[42]設(shè)計(jì)間歇式PWM施藥系統(tǒng)，兩個(gè)高精度壓力傳感器一個(gè)安裝在電磁閥上游另一個(gè)安裝在電磁閥和噴頭之間，來分別測(cè)量作用在電磁閥以及作用在噴嘴上的壓力。研究發(fā)現(xiàn)，作用在PWM電磁閥上的瞬時(shí)上游壓力隨電磁閥動(dòng)作以及PWM占空比而變化，并創(chuàng)新提出“激活壓力”來定義電磁閥在占空比波形內(nèi)打開時(shí)的壓力，在其他條件一定的前提下，作用在噴嘴孔上的平均激活壓力隨著占空比的增大而增大，隨噴嘴孔尺寸的增大而減小。Fabula等[43]研究在不同占空比和工作頻率的條件下，由PWM系統(tǒng)操作的不同電磁閥驅(qū)動(dòng)噴頭在不同應(yīng)用速率和壓力下的壓力損失、流量和響應(yīng)時(shí)間。試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著系統(tǒng)壓力的增加，系統(tǒng)壓力損失增大。并指出在選擇PWM系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)仔細(xì)考慮壓力波動(dòng)峰值和下降時(shí)間的應(yīng)用壓力以及周期內(nèi)穩(wěn)定應(yīng)用壓力的時(shí)間帶來的應(yīng)用誤差。

電磁閥開啟時(shí)間和噴嘴壓力應(yīng)盡可能接近噴嘴處測(cè)量的實(shí)際壓力。然而，以往研究中的噴嘴壓力測(cè)量通常在噴頭體和噴嘴之間添加連接管以方便壓力傳感器的安裝[44]，這增加了噴嘴的內(nèi)部體積，并可能改變決定噴嘴性能的壓力動(dòng)態(tài)。采用嵌入式壓力傳感器對(duì)PWM施藥系統(tǒng)中的噴頭壓力進(jìn)行測(cè)量，探究噴頭體積對(duì)噴頭內(nèi)部壓力動(dòng)態(tài)的影響。結(jié)果表明傳感器的安裝位置以及電磁閥和噴嘴之間的體積會(huì)影響壓力測(cè)量，噴頭體積的變化也會(huì)對(duì)上游壓力造成較為明顯的影響。劉海紅[45]利用FLUENT仿真軟件建立電磁閥模型，分析其工作過程中內(nèi)部的動(dòng)態(tài)流場(chǎng)特征，研究磁閥的關(guān)鍵參數(shù)如響應(yīng)時(shí)間等因素與水錘的關(guān)系，為PWM變量噴施系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和壓力波動(dòng)的穩(wěn)定控制奠定理論基礎(chǔ)。

3 系統(tǒng)壓力波動(dòng)抑制方法及裝備

綜合上節(jié)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀可知：變量施藥系統(tǒng)中存在較嚴(yán)重的壓力波動(dòng)問題。研究施藥系統(tǒng)壓力波動(dòng)抑制方法與裝備，對(duì)提高農(nóng)藥利用率，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)變量施藥裝置的進(jìn)一步優(yōu)化是十分有意義的。

3.1 管路壓力沖擊抑制

為穩(wěn)定管路壓力穩(wěn)定施藥效果，施藥系統(tǒng)常常會(huì)加裝回流裝置，當(dāng)進(jìn)液腔和出液腔之間壓力超過設(shè)定值時(shí)觸發(fā)直接泄壓實(shí)現(xiàn)自動(dòng)回流，避免損壞管道及閥組。在變量施藥系統(tǒng)的主控制閥、比例閥和五路電動(dòng)調(diào)節(jié)閥處裝設(shè)回流至主藥箱的管路，可保持整個(gè)施藥系統(tǒng)壓力穩(wěn)定，同時(shí)延長(zhǎng)控制元件的使用壽命。陳恩福[46]在施藥器的出液管上加裝回流裝置，使得噴槍關(guān)閉時(shí)水泵無需頻繁啟閉，避免對(duì)施藥器的出水管造成過大的壓力沖擊。郭澤旺等[47]在電動(dòng)施藥器內(nèi)加裝回流穩(wěn)定裝置（圖5），當(dāng)藥箱內(nèi)藥液量不足時(shí)限壓閥關(guān)閉，回流攪拌作用停止，藥液只能流向施藥膠管從而使施藥系統(tǒng)保持一定的壓力。

圖6為美國(guó)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的430系列分段支路溢流閥，創(chuàng)新采用計(jì)量旁路球閥設(shè)計(jì)，當(dāng)施藥管路關(guān)閉時(shí)內(nèi)部三通球閥將藥液導(dǎo)向旁路回流泄壓，還可通過刻度旋鈕調(diào)節(jié)回流開度，從而及時(shí)穩(wěn)定由噴頭關(guān)閉引起的壓力沖擊。

空氣閥是一種用于防止停泵水力過渡過程中產(chǎn)生負(fù)壓的特殊閥門，采用補(bǔ)氣的方法防止管道中因負(fù)壓而造成的水錘事故，具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、造價(jià)低、安裝方便、等優(yōu)點(diǎn)。在合理位置安裝合適進(jìn)排氣孔口徑的空氣閥可有效防水錘升壓，但空氣閥的防護(hù)效果受安裝位置和進(jìn)排氣孔口徑的影響較大。周耀輝[29]介紹的氮?dú)馐剿畵粜箟洪y，當(dāng)閥塞前部壓力大于氮?dú)鈮毫蛷椈蓧毫χ蜁r(shí)，閥塞打開，原油通過泄壓閥、泄壓管道流入泄放罐內(nèi)，當(dāng)水擊消失泄壓閥在氮?dú)鈮毫ψ饔孟玛P(guān)閉，從而有效保護(hù)管道，具有反應(yīng)靈敏、安全穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。肖俊建[48]探究管路中的流量脈動(dòng)程度與隔膜泵和空氣室結(jié)構(gòu)及物理參數(shù)的關(guān)系，結(jié)果表明，適度增大空氣室預(yù)充壓力以及空氣室的體積可使流量脈動(dòng)減小。

3.2 噴嘴局部壓力波動(dòng)抑制

由泵源及閥組動(dòng)作引起的噴頭上游壓力波動(dòng)較為明顯也易于監(jiān)測(cè)，可通過上述閥組、蓄能器及控制方法等手段進(jìn)行壓力穩(wěn)定。但是在PWM變量施藥系統(tǒng)中，由于電磁閥頻繁啟閉等因素會(huì)造成噴嘴附近的壓力變化，影響霧滴粒徑及霧滴分布。在PWM變量噴霧系統(tǒng)中采用Capstan Pinpoint控制器來設(shè)置系統(tǒng)壓力、噴嘴開/關(guān)配置和占空比，可以將系統(tǒng)平均噴嘴壓力保持在目標(biāo)的±5%左右[49]。Needham等[50]研發(fā)了一種以控制噴霧液滴大小為目標(biāo)的比例電磁閥控制系統(tǒng)，用于調(diào)節(jié)單個(gè)農(nóng)業(yè)噴霧噴嘴的流體壓力。該調(diào)節(jié)方法利用毗鄰噴嘴的電磁閥，通過改變電磁閥閥錐位置來控制通過閥門的壓降，進(jìn)而控制噴頭的進(jìn)口處壓力。并對(duì)其在恒定和變化壓力下控制平均體積流量的能力進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果表明，流量控制效果良好，與目標(biāo)流量值有很高的相關(guān)性，但是執(zhí)行器的精度還有待提高。

噴頭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化與設(shè)計(jì)也是實(shí)現(xiàn)變量噴頭壓力穩(wěn)定的主要方法。Womac等[51]設(shè)計(jì)了一款變流量扇形噴頭，主要結(jié)構(gòu)包括錐形噴嘴體套筒、計(jì)量柱塞、隔膜和壓力端口，膜片用于通過控制壓力和供應(yīng)管路壓力定位計(jì)量柱塞?？梢栽O(shè)定的目標(biāo)壓力為目標(biāo)，通過改變控制壓力和管線壓力相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的獨(dú)立控制。同樣地，Bui[52]設(shè)計(jì)出一種帶有隨動(dòng)器件的VariTarget變量噴嘴，由計(jì)量閥桿、膜片、彈簧和噴嘴本體組成。此噴頭尖端具有柔性噴孔，其面積由一對(duì)杠桿控制。加壓液體進(jìn)入噴頭體，流經(jīng)計(jì)量閥桿中的計(jì)量槽，從噴嘴尖端的噴孔處流出。當(dāng)計(jì)量閥桿的位置發(fā)生變化時(shí)，流量也會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)液體壓力小于彈簧力時(shí)，計(jì)量閥桿向下移動(dòng)，流量減小，當(dāng)液體壓力大于彈簧力時(shí)，計(jì)量閥桿向上移動(dòng)，流量增大。此噴頭可對(duì)壓力變化作出快速?zèng)Q斷，并已被商品化，開發(fā)出系列變量噴頭。

4 展望

介紹變量施藥系統(tǒng)的組成及工作原理，重點(diǎn)闡述PWM變量施藥系統(tǒng)在工作過程中因噴頭流量變化、隔膜泵的間歇工作特性、電磁閥頻繁啟閉等原因造成的管路壓力波動(dòng)，并針對(duì)不同類型的施藥系統(tǒng)分析管道壓力波動(dòng)特性及消除方法。

1） 藥液濃度調(diào)節(jié)式、壓力調(diào)節(jié)式和流量調(diào)節(jié)式3種施藥系統(tǒng)各有優(yōu)點(diǎn)和劣勢(shì)。壓力調(diào)節(jié)技術(shù)雖然存在噴霧特性不穩(wěn)定等缺點(diǎn)，但由于其成本相對(duì)較低，操作簡(jiǎn)單，是目前應(yīng)用最廣泛的變量施藥系統(tǒng)。盡管藥液濃度調(diào)節(jié)式以及PWM流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的噴霧效果和穩(wěn)定性明顯優(yōu)于前者，但是受限于電磁閥和控制器的成本問題，尚未大面積推廣，可見成本是制約變量噴霧技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要因素。

2） 三種施藥系統(tǒng)在工作過程中普遍存在壓力波動(dòng)問題，造成不理想的施藥效果?，F(xiàn)有研究多數(shù)著眼于系統(tǒng)固有閥件的結(jié)構(gòu)與功能參數(shù)以及PWM控制電磁閥啟閉對(duì)管路壓力波動(dòng)特性、霧化特性的影響。針對(duì)部分噴頭啟閉造成的噴頭附近微小壓力波動(dòng)特性，國(guó)內(nèi)的研究較少。

3） 壓力波動(dòng)抑制方法與裝備研究中，施藥主管道泄壓回流設(shè)計(jì)及壓力、流量等關(guān)鍵參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)及設(shè)備已相對(duì)成熟；多款穩(wěn)壓蓄能器產(chǎn)品相繼問世，朝著實(shí)用和耐用方向發(fā)展；國(guó)外支路溢流技術(shù)已發(fā)展至商品化階段，但國(guó)內(nèi)尚缺乏關(guān)鍵的自主研發(fā)技術(shù)，市面現(xiàn)有的傳感器及控制部件仍以進(jìn)口為主，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上變量施藥設(shè)備售價(jià)較高；針對(duì)噴頭附近壓力沖擊的穩(wěn)定技術(shù)尚處于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)階段。

我國(guó)在變量施藥技術(shù)研發(fā)應(yīng)用與噴霧特性檢測(cè)等方面取得了突破性進(jìn)展，但施藥控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確性、施藥設(shè)備的自動(dòng)化程度仍與國(guó)外先進(jìn)水平有一定差距。首先，目前國(guó)內(nèi)主要針對(duì)施藥系統(tǒng)的管路壓力波動(dòng)特性展開研究，隨著對(duì)變量施藥系統(tǒng)精準(zhǔn)度要求的提高，未來對(duì)如PWM電磁閥頻繁啟閉等因素造成的噴頭附近微小壓力波動(dòng)特性的研究將會(huì)更細(xì)致、更深入。其次，國(guó)內(nèi)施藥控制技術(shù)和壓力穩(wěn)定設(shè)備的創(chuàng)新水平還不夠高，缺少能實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)噴頭的精確控制的施藥系統(tǒng)，以控制手段穩(wěn)定噴霧壓力的研究較少；同時(shí)高速電磁閥、噴頭和閥組等部件依賴進(jìn)口，存在研發(fā)成本高和技術(shù)壁壘等問題。因此，改進(jìn)施藥控制系統(tǒng)，開發(fā)低成本國(guó)產(chǎn)高速電磁閥，研發(fā)針對(duì)噴頭的壓力穩(wěn)定回流產(chǎn)品是十分有必要的。

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