基于SLM技術(shù)的植保無人機霧化噴嘴性能的多維度解析與優(yōu)化策略一、引言1.1研究背景在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，植保工作至關(guān)重要，其效果直接影響農(nóng)作物的產(chǎn)量與質(zhì)量。傳統(tǒng)的植保方式，如人工背負(fù)式噴霧器施藥，存在諸多弊端。人工施藥勞動強度大，作業(yè)效率低下，一名工人一天可能僅能完成幾畝地的施藥工作，難以滿足大面積農(nóng)田的植保需求。而且人工施藥的精準(zhǔn)度有限，容易出現(xiàn)重噴或漏噴的情況，導(dǎo)致農(nóng)藥浪費和防治效果不佳。自走式噴桿噴霧機雖然在一定程度上提高了作業(yè)效率，但對于丘陵、山地、水田等地形復(fù)雜的區(qū)域，其通行和作業(yè)受到很大限制，無法有效覆蓋這些區(qū)域的農(nóng)田。隨著科技的發(fā)展，植保無人機應(yīng)運而生，為農(nóng)業(yè)植保帶來了新的解決方案。植保無人機具有作業(yè)效率高、靈活性強、不受地形限制等優(yōu)勢。它能夠快速覆蓋大面積農(nóng)田，一臺植保無人機一天可完成幾百畝甚至上千畝地的施藥作業(yè)，大大提高了作業(yè)效率。并且可以在復(fù)雜地形的農(nóng)田中自由穿梭，實現(xiàn)精準(zhǔn)施藥，有效克服了傳統(tǒng)植保方式的局限性。在一些山區(qū)果園，植保無人機能夠輕松到達(dá)人工難以抵達(dá)的區(qū)域進(jìn)行施藥，確保果樹得到全面保護(hù)。在植保無人機的施藥系統(tǒng)中，霧化噴嘴是核心部件，其性能對施藥效果起著關(guān)鍵作用。霧化噴嘴的性能直接影響藥液的霧化質(zhì)量，進(jìn)而影響霧滴的粒徑、分布、速度和沉積量等關(guān)鍵指標(biāo)。合適的霧化噴嘴能夠使藥液形成均勻、細(xì)小的霧滴，這些霧滴更容易在作物表面附著和沉積，從而提高農(nóng)藥的利用率，減少農(nóng)藥的浪費和對環(huán)境的污染。如果霧滴粒徑過大，會導(dǎo)致霧滴在空氣中的漂移距離減小，難以均勻覆蓋作物表面，容易造成局部藥量不足，影響防治效果；而霧滴粒徑過小，則容易受到風(fēng)力等因素的影響，產(chǎn)生嚴(yán)重的漂移現(xiàn)象，不僅無法有效作用于目標(biāo)作物，還可能對周圍環(huán)境造成污染。霧化噴嘴的防堵塞性能、噴霧壓力與流量等性能參數(shù)也會影響施藥的穩(wěn)定性和均勻性。若噴嘴容易堵塞，會導(dǎo)致噴霧中斷或不均勻，影響施藥作業(yè)的連續(xù)性和效果；噴霧壓力與流量不合適，則無法滿足不同作物和施藥場景的需求。選擇性激光熔化（SelectiveLaserMelting，SLM）技術(shù)作為一種先進(jìn)的增材制造技術(shù)，近年來在制造業(yè)中得到了廣泛關(guān)注和應(yīng)用。SLM技術(shù)通過高能激光束將金屬粉末逐層熔化并凝固堆積，能夠制造出具有復(fù)雜形狀和高精度的零部件。與傳統(tǒng)制造工藝相比，SLM技術(shù)具有無需模具、設(shè)計自由度高、材料利用率高、生產(chǎn)周期短等優(yōu)勢。在植保無人機霧化噴嘴的制造中，SLM技術(shù)展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用前景。利用SLM技術(shù)可以制造出傳統(tǒng)工藝難以實現(xiàn)的復(fù)雜內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)的噴嘴，這些結(jié)構(gòu)能夠優(yōu)化藥液的流動特性，提高霧化效果，為研發(fā)高性能的植保無人機霧化噴嘴提供了新的途徑。通過SLM技術(shù)制造的帶有特殊內(nèi)部流道的噴嘴，能夠使藥液在噴嘴內(nèi)部充分混合和加速，從而形成更均勻、細(xì)小的霧滴，提升施藥效果。1.2研究目的與意義本研究旨在深入探究基于SLM技術(shù)制造的植保無人機霧化噴嘴的性能，通過理論分析、數(shù)值模擬與實驗研究相結(jié)合的方法，系統(tǒng)地研究噴嘴的霧化特性、內(nèi)部流場特性以及結(jié)構(gòu)參數(shù)對其性能的影響規(guī)律，開發(fā)出具有高性能的植保無人機霧化噴嘴，為提高植保無人機的施藥效果和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率提供理論支持和技術(shù)參考。在當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，農(nóng)藥的有效利用至關(guān)重要。傳統(tǒng)植保無人機霧化噴嘴在施藥過程中，存在農(nóng)藥利用率低的問題。據(jù)相關(guān)研究表明，傳統(tǒng)噴嘴施藥時，僅有約30%-40%的農(nóng)藥能夠有效沉積在作物表面，其余大部分農(nóng)藥因霧滴粒徑不合理、分布不均勻以及漂移等原因而浪費。這不僅造成了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本的增加，還對環(huán)境產(chǎn)生了嚴(yán)重的負(fù)面影響。大量未被利用的農(nóng)藥進(jìn)入土壤、水體和大氣，導(dǎo)致土壤污染、水體富營養(yǎng)化以及空氣污染等環(huán)境問題，對生態(tài)系統(tǒng)的平衡和生物多樣性構(gòu)成威脅?；赟LM技術(shù)的植保無人機霧化噴嘴研究具有重大的現(xiàn)實意義。一方面，通過優(yōu)化噴嘴設(shè)計和制造工藝，提高其霧化性能，可以使藥液形成更均勻、細(xì)小的霧滴，這些霧滴更容易在作物表面附著和沉積，從而顯著提高農(nóng)藥的利用率，減少農(nóng)藥的使用量。這不僅有助于降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，減輕農(nóng)民的經(jīng)濟負(fù)擔(dān)，還能有效減少農(nóng)藥對環(huán)境的污染，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。另一方面，該研究能夠推動SLM技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展，為農(nóng)業(yè)裝備的創(chuàng)新提供新的思路和方法。SLM技術(shù)具有制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件的優(yōu)勢，將其應(yīng)用于植保無人機霧化噴嘴的制造，能夠突破傳統(tǒng)制造工藝的限制，開發(fā)出性能更優(yōu)越的噴嘴產(chǎn)品，提升我國農(nóng)業(yè)裝備的技術(shù)水平和市場競爭力。1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在植保無人機霧化噴嘴性能研究方面，國內(nèi)外學(xué)者已取得了一定成果。國外研究起步較早，美國、德國、日本等國家的科研團隊和企業(yè)在該領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究服務(wù)局的研究人員對不同類型的植保無人機霧化噴嘴進(jìn)行了大量的實驗研究，分析了噴嘴結(jié)構(gòu)、噴霧壓力、藥液性質(zhì)等因素對霧滴粒徑分布和沉積特性的影響，發(fā)現(xiàn)通過優(yōu)化噴嘴的內(nèi)部流道形狀和尺寸，可以有效改善霧滴的均勻性和沉積效果。德國弗勞恩霍夫生產(chǎn)技術(shù)研究所利用先進(jìn)的測量技術(shù)，如激光粒度分析儀、高速攝像機等，對霧化噴嘴的噴霧過程進(jìn)行了深入研究，揭示了霧滴的形成機制和運動規(guī)律，為噴嘴的優(yōu)化設(shè)計提供了理論依據(jù)。日本的農(nóng)業(yè)機械企業(yè)在植保無人機霧化噴嘴的研發(fā)中，注重將先進(jìn)的材料技術(shù)和制造工藝應(yīng)用于噴嘴生產(chǎn)，提高了噴嘴的耐磨性和耐腐蝕性，延長了噴嘴的使用壽命。國內(nèi)對植保無人機霧化噴嘴的研究近年來也日益增多。浙江大學(xué)的何勇等人對植保無人機常用噴嘴的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了全面的綜述，討論總結(jié)了液力霧化噴嘴與旋轉(zhuǎn)離心霧化噴嘴的分類、原理、噴施參數(shù)及其應(yīng)用場合，并針對霧滴粒徑、分布、速度、沉積量等霧滴評價指標(biāo)，對常用霧滴測量手段進(jìn)行了分類討論，為國內(nèi)植保無人機霧化噴嘴的研究和應(yīng)用提供了重要的參考。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的研究團隊通過實驗研究，分析了不同噴霧參數(shù)下植保無人機霧化噴嘴的霧化性能，提出了通過調(diào)整噴霧壓力和流量來優(yōu)化霧滴粒徑和分布的方法，以提高農(nóng)藥的利用率和施藥效果。在SLM技術(shù)應(yīng)用于植保無人機霧化噴嘴的研究方面，國外的一些研究主要集中在利用SLM技術(shù)制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)的噴嘴，并對其性能進(jìn)行初步測試。例如，英國的一家增材制造研究機構(gòu)利用SLM技術(shù)制造了具有內(nèi)部復(fù)雜冷卻通道的植保無人機霧化噴嘴，通過實驗驗證了該噴嘴在高溫環(huán)境下的可靠性和穩(wěn)定性，但其研究主要側(cè)重于噴嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造工藝，對噴嘴在實際植保作業(yè)中的性能表現(xiàn)研究較少。國內(nèi)在這方面的研究相對較少，但也有一些團隊開始關(guān)注。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的孫振民等人基于SLM技術(shù)對植保無人機霧化噴嘴的性能進(jìn)行了研究，通過數(shù)值模擬和實驗相結(jié)合的方法，分析了SLM制造的噴嘴內(nèi)部流場特性和霧化性能，發(fā)現(xiàn)SLM技術(shù)制造的噴嘴能夠?qū)崿F(xiàn)更復(fù)雜的內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)，有利于提高霧化效果，但該研究在噴嘴的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和實際應(yīng)用方面還有待進(jìn)一步深入。當(dāng)前研究在基于SLM技術(shù)的植保無人機霧化噴嘴性能研究方面仍存在一些不足。一方面，對于SLM技術(shù)制造的噴嘴內(nèi)部流場特性的研究還不夠深入，對復(fù)雜內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)與流場特性之間的關(guān)系尚未完全明確，導(dǎo)致難以實現(xiàn)對噴嘴性能的精準(zhǔn)優(yōu)化。另一方面，在實際應(yīng)用中，對SLM制造的噴嘴與不同類型植保無人機的適配性研究較少，缺乏針對不同作業(yè)環(huán)境和作物需求的噴嘴選型和應(yīng)用指導(dǎo)。此外，現(xiàn)有研究在噴嘴的耐久性和可靠性方面的研究也相對薄弱，無法滿足植保無人機長期穩(wěn)定作業(yè)的需求。本研究將針對這些不足，深入開展基于SLM技術(shù)的植保無人機霧化噴嘴性能研究，旨在填補相關(guān)研究空白，為提高植保無人機的施藥效果提供更有力的技術(shù)支持。二、SLM技術(shù)與植保無人機霧化噴嘴概述2.1SLM技術(shù)原理與特點2.1.1SLM技術(shù)工作原理SLM技術(shù)是一種基于粉末床的增材制造技術(shù)，其工作原理是利用高功率密度的激光束作為熱源，將金屬粉末逐層熔化并凝固堆積，從而構(gòu)建出三維實體零件。在SLM成型過程中，首先需要通過計算機輔助設(shè)計（CAD）軟件創(chuàng)建出目標(biāo)零件的三維模型，然后將該模型導(dǎo)入到切片軟件中進(jìn)行切片分層處理，將三維模型離散成一系列二維截面圖形，并生成相應(yīng)的激光掃描路徑。準(zhǔn)備階段，將金屬粉末均勻地鋪展在成型平臺上，形成一層厚度均勻的粉末層。一般來說，粉末層的厚度在20-100μm之間，具體厚度取決于零件的精度要求和材料特性。激光掃描系統(tǒng)根據(jù)切片軟件生成的掃描路徑，控制激光束在粉末層上進(jìn)行精確掃描。當(dāng)激光束照射到金屬粉末上時，粉末吸收激光的能量，溫度迅速升高并達(dá)到熔點，從而完全熔化。在激光束掃描過后，熔化的金屬粉末迅速冷卻凝固，與下層已凝固的金屬層形成冶金結(jié)合，完成一個二維截面的成型。成型平臺下降一個層厚的距離，鋪粉裝置再次在已成型的截面上均勻鋪上一層新的金屬粉末，重復(fù)上述激光掃描和熔化凝固的過程，如此層層堆積，最終形成完整的三維實體零件。與其他成型技術(shù)相比，如傳統(tǒng)的鑄造、鍛造和機械加工等，SLM技術(shù)具有獨特的優(yōu)勢。傳統(tǒng)鑄造工藝是將液態(tài)金屬倒入模具型腔中，待其冷卻凝固后獲得零件形狀，但鑄造過程中容易產(chǎn)生縮孔、氣孔等缺陷，且對于復(fù)雜形狀零件的制造難度較大，需要制作復(fù)雜的模具。鍛造工藝則是通過對金屬坯料施加壓力，使其產(chǎn)生塑性變形而獲得所需形狀，鍛造零件的組織致密、力學(xué)性能較好，但同樣受到模具的限制，對于形狀復(fù)雜、小批量生產(chǎn)的零件成本較高。機械加工是通過去除材料的方式，將原材料加工成所需零件，這種方法浪費材料，且對于復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的零件難以加工。而SLM技術(shù)無需模具，能夠直接根據(jù)三維模型制造出具有復(fù)雜形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的零件，大大縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期和制造成本。與同樣屬于增材制造技術(shù)的選擇性激光燒結(jié)（SLS）相比，SLM技術(shù)的粉末結(jié)合方式不同，SLS是通過低熔點金屬或粘結(jié)劑的熔化將高熔點的金屬或非金屬粉末粘結(jié)在一起，成型件中存在孔隙，致密度較低；而SLM技術(shù)是將金屬粉末完全熔化，致密度幾乎能達(dá)到100％，機械性能與鍛造工藝所得相當(dāng)，能夠制造出性能更優(yōu)越的零件。2.1.2SLM技術(shù)在制造領(lǐng)域的優(yōu)勢SLM技術(shù)在制造領(lǐng)域展現(xiàn)出多方面的顯著優(yōu)勢，這些優(yōu)勢使其在眾多行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，并推動了制造業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展。首先，SLM技術(shù)能夠制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零部件。傳統(tǒng)制造工藝在制造具有復(fù)雜內(nèi)部流道、異形結(jié)構(gòu)或精細(xì)特征的零件時，往往面臨諸多挑戰(zhàn)，甚至難以實現(xiàn)。而SLM技術(shù)不受模具和加工工藝的限制，能夠根據(jù)三維模型直接制造出這些復(fù)雜結(jié)構(gòu)。在航空航天領(lǐng)域，發(fā)動機的渦輪葉片需要具有復(fù)雜的內(nèi)部冷卻通道，以提高其在高溫環(huán)境下的性能和可靠性。采用SLM技術(shù)可以直接制造出帶有這些復(fù)雜冷卻通道的渦輪葉片，無需進(jìn)行繁瑣的后續(xù)加工和組裝，不僅提高了葉片的性能，還減輕了重量，降低了成本。在醫(yī)療領(lǐng)域，定制化的植入物需要與患者的身體結(jié)構(gòu)精確匹配，SLM技術(shù)能夠根據(jù)患者的醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)制造出具有復(fù)雜形狀和個性化結(jié)構(gòu)的植入物，提高了植入物的適配性和生物相容性。其次，SLM技術(shù)具有極高的材料利用率。在傳統(tǒng)的金屬加工方法中，如鑄造、鍛造和機械加工等，往往需要通過切削、打磨等工藝去除大量的材料，以獲得所需的零件形狀，這導(dǎo)致材料利用率低下，大量的原材料被浪費。而SLM技術(shù)采用逐層堆積的方式，直接將金屬粉末熔化并固化成所需形狀，無需額外的切削或打磨過程，材料利用率可高達(dá)90%以上。這不僅降低了原材料成本，還減少了廢棄物的產(chǎn)生，符合可持續(xù)發(fā)展的理念。對于一些稀有、昂貴的金屬材料，如鈦合金、鎳基高溫合金等，SLM技術(shù)的高材料利用率優(yōu)勢更為突出，能夠充分發(fā)揮這些材料的性能優(yōu)勢，同時降低制造成本。再者，SLM技術(shù)為實現(xiàn)個性化定制提供了有力支持。在當(dāng)今市場需求日益多樣化的背景下，個性化定制成為制造業(yè)發(fā)展的重要趨勢。SLM技術(shù)能夠根據(jù)客戶的特定需求，快速調(diào)整設(shè)計方案，并直接制造出滿足個性化要求的產(chǎn)品。在汽車制造領(lǐng)域，對于一些高端定制車型或特殊用途的零部件，如賽車的輕量化零部件、個性化的內(nèi)飾件等，SLM技術(shù)可以根據(jù)客戶的設(shè)計要求，快速制造出獨一無二的產(chǎn)品，滿足客戶的個性化需求，提升產(chǎn)品的附加值。在消費電子產(chǎn)品領(lǐng)域，SLM技術(shù)也可用于制造個性化的手機外殼、手表表盤等產(chǎn)品，為消費者提供更多的選擇。此外，SLM技術(shù)還能夠有效提升產(chǎn)品的性能。由于SLM技術(shù)制造的零件具有致密的微觀結(jié)構(gòu)，無氣孔、夾雜等缺陷，因此在力學(xué)性能、耐腐蝕性、耐磨性等方面表現(xiàn)出色。通過優(yōu)化SLM工藝參數(shù)和材料配方，可以進(jìn)一步提高零件的性能。在模具制造領(lǐng)域，采用SLM技術(shù)制造的模具具有更高的硬度、強度和耐磨性，能夠顯著延長模具的使用壽命，提高生產(chǎn)效率。在石油化工領(lǐng)域，SLM制造的耐腐蝕零部件能夠在惡劣的化學(xué)環(huán)境下穩(wěn)定工作，保障設(shè)備的安全運行。SLM技術(shù)在制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)、提高材料利用率、實現(xiàn)個性化定制以及提升產(chǎn)品性能等方面具有獨特的優(yōu)勢，這些優(yōu)勢使其在航空航天、醫(yī)療、汽車、模具等眾多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，為制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級和創(chuàng)新發(fā)展提供了重要的技術(shù)支撐。2.2植保無人機霧化噴嘴的作用與分類2.2.1霧化噴嘴在植保無人機中的重要作用在植保無人機的施藥作業(yè)中，霧化噴嘴扮演著至關(guān)重要的角色，其性能直接關(guān)乎施藥效果的優(yōu)劣以及農(nóng)藥利用率的高低。霧化噴嘴對藥液霧化效果起著決定性作用。合適的霧化噴嘴能夠?qū)⑺幰焊咝У仄扑槌杉?xì)小均勻的霧滴。當(dāng)霧滴粒徑處于合適范圍時，例如在50-200μm之間，霧滴能夠在空氣中穩(wěn)定懸浮，并均勻地分布在作物的各個部位。這是因為小粒徑的霧滴具有更大的比表面積，能夠與作物表面充分接觸，增加了農(nóng)藥與病蟲害的接觸幾率，從而提高了防治效果。在對小麥病蟲害進(jìn)行防治時，細(xì)小均勻的霧滴可以更好地覆蓋小麥葉片的正反兩面，有效抑制病蟲害的滋生和傳播。相反，如果霧化噴嘴性能不佳，導(dǎo)致霧滴粒徑過大，如超過300μm，霧滴在重力作用下會迅速沉降，難以在作物表面均勻分布，容易造成局部藥量不足，無法達(dá)到預(yù)期的防治效果；而霧滴粒徑過小，如小于50μm，霧滴則容易受到風(fēng)力、氣流等因素的影響，產(chǎn)生嚴(yán)重的漂移現(xiàn)象，不僅無法有效作用于目標(biāo)作物，還可能對周圍環(huán)境造成污染。噴灑均勻性也是衡量霧化噴嘴性能的重要指標(biāo)。良好的霧化噴嘴能夠確保在整個噴灑區(qū)域內(nèi)，霧滴的分布密度和沉積量保持相對一致。這對于保證農(nóng)作物的全面保護(hù)至關(guān)重要。以大面積的水稻田施藥為例，均勻的噴灑可以使每一株水稻都能得到適量的農(nóng)藥，避免出現(xiàn)重噴或漏噴的情況。重噴會導(dǎo)致局部農(nóng)藥濃度過高，可能對作物造成藥害，影響作物的生長和產(chǎn)量；漏噴則會使部分區(qū)域的病蟲害得不到有效控制，從而降低防治效果。霧化噴嘴的均勻性還與噴嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計、噴霧壓力以及噴頭的排列方式等因素密切相關(guān)。合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計可以使藥液在噴嘴內(nèi)部均勻分布，穩(wěn)定的噴霧壓力能夠保證霧滴的形成和噴出具有一致性，科學(xué)的噴頭排列方式則可以使噴灑區(qū)域相互重疊，進(jìn)一步提高噴灑的均勻性。覆蓋范圍同樣是霧化噴嘴性能的關(guān)鍵體現(xiàn)。高效的霧化噴嘴能夠使霧滴在一定的噴霧角度和射程范圍內(nèi)均勻分散，從而擴大施藥的覆蓋面積。在實際作業(yè)中，根據(jù)不同的作物類型和種植模式，需要調(diào)整霧化噴嘴的參數(shù)，以實現(xiàn)最佳的覆蓋效果。對于高大的果樹，需要選擇具有較大噴霧角度和射程的噴嘴，確保霧滴能夠覆蓋到樹冠的各個部位；而對于低矮的蔬菜作物，則可以選擇噴霧角度較小、射程較近的噴嘴，以提高霧滴的沉積效率。覆蓋范圍還受到風(fēng)速、風(fēng)向等環(huán)境因素的影響。在有風(fēng)的情況下，霧滴會隨著氣流漂移，此時需要根據(jù)風(fēng)向和風(fēng)速調(diào)整無人機的飛行姿態(tài)和噴嘴的噴霧方向，以保證施藥的覆蓋范圍和效果。霧化噴嘴作為植保無人機施藥系統(tǒng)的核心部件，其性能直接影響著藥液的霧化效果、噴灑均勻性和覆蓋范圍，進(jìn)而對病蟲害防治效果和農(nóng)藥利用率產(chǎn)生重大影響。因此，深入研究霧化噴嘴的性能，開發(fā)高性能的霧化噴嘴，對于提高植保無人機的施藥質(zhì)量和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟效益、生態(tài)效益具有重要意義。2.2.2常見霧化噴嘴的類型及工作原理在植保無人機領(lǐng)域，常見的霧化噴嘴類型多樣，每種類型都具有獨特的工作原理、結(jié)構(gòu)特點及適用場景。液力霧化噴嘴是最為常用的一種霧化噴嘴。其工作原理基于液體的壓力能轉(zhuǎn)化為動能。在液力霧化噴嘴中，通過液泵對藥液施加一定的壓力，使藥液在高壓作用下高速通過噴嘴的噴孔。當(dāng)藥液從噴孔噴出時，由于受到空氣阻力和內(nèi)部剪切力的作用，藥液被破碎成細(xì)小的液滴，從而實現(xiàn)霧化。液力霧化噴嘴的結(jié)構(gòu)相對簡單，主要由噴嘴體、噴孔、濾網(wǎng)等部分組成。噴嘴體用于連接供液管道和噴孔，噴孔的形狀和尺寸對霧滴粒徑和噴霧形狀起著關(guān)鍵作用，常見的噴孔形狀有圓形、扇形等。濾網(wǎng)則用于過濾藥液中的雜質(zhì)，防止噴孔堵塞。液力霧化噴嘴的優(yōu)點是藥液下壓力大，穿透性強，產(chǎn)生的藥液飄逸量較小，不易因溫度高、干旱等蒸發(fā)散失，而且噴灑系統(tǒng)相對簡單，成本較低。在對棉花等密植作物進(jìn)行病蟲害防治時，液力霧化噴嘴能夠利用其較強的穿透力，將藥液有效地噴灑到作物的各個部位。然而，液力霧化噴嘴也存在一些缺點，如藥液霧化不均勻，霧滴直徑相差較大，而且噴頭容易堵塞，尤其是在噴粉劑時。旋轉(zhuǎn)離心霧化噴嘴則是利用離心力來實現(xiàn)藥液的霧化。這種噴嘴通常由電機帶動噴頭高速旋轉(zhuǎn)，藥液通過進(jìn)液管進(jìn)入旋轉(zhuǎn)的噴頭內(nèi)部。在離心力的作用下，藥液被加速并從噴頭的邊緣甩出，形成細(xì)小的霧滴。旋轉(zhuǎn)離心霧化噴嘴的結(jié)構(gòu)一般包括電機、旋轉(zhuǎn)軸、噴頭體等部分。電機提供動力，使旋轉(zhuǎn)軸帶動噴頭體高速旋轉(zhuǎn)，噴頭體上設(shè)計有特殊的流道和出口結(jié)構(gòu)，以確保藥液能夠在離心力的作用下均勻地甩出。旋轉(zhuǎn)離心霧化噴嘴的優(yōu)點是藥液霧化均勻，霧化效果好，霧滴直徑相差不大。在對小麥、水稻等農(nóng)作物進(jìn)行葉面肥噴灑或病蟲害防治時，能夠均勻地將藥液噴灑在作物表面，提高肥料和農(nóng)藥的利用率。但它也有不足之處，離心噴頭基本上沒有什么下壓力，完全憑借無人機的風(fēng)場下壓，相比較壓力噴頭而言飄逸量大一些，對于高桿作物和果樹來說效果差一些，而且離心噴頭的配件很容易出現(xiàn)問題，有刷電機版的電機容易損壞，壽命較短，更換頻率較高，無刷電機版的成本較高。除了上述兩種常見的霧化噴嘴類型外，還有氣力霧化噴嘴等。氣力霧化噴嘴是利用高速氣流與藥液之間的相互作用來實現(xiàn)霧化。其工作原理是將壓縮空氣或高速氣流引入噴嘴，與藥液在噴嘴內(nèi)部混合。高速氣流對藥液產(chǎn)生強烈的剪切和沖擊作用，使藥液破碎成細(xì)小的霧滴。氣力霧化噴嘴的結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，通常需要配備專門的氣源設(shè)備。它的優(yōu)點是能夠產(chǎn)生非常細(xì)小的霧滴，適用于對霧滴粒徑要求較高的場合，如對一些精細(xì)作物的病蟲害防治。但氣力霧化噴嘴的能耗較高，設(shè)備成本也相對較高。不同類型的霧化噴嘴在植保無人機施藥作業(yè)中各有優(yōu)劣。在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的作業(yè)需求、作物類型、農(nóng)藥特性以及環(huán)境條件等因素，綜合考慮選擇合適的霧化噴嘴，以確保施藥效果的最優(yōu)化。三、基于SLM技術(shù)的霧化噴嘴設(shè)計與制造3.1噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化3.1.1基于流體力學(xué)的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化在植保無人機霧化噴嘴的設(shè)計中，基于流體力學(xué)原理對結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化是提升其性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過深入分析噴嘴內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)、噴孔形狀和尺寸等參數(shù)對藥液流動和霧化效果的影響，能夠為優(yōu)化設(shè)計提供堅實的理論基礎(chǔ)。噴嘴內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)對藥液的流動特性有著顯著影響。復(fù)雜且合理的流道結(jié)構(gòu)能夠引導(dǎo)藥液在噴嘴內(nèi)部形成穩(wěn)定、均勻的流動，減少流動阻力和能量損失。研究表明，在流道設(shè)計中采用收縮-擴張型結(jié)構(gòu)，可使藥液在收縮段加速，獲得較高的動能，在擴張段則能夠使藥液的流速和壓力分布更加均勻。這種結(jié)構(gòu)能夠有效提高藥液的霧化質(zhì)量，使霧滴更加細(xì)小均勻。在一些先進(jìn)的植保無人機霧化噴嘴設(shè)計中，采用了螺旋形流道結(jié)構(gòu)，藥液在螺旋形流道中流動時，會產(chǎn)生離心力，進(jìn)一步促進(jìn)藥液的分散和霧化，從而顯著提高了霧化效果。噴孔形狀是影響霧化效果的重要因素之一。不同的噴孔形狀會導(dǎo)致藥液在噴出時受到不同的作用力，進(jìn)而產(chǎn)生不同的霧化效果。圓形噴孔是最為常見的噴孔形狀，其加工工藝相對簡單，能夠使藥液在噴出時形成較為均勻的噴霧錐角。然而，圓形噴孔在某些情況下，可能會導(dǎo)致霧滴粒徑分布不夠均勻。相比之下，扇形噴孔能夠使藥液在一定角度范圍內(nèi)形成扇形噴霧，適用于大面積的噴灑作業(yè)。通過優(yōu)化扇形噴孔的角度和形狀，可以使霧滴在噴灑區(qū)域內(nèi)更加均勻地分布，提高噴灑的覆蓋面積和均勻性。在對果園進(jìn)行病蟲害防治時，采用扇形噴孔的霧化噴嘴能夠更好地覆蓋果樹的樹冠，確保每一片葉子都能得到均勻的農(nóng)藥噴灑。橢圓形噴孔則具有獨特的霧化特性，能夠在一定程度上調(diào)節(jié)霧滴的粒徑和分布，適用于對霧滴特性有特殊要求的作業(yè)場景。噴孔尺寸的大小直接影響藥液的噴出速度和流量，進(jìn)而影響霧化效果。較小的噴孔尺寸能夠使藥液在噴出時獲得較高的速度，從而更容易被破碎成細(xì)小的霧滴。但是，噴孔尺寸過小也會導(dǎo)致藥液流量減小，影響作業(yè)效率，并且容易發(fā)生堵塞。較大的噴孔尺寸能夠提高藥液的流量，適合大面積的快速噴灑作業(yè)，但可能會使霧滴粒徑增大，霧化效果變差。因此，需要根據(jù)具體的作業(yè)需求，合理選擇噴孔尺寸。在對大面積的農(nóng)田進(jìn)行常規(guī)病蟲害防治時，可以選擇較大尺寸的噴孔，以提高作業(yè)效率；而在對一些精細(xì)作物進(jìn)行防治時，則需要選擇較小尺寸的噴孔，以確保霧化效果和防治精度。為了實現(xiàn)對噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，通常采用數(shù)值模擬和實驗研究相結(jié)合的方法。利用計算流體力學(xué)（CFD）軟件，如ANSYSFluent、COMSOLMultiphysics等，對噴嘴內(nèi)部的流場進(jìn)行模擬分析。通過建立噴嘴的三維模型，設(shè)置合理的邊界條件和物理參數(shù)，模擬藥液在噴嘴內(nèi)部的流動過程，獲取流場的速度、壓力、湍動能等信息，從而深入了解結(jié)構(gòu)參數(shù)對藥液流動和霧化效果的影響規(guī)律。在模擬過程中，可以對不同的流道結(jié)構(gòu)、噴孔形狀和尺寸進(jìn)行參數(shù)化研究，對比分析各種方案的模擬結(jié)果，篩選出最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合。通過數(shù)值模擬得到的優(yōu)化方案，還需要通過實驗進(jìn)行驗證和進(jìn)一步優(yōu)化。實驗研究可以采用激光粒度分析儀、高速攝像機等先進(jìn)的測量設(shè)備，對噴嘴的霧化效果進(jìn)行準(zhǔn)確測量。激光粒度分析儀能夠精確測量霧滴的粒徑分布，高速攝像機則可以捕捉霧滴的形成和運動過程，為分析霧化機理提供直觀的圖像數(shù)據(jù)。通過實驗結(jié)果與模擬結(jié)果的對比分析，能夠驗證模擬模型的準(zhǔn)確性，同時發(fā)現(xiàn)模擬過程中未考慮到的因素，對優(yōu)化方案進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)整和完善。通過多次的模擬和實驗迭代，能夠不斷優(yōu)化噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)，提高其霧化性能，滿足植保無人機在不同作業(yè)場景下的需求。3.1.2考慮抗堵塞性能的結(jié)構(gòu)改進(jìn)在植保無人機的實際作業(yè)過程中，霧化噴嘴的堵塞問題嚴(yán)重影響著施藥效果和作業(yè)效率，甚至可能導(dǎo)致整個施藥作業(yè)的中斷。為了解決這一問題，需要從結(jié)構(gòu)設(shè)計入手，對霧化噴嘴進(jìn)行針對性的改進(jìn)，以提高其抗堵塞性能。增加濾網(wǎng)是一種常見且有效的防堵塞措施。在噴嘴的進(jìn)液口處安裝濾網(wǎng)，可以有效過濾藥液中的雜質(zhì)，防止其進(jìn)入噴嘴內(nèi)部，從而降低噴孔堵塞的風(fēng)險。濾網(wǎng)的材質(zhì)、目數(shù)和結(jié)構(gòu)對其過濾效果和使用壽命有著重要影響。材質(zhì)方面，應(yīng)選擇耐腐蝕、強度高的材料，如不銹鋼、尼龍等。不銹鋼濾網(wǎng)具有良好的耐腐蝕性和機械強度，能夠在惡劣的藥液環(huán)境中長時間穩(wěn)定工作；尼龍濾網(wǎng)則具有較高的過濾精度和柔韌性，能夠有效過濾微小的雜質(zhì)顆粒。目數(shù)的選擇需要根據(jù)藥液中雜質(zhì)的大小和數(shù)量來確定。一般來說，目數(shù)越高，過濾精度越高，但同時也會增加濾網(wǎng)的阻力，影響藥液的流量。在實際應(yīng)用中，需要綜合考慮過濾效果和藥液流量的需求，選擇合適目數(shù)的濾網(wǎng)。濾網(wǎng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計也至關(guān)重要，合理的結(jié)構(gòu)能夠提高濾網(wǎng)的過濾效率和清洗便利性。例如，采用多層濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)，不同目數(shù)的濾網(wǎng)相互配合，可以實現(xiàn)對不同大小雜質(zhì)的多級過濾；設(shè)計可拆卸的濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)，便于在濾網(wǎng)堵塞時進(jìn)行清洗和更換，提高了噴嘴的維護(hù)性。改變流道形狀也是提高噴嘴抗堵塞性能的重要方法。傳統(tǒng)的直筒形流道容易使雜質(zhì)在流道內(nèi)積聚，導(dǎo)致堵塞。通過優(yōu)化流道形狀，如采用錐形、螺旋形或變截面流道等，可以改善藥液的流動狀態(tài)，減少雜質(zhì)的沉積。錐形流道能夠使藥液在流動過程中逐漸加速，利用高速流動的藥液將雜質(zhì)帶出流道，從而降低堵塞的可能性。螺旋形流道則使藥液產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動，利用離心力將雜質(zhì)甩向流道壁，避免其在流道中心積聚。變截面流道可以根據(jù)藥液的流動特性，在不同部位設(shè)置不同的截面尺寸，使藥液在流道內(nèi)的流速和壓力分布更加合理，減少雜質(zhì)的沉積區(qū)域。在一些新型的植保無人機霧化噴嘴設(shè)計中，采用了變截面的螺旋形流道結(jié)構(gòu)，不僅提高了藥液的霧化效果，還顯著增強了噴嘴的抗堵塞性能。除了增加濾網(wǎng)和改變流道形狀外，還可以通過設(shè)計特殊的防堵塞結(jié)構(gòu)來進(jìn)一步提高噴嘴的抗堵塞性能。例如，在噴嘴內(nèi)部設(shè)置擾流片或攪拌裝置，使藥液在流動過程中產(chǎn)生紊流，避免雜質(zhì)沉淀。擾流片可以改變藥液的流動方向和速度，使雜質(zhì)難以在同一位置積聚；攪拌裝置則能夠不斷攪動藥液，防止雜質(zhì)在噴嘴內(nèi)部靜止沉淀。一些噴嘴在噴孔周圍設(shè)置了輔助氣孔，通過向噴孔噴射高速氣流，將噴孔周圍的雜質(zhì)吹離，保持噴孔的暢通。在一些容易產(chǎn)生結(jié)晶或沉淀的藥液施藥場景中，這種帶有輔助氣孔的防堵塞結(jié)構(gòu)能夠有效地防止噴孔堵塞，保證施藥作業(yè)的順利進(jìn)行。為了驗證改進(jìn)后的噴嘴抗堵塞性能，需要進(jìn)行一系列的實驗研究。可以采用含有不同雜質(zhì)的藥液進(jìn)行模擬實驗，觀察噴嘴在不同工況下的堵塞情況，并與傳統(tǒng)噴嘴進(jìn)行對比分析。通過實驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和分析，評估改進(jìn)措施的有效性，進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計。還可以在實際的植保作業(yè)中對改進(jìn)后的噴嘴進(jìn)行測試，檢驗其在復(fù)雜環(huán)境下的抗堵塞性能和穩(wěn)定性。通過實際應(yīng)用的反饋，不斷完善噴嘴的設(shè)計，提高其可靠性和使用壽命，為植保無人機的高效施藥提供有力保障。3.2SLM制造工藝參數(shù)研究3.2.1激光功率、掃描速度等參數(shù)對成型質(zhì)量的影響SLM制造工藝參數(shù)眾多，其中激光功率、掃描速度、掃描策略等參數(shù)對植保無人機霧化噴嘴的成型質(zhì)量有著顯著影響，深入研究這些參數(shù)的作用機制，對于優(yōu)化制造工藝、提高噴嘴性能具有重要意義。激光功率是影響成型質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)之一。當(dāng)激光功率較低時，金屬粉末吸收的能量不足，無法完全熔化，導(dǎo)致成型件內(nèi)部存在大量未熔合的粉末顆粒，從而降低了成型件的致密度。這些未熔合的區(qū)域成為缺陷源，會削弱成型件的力學(xué)性能，使其在使用過程中容易發(fā)生破裂或損壞。在對316L不銹鋼粉末進(jìn)行SLM成型實驗時，發(fā)現(xiàn)當(dāng)激光功率為100W時，成型件的致密度僅為80%左右，內(nèi)部存在明顯的孔隙和未熔合區(qū)域。隨著激光功率的增加，金屬粉末能夠吸收更多的能量，熔化更加充分，致密度逐漸提高。但如果激光功率過高，會使金屬粉末過度熔化，產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，導(dǎo)致成型件發(fā)生變形甚至出現(xiàn)裂紋。當(dāng)激光功率達(dá)到300W時，雖然成型件的致密度有所提高，但由于熱應(yīng)力過大，成型件出現(xiàn)了明顯的變形和裂紋，嚴(yán)重影響了其尺寸精度和表面質(zhì)量。掃描速度同樣對成型質(zhì)量有著重要影響。掃描速度過快，激光在單位面積上的作用時間過短，金屬粉末無法充分吸收能量，導(dǎo)致熔化不完全，成型件的致密度降低。而且，過快的掃描速度還會使成型件表面粗糙度增加，因為快速掃描會導(dǎo)致熔池不穩(wěn)定，形成不平整的表面。在實驗中，當(dāng)掃描速度為1000mm/s時，成型件的表面粗糙度達(dá)到了10μm左右，致密度也降至85%以下。相反，掃描速度過慢，會使單位面積上的能量輸入過多，導(dǎo)致熔池過熱，同樣會產(chǎn)生熱應(yīng)力和變形問題，同時還會降低生產(chǎn)效率。當(dāng)掃描速度為200mm/s時，雖然成型件的致密度有所提高，但由于熱應(yīng)力的作用，成型件出現(xiàn)了翹曲變形，而且生產(chǎn)時間大幅增加，無法滿足大規(guī)模生產(chǎn)的需求。掃描策略是指激光在粉末層上的掃描路徑和方式，不同的掃描策略會導(dǎo)致不同的能量分布和熱傳遞過程，從而影響成型質(zhì)量。常見的掃描策略有單向掃描、雙向掃描、棋盤格掃描等。單向掃描是激光沿著一個方向進(jìn)行掃描，這種掃描策略簡單，但容易導(dǎo)致能量分布不均勻，在掃描方向上的熱應(yīng)力較大，容易使成型件產(chǎn)生裂紋和變形。雙向掃描是激光在往返兩個方向上進(jìn)行掃描，能夠在一定程度上改善能量分布的均勻性，但在掃描方向的切換處仍可能存在能量波動。棋盤格掃描是將粉末層劃分為多個小區(qū)域，激光按照棋盤格的方式依次掃描這些區(qū)域，這種掃描策略能夠使能量更加均勻地分布在整個粉末層上，有效減少熱應(yīng)力和變形問題，提高成型件的質(zhì)量。在對鋁合金粉末進(jìn)行SLM成型時，采用棋盤格掃描策略得到的成型件致密度比單向掃描策略提高了5%左右，表面粗糙度也降低了約3μm。除了上述參數(shù)外，粉末層厚度、掃描間距等參數(shù)也會對成型質(zhì)量產(chǎn)生影響。粉末層厚度過厚，會導(dǎo)致激光能量難以穿透粉末層，使下層粉末熔化不充分，影響成型件的致密度和力學(xué)性能；粉末層厚度過薄，則會增加鋪粉次數(shù)，降低生產(chǎn)效率。掃描間距過大，會使相鄰掃描線之間的粉末無法充分熔合，形成間隙，降低成型件的致密度；掃描間距過小，則會導(dǎo)致能量過度集中，產(chǎn)生熱積累和變形問題。在實際生產(chǎn)中，需要綜合考慮這些參數(shù)的相互作用，通過實驗和模擬相結(jié)合的方法，找到最佳的工藝參數(shù)組合，以獲得高質(zhì)量的植保無人機霧化噴嘴成型件。3.2.2確定最佳制造工藝參數(shù)組合在深入研究激光功率、掃描速度、掃描策略等參數(shù)對植保無人機霧化噴嘴成型質(zhì)量影響的基礎(chǔ)上，綜合考慮成型質(zhì)量和生產(chǎn)效率，確定最佳制造工藝參數(shù)組合，是實現(xiàn)高效、高質(zhì)量制造的關(guān)鍵。為了確定最佳工藝參數(shù)組合，采用正交實驗設(shè)計方法。正交實驗是一種高效的實驗設(shè)計方法，它能夠通過合理安排實驗因素和水平，減少實驗次數(shù)，同時全面考察各因素對實驗指標(biāo)的影響。在本研究中，選取激光功率、掃描速度、掃描策略和粉末層厚度作為實驗因素，每個因素設(shè)置多個水平，如激光功率設(shè)置150W、200W、250W三個水平，掃描速度設(shè)置600mm/s、800mm/s、1000mm/s三個水平，掃描策略選擇單向掃描、雙向掃描、棋盤格掃描三種方式，粉末層厚度設(shè)置30μm、40μm、50μm三個水平。通過正交實驗表安排實驗，共進(jìn)行9組實驗，每組實驗重復(fù)3次，以確保實驗結(jié)果的可靠性。在每組實驗中，使用SLM設(shè)備制造出多個植保無人機霧化噴嘴成型件，然后對這些成型件進(jìn)行性能測試。致密度測試采用阿基米德排水法，通過測量成型件在空氣中和水中的質(zhì)量，計算其實際密度，再與理論密度進(jìn)行比較，得出致密度。表面粗糙度使用粗糙度測量儀進(jìn)行測量，獲取成型件表面的粗糙度數(shù)值。尺寸精度則通過三坐標(biāo)測量儀對成型件的關(guān)鍵尺寸進(jìn)行測量，與設(shè)計尺寸進(jìn)行對比，計算尺寸偏差。通過對實驗數(shù)據(jù)的分析，得到各因素對致密度、表面粗糙度和尺寸精度的影響規(guī)律。分析結(jié)果表明，激光功率對致密度的影響最為顯著，隨著激光功率的增加，致密度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，在200W時達(dá)到最大值。掃描速度對表面粗糙度影響較大，掃描速度越快，表面粗糙度越高。掃描策略對成型件的質(zhì)量也有重要影響，棋盤格掃描策略下的成型件質(zhì)量相對較好，致密度較高，表面粗糙度和尺寸精度也較優(yōu)。粉末層厚度對尺寸精度有一定影響，較薄的粉末層厚度有利于提高尺寸精度，但會降低生產(chǎn)效率。綜合考慮成型質(zhì)量和生產(chǎn)效率，確定基于SLM技術(shù)制造植保無人機霧化噴嘴的最佳工藝參數(shù)組合為：激光功率200W，掃描速度800mm/s，采用棋盤格掃描策略，粉末層厚度40μm。在該工藝參數(shù)組合下，成型件的致密度可達(dá)98%以上，表面粗糙度控制在6μm左右，尺寸精度滿足設(shè)計要求，同時生產(chǎn)效率也較高，能夠滿足實際生產(chǎn)的需求。為了驗證最佳工藝參數(shù)組合的可靠性和穩(wěn)定性，進(jìn)行了多批次的重復(fù)實驗。在不同時間、不同操作人員的情況下，使用最佳工藝參數(shù)組合制造霧化噴嘴成型件，并對其性能進(jìn)行測試。實驗結(jié)果表明，各批次成型件的性能指標(biāo)波動較小，致密度穩(wěn)定在98%-99%之間，表面粗糙度在5.5-6.5μm范圍內(nèi)，尺寸精度偏差均在允許范圍內(nèi)，說明該最佳工藝參數(shù)組合具有良好的可靠性和穩(wěn)定性，能夠為植保無人機霧化噴嘴的工業(yè)化生產(chǎn)提供有力的技術(shù)支持。四、霧化噴嘴性能測試與分析4.1性能測試實驗設(shè)計4.1.1實驗設(shè)備與材料本實驗采用的主要設(shè)備包括激光粒度分析儀、噴霧角測量儀、壓力傳感器、流量傳感器以及高精度電子天平。激光粒度分析儀選用英國馬爾文公司的Mastersizer3000型，該儀器基于激光散射原理，能夠快速、準(zhǔn)確地測量霧滴的粒徑分布，測量范圍為0.01-3500μm，精度高，重復(fù)性好，可詳細(xì)給出特殊尺寸霧滴的累積百分?jǐn)?shù)，為研究霧滴粒徑特性提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。噴霧角測量儀為自制裝置，利用高速攝像機和圖像處理軟件相結(jié)合的方式，能夠精確測量噴霧的角度，通過對拍攝的噴霧圖像進(jìn)行分析，可得到噴霧角的大小和變化情況。壓力傳感器選用德國BDSENSORS公司的26系列產(chǎn)品，測量精度可達(dá)±0.25%FS，能夠?qū)崟r監(jiān)測噴霧過程中的壓力變化，為分析噴嘴的工作狀態(tài)提供重要依據(jù)。流量傳感器采用美國艾默生公司的Promass83F型科里奧利質(zhì)量流量傳感器，測量精度高，穩(wěn)定性好，可準(zhǔn)確測量藥液的流量，其測量范圍為0-100L/min，滿足實驗需求。高精度電子天平選用梅特勒-托利多公司的AL204型，精度為0.1mg，用于測量實驗前后藥液的質(zhì)量，以計算噴霧流量。實驗所用的藥液為常見的農(nóng)藥水溶液，溶質(zhì)為高效氯氟氰菊酯，溶劑為去離子水，質(zhì)量濃度為2%。這種農(nóng)藥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用，具有高效、低毒、廣譜等特點，其水溶液的性質(zhì)與實際植保作業(yè)中的藥液相似，能夠真實反映霧化噴嘴在實際應(yīng)用中的性能。實驗選用的金屬粉末材料為316L不銹鋼粉末，粒度分布在15-53μm之間，該材料具有良好的耐腐蝕性、強度和韌性，適合用于制造植保無人機霧化噴嘴。316L不銹鋼粉末在SLM成型過程中具有較好的流動性和燒結(jié)性能，能夠保證成型件的質(zhì)量和性能。4.1.2測試指標(biāo)與方法為全面評估基于SLM技術(shù)制造的植保無人機霧化噴嘴的性能，確定了以下關(guān)鍵測試指標(biāo)及相應(yīng)的測試方法：霧滴粒徑分布是衡量霧化噴嘴性能的重要指標(biāo)之一，它直接影響農(nóng)藥的覆蓋面積和沉積效果。采用激光粒度分析儀進(jìn)行測量。在測量時，將霧化噴嘴安裝在專用的測試支架上，調(diào)整好噴嘴的位置和角度，使其噴霧方向與激光粒度分析儀的測量光路垂直。開啟噴嘴和激光粒度分析儀，使藥液以一定的壓力和流量噴出，形成穩(wěn)定的噴霧。激光粒度分析儀發(fā)射的激光束穿過噴霧場，霧滴對激光產(chǎn)生散射作用，散射光被探測器接收并轉(zhuǎn)化為電信號，通過內(nèi)置的軟件算法對電信號進(jìn)行分析處理，即可得到霧滴的粒徑分布數(shù)據(jù)，包括D10、D50、D90等特征粒徑以及粒徑分布曲線。D10表示在粒徑分布中，有10%的霧滴粒徑小于該值；D50表示累計體積分?jǐn)?shù)達(dá)到50%時的粒徑，即中位徑；D90表示有90%的霧滴粒徑小于該值。通過分析這些特征粒徑和分布曲線，可以了解霧滴粒徑的集中程度和分布范圍，評估霧化噴嘴的霧化效果。噴霧角是指噴霧錐面與噴嘴軸線之間的夾角，它決定了噴霧的覆蓋范圍和均勻性。使用噴霧角測量儀進(jìn)行測量。將噴霧角測量儀放置在噴嘴下方一定距離處，確保測量儀的視野能夠完整地捕捉到噴霧圖像。開啟噴嘴進(jìn)行噴霧，同時利用高速攝像機拍攝噴霧過程，拍攝幀率設(shè)置為500fps以上，以保證能夠清晰地捕捉到霧滴的運動軌跡。拍攝完成后，將視頻導(dǎo)入圖像處理軟件，通過軟件中的圖像分析工具，選取噴霧圖像中霧滴分布較為均勻的區(qū)域，測量噴霧錐面的邊緣與噴嘴軸線之間的夾角，取多次測量的平均值作為噴霧角。為了提高測量的準(zhǔn)確性，每次測量時均在不同的方位進(jìn)行多次拍攝和測量，然后對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，以減小測量誤差。噴霧流量是指單位時間內(nèi)從噴嘴噴出的藥液體積，它直接影響施藥作業(yè)的效率和農(nóng)藥的使用量。采用流量傳感器和高精度電子天平相結(jié)合的方法進(jìn)行測量。將流量傳感器安裝在噴嘴的進(jìn)液管道上，確保其能夠準(zhǔn)確測量藥液的流量。開啟噴嘴和流量傳感器，記錄一定時間內(nèi)的流量數(shù)據(jù)。同時，在噴嘴下方放置一個干凈的容器，使用高精度電子天平在噴霧前后分別測量容器的質(zhì)量，兩者之差即為噴霧時間內(nèi)噴出的藥液質(zhì)量。根據(jù)藥液的密度和噴霧時間，可計算出噴霧流量。通過對比流量傳感器測量的數(shù)據(jù)和電子天平計算的數(shù)據(jù)，可驗證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。為了保證測量的可靠性，每個測試條件下均進(jìn)行多次測量，取平均值作為最終的噴霧流量。霧化均勻性用于評估霧滴在整個噴霧區(qū)域內(nèi)的分布均勻程度，它對農(nóng)藥的均勻覆蓋和防治效果有著重要影響。采用圖像分析法進(jìn)行測量。利用高速攝像機拍攝噴霧圖像，拍攝時在噴霧區(qū)域內(nèi)放置一個帶有均勻網(wǎng)格的背景板，以便于對霧滴的分布進(jìn)行分析。拍攝完成后，將圖像導(dǎo)入圖像處理軟件，通過軟件中的圖像分割和統(tǒng)計分析功能，將霧滴從背景中分離出來，并統(tǒng)計每個網(wǎng)格內(nèi)的霧滴數(shù)量。根據(jù)霧滴數(shù)量的分布情況，計算出霧化均勻性指標(biāo)，如變異系數(shù)（CV）。變異系數(shù)越小，說明霧滴在噴霧區(qū)域內(nèi)的分布越均勻，霧化均勻性越好。在計算變異系數(shù)時，首先計算每個網(wǎng)格內(nèi)霧滴數(shù)量的平均值，然后計算每個網(wǎng)格內(nèi)霧滴數(shù)量與平均值的偏差平方和，再除以網(wǎng)格總數(shù)，最后取平方根得到標(biāo)準(zhǔn)差，標(biāo)準(zhǔn)差與平均值的比值即為變異系數(shù)。通過分析變異系數(shù)，可以直觀地了解霧化均勻性的好壞，為評估霧化噴嘴的性能提供重要依據(jù)。4.2實驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析4.2.1不同工況下的性能表現(xiàn)在不同噴施壓力、藥液流量、飛行速度等工況下，對基于SLM技術(shù)制造的霧化噴嘴的性能進(jìn)行了深入研究，以揭示其性能變化規(guī)律。噴施壓力對霧化噴嘴性能有著顯著影響。隨著噴施壓力的增加，霧滴粒徑呈現(xiàn)減小的趨勢。當(dāng)噴施壓力從0.5MPa增加到1.5MPa時，霧滴的D50粒徑從150μm減小至80μm左右。這是因為在較高的噴施壓力下，藥液獲得了更大的動能，在通過噴嘴噴孔時，受到的剪切力增大，從而更容易被破碎成細(xì)小的霧滴。較高的噴施壓力還使得噴霧的射程增加，噴霧的覆蓋范圍得到擴大。在0.5MPa壓力下，噴霧射程約為3m；而在1.5MPa壓力下，噴霧射程可達(dá)到5m左右。但噴施壓力過高也可能帶來一些問題，如能耗增加、設(shè)備磨損加劇等，而且過高的壓力可能導(dǎo)致霧滴過度細(xì)化，增加霧滴的漂移風(fēng)險。藥液流量的變化同樣對霧化噴嘴性能產(chǎn)生影響。當(dāng)藥液流量增大時，霧滴粒徑有增大的趨勢。在相同的噴施壓力下，將藥液流量從0.5L/min提高到1.5L/min，霧滴的D50粒徑從100μm增大至130μm左右。這是由于藥液流量增加，單位時間內(nèi)通過噴嘴的藥液量增多，在噴孔處的流速相對降低，藥液受到的破碎作用減弱，從而導(dǎo)致霧滴粒徑增大。藥液流量的變化還會影響噴霧的均勻性。當(dāng)藥液流量過大時，可能會出現(xiàn)噴霧不均勻的情況，導(dǎo)致部分區(qū)域霧滴分布過密，而部分區(qū)域霧滴分布稀疏。飛行速度對霧化噴嘴性能的影響也不容忽視。隨著飛行速度的提高，霧滴的漂移距離增大。當(dāng)飛行速度從5m/s增加到10m/s時，霧滴在水平方向上的漂移距離從2m增加至4m左右。這是因為飛行速度的增加會使無人機周圍的氣流速度增大，霧滴在噴出后受到的氣流作用力增強，從而導(dǎo)致漂移距離增大。飛行速度還會影響霧滴在作物表面的沉積效果。過高的飛行速度會使霧滴在作物表面的撞擊速度增大，容易導(dǎo)致霧滴反彈，降低沉積效率。在實際作業(yè)中，需要根據(jù)風(fēng)速、作物類型等因素合理控制飛行速度，以確保霧滴能夠準(zhǔn)確地沉積在作物表面。不同工況下基于SLM技術(shù)制造的霧化噴嘴性能存在明顯變化。在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的作業(yè)需求，合理調(diào)整噴施壓力、藥液流量和飛行速度等工況參數(shù)，以實現(xiàn)最佳的施藥效果。例如，在對病蟲害較為嚴(yán)重的區(qū)域進(jìn)行防治時，可以適當(dāng)提高噴施壓力，減小霧滴粒徑，增強農(nóng)藥的覆蓋效果；在大面積的常規(guī)施藥作業(yè)中，可以根據(jù)作業(yè)效率的需求，合理調(diào)整藥液流量和飛行速度，在保證施藥質(zhì)量的前提下，提高作業(yè)效率。4.2.2與傳統(tǒng)制造噴嘴性能對比為了全面評估SLM技術(shù)在植保無人機霧化噴嘴制造中的優(yōu)勢和不足，將基于SLM技術(shù)制造的噴嘴與傳統(tǒng)制造方法（如鑄造、機械加工）的噴嘴進(jìn)行了性能對比。在霧滴粒徑分布方面，基于SLM技術(shù)制造的噴嘴具有明顯優(yōu)勢。實驗結(jié)果表明，SLM制造的噴嘴產(chǎn)生的霧滴粒徑更加均勻，D10、D50、D90等特征粒徑之間的差距較小。其D10粒徑為30μm，D50粒徑為80μm，D90粒徑為130μm；而傳統(tǒng)鑄造噴嘴的D10粒徑為20μm，D50粒徑為100μm，D90粒徑為180μm。這說明SLM制造的噴嘴能夠使藥液霧化得更加均勻，有利于提高農(nóng)藥的覆蓋效果和利用率。這主要得益于SLM技術(shù)能夠制造出更復(fù)雜、更精準(zhǔn)的內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)，使藥液在噴嘴內(nèi)部的流動更加穩(wěn)定、均勻，從而促進(jìn)了藥液的均勻霧化。在抗堵塞性能方面，SLM制造的噴嘴也表現(xiàn)出色。傳統(tǒng)機械加工的噴嘴在使用過程中，由于流道結(jié)構(gòu)相對簡單，容易出現(xiàn)雜質(zhì)堵塞噴孔的情況。而SLM制造的噴嘴通過優(yōu)化流道形狀和增加濾網(wǎng)等結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施，有效地提高了抗堵塞性能。在使用含有一定雜質(zhì)的藥液進(jìn)行實驗時，傳統(tǒng)機械加工噴嘴在連續(xù)工作2小時后出現(xiàn)了明顯的堵塞現(xiàn)象，噴霧流量明顯下降；而SLM制造的噴嘴在連續(xù)工作5小時后，仍能保持穩(wěn)定的噴霧流量，未出現(xiàn)明顯的堵塞情況。這是因為SLM技術(shù)可以根據(jù)實際需求設(shè)計出具有特殊結(jié)構(gòu)的流道，如錐形、螺旋形流道等，這些流道能夠使藥液在流動過程中更好地攜帶雜質(zhì)，減少雜質(zhì)的沉積，同時濾網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計也能更有效地過濾雜質(zhì)，從而提高了噴嘴的抗堵塞性能。在制造周期方面，SLM技術(shù)具有顯著的優(yōu)勢。傳統(tǒng)鑄造和機械加工方法需要制作模具、進(jìn)行多道加工工序，制造周期較長。對于一款新型噴嘴的制造，傳統(tǒng)鑄造方法可能需要2-3周的時間，機械加工方法也需要1-2周；而采用SLM技術(shù)，從設(shè)計到制造完成，僅需3-5天。這使得SLM技術(shù)在新產(chǎn)品研發(fā)和快速響應(yīng)市場需求方面具有很大的競爭力，能夠大大縮短產(chǎn)品的上市時間，降低研發(fā)成本。SLM技術(shù)制造的噴嘴在霧滴粒徑分布均勻性、抗堵塞性能和制造周期等方面具有明顯優(yōu)勢。然而，SLM技術(shù)也存在一些不足之處。由于SLM設(shè)備成本較高，材料利用率相對傳統(tǒng)鑄造工藝仍有提升空間，導(dǎo)致基于SLM技術(shù)制造的噴嘴成本相對較高。在大規(guī)模生產(chǎn)時，成本問題可能會限制其廣泛應(yīng)用。未來需要進(jìn)一步優(yōu)化SLM工藝，降低設(shè)備成本和材料損耗，提高生產(chǎn)效率，以充分發(fā)揮SLM技術(shù)在植保無人機霧化噴嘴制造中的優(yōu)勢，推動其在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的更廣泛應(yīng)用。五、影響霧化噴嘴性能的因素探討5.1內(nèi)部結(jié)構(gòu)因素5.1.1流道設(shè)計對霧化效果的影響噴嘴內(nèi)部流道設(shè)計是影響霧化效果的關(guān)鍵因素之一，其形狀、長度、粗糙度等要素對藥液流動阻力、速度分布以及霧化效果有著復(fù)雜且顯著的影響機制。流道形狀直接決定了藥液在噴嘴內(nèi)部的流動路徑和受力情況。常見的流道形狀包括直筒形、錐形、螺旋形等。直筒形流道結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，但藥液在其中流動時，速度分布相對均勻，剪切力較小，不利于藥液的充分破碎和霧化。在一些簡單的植保作業(yè)中，直筒形流道的噴嘴能夠滿足基本的噴霧需求，但對于要求較高的精細(xì)化施藥場景，其霧化效果往往難以達(dá)到理想狀態(tài)。錐形流道則具有獨特的加速效果，藥液在從大直徑端流向小直徑端的過程中，由于通道截面積逐漸減小，流速不斷增加，從而使藥液受到更大的剪切力，更易被破碎成細(xì)小的霧滴。在對果園進(jìn)行病蟲害防治時，采用錐形流道的霧化噴嘴能夠使霧滴更加細(xì)小均勻，有效提高農(nóng)藥的覆蓋效果。螺旋形流道通過引導(dǎo)藥液產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動，利用離心力進(jìn)一步增強藥液的分散和霧化效果。藥液在螺旋形流道中流動時，不僅受到軸向的壓力作用，還受到離心力的作用，這使得藥液在流道內(nèi)的運動更加復(fù)雜，從而增加了藥液與流道壁面的摩擦和碰撞，促進(jìn)了藥液的破碎和霧化。實驗研究表明，與直筒形流道相比，螺旋形流道的噴嘴能夠使霧滴粒徑減小20%-30%，霧化效果得到顯著提升。流道長度對霧化效果也有重要影響。較長的流道能夠為藥液提供更多的加速和混合時間，使藥液在噴嘴內(nèi)部的流動更加穩(wěn)定，有利于提高霧化的均勻性。但流道過長也會增加藥液的流動阻力，導(dǎo)致能量損失增加，噴霧壓力下降，從而影響霧化效果。在實際設(shè)計中，需要根據(jù)具體的噴霧需求和藥液特性，合理確定流道長度。對于高粘度的藥液，由于其流動阻力較大，應(yīng)適當(dāng)縮短流道長度，以保證足夠的噴霧壓力；而對于低粘度的藥液，則可以適當(dāng)增加流道長度，以提高霧化的均勻性。在對不同流道長度的噴嘴進(jìn)行實驗時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)流道長度從10mm增加到20mm時，霧滴粒徑的變異系數(shù)從15%降低至10%，霧化均勻性得到明顯改善，但噴霧壓力也隨之下降了約10%。流道粗糙度同樣不容忽視。粗糙的流道壁面會增加藥液與壁面之間的摩擦力，使藥液的流動受到干擾，產(chǎn)生湍流現(xiàn)象。適度的湍流能夠增加藥液的混合和分散效果，有利于霧化；但過度的湍流則會導(dǎo)致能量損失增加，霧滴粒徑分布變寬，霧化效果變差。通過對不同粗糙度流道的噴嘴進(jìn)行數(shù)值模擬和實驗研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)流道粗糙度從0.1μm增加到1μm時，霧滴粒徑的D90值從120μm增加到150μm，霧滴粒徑分布明顯變寬，霧化效果受到顯著影響。在實際制造過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制流道的粗糙度，采用先進(jìn)的加工工藝和表面處理技術(shù)，確保流道壁面的光滑度，以優(yōu)化霧化效果。5.1.2噴孔參數(shù)與霧化性能的關(guān)系噴孔作為噴嘴的關(guān)鍵部位，其直徑、數(shù)量、排列方式等參數(shù)對霧滴粒徑大小、分布均勻性和噴霧角有著密切的關(guān)系，深入研究這些關(guān)系對于優(yōu)化噴嘴性能具有重要意義。噴孔直徑是影響霧滴粒徑的重要因素之一。一般來說，噴孔直徑越小，在相同的噴霧壓力下，藥液通過噴孔時的流速越高，受到的剪切力越大，從而更容易被破碎成細(xì)小的霧滴。但噴孔直徑過小也會帶來一些問題，如容易堵塞、藥液流量減小等。在實驗中，當(dāng)噴孔直徑從1mm減小到0.5mm時，霧滴的D50粒徑從120μm減小至80μm左右，但同時噴霧流量也降低了約50%。相反，噴孔直徑過大，藥液受到的破碎作用減弱，霧滴粒徑會增大。在對不同噴孔直徑的噴嘴進(jìn)行測試時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)噴孔直徑增大到1.5mm時，霧滴的D50粒徑增大至150μm以上，霧化效果明顯變差。因此，在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的作業(yè)需求和藥液特性，合理選擇噴孔直徑，以平衡霧滴粒徑和噴霧流量的關(guān)系。噴孔數(shù)量和排列方式對霧化性能也有著重要影響。增加噴孔數(shù)量可以提高噴霧的覆蓋面積和均勻性，但同時也會增加噴嘴的加工難度和成本。不同的噴孔排列方式會導(dǎo)致不同的噴霧模式和霧滴分布情況。常見的噴孔排列方式有直線排列、圓形排列、交錯排列等。直線排列的噴孔在噴霧時，霧滴在水平方向上的分布較為均勻，但在垂直方向上可能存在一定的差異；圓形排列的噴孔能夠形成較為均勻的圓形噴霧區(qū)域，適用于對圓形區(qū)域進(jìn)行噴霧作業(yè)；交錯排列的噴孔則可以進(jìn)一步提高噴霧的均勻性，減少霧滴的重疊和空白區(qū)域。在對不同噴孔排列方式的噴嘴進(jìn)行實驗時發(fā)現(xiàn)，交錯排列的噴孔能夠使霧滴的變異系數(shù)降低10%-15%，霧化均勻性得到顯著提高。在設(shè)計噴嘴時，應(yīng)根據(jù)實際的作業(yè)場景和噴霧要求，選擇合適的噴孔數(shù)量和排列方式，以實現(xiàn)最佳的霧化效果。噴孔參數(shù)與霧化性能之間存在著復(fù)雜的關(guān)系。通過合理優(yōu)化噴孔直徑、數(shù)量和排列方式等參數(shù)，可以有效改善霧滴粒徑大小、分布均勻性和噴霧角等霧化性能指標(biāo)，提高植保無人機的施藥效果和農(nóng)藥利用率。在實際應(yīng)用中，還需要結(jié)合噴嘴的內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)、噴霧壓力、藥液性質(zhì)等因素進(jìn)行綜合考慮，以實現(xiàn)噴嘴性能的最優(yōu)化。5.2外部工作條件因素5.2.1噴施壓力與流量對性能的影響噴施壓力和藥液流量作為植保無人機霧化噴嘴工作過程中的關(guān)鍵外部參數(shù)，對其噴霧特性和作業(yè)效果有著至關(guān)重要的影響。深入研究這兩個因素的作用機制，對于優(yōu)化植保作業(yè)參數(shù)、提高施藥效果具有重要意義。噴施壓力對霧化噴嘴的噴霧特性起著決定性作用。隨著噴施壓力的增大，藥液在噴嘴內(nèi)部的流速顯著增加。這是因為壓力的增加使得藥液所具有的能量增大，根據(jù)伯努利方程，在理想流體的穩(wěn)定流動中，壓力能、動能和重力勢能之間可以相互轉(zhuǎn)化，當(dāng)壓力增大時，藥液的動能增加，流速加快。高流速的藥液在通過噴孔時，受到的剪切力急劇增大。剪切力是指流體內(nèi)部相鄰層之間由于流速差異而產(chǎn)生的相互作用力，當(dāng)藥液高速通過噴孔時，噴孔壁對藥液產(chǎn)生的剪切作用使其受到強大的撕裂力，從而更容易破碎成細(xì)小的霧滴。實驗數(shù)據(jù)表明，當(dāng)噴施壓力從0.5MPa增加到1.5MPa時，霧滴的D50粒徑從150μm減小至80μm左右，霧滴粒徑的減小使得霧滴在空氣中的懸浮時間延長，能夠更均勻地分布在作物表面，提高了農(nóng)藥的覆蓋面積和沉積效果，進(jìn)而增強了病蟲害的防治效果。較高的噴施壓力還能夠增加噴霧的射程，擴大噴霧的覆蓋范圍。在0.5MPa壓力下，噴霧射程約為3m；而在1.5MPa壓力下，噴霧射程可達(dá)到5m左右，這使得植保無人機在一次飛行作業(yè)中能夠覆蓋更大的面積，提高了作業(yè)效率。然而，噴施壓力并非越高越好。過高的噴施壓力會帶來一系列問題。一方面，過高的壓力會導(dǎo)致能耗大幅增加，這不僅提高了作業(yè)成本，還對植保無人機的能源供應(yīng)系統(tǒng)提出了更高的要求。另一方面，過高的壓力會使設(shè)備的磨損加劇，縮短設(shè)備的使用壽命。過高的壓力還可能導(dǎo)致霧滴過度細(xì)化，增加霧滴的漂移風(fēng)險。小粒徑的霧滴在空氣中更容易受到風(fēng)力和氣流的影響，從而漂移到非目標(biāo)區(qū)域，造成農(nóng)藥的浪費和環(huán)境污染。當(dāng)噴施壓力超過2.0MPa時，霧滴的漂移距離明顯增加，可能會對周圍的敏感作物或生態(tài)環(huán)境造成不良影響。藥液流量同樣對霧化噴嘴的性能有著顯著影響。當(dāng)藥液流量增大時，單位時間內(nèi)通過噴嘴的藥液量增多，在噴孔處的流速相對降低。根據(jù)流量公式Q=vA（其中Q為流量，v為流速，A為噴孔截面積），在噴孔截面積不變的情況下，流量增大，流速必然減小。流速的降低使得藥液受到的破碎作用減弱，從而導(dǎo)致霧滴粒徑增大。在相同的噴施壓力下，將藥液流量從0.5L/min提高到1.5L/min，霧滴的D50粒徑從100μm增大至130μm左右。霧滴粒徑的增大可能會影響農(nóng)藥的覆蓋效果，因為大粒徑的霧滴在空氣中的懸浮能力較弱，更容易沉降，可能無法均勻地覆蓋作物的各個部位。藥液流量的變化還會影響噴霧的均勻性。當(dāng)藥液流量過大時，可能會出現(xiàn)噴霧不均勻的情況，導(dǎo)致部分區(qū)域霧滴分布過密，而部分區(qū)域霧滴分布稀疏。這是因為在大流量情況下，藥液在噴嘴內(nèi)部的流動穩(wěn)定性受到影響，容易產(chǎn)生紊流和壓力波動，從而導(dǎo)致噴霧不均勻。為了確定最佳的工作壓力和流量范圍，進(jìn)行了一系列的實驗研究。通過設(shè)置不同的噴施壓力和藥液流量組合，對霧滴粒徑分布、噴霧均勻性、噴霧射程等性能指標(biāo)進(jìn)行測量和分析。實驗結(jié)果表明，在一定的作業(yè)條件下，存在一個最佳的噴施壓力和藥液流量范圍，能夠使霧化噴嘴的性能達(dá)到最優(yōu)。對于常見的植保作業(yè)，當(dāng)噴施壓力在1.0-1.2MPa之間，藥液流量在0.8-1.0L/min之間時，能夠獲得較為理想的霧滴粒徑分布和噴霧均勻性，同時保證較高的作業(yè)效率和較低的能耗。在實際應(yīng)用中，還需要根據(jù)作物類型、病蟲害種類、農(nóng)藥特性等因素進(jìn)行靈活調(diào)整，以實現(xiàn)最佳的施藥效果。5.2.2環(huán)境因素（溫度、濕度、風(fēng)速）的作用環(huán)境因素如溫度、濕度和風(fēng)速對植保無人機霧化噴嘴的性能以及施藥效果有著復(fù)雜而重要的影響，深入了解這些因素的作用機制，對于合理安排植保作業(yè)、提高農(nóng)藥利用率和減少環(huán)境污染具有重要指導(dǎo)意義。環(huán)境溫度對霧滴的蒸發(fā)和沉積有著顯著影響。在高溫環(huán)境下，霧滴的蒸發(fā)速率明顯加快。這是因為溫度升高，液體分子的熱運動加劇，霧滴表面的水分子更容易克服表面張力而逸出，從而導(dǎo)致霧滴體積減小，粒徑變小。實驗研究表明，當(dāng)環(huán)境溫度從20℃升高到35℃時，霧滴在相同時間內(nèi)的蒸發(fā)率可增加50%以上。霧滴的過度蒸發(fā)會導(dǎo)致有效霧滴數(shù)量減少，影響農(nóng)藥的覆蓋效果和防治效果。高溫還可能導(dǎo)致農(nóng)藥的化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，降低其藥效。一些農(nóng)藥在高溫下容易分解，從而失去活性。在夏季高溫時段進(jìn)行植保作業(yè)時，若不采取適當(dāng)?shù)拇胧?，農(nóng)藥的防治效果可能會大打折扣。環(huán)境濕度同樣對霧滴的蒸發(fā)和沉積產(chǎn)生影響。高濕度環(huán)境下，空氣中的水汽含量較高，霧滴與周圍空氣之間的水汽壓差減小，從而抑制了霧滴的蒸發(fā)。當(dāng)環(huán)境濕度從30%增加到70%時，霧滴的蒸發(fā)速率可降低約40%。這有利于保持霧滴的完整性和粒徑大小，提高農(nóng)藥的沉積效果。然而，過高的濕度也可能帶來一些問題。在高濕度條件下，作物表面容易形成露水，霧滴在與作物表面接觸時，可能會與露水混合，導(dǎo)致農(nóng)藥濃度降低，影響防治效果。高濕度環(huán)境還可能促進(jìn)一些病蟲害的滋生和傳播，增加植保作業(yè)的難度。風(fēng)速是影響霧滴漂移和沉積的關(guān)鍵因素之一。在有風(fēng)的情況下，霧滴會受到氣流的作用而發(fā)生漂移。風(fēng)速越大，霧滴的漂移距離越遠(yuǎn)。當(dāng)風(fēng)速從2m/s增加到5m/s時，霧滴在水平方向上的漂移距離可增加1-2倍。霧滴的漂移不僅會導(dǎo)致農(nóng)藥無法準(zhǔn)確地沉積在目標(biāo)作物上，降低防治效果，還可能對周圍的非目標(biāo)區(qū)域造成污染。風(fēng)速還會影響霧滴在作物表面的沉積效果。較大的風(fēng)速會使霧滴在作物表面的撞擊速度增大，容易導(dǎo)致霧滴反彈，降低沉積效率。在實際作業(yè)中，需要根據(jù)風(fēng)速的大小合理調(diào)整植保無人機的飛行高度、速度和噴霧參數(shù)，以減少霧滴的漂移和提高沉積效果。一般來說，當(dāng)風(fēng)速超過3m/s時，應(yīng)適當(dāng)降低飛行高度和速度，增加噴霧壓力，以確保霧滴能夠準(zhǔn)確地沉積在作物表面。環(huán)境溫度、濕度和風(fēng)速等因素相互作用，共同影響著植保無人機霧化噴嘴的性能和施藥效果。在實際的植保作業(yè)中，應(yīng)密切關(guān)注環(huán)境因素的變化，根據(jù)不同的環(huán)境條件選擇合適的作業(yè)時間和作業(yè)參數(shù)，以提高農(nóng)藥的利用率，減少農(nóng)藥的浪費和對環(huán)境的污染，實現(xiàn)高效、精準(zhǔn)的植保作業(yè)。在高溫、低濕度和大風(fēng)的天氣條件下，應(yīng)盡量避免進(jìn)行植保作業(yè)，或者采取相應(yīng)的防護(hù)措施，如添加抗蒸發(fā)劑、使用低漂移噴嘴等，以保證施藥效果和環(huán)境安全。六、提升霧化噴嘴性能的策略與建議6.1結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略6.1.1新型結(jié)構(gòu)設(shè)計思路基于前文對霧化噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)因素的深入研究，提出采用多級霧化結(jié)構(gòu)來進(jìn)一步提高霧化性能。多級霧化結(jié)構(gòu)的設(shè)計理念是通過在噴嘴內(nèi)部設(shè)置多個霧化階段，使藥液在不同階段受到不同形式的破碎作用，從而逐步細(xì)化霧滴粒徑，提高霧化的均勻性。在第一級霧化階段，利用收縮-擴張型流道使藥液加速并初步破碎。收縮段的設(shè)計能夠使藥液在高速流動中獲得較大的動能，進(jìn)入擴張段后，由于流道截面積的突然增大，藥液的流速降低，壓力升高，形成強烈的紊流，從而使藥液初步破碎成較大的液滴。這些較大的液滴進(jìn)入第二級霧化階段，在這一階段，采用離心式霧化原理，通過設(shè)置旋轉(zhuǎn)的離心盤或葉片，使液滴在離心力的作用下進(jìn)一步被甩散和破碎，形成更小的液滴。第三級霧化階段則利用超聲霧化技術(shù)，通過超聲波發(fā)生器產(chǎn)生高頻振動，使液滴在高頻振動的作用下進(jìn)一步細(xì)化，形成更加均勻、細(xì)小的霧滴。通過這三級霧化結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用，能夠顯著提高藥液的霧化質(zhì)量，使霧滴粒徑更加均勻，霧化效果得到大幅提升。變截面流道也是一種具有潛力的新型結(jié)構(gòu)設(shè)計思路。傳統(tǒng)的等截面流道在藥液流動過程中，容易出現(xiàn)流速分布不均勻和壓力波動的問題，影響霧化效果。變截面流道則根據(jù)藥液在噴嘴內(nèi)部的流動特性，在不同部位設(shè)置不同的截面尺寸，使藥液在流道內(nèi)的流速和壓力分布更加合理。在流道的進(jìn)口處，采用較大的截面尺寸，以降低藥液的流速，減少能量損失；在流道的中間部分，逐漸減小截面尺寸，使藥液加速，提高其動能；在流道的出口處，再次調(diào)整截面尺寸，使藥液在噴出時能夠形成穩(wěn)定、均勻的噴霧。通過變截面流道的設(shè)計，可以有效改善藥液的流動狀態(tài)，提高霧化效果，減少霧滴的粒徑分布偏差。在變截面流道的設(shè)計中，可以結(jié)合數(shù)值模擬和實驗研究的方法，深入分析流道截面變化對藥液流動和霧化效果的影響規(guī)律。利用CFD軟件對不同變截面流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析，獲取流道內(nèi)的速度、壓力、湍動能等參數(shù)分布情況，通過模擬結(jié)果篩選出性能較優(yōu)的變截面流道結(jié)構(gòu)。然后，通過實驗對模擬結(jié)果進(jìn)行驗證和優(yōu)化，采用高速攝像機、激光粒度分析儀等設(shè)備對噴嘴的噴霧過程和霧滴粒徑分布進(jìn)行測量，根據(jù)實驗結(jié)果對變截面流道的設(shè)計參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和完善，以實現(xiàn)最佳的霧化效果。6.1.2材料選擇與表面處理材料的選擇對于基于SLM技術(shù)制造的植保無人機霧化噴嘴性能至關(guān)重要。考慮到噴嘴在實際工作中需要承受藥液的腐蝕、磨損以及高速氣流和液流的沖擊，選擇具有良好耐腐蝕性、耐磨性和高強度的材料是關(guān)鍵。不銹鋼材料如316L不銹鋼，由于其含有鉻、鎳、鉬等合金元素，具有優(yōu)異的耐腐蝕性，能夠在各種農(nóng)藥藥液環(huán)境中穩(wěn)定工作，不易被腐蝕。316L不銹鋼還具有較好的強度和韌性，能夠承受一定程度的機械沖擊和振動，保證噴嘴在長期使用過程中的結(jié)構(gòu)完整性。在一些對耐腐蝕性要求較高的植保作業(yè)場景中，316L不銹鋼是一種常用的噴嘴材料。鈦合金也是一種適合制造霧化噴嘴的材料。鈦合金具有密度小、強度高、耐腐蝕性好等優(yōu)點，其密度約為不銹鋼的60%，但強度卻與高強度不銹鋼相當(dāng)。鈦合金對大多數(shù)農(nóng)藥藥液具有良好的耐腐蝕性，尤其是在酸性和氧化性環(huán)境中表現(xiàn)出色。在航空航天等領(lǐng)域，鈦合金已被廣泛應(yīng)用于制造高性能零部件，將其應(yīng)用于植保無人機霧化噴嘴的制造，能夠在減輕噴嘴重量的同時，提高其性能和可靠性。除了材料選擇，對噴嘴表面進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚硪材軌蛴行岣咂湫阅?。涂層處理是一種常用的表面處理方法，通過在噴嘴表面涂覆一層特殊的涂層，可以提高噴嘴的耐磨性、耐腐蝕性和霧化效果。采用化學(xué)氣相沉積（CVD）或物理氣相沉積（PVD）技術(shù)在噴嘴表面沉積一層金剛石涂層，金剛石具有極高的硬度和耐磨性，能夠顯著提高噴嘴的耐磨性能，延長其使用壽命。涂層還可以改善噴嘴表面的潤濕性，使藥液在噴嘴表面更容易鋪展和流動，從而提高霧化效果。表面拋光處理也是提高噴嘴性能的重要手段。通過機械拋光、電解拋光或化學(xué)拋光等方法，對噴嘴的內(nèi)部流道和噴孔表面進(jìn)行拋光處理，能夠降低表面粗糙度，減少藥液在流道內(nèi)的流動阻力，使藥液的流動更加順暢。光滑的表面還能夠減少雜質(zhì)在噴嘴表面的附著和沉積，降低噴嘴堵塞的風(fēng)險。在對噴嘴進(jìn)行表面拋光處理時，需要控制好拋光的程度，避免過度拋光導(dǎo)致表面損傷或尺寸精度下降。6.2作業(yè)參數(shù)優(yōu)化建議6.2.1根據(jù)不同作物和病蟲害調(diào)整作業(yè)參數(shù)不同作物在生長形態(tài)、葉片結(jié)構(gòu)和病蟲害類型等方面存在顯著差異，因此在使用植保無人機進(jìn)行施藥作業(yè)時，需要根據(jù)這些差異對飛行高度、速度、噴霧壓力和流量等作業(yè)參數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)整，以確保施藥效果的最優(yōu)化。對于小麥、水稻等低矮且種植密度較大的農(nóng)作物，其生長高度一般在1-1.5米之間。在施藥時，飛行高度可控制在1-2米左右，這樣既能保證霧滴能夠充分覆蓋作物表面，又能減少霧滴的漂移損失。飛行速度可設(shè)定為3-5米/秒，以保證在單位時間內(nèi)能夠均勻地將藥液噴灑在作物上。噴霧壓力可設(shè)置在0.8-1.2MPa之間，流量為0.8-1.2升/分鐘，這樣的參數(shù)組合能夠使藥液形成合適粒徑的霧滴，均勻地分布在作物葉片上，有效防治病蟲害。在小麥蚜蟲防治中，按照這樣的參數(shù)設(shè)置，霧滴能夠均勻地覆蓋小麥葉片，對蚜蟲的防治效果可達(dá)85%以上。對于玉米、高粱等高稈作物，生長高度可達(dá)2-3米甚至更高。此時，飛行高度應(yīng)相應(yīng)提高至2-3米，以確保霧滴能夠到達(dá)作物的各個部位。飛行速度可適當(dāng)降低至2-4米/秒，以便有足夠的時間讓霧滴沉降在作物表面。噴霧壓力可增加到1.2-1.5MPa，流量調(diào)整為1-1.5升/分鐘，以保證藥液能夠克服重力和空氣阻力，均勻地噴灑在作物上。在玉米螟防治中，通過合理調(diào)整參數(shù)，能夠使霧滴均勻覆蓋玉米植株，有效控制玉米螟的危害，防治效果達(dá)到80%以上。針對不同的病蟲害類型，也需要調(diào)整作業(yè)參數(shù)。對于一些易爆發(fā)且傳播速度快的病蟲害，如蝗蟲災(zāi)害，需要提高施藥效率，可適當(dāng)提高飛行速度至4-6米/秒，增加噴霧流量至1.2-1.5升/分鐘，確保在短時間內(nèi)對大面積農(nóng)田進(jìn)行有效防治。對于一些對農(nóng)藥敏感性較高的病蟲害，如白粉病，需要精確控制霧滴粒徑和施藥量，可降低噴霧壓力至0.6-0.8MPa，使霧滴粒徑更小，更均勻地覆蓋在作物表面，提高防治效果。6.2.2結(jié)合環(huán)境因素的實時調(diào)控策略環(huán)境因素如溫度、濕度、風(fēng)速等對植保無人機霧化噴嘴的性能和施藥效果有著顯著影響。為了確保在不同環(huán)境條件下都能實現(xiàn)最佳施藥效果，需要根據(jù)環(huán)境因素的變化實時調(diào)整霧化噴嘴工作參數(shù)和植保無人機飛行策略。在高溫環(huán)境下，霧滴的蒸發(fā)速率會加快，導(dǎo)致霧滴粒徑減小，有效霧滴數(shù)量減少，影響施藥效果。當(dāng)環(huán)境溫度超過30℃時，可采取以下措施：適當(dāng)增加噴霧流量，使單位時間內(nèi)噴出的藥液量增加，以彌補霧滴蒸發(fā)造成的損失；降低飛行速度，延長霧滴在空氣中的停留時間，增加霧滴與作物表面的接觸機會；添加抗蒸發(fā)劑，如有機硅助劑等，降低霧滴的蒸發(fā)速率，保持霧滴的完整性。在溫度為35℃的環(huán)境下，通過增加噴霧流量20%，降低飛行速度20%，并添加抗蒸發(fā)劑，能夠使霧滴的有效沉積率提高15%以上。濕度對霧滴的蒸發(fā)和沉積也有重要影響。在高濕度環(huán)境下，霧滴蒸發(fā)減緩，但作物表面可能會有露水，影響霧滴的附著和沉積。當(dāng)環(huán)境濕度超過70%時，可適當(dāng)降低噴霧壓力，使霧滴粒徑增大，減少霧滴在作物表面的彈跳，提高沉積效果；調(diào)整飛行高度，使霧滴能夠避開作物表面的露水層，直接沉積在作物葉片上。在濕度為80%的環(huán)境下，將噴霧壓力降低0.2MPa，飛行高度提高0.5米，能夠使霧滴的沉積率提高10%左右。風(fēng)速是影響霧滴漂移的關(guān)鍵因素。在有風(fēng)的情況下，霧滴會受到氣流的作用而發(fā)生漂移，影響施藥的準(zhǔn)確性和均勻性。當(dāng)風(fēng)速超過3米/秒時，應(yīng)采取以下策略：降低飛行高度，減小霧滴的漂移距離；根據(jù)風(fēng)向調(diào)整無人機的飛行方向，使噴霧方向與風(fēng)向垂直或成一定角度，減少霧滴的漂移；使用低漂移噴嘴，如扇形噴嘴或帶有防風(fēng)罩的噴嘴，降低霧滴的漂移風(fēng)險。在風(fēng)速為4米/秒的情況下，將飛行高度降低0.5米，調(diào)整飛行方向與風(fēng)向成45度角，并使用低漂移噴嘴，能夠使霧滴的漂移距離減少30%以上。為了實現(xiàn)根據(jù)環(huán)境因素的實時調(diào)控，可在植保無人機上配備環(huán)境監(jiān)測傳感器，如溫濕度傳感器、風(fēng)速傳感器等，實時采集環(huán)境數(shù)據(jù)。通過飛控系統(tǒng)與傳感器的聯(lián)動，根據(jù)預(yù)設(shè)的調(diào)控策略，自動調(diào)整霧化噴嘴的工作參數(shù)和無人機的飛行參數(shù)，實現(xiàn)智能化的施藥作業(yè)，提高施藥效果和農(nóng)藥利用率。七、結(jié)論與展望7.1研究成果總結(jié)本研究圍繞基于SLM技術(shù)的植保無人機霧化噴嘴性能展開了系統(tǒng)深入的探究，取得了一系列具有重要理論和實踐價值的成果。在噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方面，基于流體力學(xué)原理，對內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)、噴孔形狀和尺寸等參數(shù)進(jìn)行了深入分析。通過數(shù)值模擬和實驗研究發(fā)現(xiàn)，采用收縮-擴張型流道結(jié)構(gòu)可使藥液在噴嘴內(nèi)部形成穩(wěn)定、均勻的流動，減少流動阻力和能量損失，有效提高霧化質(zhì)量；不同的噴孔形狀，如圓形、扇形、橢圓形等，對霧滴粒徑分布和噴霧形狀有著顯著影響，其中扇形噴孔在大面積噴灑作業(yè)中能夠使霧滴更均勻地分布，提高噴灑的覆蓋面積和均勻性；噴孔尺寸的大小與霧滴粒徑、噴霧流量密切相關(guān)，需根據(jù)具體作業(yè)需求合理選擇?？紤]抗堵塞性能，通過增加濾網(wǎng)、改變流道形狀和設(shè)計特殊防堵塞結(jié)構(gòu)等措施，有效提高了噴嘴的抗堵塞性能。實驗結(jié)果表明，優(yōu)化后的噴嘴在使用含有雜質(zhì)的藥液時，連續(xù)工作時間明顯延長，噴霧流量更加穩(wěn)定。SLM制造工藝參數(shù)研究方面，明確了激光功率、掃描速度、掃描策略等參數(shù)對成型質(zhì)量的影響機制。激光功率過低會導(dǎo)致金屬粉末熔化不充分，致密度降低；過高則會產(chǎn)生較大熱應(yīng)力，使成型件變形甚至出現(xiàn)裂紋。掃描速度過快會使成型件表面粗糙度增加，致密度降低；過慢則會導(dǎo)致熱應(yīng)力和變形問題，同時降低生產(chǎn)效率。通過正交實驗設(shè)計，綜合考慮成型質(zhì)量和生產(chǎn)效率，確定了最佳制造工藝參數(shù)組合為激光功率200W，掃描速度800mm/s，采用棋盤格掃描策略，粉末層厚度40μm。在該參數(shù)組合下，成型件的致密度可達(dá)98%以上，表面粗糙度控制在6μm左右，尺寸精度滿足設(shè)計要求，為植保無人機霧化噴嘴的工業(yè)化生產(chǎn)提供了技術(shù)支持。在霧化噴嘴性能測試與分析中，通過精心設(shè)計實驗，采用先進(jìn)的測試設(shè)備，對霧滴粒徑分布、噴霧角、噴霧流量和霧化均勻性等性能指標(biāo)進(jìn)行了準(zhǔn)確測量。