雾化器、雾化系统及雾化施药的方法与流程

本发明涉及雾化技术领域，提供雾化器、雾化系统及雾化施药的方法。

背景技术：

农用飞机航空施药，具有飞行速度快，喷洒作业效率高，应对突发灾害能力强等优点，在农业植保领域受到了高度重视。近年来，在我国农业现代化发展需求与国家政策的大力推动下，我国农业航空施药技术发展迅速，应用更加广泛。

航空施药与地面施药方式相比，喷施器械与作物空间间距较大，施药雾滴受周围环境温湿度、风场等因素影响较大。为提高农药利用率、提高喷雾药液在作物上的沉积质量、减少农药飘移，因此特定农药的航空喷施都有特定的雾滴粒径尺寸要求。雾化器是实现农药雾化的主要设备，当前雾化器主要有压力型雾化器和离心式雾化器两种。压力型雾化器借助喷药药液管道和管道外接空间压力差，实现对农药的雾化。这种雾化器对雾化药液雾滴尺寸的控制性较差，雾化药液雾滴粒径跨度大且一致性较差。当采用该种雾化器进行航空施药时，药液飘移严重，极易产生农药环境污染。离心式雾化器是通过借助离心转盘或离心转笼实现对药液的雾化，该类型雾化器的雾化雾滴粒径的可控性较大，雾化雾滴一致性较好，较适用于航空施药。但是其仍旧存在雾化器雾化效率低、雾滴尺寸不均匀的问题。

我国迄今为止还没有具有自主知识产权的有人驾驶飞机施药专用离心雾化器。当前，有人驾驶大型飞机施药多采用风动转笼式离心雾化器。该种雾化器以英国micronair(科德宝)公司的产品在国内应用较多。该雾化器具有离心式雾化器的优点，但同时随着航空施药装备现代化的需求，其弊端也逐渐显现，主要体现在如下方面：

该型雾化器通过借助飞机飞行过程中的高速气流驱动桨叶，桨叶带动转笼高速旋转实现对药液的雾化。当转笼输出药液流量一致时，转笼旋转速度越快，雾化效果越强，雾化雾滴粒径越小；转笼旋转速度越慢，则雾化效果越弱，雾化雾滴粒径越大。飞机飞行速度不同，桨叶受到的气流驱动力不同，进而导致转笼转速不同、药液雾化程度不同、药液雾化雾滴粒径不同。对于特定药液，粒径偏差于该药液要求雾化粒径时，将产生严重的环境污染和降低农药利用效率，进而影响病虫草害的防治效果。

当飞机飞行速度固定，雾化器药液输入流量波动，引起雾化器转笼转速变化，进而影响雾化器雾化程度。

载有转笼雾化器的飞机，当飞机施药完成进行返航或者不进行施药操作时，雾化器会空转，不但容易导致雾化器关键机械器件劳损而减少其使用寿命，而且会因雾化器转动增大飞行器的飞行阻力，从而增大飞机飞行能耗，增加飞机使用成本。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。

本发明的其中一个目的是：提供一种雾化器，解决现有技术中存在的雾化器雾化效率低、雾滴尺寸不均匀的问题。

为了实现该目的，本发明提供了一种雾化器，包括喷头、喷管、转笼和第一旋转驱动单元，所述喷头上设置有喷射口，且在所述喷头中设置有用于调节所述喷射口处喷液压力的压力阀；所述喷管套设在所述喷头外侧，所述第一旋转驱动单元连接所述喷管并使得所述喷管相对所述喷头转动，且所述喷管的管壁上分布有甩水孔，所述转笼套设在所述喷管外侧且与所述喷管固定。

本发明的技术方案具有以下优点：本发明的该种雾化器包括三级雾化机构。其中，一级雾化机构为喷头，从喷头的喷射口得到的为液膜。二级雾化机构为喷管，从喷管的甩水孔得到较大的液滴。三级雾化机构为转笼，在离心力的作用下液滴通过转笼，转笼打碎液滴，大液滴转换为均匀液滴。经过三重雾化，液体雾化效果明显、雾化效率高且雾滴尺寸均匀。

根据本发明的一个实施例，所述喷头呈管状，所述喷头、喷管和所述转笼均同轴设置。

根据本发明的一个实施例，在所述喷头第一端形成有进液口，第二端设置有所述压力阀，所述压力阀包括弹簧和可调活塞杆。

根据本发明的一个实施例，所述喷管与所述转笼通过桶形安装座固定，所述喷管的端部与所述桶形安装座的底板连接，所述转笼的端部与所述桶形安装座的侧壁螺纹连接。

根据本发明的一个实施例，沿着所述喷管的管壁均匀分布有多个甩水孔。

本发明的另一个目的是：提供一种雾化系统，包括上述雾化器，还包括桨叶，所述桨叶和所述转笼固定，且所述桨叶满足：将所述雾化器安装至飞行器上时，所述桨叶带动所述转笼转动。

根据本发明的一个实施例，当所述喷管与所述转笼通过桶形安装座固定时，所述桨叶固定至所述桶形安装座上。

根据本发明的一个实施例，所述桨叶靠近所述转笼的一侧设置有隔离件，用于防止所述桨叶处形成的气流经过所述转笼。

根据本发明的一个实施例，所述桨叶连接桨叶角度调节机构，所述桨叶角度调节机构包括主动齿轮、齿轮座、齿轮轴和第二旋转驱动单元，所述主动齿轮和所述齿轮座同轴设置，且所述主动齿轮和所述齿轮座的齿面相对设置，所述齿轮轴啮合在所述主动齿轮与所述齿轮座之间，所述第二旋转驱动单元连接所述主动齿轮并带动所述主动齿轮转动，所述齿轮轴的外端连接所述桨叶，所述齿轮座与所述转笼固定；沿着所述主动齿轮与所述齿轮座的周向上均匀分布有多个所述齿轮轴。

本发明的另一个目的是：提供一种雾化施药的方法，包括以下步骤：

将从药液管道喷出的液柱通过喷头中的压力阀作用变成液膜从喷头喷出；

在喷头外套设一个相对喷头转动的喷管，通过喷管的离心力作用，使得液膜变成大液滴从喷管喷出；

在喷管外套设一个转笼，使得大液滴经过转笼被打碎变成均匀的雾化液滴。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是实施例的雾化系统的结构示意图；

图2是实施例的喷头的结构示意图；

图3是实施例的喷管及桶形安装座的结构示意图；

图4是桨叶及其桨叶角度调节机构的结构示意图；

图中：1、第一旋转驱动单元；2、第二旋转驱动单元；3、桨叶角度调节机构；3-1、齿轮轴；3-2、主动齿轮；3-3、齿轮座；4、桨叶；5、隔离件；6、内套管；7、喷头；8、喷射口；9、压力阀；9-1、弹簧；9-2、可调节活塞杆；10、甩水孔；11、喷管；12、转笼；13、筛孔；14、垫片；15、第一螺栓；16、密封垫；17、进液口；18、流量传感器；19、安装架；20、第二螺栓；21、安装架；22、蓄电池；23、电压传感器；24、桶形安装座；24-1、安装孔。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系在没有特别说明的情况下，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”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参见图1，根据本发明的其中一个实施例，雾化器包括喷头7、喷管11、转笼12和第一旋转驱动单元1。喷头7上设置有喷射口8，且在喷头7中设置有用于调节喷射口8处喷液压力的压力阀9。喷管11套设在喷头7外侧，第一旋转驱动单元1连接喷管11并使得喷管11相对喷头7转动，且喷管11的管壁上分布有甩水孔10。转笼12套设在喷管11外侧且与喷管11固定。

该种施药用雾化器包括三级雾化机构。其中，一级雾化机构为喷头7，从喷头7的喷射口8得到的为液膜。二级雾化机构为喷管11，从喷管11的甩水孔10得到较大的液滴。三级雾化机构为转笼12，在离心力的作用下液滴通过转笼12，转笼12打碎液滴，大液滴转换为均匀雾滴。经过三重雾化，液体雾化效果明显、雾化效率高且雾滴尺寸均匀。

值得一提的是，以上雾化器尤其适用于当前的农林施药，尤其是农林航空施药，将上述雾化器安装在航空器上，可以实现非常好的效果。当然，雾化器的应用不局限在农林施药，任何应用到雾化器的场合都可以采用本发明的雾化器。

其中，转笼12上的筛孔13的结构不受附图2的限制，只要能够打碎药液后使得雾化药液从筛孔13喷出即可。

图2中，喷头7呈管状，该种喷管11结构简单便于制造。当然，该种喷管11的结构形式不构成对本申请的限制。

根据本发明的其中一个实施例，喷头7、喷管11和转笼12均同轴设置。进而，可以将雾化后的药液均匀从雾化器的各个方向喷出，便于得到更加均匀的雾滴。

请进一步参见图2，在喷头7第一端形成有进液口17，第二端设置有压力阀9。通过压力阀9可以预设喷头7喷射口8处的喷射压力，进而根据需求对喷头7的喷射压力进行调整。

当雾化器用于农林航空施药时，则进液口17用于连接药液管道。为了保证喷头7第一端的进液口17和药液管道的连接处不发生渗漏，在喷头7第一端进液口17处设置有密封垫16。

根据本发明的其中一个实施例，压力阀9包括弹簧9-1和可调节活塞杆9-2。弹簧9-1安装在可调活塞杆9-2与喷头底部之间，套在可调活塞杆9-2上，可调活塞杆9-2与喷头底部用螺纹连接，通过调节喷头底部与可调活塞杆9-2的相对位置，以调解弹簧9-1的预应力，改变喷头出液口的出水压力。当然，压力阀9的结构形式不受此处举例限制，任何现有技术的压力阀9均可以应用于此处的喷头7当中。

根据本发明的其中一个实施例，喷射口8的数量为多个，并且沿着喷头7的周向均匀分布。当然，喷头7上的喷射口8的数量和分布不受附图的限制，只要从喷射口8出来的药液可以进入喷管11内，并最终通过喷管11喷出即可。

请参见图3，喷管11与转笼12通过桶形安装座24固定。喷管11的端部与桶形安装座24的底板连接，转笼12的端部与桶形安装座24的侧壁螺纹连接。该种桶形安装座24的设置，既方便了喷管11和转笼12之间的连接，又毫不干涉喷管11和转笼12之间的药液。

根据本发明的其中一个实施例，桶形安装座24的侧壁为内套管6，进而通过内套管6与转笼12连接。

并且，在桶形安装座24的底板上还可以设置安装孔24-1，以便于后续提到的桨叶4角度调节机构3的固定。

根据本发明的其中一个实施例，桶形安装座24的底板上设置有垫片14，第一螺栓15从垫片14和底板穿过之后，和第一旋转驱动单元1连接。

图3中，喷管11与桶形安装座24一体成型，进而简化了雾化器的制备和维护。

根据本发明的其中一个实施例，沿着喷管11的管壁均匀分布有多个甩水孔10。均匀分布的甩水孔10可以保证药液的均匀，进而得到大小一致的液滴。

根据本发明的其中一个实施例，提供一种雾化系统，除了包括上述雾化器，还包括桨叶4，桨叶4和转笼12固定，且桨叶4满足：将雾化器安装至飞行器上时，桨叶4可以带动转笼12转动。

其中，桨叶4既可以直接固定在转笼12上，也可以固定在上述提到的桶形安装座24上，甚至还可以固定至雾化器的任何部件上，只要桨叶4转动时可以带动转笼12转动即可。

根据本发明的其中一个实施例，桨叶4靠近转笼12的一侧设置有隔离件5，用于防止桨叶4处形成的气流经过转笼12。通过设置隔离件5，可以，防止桨叶4产生的气流对从转笼12出来的雾滴产生影响，降低雾滴离开转笼12的阻力，增大雾滴的利用效率。隔离件5相对转笼12侧壁的凸起高度h与转笼12所适用的飞行器飞行速度v有关，具体的，所适用飞行器飞行速度v越大则h越大，飞行器飞行速度越小则h越小。

其中，隔离件5既可以直接和转笼12固定，也可以固定在桶形安装座24上，固定方式不受限制，例如可以焊接、粘接或者螺纹连接等。

根据本发明的其中一个实施例，桨叶4连接桨叶4角度调节机构3，桨叶4角度调节机构3的作用在于根据不同的环境调节桨叶4的攻角。

根据本发明的其中一个实施例，请参见图4，桨叶4角度调节机构3包括主动齿轮3-2、齿轮座3-3、齿轮轴3-1和第二旋转驱动单元2(在图4中未示出)。主动齿轮3-2和齿轮座3-3同轴设置，且主动齿轮3-2和齿轮座3-3的齿面相对设置，齿轮轴3-1啮合在主动齿轮3-2与齿轮座3-3之间，第二旋转驱动单元2连接主动齿轮3-2并带动主动齿轮3-2转动，齿轮轴3-1的外端连接桨叶4。

其中，“齿轮轴3-1的外端”也即齿轮轴3-1远离主动齿轮3-2和齿轮座3-3的一端。

飞行速度不同时，可以通过桨叶4角度调节机构3调节桨叶4的攻角，进而使得即使不同飞行速度下桨叶4受到的气流驱动力也可以相同，使得安装有该种桨叶4组件的农林航空施药用雾化系统可以控制药液雾化程度，获取满足需求的药液雾化雾滴粒径，避免环境污染，提高农药利用效率以及病虫草害的防治效果。

根据本发明的其中一个实施例，齿轮座3-3与转笼12固定，进而当桨叶4受到气流驱动的时候，可以带动转笼12转动。当然，喷管11与转笼12通过桶形安装座24固定时，也可以将齿轮座3-3固定至桶形安装座24上。也即，只要桨叶4可以带动转笼12转动即可，桨叶4和转笼12之间既可以是直接连接也可以间接连接。

图4中，齿轮轴3-1的数量为三根，进而桨叶4的数量也为三片，且沿着主动齿轮3-2与齿轮座3-3的周向上均匀分布。当然，桨叶4和齿轮轴3-1的数量以及分布不受图4的限制，桨叶4甚至可以是一片，只要桨叶4受到气流作用可以带动转笼12转动即可。

上述桨叶4角度调节机构3可以实现所有桨叶4角度的同步调整，减少了不同桨叶4攻角之间的误差，实现桨叶4角度的整体调节。

根据本发明的其中一个实施例，桨叶4角度调节机构3采用锥齿轮传动的方式，齿轮轴3-1的模数m＝2，传动比1:4，主动齿轮3-2与齿轮座3-3的齿数相同，齿数z1＝40，齿轮轴3-1齿数z2＝10。主动齿轮3-2受到第二旋转驱动单元2的驱动进行转动，并且第二旋转驱动单元2转动时，带动齿轮轴3-1转动，进而实现对桨叶4攻角的调整。桨叶4攻角调整时，第二旋转驱动单元2驱动主动齿轮3-2绕齿轮座3-3转动一定角度，主动齿轮3-2直接带动三个桨叶4转动，减少了不同桨叶4的攻角之间的误差，实现桨叶4角度的整体调节。

根据本发明的其中一个实施例，主动齿轮3-2和齿轮座3-3与齿轮轴3-1之间的传动形式属于锥齿轮的传动形式。

根据本发明的其中一个实施例，雾化系统还包括蓄电池22、药液管道、流量传感器18、转速传感器、电压传感器23和控制模块。

以上第一旋转驱动单元1为驱动电机，驱动电机连接蓄电池22，蓄电池22包括充电模式和放电模式。流量传感器18检测药液管道的流量值并发送给控制模块，转速传感器用于测量转笼12或喷管11的实际转速值并发送给控制模块，电压传感器23用于检测蓄电池22的实际电压值并发送给控制模块。控制模块根据检测到的流量值、实际转速值和实际电压值控制蓄电池22的模式以及桨叶4的攻角。

当流量传感器18测得流量值q为零时，说明此时所需要的转笼12转速为零，那么控制模块控制蓄电池22进入充电模式。在蓄电池22充电过程中，可以控制桨叶4角度调节机构3使得桨叶4攻角为45度，以最大程度利用风能为蓄电池22充电。直至实际电压值达到设定电压值，此时蓄电池22充电饱和，控制模块控制第二旋转驱动单元2以调节桨叶4的攻角并使得桨叶4的攻角为零，以减小飞行器的飞行阻力。

当流量传感器18测得流量值q大于零时，控制模块将实际转速值和设定转速值对比：

当实际转速值wx小于设定转速值w，控制模块控制蓄电池22进入放电模式，使得驱动电机带动转笼12转动。

当实际转速值wx大于设定转速值w，控制模块控制蓄电池22进入充电模式，桨叶4转动并给蓄电池22充电；直至实际电压值达到设定电压值，调整桨叶4的攻角，使得实际转速值等于设定转速值。

其中，设定转速值w是根据流量值q、及雾化器设定雾滴粒径dx计算得到。

通过以上描述发现，雾化器具有纯风驱动和风电混合驱动两种雾化模式，并且两种模式可根据流量传感器18测得的流量值以及转速传感器测得的实际转速值进行自动切换，最大程度降低雾化器工作耗能。

纯风驱动和风电混合驱动两种雾化模式的切换由转笼12设定转速值与转笼12实际转速值之间的关系，以及蓄电池22的状态共同决定。

当实际转速值wx<设定转速值w，系统处于风电混合驱动模式，驱动电机处于耗电状态，蓄电池22处于放电状态，为驱动电机供电，驱动电机和风共同驱动雾化器以提升转笼12的转速，使实际转速值wx＝设定转速值w。

当实际转速值wx>设定转速值w，雾化系统处于纯风动模式，此时蓄电池22处于充电模式下，在风力作用下桨叶4带动驱动电机转动产生反电动势u1，驱动电机处于发电状态，为蓄电池22充电。当实际电压值ux等于蓄电池22额定电压u时，控制桨叶4角度调节机构3工作，改变桨叶4攻角，降低转笼12实际转速wx至设定转速值w。

以上蓄电池22具有过载保护装置，充电完成后自动断开。

根据本发明的其中一个实施例，控制模块通过输出pwm信号控制驱动电机以一定的转速转动。此外，控制模块通过输出pwm信号控制第二驱动单元工作，以改变桨叶4攻角。

根据以上实施例的雾化系统，控制模块根据流量值q，实际转速值wx与设定转速值w之间的关系，以及蓄电池22的工作模式调整桨叶4攻角，实现风能的最大化利用。飞行器启动，控制模块控制桨叶4角度调节机构3复位，此时桨叶4攻角为45度。不考虑蓄电池22的情况下，当雾化器药液流量值q>0，且wx>w，控制模块控制桨叶4角度调节机构3以减小桨叶4攻角a，使wx减小，同时降低桨叶4风阻。相反，wx<w，桨叶4角度调节机构3增大桨叶4攻角a，提高风能的利用率，同时wx增大。

当雾化器药液流量值q＝0时，蓄电池22的电压ux小于电池额定电压u，桨叶4角度调节机构3调整桨叶4攻角为45度，为蓄电池22充电；若ux＝u，桨叶4角度调节机构3调整桨叶4攻角为0(顺浆)，以减小桨叶4带来的风阻，提高飞行器的工作效率。

根据本发明的其中一个实施例，控制模块采用单片机stm32f10系列。流量传感器18采用okd-a68-1霍尔流量传感器18，转速传感器为内置在驱动电机内的霍尔传感器，电压传感器23采用分流电阻器。

根据本发明的其中一个实施例，以上传感器(包括流量传感器18、转速传感器和电压传感器23)通过串口将传感器单元的值传输到控制模块。

根据本发明的其中一个实施例，蓄电池22具有过载保护，驱动电机为异步电机，且选用直流无刷电机，直流无刷电机带动喷管11和转笼12转动。桨叶4角度调节机构3固定在桶形安装座24上。第二旋转驱动单元2采用步进电机，步进电机驱动桨叶4角度调节机构3调整桨叶4角度，步进电机与直流无刷电机可以同轴线安装。

值得一提的是，以上雾化系统尤其适用于当前的农林施药，尤其是农林航空施药，将上述雾化系统安装在航空器上，可以实现非常好的效果。当然，雾化系统的应用不局限在农林施药。

根据本发明的其中一个实施例，提供一种农林施药用飞行器，包括上述雾化器，雾化器的喷头7固定至安装架2119上，安装架2119通过安装夹固定至喷杆上，喷杆用于连接药泵和药液管道。

根据本发明的其中一个实施例，安装架2119和安装夹之间通过第二螺栓20固定。

根据本发明的其中一个实施例，提供一种雾化施药的方法，包括以下步骤：

将从药液管道喷出的液柱通过喷头7中的压力阀9作用变成液膜从喷头7喷出；

在喷头7外套设一个相对喷头7转动的喷管11，通过喷管11的离心力作用，使得液膜变成大液滴从喷管11喷出；

在喷管11外套设一个转笼12，使得大液滴经过转笼12被打碎变成均匀的雾化液滴。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。