曹先洪，楊振杰，張慕天，余楊

(1.云南工商學院智能科學與工程學院，昆明市，650228；2.云南農業(yè)大學機電工程學院，昆明市，650201)

0 引言

在傳統(tǒng)農藥的使用過程中，一般采用人工攪拌的方式，將農藥與水按一定比例進行混合[1]。該混藥方式存在混合不均勻、配比誤差大等問題[1-2]，因此，在噴藥過程中會出現(xiàn)噴頭堵塞、農藥在葉片表面沉積量不均勻的問題，嚴重影響噴霧效果[1-4]。

為了解決以上問題，國內外專家學者對農藥藥水在線混合裝置進行了研制[5-6]。農藥藥水在線混合技術是將藥箱和水箱分開，利用噴霧機管道系統(tǒng)內部的水流或噴霧機管道系統(tǒng)外部的能源完成農藥與水的在線混合。國內外專家對其混藥工作性能進行了大量研究，郭宇波等將靜態(tài)混合器與傳統(tǒng)混藥裝置進行混藥試驗對比，結果發(fā)現(xiàn)靜態(tài)混藥器的藥液混合均勻性得到了提高，另外管道越小，混合的時間也越小。朱聰慧[5]對A型、B型、C型、D型、E型、F型、G型、H型、I型9種翼片式靜態(tài)混藥器模型進行研究，研究發(fā)現(xiàn)隨著混藥器翼片列數(shù)的增加，藥液混合均勻性越高。許績彤[6]設計了一套懸掛式果園實時混藥風送式變量噴霧系統(tǒng)，并對SK、SX、SD型3種靜態(tài)混合器進行混藥模擬試驗，采用SIMPLEC算法進行數(shù)值模擬計算，對三種靜態(tài)混合器的速度場、湍動能和第二相體積分數(shù)進行模擬分析，研究發(fā)現(xiàn)SX型靜態(tài)混合器混藥時間短，混藥效果最佳。通過以上研究可以看出，混藥均勻性與混藥裝置結構參數(shù)和混藥作業(yè)參數(shù)有關，同時也進行了大量研究，但仍存在混藥不均勻的情況。

針對上述問題，本文通過設計新型臥式植?；焖帣C，并在不同轉速條件下探究不同槳葉數(shù)和入口數(shù)對流場、壓力場和農藥混合均勻性的影響，最終為提高混藥均勻性提供新的思路和理論研究基礎。

1 整機結構與工作原理

臥式植?；焖帣C整體結構如圖1所示，主要包括輸水裝置、輸藥裝置、混藥攪拌裝置和行走裝置等。

針對云貴丘陵山區(qū)植保機混藥困難，植保機械急需混藥裝置的設計[7-9]。該植?；焖帣C穩(wěn)定性好且移動方便，可以在多種環(huán)境下混藥作業(yè)，適用于云南、貴州等山區(qū)使用[7]。以電動機作為動力輸出裝置，通過聯(lián)軸器直接與電機輸出軸相連，以便加大傳動效率。攪拌混藥時，輸水裝置和輸藥裝置同時工作，通過控制系統(tǒng)將農藥和水實時按照預先設定的比例注入到混藥攪拌裝置內，電動機帶動攪拌軸通過槳葉對農藥進行一段時間的攪拌，最終形成待用藥液。該臥式植?；焖帣C具有行走功能(行走裝置)，使用者可將該混藥機移動到不同場地進行混藥。

臥式植?；焖帣C主要參數(shù)如表1所示。

(a)主視圖

表1 臥式植?；焖帣C主要技術參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of the horizontal plant protection mixing machine

2 關鍵部件設計

2.1 攪拌功率的確定

因為考慮到攪拌所需要的力不大，用電機或者小型汽油機就能夠滿足動力要求。同時考慮到野外作業(yè)交流電的獲得渠道比較受限，采用直流電機驅動的話，蓄電池可以隨車攜帶，靈活性較大?；焖帣C的動力裝置為直流電動機，因此需要確定電動機的功率[10-11]。攪拌器的運轉功率和被攪拌液體的流體相關屬性有關，攪拌器的功率計算如式(1)和式(2)所示。

P=NpρN3d15

(1)

(2)

式中：P——攪拌功率，W；

Re——雷諾數(shù)；

ρ——密度，kg/m3；

N——攪拌轉速，r/s；

d1——攪拌器直徑，m；

Np——功率準數(shù)；

μ——粘度，Pa·s。

功率準數(shù)Np與雷諾數(shù)Re有關，查參考文獻[2]中拉什頓算圖，可得Np為1.76。經計算，攪拌器的功率應該為P=NpρN3d15=1.76×1 000×23×0.215=6 W，選用的電動機型號為m540-402。

2.2 輸藥、輸水裝置設計

輸藥、輸水裝置由藥箱、輸藥管、水箱、疏水箱和機架組成，如圖2所示。一般植保無人機的有效載藥量為15～20 kg，按照農藥與水的混合液密度為1.0×103kg/m3計算，按照每次無人機最大載藥量為20 L。該無人機單次作業(yè)量為1～1.33 hm2/次，計劃設計混藥系統(tǒng)可以提供約10次噴藥作業(yè)，則水箱容量應為200 L左右，可以提供10～13.33 hm2田地的噴藥作業(yè)，基本滿足日常的農田噴藥需求。藥箱容量小于水箱容量，規(guī)格選用100 L?；焖幫皺C架是整個混藥系統(tǒng)的主要承載部分，需要具備足夠的剛度和強度，并且具備一定的穩(wěn)定性。整個機架用圓鋼、扁鋼和鋼塊焊接制成。在圓鋼支架前端，需要鉆出2個通孔，以便固定前端的軸承座。圓鋼支架底部上端需焊接4個鋼塊，用于固定混藥桶。圓鋼支架尾部需焊接若干扁鋼，用于固定電機及尾部的軸承座。圓鋼支架底部下端焊接4個底板，用于固定腳輪。

(a)主視圖

2.3 混藥攪拌裝置設計

混藥攪拌裝置由藥箱、輸藥管、水箱、疏水箱和機架組成，如圖3所示。該混藥攪拌裝置最重要的是需要形成徑向流和軸向流提高攪拌均勻性，槳葉是混藥系統(tǒng)的核心部件，典型的攪拌葉片主要包括直葉、斜葉、彎葉、螺旋面葉式攪拌器。基于混藥混合均勻的目的，本系統(tǒng)選擇采用直葉，可以形成徑向流。攪拌槳葉由扁鋼制成，其葉面與運動方向垂直，即運動方向與葉面法線方向一致。

(a)主視圖

考慮到攪拌軸需要浸泡在液體中，需要具備一定的防銹功能，而且農藥多數(shù)屬于弱酸性，因此選用304不銹鋼可以滿足使用需求。攪拌軸受扭矩和彎矩的聯(lián)合作用，扭轉變形過大會造成軸的震動，因此應將軸單位長度最大扭轉角γ限制在允許范圍內[10-12]。軸扭矩的剛度條件

(3)

式中：γ——扭轉角，(°)/m；

G——軸材料的剪切彈性模量，MPa；

Mmax——軸傳遞的最大扭矩，N·m；

d2——攪拌軸直徑，m；

N0——攪拌軸內徑與外徑的比值；

[γ]——許用扭轉角，(°)/m。

故攪拌軸的直徑d2為19.9 mm，為保證軸工作時的可靠性，攪拌軸的直徑可選為30 mm。

3 混藥均勻性模擬試驗

3.1 模擬試驗條件

3.1.1 攪拌機構模型建立

為探究混藥機結構參數(shù)(入口數(shù)和槳葉數(shù))對混藥均勻性的影響[12-14]，本文采用CFD仿真技術對混藥過程進行數(shù)值模擬，使用COMSOL Multiphysics軟件中的幾何建模工具建立簡化模型[15-17]。入口設置為農藥入口(入口1～入口3)，出口設置為藥液出口，槳葉區(qū)域設置為旋轉域，旋轉方向為逆時針旋轉，壁面采用無滑移邊界條件。本文主要對3種入口數(shù)(1～3入口)和3種槳葉數(shù)(2～4槳葉)進行建模，部分模型如圖4所示。

(a)1入口2槳葉

使用COMSOL Multiphysics軟件中的網格劃分工具對創(chuàng)建的模型進行三角形網格劃分，網格單元數(shù)約為3 120，網格節(jié)點數(shù)為1 850，如圖5所示。

(a)1入口2槳葉

3.1.2 模擬方法與設置

由于是混藥攪拌，因此攪動液體的速度無需過快，故本文設計的槳葉轉速為1～3 r/s，混藥過程的流體流動為層流。農藥顆粒在混合過程中遵循牛頓第二定律，為方便觀察農藥顆粒在液體中的運動狀態(tài)，故設置混藥過程為流體流動顆粒跟蹤模型，表達式為

(4)

式中：Ft——顆粒所受的力，N；

mp——顆粒質量，kg；

v——顆粒速度，m/s；

t——時間，s。

首先對整個流場(層流)進行求解，然后在對粒子混合過程進行模擬，生成流場、壓力場、混藥分布圖、混藥個數(shù)—時間變化圖。其中，粒子設為剛體，其密度都為2 200 kg/m3，單個粒子質量為1 mg，單個粒子的運動速度由流場決定?；焖巶€數(shù)—時間變化圖的粒子個數(shù)由旋轉區(qū)域左半部分進行統(tǒng)計，并對農藥混藥均勻性進行研究。

3.2 結果與討論

3.2.1 不同結構參數(shù)對混藥流場的影響

槳葉轉速從1 r/s變?yōu)? r/s，攪動液體速度也逐漸加快。整體流場變化規(guī)律一致，由于文章篇幅有限，本節(jié)主要對轉速1 r/s的處理組進行研究(圖6)。

(a)1入口2槳葉

從流場分布圖6可以看出，旋轉槳葉對流場產生擾動。相同入口數(shù)條件下，槳葉數(shù)對出口流速影響較小，例如：1入口處理組，其流速基本在0～0.07 m/s范圍內分布；但槳葉數(shù)越多對流體內部的攪動更明顯[5,14]，例如：1入口2槳葉和4槳葉，槳葉數(shù)越多，各槳葉邊緣附近的流場呈顯著變化，這說明槳葉數(shù)對流場變化和粒子混合存在一定的影響[5]，故為混藥均勻性提供一定的理論基礎。相同槳葉數(shù)條件下，入口數(shù)對混藥內部流場影響顯著；入口數(shù)越多，混藥器內部流速變化幅度越小，即流速分布越均勻，例如：2槳葉處理下，對比1入口和3入口可以看出，1入口處的流速值(0.07 m/s)大于3入口處的流速值(0.03 m/s)?；焖幤鲀攘魉俚淖兓瘯焖幘鶆蛐源嬖谟绊?，因此，入口數(shù)也會對混藥均勻性產生影響。

3.2.2 不同結構參數(shù)對混藥壓力場的影響

槳葉轉速從1 r/s變?yōu)? r/s，槳葉承受的壓力逐漸增大，整體壓力場變化規(guī)律一致，由于文章篇幅有限，故本節(jié)主要對轉速1 r/s的處理組進行研究，從壓力場分布圖7可以看出，相同入口數(shù)條件下，槳葉數(shù)對壓力場影響明顯；槳葉數(shù)逐漸增多，入口處流體壓力也逐漸增大，例如1入口4槳葉處理組，其最大可達10.3 Pa；槳葉數(shù)越多，流體對槳葉的壓力分布越均勻，即槳葉受力也就越均勻，但槳葉數(shù)過多會導致單個葉片受到的阻力增大，混藥機所需的功率也隨之增大[18-20]。相同槳葉數(shù)條件下，入口數(shù)對藥箱內部壓力場分布影響不顯著。

(a)1入口2槳葉

3.2.3 不同結構參數(shù)對混藥均勻性的影響

通過對流場和壓力場的分析可以看出，槳葉轉速越大，流體的流速也越快，混藥速度和均勻性大大得到提高，但槳葉承受的壓力逐漸增大。從農藥顆粒分布圖8和時間—農藥顆粒個數(shù)曲線圖9可以看出，農藥顆粒剛進入混藥器時農藥顆粒個數(shù)較少(0～200個)，隨著混藥時長的增加農藥顆粒個數(shù)逐漸增多(200～1 600個)，大概在混藥1.0 s時農藥顆粒個數(shù)達到峰值(1 400～1 600個)。隨著農藥顆粒不斷溶解，農藥顆粒個數(shù)不斷減少，當混藥時間為4.8 s時，農藥顆粒個數(shù)逐漸趨近于0，混藥結束。

從圖8和圖9還可以看出，相同入口數(shù)條件下，槳葉數(shù)對農藥顆?；旌暇鶆蛐杂绊懨黠@；槳葉數(shù)越多，農藥顆粒個數(shù)變化幅度越小，混合越均勻[5]，例如，3入口處理條件下，4槳葉處理在1.6 s之后的農藥顆粒個數(shù)明顯大于2槳葉處理，混藥2 s時，4槳葉處理的農藥顆粒個數(shù)為475個，而2槳葉處理的農藥顆粒個數(shù)為298個。相同槳葉數(shù)條件下，不同入口數(shù)對農藥顆粒的混合較為顯著，這與入口數(shù)對流場和壓力場的影響一致，符合上述流場和壓力場的分析。

(a)1入口2槳葉

圖9 時間—農藥顆粒個數(shù)曲線Fig.9 Time-particle number curve

4 結論

1)本文設計了一種臥式植保混藥機，重點對混藥機的攪拌功率、輸藥、輸水裝置和混藥攪拌裝置等關鍵部件進行了設計，其中，攪拌器的功率為6 W，攪拌軸的直徑為30 mm。

2)對臥式植保混藥機的混合均勻性進行模擬試驗，探究不同混藥機結構參數(shù)與流場、壓力場和混藥均勻性之間的關系。研究發(fā)現(xiàn)，混藥機結構參數(shù)(入口數(shù)和槳葉數(shù))會對藥液流場和壓力場產生影響，進而影響混藥均勻性。當入口數(shù)為4個時，混藥均勻性最高；當槳葉數(shù)為4個時，混藥更均勻，但槳葉數(shù)過多會導致單個葉片受到的阻力增大，同時也會增加機具的重量。因此，在實際生產中需要對葉片數(shù)量與受力情況進一步分析。本文對提高臥式混藥機混合均勻性提供理論研究基礎。