基于SolidWorks的氣泡霧化施藥噴頭3D設(shè)計與建模

沈從舉　賈首星　孟祥金　劉威　代亞猛

摘要：利用SolidWorks三維CAD軟件對氣泡霧化施藥噴頭的噴頭體、氣泡發(fā)生器、噴頭帽、進(jìn)氣（液）管接頭、噴片等零件進(jìn)行了3D設(shè)計與建模。通過自下而上的建模設(shè)計方法，建立了氣泡霧化施藥噴頭的三維裝配體模型，并利用其干涉檢查功能，檢查了裝配關(guān)系及相關(guān)設(shè)計的合理性，有效提高了設(shè)計效率，為氣泡霧化施藥噴頭的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、有限元分析及流場數(shù)值模擬奠定了三維模型基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：氣泡霧化；噴頭；SolidWorks；3D設(shè)計；建模

中圖分類號： TP391.7；S491文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2014）01-0359-04

收稿日期：2013-06-07

基金項目：新疆農(nóng)墾科學(xué)院青年科學(xué)基金（編號：YQJ2009-14）。

作者簡介：沈從舉（1982—），男，河北衡水人，碩士，助理研究員，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計與性能試驗研究。Tel：（0993）6683373；E-mail：shencongju@163.com。

通信作者：賈首星，研究員，主要從事農(nóng)牧機(jī)械設(shè)計與研究工作。Tel：（0993）6683277。隨著病蟲草害防治技術(shù)的發(fā)展，我國農(nóng)藥使用正朝著更高農(nóng)藥利用率、更少環(huán)境污染方向發(fā)展[1-2]，高效農(nóng)藥的出現(xiàn)對植保機(jī)械低量、高效施藥提出了更高要求，高效低污染施藥噴頭的研制開發(fā)勢在必行。氣泡霧化施藥噴頭作為一種新型兩相霧化噴頭，可將大容量噴霧變?yōu)榈腿萘扛咝婌F，對提高農(nóng)藥利用率、減少因農(nóng)藥漂移引起的環(huán)境污染等問題具有重要意義。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，CAD技術(shù)逐漸由二維繪圖向三維設(shè)計過渡。三維設(shè)計具有無可比擬的優(yōu)越性，是機(jī)械設(shè)計的發(fā)展方向。三維CAD系統(tǒng)采用三維模型進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計，它不是單純使用計算機(jī)繪圖，還包括產(chǎn)品構(gòu)思、功能設(shè)計、結(jié)構(gòu)分析、加工制造等[3]。SolidWorks三維實體建模軟件是美國SolidWorks公司的產(chǎn)品，是現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計方法中一種常用的三維CAD軟件，是機(jī)械設(shè)計領(lǐng)域的主流設(shè)計軟件[4]。在機(jī)械零部件及整機(jī)的設(shè)計建模及裝配方面，與傳統(tǒng)的二維設(shè)計方法（二維圖形描述）相比，應(yīng)用Solidworks軟件進(jìn)行設(shè)計與建模，圖形表達(dá)更直觀，不必耗費(fèi)精力考慮產(chǎn)品的圖形表達(dá)，修改圖樣更方便，減少重復(fù)勞動，減輕設(shè)計強(qiáng)度，從而縮短產(chǎn)品的設(shè)計周期。此外，應(yīng)用Solidworks軟件對氣泡霧化施藥噴頭進(jìn)行3D設(shè)計與建模，還可以為該噴頭的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、有限元分析及流場數(shù)值模擬奠定三維模型基礎(chǔ)。

1氣泡霧化原理及技術(shù)特點(diǎn)

1.1氣泡霧化原理

氣泡霧化技術(shù)（effervescent atomization）是Lefebvre教授等于1988年提出的一種革新性的霧化技術(shù)，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于燃油噴射等工業(yè)領(lǐng)域[5-6]。氣泡霧化原理與常規(guī)的液力霧化、氣力式霧化有著本質(zhì)區(qū)別。常規(guī)的液力霧化、氣力式霧化是借助液體或氣體的動能克服液體黏性實現(xiàn)液體霧化。氣泡霧化不是通過克服液體的黏性，而是通過克服液體的表面張力來達(dá)到霧化目的，其過程是把壓縮空氣以某種適當(dāng)?shù)姆绞阶⑷胍后w中，并使兩者在噴頭混合室內(nèi)形成穩(wěn)定的泡狀兩相流動，形成均勻而穩(wěn)定的泡狀流是其霧化的關(guān)鍵。氣泡霧化原理如圖1所示。

造成氣泡霧化的原因一方面是高速氣流在噴頭出口處對液體強(qiáng)烈的剪切、撕裂作用；另一方面是出口下游液體顆粒所包裹的氣泡“爆炸”所造成的二次霧化，即泡狀兩相流在離開噴頭出口瞬間，由于氣泡內(nèi)外壓差的劇烈變化，導(dǎo)致氣泡劇烈膨脹直至破裂，從而進(jìn)一步破碎包裹在其周圍的液膜，形成更加細(xì)微的霧液顆粒[7]（圖2）。

1.2氣泡霧化技術(shù)特點(diǎn)

氣泡霧化技術(shù)與常規(guī)霧化技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：注入氣體壓力低、霧滴粒徑小、耗氣率低、耗能小、不易磨損；噴口大，可以減輕堵塞；液體黏度幾乎不影響霧滴大小。我國是農(nóng)藥使用大國，由于農(nóng)業(yè)施藥過程中的特殊性、工作狀況的復(fù)雜性，人們總是希望用較低的壓力達(dá)到期望的霧化效果，即獲得足夠小的霧滴，同時要求噴頭不易堵塞[8-9]。目前，氣泡霧化技術(shù)大多應(yīng)用于航空、發(fā)動機(jī)、重油霧化等工業(yè)領(lǐng)域。

2氣泡霧化施藥噴頭結(jié)構(gòu)

筆者設(shè)計的氣泡霧化施藥噴頭采用內(nèi)氣外液式結(jié)構(gòu)，即氣體由氣泡發(fā)生器內(nèi)部進(jìn)入，液體由氣泡發(fā)生器外部進(jìn)入，氣體、液體在噴頭體內(nèi)的混合室內(nèi)混合。該噴頭結(jié)構(gòu)由噴頭體、氣泡發(fā)生器、噴頭帽、進(jìn)氣（液）管接頭、噴片、噴片壓塊、密封圈組成（圖3）。

3氣泡霧化施藥噴頭各零件3D設(shè)計與建模

SolidWorks軟件具有強(qiáng)大的機(jī)械零件建模功能、參數(shù)設(shè)計功能，大大縮短了產(chǎn)品設(shè)計時間，提高了產(chǎn)品設(shè)計效率。通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描、倒角、圓角等特征來完成氣泡霧化施藥噴頭體、氣泡發(fā)生器、進(jìn)氣（液）管接頭、噴頭帽、噴片等零件的三維造型（圖4至圖8）。利用SolidWorks軟件的參數(shù)設(shè)計功能，可以實現(xiàn)噴頭各零件的3D設(shè)計與建模，方便修改已經(jīng)建立好的零件模型，能夠快速實現(xiàn)繪制工程零件圖的功能，有效降低了繪圖強(qiáng)度，提高了氣泡霧化施藥噴頭的設(shè)計速度。此外，通過SolidWorks軟件屏幕左側(cè)的特征樹，可以管理各個零件的設(shè)計過程，當(dāng)其他設(shè)計人員查看或修改建模完成的零件時，能夠通過特征樹來詳細(xì)了解各零件的設(shè)計意圖，以及整個建模、設(shè)計過程，方便共享模型[10]。

4三維裝配建模與干涉檢查

4.1三維裝配建模

SolidWorks軟件的裝配體建模方法有2種：一種是從零件到整體即自下而上的設(shè)計方法；另一種是從整體到局部即自上而下的設(shè)計方法。自下而上的設(shè)計方法是比較傳統(tǒng)的設(shè)計方法，先在零件建模環(huán)境中構(gòu)建單個零件，再進(jìn)入裝配環(huán)

境，將之插入裝配體，然后根據(jù)設(shè)計要求配合零件，進(jìn)而構(gòu)建裝配體。自下而上設(shè)計的優(yōu)點(diǎn)是零部件是獨(dú)立設(shè)計的，零部件的相互關(guān)系及重建行為簡單。當(dāng)使用以前已經(jīng)構(gòu)建好的零件進(jìn)行裝配建?；虿恍枰⒖刂屏悴考g大小、尺寸的參考關(guān)系時，自下而上是首選方案[4]。自下而上三維設(shè)計的流程是：草圖→特征→零件→裝配→工程圖[3]。本研究設(shè)計的氣泡霧化施藥噴頭采用了自下而上的設(shè)計方法，利用已經(jīng)構(gòu)建好的各零件進(jìn)行裝配建模（圖9至圖11）。endprint

4.2干涉檢查

干涉檢查主要包括靜態(tài)干涉檢查、動態(tài)干涉檢查2方面。靜態(tài)干涉檢查也稱為穩(wěn)態(tài)干涉檢查，是指物體有固定的位置與方向。對于運(yùn)動著的物體，則需要采用動態(tài)干涉檢查方法[11]。SolidWorks軟件不僅可以通過在裝配體中對零件進(jìn)行移動或旋轉(zhuǎn)零部件來驗證裝配關(guān)系的合理性，還可以實現(xiàn)動態(tài)干涉檢查。本研究設(shè)計氣泡霧化施藥噴頭各零件的裝配有固定的位置與方向，因此，應(yīng)對其進(jìn)行靜態(tài)干涉檢查。利用裝配體的靜態(tài)干涉檢查功能，可以在裝配體中檢查指定零件間或整個裝配的所有零件間存在的干涉情況。對于檢查發(fā)現(xiàn)的干涉，以干涉體積的形式顯示在圖形區(qū)域中。對本研究設(shè)計的氣泡霧化施藥噴頭裝配體進(jìn)行靜態(tài)干涉檢查，顯示可能存在2處干涉：一處是噴頭體、氣泡發(fā)生器之間，另一處是噴頭體、噴頭帽之間，其他各處均不存在干涉（圖12）。干涉檢查結(jié)果顯示，可能存在干涉的2處均為螺紋連接位置，實際上不存在干涉。因此，該噴頭各零件裝配關(guān)系合理，尺寸、位置設(shè)計合理。通過靜態(tài)干涉檢查，驗證了氣泡霧化施藥噴頭結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。

5結(jié)論

無論是機(jī)械零部件還是整機(jī)，三維設(shè)計都始于三維實體造型，利用SolidWorks軟件進(jìn)行3D設(shè)計與建模，生成三維實體后，可自動生成二維工程圖，而且二維工程圖與三維實體全相關(guān)，對三維實體進(jìn)行修改，會直接反映到二維工程圖中，大大提高了設(shè)計效率，縮短了產(chǎn)品的設(shè)計周期。本研究利用SolidWorks軟件對氣泡霧化施藥噴頭的噴頭體、氣泡發(fā)生器、噴頭帽、進(jìn)氣（液）管接頭、噴頭帽、噴片等零件進(jìn)行了3D設(shè)計與建模，并通過自下而上的裝配體建模設(shè)計方法，建立了氣泡霧化施藥噴頭的三維裝配體模型，最后利用SolidWorks軟件的干涉檢查功能，檢查了氣泡霧化施藥噴頭的裝配關(guān)系及相關(guān)設(shè)計的合理性，有效提高了設(shè)計效率，為氣泡霧化施藥噴頭的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、有限元分析及流場數(shù)值模擬奠定了三維模型基礎(chǔ)。

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