植保無人機離心噴頭的設(shè)計與試驗

董 康,陳華才,鄭永明,劉 琛,徐武民

(1.中國計量大學 光學與電子科技學院,浙江 杭州 310018; 2.杭州啟飛智能科技有限公司,浙江 杭州 310018)

我國是農(nóng)業(yè)大國,病蟲害是制約我國糧食生產(chǎn)的重要因素之一.近年來,隨著我國農(nóng)村土地流轉(zhuǎn)加快,土地兼并產(chǎn)生的家庭農(nóng)場改變了傳統(tǒng)的種植方式,土地集約化程度越來越高.同時,隨著城市化進程加快,農(nóng)村人口老齡化造成農(nóng)業(yè)勞動力短缺以及人工成本大幅上升,傳統(tǒng)的農(nóng)藥噴灑技術(shù)已不能滿足當下農(nóng)業(yè)發(fā)展的要求[1].與常規(guī)噴霧施藥相比,植保無人機施藥時人機分離,能夠降低藥劑對人的危害,螺旋槳產(chǎn)生的下旋氣流可輔助藥液穿透作物冠層,減少藥劑的漂移,具有防治效果好、作業(yè)效率高等優(yōu)點[2].植保無人機施藥的上述特點與我國農(nóng)田地形復(fù)雜、種植模式多樣化及當前農(nóng)田適度集約化的國情相符合,因而近年來植保無人機得到了快速發(fā)展和推廣.農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)作為植保無人機的關(guān)鍵部件,在結(jié)構(gòu)方面必須滿足輕量化與霧化效果好的要求.在日本,無人機施藥采用的是離心霧化噴頭和液力霧化扇形噴頭.國內(nèi)許多研究人員就植保無人機專用的霧化噴頭進行了設(shè)計和實驗研究.范慶妮設(shè)計了適用于天鷹3號小型無人直升機的低空低藥量噴灑的壓力噴頭,并確定了噴頭的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)[3].周立新等進行了電機離心噴頭的試驗,并分析了霧化盤電機電壓和噴頭流量兩個主要因素對噴頭噴灑性能的影響[4].茹煜等基于德國VARIO公司的多功能無人直升機航空噴霧系統(tǒng),研發(fā)了離心霧化器件并進行相關(guān)參數(shù)的研究,獲得了最佳作業(yè)參數(shù)[5].但是，尚未見用于電動多旋翼植保無人機離心噴頭的研究報道.

本文設(shè)計了一種用于電動多旋翼植保無人機的離心噴頭,優(yōu)化了噴頭結(jié)構(gòu)參數(shù),設(shè)計了霧化試驗系統(tǒng),測試電機電壓對霧滴粒徑、霧滴沉積量和噴幅的影響,并將離心噴頭裝配到杭州啟飛智能科技有限公司的Q10四旋翼植保無人機進行模擬測試,欲為該離心噴頭在多旋翼植保無人機上的實際應(yīng)用提供依據(jù).

1 離心噴頭的結(jié)構(gòu)及工作原理

如圖1,離心噴頭由直流有刷電機、進水管系統(tǒng)、分水盤和離心盤等部分組成.電機上接防水密封圈和上蓋板,進水管與電機外殼孔口對接,電機的軸與電機軸夾持從電機外殼底部中心孔穿過對接,通過離心盤固定螺絲與離心盤鎖緊對接.離心盤內(nèi)部旋流室、電機軸夾持內(nèi)部和進水管相通.

1—上蓋板;2—防水密封圈;3—直流有刷電機;4—電機外殼;5—進水管;6—分水盤;7—電機軸夾持;8—離心盤;9、10—離心盤固定螺絲圖1 離心霧化噴頭結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Structure of centrifuge nozzle

離心盤是藥液形成霧滴的重要結(jié)構(gòu).形成均勻霧滴的條件：離心力大于重力，離心盤加工精度要高，旋轉(zhuǎn)時不可發(fā)生振動;離心盤的內(nèi)表面要完全被藥液所潤濕，離心盤內(nèi)表面光滑平整[6-8].

1—分水長筋條;2—分水短筋條;3—噴嘴筋條圖2 離心盤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖Figure 2 Internal structure of centrifuge disk

作業(yè)時,來自藥箱的藥液通過進水管進入離心盤的旋流室,如圖2,內(nèi)部旋流室包括分水長筋條、分水短筋條和噴嘴筋條.長筋條和短筋條從中心以放射弧形相間分布.優(yōu)化前,離心噴頭的內(nèi)部筋條數(shù)目為20個,噴嘴孔徑為0.628 mm,模擬實驗結(jié)果霧化效果差.經(jīng)優(yōu)化設(shè)計,長筋條起點與中心線的夾角為17.53°,終點與中心線的夾角為80.69°；短筋條與中心線的夾角為18.88°,終點與中心線的夾角為58.85°.長筋條和短筋條的個數(shù)為40,噴嘴筋條的個數(shù)為80,長筋條的弧長為24.49 mm,短筋條的弧長為8.32 mm,噴嘴筋條的弧長為2.52 mm.在電機的驅(qū)動下,離心盤高速旋轉(zhuǎn),藥液在離心盤產(chǎn)生的離心力作用下,被拋向離心盤的邊緣,先形成液膜,在接近或達到邊緣后分裂成液絲,再呈點狀拋甩出,與空氣撞擊后形成霧滴.

2 霧化效果測試

2.1 測試裝置

設(shè)計了一套離心噴頭霧化效果測試系統(tǒng)(圖3),主要由供電單元、供藥單元、離心噴頭、激光粒度分析儀和測試平臺五部分組成.供電單元為離心噴頭的電機提供12～16 V的額定電壓.供藥單元為離心噴頭提供過濾藥液.激光粒度分析儀(laser particle size analyzer,LPSA,德國)用來測量離心噴頭霧化后的霧滴粒徑.測試平臺上均勻放置水敏紙,收集霧滴,獲得離心噴頭的噴幅及噴幅范圍內(nèi)的沉積量分布特性[9-11].植保無人機的實際作業(yè)高度一般為1～3 m,設(shè)置離心噴頭距離水敏紙1.7 m.

圖3 離心噴頭霧化效果試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Figure 3 Structure of centrifuge sprayer test system

2.2 測試結(jié)果

2.2.1 電機電壓對霧滴粒徑、沉積量分布及噴幅的影響

水泵的預(yù)設(shè)壓力為固定值0.08 MPa,離心盤直徑為6 cm,內(nèi)部筋條數(shù)為40(噴嘴口徑為0.471 mm),改變直流有刷電機電壓,測試電壓對霧滴粒徑、噴幅和霧滴沉積量分布的影響.霧滴的接收裝置位于離心噴頭的正下方,試驗臺上有間距均勻固定好的水敏紙若干.實驗次數(shù)為5次,離心噴頭產(chǎn)生的霧滴粒徑范圍在50～300 μm,不同電壓下霧滴粒徑見表1.隨著電壓增大,霧滴平均粒徑減小.標準差越小,說明霧滴粒徑越均勻.

表1 電壓對離心噴頭性能的影響

單個離心噴頭的霧滴沉積量均值近似呈正態(tài)分布曲線(圖4),10 V的電壓供電噴幅約為1 m,12 V的電壓供電噴幅約為2 m,16 V的電壓供電噴幅約為3 m.增大電機電壓,可減小霧滴粒徑,噴幅增大,提高植保無人機的作業(yè)效率,但電壓過高功耗過大,易導致離心噴頭電機損壞.霧滴粒徑過小,藥液的防飄移性差,實際噴灑時藥液的附著率低.Q10植保無人機裝配4只離心噴頭,位于X型機架端點的旋翼電機正下方,旋翼間距為1.1 m,當單只噴頭噴幅大于2 m時,飛機的實際噴幅為旋翼間距與單只噴頭有效噴幅之和,約為4 m.

圖4 不同電壓下霧滴沉積量和噴幅Figure 4 Droplet distribution and spray width of different motor voltage

3 結(jié)語

1)本文設(shè)計了一種離心噴頭,優(yōu)化了離心盤內(nèi)部旋流室分水長筋條、分水短筋條和噴嘴筋條的參數(shù).傳統(tǒng)的壓力噴頭易堵塞,而且每次換藥時需要泄壓,可是采用離心噴頭則在這些方面進行了彌補,進而更好地節(jié)約了農(nóng)藥成本,且霧化效果和霧滴顆粒大小都比壓力噴頭更具優(yōu)勢.采用鋁合金外殼材質(zhì),占空比小,結(jié)構(gòu)具有散熱性好、強度高、質(zhì)量輕、壽命長等優(yōu)點.離心噴頭主要應(yīng)用于植保無人機的噴灑作業(yè),亦可用于室內(nèi)加濕.

2)對離心噴頭進行了性能測試,發(fā)現(xiàn)電機電壓增加,霧滴粒徑就越小,霧化效果越好,霧滴沉積量在噴幅范圍內(nèi)近似呈正態(tài)分布.研究了電機電壓對霧滴粒徑、噴幅和霧滴沉積量的影響,優(yōu)選最佳工作參數(shù)為：水泵預(yù)設(shè)噴霧壓力為0.08 MPa,噴嘴口徑為0.471 mm(筋條數(shù)為40).裝配有4只噴頭的植保無人機,在飛行高度為1.7 m,電機電壓為12 V時,霧滴粒徑均值為112.32 μm,實際噴幅約為4 m.

3)離心噴頭在植保無人機實際應(yīng)用效果還受自然因素和無人機飛行速度的相互影響,同時霧滴的沉積效果受環(huán)境溫度、濕度及藥液的物理特性等影響,故離心噴頭裝載在植保無人機上進行實際噴灑效果尚需進一步的試驗研究.