于金友 范 鑫 尚德林 韓 鑫

(山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博 255000)

0 引言

我國(guó)的農(nóng)業(yè)發(fā)展還面臨著許多問(wèn)題，最主要的問(wèn)題在于生產(chǎn)效率低下，農(nóng)業(yè)規(guī)模化、機(jī)械化程度低，近年來(lái)隨著農(nóng)業(yè)航空技術(shù)的飛速發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化程度較低的問(wèn)題正在逐步得到改善，但相較于一些發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)農(nóng)業(yè)航空技術(shù)還有諸多不足[1-2]。

伴隨植保無(wú)人機(jī)技術(shù)與裝備的快速發(fā)展[3]，人們對(duì)植保無(wú)人機(jī)藥箱防晃/防浪涌性能的要求越來(lái)越高。植保無(wú)人機(jī)在作業(yè)過(guò)程中經(jīng)常做出起飛、降落、急停、轉(zhuǎn)向、平移、繞點(diǎn)旋轉(zhuǎn)和仿地飛行等動(dòng)作，此時(shí)藥箱內(nèi)的藥液在激勵(lì)的作用下進(jìn)行劇烈晃動(dòng)，無(wú)疑會(huì)對(duì)植保無(wú)人機(jī)的整機(jī)作業(yè)性能產(chǎn)生很大影響，包括飛行安全性、軌跡精準(zhǔn)性、作業(yè)精確性和動(dòng)力續(xù)航性等[4-5]。此外，隨著作業(yè)過(guò)程中藥箱充液比的下降，這種晃動(dòng)會(huì)變得愈加劇烈和明顯[6]，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐蓧嫏C(jī)等事故，大大影響其作業(yè)質(zhì)量、作業(yè)效率和飛行安全。因此，植保無(wú)人機(jī)藥箱本身的防晃性能也顯得尤為重要。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)對(duì)象

韋加八旋翼植保無(wú)人機(jī)錐形藥箱、高科新農(nóng)S40單旋翼植保無(wú)人機(jī)U型藥箱。

1.2 試驗(yàn)材料

藥箱晃動(dòng)激勵(lì)由六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)提供；在藥箱內(nèi)壁安裝水壓力傳感器，采集晃動(dòng)時(shí)藥箱內(nèi)藥液對(duì)藥箱內(nèi)壁的壓力[7]。

1.3 藥箱工況選擇

(1)水平加速度(外界激勵(lì))。

植保無(wú)人機(jī)在飛行作業(yè)過(guò)程中，會(huì)經(jīng)常進(jìn)行起飛、急停、轉(zhuǎn)向、仿地飛行、繞點(diǎn)旋轉(zhuǎn)(果樹(shù)模式)等飛行姿態(tài)，其中當(dāng)植保無(wú)人機(jī)出現(xiàn)起飛、急停、轉(zhuǎn)向這3種飛行姿態(tài)時(shí)，本質(zhì)上相當(dāng)于給植保無(wú)人機(jī)藥箱一個(gè)水平的加速度激勵(lì)，而植保無(wú)人機(jī)在飛行作業(yè)時(shí)最佳也是最常用的飛行速度為4～8m/s，取其平均數(shù)為6m/s，同時(shí)利用極飛p30的實(shí)飛測(cè)量，得到植保無(wú)人機(jī)速度從0～6m/s的加速時(shí)間為2s，通過(guò)加速度公式：

Vt=V0+at

(1)

公式1可變形為：

a=(Vt-V0)/t

(2)

公式中：V0為植保無(wú)人機(jī)的初始速度，即0m/s：Vt為植保無(wú)人機(jī)終止速度，即t為植保無(wú)人機(jī)的加速時(shí)間，即2s，通過(guò)計(jì)算可以得出a=3m/s2。當(dāng)使用試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行模擬試驗(yàn)時(shí)，給植保無(wú)人機(jī)藥箱一個(gè)3m/s2的加速度即可模擬植保無(wú)人機(jī)在起飛、急停、轉(zhuǎn)向時(shí)的藥箱工況。

(2)充液比。

本文研究對(duì)象為植保無(wú)人機(jī)藥箱，在植保無(wú)人機(jī)飛行作業(yè)的過(guò)程中，隨著藥液噴施的不斷進(jìn)行，藥箱中藥液也會(huì)隨之不斷減少，藥箱的充液率呈線(xiàn)性比例下降，我們需要考慮之后試驗(yàn)時(shí)藥箱的試驗(yàn)工況能夠最大限度上包含植保無(wú)人機(jī)飛行作業(yè)是藥液減少的整個(gè)過(guò)程。而且有前期實(shí)驗(yàn)表明，在儲(chǔ)液箱內(nèi)充液比過(guò)低時(shí)，過(guò)少的液量難以形成有效的晃動(dòng)力，所以我們選擇充液比梯度時(shí)可以從0.3開(kāi)始，然后依次增加0.2，即試驗(yàn)中選擇藥箱充液比0.3、0.5、0.7、0.9為研究對(duì)象。

1.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文中所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺(tái)的動(dòng)力輸出是一款六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，它是由六支直線(xiàn)伺服電動(dòng)缸，與上平臺(tái)、下平臺(tái)分別通過(guò)六支萬(wàn)向節(jié)鉸鏈和球籠聯(lián)軸器連接，在其上平臺(tái)通過(guò)固定夾固定有專(zhuān)門(mén)的藥箱夾持裝置，通過(guò)藥箱夾持裝置，將被測(cè)藥箱固定于上平臺(tái)，之后在測(cè)試用植保無(wú)人機(jī)藥箱布放、粘貼所有數(shù)據(jù)采集組件，借助藥箱夾持組件將布設(shè)好傳感器及線(xiàn)路的測(cè)試用植保無(wú)人機(jī)藥箱安裝、固定于試驗(yàn)臺(tái)上，根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案中的不同工況，啟動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)收集壓力數(shù)據(jù)。

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 圓柱形藥箱

在農(nóng)業(yè)航空領(lǐng)域，植保無(wú)人機(jī)藥箱最通用就是矩形藥箱，其次便是圓柱形藥箱。圓形不藥箱適合用作比較小型的儲(chǔ)藥裝置，一般當(dāng)儲(chǔ)水體積大約20L以上，隨著水箱儲(chǔ)水的不斷增多，對(duì)水箱底部的壓力會(huì)越來(lái)越大，底部板材的厚度也需要相應(yīng)地加厚，這時(shí)如果繼續(xù)選擇圓形水箱的話(huà)，就會(huì)增加生產(chǎn)的成本。因此圓柱形藥箱一般應(yīng)用于多藥箱機(jī)型。

圖1為圓柱形植保無(wú)人機(jī)藥箱0.3、0.5、0.7、0.9充液比時(shí)，在水平加速度為3m/s2時(shí)，藥箱內(nèi)部?jī)?nèi)壁參考面上的受力曲線(xiàn)圖，從圖中可以看出，壓力曲線(xiàn)上的峰值大小和峰值到達(dá)時(shí)間與矩形藥箱同充液比時(shí)相比幾乎沒(méi)有差別。但從總體趨勢(shì)來(lái)看，圓柱形藥箱內(nèi)壁的壓力變化趨勢(shì)相對(duì)于矩形藥箱更加平滑，在藥箱內(nèi)壁壓力恢復(fù)到初始靜壓的過(guò)程中壓力的波動(dòng)起伏相較較小，這種比較在充液比0.9時(shí)最為明顯，根據(jù)圖1我們可以明顯看出，圓柱形藥箱充液比0.9時(shí)的壓力線(xiàn)在3s之后就基本沒(méi)有什么上下起伏，根據(jù)上文數(shù)值模擬中的氣液兩相圖，我們可以推論這是由于當(dāng)施加激勵(lì)后藥液在藥箱內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，藥液因?yàn)閼T性水平?jīng)_擊藥性?xún)?nèi)壁時(shí)，圓柱形藥箱由于內(nèi)壁兩側(cè)為圓弧形，藥液在沖擊內(nèi)壁的同時(shí)，藥液會(huì)沿內(nèi)壁沖擊點(diǎn)向兩側(cè)分散，同時(shí)瞬時(shí)壓力也會(huì)相應(yīng)地減小，這就導(dǎo)致同樣的激勵(lì)下，圓柱形藥箱內(nèi)壁壓力曲線(xiàn)的走勢(shì)相較于矩形藥箱更為平滑。

圖1 圓柱形藥箱不同充液比下內(nèi)壁壓力變化

同時(shí)我們通過(guò)表2可以看出，隨著充液比的增大，藥箱內(nèi)壁壓力峰值發(fā)生的時(shí)間依次遞減，其中充液比0.3～0.7之間壓力峰值的大小呈遞增趨勢(shì)，而在充液比0.9時(shí)峰值出現(xiàn)不合規(guī)律地下降。結(jié)合上文數(shù)值模擬的氣液兩相圖，我們可以大致推測(cè)，在充液比0.7～0.9時(shí)，藥箱內(nèi)藥液晃動(dòng)程度最為劇烈，隨著藥液充液比的繼續(xù)增大，藥箱接近滿(mǎn)載時(shí)，由于晃動(dòng)時(shí)藥液在藥箱內(nèi)的晃動(dòng)空間減小，晃動(dòng)程度減弱。因此，我們可以建議在植保無(wú)人機(jī)飛行作業(yè)時(shí)盡量將藥箱加滿(mǎn)。

表2 平激勵(lì)下內(nèi)壁上峰值壓力大小和發(fā)生時(shí)間

2.2 U型藥箱

本文實(shí)驗(yàn)中所使用的U型藥箱為高科新農(nóng)S40單旋翼電動(dòng)農(nóng)用無(wú)人機(jī)的藥箱，高科新農(nóng)S40農(nóng)用無(wú)人機(jī)機(jī)身較為細(xì)長(zhǎng)，U型藥箱以鑲嵌的方式固定在無(wú)人機(jī)下方，除開(kāi)能夠承載大重量的藥液，還能夠起到平衡機(jī)身的作用，而且相較于上文所列舉的矩形藥箱、圓柱形藥箱等這些傳統(tǒng)的典型藥箱，U型的形狀將藥箱空間制成扁平狀，減小了藥液在外力作用下在藥箱內(nèi)晃動(dòng)的空間，本身就具有一定的防晃功能。

圖2 U型藥箱不同充液比下內(nèi)壁壓力變化

圖2為U型植保無(wú)人機(jī)藥箱0.3、0.5、0.7、0.9充液比時(shí)，在水平加速度為3m/s2時(shí)，藥箱內(nèi)部?jī)?nèi)壁參考面上的受力曲線(xiàn)圖，結(jié)合圖4U型藥箱不同充液比的示意圖可以看出，當(dāng)U型藥箱充液比為0.3時(shí)，液體占據(jù)藥箱下部區(qū)域的50%，對(duì)比矩形藥箱和圓柱形藥箱充液比0.5時(shí)的曲線(xiàn)圖，可以發(fā)現(xiàn)壓力曲線(xiàn)的變化趨勢(shì)大致相同；同時(shí)我們對(duì)比U型藥箱充液比0.5時(shí)與矩形藥箱和圓柱形藥箱充液比0.9時(shí)的工況，曲線(xiàn)圖變化趨勢(shì)同樣相近；當(dāng)U型藥箱充液比0.7時(shí)，結(jié)合示意圖可看出藥液液面均已在U型藥箱兩側(cè)空間，當(dāng)施加激勵(lì)后藥液會(huì)在藥箱兩側(cè)的空間進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，而由于藥箱兩側(cè)呈扁平狀，藥液在其活動(dòng)的空間較小，藥液由于慣性做往復(fù)運(yùn)動(dòng)的頻率增加，在曲線(xiàn)圖中就體現(xiàn)為上下波動(dòng)的變化時(shí)間較短，變化幅度較?。划?dāng)U型藥箱充液比0.9時(shí)，工況分析結(jié)果與充液比0.7時(shí)相差無(wú)幾，所以我們可以看到在壓力曲線(xiàn)圖上，充液比0.7與充液比0.9的曲線(xiàn)圖大致相同。

圖3 U型藥箱不同充液比示意圖

3 結(jié)論

(1)在藥箱充液比0.7之前，藥箱內(nèi)液體對(duì)藥箱內(nèi)壁的壓力會(huì)隨著充液比的增大而增大，其晃動(dòng)程度也會(huì)相應(yīng)加劇，植保無(wú)人機(jī)的飛行穩(wěn)定性受影響程度增大。

(2)在藥箱充液比0.7～0.9時(shí)，藥箱內(nèi)藥液晃動(dòng)程度最為劇烈，隨著藥液充液比的繼續(xù)增大，接近滿(mǎn)載時(shí)，由于晃動(dòng)時(shí)藥液在藥箱內(nèi)的晃動(dòng)空間減小，晃動(dòng)程度減弱。

(3)相較于圓柱形藥箱，U型藥箱在結(jié)構(gòu)上將藥箱空間分為多個(gè)小型空間，藥液在其活動(dòng)空間減小，其防晃性能略?xún)?yōu)于圓柱形藥箱。