周 冰

（福建省永泰縣農(nóng)業(yè)機(jī)械中心，福建 福州 530000）

為了減少和避免無人機(jī)施藥不均勻而帶來的農(nóng)業(yè)和環(huán)境的問題，筆者設(shè)計(jì)了一種無人機(jī)施藥防飄移裝置來減少藥液的飄移，提高農(nóng)藥的利用率，進(jìn)而減少藥液浪費(fèi)，精準(zhǔn)定量地施藥，保障周邊環(huán)境和生物的健康，促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[1]。該裝置對(duì)于農(nóng)作物的病蟲害治理、作物增產(chǎn)以及環(huán)境保護(hù)都具有十分重要的意義。

1 方案確定及設(shè)計(jì)方法

在查閱相關(guān)文獻(xiàn)和資料后，筆者發(fā)現(xiàn)多旋翼無人機(jī)風(fēng)場(chǎng)雖然很復(fù)雜，但仍能找到一些規(guī)律?；旧显跓o人機(jī)旋翼的下方都會(huì)產(chǎn)生較高流速的向下流動(dòng)的空氣[2]。所以，在考慮如何實(shí)現(xiàn)施藥減飄的時(shí)候，就應(yīng)思考能否利用這種向下流動(dòng)的具有較高流速的氣流來提高施藥的均勻性。

1.1 錐形風(fēng)場(chǎng)防飄移裝置

方案一：錐形風(fēng)場(chǎng)防飄移裝置安裝圖，如圖1所示。

圖1 錐形風(fēng)場(chǎng)防飄移裝置安裝圖

1.2 電動(dòng)鼓風(fēng)防飄移裝置

方案二：電動(dòng)鼓風(fēng)防飄移裝置安裝在無人機(jī)懸臂上的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示。

圖2 電動(dòng)鼓風(fēng)防飄移裝置安裝圖

對(duì)多口轉(zhuǎn)接頭出風(fēng)口加以調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)整錐形風(fēng)場(chǎng)流速的效果，實(shí)現(xiàn)最有效率的施藥。綜合上述兩種方案，考慮設(shè)計(jì)裝置的實(shí)際應(yīng)用要求、裝置加工簡(jiǎn)易性和無人機(jī)的本身設(shè)計(jì)要求，選取方案二電動(dòng)鼓風(fēng)防飄移裝置為最終設(shè)計(jì)方案[3-4]。

2 電動(dòng)鼓風(fēng)防飄移裝置總體設(shè)計(jì)

2.1 電動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)

電動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)由電動(dòng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)連接架等元器件組成，如圖3所示。電動(dòng)機(jī)在無人機(jī)電源的供電下旋轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)通過軸鍵帶動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)，從而在風(fēng)機(jī)外殼與風(fēng)扇間形成內(nèi)外的壓力差，將空氣從下方開口吸入，然后壓縮從出風(fēng)口排出。

圖3 電動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)示意圖

2.2 多口連接件的設(shè)計(jì)

多口連接件是防飄移裝置的關(guān)鍵連接部件，用于連接鼓風(fēng)機(jī)和防風(fēng)擋板，并且進(jìn)行裝置的關(guān)鍵密封，如圖4所示。多口連接件的選材是PA塑料，材料的厚度為2 mm。連接件的上部分是逐漸收窄的，尾部是內(nèi)徑18 mm、外徑22 mm的空心管，與無人機(jī)旋翼主軸尺寸相互匹配。多口連接件的下部分為內(nèi)徑40 mm、外徑44 mm的空心管的外側(cè)加工螺紋，螺旋連接防飄移裝置的外側(cè)擋板，多口連接件側(cè)邊是40 mm×40 mm的方形孔，用于與鼓風(fēng)機(jī)出風(fēng)口相連[5-7]。

圖4 多口連接件設(shè)計(jì)圖

3 錐形風(fēng)場(chǎng)的工作原理

3.1 風(fēng)機(jī)工作過程

風(fēng)機(jī)葉輪軸向吸風(fēng)圖展示了空氣開始被吸入鼓風(fēng)機(jī)蝸殼內(nèi)部的過程，如圖5所示。當(dāng)葉輪在電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下開始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，葉片間的空氣將會(huì)受到離心力的作用而由葉輪的內(nèi)側(cè)向外側(cè)擴(kuò)散，從而會(huì)在葉輪的中央產(chǎn)生一定的真空度，外部空氣沿著進(jìn)風(fēng)口軸向被吸入風(fēng)機(jī)。空氣被吸入后，會(huì)在葉輪中心處被扭轉(zhuǎn)一個(gè)直角，隨后流入葉片間隙[8]。

圖5 風(fēng)機(jī)葉輪軸向吸風(fēng)圖

3.2 多口連接件工作過程

多口轉(zhuǎn)接頭工作原理圖如圖6所示。鼓風(fēng)機(jī)所產(chǎn)生的由出風(fēng)口被壓出的空氣會(huì)從多口連接件的側(cè)邊方孔流入連接件內(nèi)部，隨后向內(nèi)流動(dòng)至過渡圓孔，進(jìn)入連接件的主體位置。由于連接件的上部分被無人機(jī)的噴嘴連接桿軸向插入，并被密封圈密封，空氣無法從上端流出，最終空氣被壓入連接件下部的出風(fēng)口。

圖6 多口轉(zhuǎn)接頭工作原理圖

4 防飄移裝置主要部分的選型和計(jì)算

4.1 電動(dòng)機(jī)型號(hào)選擇

本裝置的鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)扇需要電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，又需要安裝在無人機(jī)上，所以體積和質(zhì)量都需要控制在合理的范圍內(nèi)。通過比較風(fēng)扇和電機(jī)的大小、驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇所需要的力矩和安裝位置，選擇的電機(jī)為80YS25DY22圓軸電機(jī)，為微型電機(jī)。其輸出功率為25 W，額定電流為0.23 A，轉(zhuǎn)速為1 300 r/min，轉(zhuǎn)矩為250 N·m，重量為1.6 kg。

本裝置中螺栓機(jī)構(gòu)被用于連接發(fā)動(dòng)機(jī)后蓋與鼓風(fēng)機(jī)外殼，連接鼓風(fēng)機(jī)和無人機(jī)懸臂。在鼓風(fēng)機(jī)工作時(shí)，螺栓主要受軸向載荷，所以應(yīng)保證螺栓連接緊固，不發(fā)生松動(dòng)。

4.2 螺旋副計(jì)算

根據(jù)國(guó)標(biāo)規(guī)定，φ=1.2~2.5，梯形螺紋φ=1.4。螺桿栓材料選用Q235，由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可知：

σs=240 MPa，手動(dòng)可取σp=60 MPa；許用切應(yīng)力τp=0.6σp=36 MPa；許用彎曲應(yīng)力σbp=(1~1.2)σp=60 MPa~72 MPa。

對(duì)于普通螺栓連接的標(biāo)準(zhǔn)螺栓來說，雖然同時(shí)受拉應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力作用，但計(jì)算時(shí)可作為純拉伸的情況處理，即只需將拉伸載荷加大30%以考慮扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力的影響。同時(shí)螺栓在本裝置中，由于絕大多數(shù)零部件材料是PE塑料，質(zhì)量基本上都較小。選用公稱尺寸為M6的螺栓即可[9-10]。

Fp為工作拉力，[σ]為螺栓的許用拉應(yīng)力，則可計(jì)算得d=5.25 mm。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)選用d=6 mm的梯形螺紋，p=1 mm，A=20.1 mm2，d2為5.35 mm（d為公稱直徑，p為螺距，A是應(yīng)力截面積，d2為節(jié)徑）。

螺母材料同樣選用Q235-A。螺母高度H=1.4×5.35 mm=7.49 mm，取H=8 mm，則螺紋圈數(shù)為z=H/p=8/1=8。

本裝置由設(shè)計(jì)的鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)扇電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，安裝在無人機(jī)上，體積和質(zhì)量都在合理范圍內(nèi)。設(shè)計(jì)的螺栓機(jī)構(gòu)被用于連接發(fā)動(dòng)機(jī)后蓋與鼓風(fēng)機(jī)外殼，連接鼓風(fēng)機(jī)和無人機(jī)懸臂。在鼓風(fēng)機(jī)工作時(shí)，螺栓主要受軸向載荷，螺栓連接緊固，不發(fā)生松動(dòng)。螺栓受裝置的軸向壓力的作用，對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行校核也證明了合理。

5 結(jié)語

雖然目前我國(guó)相對(duì)于其他農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家，在無人機(jī)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模及科技水平等方面還有一定差距[11-12]，但是國(guó)內(nèi)農(nóng)用施藥無人機(jī)發(fā)展迅速，隨著國(guó)家對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械化的大力支持以及對(duì)農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)的調(diào)整和完善，農(nóng)用無人機(jī)有著廣闊的發(fā)展前景。關(guān)于農(nóng)用無人機(jī)施藥關(guān)鍵技術(shù)的研究，如在精準(zhǔn)變量噴施技術(shù)、霧滴飄移和沉積規(guī)律等研究領(lǐng)域期待著更多的實(shí)踐和創(chuàng)新。