基于SolidWorks的氣泡霧化施藥噴頭3D設計與建模

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、氣泡發生器、噴頭帽、進氣（液）管接頭、噴片等零件進行了3D設計與建模。通過自下而上的建模設計方法，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，檢查了裝配關系及相關設計的合理性，有效提高了設計效率，為氣泡霧化施藥噴頭的結構優化、有限元分析及流場數值模擬奠定了三維模型基礎。

關鍵詞：氣泡霧化；噴頭；SolidWorks；3D設計；建模

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

收稿日期：2013-06-07

基金項目：新疆農墾科學院青年科學基金（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，主要從事農業機械設計與性能試驗研究。Tel：（0993）6683373；E-mail：shencongju@163.com。

通信作者：賈首星，研究員，主要從事農牧機械設計與研究工作。Tel：（0993）6683277。隨著病蟲草害防治技術的發展，我國農藥使用正朝著更高農藥利用率、更少環境污染方向發展[1-2]，高效農藥的出現對植保機械低量、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，可將大容量噴霧變為低容量高效噴霧，對提高農藥利用率、減少因農藥漂移引起的環境污染等問題具有重要意義。隨著計算機技術的發展，CAD技術逐漸由二維繪圖向三維設計過渡。三維設計具有無可比擬的優越性，是機械設計的發展方向。三維CAD系統采用三維模型進行產品設計，它不是單純使用計算機繪圖，還包括產品構思、功能設計、結構分析、加工制造等[3]。SolidWorks三維實體建模軟件是美國SolidWorks公司的產品，是現代機械設計方法中一種常用的三維CAD軟件，是機械設計領域的主流設計軟件[4]。在機械零部件及整機的設計建模及裝配方面，與傳統的二維設計方法（二維圖形描述）相比，應用Solidworks軟件進行設計與建模，圖形表達更直觀，不必耗費精力考慮產品的圖形表達，修改圖樣更方便，減少重復勞動，減輕設計強度，從而縮短產品的設計周期。此外，應用Solidworks軟件對氣泡霧化施藥噴頭進行3D設計與建模，還可以為該噴頭的結構優化、有限元分析及流場數值模擬奠定三維模型基礎。

1氣泡霧化原理及技術特點

1.1氣泡霧化原理

氣泡霧化技術（effervescent atomization）是Lefebvre教授等于1988年提出的一種革新性的霧化技術，現已被廣泛應用于燃油噴射等工業領域[5-6]。氣泡霧化原理與常規的液力霧化、氣力式霧化有著本質區別。常規的液力霧化、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到霧化目的，其過程是把壓縮空氣以某種適當的方式注入液體中，并使兩者在噴頭混合室內形成穩定的泡狀兩相流動，形成均勻而穩定的泡狀流是其霧化的關鍵。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，由于氣泡內外壓差的劇烈變化，導致氣泡劇烈膨脹直至破裂，從而進一步破碎包裹在其周圍的液膜，形成更加細微的霧液顆粒[7]（圖2）。

1.2氣泡霧化技術特點

氣泡霧化技術與常規霧化技術相比，具有以下優點：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。我國是農藥使用大國，由于農業施藥過程中的特殊性、工作狀況的復雜性，人們總是希望用較低的壓力達到期望的霧化效果，即獲得足夠小的霧滴，同時要求噴頭不易堵塞[8-9]。目前，氣泡霧化技術大多應用于航空、發動機、重油霧化等工業領域。

2氣泡霧化施藥噴頭結構

筆者設計的氣泡霧化施藥噴頭采用內氣外液式結構，即氣體由氣泡發生器內部進入，液體由氣泡發生器外部進入，氣體、液體在噴頭體內的混合室內混合。該噴頭結構由噴頭體、氣泡發生器、噴頭帽、進氣（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設計與建模

SolidWorks軟件具有強大的機械零件建模功能、參數設計功能，大大縮短了產品設計時間，提高了產品設計效率。通過拉伸、旋轉、掃描、倒角、圓角等特征來完成氣泡霧化施藥噴頭體、氣泡發生器、進氣（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軟件的參數設計功能，可以實現噴頭各零件的3D設計與建模，方便修改已經建立好的零件模型，能夠快速實現繪制工程零件圖的功能，有效降低了繪圖強度，提高了氣泡霧化施藥噴頭的設計速度。此外，通過SolidWorks軟件屏幕左側的特征樹，可以管理各個零件的設計過程，當其他設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了解各零件的設計意圖，以及整個建模、設計過程，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計方法；另一種是從整體到局部即自上而下的設計方法。自下而上的設計方法是比較傳統的設計方法，先在零件建模環境中構建單個零件，再進入裝配環

境，將之插入裝配體，然后根據設計要求配合零件，進而構建裝配體。自下而上設計的優點是零部件是獨立設計的，零部件的相互關系及重建行為簡單。當使用以前已經構建好的零件進行裝配建模或不需要建立控制零部件間大小、尺寸的參考關系時，自下而上是首選方案[4]。自下而上三維設計的流程是：草圖→特征→零件→裝配→工程圖[3]。本研究設計的氣泡霧化施藥噴頭采用了自下而上的設計方法，利用已經構建好的各零件進行裝配建模（圖9至圖11）。endprint

4.2干涉檢查

干涉檢查主要包括靜態干涉檢查、動態干涉檢查2方面。靜態干涉檢查也稱為穩態干涉檢查，是指物體有固定的位置與方向。對于運動著的物體，則需要采用動態干涉檢查方法[11]。SolidWorks軟件不僅可以通過在裝配體中對零件進行移動或旋轉零部件來驗證裝配關系的合理性，還可以實現動態干涉檢查。本研究設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，應對其進行靜態干涉檢查。利用裝配體的靜態干涉檢查功能，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。對于檢查發現的干涉，以干涉體積的形式顯示在圖形區域中。對本研究設計的氣泡霧化施藥噴頭裝配體進行靜態干涉檢查，顯示可能存在2處干涉：一處是噴頭體、氣泡發生器之間，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系合理，尺寸、位置設計合理。通過靜態干涉檢查，驗證了氣泡霧化施藥噴頭結構設計的合理性。

5結論

無論是機械零部件還是整機，三維設計都始于三維實體造型，利用SolidWorks軟件進行3D設計與建模，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，對三維實體進行修改，會直接反映到二維工程圖中，大大提高了設計效率，縮短了產品的設計周期。本研究利用SolidWorks軟件對氣泡霧化施藥噴頭的噴頭體、氣泡發生器、噴頭帽、進氣（液）管接頭、噴頭帽、噴片等零件進行了3D設計與建模，并通過自下而上的裝配體建模設計方法，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系及相關設計的合理性，有效提高了設計效率，為氣泡霧化施藥噴頭的結構優化、有限元分析及流場數值模擬奠定了三維模型基礎。

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