臥式植?；焖帣C(jī)設(shè)計(jì)及其混合均勻性模擬研究*

曹先洪，楊振杰，張慕天，余楊

(1.云南工商學(xué)院智能科學(xué)與工程學(xué)院，昆明市，650228；2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，昆明市，650201)

0 引言

在傳統(tǒng)農(nóng)藥的使用過(guò)程中，一般采用人工攪拌的方式，將農(nóng)藥與水按一定比例進(jìn)行混合[1]。該混藥方式存在混合不均勻、配比誤差大等問(wèn)題[1-2]，因此，在噴藥過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)噴頭堵塞、農(nóng)藥在葉片表面沉積量不均勻的問(wèn)題，嚴(yán)重影響噴霧效果[1-4]。

為了解決以上問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者對(duì)農(nóng)藥藥水在線(xiàn)混合裝置進(jìn)行了研制[5-6]。農(nóng)藥藥水在線(xiàn)混合技術(shù)是將藥箱和水箱分開(kāi)，利用噴霧機(jī)管道系統(tǒng)內(nèi)部的水流或噴霧機(jī)管道系統(tǒng)外部的能源完成農(nóng)藥與水的在線(xiàn)混合。國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家對(duì)其混藥工作性能進(jìn)行了大量研究，郭宇波等將靜態(tài)混合器與傳統(tǒng)混藥裝置進(jìn)行混藥試驗(yàn)對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)靜態(tài)混藥器的藥液混合均勻性得到了提高，另外管道越小，混合的時(shí)間也越小。朱聰慧[5]對(duì)A型、B型、C型、D型、E型、F型、G型、H型、I型9種翼片式靜態(tài)混藥器模型進(jìn)行研究，研究發(fā)現(xiàn)隨著混藥器翼片列數(shù)的增加，藥液混合均勻性越高。許績(jī)彤[6]設(shè)計(jì)了一套懸掛式果園實(shí)時(shí)混藥風(fēng)送式變量噴霧系統(tǒng)，并對(duì)SK、SX、SD型3種靜態(tài)混合器進(jìn)行混藥模擬試驗(yàn)，采用SIMPLEC算法進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，對(duì)三種靜態(tài)混合器的速度場(chǎng)、湍動(dòng)能和第二相體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行模擬分析，研究發(fā)現(xiàn)SX型靜態(tài)混合器混藥時(shí)間短，混藥效果最佳。通過(guò)以上研究可以看出，混藥均勻性與混藥裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)和混藥作業(yè)參數(shù)有關(guān)，同時(shí)也進(jìn)行了大量研究，但仍存在混藥不均勻的情況。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文通過(guò)設(shè)計(jì)新型臥式植保混藥機(jī)，并在不同轉(zhuǎn)速條件下探究不同槳葉數(shù)和入口數(shù)對(duì)流場(chǎng)、壓力場(chǎng)和農(nóng)藥混合均勻性的影響，最終為提高混藥均勻性提供新的思路和理論研究基礎(chǔ)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

臥式植保混藥機(jī)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括輸水裝置、輸藥裝置、混藥攪拌裝置和行走裝置等。

針對(duì)云貴丘陵山區(qū)植保機(jī)混藥困難，植保機(jī)械急需混藥裝置的設(shè)計(jì)[7-9]。該植?；焖帣C(jī)穩(wěn)定性好且移動(dòng)方便，可以在多種環(huán)境下混藥作業(yè)，適用于云南、貴州等山區(qū)使用[7]。以電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力輸出裝置，通過(guò)聯(lián)軸器直接與電機(jī)輸出軸相連，以便加大傳動(dòng)效率。攪拌混藥時(shí)，輸水裝置和輸藥裝置同時(shí)工作，通過(guò)控制系統(tǒng)將農(nóng)藥和水實(shí)時(shí)按照預(yù)先設(shè)定的比例注入到混藥攪拌裝置內(nèi)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)攪拌軸通過(guò)槳葉對(duì)農(nóng)藥進(jìn)行一段時(shí)間的攪拌，最終形成待用藥液。該臥式植保混藥機(jī)具有行走功能(行走裝置)，使用者可將該混藥機(jī)移動(dòng)到不同場(chǎng)地進(jìn)行混藥。

臥式植?；焖帣C(jī)主要參數(shù)如表1所示。

(a)主視圖

表1 臥式植?；焖帣C(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of the horizontal plant protection mixing machine

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 攪拌功率的確定

因?yàn)榭紤]到攪拌所需要的力不大，用電機(jī)或者小型汽油機(jī)就能夠滿(mǎn)足動(dòng)力要求。同時(shí)考慮到野外作業(yè)交流電的獲得渠道比較受限，采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的話(huà)，蓄電池可以隨車(chē)攜帶，靈活性較大。混藥機(jī)的動(dòng)力裝置為直流電動(dòng)機(jī)，因此需要確定電動(dòng)機(jī)的功率[10-11]。攪拌器的運(yùn)轉(zhuǎn)功率和被攪拌液體的流體相關(guān)屬性有關(guān)，攪拌器的功率計(jì)算如式(1)和式(2)所示。

P=NpρN3d15

(1)

(2)

式中：P——攪拌功率，W；

Re——雷諾數(shù)；

ρ——密度，kg/m3；

N——攪拌轉(zhuǎn)速，r/s；

d1——攪拌器直徑，m；

Np——功率準(zhǔn)數(shù)；

μ——粘度，Pa·s。

功率準(zhǔn)數(shù)Np與雷諾數(shù)Re有關(guān)，查參考文獻(xiàn)[2]中拉什頓算圖，可得Np為1.76。經(jīng)計(jì)算，攪拌器的功率應(yīng)該為P=NpρN3d15=1.76×1 000×23×0.215=6 W，選用的電動(dòng)機(jī)型號(hào)為m540-402。

2.2 輸藥、輸水裝置設(shè)計(jì)

輸藥、輸水裝置由藥箱、輸藥管、水箱、疏水箱和機(jī)架組成，如圖2所示。一般植保無(wú)人機(jī)的有效載藥量為15～20 kg，按照農(nóng)藥與水的混合液密度為1.0×103kg/m3計(jì)算，按照每次無(wú)人機(jī)最大載藥量為20 L。該無(wú)人機(jī)單次作業(yè)量為1～1.33 hm2/次，計(jì)劃設(shè)計(jì)混藥系統(tǒng)可以提供約10次噴藥作業(yè)，則水箱容量應(yīng)為200 L左右，可以提供10～13.33 hm2田地的噴藥作業(yè)，基本滿(mǎn)足日常的農(nóng)田噴藥需求。藥箱容量小于水箱容量，規(guī)格選用100 L。混藥桶機(jī)架是整個(gè)混藥系統(tǒng)的主要承載部分，需要具備足夠的剛度和強(qiáng)度，并且具備一定的穩(wěn)定性。整個(gè)機(jī)架用圓鋼、扁鋼和鋼塊焊接制成。在圓鋼支架前端，需要鉆出2個(gè)通孔，以便固定前端的軸承座。圓鋼支架底部上端需焊接4個(gè)鋼塊，用于固定混藥桶。圓鋼支架尾部需焊接若干扁鋼，用于固定電機(jī)及尾部的軸承座。圓鋼支架底部下端焊接4個(gè)底板，用于固定腳輪。

(a)主視圖

2.3 混藥攪拌裝置設(shè)計(jì)

混藥攪拌裝置由藥箱、輸藥管、水箱、疏水箱和機(jī)架組成，如圖3所示。該混藥攪拌裝置最重要的是需要形成徑向流和軸向流提高攪拌均勻性，槳葉是混藥系統(tǒng)的核心部件，典型的攪拌葉片主要包括直葉、斜葉、彎葉、螺旋面葉式攪拌器?；诨焖幓旌暇鶆虻哪康?，本系統(tǒng)選擇采用直葉，可以形成徑向流。攪拌槳葉由扁鋼制成，其葉面與運(yùn)動(dòng)方向垂直，即運(yùn)動(dòng)方向與葉面法線(xiàn)方向一致。

(a)主視圖

考慮到攪拌軸需要浸泡在液體中，需要具備一定的防銹功能，而且農(nóng)藥多數(shù)屬于弱酸性，因此選用304不銹鋼可以滿(mǎn)足使用需求。攪拌軸受扭矩和彎矩的聯(lián)合作用，扭轉(zhuǎn)變形過(guò)大會(huì)造成軸的震動(dòng)，因此應(yīng)將軸單位長(zhǎng)度最大扭轉(zhuǎn)角γ限制在允許范圍內(nèi)[10-12]。軸扭矩的剛度條件

(3)

式中：γ——扭轉(zhuǎn)角，(°)/m；

G——軸材料的剪切彈性模量，MPa；

Mmax——軸傳遞的最大扭矩，N·m；

d2——攪拌軸直徑，m；

N0——攪拌軸內(nèi)徑與外徑的比值；

[γ]——許用扭轉(zhuǎn)角，(°)/m。

故攪拌軸的直徑d2為19.9 mm，為保證軸工作時(shí)的可靠性，攪拌軸的直徑可選為30 mm。

3 混藥均勻性模擬試驗(yàn)

3.1 模擬試驗(yàn)條件

3.1.1 攪拌機(jī)構(gòu)模型建立

為探究混藥機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)(入口數(shù)和槳葉數(shù))對(duì)混藥均勻性的影響[12-14]，本文采用CFD仿真技術(shù)對(duì)混藥過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，使用COMSOL Multiphysics軟件中的幾何建模工具建立簡(jiǎn)化模型[15-17]。入口設(shè)置為農(nóng)藥入口(入口1～入口3)，出口設(shè)置為藥液出口，槳葉區(qū)域設(shè)置為旋轉(zhuǎn)域，旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針旋轉(zhuǎn)，壁面采用無(wú)滑移邊界條件。本文主要對(duì)3種入口數(shù)(1～3入口)和3種槳葉數(shù)(2～4槳葉)進(jìn)行建模，部分模型如圖4所示。

(a)1入口2槳葉

使用COMSOL Multiphysics軟件中的網(wǎng)格劃分工具對(duì)創(chuàng)建的模型進(jìn)行三角形網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格單元數(shù)約為3 120，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為1 850，如圖5所示。

(a)1入口2槳葉

3.1.2 模擬方法與設(shè)置

由于是混藥攪拌，因此攪動(dòng)液體的速度無(wú)需過(guò)快，故本文設(shè)計(jì)的槳葉轉(zhuǎn)速為1～3 r/s，混藥過(guò)程的流體流動(dòng)為層流。農(nóng)藥顆粒在混合過(guò)程中遵循牛頓第二定律，為方便觀察農(nóng)藥顆粒在液體中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，故設(shè)置混藥過(guò)程為流體流動(dòng)顆粒跟蹤模型，表達(dá)式為

(4)

式中：Ft——顆粒所受的力，N；

mp——顆粒質(zhì)量，kg；

v——顆粒速度，m/s；

t——時(shí)間，s。

首先對(duì)整個(gè)流場(chǎng)(層流)進(jìn)行求解，然后在對(duì)粒子混合過(guò)程進(jìn)行模擬，生成流場(chǎng)、壓力場(chǎng)、混藥分布圖、混藥個(gè)數(shù)—時(shí)間變化圖。其中，粒子設(shè)為剛體，其密度都為2 200 kg/m3，單個(gè)粒子質(zhì)量為1 mg，單個(gè)粒子的運(yùn)動(dòng)速度由流場(chǎng)決定?；焖巶€(gè)數(shù)—時(shí)間變化圖的粒子個(gè)數(shù)由旋轉(zhuǎn)區(qū)域左半部分進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并對(duì)農(nóng)藥混藥均勻性進(jìn)行研究。

3.2 結(jié)果與討論

3.2.1 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)混藥流場(chǎng)的影響

槳葉轉(zhuǎn)速?gòu)? r/s變?yōu)? r/s，攪動(dòng)液體速度也逐漸加快。整體流場(chǎng)變化規(guī)律一致，由于文章篇幅有限，本節(jié)主要對(duì)轉(zhuǎn)速1 r/s的處理組進(jìn)行研究(圖6)。

(a)1入口2槳葉

從流場(chǎng)分布圖6可以看出，旋轉(zhuǎn)槳葉對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生擾動(dòng)。相同入口數(shù)條件下，槳葉數(shù)對(duì)出口流速影響較小，例如：1入口處理組，其流速基本在0～0.07 m/s范圍內(nèi)分布；但槳葉數(shù)越多對(duì)流體內(nèi)部的攪動(dòng)更明顯[5,14]，例如：1入口2槳葉和4槳葉，槳葉數(shù)越多，各槳葉邊緣附近的流場(chǎng)呈顯著變化，這說(shuō)明槳葉數(shù)對(duì)流場(chǎng)變化和粒子混合存在一定的影響[5]，故為混藥均勻性提供一定的理論基礎(chǔ)。相同槳葉數(shù)條件下，入口數(shù)對(duì)混藥內(nèi)部流場(chǎng)影響顯著；入口數(shù)越多，混藥器內(nèi)部流速變化幅度越小，即流速分布越均勻，例如：2槳葉處理下，對(duì)比1入口和3入口可以看出，1入口處的流速值(0.07 m/s)大于3入口處的流速值(0.03 m/s)?；焖幤鲀?nèi)流速的變化會(huì)對(duì)混藥均勻性存在影響，因此，入口數(shù)也會(huì)對(duì)混藥均勻性產(chǎn)生影響。

3.2.2 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)混藥壓力場(chǎng)的影響

槳葉轉(zhuǎn)速?gòu)? r/s變?yōu)? r/s，槳葉承受的壓力逐漸增大，整體壓力場(chǎng)變化規(guī)律一致，由于文章篇幅有限，故本節(jié)主要對(duì)轉(zhuǎn)速1 r/s的處理組進(jìn)行研究，從壓力場(chǎng)分布圖7可以看出，相同入口數(shù)條件下，槳葉數(shù)對(duì)壓力場(chǎng)影響明顯；槳葉數(shù)逐漸增多，入口處流體壓力也逐漸增大，例如1入口4槳葉處理組，其最大可達(dá)10.3 Pa；槳葉數(shù)越多，流體對(duì)槳葉的壓力分布越均勻，即槳葉受力也就越均勻，但槳葉數(shù)過(guò)多會(huì)導(dǎo)致單個(gè)葉片受到的阻力增大，混藥機(jī)所需的功率也隨之增大[18-20]。相同槳葉數(shù)條件下，入口數(shù)對(duì)藥箱內(nèi)部壓力場(chǎng)分布影響不顯著。

(a)1入口2槳葉

3.2.3 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)混藥均勻性的影響

通過(guò)對(duì)流場(chǎng)和壓力場(chǎng)的分析可以看出，槳葉轉(zhuǎn)速越大，流體的流速也越快，混藥速度和均勻性大大得到提高，但槳葉承受的壓力逐漸增大。從農(nóng)藥顆粒分布圖8和時(shí)間—農(nóng)藥顆粒個(gè)數(shù)曲線(xiàn)圖9可以看出，農(nóng)藥顆粒剛進(jìn)入混藥器時(shí)農(nóng)藥顆粒個(gè)數(shù)較少(0～200個(gè))，隨著混藥時(shí)長(zhǎng)的增加農(nóng)藥顆粒個(gè)數(shù)逐漸增多(200～1 600個(gè))，大概在混藥1.0 s時(shí)農(nóng)藥顆粒個(gè)數(shù)達(dá)到峰值(1 400～1 600個(gè))。隨著農(nóng)藥顆粒不斷溶解，農(nóng)藥顆粒個(gè)數(shù)不斷減少，當(dāng)混藥時(shí)間為4.8 s時(shí)，農(nóng)藥顆粒個(gè)數(shù)逐漸趨近于0，混藥結(jié)束。

從圖8和圖9還可以看出，相同入口數(shù)條件下，槳葉數(shù)對(duì)農(nóng)藥顆?；旌暇鶆蛐杂绊懨黠@；槳葉數(shù)越多，農(nóng)藥顆粒個(gè)數(shù)變化幅度越小，混合越均勻[5]，例如，3入口處理?xiàng)l件下，4槳葉處理在1.6 s之后的農(nóng)藥顆粒個(gè)數(shù)明顯大于2槳葉處理，混藥2 s時(shí)，4槳葉處理的農(nóng)藥顆粒個(gè)數(shù)為475個(gè)，而2槳葉處理的農(nóng)藥顆粒個(gè)數(shù)為298個(gè)。相同槳葉數(shù)條件下，不同入口數(shù)對(duì)農(nóng)藥顆粒的混合較為顯著，這與入口數(shù)對(duì)流場(chǎng)和壓力場(chǎng)的影響一致，符合上述流場(chǎng)和壓力場(chǎng)的分析。

(a)1入口2槳葉

圖9 時(shí)間—農(nóng)藥顆粒個(gè)數(shù)曲線(xiàn)Fig.9 Time-particle number curve

4 結(jié)論

1)本文設(shè)計(jì)了一種臥式植?；焖帣C(jī)，重點(diǎn)對(duì)混藥機(jī)的攪拌功率、輸藥、輸水裝置和混藥攪拌裝置等關(guān)鍵部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，其中，攪拌器的功率為6 W，攪拌軸的直徑為30 mm。

2)對(duì)臥式植?；焖帣C(jī)的混合均勻性進(jìn)行模擬試驗(yàn)，探究不同混藥機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)與流場(chǎng)、壓力場(chǎng)和混藥均勻性之間的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，混藥機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)(入口數(shù)和槳葉數(shù))會(huì)對(duì)藥液流場(chǎng)和壓力場(chǎng)產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響混藥均勻性。當(dāng)入口數(shù)為4個(gè)時(shí)，混藥均勻性最高；當(dāng)槳葉數(shù)為4個(gè)時(shí)，混藥更均勻，但槳葉數(shù)過(guò)多會(huì)導(dǎo)致單個(gè)葉片受到的阻力增大，同時(shí)也會(huì)增加機(jī)具的重量。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中需要對(duì)葉片數(shù)量與受力情況進(jìn)一步分析。本文對(duì)提高臥式混藥機(jī)混合均勻性提供理論研究基礎(chǔ)。