無人機施藥防飄移裝置設計初探

周 冰

（福建省永泰縣農業機械中心，福建 福州 530000）

為了減少和避免無人機施藥不均勻而帶來的農業和環境的問題，筆者設計了一種無人機施藥防飄移裝置來減少藥液的飄移，提高農藥的利用率，進而減少藥液浪費，精準定量地施藥，保障周邊環境和生物的健康，促進農業生產[1]。該裝置對于農作物的病蟲害治理、作物增產以及環境保護都具有十分重要的意義。

1 方案確定及設計方法

在查閱相關文獻和資料后，筆者發現多旋翼無人機風場雖然很復雜，但仍能找到一些規律。基本上在無人機旋翼的下方都會產生較高流速的向下流動的空氣[2]。所以，在考慮如何實現施藥減飄的時候，就應思考能否利用這種向下流動的具有較高流速的氣流來提高施藥的均勻性。

1.1 錐形風場防飄移裝置

方案一：錐形風場防飄移裝置安裝圖，如圖1所示。

圖1 錐形風場防飄移裝置安裝圖

1.2 電動鼓風防飄移裝置

方案二：電動鼓風防飄移裝置安裝在無人機懸臂上的結構示意圖，如圖2所示。

圖2 電動鼓風防飄移裝置安裝圖

對多口轉接頭出風口加以調整，從而實現調整錐形風場流速的效果，實現最有效率的施藥。綜合上述兩種方案，考慮設計裝置的實際應用要求、裝置加工簡易性和無人機的本身設計要求，選取方案二電動鼓風防飄移裝置為最終設計方案[3-4]。

2 電動鼓風防飄移裝置總體設計

2.1 電動鼓風機的設計

電動鼓風機由電動機、鼓風機連接架等元器件組成，如圖3所示。電動機在無人機電源的供電下旋轉，電動機通過軸鍵帶動風扇轉動，從而在風機外殼與風扇間形成內外的壓力差，將空氣從下方開口吸入，然后壓縮從出風口排出。

圖3 電動鼓風機示意圖

2.2 多口連接件的設計

多口連接件是防飄移裝置的關鍵連接部件，用于連接鼓風機和防風擋板，并且進行裝置的關鍵密封，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，尾部是內徑18 mm、外徑22 mm的空心管，與無人機旋翼主軸尺寸相互匹配。多口連接件的下部分為內徑40 mm、外徑44 mm的空心管的外側加工螺紋，螺旋連接防飄移裝置的外側擋板，多口連接件側邊是40 mm×40 mm的方形孔，用于與鼓風機出風口相連[5-7]。

圖4 多口連接件設計圖

3 錐形風場的工作原理

3.1 風機工作過程

風機葉輪軸向吸風圖展示了空氣開始被吸入鼓風機蝸殼內部的過程，如圖5所示。當葉輪在電動機的驅動下開始轉動時，葉片間的空氣將會受到離心力的作用而由葉輪的內側向外側擴散，從而會在葉輪的中央產生一定的真空度，外部空氣沿著進風口軸向被吸入風機?？諝獗晃牒?，會在葉輪中心處被扭轉一個直角，隨后流入葉片間隙[8]。

圖5 風機葉輪軸向吸風圖

3.2 多口連接件工作過程

多口轉接頭工作原理圖如圖6所示。鼓風機所產生的由出風口被壓出的空氣會從多口連接件的側邊方孔流入連接件內部，隨后向內流動至過渡圓孔，進入連接件的主體位置。由于連接件的上部分被無人機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口。

圖6 多口轉接頭工作原理圖

4 防飄移裝置主要部分的選型和計算

4.1 電動機型號選擇

本裝置的鼓風機風扇需要電機進行驅動，又需要安裝在無人機上，所以體積和質量都需要控制在合理的范圍內。通過比較風扇和電機的大小、驅動風扇所需要的力矩和安裝位置，選擇的電機為80YS25DY22圓軸電機，為微型電機。其輸出功率為25 W，額定電流為0.23 A，轉速為1 300 r/min，轉矩為250 N·m，重量為1.6 kg。

本裝置中螺栓機構被用于連接發動機后蓋與鼓風機外殼，連接鼓風機和無人機懸臂。在鼓風機工作時，螺栓主要受軸向載荷，所以應保證螺栓連接緊固，不發生松動。

4.2 螺旋副計算

根據國標規定，φ=1.2~2.5，梯形螺紋φ=1.4。螺桿栓材料選用Q235，由機械設計手冊可知：

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

對于普通螺栓連接的標準螺栓來說，雖然同時受拉應力和扭轉剪應力作用，但計算時可作為純拉伸的情況處理，即只需將拉伸載荷加大30%以考慮扭轉剪應力的影響。同時螺栓在本裝置中，由于絕大多數零部件材料是PE塑料，質量基本上都較小。選用公稱尺寸為M6的螺栓即可[9-10]。

Fp為工作拉力，[σ]為螺栓的許用拉應力，則可計算得d=5.25 mm。根據機械設計手冊選用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是應力截面積，d2為節徑）。

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，則螺紋圈數為z=H/p=8/1=8。

本裝置由設計的鼓風機風扇電機進行驅動，安裝在無人機上，體積和質量都在合理范圍內。設計的螺栓機構被用于連接發動機后蓋與鼓風機外殼，連接鼓風機和無人機懸臂。在鼓風機工作時，螺栓主要受軸向載荷，螺栓連接緊固，不發生松動。螺栓受裝置的軸向壓力的作用，對其強度進行校核也證明了合理。

5 結語

雖然目前我國相對于其他農業發達的國家，在無人機農業生產規模及科技水平等方面還有一定差距[11-12]，但是國內農用施藥無人機發展迅速，隨著國家對農業機械化的大力支持以及對農業結構和產業的調整和完善，農用無人機有著廣闊的發展前景。關于農用無人機施藥關鍵技術的研究，如在精準變量噴施技術、霧滴飄移和沉積規律等研究領域期待著更多的實踐和創新。