卧式植保混药机设计及其混合均匀性模拟研究*

曹先洪，杨振杰，张慕天，余杨

(1.云南工商学院智能科学与工程学院，昆明市，650228；2.云南农业大学机电工程学院，昆明市，650201)

0 引言

在传统农药的使用过程中，一般采用人工搅拌的方式，将农药与水按一定比例进行混合[1]。该混药方式存在混合不均匀、配比误差大等问题[1-2]，因此，在喷药过程中会出现喷头堵塞、农药在叶片表面沉积量不均匀的问题，严重影响喷雾效果[1-4]。

为了解决以上问题，国内外专家学者对农药药水在线混合装置进行了研制[5-6]。农药药水在线混合技术是将药箱和水箱分开，利用喷雾机管道系统内部的水流或喷雾机管道系统外部的能源完成农药与水的在线混合。国内外专家对其混药工作性能进行了大量研究，郭宇波等将静态混合器与传统混药装置进行混药试验对比，结果发现静态混药器的药液混合均匀性得到了提高，另外管道越小，混合的时间也越小。朱聪慧[5]对A型、B型、C型、D型、E型、F型、G型、H型、I型9种翼片式静态混药器模型进行研究，研究发现随着混药器翼片列数的增加，药液混合均匀性越高。许绩彤[6]设计了一套悬挂式果园实时混药风送式变量喷雾系统，并对SK、SX、SD型3种静态混合器进行混药模拟试验，采用SIMPLEC算法进行数值模拟计算，对三种静态混合器的速度场、湍动能和第二相体积分数进行模拟分析，研究发现SX型静态混合器混药时间短，混药效果最佳。通过以上研究可以看出，混药均匀性与混药装置结构参数和混药作业参数有关，同时也进行了大量研究，但仍存在混药不均匀的情况。

针对上述问题，本文通过设计新型卧式植保混药机，并在不同转速条件下探究不同桨叶数和入口数对流场、压力场和农药混合均匀性的影响，最终为提高混药均匀性提供新的思路和理论研究基础。

1 整机结构与工作原理

卧式植保混药机整体结构如图1所示，主要包括输水装置、输药装置、混药搅拌装置和行走装置等。

针对云贵丘陵山区植保机混药困难，植保机械急需混药装置的设计[7-9]。该植保混药机稳定性好且移动方便，可以在多种环境下混药作业，适用于云南、贵州等山区使用[7]。以电动机作为动力输出装置，通过联轴器直接与电机输出轴相连，以便加大传动效率。搅拌混药时，输水装置和输药装置同时工作，通过控制系统将农药和水实时按照预先设定的比例注入到混药搅拌装置内，电动机带动搅拌轴通过桨叶对农药进行一段时间的搅拌，最终形成待用药液。该卧式植保混药机具有行走功能(行走装置)，使用者可将该混药机移动到不同场地进行混药。

卧式植保混药机主要参数如表1所示。

(a)主视图

表1 卧式植保混药机主要技术参数Tab.1 Main technical parameters of the horizontal plant protection mixing machine

2 关键部件设计

2.1 搅拌功率的确定

因为考虑到搅拌所需要的力不大，用电机或者小型汽油机就能够满足动力要求。同时考虑到野外作业交流电的获得渠道比较受限，采用直流电机驱动的话，蓄电池可以随车携带，灵活性较大。混药机的动力装置为直流电动机，因此需要确定电动机的功率[10-11]。搅拌器的运转功率和被搅拌液体的流体相关属性有关，搅拌器的功率计算如式(1)和式(2)所示。

P=NpρN3d15

(1)

(2)

式中：P——搅拌功率，W；

Re——雷诺数；

ρ——密度，kg/m3；

N——搅拌转速，r/s；

d1——搅拌器直径，m；

Np——功率准数；

μ——粘度，Pa·s。

功率准数Np与雷诺数Re有关，查参考文献[2]中拉什顿算图，可得Np为1.76。经计算，搅拌器的功率应该为P=NpρN3d15=1.76×1 000×23×0.215=6 W，选用的电动机型号为m540-402。

2.2 输药、输水装置设计

输药、输水装置由药箱、输药管、水箱、疏水箱和机架组成，如图2所示。一般植保无人机的有效载药量为15～20 kg，按照农药与水的混合液密度为1.0×103kg/m3计算，按照每次无人机最大载药量为20 L。该无人机单次作业量为1～1.33 hm2/次，计划设计混药系统可以提供约10次喷药作业，则水箱容量应为200 L左右，可以提供10～13.33 hm2田地的喷药作业，基本满足日常的农田喷药需求。药箱容量小于水箱容量，规格选用100 L。混药桶机架是整个混药系统的主要承载部分，需要具备足够的刚度和强度，并且具备一定的稳定性。整个机架用圆钢、扁钢和钢块焊接制成。在圆钢支架前端，需要钻出2个通孔，以便固定前端的轴承座。圆钢支架底部上端需焊接4个钢块，用于固定混药桶。圆钢支架尾部需焊接若干扁钢，用于固定电机及尾部的轴承座。圆钢支架底部下端焊接4个底板，用于固定脚轮。

(a)主视图

2.3 混药搅拌装置设计

混药搅拌装置由药箱、输药管、水箱、疏水箱和机架组成，如图3所示。该混药搅拌装置最重要的是需要形成径向流和轴向流提高搅拌均匀性，桨叶是混药系统的核心部件，典型的搅拌叶片主要包括直叶、斜叶、弯叶、螺旋面叶式搅拌器。基于混药混合均匀的目的，本系统选择采用直叶，可以形成径向流。搅拌桨叶由扁钢制成，其叶面与运动方向垂直，即运动方向与叶面法线方向一致。

(a)主视图

考虑到搅拌轴需要浸泡在液体中，需要具备一定的防锈功能，而且农药多数属于弱酸性，因此选用304不锈钢可以满足使用需求。搅拌轴受扭矩和弯矩的联合作用，扭转变形过大会造成轴的震动，因此应将轴单位长度最大扭转角γ限制在允许范围内[10-12]。轴扭矩的刚度条件

(3)

式中：γ——扭转角，(°)/m；

G——轴材料的剪切弹性模量，MPa；

Mmax——轴传递的最大扭矩，N·m；

d2——搅拌轴直径，m；

N0——搅拌轴内径与外径的比值；

[γ]——许用扭转角，(°)/m。

故搅拌轴的直径d2为19.9 mm，为保证轴工作时的可靠性，搅拌轴的直径可选为30 mm。

3 混药均匀性模拟试验

3.1 模拟试验条件

3.1.1 搅拌机构模型建立

为探究混药机结构参数(入口数和桨叶数)对混药均匀性的影响[12-14]，本文采用CFD仿真技术对混药过程进行数值模拟，使用COMSOL Multiphysics软件中的几何建模工具建立简化模型[15-17]。入口设置为农药入口(入口1～入口3)，出口设置为药液出口，桨叶区域设置为旋转域，旋转方向为逆时针旋转，壁面采用无滑移边界条件。本文主要对3种入口数(1～3入口)和3种桨叶数(2～4桨叶)进行建模，部分模型如图4所示。

(a)1入口2桨叶

使用COMSOL Multiphysics软件中的网格划分工具对创建的模型进行三角形网格划分，网格单元数约为3 120，网格节点数为1 850，如图5所示。

(a)1入口2桨叶

3.1.2 模拟方法与设置

由于是混药搅拌，因此搅动液体的速度无需过快，故本文设计的桨叶转速为1～3 r/s，混药过程的流体流动为层流。农药颗粒在混合过程中遵循牛顿第二定律，为方便观察农药颗粒在液体中的运动状态，故设置混药过程为流体流动颗粒跟踪模型，表达式为

(4)

式中：Ft——颗粒所受的力，N；

mp——颗粒质量，kg；

v——颗粒速度，m/s；

t——时间，s。

首先对整个流场(层流)进行求解，然后在对粒子混合过程进行模拟，生成流场、压力场、混药分布图、混药个数—时间变化图。其中，粒子设为刚体，其密度都为2 200 kg/m3，单个粒子质量为1 mg，单个粒子的运动速度由流场决定。混药个数—时间变化图的粒子个数由旋转区域左半部分进行统计，并对农药混药均匀性进行研究。

3.2 结果与讨论

3.2.1 不同结构参数对混药流场的影响

桨叶转速从1 r/s变为3 r/s，搅动液体速度也逐渐加快。整体流场变化规律一致，由于文章篇幅有限，本节主要对转速1 r/s的处理组进行研究(图6)。

(a)1入口2桨叶

从流场分布图6可以看出，旋转桨叶对流场产生扰动。相同入口数条件下，桨叶数对出口流速影响较小，例如：1入口处理组，其流速基本在0～0.07 m/s范围内分布；但桨叶数越多对流体内部的搅动更明显[5,14]，例如：1入口2桨叶和4桨叶，桨叶数越多，各桨叶边缘附近的流场呈显著变化，这说明桨叶数对流场变化和粒子混合存在一定的影响[5]，故为混药均匀性提供一定的理论基础。相同桨叶数条件下，入口数对混药内部流场影响显著；入口数越多，混药器内部流速变化幅度越小，即流速分布越均匀，例如：2桨叶处理下，对比1入口和3入口可以看出，1入口处的流速值(0.07 m/s)大于3入口处的流速值(0.03 m/s)。混药器内流速的变化会对混药均匀性存在影响，因此，入口数也会对混药均匀性产生影响。

3.2.2 不同结构参数对混药压力场的影响

桨叶转速从1 r/s变为3 r/s，桨叶承受的压力逐渐增大，整体压力场变化规律一致，由于文章篇幅有限，故本节主要对转速1 r/s的处理组进行研究，从压力场分布图7可以看出，相同入口数条件下，桨叶数对压力场影响明显；桨叶数逐渐增多，入口处流体压力也逐渐增大，例如1入口4桨叶处理组，其最大可达10.3 Pa；桨叶数越多，流体对桨叶的压力分布越均匀，即桨叶受力也就越均匀，但桨叶数过多会导致单个叶片受到的阻力增大，混药机所需的功率也随之增大[18-20]。相同桨叶数条件下，入口数对药箱内部压力场分布影响不显著。

(a)1入口2桨叶

3.2.3 不同结构参数对混药均匀性的影响

通过对流场和压力场的分析可以看出，桨叶转速越大，流体的流速也越快，混药速度和均匀性大大得到提高，但桨叶承受的压力逐渐增大。从农药颗粒分布图8和时间—农药颗粒个数曲线图9可以看出，农药颗粒刚进入混药器时农药颗粒个数较少(0～200个)，随着混药时长的增加农药颗粒个数逐渐增多(200～1 600个)，大概在混药1.0 s时农药颗粒个数达到峰值(1 400～1 600个)。随着农药颗粒不断溶解，农药颗粒个数不断减少，当混药时间为4.8 s时，农药颗粒个数逐渐趋近于0，混药结束。

从图8和图9还可以看出，相同入口数条件下，桨叶数对农药颗粒混合均匀性影响明显；桨叶数越多，农药颗粒个数变化幅度越小，混合越均匀[5]，例如，3入口处理条件下，4桨叶处理在1.6 s之后的农药颗粒个数明显大于2桨叶处理，混药2 s时，4桨叶处理的农药颗粒个数为475个，而2桨叶处理的农药颗粒个数为298个。相同桨叶数条件下，不同入口数对农药颗粒的混合较为显著，这与入口数对流场和压力场的影响一致，符合上述流场和压力场的分析。

(a)1入口2桨叶

图9 时间—农药颗粒个数曲线Fig.9 Time-particle number curve

4 结论

1)本文设计了一种卧式植保混药机，重点对混药机的搅拌功率、输药、输水装置和混药搅拌装置等关键部件进行了设计，其中，搅拌器的功率为6 W，搅拌轴的直径为30 mm。

2)对卧式植保混药机的混合均匀性进行模拟试验，探究不同混药机结构参数与流场、压力场和混药均匀性之间的关系。研究发现，混药机结构参数(入口数和桨叶数)会对药液流场和压力场产生影响，进而影响混药均匀性。当入口数为4个时，混药均匀性最高；当桨叶数为4个时，混药更均匀，但桨叶数过多会导致单个叶片受到的阻力增大，同时也会增加机具的重量。因此，在实际生产中需要对叶片数量与受力情况进一步分析。本文对提高卧式混药机混合均匀性提供理论研究基础。