无人机施药防飘移装置设计初探

周 冰

（福建省永泰县农业机械中心，福建 福州 530000）

为了减少和避免无人机施药不均匀而带来的农业和环境的问题，笔者设计了一种无人机施药防飘移装置来减少药液的飘移，提高农药的利用率，进而减少药液浪费，精准定量地施药，保障周边环境和生物的健康，促进农业生产[1]。该装置对于农作物的病虫害治理、作物增产以及环境保护都具有十分重要的意义。

1 方案确定及设计方法

在查阅相关文献和资料后，笔者发现多旋翼无人机风场虽然很复杂，但仍能找到一些规律。基本上在无人机旋翼的下方都会产生较高流速的向下流动的空气[2]。所以，在考虑如何实现施药减飘的时候，就应思考能否利用这种向下流动的具有较高流速的气流来提高施药的均匀性。

1.1 锥形风场防飘移装置

方案一：锥形风场防飘移装置安装图，如图1所示。

图1 锥形风场防飘移装置安装图

1.2 电动鼓风防飘移装置

方案二：电动鼓风防飘移装置安装在无人机悬臂上的结构示意图，如图2所示。

图2 电动鼓风防飘移装置安装图

对多口转接头出风口加以调整，从而实现调整锥形风场流速的效果，实现最有效率的施药。综合上述两种方案，考虑设计装置的实际应用要求、装置加工简易性和无人机的本身设计要求，选取方案二电动鼓风防飘移装置为最终设计方案[3-4]。

2 电动鼓风防飘移装置总体设计

2.1 电动鼓风机的设计

电动鼓风机由电动机、鼓风机连接架等元器件组成，如图3所示。电动机在无人机电源的供电下旋转，电动机通过轴键带动风扇转动，从而在风机外壳与风扇间形成内外的压力差，将空气从下方开口吸入，然后压缩从出风口排出。

图3 电动鼓风机示意图

2.2 多口连接件的设计

多口连接件是防飘移装置的关键连接部件，用于连接鼓风机和防风挡板，并且进行装置的关键密封，如图4所示。多口连接件的选材是PA塑料，材料的厚度为2 mm。连接件的上部分是逐渐收窄的，尾部是内径18 mm、外径22 mm的空心管，与无人机旋翼主轴尺寸相互匹配。多口连接件的下部分为内径40 mm、外径44 mm的空心管的外侧加工螺纹，螺旋连接防飘移装置的外侧挡板，多口连接件侧边是40 mm×40 mm的方形孔，用于与鼓风机出风口相连[5-7]。

图4 多口连接件设计图

3 锥形风场的工作原理

3.1 风机工作过程

风机叶轮轴向吸风图展示了空气开始被吸入鼓风机蜗壳内部的过程，如图5所示。当叶轮在电动机的驱动下开始转动时，叶片间的空气将会受到离心力的作用而由叶轮的内侧向外侧扩散，从而会在叶轮的中央产生一定的真空度，外部空气沿着进风口轴向被吸入风机。空气被吸入后，会在叶轮中心处被扭转一个直角，随后流入叶片间隙[8]。

图5 风机叶轮轴向吸风图

3.2 多口连接件工作过程

多口转接头工作原理图如图6所示。鼓风机所产生的由出风口被压出的空气会从多口连接件的侧边方孔流入连接件内部，随后向内流动至过渡圆孔，进入连接件的主体位置。由于连接件的上部分被无人机的喷嘴连接杆轴向插入，并被密封圈密封，空气无法从上端流出，最终空气被压入连接件下部的出风口。

图6 多口转接头工作原理图

4 防飘移装置主要部分的选型和计算

4.1 电动机型号选择

本装置的鼓风机风扇需要电机进行驱动，又需要安装在无人机上，所以体积和质量都需要控制在合理的范围内。通过比较风扇和电机的大小、驱动风扇所需要的力矩和安装位置，选择的电机为80YS25DY22圆轴电机，为微型电机。其输出功率为25 W，额定电流为0.23 A，转速为1 300 r/min，转矩为250 N·m，重量为1.6 kg。

本装置中螺栓机构被用于连接发动机后盖与鼓风机外壳，连接鼓风机和无人机悬臂。在鼓风机工作时，螺栓主要受轴向载荷，所以应保证螺栓连接紧固，不发生松动。

4.2 螺旋副计算

根据国标规定，φ=1.2~2.5，梯形螺纹φ=1.4。螺杆栓材料选用Q235，由机械设计手册可知：

σs=240 MPa，手动可取σp=60 MPa；许用切应力τp=0.6σp=36 MPa；许用弯曲应力σbp=(1~1.2)σp=60 MPa~72 MPa。

对于普通螺栓连接的标准螺栓来说，虽然同时受拉应力和扭转剪应力作用，但计算时可作为纯拉伸的情况处理，即只需将拉伸载荷加大30%以考虑扭转剪应力的影响。同时螺栓在本装置中，由于绝大多数零部件材料是PE塑料，质量基本上都较小。选用公称尺寸为M6的螺栓即可[9-10]。

Fp为工作拉力，[σ]为螺栓的许用拉应力，则可计算得d=5.25 mm。根据机械设计手册选用d=6 mm的梯形螺纹，p=1 mm，A=20.1 mm2，d2为5.35 mm（d为公称直径，p为螺距，A是应力截面积，d2为节径）。

螺母材料同样选用Q235-A。螺母高度H=1.4×5.35 mm=7.49 mm，取H=8 mm，则螺纹圈数为z=H/p=8/1=8。

本装置由设计的鼓风机风扇电机进行驱动，安装在无人机上，体积和质量都在合理范围内。设计的螺栓机构被用于连接发动机后盖与鼓风机外壳，连接鼓风机和无人机悬臂。在鼓风机工作时，螺栓主要受轴向载荷，螺栓连接紧固，不发生松动。螺栓受装置的轴向压力的作用，对其强度进行校核也证明了合理。

5 结语

虽然目前我国相对于其他农业发达的国家，在无人机农业生产规模及科技水平等方面还有一定差距[11-12]，但是国内农用施药无人机发展迅速，随着国家对农业机械化的大力支持以及对农业结构和产业的调整和完善，农用无人机有着广阔的发展前景。关于农用无人机施药关键技术的研究，如在精准变量喷施技术、雾滴飘移和沉积规律等研究领域期待着更多的实践和创新。