植保无人机喷雾性能试验台试管翻转机构设计

郑立彬　董云哲　袁洪印

摘 要：设计了植保无人机喷雾性能试验台的翻转机构，对电机进行了选型设计，同时对试管架轴进行了强度和刚度的校核。

关键词：植保无人机；喷雾试验台；地面效应

中图分类号：V279+2 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20171032030

引言

农用旋翼植保无人机具有高效、机动性强、无需专用的机场等诸多优点，其特有的下压风场，使得雾滴穿透力强，同时也可使得作物叶片正反面均可着药。基于此，近几年国内植保无人机发展速度迅猛。据不完全统计，我国从事农用无人机生产和服务的企业已经超过200家，据有关专家预测，以农业植保无人机为主体的农业航空植保产业在未来年的年产值将超过200亿元[1]。

在植保无人机快速发展过程中，出现了植保无人机喷洒性能检测的问题；不同机型对应不同的作业参数，田间试验可以反应植保无人机真实喷施效果，但影响雾滴分布的因素不可控制，很难重复试验；而受到地面效应的影响，普通喷雾试验台无法反应无人机喷雾效果的真实性，所以，植保无人机的操作规范迟迟未出台，这也限制了其进一步的发展。为此，吉林省农业机械研究院研制了植保无人机喷雾性能试验台，以探究不同机型雾滴分布特性。试管翻转机构是植保无人机喷雾性能试验台的主要工作部件之一，本文主要对试管翻转机构进行了设计。

1 植保无人机喷雾性能试验台试管翻转机构工作原理

试管翻转机构主要包括试管、试管架、试管架轴、电机等部分组成。试管翻转机构采用齿轮传动方式进行翻转，试管翻转角度如下图1所示，以实现接液、测量和倒液的目的。试管翻转机构的有3个工作位置，测试开始前试管与水平面处于相互垂直状态，第1个工作位置是试管向后倾斜15°完成接液；第2个工作位置是试管向前翻转返回到原来的初始位置，完成数据测量；第3个工作位置是试管向后翻转105°，将液体倒入废液箱中，完成倒液，测试结束后试管再次返回到原来的初始位置。

2 植保无人机喷雾性能试验台试管翻转机构整体设计

试管翻转机构是检测植保无人机喷洒性能的關键部件，而喷雾分布均匀性（CV）是判断喷洒性能的重要指标。测试喷雾分布均匀性时，必须在雾流稳定时进行，测试完成后还要便于将试管迅速移开[2]。试管翻转机构包括试管、试管架、试管架连接板、隔套、卡簧、传动板、固定块、位置传感器、电机、电机圆柱齿轮、试管架轴、试管架轴圆柱齿轮、挡水板、托板、UCP25轴承座和直角件组成。电机作为试管翻转机构的动力输出端，电机与电机圆柱齿轮之间采用键连接定位，试管架轴与试管架轴圆柱齿轮之间采用卡簧定位，试管架轴与传动板相连，传动板固定在试管架上，2侧的UCP25轴承座固定在一个平面内，用于支撑试管架轴。在试管架上有试管，固定块，试管架连接板等部件，试管定位在固定块上，固定块连接在试管架上，试管架连接板用于固定试管架，整体图如图2，三维实体效果图如图3所示。

2.1 电机的选型

电机是控制试管翻转机构沿试管架轴方向进行翻转的动力装置。根据结构设计，电机经过齿轮传动方式带动试管架轴转动，试管翻转到指定的工作位置。考虑到试管翻转机构的精准定位和稳定性，所以电机应为低转速电机。电机的选择应为电机所受最大扭矩Mmax。

最大扭矩Mmax=（m试管满载水+m试管架+m试管架轴+m试管架轴圆柱齿轮+m试管架连接板+m位置传感器+m传动板+m隔套+m卡簧+m挡水板+m托板 +m固定块+m直角件）。

经计算最大扭矩Mmax为13.5N·m，故选用90YN90-2W低转速大扭矩蜗轮蜗杆减速电机作为试管架轴转动驱动电机。

2.2 试管架轴的强度和刚度校核

试管架轴材料采用45号钢，直径D=25mm，根据材料力学查表可知材料的许用扭转切应力[]=40Mpa，轴材料的切变模量G=80Gpa，轴的许用单位长度扭转角[] 1.5=（°）/m。

2.3 其他部件的选型与设计

2.3.1 试管架

试管架材料采用铝合金型材，这种型材外表美观，耐腐蚀，强度较高。

2.3.2 试管

本机构中选用D=45mm，H=250mm的100个试管依靠固定块定位在试管架上，试管的材料为玻璃，最大可测量流量4L/min的喷头4支，满足植保无人机喷洒的要求。

3 调试时注意事项

调试人员在调试前应详细检查试管架、直角件及螺栓等部件安装是否牢固、稳定，不能有连接松动的现象发生。

启动电源开关，蜗轮蜗杆减速电机转动开始和结束时，都要保证试管翻转机构在初始位置（试管竖直状态），不然会影响试管接液等重要步骤。

通电过程中，一定要仔细观察机构运转状态，以便出现各种问题做好应急反应。

4 结论

本文根据植保无人机喷雾性能试验台对试管翻转机构的要求，对试管翻转机构的主要部件进行了设计，并对电机的选型条件和试管架轴强度和刚度校核进行了详细的描述。设计的试管翻转机构经过安装调试后功能正常，运行稳定，达到了预期的设计要求。

参考文献

[1]巩春源，刘铁军.无人机农业植保的现状分析和产业发展[J].农业开发与装备，2016（9）：136-150.

[2]吴小伟.雾化喷头试验台综合性能测试系统设计研究[D].南京林业大学，2011.

作者简介：郑立彬（1993-），河北张家口人，在读硕士，研究方向：农业生产过程机械化；袁洪印（1963-），男，吉林长春人，博士，教授，硕导，研究方向为农业信息化与智能化。endprint