植保无人机离心喷头的设计与试验

董 康,陈华才,郑永明,刘 琛,徐武民

(1.中国计量大学 光学与电子科技学院,浙江 杭州 310018; 2.杭州启飞智能科技有限公司,浙江 杭州 310018)

我国是农业大国,病虫害是制约我国粮食生产的重要因素之一.近年来,随着我国农村土地流转加快,土地兼并产生的家庭农场改变了传统的种植方式,土地集约化程度越来越高.同时,随着城市化进程加快,农村人口老龄化造成农业劳动力短缺以及人工成本大幅上升,传统的农药喷洒技术已不能满足当下农业发展的要求[1].与常规喷雾施药相比,植保无人机施药时人机分离,能够降低药剂对人的危害,螺旋桨产生的下旋气流可辅助药液穿透作物冠层,减少药剂的漂移,具有防治效果好、作业效率高等优点[2].植保无人机施药的上述特点与我国农田地形复杂、种植模式多样化及当前农田适度集约化的国情相符合,因而近年来植保无人机得到了快速发展和推广.农药喷洒系统作为植保无人机的关键部件,在结构方面必须满足轻量化与雾化效果好的要求.在日本,无人机施药采用的是离心雾化喷头和液力雾化扇形喷头.国内许多研究人员就植保无人机专用的雾化喷头进行了设计和实验研究.范庆妮设计了适用于天鹰3号小型无人直升机的低空低药量喷洒的压力喷头,并确定了喷头的最佳结构参数[3].周立新等进行了电机离心喷头的试验,并分析了雾化盘电机电压和喷头流量两个主要因素对喷头喷洒性能的影响[4].茹煜等基于德国VARIO公司的多功能无人直升机航空喷雾系统,研发了离心雾化器件并进行相关参数的研究,获得了最佳作业参数[5].但是，尚未见用于电动多旋翼植保无人机离心喷头的研究报道.

本文设计了一种用于电动多旋翼植保无人机的离心喷头,优化了喷头结构参数,设计了雾化试验系统,测试电机电压对雾滴粒径、雾滴沉积量和喷幅的影响,并将离心喷头装配到杭州启飞智能科技有限公司的Q10四旋翼植保无人机进行模拟测试,欲为该离心喷头在多旋翼植保无人机上的实际应用提供依据.

1 离心喷头的结构及工作原理

如图1,离心喷头由直流有刷电机、进水管系统、分水盘和离心盘等部分组成.电机上接防水密封圈和上盖板,进水管与电机外壳孔口对接,电机的轴与电机轴夹持从电机外壳底部中心孔穿过对接,通过离心盘固定螺丝与离心盘锁紧对接.离心盘内部旋流室、电机轴夹持内部和进水管相通.

1—上盖板;2—防水密封圈;3—直流有刷电机;4—电机外壳;5—进水管;6—分水盘;7—电机轴夹持;8—离心盘;9、10—离心盘固定螺丝图1 离心雾化喷头结构示意图Figure 1 Structure of centrifuge nozzle

离心盘是药液形成雾滴的重要结构.形成均匀雾滴的条件：离心力大于重力，离心盘加工精度要高，旋转时不可发生振动;离心盘的内表面要完全被药液所润湿，离心盘内表面光滑平整[6-8].

1—分水长筋条;2—分水短筋条;3—喷嘴筋条图2 离心盘的内部结构示意图Figure 2 Internal structure of centrifuge disk

作业时,来自药箱的药液通过进水管进入离心盘的旋流室,如图2,内部旋流室包括分水长筋条、分水短筋条和喷嘴筋条.长筋条和短筋条从中心以放射弧形相间分布.优化前,离心喷头的内部筋条数目为20个,喷嘴孔径为0.628 mm,模拟实验结果雾化效果差.经优化设计,长筋条起点与中心线的夹角为17.53°,终点与中心线的夹角为80.69°；短筋条与中心线的夹角为18.88°,终点与中心线的夹角为58.85°.长筋条和短筋条的个数为40,喷嘴筋条的个数为80,长筋条的弧长为24.49 mm,短筋条的弧长为8.32 mm,喷嘴筋条的弧长为2.52 mm.在电机的驱动下,离心盘高速旋转,药液在离心盘产生的离心力作用下,被抛向离心盘的边缘,先形成液膜,在接近或达到边缘后分裂成液丝,再呈点状抛甩出,与空气撞击后形成雾滴.

2 雾化效果测试

2.1 测试装置

设计了一套离心喷头雾化效果测试系统(图3),主要由供电单元、供药单元、离心喷头、激光粒度分析仪和测试平台五部分组成.供电单元为离心喷头的电机提供12～16 V的额定电压.供药单元为离心喷头提供过滤药液.激光粒度分析仪(laser particle size analyzer,LPSA,德国)用来测量离心喷头雾化后的雾滴粒径.测试平台上均匀放置水敏纸,收集雾滴,获得离心喷头的喷幅及喷幅范围内的沉积量分布特性[9-11].植保无人机的实际作业高度一般为1～3 m,设置离心喷头距离水敏纸1.7 m.

图3 离心喷头雾化效果试验系统结构示意图Figure 3 Structure of centrifuge sprayer test system

2.2 测试结果

2.2.1 电机电压对雾滴粒径、沉积量分布及喷幅的影响

水泵的预设压力为固定值0.08 MPa,离心盘直径为6 cm,内部筋条数为40(喷嘴口径为0.471 mm),改变直流有刷电机电压,测试电压对雾滴粒径、喷幅和雾滴沉积量分布的影响.雾滴的接收装置位于离心喷头的正下方,试验台上有间距均匀固定好的水敏纸若干.实验次数为5次,离心喷头产生的雾滴粒径范围在50～300 μm,不同电压下雾滴粒径见表1.随着电压增大,雾滴平均粒径减小.标准差越小,说明雾滴粒径越均匀.

表1 电压对离心喷头性能的影响

单个离心喷头的雾滴沉积量均值近似呈正态分布曲线(图4),10 V的电压供电喷幅约为1 m,12 V的电压供电喷幅约为2 m,16 V的电压供电喷幅约为3 m.增大电机电压,可减小雾滴粒径,喷幅增大,提高植保无人机的作业效率,但电压过高功耗过大,易导致离心喷头电机损坏.雾滴粒径过小,药液的防飘移性差,实际喷洒时药液的附着率低.Q10植保无人机装配4只离心喷头,位于X型机架端点的旋翼电机正下方,旋翼间距为1.1 m,当单只喷头喷幅大于2 m时,飞机的实际喷幅为旋翼间距与单只喷头有效喷幅之和,约为4 m.

图4 不同电压下雾滴沉积量和喷幅Figure 4 Droplet distribution and spray width of different motor voltage

3 结语

1)本文设计了一种离心喷头,优化了离心盘内部旋流室分水长筋条、分水短筋条和喷嘴筋条的参数.传统的压力喷头易堵塞,而且每次换药时需要泄压,可是采用离心喷头则在这些方面进行了弥补,进而更好地节约了农药成本,且雾化效果和雾滴颗粒大小都比压力喷头更具优势.采用铝合金外壳材质,占空比小,结构具有散热性好、强度高、质量轻、寿命长等优点.离心喷头主要应用于植保无人机的喷洒作业,亦可用于室内加湿.

2)对离心喷头进行了性能测试,发现电机电压增加,雾滴粒径就越小,雾化效果越好,雾滴沉积量在喷幅范围内近似呈正态分布.研究了电机电压对雾滴粒径、喷幅和雾滴沉积量的影响,优选最佳工作参数为：水泵预设喷雾压力为0.08 MPa,喷嘴口径为0.471 mm(筋条数为40).装配有4只喷头的植保无人机,在飞行高度为1.7 m,电机电压为12 V时,雾滴粒径均值为112.32 μm,实际喷幅约为4 m.

3)离心喷头在植保无人机实际应用效果还受自然因素和无人机飞行速度的相互影响,同时雾滴的沉积效果受环境温度、湿度及药液的物理特性等影响,故离心喷头装载在植保无人机上进行实际喷洒效果尚需进一步的试验研究.