湯雙清 胡蘭蘭

（三峽大學 機械與動力學院，湖北 宜昌 443002）

使用農(nóng)藥防治農(nóng)作物病蟲草害，其最終目的是要用最少量的農(nóng)藥取得最佳防治效果［1］.目前我國農(nóng)藥噴灑面積較大，基本都采用機器噴灑農(nóng)藥.軸流風機是噴霧機器人的核心零件，而車載施藥噴霧機器人的消殺效果直接影響著藥液使用效率，在當前農(nóng)藥污染嚴重的情況下更要考慮這些因素，葉片作為軸流風機的核心工作部件，其性能優(yōu)劣直接決定著軸流風機的實際工作效率高低［2］.錐角是噴霧風機設(shè)計中最為重要的一個參數(shù)，目前對噴霧機風筒錐角的設(shè)計大小不一，沒有可行的理論作為設(shè)計的依據(jù).雖然它的變化范圍很小，但是變化值對于噴霧效果有重要影響，這是因為噴霧風筒內(nèi)的藥液在經(jīng)過葉片高速旋轉(zhuǎn)霧化分離后，需要經(jīng)過導流錐角錐段排出，導流錐角大小影響風筒內(nèi)部壓力變化.因此，對風機導流錐角大小的研究對于錐角參數(shù)的設(shè)計有著重要的工程指導意義.

1 軸流風機幾何建模及相關(guān)參數(shù)

本文以車載式噴霧機為載體，采用的電機額定功率為5.5kW，額定轉(zhuǎn)速為1 430rpm，軸流風機在標準大氣壓下以穩(wěn)定工況運行，空氣密度為1.225m3／s，計算過程中忽略重力對流場的影響.本文采用的是SOLIDWORKS三維建模軟件建立軸流風機葉片的三維模型，如圖1所示，軸流風機風筒三維模型，如圖2所示，然后導入ADINA軟件中，由于采用的軸流風機葉片結(jié)構(gòu)所在的流場簡單，所以直接在有限元分析軟件ADINA中建立軸流風機的流場模型并得出表1和表2中的數(shù)據(jù)［3］.

圖1 軸流風機葉片簡化模型

圖2 軸流風機風筒三維模型

風機模型的相關(guān)參數(shù)為：軸徑D＝0.08m，軸長L＝0.08m，葉片的長度、寬度、厚度分別為0.2m、0.06m、0.01m，葉片數(shù)為3，葉片呈120°等距分布，葉片與軸線方向夾角為35°.此外，本文還對軸流風機的結(jié)構(gòu)進行了適當?shù)暮喕春雎粤溯S流風機葉片與電機軸的連接部分，而將載荷直接加載到軸流風機軸上.

2 軸流風機流場的壓強與風筒導流錐角的關(guān)系

本文分別選擇軸流風機風筒導流錐角處于0°、10°、20°、30°狀態(tài)下，通過 ADINA 軟件分析計算出縱截面最大、最小壓強，橫截面最大、最小壓強和絕對最大壓強的數(shù)值，數(shù)據(jù)見表1［3］.

表1 風機流場的壓強與風筒導流錐角

本文取軸流風機風筒導流錐角為x，風筒的縱截面最大壓強為函數(shù)P1，風筒的縱截面最小壓強為函數(shù)P2，風筒的橫截面最大壓強為函數(shù)P3，風筒的橫截面最小壓強為函數(shù)P4，風筒的絕對最大壓強為函數(shù)P5，利用牛頓插值法［4］，可以得出P1、P2、P3、P4、P5的函數(shù)表達式如下：

利用 Matlab軟件，取步長為0.01，分別繪制出P1、P2、P3、P4、P5曲線，如圖3所示.

圖3 風機流場的壓強與風筒導流錐角的曲線

曲線分析結(jié)果：風筒導流錐角在0～30°范圍內(nèi)變化時，風筒的縱截面最大壓強P1呈平滑下降趨勢變化，整體變化差為1.2Pa；風筒的縱截面最小壓強P2在5°時達到最小，在30°時達到最大，整體變化差為0.12Pa；風筒的橫截面最大壓強P3在7°附近達到最小，在24°達到最大，整體變化差為0.02Pa；風筒的橫截面最小壓強P4呈直線下降趨勢變化；風筒的絕對最大壓強P5在10°附近達到最大，0°時最小，整體變化差為0.017Pa.

3 軸流風機流場的速度與風筒導流錐角的關(guān)系

本文分別選擇軸流風機風筒導流錐角處于0°、10°、20°、30°狀態(tài)下，通過 ADINA 軟件分析計算出縱截面最大、最小速度，橫截面最大、最小速度和絕對最大速度的數(shù)值，數(shù)據(jù)見表2［3］.

表2 風機流場的速度與風筒導流錐角

本文取軸流風機風筒的導流錐角為x，風筒的縱截面最大速度為函數(shù)V1，風筒的縱截面最小速度為函數(shù)V2，風筒的橫截面最大速度為函數(shù)V3，風筒的橫截面最小速度為函數(shù)P4，風筒的絕對最大速度為函數(shù)P5，利用牛頓插值法［4］，可以得出V1、V2、V3、V4、V5的函數(shù)表達式如下：

利用 Matlab軟件，取步長為0.01，分別繪制出V1、V2、V3、V4、V5曲線，如圖4所示.

圖4 風機流場的速度與風筒導流錐角的曲線

曲線分析結(jié)果：風筒的導流錐角在0～30°范圍內(nèi)變化時，風筒的縱截面最大速度V1和橫截面最大速度V3均在7°附近達到最小，25°附近達到最大，整體變化差為0.35m／s；風筒的縱截面最小速度V2為定值－1.652m／s；風筒的橫截面最小速度V4在8°附近達到最小，在0°達到最大，整體變化差為0.006m／s；風筒的絕對最大速度在13°附近達到最大，在0°最小，整體變化差為0.09m／s.

4 總 結(jié)

由以上分析結(jié)果可知，采用牛頓插值法處理仿真實驗數(shù)據(jù)求出插值多項式，通過Matlab編程繪制出函數(shù)曲線.壓強曲線結(jié)果表明，在0～30°范圍內(nèi)，風筒的導流錐角越大，軸流風機整體壓強變化越小，風機工作可靠性越高；速度曲線結(jié)果表明，在0～30°范圍內(nèi)，風筒的導流錐角在7°時，軸流風機整體速度變化最平穩(wěn)，風機工作性能越好.總之，本文為軸流風機風筒的導流錐角大小的設(shè)計提供了一定的理論參考.

［1］ 張發(fā)軍，方文杰.動態(tài)施藥模糊神經(jīng)控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究［J］.中國農(nóng)機化，2012（5）：122－125，140.

［2］ 申衛(wèi)星.泰山松材線蟲病、美國白蛾風險分析評估與預(yù)警技術(shù)研究［D］.泰安：山東農(nóng)業(yè)大學，2012.

［3］ 雷 祎.流固耦合下風機葉片隨導流錐角變化的動態(tài)響應(yīng)研究［D］.宜昌：三峽大學，2014.

［4］ 杜廷松，沈艷軍，覃太貴.數(shù)值分析及實驗［M］.北京：科學出版社，2006.