基于Solidworks的植保喷施农药混配装置设计

刘彬 廖 奔 姚培煜 曾嘉均 廖俊添

摘 要：随着植保无人机的迅速发展，无人机农药喷施将成为未来农业中农药喷施的新常态。农药混配是农药喷施过程中的首要工作，农药混配的质量是保证农药喷施质量的重要前提。该研究基于Solidworks三维软件设计了1台植保喷施农药混配装置，以期解决无人机植保喷施过程中对农药需求量和混配质量的问题。

关键词：农药;SolidWorks;植保喷施;混配装置

中图分类号 S49文献标识码 A文章编号 1007-7731（2020）07-0119-03

Abstract： With the rapid development of UAV plant protection spraying， UAV pesticide spraying will become a new normal in the future agriculture. Pesticide mixing is the primary work in the process of pesticide spraying， and the quality of pesticide mixing is an important guarantee for the quality of pesticide spraying. Based on this， I will design a plant protection spraying pesticide mixing device based on SolidWorks 3D software to solve the problem of pesticide demand and mixing quality in the process of UAV plant protection spraying

Key words： Pesticide; SolidWorks; Plant protection spraying;Mixing device

當前，在我国农业生产过程中，农药的配制主要是采用预混式，即手工混配。大多数农民主要依靠经验配制农药，混配得到药液的浓度和剂量都不精确，药液喷施后也无法进行回收利用，不仅造成了一定的经济损失，而且给环境带来了很大的污染。自20世纪90年代开始，精准农业在发达国家中兴起，我国在农业和环保的投入也正不断加大，随着我国农业现代化进程的加快，研发自动化程度更高、混药精确性更高的技术装置已成为了精准农业中的重点内容[1]。

针对传统手工农药混配浓度和精度不准确的特点，本研究利用Solidworks三维建模软件设计了1台植保喷施农药混配装置，实现了农药的自动混配，其采用静态混合管和反应釜搅拌装置相结合，分别进行农药第1、第2级混配，不仅减少了农药污染[2]，避免了农药混配过程中对作业人员的健康危害，而且保证了植保喷施中农药的混配质量。单次最大混配容积达20L。

1 Solidworks三维软件

Solidworks软件是达索系统（Dassault Systemes S.A）下的子公司专门负责研发与销售机械设计软件的视窗产品。该软件采用参数化建模技术，能根据产品形状和特点，快速、方便、精确的绘制其产品的三维数学模型[3]。通过三维数学模型实现产品的零件设计、装配设计以及工程图设计等功能，在一定程度上提升了机械产品相关设计人员的工作质量和工作效率，降低了机械产品在市场流通中的风险，从而有效地提升了相关企业的市场占有率和核心竞争力，使企业在激烈的市场竞争中处于有利地位[4]。研究将借助Solidworks强大的三维设计功能，完成植保喷施农药混配装置的三维模型设计。

2 植保喷施农药自动混配装置Solidworks三维设计

植保喷施农药混配装置三维模型设计如图1所示，主要应用Solidworks软件完成机架、二级混配机构、药罐可拆卸机构、农药输入机构、钣金外壳、输入水泵、输出水泵、药粉通道、霍尔流量计、电磁阀、清水输入口、药液输出口等零件的三维设计。通过调用Solidworks设计库[5]中的电机、轴承、联轴器以及螺丝等标准件与设计好的零件进行装配，从而实现植保喷施农药混配装置的三维模型设计。

2.1 工作原理 植保喷施农药混配装置在将清水输入口连接至清水后，通过基于stm32的控制器输入混配参数，如果混配农药中存在药粉或颗粒，可直接通过药粉通道将药粉或颗粒输入进二级混配箱。启动装置，清水输入泵开始工作，清水延管道流经农药输入机构，农药输入机构通过蠕动泵将农药原液输入进管道，清水和农药原液未混合流体进入二级混配机构，当二级混配箱内液体达到控制器设定量时，清水输入泵停止工作，单向阀反向截至。第一级混配机构利用静态混合器进行一级混配，第二级混配机构利用反应釜搅拌杆进行二级混配，通过控制器设定的混配时间控制第二级反应釜搅拌电机的搅拌时间，实现药液的二级均匀混配，农药混配完成后通过控制器设定输出药液量，打开电磁阀和药液输出泵，药液最终经过霍尔流量计输出。

2.2 二级混配机构设计 二级混配机构如图2所示，主要由静态混合器、霍尔流量计、单向阀、二级搅拌箱、反应釜搅拌杆、pH传感器、电机、轴承、电机支架等组成。静态混合器通过利用螺旋叶片的加入，管内流体在流动工程中产生旋转、扭曲、分割，使混合性能得到强化。在混配工艺过程中，涡旋扩散、分子扩散同时存在。由于分子扩散速度远大于涡旋扩散速度，涡旋扩散对混合其主导作用，湍流流动可以看成是由不同尺度不同强度的涡旋运动构成的，湍流强度增加，能有效提高混合器的混合性能[6]。混合过程中，从静态混合器流出的混合液为第1级混合液，流经霍尔流量计和单向阀进入第2级混配箱，当2级混配箱内液体达到控制器设定量时，清水输入泵停止工作，单向阀反向截至，控制器按照设定的混配时间启动电机，反应釜搅拌杆进行搅拌，完成搅拌后pH传感器检测最终药液是否符合混配标准，从而实现农药的二级混配。

2.3 农药输入机构设计 农药输入机构如图3所示，主要由蠕动泵、蠕动泵支架、定制6通输入接头等组成。蠕动泵主要由步进电机、连接轴、压辊子、进样软管、软管卡紧装置组成，在步进电机的带动下压辊子挤压软管内液体流动[7]，蠕动泵每次脉动旋转时能微量定量的输出液体，在农药输入机构过程中，借助蠕动泵的精确性实现农药的精确输出，控制器控制的蠕动泵一端与储药罐连接，药液在蠕动泵的剂量输出控制下，通过定制6通输入接头输入进静态缓混合器。

2.4 药罐可拆卸机构设计 药罐可拆卸机构如图4所示，主要由储药罐、U型卡扣、迷你球阀、药罐固定支架、液位传感器等组成。储药罐通过U型卡扣固定在药罐固定支架上，储药罐可从U型卡扣中取出，液位传感器贴于储药罐下端，当储药罐中药液低于一定量时，液位传感器传递信号至控制器，控制器发出警报，提醒补充药液，储药罐出口连接有迷你球阀，当需要将储药罐取出补充药液或清洗时，需先关闭迷你球阀，装置工作时迷你球阀打开。

3 结语

本研究通过应用Solidworks三维设计软件，实现了植保喷施农药混配装置的三维模型设计，在了解植保喷施农药混配需求的基础上，结合静态混合器和搅拌结构实现农药的二次混配，使药液混配更均匀。整个混配过程不仅避免了人工操作，节省了大量的人力物力，也避免了农药混配作业过程中对操作员的身体健康危害，提高了植保喷施的工作效率。

参考文献

[1]漆海霞，廖海，兰玉彬.农药自动混药装置的研究现状与展望[J].中国农业科技导报，2019，021（007）：10-18.

[2]顾伟，薛新宇，杨林.植保无人机行业现状和发展建议[J].农业工程，2019（10）：28-33.

[3]李刚.SolidWorks软件在机械工程中的应用[J].机械管理开发，2018，033（008）：147-149.

[4]宋晋.Solidworks软件在机械设计中的应用探析[J].科技经济导刊，2019（24）：41.

[5]朱春華，叶建华，朱聪玲.利用Solidworks建构企业规范标准库[J].福建电脑，2009（12）：23-24.

[6]聂欣，路一丁，李萌蔚.一种开槽式静态混合管[P].中国：CN204602021，2015.

[7]张晓昶，许金，胡鸿志.基于CANopen的蠕动泵设计[J].仪表技术与传感器，2019（11）：32-36.

（责编：张宏民）