CN114917821A - 一种仿牛胃蠕动的柔性农药在线混合装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种仿牛胃蠕动的柔性农药在线混合装置，属于农业机械技术领域。所述的仿牛胃蠕动的柔性农药在线混合装置包括仿生柔性器皿、挤压杆、挤压头、电机、偏心轮、连接杆、滑杆、滑杆滑道和传动杆。本发明采用仿生柔性器皿模仿牛胃蠕动的方式，实现药液充分混合，同时通过仿生柔性器皿与柔性螺旋筛网配合使用，模仿牛胃分层消化功能，达到预混合的目的。同时，通过浓度检测器实时检测仿生柔性器皿内部的浓度变化，同时借助激光液位传感器对仿生柔性器皿内部液位进行实时检测，对仿生柔性器皿上部的两个流量控制阀进行控制，调节药液量和水量的放入比例，实现在线混合的全过程，自动化配比，操作方便。

Description

一种仿牛胃蠕动的柔性农药在线混合装置

技术领域

本发明属于农业机械技术领域，具体地说，涉及一种仿牛胃蠕动的柔性农药在线混合装置。

背景技术

农药作为防治农林牧业生产病虫害的主要手段，常用有害生物或者调节植物生长的化学药品和生物药品。虽然在防治病虫害上有好的效果，但大量不合理的使用农药也对生态造成了一定危害。所以需要一种更高效环保的农药混合装置来提高农药混合均匀性，以增强其药性有效性，从而减少农药量的使用，避免农药使用的浪费。

目前使用的器皿类型多以静态混合器为主，虽然不需要外界动力源实现药液的混合，但是直线性的混合通道，不足以使药液充分混合，螺旋式的内部结构虽多次切分液体进行混合，但由于其静态结构的特性，当药液量达到一定程度时，其内部螺旋结构发挥其作用明显降低。

在医疗领域上柔性器皿的使用较为广泛，柔性器皿具备较好的延展性，与在线混合***需要外部动力源的混合方式得到了迎合，其延展性不仅解决了固定器皿在混合药液空间上的问题，同时可以配合外部动力源实现器皿的摇匀过程，使药液混合的更加均匀。同时可以借助柔性器皿避免固体容器在边角上药液残留问题，提高药液的使用效率。

目前传统型植保机械的混药主要以预混合的形式，在作业前需要将农药与水按比例注入药箱中，需要搅拌均匀，但存在配比误差大、农药混合不均匀等问题造成农药的浪费。而精准农业要求植保机械实现配药和施药的精准性，多将药箱和水箱分开，通过控制***实现药液与水成比例进行混合，其自动化程度高操作简单、混合效果好避免农药的浪费，在线混合混药技术已经成为植保机械日后的发展趋势。

目前大多数在线混药技术方面的研究主要集中于附加外部能源动力的混药方式，植保机械大多配备了大型喷杆喷雾机，为了保证在机器在喷施作业时的相同面积范围内的喷洒的药量大致相同，主要形成了以下三种形式的混药方式：

(1)保持所喷施的农药量和及混合的水流量不变，同时施药机械保持喷施的速度稳定。

(2)保持水流量的恒定，农药量根据施药机械前进速度的变化而变化，该混药方式对应***称为直接注入***。

(3)保持所施药液浓度的恒定，混合所用的水流量和药液流量根据施药机械喷洒速度的变化而不断的改变，该方式对应***称为直接注入总流量控制***。

发明内容

为了解决背景技术中提出的问题，本发明提供了一种仿牛胃蠕动的柔性农药在线混合装置，借助电机驱动挤压杆往复运动实现蠕动功能，来使柔性器皿内部水和药液混合的更加均匀。并通过模仿牛胃柔性内壁的凸起楞纹和具备分层导流功能的筛网，并在区域里实现局部混合。本发明以确保施药药液浓度的恒定，加入了浓度检测装置，实现流出的浓度保持一致，该***属于直接注入总流量控制***。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

一种仿牛胃蠕动的柔性农药在线混合装置，包括仿生柔性器皿、挤压杆、挤压头、电机、偏心轮、连接杆、滑杆、滑杆滑道和传动杆，所述的仿生柔性器皿顶部设置有农药入口和加水口，底部设置有出药口，仿生柔性器皿左侧上部和右侧下部分别通过直线滑道各安装一根挤压杆，挤压杆内端固定有挤压头，挤压头与仿生柔性器皿外壁连接，两个挤压头同时挤压或拉伸其连接部位，实现模仿牛胃蠕动混合药液，所述的电机安装在仿生柔性器皿的下方，电机轴上安装有偏心轮，偏心轮上偏心铰接有连接杆，连接杆上端铰接有滑杆，滑杆通过滑杆滑道竖直安装在偏心轮上方，滑杆上端铰接有两根传动杆，其中一根传动杆与仿生柔性器皿左侧上部的挤压杆铰接，另一根传动杆与仿生柔性器皿右侧下部的挤压杆铰接。

进一步，所述的仿生柔性器皿内壁具有仿牛胃内壁的凸起楞纹，凸起楞纹仿照牛胃内部褶皱凸起，起到分流和汇流的作用，减少内壁农药残留。

进一步，所述的仿生柔性器皿内腔安装有用于对先灌入的水和农药进行分流和汇流预处理的柔性螺旋筛网。

进一步，所述的柔性螺旋筛网包括圆筒和若干螺旋壁，圆筒固定于仿生柔性器皿的中部，上下端分别与仿生柔性器皿顶部和底部固定，圆筒外侧排布有若干螺旋壁，相邻螺旋壁之间围成螺旋状通道，相邻的螺旋壁之间的圆筒侧壁上以及螺旋壁表面均开设有通孔。

进一步，所述的螺旋壁上开设的通孔成“米”字型排列在螺旋壁上。

进一步，所述的仿牛胃蠕动的柔性农药在线混合装置还包括控制装置，所述的控制装置包括电磁阀、激光液位传感器、浓度传感器、流量调节阀和控制器，所述的电磁阀安装在出药口处，激光液位传感器安装在仿生柔性器皿顶部，用于检测仿生柔性器皿内腔液位，所述的浓度传感器安装在出药口中部，所述的流量调节阀设置两个，分别安装在农药入口和加水口处，电磁阀、激光液位传感器、浓度传感器、流量调节阀和电机均与控制器电性连接。

本发明的有益效果：

本发明采用仿生柔性器皿模仿牛胃蠕动的方式，实现药液充分混合，同时通过仿生柔性器皿与柔性螺旋筛网配合使用，设置了螺旋筛网结构对流入的药液进行初步的分层，将其分为八个区域，螺旋筛网上有小孔，使八个区域相互流通，模仿牛胃分层消化功能，达到预混合的目的。同时，通过浓度检测器实时检测仿生柔性器皿内部的浓度变化，同时借助激光液位传感器对仿生柔性器皿内部液位进行实时检测，对仿生柔性器皿上部的两个流量控制阀进行控制，调节药液量和水量的放入比例，实现在线混合的全过程，自动化配比，操作方便。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的摇匀过程中挤压头向外拉伸时仿生柔性器皿状态示意图；

图3为本发明的摇匀过程中挤压头向内挤压时仿生柔性器皿状态示意图；

图4为本发明的仿生柔性器皿结构示意图；

图5为本发明的仿生柔性器皿A部位内部结构示意图；

图6为本发明的仿生柔性器皿局部结构示意图；

图7为本发明的仿生柔性器皿内部结构示意图；

图8为本发明的柔性螺旋筛网结构示意图；

图9为本发明的螺旋壁结构示意图；

图10为本发明的控制部分连接示意图；

图11为本发明的电机连接电路图；

图12为本发明的激光液位传感器连接电路图；

图13为本发明的电磁阀连接电路图；

图14为本发明的曲柄连杆机构受力分析示意图；

图15为本发明的对心曲柄连杆机构的运动学特性图；

图16为本发明的挤压杆、传动杆分析图。

图中，1-仿生柔性器皿、2-农药入口、3-加水口、4-出药口、5-直线滑道、 6-挤压杆、7-挤压头、8-电机、9-偏心轮、10-连接杆、11-滑杆、111-滑杆滑道、 12-传动杆、13-凸起楞纹、14-柔性螺旋筛网、141-圆筒、142-螺旋壁、15-电磁阀、 16-激光液位传感器、17-浓度传感器、18-流量调节阀、19-控制器。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的技术方案做进一步详细描述。

如图1-16所示，一种仿牛胃蠕动的柔性农药在线混合装置，包括仿生柔性器皿1、挤压杆6、挤压头7、电机8、偏心轮9、连接杆10、滑杆11、滑杆滑道111和传动杆12，所述的仿生柔性器皿1侧壁为波纹式结构，顶部设置有农药入口2和加水口3，底部设置有出药口4，仿生柔性器皿1左侧上部和右侧下部分别通过直线滑道5各安装一根挤压杆6，挤压杆6内端固定有挤压头7，挤压头7与仿生柔性器皿1外壁连接。作为优选，仿生柔性器皿1与挤压头7连接处设置有方形突出部分，该部分位置开设插槽与挤压头7配合，挤压头7***到仿生柔性器皿1的方形突出部分的插槽内，方形突出部分同样也是柔性的，这样是为了防止在挤压和拉拽过程中防止卡死导致柔性器皿的破损。所述的电机8 安装在仿生柔性器皿1的下方，电机8轴上安装有偏心轮9，偏心轮9上偏心铰接有连接杆10，连接杆10上端铰接有滑杆11，滑杆11通过滑杆滑道111竖直安装在偏心轮9上方，滑杆11上端铰接有两根传动杆12，其中一根传动杆12 与仿生柔性器皿1左侧上部的挤压杆6铰接，另一根传动杆12与仿生柔性器皿1右侧下部的挤压杆6铰接。工作时，电机8运转，偏心轮9与电机8相连，借助电机8的动力实现转动，将动力传给连接杆10，连接杆10上下运动将动力分给左右两个传动杆12，挤压杆6与挤压头7进行连接，安装在仿生柔性器皿1 左上方和右下方，借助直线滑道5，将传动杆12提供的动力，转化为左右方向上的运动，两个挤压头7同时挤压或拉伸其连接部位，往复运动摇晃达到蠕动的效果，实现模仿牛胃蠕动混合药液。

所述的仿生柔性器皿1内壁具有仿牛胃内壁的凸起楞纹13，凸起楞纹13仿照牛胃内部褶皱凸起，起到分流和汇流的作用，借助该凸起使得农药在仿生柔性器皿1内壁褶皱处，使在柔性波纹处具备液体二次混合的效果和回流的能力，同时，使填充到仿生柔性器皿1内壁上的混合溶液顺着楞纹进行分流，由于仿生柔性器皿1采用疏水性材料，具备疏水性，药液又会顺着楞纹回流到仿生柔性器皿 1内部，实现一个局部混合的过程。

作为优选，所述的仿生柔性器皿1内腔安装有用于对先灌入的水和农药进行分流和汇流预处理的具有柔性和延展性的柔性螺旋筛网14，所述的柔性螺旋筛网14包括圆筒141和若干螺旋壁142，圆筒141固定于仿生柔性器皿1的中部，上下端分别与仿生柔性器皿1顶部和底部固定，圆筒141外侧排布有若干螺旋壁 142，本市实施例优选螺旋壁142数量为八个，相邻螺旋壁142之间围成螺旋状通道，相邻的螺旋壁142之间的圆筒141侧壁上以及螺旋壁142表面均开设有通孔。柔性螺旋筛网14跟随仿生柔性器皿1左右蠕动时，混合液体撞击仿生柔性器皿1内壁后，将产生局部性的涡流，通过螺旋结构对药液分层局部混合处理，在根据上面的通孔，实现区域与区域间药液的混合，实现先局部再整体的充分混合的功能。

柔性螺旋筛网14的圆筒141上和八个延伸出去的螺旋壁142上均具有通孔，螺旋壁142上开设的通孔成“米”字型排列在螺旋壁142上，螺旋壁142具有导流作用，将流入的液体进行分流，分成八个区域，实现局部混合，避免药液量过大，混合不够均匀。上面的小孔具有分流和汇流的功能，当电机8工作，蠕动仿生柔性器皿1时，柔性螺旋筛网14跟随蠕动，螺旋结构具有分层混合的功能，通孔之间具有一定的流通性，使分层药液间相互融合，实现先局部混合再整体混合的效果，使流入的液体能够充分的混合。圆筒141上的通孔同样具有汇流的功能，也是初步混合后将大量液体聚集在圆筒141内，便于八个区域相互流通，在蠕动混合阶段发挥作用。

所述的仿牛胃蠕动的柔性农药在线混合装置还包括控制装置，所述的控制装置包括电磁阀15、激光液位传感器16、浓度传感器17、流量调节阀18和控制器19，电磁阀15、激光液位传感器16、浓度传感器17、流量调节阀18和电机 8均与控制器19电性连接，通过控制器19对电磁阀15、激光液位传感器16、浓度传感器17、流量调节阀18和电机8进行自动化控制。所述的电磁阀15安装在出药口4处，用于接收浓度传感器17传来的信号，其打开使得药液流入外部农药储蓄罐中，当药液浓度达标时浓度传感器17将控制信号传给电磁阀15，使其打开进行放液。激光液位传感器16安装在仿生柔性器皿1顶部，用于检测仿生柔性器皿1内腔液位，具***于柔性螺旋筛网14的圆筒141的上方，激光直射圆筒141内，圆筒141上的通孔具有汇流的功能，初步混合后将大量液体聚集在圆筒141内，圆筒141内液位与整个仿生柔性器皿1内部液位一致，激光液位传感器16可以从这里探测到液面的变化情况。所述的浓度传感器17安装在出药口4中部，所述的流量调节阀18设置两个，分别安装在农药入口2和加水口 3处，通过对两个流量调节阀18流量的调节，对药液量和水量进行比例调节放入，实现自动配比。

本发明的工作过程：

工作时，控制器19启动电机8，并通过激光液位传感器16检测液面的充满的状态，根据检测的电信号，控制器19控制安装在两个进液口的流量调节阀18 的开闭，当检测到仿生柔性器皿1中的药液全空时，将检测信号传给控制器19，控制器19对电磁阀15的进行闭合，同时打开流量调节阀18，使药液充满仿生柔性器皿1；电机8运转过程中，偏心轮9与电机8相连，借助电机8的动力实现转动，将动力传给连接杆10，连接杆10上下运动将动力分给左右两个传动杆 12，挤压杆6与挤压头7进行连接，安装在仿生柔性器皿1左上方和右下方，借助直线滑道5，将传动杆12提供的动力，转化为左右方向上的运动，两个挤压头7同时挤压或拉伸其连接部位，往复运动摇晃达到蠕动的效果。同时，柔性螺旋筛网14对先灌入的水和农药进行分流和汇流预处理，跟随仿生柔性器皿1左右蠕动时，通过螺旋结构对药液分层局部混合处理，根据上面的通孔，实现区域与区域间药液的混合，实现先局部再整体的充分混合的功能。控制器19中预设农药浓度，浓度传感器17检测药液浓度是否达标，药液浓度不达标则将控制信号传给控制器19，由控制器19控制电机8持续运转，实现蠕动功能，使药液充分混合。当药液浓度达标时，浓度传感器17将控制信号传给控制器19，控制器 19控制电磁阀15，使其打开进行放液。

如图14所示，本发明采用曲柄连杆机构作为电机传动的传动机构，设计计算方法和过程如下：

从偏心轮传到连接杆上的力F₁与滑块在竖直方向上的力F′₁有下列关系：

F′₁＝F₁cos(β) (1)

偏心轮与连杆连接点A，沿半径方向的力F₃和F₁有如下关系：

F₃＝F₁cos(α+β) (2) 将(1)带入(2)中，可得：

偏心轮沿着切线方向上的力F₂与半径的乘积即为扭矩：

M＝F₂·r (4)

根据图中的受力分析可知：

F₂＝F₁sin(α+β) (5)

将(1)、(5)带入(4)，得：

常见的曲柄连杆机构中连杆的长度一般比偏心轮的半径大很多。即L＞＞r，那么这种情况下β角可以看成零度。则上式可以写成：

M＝F′₁·r·sin(α) (7)

对心曲柄连杆机构的运动学特性简化后的装置如图15所示：

按平面几何圆部分的勾股定理，可以导出：

将(8)带入(7)，则得：

o点为偏心轮的中心点，A点为连杆和偏心轮的连接点，B点为连杆的末端位置(挤压头的运动轨迹和B点相同，所以仅分析B点的运动学轨迹即可)， AD为辅助线，且AD垂直于oB，r为偏心轮的半径，L为连杆的长度，s为 D点的振幅。

假设某一时刻，偏心轮旋转到如图所示的位置，A点和B点的连线与竖直线的夹角为α，B点和C点的连线与竖直线之间的夹角为β。则公式如下：

S＝R+L-Rcosα-Lcosβ＝R(1-cosα)+L(1-cosβ) (10)

同时：

Rsinα＝Lsinβ (11)

定义：

那么有如下三角函数：

将13带入到10可得：

由于在曲柄连杆机构中，速度是周期性变化的。其中瞬时速度是位移对时间的微分，瞬时加速度是瞬时速度对时间的微分，那么速度与加速度分别为：

通过上述曲柄连杆机构的受力分析情况，可以推导出挤压杆、传动杆受力情况，以及速度和加速度的变化情况，其具体分析如下图16所示：

其计算过程如下：

并通过上述的曲柄连杆机构的速度、加速度变化推得挤压杆、传动杆的速度与加速度变化情况：

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其做出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (6)

1.一种仿牛胃蠕动的柔性农药在线混合装置，其特征在于:所述的仿牛胃蠕动的柔性农药在线混合装置包括仿生柔性器皿、挤压杆、挤压头、电机、偏心轮、连接杆、滑杆、滑杆滑道和传动杆，所述的仿生柔性器皿顶部设置有农药入口和加水口，底部设置有出药口，仿生柔性器皿左侧上部和右侧下部分别通过直线滑道各安装一根挤压杆，挤压杆内端固定有挤压头，挤压头与仿生柔性器皿外壁连接，两个挤压头同时挤压或拉伸其连接部位，实现模仿牛胃蠕动混合药液，所述的电机安装在仿生柔性器皿的下方，电机轴上安装有偏心轮，偏心轮上偏心铰接有连接杆，连接杆上端铰接有滑杆，滑杆通过滑杆滑道竖直安装在偏心轮上方，滑杆上端铰接有两根传动杆，其中一根传动杆与仿生柔性器皿左侧上部的挤压杆铰接，另一根传动杆与仿生柔性器皿右侧下部的挤压杆铰接。

2.根据权利要求1所述的一种仿牛胃蠕动的柔性农药在线混合装置，其特征在于：所述的仿生柔性器皿内壁具有仿牛胃内壁的凸起楞纹，凸起楞纹仿照牛胃内部褶皱凸起，起到分流和汇流的作用，减少内壁农药残留。

3.根据权利要求1或2所述的一种仿牛胃蠕动的柔性农药在线混合装置，其特征在于：所述的仿生柔性器皿内腔安装有用于对先灌入的水和农药进行分流和汇流预处理的柔性螺旋筛网。

4.根据权利要求3所述的一种仿牛胃蠕动的柔性农药在线混合装置，其特征在于：所述的柔性螺旋筛网包括圆筒和若干螺旋壁，圆筒固定于仿生柔性器皿的中部，上下端分别与仿生柔性器皿顶部和底部固定，圆筒外侧排布有若干螺旋壁，相邻螺旋壁之间围成螺旋状通道，相邻的螺旋壁之间的圆筒侧壁上以及螺旋壁表面均开设有通孔。

5.根据权利要求4所述的一种仿牛胃蠕动的柔性农药在线混合装置，其特征在于：所述的螺旋壁上开设的通孔成“米”字型排列在螺旋壁上。

6.根据权利要求1、2或5所述的一种仿牛胃蠕动的柔性农药在线混合装置，其特征在于：所述的仿牛胃蠕动的柔性农药在线混合装置还包括控制装置，所述的控制装置包括电磁阀、激光液位传感器、浓度传感器、流量调节阀和控制器，所述的电磁阀安装在出药口处，激光液位传感器安装在仿生柔性器皿顶部，用于检测仿生柔性器皿内腔液位，所述的浓度传感器安装在出药口中部，所述的流量调节阀设置两个，分别安装在农药入口和加水口处，电磁阀、激光液位传感器、浓度传感器、流量调节阀和电机均与控制器电性连接。

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