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植保无人机药箱设计方案.pdf

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植保 无人机 药箱 设计方案
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摘要
申请专利号:

CN201610530394.0

申请日:

2016.07.07

公开号:

CN106005423A

公开日:

2016.10.12

当前法律状态:

撤回

有效性:

无权

法?#19978;?#24773;: 发明专利申请公布后的视为撤回IPC(主分类):B64D 1/18申请公布日:20161012|||著录事项变更IPC(主分类):B64D 1/18变更事项:发明人变更前:郭向群 陈浩 姬书得 姜文辉 张贺 张永伟 吕卉 ?#39318;?#19996; 张奎文变更后:郭向群 姬书得 姜文辉 张贺 ?#39318;?#19996;|||实质审查的生效IPC(主分类):B64D 1/18申请日:20160707|||公开
IPC分类号: B64D1/18 主分类号: B64D1/18
申请人: 辽宁壮龙无人机科技有限公司
发明人: 郭向群; 陈浩; 姬书得; 姜文辉; 张贺; 张永伟; 吕卉; ?#39318;?#19996;; 张奎文
地址: 110137 辽宁省沈阳市沈北新区沈北路76-43号(A门)
优?#28909;ǎ?/td>
专利代理机构: 沈阳火炬专利事务所(普通合伙) 21228 代理人: 李福义
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法律状态
申请(专利)号:

CN201610530394.0

授权公告号:

|||||||||

法律状态公告日:

2018.08.28|||2017.02.15|||2016.11.09|||2016.10.12

法律状态类型:

发明专利申请公布后的视为撤回|||著录事项变更|||实质审查的生效|||公开

摘要

植保无人机药箱设计方案,将药箱设计成具有特殊形状的变截面容器,靠自身结构特征来解决安装固定和防止晃动问题;所述药箱结构组成包括:注水口、箱体A段、箱体B段、箱体C段、箱体D段、箱体E段、箱体F段、箱体G段、箱体H段、箱体I段、第一贴合处、第二贴合处、第三贴合处和第四贴合处;本装置通过突缩过流截面和突扩过流截面的交替出现,来增大?#26893;?#25439;失,减小流体的机?#30340;埽?#19981;需要卡扣、螺栓等固定装置,仅依靠自身结构特点即可完成6个自由度的限制和药液晃动的减弱。

权利要求书

1.植保无人机药箱设计方案,其特征在于:药箱为具有特殊形状
的变截面容器,所述药箱结构组成包括:注水口、箱体A段、箱
体B段、箱体C段、箱体D段、箱体E段、箱体F段、箱体G段、
箱体H段、箱体I段、第一贴合处、第二贴合处、第三贴合处和第
四贴合处;所述箱体A段、箱体B段、箱体C段、箱体D段、箱
体E段、箱体F段、箱体G段、箱体H段、箱体I段内部相通、
?#26469;?#30456;连,并且以机身纵轴为轴线左右对称;所述箱体A段和箱
体I段为侧立的圆柱形结构,所述注水口分别位于箱体A段和箱
体I段上部;所述箱体B段、箱体C段、箱体D段、箱体E段、
箱体F段、箱体G段、箱体H段构成箱体中部,且其中上部设置
有凹槽;所述箱体B段、箱体D段、箱体F段、箱体H段?#23454;?#31435;
的“凸”字形结构,箱体C段、箱体E段、箱体G?#38382;前?#22278;柱形
结构;所述箱体B段与箱体A段相连,箱体H段与箱体I段相连;
所述箱体C段位于箱体B段和箱体D段之间,且箱体C段的?#26412;?br />小于箱体B段和箱体D段的?#26412;叮?#25152;述箱体G段位于箱体H段和
箱体F段之间,且箱体G段的?#26412;?#23567;于箱体H段和箱体F段的直
径;所述箱体E段位于箱体D段和箱体F段之间,且箱体E段的
?#26412;?#23567;于箱体D段和箱体F段的?#26412;叮?#36890;过突缩过流截面和突扩
过流截面的交替出现,来增大?#26893;?#25439;失,减小流体的机?#30340;堋?br />
2.根据权利要求1所述的植保无人机药箱设计方案,其特征在
于:所述箱体C段和箱体G段的侧端面为第一贴合处;所述箱体
A段和箱体I段的内侧面为第二贴合处;所述第三贴合处位于箱体
D段和箱体F段倒“凸”字形结构的凸出位置;所述第四贴合处
为箱体中部的凹槽侧面。
3.根据权利要求1所述的植保无人机药箱设计方案,其特征在
于:所述第一贴合处与无人机起落架的竖梁贴合,所述第二贴合
处与无人机机身的左?#20063;?#38754;贴合,所述第三贴合处与无人机起落
架的横梁贴合;所述第四贴合处与无人机机身上电池匣的侧面贴
合。

说明书

植保无人机药箱设计方案

技术领域

本发明涉及一种药箱设计方案,特别是涉及一种植保无人机药
箱设计方案。

背景技术

目前,市场上的植保无人机药箱大多数靠捆绑或螺栓与机体连
接,捆绑连接的牢固程度差,机体振动大,而且安全?#38405;?#20197;得到保证。
螺栓连接比较牢靠,但是如果要在药箱上开孔,会增大工艺复?#26377;裕?br />延长制作周期,增大制作成本,而且不利于减重设计。

在减轻液体晃动问题?#20445;?#22823;多数借鉴油箱的设计,在药箱内部设
置栅格或多孔泡沫塑料,这样做确实会起到较好的防晃动效果,但是
会额外地增加重量,同时增大工艺难度,延长制作周期,?#28909;紓?#26412;来
可以一?#26410;?#22609;成型的,可能需要改成嵌件注塑,或手糊对半?#33322;印?br />

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足,提出一种依靠自身结构
特征和流体力学原理来解决安装固定和药液晃动问题的植保无人机
药箱设计方案。

本发明采用的技术方案是:植保无人机药箱设计方案,将药箱设
计成具有特殊形状的变截面容器,靠自身结构特征来解决安装固定和
防止晃动问题;所述药箱结构组成包括:注水口、箱体A段、箱体B
段、箱体C段、箱体D段、箱体E段、箱体F段、箱体G段、箱体H
段、箱体I段、第一贴合处、第二贴合处、第三贴合处和第四贴合处;
所述箱体A段、箱体B段、箱体C段、箱体D段、箱体E段、箱体F
段、箱体G段、箱体H段、箱体I段内部相通、?#26469;?#30456;连,并且以机
身纵轴为轴线左右对称;所述箱体A段和箱体I段为侧立的圆柱形结
构,所述注水口分别位于箱体A段和箱体I段上部;所述箱体B段、
箱体C段、箱体D段、箱体E段、箱体F段、箱体G段、箱体H段
构成箱体中部,且其中上部设置有凹槽;所述箱体B段、箱体D段、
箱体F段、箱体H段?#23454;?#31435;的“凸”字形结构,凸出部分是为了与起
落架横梁贴合以限制药箱的向下窜动;箱体C段、箱体E段、箱体G
?#38382;前?#22278;柱形结构,箱体B段与箱体A段相连,箱体H段与箱体I
段相连;所述箱体C段位于箱体B段和箱体D段之间,且箱体C段
的?#26412;?#23567;于箱体B段和箱体D段的?#26412;叮?#25152;述箱体G段位于箱体H
段和箱体F段之间,且箱体G段的?#26412;?#23567;于箱体H段和箱体F段的
?#26412;叮?#25152;述箱体E段位于箱体D段和箱体F段之间,且箱体E段的直
径小于箱体D段和箱体F段的?#26412;叮?#36890;过突缩过流截面和突扩过流截
面的交替出现,来增大?#26893;?#25439;失,减小流体的机?#30340;堋?br />

所述箱体C段和箱体G段的侧端面为第一贴合处;所述箱体A
段和箱体I段的内侧面为第二贴合处;所述第三贴合处位于箱体D段
和箱体F段的倒“凸”字形结构的凸出位置;所述箱体中部的凹槽侧
面为第四贴合处。

所述第一贴合处与无人机起落架的竖梁贴合,限制药箱的前后窜
动;所述第二贴合处与无人机机身的左?#20063;?#38754;贴合,限制药箱的左右
窜动;所述第三贴合处与无人机起落架的横梁贴合,限制药箱的向下
窜动;所述第四贴合处与无人机机身上电池匣的侧面贴合,主要限制
药箱的向上窜动,同时限制向左、右和向前、后窜动。

一方面,药箱的特殊形状取决于植保无人机总体布局,目的是依
靠药箱的外壁通过简单的贴合与卡位,即能固定药箱的6个自由度,
避免使用额外的卡扣或螺栓来安装固定药箱,有利于减轻重量,简化
工艺流程,缩短制作周期和?#26723;?#21046;作成本。

另一方面,特殊形状取决于对流体力学的应用,即要充分利用流
体流动时的?#26893;?#25439;失,即设置多处突缩过流截面和突扩过流截面以增
大?#26893;?#25439;失,减小流体的机?#30340;堋?br />

流体在变截面管道内流动?#20445;?#30001;于管截面或流量的改变,均匀流
动在变截面处?#26893;?#36973;到破坏,引起液体分子的无规则运动,分子与管
壁的碰撞,分子与分子的碰撞,以及分子间的相互摩擦,消耗了部分
液体的机?#30340;堋?#21478;外,当这部分低能流体遭遇主流体?#20445;?#24517;须克服粘
性剪切应力,才能达到速度的匹配,这也损耗了部份能量,这种发生
在?#26893;糠段?#20869;,由于分子与管壁、分子与分子之间的摩擦和碰撞而消
耗的机?#30340;?#31216;为?#26893;?#25439;失,它与流速v或当量?#26412;?#27604;d1/d2有关,通
常采用流体流动的伯努利方程计算:


流体流动?#24418;?#20811;服流体与管壁及流体本身的内部摩擦而损耗的
能量称为沿程损失。它与长度、?#26893;?#24230;及流速的平方成正比,而与管
径成反比,通常采用达西-维斯巴赫公式计算:

<mrow> <msub> <mi>h</mi> <mi>f</mi> </msub> <mo>=</mo> <mi>&lambda;</mi> <mfrac> <mi>l</mi> <mi>d</mi> </mfrac> <mfrac> <msup> <mi>v</mi> <mn>2</mn> </msup> <mrow> <mn>2</mn> <mi>g</mi> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

过流截面突然缩小和过流截面突然扩大是最常见的两种?#26893;?#25439;
失形式,在两侧截面上分别应用伯努利方程可得:

<mrow> <msub> <mi>z</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>+</mo> <mfrac> <msub> <mi>p</mi> <mn>1</mn> </msub> <mrow> <mi>&rho;</mi> <mi>g</mi> </mrow> </mfrac> <mo>+</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>&alpha;</mi> <mn>1</mn> </msub> <msubsup> <mi>v</mi> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </msubsup> </mrow> <mrow> <mn>2</mn> <mi>g</mi> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <msub> <mi>z</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>+</mo> <mfrac> <msub> <mi>p</mi> <mn>2</mn> </msub> <mrow> <mi>&rho;</mi> <mi>g</mi> </mrow> </mfrac> <mo>+</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>&alpha;</mi> <mn>2</mn> </msub> <msubsup> <mi>v</mi> <mn>2</mn> <mn>2</mn> </msubsup> </mrow> <mrow> <mn>2</mn> <mi>g</mi> </mrow> </mfrac> <mo>+</mo> <msub> <mi>h</mi> <mrow> <mi>f</mi> <mn>1</mn> <mo>~</mo> <mn>2</mn> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>h</mi> <mi>j</mi> </msub> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

忽略hf1~4并结合连续性方程v1A1=v2A2,经理论推导得突扩情况下
的阻力系数ζ和?#26893;?#25439;失量hj为:

<mrow> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>&zeta;</mi> <mo>=</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mfrac> <msub> <mi>A</mi> <mn>1</mn> </msub> <msub> <mi>A</mi> <mn>2</mn> </msub> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>h</mi> <mi>j</mi> </msub> <mo>=</mo> <mi>&zeta;</mi> <mfrac> <mrow> <msubsup> <mi>&alpha;v</mi> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </msubsup> </mrow> <mrow> <mn>2</mn> <mi>g</mi> </mrow> </mfrac> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

突缩情况下的?#26893;孔?#21147;系数和?#26893;?#25439;失量需要根据经验公式求
得:

<mrow> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msup> <mi>&zeta;</mi> <mo>&prime;</mo> </msup> <mo>=</mo> <mn>0.5</mn> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mfrac> <msub> <mi>A</mi> <msup> <mn>2</mn> <mo>&prime;</mo> </msup> </msub> <msub> <mi>A</mi> <msup> <mn>1</mn> <mo>&prime;</mo> </msup> </msub> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msubsup> <mi>h</mi> <mi>j</mi> <mo>&prime;</mo> </msubsup> <mo>=</mo> <msup> <mi>&zeta;</mi> <mo>&prime;</mo> </msup> <mfrac> <mrow> <msubsup> <mi>&alpha;v</mi> <msup> <mn>2</mn> <mo>&prime;</mo> </msup> <mn>2</mn> </msubsup> </mrow> <mrow> <mn>2</mn> <mi>g</mi> </mrow> </mfrac> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>5</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

根据流体力学原理,凡是流道边界突变处,一定会形成大小不一
的涡流区。突扩段的涡流主要发生在突扩断面以后,而且d2/d1越大,
涡流区也越大,损失也越大。而突缩段的涡流在收缩断面前后均有,
突缩前仅在死角区有小涡流,且强度较小,而突缩的后部产生?#23435;?#21160;
度较大的涡流区,而且d2’/d1’越小,涡流越明显,损失也越大。从以
上分析知,为了减小?#26893;孔?#21147;损失,变断面管道几何边界应设计成流
线?#31361;?#23613;量接近流线型,以避免涡流的形成,或使涡流区尽可能小。
但是,如果是为了减轻液体晃动,在设计时应该尽量利用突扩或突缩,
使涡流去尽可能大。

在设计突扩?#38382;保?#25193;大系数越大,?#26893;?#25439;失越大,但是当d1/d2
接近于1?#20445;?#31361;扩过流截面的水流形态接近于缓变过流截面的流动,
因而阻力损失?#26723;?#26368;小。所以,d1/d2要有一个合理的?#27573;А?br />

根据突扩阻力系数与突缩阻力系数的比值:


可知,只有当A1/A2<0.5或?#20445;?#31361;扩的?#26893;?#25439;失才比突
缩的?#26893;?#25439;失大,所以如果d1/d2大于还不如将该段设计成突
缩而不是突扩。

另外,根据生产实?#21097;琩1/d2应大于1/3,否则容易出现生产缺陷。
因此,突扩段的d1/d2∈(0.333,0.707),突缩段的d1’/d2’∈(1.414,3)。

植保无人机机动?#20445;?#33647;液获得机?#30340;堋?#22914;果把药箱假想成一个串
联的变截面矩形管,那么药液的机?#30340;?#23601;可以利用过流截面的突扩或
突缩进行消耗,这是在控制减重、成本和周期的前提下,提出的一种
减轻植保无人机药箱内药液晃动的有效方法。

如上所述,药箱的结构中必须包括突扩过流截面和突缩过流截
面。另外,药箱的结构还需要根据植保无人机总体布局而定,要充分
利用药箱的不同面与机体贴合、卡位来解决安装固定问题,不需要额
外的卡扣或螺栓。

与现有植保无人机药箱设计技术比,本发明的有益效果是:

(1)不需要卡扣、螺栓等固定装置,仅依靠自身结构特点即可完
成6个自由度的限制和药液晃动的减弱,有利于飞机减重设
计,有利于节约制作成本,有利于缩短制作周期;

(2)不需要栅格、多孔泡沫塑料等防晃动装置,仅依靠自身机构
特点即可缓冲药液的晃动,同样有利于飞机减重设计,有利
于节约制作成本,有利于缩短制作周期。

(3)药箱设有突缩过流截面和突扩过流截面,充分利用流体流经
管道时的?#26893;?#25439;失来消耗药液的机?#30340;埽?#20943;轻药液的晃动,
增加了飞行作业时的稳定性。

附图说明

图1为突缩过流截面和突扩过流截面的示意图;

图2为药箱的结构示意图;

图3为药箱的过流截面位置图;

图4为药箱的安装位置示意图;

其中,1:注水口,2:箱体A段,3:箱体B段,4:箱体C段,
5:第一贴合处,6:箱体D段,7:箱体E段,8:箱体F段,9:箱
体G段,10:箱体H段,11:箱体I段,12:第二贴合处,13:第
三贴合处,14:第四贴合处,15:主机体,16?#28009;?#33853;架竖梁,17?#28009;?br />落架横梁,18:电池匣。

具体实施方式:

下面通过附图对本发明技术方案进行详细说明,但是本发明的保
护?#27573;?#19981;局限于所述实施例。

如图2所示的植保无人机药箱,其结构组成包括注水口1、箱体
A段2、箱体B段3、箱体C段4、第一贴合处5、箱体D段6、箱
体E段7、箱体F段8、箱体G段9、箱体H段10、箱体I段11、第
二贴合处12、第三贴合处13和第四贴何处14。

如图4所示,第一贴合处5与起落架竖梁16贴合,限制药箱的
前后窜动;第二贴何处12与主机体15的左?#20063;?#38754;贴合,限制药箱的
左右窜动;第三贴合处13与起落架横梁17贴合,限制药箱的向下窜
动;第四贴合处14与无人机机身上电池匣18的侧面贴合,主要限制
药箱的向上窜动,同时限制向左右和向前后窜动;这里不是为了把限
制药箱的向上、向前、向后、向左、向右窜动才把电池匣18挂在主
机体15上的,而是主机体15上本身就有这么一个电池匣18,所以
才在药箱上设置一个凹槽,一方面是为了避免结构干涉,另一方面是
为了利用电池匣的侧面进行药箱自由度的限定。

这样通过四个贴合处与无人机主机体15的贴合,即可实现药箱6
个自由度的完全限定,不需要额外设计卡扣、螺栓或其它装置,有利
于?#26723;?#24037;艺难度,减轻结构重量,缩短制作周期。

如图2所示,加药水?#20445;?#33647;液从注水口1向箱体重心部位流动,
而晃动?#20445;?#33647;液从重心位置向四周流动,这是因为植保无人机的机动,
造成药液被动地获得机?#30340;埽?#33647;液要失去原来的状态稳定重心位置重
新达到一个新的状态稳定重心位置。如飞机向左翻滚,那药箱的药液
相应的向左流动,重心位置左移,我?#24378;?#21046;不了它左移,但是我们可
以控制它左移的速度,减轻对药箱壁的猛?#26131;不鰨档?#23545;整机?#20302;持?br />心和振动的影响。

如图3所示,药液的重?#33041;?#26412;在d-d和e-e的中间位置,飞机向左
滚转,药液随之向左流动。药?#21512;?#24038;流动过程中,首先遇到的是d-d
过流截面,d-d截面左侧?#26412;?#22823;,?#20063;嘀本?#23567;,是明显的突扩过流截
面,设药液初始速度为v0,根据公式(4)可求出该过流截面处的局
部能量损失:

<mrow> <msub> <mi>h</mi> <mi>j</mi> </msub> <msub> <mo>|</mo> <mrow> <mi>d</mi> <mo>-</mo> <mi>d</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mfrac> <msub> <mi>A</mi> <mn>1</mn> </msub> <msub> <mi>A</mi> <mn>2</mn> </msub> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>&alpha;</mi> <mn>1</mn> </msub> <msubsup> <mi>v</mi> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </msubsup> </mrow> <mrow> <mn>2</mn> <mi>g</mi> </mrow> </mfrac> </mrow>

c-c截面左侧?#26412;?#23567;,?#20063;嘀本?#22823;,来流在?#20063;啵?#25152;以是突缩过流
截面,该处?#26893;?#33021;量损失为:

<mrow> <msub> <mi>h</mi> <mi>j</mi> </msub> <msub> <mo>|</mo> <mrow> <mi>c</mi> <mo>-</mo> <mi>c</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mn>0.5</mn> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mfrac> <msub> <mi>A</mi> <mn>3</mn> </msub> <msub> <mi>A</mi> <mn>2</mn> </msub> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>&alpha;</mi> <mn>3</mn> </msub> <msubsup> <mi>v</mi> <mn>3</mn> <mn>2</mn> </msubsup> </mrow> <mrow> <mn>2</mn> <mi>g</mi> </mrow> </mfrac> </mrow>

同理可求hj|b-b和hj|a-a,然后箱体左侧的能量损失总量等于:


用同样的方法可求箱体?#20063;?#28082;体的能量损失:


所以在药液因随植保无人机向左滚转而向左流动?#20445;?#33647;液总的流
量损失为:

h=hj|左侧+hj|?#20063;?br />

事实上,在箱体内填充网状泡沫塑料或栅格的原理也是通过减小
?#26893;靠?#38388;,增大流动阻力,增大能量损耗,以?#26723;?#33647;液的机?#30340;埽?#20943;
小药液晃动程度。大量飞行试验表明,用本发明提出的方法设计的药
箱,其减轻晃动的能力大约是传统的填充栅格或网状泡沫塑料方法的
80%,但是可以减重20%~40%,制作成本?#26723;?5%左右,制作周期
缩短1/3,因此该设计技术是一?#22336;?#24120;实用的植保无人机药箱设计方
法。

如上所述,尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发
明,但其不得解释为对本发明自身的限制。凡是按照本发明提出的技
术思想,在形式上和?#38468;?#19978;做出的各种变化,均落入本发明保护?#27573;?br />之内。

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