噴頭工作狀態實訓裝置的研制與應用

唐明祥，丁雪梅，唐鈺灃，張曉君，張鑫生

(1.吉林大學 植物科學學院， 長春 130062； 2.吉林大學 動物科學學院， 長春 130062；3.延邊大學 美術學院， 吉林 延吉 133002； 4.吉林大學 教育技術中心， 長春 130012)

植保機械、噴灌機械是農業機械的重要組成部分，植保機械是用于化學防治法中噴灑農藥涉及的機械[1-2]，應用比較廣泛；噴灌機械主要用于抗旱作業[3-4]，而噴頭作為這些機械的核心工作部件，其組成和工作原理比較復雜[5-12]，在教學中學生理解比較困難，尤其是對非機械專業的涉農專業學生更是難于理解掌握。筆者研制了一臺能直觀地演示噴頭工作狀態的實訓裝置(如圖1所示)，應用在實驗教學中，以幫助學生理解掌握噴頭的結構與工作原理。

圖1 噴頭工作狀態實訓裝置

1 實訓裝置的設計

1.1 基本結構及主要部件的功能

實訓裝置主要由電機水泵總成1、壓力傳感器2、噴頭3、噴頭支架4、液晶顯示屏5、紅色指示燈6、綠色指示燈7、按鈕開關8、水泵進水管9、水箱10、閥門11、接線器12、電源14、微控制器13、變頻器15、空氣開關16、自動卷線器17、自動卷管器18、行走輪19、自動卷線器輸入線20、自動卷管器進水管21、實訓裝置殼體22、自動卷管器出水管23等組成(如圖2、3所示)。主要部件的功能見表1。

圖2 實訓裝置主視圖

圖3 實訓裝置后視圖

序號主要部件功能1電機水泵總成是實訓裝置的主要組成部分之一,電機工作帶動水泵工作,將水從水箱泵入噴灌系統,系統內的壓力隨電機轉速變化而變化,電機轉速增加系統內的壓力變大。2壓力傳感器測量噴灌系統內的壓力并傳輸給微控制器。3液晶顯示屏實訓裝置的重要組成部分之一,它具有兩大作用,一是顯示壓力、頻率、及操作界面等;二是用手觸摸屏幕可以瀏覽各噴頭的信息,操作屏幕上實驗頁面,可以調整頻率的大小等。4電源將220 V的電壓變為12 V給微控制器供電。5微控制器實訓裝置的重要組成部分之一,其作用是按照預設程序、壓力傳感器提供的壓力及通過液晶顯示屏操作頻率的大小等精準地給變頻器一個指令,變頻器自動改變頻率,從而使噴灌系統的壓力得到準確控制。6變頻器實訓裝置的重要組成部分之一,其作用是改變電機水泵用電的頻率,從而改變電機水泵總成的轉速,實現無級調節噴灌系統內的壓力。7自動卷線器通過抽拉電源線接頭改變電源線的長度。8自動卷管器通過抽拉水管改變水管的長度。

1.2 工作原理

1.2.1 實訓裝置系統供電

將圖3中的自動卷線器接上電源，空氣開關扳到接通位置，圖4為開關指示燈的控制電路簡圖。此時藍色按鈕開關③的a、b兩點處于接通位置，紅色指示燈①亮，而藍色按鈕開關③的a、c兩點處于斷開，綠色指示燈②不亮，接線器④ h端無電。實訓裝置系統的用電都是從接線器④取電，所以此時實訓裝置系統內無電。當按下藍色按鈕開關③時，a、b兩點斷開，a、c兩點接通，此時紅色指示燈①熄滅，綠色指示燈②亮，接線器④ h端通電，實訓裝置系統內通電。

① 紅色指示燈；② 綠色指示燈；③ 藍色按鈕開關；④ 接線器

1.2.2 實訓裝置的控制

圖5為實訓裝置的控制流程。系統通電后，電源轉換模塊將220 V的電壓轉換為12 V向微控制器供電，觸摸屏顯示主頁，當切換到實驗頁面后，在頻率按鈕處調出一定的頻率，通過顯示輸出模塊傳至微控制器。微控制器接到這個指令后，再通過變頻器控制模塊向變頻器發出頻率指令，于是變頻器按指定頻率給電機水泵總成供電。水泵將水箱的水泵入噴灌系統，其轉速隨頻率的增大而增大。根據觸摸屏顯示，系統內的壓力隨頻率的增大而增大。觸摸屏上顯示的壓力是通過壓力傳感器測試的，根據壓力傳感器測得的數據可以在觸摸屏上隨意改變頻率的大小，使系統壓力符合各種噴頭工作的需要[13]。

2 實驗設計

2.1 實驗步驟

1) 首先將水箱加滿水。

2) 將實訓裝置推至室外寬敞的地方。

3) 將自動卷管器中的水管拉出一定的長度，將快速接頭與噴頭支架連接上。

4) 將噴頭安裝在噴頭支架上。

5) 將自動卷線器的電線拉出并插上電源。

6) 將電機水泵總成上的加水口蓋擰出灌滿水，然后再把加水口蓋擰緊，以便能順利抽水。

7) 將空氣開關扳至通電位置，此時實訓裝置操作面板上的紅色指示燈亮，綠色指示燈不亮。

8) 按下藍色按鈕開關，此時紅色指示燈滅，綠色指示燈亮，表示系統內已經有電，同時觸摸屏啟動，并顯示首頁(圖6)。

9) 用手指點擊觸摸屏的任意位置，此時觸摸屏上的畫面便切換到主頁面(圖7)。在這個頁面上設置了7種典型噴頭，點擊任意一項，便切換到該噴頭的主頁面。

圖5 實訓裝置的控制流程

圖6 觸摸屏剛開機時顯示

10) 點擊第1種噴頭便切換到可調純銅旋轉式噴頭的主頁面(圖8)，在這個頁面上可以瀏覽任意一項。

11) 假如點擊圖8中的工作狀態選項就切換到該噴頭處于工作狀態的圖片(圖9)，在這個頁面上點擊返回按鈕則切換到可調純銅旋轉式噴頭的主頁面(圖8)，如果點擊首頁按鈕則切換到主頁面(圖6)。

圖7 觸摸屏顯示的主頁面

圖8 可調純銅旋轉式噴頭的主頁面

圖9 噴頭工作狀態頁面

圖10 實驗工作狀態頁面

12) 點擊圖8中的返回按鈕切換到圖7，然后點擊實驗選項，便切換到實驗頁面，如圖10所示。在這個頁面左側方框顯示系統壓力，右側方框顯示調整交流電的頻率。“RUN”按鈕為啟動噴灌系統按鈕，當按下此按鈕，噴灌系統便啟動，此時可以調節頻率的大小，電機轉速隨頻率的增大而增大。當頻率為50 Hz時，電機轉速最大，當頻率為0 Hz時，電機轉速為0。根據這個原理，通過改變頻率，使噴灌系統內的壓力達到預設值，然后進行測試噴頭噴射的有關數據。“STOP”按鈕為噴灌系統停止工作按鈕，點擊“STOP”按鈕時噴灌系統立即停止工作。

2.2 實訓裝置的實驗設計

2.2.1 實驗內容

選擇一種噴頭，實驗在不同壓力下該噴頭的工作情況，測量噴射水柱的距離，觀察不同壓力下噴頭噴灑的情況，測得的數據和噴灑情況見表2，其中：噴頭型號為可調純銅旋轉式噴頭；噴頭離地距離為0.97 m。

表2 系統壓力與頻率、射程的關系及噴頭噴水情況

2.2.2 實驗結果分析

根據表2形成直線擬合圖(如圖11、12所示)。線性回歸分析的結果表明：壓力和頻率之間呈顯著正相關關系(F=625.060，P=0.000<0.01)，壓力每升高1 MPa，頻率升高85.286 Hz(圖11)；壓力和射程之間呈顯著正相關關系(F=72.411，P=0.000<0.01)，壓力每升高1 MPa，射程升高25.857 m(圖12)。根據表2還可以看出：噴頭噴出的水柱力量是隨系統壓力增加而增強的，必須達到一定壓力搖臂才自動旋轉，而且隨著壓力的增大搖臂旋轉的節奏也越快。

圖11 壓力與頻率的直線擬合圖

圖12 壓力與射程的直線擬合圖

3 實訓裝置的應用

本文中設計的實訓裝置已經在2017年秋季學期的本科實驗教學中進行了應用(見表3)。

通過噴頭工作狀態實訓裝置在本科生實驗教學中的應用，使學生的實驗技能得到了增強，創新思維得到激發，同時還培養了他們的科研意識。除了在本科教學的實驗教學中應用以外，今后擬在學校的開放性創新實驗中進行應用，培養學生的科研意識和實踐創新能力。

表3 本科生實驗教學情況

4 結束語

噴頭工作狀態實訓裝置的研制和應用，使非農機專業的涉農專業的學生較好地理解了噴頭的結構和工作原理，同時激發了學生上機械實驗課的主動性、積極性，鍛煉了學生相互配合的工作意識，培養了學生的實踐動手能力、綜合分析問題和解決問題的能力。

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