喷头工作状态实训装置的研制与应用

唐明祥，丁雪梅，唐钰沣，张晓君，张鑫生

(1.吉林大学 植物科学学院， 长春 130062； 2.吉林大学 动物科学学院， 长春 130062；3.延边大学 美术学院， 吉林 延吉 133002； 4.吉林大学 教育技术中心， 长春 130012)

植保机械、喷灌机械是农业机械的重要组成部分，植保机械是用于化学防治法中喷洒农药涉及的机械[1-2]，应用比较广泛；喷灌机械主要用于抗旱作业[3-4]，而喷头作为这些机械的核心工作部件，其组成和工作原理比较复杂[5-12]，在教学中学生理解比较困难，尤其是对非机械专业的涉农专业学生更是难于理解掌握。笔者研制了一台能直观地演示喷头工作状态的实训装置(如图1所示)，应用在实验教学中，以帮助学生理解掌握喷头的结构与工作原理。

图1 喷头工作状态实训装置

1 实训装置的设计

1.1 基本结构及主要部件的功能

实训装置主要由电机水泵总成1、压力传感器2、喷头3、喷头支架4、液晶显示屏5、红色指示灯6、绿色指示灯7、按钮开关8、水泵进水管9、水箱10、阀门11、接线器12、电源14、微控制器13、变频器15、空气开关16、自动卷线器17、自动卷管器18、行走轮19、自动卷线器输入线20、自动卷管器进水管21、实训装置壳体22、自动卷管器出水管23等组成(如图2、3所示)。主要部件的功能见表1。

图2 实训装置主视图

图3 实训装置后视图

序号主要部件功能1电机水泵总成是实训装置的主要组成部分之一,电机工作带动水泵工作,将水从水箱泵入喷灌系统,系统内的压力随电机转速变化而变化,电机转速增加系统内的压力变大。2压力传感器测量喷灌系统内的压力并传输给微控制器。3液晶显示屏实训装置的重要组成部分之一,它具有两大作用,一是显示压力、频率、及操作界面等;二是用手触摸屏幕可以浏览各喷头的信息,操作屏幕上实验页面,可以调整频率的大小等。4电源将220 V的电压变为12 V给微控制器供电。5微控制器实训装置的重要组成部分之一,其作用是按照预设程序、压力传感器提供的压力及通过液晶显示屏操作频率的大小等精准地给变频器一个指令,变频器自动改变频率,从而使喷灌系统的压力得到准确控制。6变频器实训装置的重要组成部分之一,其作用是改变电机水泵用电的频率,从而改变电机水泵总成的转速,实现无级调节喷灌系统内的压力。7自动卷线器通过抽拉电源线接头改变电源线的长度。8自动卷管器通过抽拉水管改变水管的长度。

1.2 工作原理

1.2.1 实训装置系统供电

将图3中的自动卷线器接上电源，空气开关扳到接通位置，图4为开关指示灯的控制电路简图。此时蓝色按钮开关③的a、b两点处于接通位置，红色指示灯①亮，而蓝色按钮开关③的a、c两点处于断开，绿色指示灯②不亮，接线器④ h端无电。实训装置系统的用电都是从接线器④取电，所以此时实训装置系统内无电。当按下蓝色按钮开关③时，a、b两点断开，a、c两点接通，此时红色指示灯①熄灭，绿色指示灯②亮，接线器④ h端通电，实训装置系统内通电。

① 红色指示灯；② 绿色指示灯；③ 蓝色按钮开关；④ 接线器

1.2.2 实训装置的控制

图5为实训装置的控制流程。系统通电后，电源转换模块将220 V的电压转换为12 V向微控制器供电，触摸屏显示主页，当切换到实验页面后，在频率按钮处调出一定的频率，通过显示输出模块传至微控制器。微控制器接到这个指令后，再通过变频器控制模块向变频器发出频率指令，于是变频器按指定频率给电机水泵总成供电。水泵将水箱的水泵入喷灌系统，其转速随频率的增大而增大。根据触摸屏显示，系统内的压力随频率的增大而增大。触摸屏上显示的压力是通过压力传感器测试的，根据压力传感器测得的数据可以在触摸屏上随意改变频率的大小，使系统压力符合各种喷头工作的需要[13]。

2 实验设计

2.1 实验步骤

1) 首先将水箱加满水。

2) 将实训装置推至室外宽敞的地方。

3) 将自动卷管器中的水管拉出一定的长度，将快速接头与喷头支架连接上。

4) 将喷头安装在喷头支架上。

5) 将自动卷线器的电线拉出并插上电源。

6) 将电机水泵总成上的加水口盖拧出灌满水，然后再把加水口盖拧紧，以便能顺利抽水。

7) 将空气开关扳至通电位置，此时实训装置操作面板上的红色指示灯亮，绿色指示灯不亮。

8) 按下蓝色按钮开关，此时红色指示灯灭，绿色指示灯亮，表示系统内已经有电，同时触摸屏启动，并显示首页(图6)。

9) 用手指点击触摸屏的任意位置，此时触摸屏上的画面便切换到主页面(图7)。在这个页面上设置了7种典型喷头，点击任意一项，便切换到该喷头的主页面。

图5 实训装置的控制流程

图6 触摸屏刚开机时显示

10) 点击第1种喷头便切换到可调纯铜旋转式喷头的主页面(图8)，在这个页面上可以浏览任意一项。

11) 假如点击图8中的工作状态选项就切换到该喷头处于工作状态的图片(图9)，在这个页面上点击返回按钮则切换到可调纯铜旋转式喷头的主页面(图8)，如果点击首页按钮则切换到主页面(图6)。

图7 触摸屏显示的主页面

图8 可调纯铜旋转式喷头的主页面

图9 喷头工作状态页面

图10 实验工作状态页面

12) 点击图8中的返回按钮切换到图7，然后点击实验选项，便切换到实验页面，如图10所示。在这个页面左侧方框显示系统压力，右侧方框显示调整交流电的频率。“RUN”按钮为启动喷灌系统按钮，当按下此按钮，喷灌系统便启动，此时可以调节频率的大小，电机转速随频率的增大而增大。当频率为50 Hz时，电机转速最大，当频率为0 Hz时，电机转速为0。根据这个原理，通过改变频率，使喷灌系统内的压力达到预设值，然后进行测试喷头喷射的有关数据。“STOP”按钮为喷灌系统停止工作按钮，点击“STOP”按钮时喷灌系统立即停止工作。

2.2 实训装置的实验设计

2.2.1 实验内容

选择一种喷头，实验在不同压力下该喷头的工作情况，测量喷射水柱的距离，观察不同压力下喷头喷洒的情况，测得的数据和喷洒情况见表2，其中：喷头型号为可调纯铜旋转式喷头；喷头离地距离为0.97 m。

表2 系统压力与频率、射程的关系及喷头喷水情况

2.2.2 实验结果分析

根据表2形成直线拟合图(如图11、12所示)。线性回归分析的结果表明：压力和频率之间呈显著正相关关系(F=625.060，P=0.000<0.01)，压力每升高1 MPa，频率升高85.286 Hz(图11)；压力和射程之间呈显著正相关关系(F=72.411，P=0.000<0.01)，压力每升高1 MPa，射程升高25.857 m(图12)。根据表2还可以看出：喷头喷出的水柱力量是随系统压力增加而增强的，必须达到一定压力摇臂才自动旋转，而且随着压力的增大摇臂旋转的节奏也越快。

图11 压力与频率的直线拟合图

图12 压力与射程的直线拟合图

3 实训装置的应用

本文中设计的实训装置已经在2017年秋季学期的本科实验教学中进行了应用(见表3)。

通过喷头工作状态实训装置在本科生实验教学中的应用，使学生的实验技能得到了增强，创新思维得到激发，同时还培养了他们的科研意识。除了在本科教学的实验教学中应用以外，今后拟在学校的开放性创新实验中进行应用，培养学生的科研意识和实践创新能力。

表3 本科生实验教学情况

4 结束语

喷头工作状态实训装置的研制和应用，使非农机专业的涉农专业的学生较好地理解了喷头的结构和工作原理，同时激发了学生上机械实验课的主动性、积极性，锻炼了学生相互配合的工作意识，培养了学生的实践动手能力、综合分析问题和解决问题的能力。

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