塑料大棚清洗機功率特性研究

彭三河 (長江大學機械工程學院，湖北 荊州 34023)

塑料大棚清洗機功率特性研究

彭三河
(長江大學機械工程學院，湖北 荊州 34023)

通過測定清洗機水輪部件的轉速、扭矩、噴嘴壓力及噴嘴射量等參數，繪制了相應的特性曲線，確定了清洗機最佳工況的一些技術參數。

塑料大棚；清洗機；功率特性

附著在塑料薄膜上的灰塵，如果不被自然雨沖掉，不僅影響光的入射，而且影響氣溫和地溫的上升，從而使作物的生長受較大影響。針對這種情況，筆者設計出了一種大棚清洗機，其工作原理是由高壓泵產生的高壓水流沖擊水輪的葉片，使裝有毛刷的水輪高速旋轉，毛刷輕輕接觸薄膜，水和毛刷一起沖刷薄膜，從而達到清洗的目的[1]。為了測定該清洗機的各項性能，找出清洗機使用時的最佳參數值，筆者專門設計了1臺實驗裝置對清洗機水輪部分進行了測試與分析。

1 測定裝置與試驗方法

1.1 水輪機功率測定裝置與測定方法

1．噴嘴; 2.水輪機; 3.壓力計;4.彈簧秤;5.夾式制動器; 6.電磁式傳感器; 7.數字式計數器圖1 水輪機的功率測定裝置示意圖Figure 1 Turbine power measuring device

如圖1所示，水輪機功率測定裝置由噴嘴、水輪機、壓力計、彈簧秤、夾持制動器、電感式傳感器及數字式計數器組成。測試時采用非接觸型電磁傳感器和數字式計數器測量轉數，用量程為500 g、靈敏度為2 g的彈簧臺秤測量測扭矩時所加的試驗載荷，用布頓管壓力計測量噴嘴壓力，用量程為15 kg、靈敏度為0.5 g的精密臺秤測量噴嘴的噴射量[2，3]。

1.2 試驗方法

通過改變測試裝置前端水管內的水壓可調節噴嘴壓力，測量噴嘴直徑分別為2.2 mm、2.0 mm、1.8 mm、1.6 mm時，不同噴嘴壓力狀況下的水輪機各參數，記錄數據并畫出各種參數狀況下水輪機特性曲線，找出相應參數下水輪機最大功率時的最佳性能參數值。

1.3 理論功率和軸功率及效率的計算

理論功率和軸功率及效率的計算方法如下[4，5]。

①理論功率W0(W)W0=9.8QH×103

式中，Q為噴嘴的噴射量(m3/s)；H為有效落差(噴嘴壓力換成水柱(m))

②軸功率WS(W)WS=735.5×2πn×0.15(W2-W1)/60×75

式中，n為水輪機的轉速(r/min)；0.15為剎車臂長度(m);W1、W2分別為無負荷及有負荷時荷重(kg)。

③效率η η=WS/W0×100

2 結果與分析

2.1 轉數與扭矩、功率及效率的關系

圖2 水輪機的負荷特性Figure 2 Load characteristics of turbine

圖2為噴嘴直徑2.2 mm、噴射壓力10 kg/cm2時的試驗結果。此曲線通過改變剎車輪上的剎車壓力的方法測得。由圖2可見，當噴射量和噴射壓力一定時，轉速越低扭矩就越大；最大軸功率大約出現在給定的壓力和水量下所能達到的最高轉數的1/2相對應處；效率的最高點大致也在同樣的相應位置上。由圖2可知，清洗機的轉數達2 400 r/min時效率最高，此時扭矩、功率和效率分別為0.023 6 kg·m、49.7 W和40.9%。

2.2噴射壓力與噴射量、轉數、最大扭矩、功率及效率之間的關系

圖3表示不同直徑的噴嘴特性曲線。由圖3可見，隨著噴嘴壓力的提高，噴射量和扭矩及轉速都在增加，軸功率及計算功率也增加，但效率卻幾乎恒定不變。不同直徑的噴嘴效率，相互間基本上沒有差異，但在設計時采用的直徑為2.2 mm噴嘴的效率相對高一些。其效率一般等于發電用水輪機效率一半左右。其原因在于一般噴嘴的速度系數值φ等于0.97，但試制樣機的φ值平均等于0.729的緣故。另外，為了簡化葉片形狀采用茲平格水輪葉片形式，故葉片從射流中離開時產生較大紊流的結果。

圖3 水輪機特性曲線Figure 3 Characteristic curves of turbine

2.3 清潔薄膜所必需的噴射壓力

表1 耗水量最小情況下的最佳工作壓力Table 1 The best working pressure ofminimum water consumption

注： 動噴壓力為連接50 m米膠管時的動噴壓力。

試制樣機在通常作業情況下，所需要的最小扭矩等于0.015 kg·m。為了尋找耗水量最小情況下的最佳工作壓力，采用直徑2.2 mm以外的幾個噴嘴進行試驗，其結果列于表1。由表1可知，直徑1.6 mm的噴嘴正常工作所需要的工作壓力是13 kg/cm2。在這個工作狀態下，它比直徑2.2 mm的噴嘴大約能節水100 L/h。

圖4 噴水量與壓力損失的關系Figure 4 Relationship between spray volume and pressure loss

2.4 膠管中的壓力損失

在實際工作中，動噴位置和清洗機有時相距較遠，而且往往把壓力表安裝在動噴位置一邊，因此需要了解膠管中壓力損失情況。把裝有直徑2.2 mm噴嘴的清洗機和動噴裝置(如水泵)用內徑為3.5 mm、長度為50 m的高壓膠管連接起來。一邊通過調正動噴壓力的方法改變噴射量，一邊分別測定動噴壓力和噴嘴的噴射壓力，并求出噴射量和管道中壓力損失之間的關系，其結果表示圖4。

由圖4可知，如果膠管無嚴重彎曲，噴射量等于7 L/h，膠管長度為50 m的情況下，其膠管管路的壓力損失為2.5 kg/cm2。由此可知，膠管長度如果等于150 m時，其壓力損失則為7.5 kg/cm2。另外，因直徑2.2 mm的噴嘴正常工作壓力所需壓力為7.1 kg/cm2，所以總的工作所需壓力為14.6 kg/cm2。其值基本等于農戶所用的動力噴霧器的壓力。

3 小結

由本試驗可以得出以下基本結論：

(1)水輪機的最大軸功率大約出現在給定的壓力和水量下所能達到的最高轉數的1/2相對應處。清洗機的轉數達2 400 r/min時效率最高。

(2)采用直徑為2.2 mm噴嘴時，效率相對高一些。

(3)直徑1.6 mm的噴嘴正常工作所需要的工作壓力是13 kg/cm2，它比直徑2.2 mm的噴嘴大約能節水100 L/h。

[1]彭三河.塑料大棚清洗裝置的設計[J]. 長江大學學報(自然科學版)農學卷，2007，4(4)：102～104.

[2]張有順. 轉矩測量技術[M]. 北京：中國計量出版社，1986.51～91.

[3]周 清. 塑料大棚清洗機的研究設計[J]. 農機化研究, 2003,(3)：106～107.

[4]劉國喜. 農業工程流體力學(下)[M]. 長春：吉林農業大學出版社，1988.153～160.

[5]哈爾濱電機研究所.水輪機設計手冊[M].北京:機械工業出版社，1976.69～73.

2010-06-18

湖北省教育廳重點資助項目(D200512003)

彭三河(1963-)，男， 湖北紅安人，副教授，主要從事農業機械的教學與研究.

10.3969/j.issn.1673-1409(S).2010.03.022

TH12

A

1673-1409(2010)03-S066-03