移動式機載提灌裝置設計與試驗

阮紅麗,李光輝,周小波,2,江 昊,曾文明,盧 珍

(1.四川省農業機械研究設計院,成都 610066;2.南方丘區節水農業研究四川省重點實驗室,成都 610066)

0 引言

提灌站是保證丘陵地區農業灌溉用水的重要基礎設施,旱情發生時保生產、解人畜飲水困難的作用巨大[1]。由于丘區基礎設施配套不完善,無法架設低壓線路或架設低壓線路較為困難。

拖拉機是現代農業機械化生產中重要的動力機械[2],目前配備不同的作業機械主要用于整地、播種、收獲、運輸及農田基本建設等作業。由于我國農業生產有很強的季節性,許多作物的整地、播種及收獲期都很短,導致拖拉機使用時間短;此外,與拖拉機配套的農機作業機具少,機具的配套比低,農機的效率得不到充分發揮。

為提高灌區抗旱減災能力、促進自身灌排能力提升、確保農業生產經濟效益,亟需一種便于移動、方便靈活的抗旱減災裝置。

目前,抗旱減災裝置主要采用車載移動泵機組等方式。張軍等[3]研究的車載電力驅動型泵車(自吸泵)是在汽車底盤上集成柴油機發電機組、自吸泵和真空輔助抽吸系統,由發電機組為水泵供電。劉愛明等[4]研究的車載移動泵機組動力機為柴油機或電動機,電源采用隨車柴油發電機組的自發電或網電。蔣文軍[5]研究的自吸泵移動泵站是在汽車上集成柴油發電機組、自吸式污水泵,由發電機組為自吸泵供電。趙文軍等[6]研究的集成自吸式移動泵站主要由柴油機、離心泵等構成。

綜上,車載移動泵機組一般采用柴油機或電動機提供動力,但利用拖拉機驅動力為水泵提供動力的移動式機載提灌裝置研究較少。

1 工作原理及結構組成

1.1 工作原理

移動式機載提灌裝置在進行車架等結構設計基礎上,將拖拉機動力輸出通過齒輪傳動的方式轉化為自吸泵的動力,將水加壓抽至灌區。

1.2 結構組成

移動式機載提灌裝置由提灌系統和監控系統組成,組成框圖如圖1所示,結構示意如圖2所示。

圖1 裝置組成框圖Fig.1 Device block diagram

(a) 主視圖

1.2.1 提灌系統

提灌系統主要由水泵、傳動裝置、閥門、管路和車架等組成。

1.2.1.1 水泵

因移動式機載提灌裝置尺寸有限,在性能相近的情況下,選配結構輕巧、體積小、質量輕、價格比合理的水泵[7]。確保水泵正常啟動和正常運行的關鍵是確定水泵的引水方式[8]。水泵各種引水方案對比如表1所示[9]。

表1 水泵引水方案對比表Table 1 Contrast of pump drainage tables

通過方案比較可知：人工引水勞動強度較大,真空泵和真空引水裝置占地面積較大,考慮到本裝置水泵引水的特殊性,設計時采用自吸泵。自吸泵啟動時不需灌泵,依靠泵本身的內部結構,無需任何外部輔助,經過短時間的運行,就可以把液體抽上來正常輸送。該泵具有結構緊湊、操作方便、運行平穩、效率高及壽命長等優點。

1.2.1.2 傳動裝置

根據本裝置水泵的轉速要求,通過對國內傳動方式的分析比較,優選出適用的專用傳動裝置。

1)萬向聯軸器。兩端分別與拖拉機動力輸出軸和行星齒輪增速器的輸入軸連接。

2)行星齒輪增速器。主要由太陽齒輪、行星齒輪、齒圈和行星架組成,采用行星齒輪傳動。行星齒輪傳動的主要特點是體積小、承載能力大、傳動效率高及工作平穩;作用是在輸入軸和輸出軸之間將輸入軸旋轉而產生的動力傳遞給輸出軸,同時將輸入軸的較低轉速轉變為滿足輸出端所需的轉速。

3)聯軸器。行星齒輪增速器的輸出軸通過聯軸器與水泵的泵軸相連。

1.2.1.3 配套設備

1)閥門。包括：①蝶閥,主要用于截斷或接通管道中的水,具有結構簡單、長度短、質量輕、體積小,易于實現快速啟閉的特點;②止回閥,主要用于阻止水倒流、防止泵反轉;③撓性接頭,是管道間的軟性連接件,具有吸收管件變形、減震降噪、保護系統的作用;④排氣閥,主要用于排除管路中多余的氣體。

2)管路。進水管采用波紋軟管,出水管采用消防水帶,便于快速安裝。

3)車架。該裝置將傳動裝置、水泵、閥門和監控系統全部集成到車架上。車架與拖拉機聯結采用三點懸掛的方式,采用型鋼焊接,強度較高。其與水泵、傳動裝置等采用螺栓連接,且均安裝平墊圈和彈簧墊圈以防止松動,牢固連接水泵、傳動裝置等設備。

1.2.2 監控系統

1.2.2.1 硬件系統

移動式機載提灌裝置監控系統以觸摸屏為上位機、PLC[10-12]為控制核心、傳感器為輸入信號端,通過編制可視化界面及程序,對輸入信號進行處理。系統結構示意圖如圖3所示。

圖3 監控系統結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of monitoring system structure

根據監控功能,搭建裝置硬件系統,主要包括：①觸摸屏,作為整個系統的核心部件之一,進行數據交換和人機交流;②PLC主機,通過通信電纜與觸摸屏通信;③PLC模擬量輸入模塊,接收流量信號、壓力信號輸入,并對其進行處理;④電磁流量計,工作電源為DC24V,流量檢測信號為4～20mA,輸入通道為PLC模入量模塊的AI2;⑤壓力傳感器,工作電源為DC24V,壓力檢測信號為4～20mA,輸入通道為PLC模入量模塊的AI0。其硬件架構如表2所示。

表2 硬件架構表Table 2 Structure of hardware

1.2.2.2 軟件系統

1)可視化軟件系統。根據監控系統功能需求分析,可視化編程環境下的操作主要包括新增PLC設備、編制可視化界面、元件變量連接,軟件變量如表3所示。

表3 軟件變量表Table 3 Variables of software

2)PLC程序。根據監控系統功能需求分析,PLC編程軟件環境的操作主要包括參數設置、編制子程序、編制主程序及對于壓力值調用程序。子程序局部變量定義如表4所示。表4中,Input設為AIW0,Ish設為32000.0,Isl設為6400.0,Osh設為1.0,Osl設為0.0,Output設為VD10;對于流量值調用程序,Input設為AIW2,Ish設為32 000.0,Isl設為6400.0,Osh設為100.0,Osl設為0.0,Output設為VD20。梯形圖如圖4所示。

表4 子程序局部變量定義表Table 4 Local variable definition of the subprogram

圖4 主程序梯形圖Fig.4 Main program ladder diagram

1.2.2.3 系統聯調

將PLC程序及可視化界面分別編譯、下載,建立觸摸屏與PLC的通信,在上述基礎上,對裝置進行監控。

2 仿真試驗

利用三維模型軟件建模,進行網格劃分,輸入水泵流量、揚程、轉速、管徑及壓力等級等參數進行計算分析,求出最優參數組合。裝置三維軸測圖如圖5所示,參數表如表5所示。

表5 參數表Table 5 Parameter

圖5 裝置三維軸測圖Fig.5 3-D axonometric mapping of the device

3 裝置試驗及示范應用

1)試驗地點。四川省農業科學院簡陽實驗基地。

2)試驗設備。現場利用移動巡檢設備(壓力、流量、轉速等傳感器、信號接受分析處理器等)進行性能測試。

3)試驗步驟。該裝置安裝完成后,試驗步驟如下：①首先拖拉機牽引移動式機載提灌裝置到達指定地點后,鋪設進、出水管道,在水泵、出口管道等部位布設信號傳感器;②將拖拉機動力檔切換到動力輸出軸上,水泵啟動,開啟蝶閥;③14個工況點運行,進行數據采集、分析、處理[13]。

4)判定方法。按照GB T 3216-2016的相關要求對裝置進行測試,規定性能點QG、HG為中心,如果流量或者揚程、或者兩者同時均在使用的容差范圍內,則滿足性能要求。

5)試驗數據。運行測試數據如表6所示,水泵性能特性曲線如圖6所示。

表6 裝置運行測試數據Table 6 Test data of the device

圖6 水泵性能特性曲線Fig.6 Performance characteristic curve of pump

4 結論

由該水泵的性能特性曲線可以看出：規定性能點QG=50m3/h,HG=32m,流量容差為±10%,揚程容差為±8%;采用十字線判定法,交點水泵流量為49.37 m3/h、揚程為32m,流量、揚程均在使用的容差范圍內,水泵性能參數滿足要求,達到設計要求。