彭三河 (長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 34023)

塑料大棚清洗機(jī)功率特性研究

彭三河
(長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 34023)

通過測定清洗機(jī)水輪部件的轉(zhuǎn)速、扭矩、噴嘴壓力及噴嘴射量等參數(shù)，繪制了相應(yīng)的特性曲線，確定了清洗機(jī)最佳工況的一些技術(shù)參數(shù)。

塑料大棚；清洗機(jī)；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(shè)計(jì)出了一種大棚清洗機(jī)，其工作原理是由高壓泵產(chǎn)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(zhuǎn)，毛刷輕輕接觸薄膜，水和毛刷一起沖刷薄膜，從而達(dá)到清洗的目的[1]。為了測定該清洗機(jī)的各項(xiàng)性能，找出清洗機(jī)使用時(shí)的最佳參數(shù)值，筆者專門設(shè)計(jì)了1臺實(shí)驗(yàn)裝置對清洗機(jī)水輪部分進(jìn)行了測試與分析。

1 測定裝置與試驗(yàn)方法

1.1 水輪機(jī)功率測定裝置與測定方法

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

如圖1所示，水輪機(jī)功率測定裝置由噴嘴、水輪機(jī)、壓力計(jì)、彈簧秤、夾持制動器、電感式傳感器及數(shù)字式計(jì)數(shù)器組成。測試時(shí)采用非接觸型電磁傳感器和數(shù)字式計(jì)數(shù)器測量轉(zhuǎn)數(shù)，用量程為500 g、靈敏度為2 g的彈簧臺秤測量測扭矩時(shí)所加的試驗(yàn)載荷，用布頓管壓力計(jì)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(yàn)方法

通過改變測試裝置前端水管內(nèi)的水壓可調(diào)節(jié)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(shí)，不同噴嘴壓力狀況下的水輪機(jī)各參數(shù)，記錄數(shù)據(jù)并畫出各種參數(shù)狀況下水輪機(jī)特性曲線，找出相應(yīng)參數(shù)下水輪機(jī)最大功率時(shí)的最佳性能參數(shù)值。

1.3 理論功率和軸功率及效率的計(jì)算

理論功率和軸功率及效率的計(jì)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(jī)的轉(zhuǎn)速(r/min)；0.15為剎車臂長度(m);W1、W2分別為無負(fù)荷及有負(fù)荷時(shí)荷重(kg)。

③效率η η=WS/W0×100

2 結(jié)果與分析

2.1 轉(zhuǎn)數(shù)與扭矩、功率及效率的關(guān)系

圖2 水輪機(jī)的負(fù)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(shí)的試驗(yàn)結(jié)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(dāng)噴射量和噴射壓力一定時(shí)，轉(zhuǎn)速越低扭矩就越大；最大軸功率大約出現(xiàn)在給定的壓力和水量下所能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)數(shù)的1/2相對應(yīng)處；效率的最高點(diǎn)大致也在同樣的相應(yīng)位置上。由圖2可知，清洗機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)達(dá)2 400 r/min時(shí)效率最高，此時(shí)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(zhuǎn)數(shù)、最大扭矩、功率及效率之間的關(guān)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(zhuǎn)速都在增加，軸功率及計(jì)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(shè)計(jì)時(shí)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(fā)電用水輪機(jī)效率一半左右。其原因在于一般噴嘴的速度系數(shù)值φ等于0.97，但試制樣機(jī)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(shí)產(chǎn)生較大紊流的結(jié)果。

圖3 水輪機(jī)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(shí)的動噴壓力。

試制樣機(jī)在通常作業(yè)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(gè)噴嘴進(jìn)行試驗(yàn)，其結(jié)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(gè)工作狀態(tài)下，它比直徑2.2 mm的噴嘴大約能節(jié)水100 L/h。

圖4 噴水量與壓力損失的關(guān)系Figure 4 Relationship between spray volume and pressure loss

2.4 膠管中的壓力損失

在實(shí)際工作中，動噴位置和清洗機(jī)有時(shí)相距較遠(yuǎn)，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(jī)和動噴裝置(如水泵)用內(nèi)徑為3.5 mm、長度為50 m的高壓膠管連接起來。一邊通過調(diào)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(guān)系，其結(jié)果表示圖4。

由圖4可知，如果膠管無嚴(yán)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(shí)，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(nóng)戶所用的動力噴霧器的壓力。

3 小結(jié)

由本試驗(yàn)可以得出以下基本結(jié)論：

(1)水輪機(jī)的最大軸功率大約出現(xiàn)在給定的壓力和水量下所能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)數(shù)的1/2相對應(yīng)處。清洗機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)達(dá)2 400 r/min時(shí)效率最高。

(2)采用直徑為2.2 mm噴嘴時(shí)，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(jié)水100 L/h。

[1]彭三河.塑料大棚清洗裝置的設(shè)計(jì)[J]. 長江大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)農(nóng)學(xué)卷，2007，4(4)：102～104.

[2]張有順. 轉(zhuǎn)矩測量技術(shù)[M]. 北京：中國計(jì)量出版社，1986.51～91.

[3]周 清. 塑料大棚清洗機(jī)的研究設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)機(jī)化研究, 2003,(3)：106～107.

[4]劉國喜. 農(nóng)業(yè)工程流體力學(xué)(下)[M]. 長春：吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社，1988.153～160.

[5]哈爾濱電機(jī)研究所.水輪機(jī)設(shè)計(jì)手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1976.69～73.

2010-06-18

湖北省教育廳重點(diǎn)資助項(xiàng)目(D200512003)

彭三河(1963-)，男， 湖北紅安人，副教授，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械的教學(xué)與研究.

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

TH12

A

1673-1409(2010)03-S066-03