自走式喷灌机的研制

2024-06-11

自走式喷灌机的研制（共6篇）

自走式喷灌机的研制篇1

0前言

DYP-235型电动圆形喷灌机电气控制系统具有显示电流、电压、温度、压力、流量、管道泵频率以及对发生故障的塔位控制器进行实时监测报警和报表打印功能。通过电气控制系统可以消除电动圆形喷灌机无在线故障诊断, 通过对电动圆形喷灌机特点、测控要求, 提出IPC+PLC+现场总线的整体构架, 实现先进有效节水的实时监控技术及方法, 达到系统的自动控制, 提高了对干旱地灌溉过程的效率。

1 中枢控制箱

中枢控制箱安装在中心支轴上, 通过集电环给塔盒提供电源, 使电机运转。中枢控制箱是指挥喷灌机运行的中枢, 实现系统的控制、保护和监测报警功能。通过装在中枢控制箱前面板上的百分率计时器来调整喷灌机在1 min内走、停的时间比例, 调整喷灌机的运行速度, 从而达到调节喷灌机降水量的目的。

1.1 在线自动化控制系统

在线自动化控制系统安装在机房控制室内, 电脑通过RS-485传输电缆与PLC控制器链接, PLC与中枢控制箱进行通讯, 中枢控制箱安装在中心支座上, 通过环绕式集电环给各个塔盒提供控制电源, 使电机运转。中枢控制箱是指挥喷灌机运行的中枢, 实现系统的控制、保护和监测报警等功能。通过装在中枢控制箱上的循环调节器来调节喷灌机在1~99min内的走动、停的时间比例, 调整喷灌机的运行速度, 从而达到调节喷灌机降水量的目的。中枢控制箱面板如图1所示。

1.2 环绕式集电环

环绕式集电环的作用就是当喷灌机围绕中心支座作圆周运行时, 为了防止安装在中心支座上的中枢控制箱和各塔盒之间的连接电缆缠绕在中心支座上, 其内装有相互绝缘的铜环及铜环滑动接触的导电炭刷。铜环固定不动, 炭刷随喷灌机转动, 从而保证各个线路的传送。中枢控制箱的10条控制线经过环绕集电环输送到各塔盒。结构如图2所示。

1.3 控制塔盒

控制塔盒内是由一个安全微动开关、一个运行微动开关、一个调整凸轮、一个交流接触器和一只端子接线排组成。交流接触器用来接通和断开该塔架驱动电机的电源, 有微动开关及调整凸轮位置控制。通过现场控制箱内部的热继电器进行保护电机过载, 短路和过载时切断驱动电机电源。塔位故障信号与安全微动开关的常开触点相连, 当故障发生时, 由于凸轮的作用使安全微动开关动作, 常开触点闭合, 接通信号检测电路, 由检测电路将信号传输到现场控制箱中, 再由现场控制箱将信号反馈到MCGS组态上进行故障分析和判断, 能简单有效的帮助维修人员排除故障。

1.4 行走指示灯

行走指示灯安装在末端悬臂上, 可以在很远处看到该喷灌机是否工作, 同时又可以起到夜间照明和判断故障。

2 控制界面

在线自动化主控初始画面如图3所示。

在线自动化主控画面的控制是由一号喷灌机、二号喷灌机直到八号喷灌机的初始进入按钮和画面组成的, 如果要进入第一台喷灌机控制, 就要启动一号喷灌机按钮, 这时才可以进入控制画面。控制画面如图4所示。

控制画面主要将所控喷灌机的模拟图形展示在电脑显示器上, 被控设备的启动按钮和电机的电流参数以及各个参数的模拟量全部显示控制画面中, 进行控制。

上述画面是在没有开机的情况下显示的为静态窗口。开机画面如图5所示。

开机画面所显示的为启动后的控制效果图, 当电脑鼠标指到带钥匙的按钮时, 该设备就自动弹出一个开机按钮画面, 提醒操作人员是否启动设备, 该画面所显示的动态与实际控制过程相同, 实现了人机友好对话界面。系统工作指示如图6所示。

该画面显示所有设备的开停状态, 为操作人员提供了很好的观察平台, 操作人员轻松地掌握所有喷灌机的工作情况, 又可以方便地用鼠标来切换各个喷灌机的控制界面, 互相访问, 还可以点击画面右上角的曲线图按钮, 很直观地看到各设备的电流变化等。喷灌机实时在线曲线图如图7所示。

曲线图是显示各电机在工作时的电流, 实时跟踪的参数, 自动化控制界面将现场实际的数字传输到显示屏上, 是为了使操作人员掌握最近和最新的控制数据, 便于了解各个电机的工作状态, 也为提高电机的使用寿命给出了参考依据。该曲线图可以将鼠标双击, 它将自动对所显示的图形进行放大, 放大的图形将在线显示该曲线的时间, 能够准确的给出在某个时间段所发生的电流偏高来进行判断设备故障。其系统稳定可靠, 是当今最流行的DCS控制。真正实现了一人多系统, 甚至可以达到无人开机的目的。曲线放大图如图8所示。

当某台设备发生故障时, 系统将自动弹出故障信息, 并告知操作人员去检查或维修某台设备, 而且还告诉操作人员所发生的是什么故障。真正体现了在线自动化操作, 也展示了工业自动化控制在农业灌溉设备上的应用。目前, 甘肃民乐县锦世机械设备制造有限公司自行设计和制造的大型圆形电动喷灌机和自动化控制系统属国内首创, 已达到国际领先水平。总数据控制画面如图9所示。

3 控制原理

圆形喷灌机电气系统的控制原理, 如图10所示。

4 控制程序

其他控制程序属甘肃民乐县锦世机械设备制造有限公司所有, 在订购该设备时公司将程序提供在自动化控制系统中, 方便使用和维护。

5 结束语

DYP-235型电动圆形喷灌机电气控制系统安全可靠, 过雨量保护, 自动导向系统, 地头自动停机系统和故障自动报警系统处于国内领先地位。喷洒部件可配摇臂式喷头与喷枪。喷洒均匀系数可达85%以上, 并能喷洒化肥和农药, 该系统可在起伏地面工作, 爬坡能力可达到20%, 降水量5.21mm/h, 驱动电机功率0.75kW。DYP-235型电动圆形喷灌机电气控制系统吸收了国内外同类产品的先进技术和近期科研成果, 是代表国内先进技术水平的新一代喷灌机具。

参考文献

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自走式喷灌机的研制篇2

喷灌是利用管道将有压水输送到灌溉地段, 并通过喷头碎裂成细小水滴, 均匀地喷洒到田间, 对作物进行灌溉[1], 具有省水、省工、省地、保土、保肥、适应性强和可综合利用等优点。作为节水灌溉措施之一, 喷灌以其绝对优势, 在农业灌溉中发挥着重要作用, 具有广阔的发展前景[2]。图1 所示为西北农林科技大学国家节水灌溉杨凌工程技术研究中心所研发的一款可升降悬索塔吊式轻小型平移式喷灌机样机, 喷灌机桁架长24m, 最大升降高度2. 5m, 配套JP65 -100 型绞盘车使用; 采用直流电机驱动, 最大自行走速度15m/min , 设计喷灌强度13. 5mm/h, 适用于沙壤土及壤土地; 配套8 支NELSON D3000 喷头及2 支全圆摇臂式喷枪, 喷头设计工作压力8m。该喷灌机开展作业时, 首先依靠自身动力快速行走至划分条带末端, 启动水泵, 在绞盘软管牵引下进行喷洒灌溉。

对于移动式喷灌机, 一般要求喷洒均匀度不得低于85%[3]。喷头工作压力是影响水量分布的最主要因素[4 -5], 因此保证系统工作过程中喷头工作压力相对恒定就显得至关重要。随着变频恒压供水技术的不断发展, 尤其是目前使用较广的U/f变频调速方式 ( VVVF, Variable Voltage and Variable Frequency) , 不仅压力调节稳定, 且使水泵启动电流小、节能特点明显[6 -7], 取得了较好的应用效果。喷灌机工作时, 必须保持水源供给不间断, 但在此期间蓄水池水位波动会造成水泵震动, 带来一定程度上的水压波动[8 -9], 因此从源头上减小水压波动有一定的必要性。针对传统喷灌机采用柴电驱动或拖拉机牵引方式工作, 造成山区推广或野外工作时带来的能源动力供给保障困难等问题, 采用太阳能光伏驱动[10 -12], 对图1 所示喷灌机设计了一整套自动控制装置, 以实现整个灌溉过程中的均匀性、低劳动投入及农业节能减排等目标。

1.喷头2.喷灌机3.太阳能板4.变速箱5.支座6.进水口7.绞盘车8.PE软管

1 总体方案设计

1. 1 设计需求分析

根据喷灌机工作特点, 整套装置的设计应满足以下要求: ①喷灌机喷洒作业期间, 水源供应不间断, 且输水管道内水压保持相对恒定; ②能适应野外及无电力到达地区; ③系统自动化程度高, 操作简单方便、人力投入少、运行成本低; ④机组控制应同时具备手动、无线操作功能, 手动只在应急及检修时使用, 且控制装置继电保护措施完善。

1. 2 总体方案

依据设计需求, 提出如图2 所示的装置原理图。该装置利用太阳能光伏驱动交流泵及各直流电机进行工作。将太阳能光伏阵列转化的电能储存在蓄电池中, 采用太阳能控制器对其充放电过程进行管理。喷灌机工作前, 由一电源支路首先向蓄水池水位控制电路供电, 利用继电器间接控制装设在蓄水池口上的电磁阀工作状态保持水位恒定, 满足取水要求; 另外一支路通过对蓄电电源进行DC - AC逆变变换作为水泵动力源。为减小水泵启动瞬时大电流对供电系统损害, 水泵采用变频启动技术, 通过设定水泵转速 ( 频率) 调节系统工作压力向机组供水。待管道系统压力稳定后, 利用无线控制方式对喷灌机进行控制, 机组驱动采用伺服直流电机, 通过改变其占空比 ( PWM技术) 对转速进行调节, 手动控制方式只在机组应急及检修时备用。为安全起见, 整套装置加装一系列电流保护及接地保护措施, 若线路出现故障或设备工作不正常时, 系统自动断电, 并发出指示信号。

2 太阳能变频恒压供水自动控制

2. 1 地头太阳能光伏容量设计

经计算, 整个机组喷灌管网总水头损失约为15.4m, 根据其设计流量及水头考虑20% 富裕量, 机组配套选择型号为ISG50 - 160B的管道式离心泵。具体参数: 功率1. 5kW, 流量10. 5m3/ h, 扬程22m, 额定电压380V, 额定电流3. 4A。考虑负载因素及机组特性, 为满足机组野外作业要求, 整个光伏系统定性为两个独立系统: 地头太阳能光伏驱动系统及田间太阳能光伏驱动系统。地头系统主要作为水泵及绞盘动力源, 而田间系统用于机组行走及桁架升降。为利于系统结构优化, 地头光伏系统主要由太阳能电池方阵、控制器、蓄电池、DC - AC逆变器及变频器等组成。因田间系统均为直流负载, 系统组成较为简单。图3 所示为二者组成框图。为降低前期研制成本, 初步设定喷灌机设计日最大连续工作8h, 其中水泵系统日最大连续工作7h。

2. 1. 1 负载功率估算及系统工作电压确定

地头光伏驱动系统负载主要包括: 配套功率为1. 5kW交流水泵1 台, 120W涡轮蜗杆减速伺服电机1 台。其参数及用途如表1 所示。

不考虑逆变器、变频器等功率损耗情况下, 系统总负载功率1. 62kW。根据提高系统电压降低线路损耗的原则, 直流电压选择符合国标规定12, 24, 48V等电压标准等级且最大不超过300V。受光伏市场规格限定, 确定该系统采用48V电压。

2. 1. 2 光伏电池阵列功率确定

为对光伏电池阵列工作特点及输出特性有全面了解, 借助PSIM软件对其进行模型仿真。图4 所示为光伏电池单元等效电路图。经过对太阳能电池模型仿真试验, 仿真模型如图5 所示, 得到电池输出特性曲线 ( 见图6) 。从图6 可看出: 光伏电池阵列的输出特性具有明显的非线性, 在特定的环境温度及光照强度条件下, 光伏电池工作在最大功率点时方可输出当前状况下的最大功率。因此, 在喷灌机组驱动设计中, 为提高整机工作效率, 应选用可对光伏阵列最大功率点实时跟踪 ( MPPT) 、使其始终工作在功率最大点附近的充放电控制装置。

平均峰值日照时数Tm的确定作为太阳能利用的第1 步, 方法是: 将历年倾斜方阵上的年均辐射量 ( 卡/cm2) 乘以0. 011 6 得到年日照时数后, 再转化为日平均峰值日照时数。通过对杨凌地区日照资料统计分析, 其平均峰值日照时数约3. 59h。对于光伏电池阵列容量和负载日耗电量, 二者的关系为

其中, P0为标况下太阳能电池阵列的输出功率, kW; Q为负载日耗电量, kW·h; Tm为峰值日照时间, h; η1太阳能板表面因老化或尘污遮盖引起的修正值, 通常取0.9 ~0.95; η2为逆变效率, 一般为0. 90 ~0. 95;η3为线路损耗系数, 一般取0. 95 ~0. 98; η4为最大功率点偏离修正系数, 通常取0. 95; η5为蓄电池充放电效率, 通常取0. 8 ~0. 85; η6为方阵组合损失系数, 通常为0. 9 ~0. 95。

根据系统设计标准, 地头系统日耗电量11.34kW·h。从最不利角度出发, 采用式 ( 1) 求得配套太阳能板安装功率为6kW。太阳能板安装功率过大, 将导致安装不便和投资成本过大问题。若系统连续工作, 可临时采用混合系统, 亏损电量在机组停机时可考虑由附近电网补充, 初步安装功率2kW, 即选用8 块输出功率250W、输出电压30. 4V、峰值电流8. 22A的太阳能板。利用PVsystem光伏系统设计软件, 对太阳能板倾角进行优化设计。以杨凌地区为例, 最佳安装倾角约为44° ~ 45°。安装方位角考虑到电池方阵垂直面与正南夹角为0°时其发电量最大, 因而采用面向正南方向安放。

2. 1. 3 蓄电池容量的确定

不同类型的蓄电池一般其最大放点深度也不同, 对于小型光伏发电系统最大放点深度取80% 。系统最佳容量确定必须对电池方阵发电量、负荷量及逆变效率等因素综合考虑。因喷灌系统工作的特殊性, 一般不必考虑最大连续阴雨天气因素。因此, 蓄电池容量可为

其中, C为蓄电池容量, Ah; D为负载连续工作时数; P为负荷容量, kW; η1为蓄电池放电深度系数;η2为逆变器转换效率系数; η3为配线损失系数, 可取0. 95 ~ 0. 98。逆变效率取0. 9, 配线损失系数取0. 95, 代入式 ( 2) , 计算得系统平均负荷容量1.74kW, 即设计蓄电池容量1 483Ah。选用河北风帆蓄电池股份有限公司生产的190H52 阀控式全密封铅酸蓄电池, 电池规格12V/200Ah, 设计应保有适当余量, 因此选用8 个12V/200Ah的铅酸蓄电池分两组串联后并联进行供电。同时, 按照太阳能控制器额定工作电流的大小应满足额定输出电流≥计算负载电流的原则, 配套合肥尚硕新能源公司生产SS48V50A型最大功率跟踪太阳能控制器, 系统电压48V, 电流50A, 浮充充电电压55. 2V ±1% 。

2. 2 变频恒压供水装置设计

2. 2. 1 逆变器的选型

逆变器主要用于将直流电源变换为交流电源, 作为喷灌管网加压三相交流水泵配电装置。图7 所示为IGBT作为开关器件的电压型三相桥式逆变电路。工作时, 采用180°导电方式, 同一相上下两个桥臂交替导电, 各相导电角度依次相差120°。为防止同一相上下两桥臂的开关器件同时导通而引起直流侧电压短路, 采用“先断后通”的方法使得在通断信号之间留有一个短暂的死区时间。

通常情况下, 逆变器可按照1. 2 ~ 1. 5 倍负载功率原则进行选择。考虑适当余量, 地头系统配套西安盛控源电子科技有限公司生产的SKY - 3kW型正弦波逆变器。具体参数: 容量3kW, 输入电压DC48V, 输出电压380V ± 5% , 逆变效率≥90% , 具有过载、过压、过温及短路保护等特性。

2. 2. 2 水泵变频恒压自动控制装置

喷灌管网配套加压水泵功率较大, 如水泵采取直接启动方式, 由于启动电流一般为4 ~ 7 倍额定电流, 造成线路损失过大且对蓄电池工作不利 ( 最大放电电流不得超过电池容量的1/10) 。因此, 从系统优化角度考虑, 选用三相交流泵, 同时为满足恒压供水要求, 采用变频技术, 既实现恒压喷灌, 又降低启动电流, 且满足节能要求。

对于整个变频恒压喷灌系统而言, 其实质是变频器根据系统检测到的管道压力信号, 经变频器内置PLC调节器运算输出调节频率, 系统按照预先设定流程, 通过执行元件连续调节异步电动机电源频率, 实现水泵转速平滑增减, 最终达到喷灌机输水管道水压恒定目的。考虑机组工作环境, 采用上海毅浦自动化设备有限公司生产的YP - P型压力变送器, 对水泵出口压力进行采集反馈, 实现水压的闭环调节。为方便控制, 采用具有压力精度高、压力稳定特点的SL -8000 系列微电脑变频供水/ 补水控制器对变频器进行控制。因此, 整套系统主要由变频器、恒压控制器、压力传感器、漏电保护器和断路器等开关保护器件等组成。在进行变频器选型时, 必须依据配套电机额定功率及额定电流确定变频器容量选择。当采用单台变频器驱动单台电机连续运行时, 变频器容量应同时满足以下条件, 即

其中, PCN为电动机输出功率, kW; η 为电机效率, 0. 85 以上; cosφ 为功率因数, 通常取0. 8 左右; UM为电机额定电压, V; IM为电机额定电流, A; K为电流波形修正系数, 对于PWM方式, 取1. 0 ~ 1. 05; PCN为对应变频器额定容量, kW; ICN为对应变频器额定电流, A。将各参数代入式 ( 3) ~ ( 5) , 求得变频器额定容量为2. 2kW, 额定电流为3. 57A。经过综合衡量, 选用ABB电气传动有限公司生产的ACS510 - 01 - 05A6 -4 专用变频器, 适用于大多数IEC4 电机, 连续电流有效值为5. 6A, 额定功率为2. 2kW。

图8 所示为变频调速控制装置连线示意图。PLC变频控制器220V工作电压由连L端和N端引入, 变频器三相电源由U1, V1, W1 输入, 输出端U2, V2, W2与负载水泵连接, D/A ( 0 ~ 10V) 端与AI1 端连接, 变频器模拟输入默认采用频率给定, 即采用给定频率方式进行工作。工作时, 压力变送器采集的压力信号通过转换为4 ~20mA电流或1 ~ 5V电压从压力信号端IN输入, 作为变频器反馈控制信号; 变送器额定24V工作电压通过变频器自身整流提供, 同时该电压作为水泵正转运行信号, 从CM1 端输入。控制信号通过CM2 端输出到变频器模拟信号输入端, 经过变频器控制分析将控制信号发送给对水泵。变频器运行状态可通过连接在继电器输出端上的信号灯进行指示, 黄灯表示系统处于运行准备中, 绿灯表示运行正常, 红灯表示系统故障。

3 蓄水池恒水位自动控制

蓄水池不发生“空池”“溢水”现象且水位保持恒定, 对提高机组喷洒均匀度十分重要。图9 所示为所设计的一款简单恒水位控制电路。为防止触电事故, 控制电路采用HG10 - 48S12 模块将系统电压缩小至24V作为其工作电源。喷灌机组工作前, 合上开关K1, 接通装设在蓄水池进水口上的电磁阀, 蓄水池开始蓄水。当水位上升至Al点以上时, 因继电器KM的常开接点KM2 处于断开状态, A0 ~ A1 之间KM仍处于失磁状态, 蓄水池继续蓄水。当水位上升到A0 时, A0 和A2 经水导电接通, V1 与V2 管饱和导通, 继电器KM线圈励磁, KM1 断开、KM2 闭合, 电磁阀关闭蓄水停止。当蓄水池水位下降到A0 与Al之间时, 此时继电器KM常开接点KM2 已闭合, Al ~ A2 间经水导体接通, V1 有基极偏流, 继电器KM仍保持吸合。只有当水位下降到Al以下时, Al ~ A2 两端断开, 使V1和V2 管截止, KM释放, 接点KM2 断开、KM1 接通, 电磁阀重新打开蓄水。通过上述电路的控制作用, 经测试蓄水池水位波动范围恒定在0. 3m以内, 装置满足使用要求。电磁阀采用ZYE1 - 1564 型额定电压48V直流电磁阀。

4 太阳能驱动喷灌机自动控制

4. 1 田间光伏系统设计

喷灌机驱动采用4 支24V/120W直流伺服电机, 配套4 支DC24V的DLYO -40 牙嵌式电磁离合器 ( 减速器断电自锁, 为满足软管牵引时装设) 。田间光伏系统主要作为喷灌机动力源及电机与车轮之间电磁离合器的工作电源, 负载详细情况统计见表2。

喷灌机桁架升降设计是为满足不同高度作物灌溉要求, 在负载计算时可忽略不计; 按设计喷灌机日工作1h计算, 田间光伏系统应安装100W的太阳能光伏板3 块; 考虑到轻小型喷灌机工作地点可能大幅移动的情况, 设计蓄电池最大连续工作时间3h, 选用2个12V/120Ah的铅酸蓄电池串联供电, 配套SS24V30A型控制器对充放电过程进行管理。

4. 2 喷灌机行走控制

喷灌机行走控制装置作为喷灌机设计中最关键部分。为满足喷灌机田间独立前进、倒退、转向、行走速度可控及运行状态指示等特性, 电路设计上较为复杂。该控制电路主要由交流控制回路和直流控制回路组成, 交流控制回路包括电机自动操作、离合器自动操作和信号回路3 部分, 主要由一系列的交流接触器及继电器等构成。在这里需要强调的是, 使用交流器件的原因是处于价格及市场相对购买难易程度考虑, 为此配备一台型号EC9500 ( 500W) 的单相逆变器。图10 ~ 图11 所示分别为喷灌机的交流电气控制及直流电气控制原理图。

机组运行时, 推荐将1QC切换至自动状态, 7KM~ 10KM励磁, 1 ~ 4 #离合器均处于结合状态, 做好运行准备, 手动操作一般仅作为机组检修及应急时使用。自动操作时, 将2QC切换至OFF状态, 通过无线控制接通开关K7, 1KM, 3KM及5KM励磁, 1 ~ 4#直流电机均处于正向运转状态, 同时信号回路1KM2 及3KM2 闭合, 绿色指示灯亮, 指示喷灌机处于前行状态。喷灌机导向操作可通过闭合K9 进行切换, 此处K7 及K9 处于互锁状态, 保证不会同时闭合。K9 闭合时, 1 ~ 4#电机反转, 喷灌机反向行走, 同时红色指示灯亮。进行手动操作时, 可通过对2QC进行切换控制机组行走方向。若机组出现紧急事故, 通过紧停开关SB切断电源, 继电器线圈KM失磁, 电源总开关KM1 断开, 电机停止工作, 离合器也处于分离状态。手动操作操作方法类似, 不再详述。基于操作人员安全考虑, 系统线路加装一系列电流保护及接地保护等继电保护装置。

对于喷灌机转向采用电动伸缩杆进行控制, 控制原理同电机控制。对于其电机调速, 采用PWM调速方式。通过对配套水泵H - Q关系测定, 结合机组参数, 为提高机组工作效率, 在相同灌溉强度条件下, 优先选用最大行进速度值, 以玉米为例建立喷灌机运参照表, 如表3 所示。喷灌机运行前, 利用传感器对土壤湿度进行采集, 采集数据通过上位机系统查表获得变频器频率设定值及机组行进速度值指导运行。最后, 经过对整套自控装置长时间运行验证, 其工作性能稳定可靠, 达到设计预期效果。

5 结语

1) 在对太阳能光伏电池进行PSIM仿真研究基础上, 详细阐述了轻小型平移式喷灌机太阳能驱动装置设计过程及原理方法。为解决目前喷灌机在无电力供应地区推广中面临的能源保障不便问题, 较早地开展灌溉机械对于清洁能源的应用工作, 发展光伏农业, 有助于促进国产灌溉设备发展。

2) 为提高喷灌机喷洒均匀系数, 提出一系列减小喷灌管网水压波动的设计方法。同时, 为避免传统喷灌机需借助外力机械牵引工作方式的诸多局限性, 设计出满足喷灌机自走运行要求的简单实用控制电路, 实现资源的最优配置利用, 同时也可供其他相关灌溉机械开发借鉴。最后, 经过对整套自动控制装置长时间的实际运行验证, 系统工作性能稳定可靠, 能够满足机组操作及田间灌溉要求。

摘要：针对无电力供应地区在推广使用平移式喷灌机时传统机组需借助拖拉机牵引工作方式的诸多局限性, 为有效利用太阳能资源、实现农业节能减排、提高机组喷洒均匀度及降低劳动投入, 首先在对光伏电池特性进行PSIM仿真研究基础上, 对机组分田间和地头两独立系统进行光伏容量设计;其次, 按照喷灌机从取水到供水过程, 考虑系统优化, 设计出一种水位波动不超过30cm的实用型电极式恒水位自控装置, 并应用ACS510-01系列变频器达到变频恒压喷灌目的;最后, 结合喷灌机工作特点, 自主设计了具备无线及手动操作功能的简单控制电路。经过对整套自控装置长期运行验证, 系统工作可靠, 能够满足机组操作及田间灌溉要求。

关键词：平移式喷灌机,自动控制,太阳能驱动,变频供水,恒水位控制

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自走式喷灌机的研制篇3

1 小型自走式低矮作物及药材收割机

1.1 机具结构

小型自走式低矮作物及药材收割机小型自走式收割机主要由水平机架、垂直机架、地轮支架、曲柄连杆机构、切割器、X165型风冷柴油机、传动机构、半圆环式拨叉离合器、地轮行走机构、扶手、分禾器等机构组成。

1.2 工作原理

当机器工作时, 分禾器将待割的作物与不割的作物分开, 通过离合器和齿轮、链条、皮带传动机构将柴油机的动力传递给割刀输送轴, 经曲柄连杆机构带动切割器做往复运动, 完成对作物的切割, 并带动输送带旋转, 将作物均匀的输送到机器的左侧。同时, 动力经离合器和另一组齿轮、皮带传动机构传递给地轮, 实现机器的行走。机组的前进方向是由人工进行导向, 割台的升降和地表仿形是通过手扶操作及割台下面的滑靴来完成。

1.3 技术创新点

1) 将垂直立式割台向后倾斜一定角度, 因为未安装扶禾器, 这样收割的作物由于惯性就贴在收割机的挡板上, 不会倒在割台上, 便于输送。

2) 延长收割机下面输送带的拨齿并在其上增铆一节输送带, 进一步清扫割台上的作物。

3) 改曲柄滑块机构为曲柄连杆机构, 避免了杂草等对滑块的堵塞。

4) 行走系统改链条传动为三角带传动, 并减小了皮带轮直径, 克服了链条卡死易使主动轴弯曲的现象, 同时增加了机器的通过性。

1.4 使用注意事项

收割机使用前应进行整机检查, 检查项目主要有:紧固件在运输装卸过程中有无松动及丢失, 传动系统是否转动灵活, 有无卡死现象, 外露部件有无弯曲、变形和损坏等现象。起动前先扳动离合器使动力分离, 待柴油机转速平稳后结合动力, 调整输送带以防跑斜掉带, 确认收割机运转正常后再结合行走机构, 方可进行作业。进地前先用人工收开地头, 防止压倒作物。

2 应用效果

小型自走式低矮作物及药材收割机研制成功后, 在庆阳市各县区开展对比试验, 实施机械收割与人工作业相比, 一是生产效率高, 人工收割每人每天仅能收割0.067hm2 (1亩) , 而收割机每天约2.5hm2 (37.5亩) 效率提高30多倍。二是经济效益好, 采用人工作业需1500元/hm2, 而用机械作业只需140元/hm2。三是提高作物产量, 机械收割可减少落粒损失1.5kg/0.067hm2.

3 结束语

小型自走式低矮作物与药材收割机的研制与开发为荞麦和药材及杂草的机械收割奠定了基础, 为农业增产、农民增收、和农村劳动力的解放发挥了重要作用, 为解决“三农”问题, 实现农业机构调整并持续、健康、稳定的发展都有极为重要的意义。

摘要：本文主要介绍了小型自走式低矮作物与药材收割机研发的背景与目的, 结构及工作原理和使用注意事项, 并简要介绍了该机的应用效果。

自走式喷灌机的研制篇4

随着我国农业从二元结构向粮、经、饲三元结构的转变,畜牧业得到了快速的发展。但目前青饲料加工方法多采用落后的分段收获,效率低、强度大、饲料质量差,已无法满足现代化大规模养殖业的需要。资料显示,半机械化作业生产效率是人工作业的5倍,机械化作业生产效率是半机械化作业的4倍;而作业成本恰好相反,人工、半机械化和机械化作业的成本比例为1:0.75:0.45。因此,实施青饲料的收获机械化已成为畜牧业发展的关键环节。国外的机具虽然自动化程度高,但是价格昂贵,而且与我国国情不相符合,难以推广;而国产机型能量比耗大,生产率低。为此,研制一种满足广大农民的需求,青贮收获作业质量高、性价比高的新型青饲料收获机械,就显得尤为迫切。4QZ-15型自走式青饲料收获机在提高切割质量和劳动生产率、降低机器的成本等方面取得了良好的效果。

1 总体方案的设计及主要结构

1.1 总体方案的设计

4QZ-15型青饲料收获机采用自走式配置,割台配置在收获机的正前方,为了缩短喂入距离,铡草机置于割台的右后部。为使秸秆喂入流畅,采用立式喂入辊结构。考虑到整机的平衡,将发动机纵向放置在收获机的后部。传动系统的主要部件放在驾驶台和发动机中间。考虑到目前农村田间道路及实际种植规模,收获机作业幅宽确定为2.1m。作业速度根据作物生长情况,选用Ⅰ挡或Ⅱ挡作业,最低和最高速度分别确定为3km/h小时和6km/h,由此可计算出纯小时生产率最高为

该机的作业工艺流程图,如图1所示。

1.2 主要结构

4QZ-15型自走式青饲料收获机主要由双圆盘切割器、拨禾滚筒、强制性喂入机构、轮刀式切碎装置、抛送筒(可任意旋转)、驾驶室、传动系统、发动机、底盘等部分组成,如图2所示。

1.分禾器2.圆盘切割器3.拨禾滚筒4.强制性喂入机构5.轮刀式切碎装置6.抛送筒7.驾驶室8.传动机构9.发动机10.底盘

2 工作原理

4QZ-15型青饲料收获机属于自走式青饲料收获机,能自行开道,可一次性完成收割、切碎、揉搓、抛送装车等多项作业,生产效率高。它采用高速旋转的双圆盘切割器切割,秸秆在扶禾器和拨禾滚筒的配合下夹持输送作物,并在强制性喂入机构的作用下,将其强制摆放整齐送到切碎装置进行切割;切碎后的秸秆在叶片和刀轮高速旋转所产生的惯性的共同作用下被抛送;抛送后的饲料经以可旋转的导流筒、出料口,最后被抛送到捡拾车上。

3 田间试验和性能测试

4QZ-15型自走式青饲料收获机为不对行收获,因此在选择试验地时无需考虑种植行距。由于不同生长季节高秆植物的植株高度、籽粒和秸秆的含水率都不同。因此,把青饲料(玉米、高粱等)收获时期定在出穗后的乳熟、腊熟期。植株高度应大于2000mm,秸秆的含水在65%以上。河北省农业机械鉴定站在石家庄市深泽县白庄乡对4QZ-15型青饲料收获机进行鉴定,鉴定结果如表1所示。

以上鉴定数据符合《饲料收获机》的国家标准,表明该机各项技术性能指标均达到标准和技术文件的要求。

4 经济效益与社会效益分析

4.1 经济效益分析

经济效益包括生产厂的效益、购机者的经济效益、新增社会纯效益等。

4.1.1 生产厂的经济效益

单台机具的出厂价与成本费(原材料费、工时费、标准件、外购件及外协件费用)、增值税、城建费及教育附加费之差即为生产厂单台机具的利润。通过计算,单台机具的利润在2万元左右。按年生产500台计,生产厂家可获利1000万元左右。

4.1.2 购机者的经济效益

用户效益=(每公顷收费-每公顷耗油费-每公顷工资费)×年作业量-机具折旧费-机具维修费。通过计算,得出用户购买该机使用一年可获纯利润6万元左右。用户使用本机3个作业期即可收回全部投资。计算过程如下所示。

4.1.3 新增社会纯效益

新增社会纯效益=生产厂效益+用户效益。生产厂效益为生产厂的利润与上缴的税款之和;用户效益是指使用该机作业时为用户带来的纯收益,新增社会纯收益为4500万元;由此可见,4QZ-15型自走式青饲料收获机所带来的经济效益非常显著。

4.2 社会效益

1)可以促进农业生产的良性循环。大力发展养牛羊业,可使秸秆过腹还田,增加土壤有机质含量,减少化肥用量,提高土壤保墒蓄水能力,降低粮食生产成本,增加农业后劲。

2)可以促进我国畜牧业的发展。青饲料收获机大量销售后,由于其作业成本低、生产率高,可以制成营养丰富、适口性好的青贮饲料,能够满足畜牧业发展的需要,促进各地的经济发展。

3)在我国广大草原地区,使用青饲料收获机可以有效地提高青饲料种植面积,减少牛羊的散放散养,以避免广大草原沙化,从而保护生态环境。

4)增加农民经济收入。农区养牛羊业的发展,可以向市场提供奶、肉产品以及皮革制品,也可带动相关加工业的发展,促进就业,增加收入。

5 结论

1)适应性强。即可实行不对行收获,并且一次性完成多项作业,性能可靠。

2)设计独特。采用立式辊喂入结构,使秸秆喂入更加流畅。把双圆盘切割器、大半径拨禾滚筒、强制性喂入机构和轮刀式切碎装置有机地结合在一起,切碎均匀,生产效率高。

3)强制顺序喂入机构必须保证每个辊子外缘的线速度一致,这样才能使强制顺序喂入机构正常工作。

4)圆盘割刀转速、机组前进速度、拨禾滚筒转速、喂入辊转速和刀盘转速等参数应协调一致,以实现高效、优质的作业。

摘要：随着青贮饲料在畜牧业发展中地位的日益提高,青饲料的收获机械化成为畜牧业发展中的关键环节。通过理论研究和生产实践,把拨禾滚筒、双圆盘切割器、立式强制喂入装置和轮刀式切碎装置结合在一起,研制出生产效率高、切碎质量好、性能可靠的自走式青饲料收获机。其作业性能较好地满足了农艺要求,经济效益好,社会效益大。

关键词：畜牧学,自走式青饲料收获机,设计,切割喂入装置,性能测定

参考文献

[1]中国农业机械化科学研究院.农业机械设计手册(下册)[K].北京:机械工业出版社,1990:211-235.

[2]曹洪国.青饲料收获机械概况及展望[C]//中国农机学会收获加工分会2001学术研讨会论文集,北京:中国农机学会,2001.

[3]孙晓安.强制顺序喂入机构在饲料收获机上的应用[J].新疆农机化,2004(4):30.

自走式喷灌机的研制篇5

新疆是我国最大的优质棉基地, 棉花已是今后新疆农业发展、农民增收的主导产品。随着我国工业化的飞速发展, 农村劳动力的转移, 农业生产用人用工逐年紧张, 加之新疆地域辽阔, 棉花种植面积大, 到目前还没有成熟的中小型采棉机设备, 发展中小型采棉机械势在必行, 市场潜力巨大, 所以新疆研制推广项目是生产三头自走式采棉机 (4MZ-3型采棉机) 300台。此采棉机是以水平摘锭技术为核心, 集驾驶、采棉为一体, 三头装配, 屏显操作, 高架卸棉, 是一款经济、高效、实用的收获机械。其技术指标是:配备动力260马力, 屏显控制, 四速自走行驶, 采棉头3个, 采摘行数6行, 适合国家推广的机采棉种植模式76 mm (66 mm+10 mm或68 mm+8 mm) , 棉株最佳高度60~95 cm, 棉脚高度18 cm以上, 工作地隙85 cm, 最小地隙60 cm, 日采80~120亩, 采净率≥92%, 损失率<6%, 含杂率≤13%。最大转弯半径7 m, 燃油0号柴油, 油耗3.8kg/亩。该机特点是:动力强劲, 工作效率高, 屏显触摸操作, 转弯半径小, 卸棉高度可与农户拖车配套, 能与一膜六行, 两膜十二行, 三膜十八行播种模式行距完全对应, 有效提高采净率, 降低损失率。

2 项目单位基本情况

新疆钵施然农业机械科技有限公司是浙江亚特电器有限公司在新疆投资的独立法人企业, 该公司位于塔城地区乌苏石化工业园区, 占地面积9万m2, 注册资本1000万元人民币, 固定资产4000多万元, 建筑面积1.5万m2, 该公司组织机构健全、工艺设备先进、技术力量专业, 是一家集技术研发创新、生产加工制造、销售服务配套为一体的机械装备制造企业;公司现有员工116人, 其中专业研发人员11人, 各类技术人员15人, 大专文化学历占职工总数的38%, 该公司办公、生产、宿舍、食堂、浴室、娱乐活动等设施俱全, 拥有金三角地区全新配套的机械加工设备。2011年成立了企业自己的“技术研发中心”, 取得完全自主知识产权的发明专利近30项, 主要产品有:4MZ-3A棉花收获机、2MBJ系列机械式精量播种机、系列环保产品, 同时经营ST710自走式扫雪机、园林工具、电动工具、林果修剪机等产品;该公司坚持“团队、责任、创新、成果”的管理理念和“一切为了客户满意”的服务理念, 全力打造“钵施然”品牌。

3 研究开发的主要内容

以水平摘锭采棉技术为核心, 以“中华人民共和国农业部采棉机作业质量标准”为标准, 以新疆农科院机械化研究所为技术指导, 以北疆棉区昌吉州、克拉玛依大农业、奎屯市、塔城乌苏市等为采棉机试验区, 在自治区农机局鉴定站、推广中心的监督指导下实施, 应用已有的自主知识产权, 并利用专利技术。

第一阶段研发完成单头牵引式采棉机。设立两个攻关组, 第一组研发采棉头, 包括外观, 结构, 材料, 专利成果应用, 与机架结构动力输入对接;第二组研发整机结构, 包括外观、动力对接、机架、棉箱、水系统、电系统、液压系统、传动系统等的整体布局, 完成攻关整装, 实验检测各项经济指标、技术指标, 在通过充分的实地实验、用户意见、信息总结、专家指导后, 再改进完善后定型;

第二阶段研发三头自走式采棉机。利用成功的水平摘锭采棉头配置于自走式采棉机上, 具备自带动力发动机, 行使驾驶操作结构及运行转向能力, 多头组合功能对接, 采棉、输棉、储棉、卸棉, 水、电、液压、风力、机械等结构配合, 使三头自走式采棉机作业质量达到机采棉国家标准。

钵施然公司研发生产为投资主体, 全面负责项目管理, 实行采棉机专项研究开发。研发组有各类机械工程师15人;研发保障组负责采购件、加工件、各工艺件的供应;生产装配组负责组装、安装、初试工作;实验组负责采棉机驾驶、操作以及实验参数的收集整理工作。

4 项目主要创新点

(1) 对采棉机采棉头的关键部件实现了国产化, 突破了国产采棉头中座管、摘锭生产技术瓶颈, 产品质量达到国际同类产品水平。

(2) 采棉机使用机械—电—液压三位一体的设计思路, 设计思想先进、整体布局科学合理, 该设计思路使采棉机整体重量更轻、油耗更低、工作效率更高。

(3) 采棉机所有结构都采用了先进的人机工程学, 结构布置更加合理、更加人性化。

5 技术方案

(1) 主要工艺流程

三头自走式采棉机的生产主要是对金属原材料进行加工的过程, 其主要工艺流程如下:

(1) 图纸审核:对生产加工图纸进行全面综合审核, 确定各型号技术参数准确无误后, 再安排采购和生产。

(2) 原材料检验:按设计材质指标采购, 进厂生产前进行测试检验, 确保材质合格。

(3) 制模:确保组装件的准确性和精确度, 制作模具, 减少误差, 保证料件合格。

(4) 材料处理:对材料的性能指标进行处理, 保证各部位料件达到技术要求, 确保品质。

(5) 机加工:此工序是整个装配工艺的关键, 多种机型分工协作, 以设计图纸为依据, 进行精细加工。

(6) 模拟实验:模拟实际运行状态, 检验产品料件材质、匹配、抗磨、抗压、耐用、运行状态、工作性能等指标。

(7) 防锈喷漆处理:按照不同材质、不同工作部位和不同的理化反应, 分别做防锈保护处理。

(8) 组装生产:分段装配, 组合成型。

(2) 项目前期科技成果 (新产品) 鉴定情况和获奖情况

钵施然公司研发的水平摘锭采棉机已申请国家专利11项, 其中国家知识产权局颁发外观设计专利证书1项, 实用新型专利证书5项。2011年11月, 钵施然公司研发的水平摘锭采棉机项目被新疆自治区农机局确定为农业收获机械创新项目。

6 经济效益和社会效益分析

6.1 经济效益分析

项目建成后, 将形成年产三头自走式采棉机300台生产能力, 预计年实现销售收入3亿元, 利润7500万元, 税收2100万元, 新增增加值8100万元。

静态获利预测分析:投资利润率=年利润总额/总投资×100%=23.5%;投资利税率=年利税总额/总投资×100%=26.2%。

6.2 社会效益分析

本项目属于制造产业中机械加工类, 生产过程中不产生废气、废水, 所产生的金属废渣按规定进行堆放, 定期进行回收处理。金属加工材料主要以碳钢型材、板材、圆钢为主, 通过车床加工, 使其成为工业产品, 没有有毒有害物质和气体产生。所有加工工序不需进行化学处理, 也无清洗漂染工艺。机床加工是在平稳状态下工作, 除车床本身的轻微声音外, 无危害性噪音。采棉机的加工过程无高耗能工艺, 不会对厂区周围的环境造成影响。本项目建成后, 将会产生研发设计、生产管理、人力资源、技术质量、机械加工、机械组装、车辆运输等多个岗位, 可提供就业岗位250多个, 为乌苏经济发展和社会稳定起到积极的促进作用。

7 结语