扬程-水位逐次逼近策略优化梯级泵站群级间河道水位

级间输水河道水位优化对降低梯级调水系统运行能耗,提高系统整体优化运行效益意义重大。该文针对各级并联泵站群初始扬程及提水负荷已定条件下的梯级调水系统优化运行数学模型,考虑级间输水河道特点,采用大系统二级分解-动态规划聚合与河网非恒定流模拟相结合的逐次逼近选优策略,开展梯级泵站群整体优化运行下的级间输水河道水位优化研究,获得满足河道防洪除涝、通航、生态等水位要求的各泵站优化运行方案。该方法既可较快确定各级泵站群给定提水扬程及提水负荷下的优化运行费用,又能较好地降低系统输水过程中输水河道水位变化对泵站既定提水扬程的影响,对进一步开展复杂边界条件下梯级输水系统优化运行研究具有一定理论价值。以南水北调东线江苏境内淮安一、二、四站~淮阴一、三站梯级输水系统为典型实例,在淮安站群初始扬程4.13 m、100%负荷,淮阴站群初始扬程2.7 m、100%负荷条件下,4次数模和2次数模相比站上(下)最大水位差最小,平均为6.51 cm,即3次并联站群优化运行下扬程匹配度最高;确定了对应的各级泵站群机组各时段优化运行叶片安放角或机组转速,获得较泵机组定角恒速运行下7.56%的运行效益;且4次数模下各河道水位变幅最小,平均水位变幅14.9 cm;对应的各河道高低水位值及其出现间隔可满足通航及生态水位要求。     

考虑河道输水损失的大型泵站系统运行优化

大型泵站前池水位变化频繁且变化幅度较大时,机组经常偏离高效区运行,造成能源浪费。泵站系统中除了主机组、辅助设备和输变电设施消耗能量外,河道的输水水量损失和水力损失也综合成泵站所抽提水体的水能损失,进而影响泵站的运行性能。根据水源水位变化,在调水目的地水位一定的情况下,考虑河道输水水力损失与水量损失,首先分别确定调水目的地需要流量与泵站抽水扬程、抽水流量之间的关系,避免了优化计算过程中水位的重复迭代,极大减小了计算量与计算时间。以长江三江营最大潮差、平均潮差、最小潮差3个典型日为例,在南水北调东线淮安站站下水位及需要流量一定的情况下,以系统日运行费用最少为优化目标,建立优化模型,并采用模拟退火-粒子群算法(SA-PSO,simulated annealing-particle swarm optimization)求解,计算结果表明,与水泵设计角度运行方案相比,泵站系统实施变角优化运行,其运行费用可分别节约0.62%~2.26%、0.33%~3.26%和0.22%~0.83%。     

圆盘栅式马铃薯挖掘机的研制与试验

针对目前中国马铃薯收获机械普遍存在的薯土分离不完全、易于堵塞、振动大和功耗过大等问题,该文研制了一种与四轮拖拉机配套的圆盘栅式马铃薯挖掘机。为提高分离效率,该机采用栅条式挖掘装置和圆盘栅式分离装置,通过计算确定了挖掘装置和分离装置各关键参数。改进了圆盘切刀结构,方便其切土的同时漏掉侧边细小土壤。田间试验表明:圆盘栅式马铃薯挖掘机挖掘、输运流畅、分离效果显著,伤薯率为4.3%、损失率为3.3%、明薯率为97.5%,3项指标结果均达到了技术规范设计要求。此外与拨指轮式马铃薯挖掘机进行的田间试验对比中发现,该机在明薯率和损伤率2项参数对比中占优。因此,圆盘栅式马铃薯挖掘机的研制成功为西北旱作农业区垄作马铃薯的挖掘提供了一种防堵、薯块易捡拾、功耗小和适应性强的马铃薯挖掘机。     

平原湖区外江水位变化对排涝流量的影响

为准确模拟排区涝水产汇流过程及水量,以湖北省四湖流域螺山排区为例,通过耦合SCS和MIKE11模型来建立排区尺度的涝水产汇流模型,分别采用1980年、1983年和1991年、1996年螺山泵站站前的实测水位数据对模型进行率定和验证,并通过设置不同设计暴雨和外江水位的组合,以评估外江水位变化对排涝流量的影响。结果表明:率定期1980年和1983年模拟水位和实测水位的相对误差分别为-0.20%和-0.40%,相关系数分别为0.980和0.952,效率系数分别为0.949和0.849;验证期1991年和1996年模拟水位和实测水位的相对误差分别为-0.10%和1.70%,相关系数分别为0.919和0.967,效率系数分别为0.782和0.906,表明耦合模型模拟效果较好,适用于螺山排区产汇流模拟。根据5年一遇、10年一遇3日暴雨与5年一遇、10年一遇汛期最高5日平均水位、泵站设计外江水位组合下排涝流量的模拟可知,在相同的设计暴雨下,外江水位越高,泵站的抽排流量越小,并且对内涝造成的不利影响越大。如按排涝泵站水泵的性能曲线进行模拟,精度将提高19.6%~53.8%。     

大型泵站系统运行优化模型与节能效果比较

为了解大型泵站系统运行优化节能效果,分析了大型泵站优化运行方案的研究优化范围。以泵装置效率最高为优化目标,建立了单台机组变角运行优化模型和变速运行优化模型;在抽水流量和装置扬程一定的情况下,以运行费用最低为优化目标,建立了单座泵站、并联泵站运行优化模型;在抽水体积一定的情况下,考虑扬程变化和分时电价,以运行费用最低为优化目标,建立了单座泵站、并联泵站、并联泵站系统和梯级泵站系统的运行优化模型。3个应用实例考虑的优化范围与影响因素不同,优化计算结果表明,单台机组最优叶片角度下泵装置效率较设计角度最高可提高4.21个百分点;实行分时电价、变角调节的单座泵站系统运行优化方案和梯级泵站系统运行优化方案分别较设计方案节约电费5.64%和6.83%。提出了大型泵站系统运行优化建模时应综合考虑输变电、泵站和河道输水三方面能量损失。优化范围与考虑的因素越全面,节能与节约电费效果越显著。     

不同碳氮比条件下4种可控因素对垂直流人工湿地总氮去除的影响

以模拟垂直流人工湿地为研究对象,采用正交试验法考查了在不同碳氮比（C/N）条件下,进水流量、水位高度、湿干比及运行周期4个可控因素对垂直流人工湿地脱氮的影响。结果表明,增加C/N可提高总氮去除效率,4个可控因子对污水总氮的去除有显著影响,进水量是总氮去除最重要的影响因素,干湿比的影响强度随着C/N的增大而增加,当C/N为1∶1和3∶1时,总氮的去除效果最优组合为：水位高度为50cm,湿干比为2∶1,周期为24h且进水流量为80cm·d-1;当C/N为5∶1时,总氮的去除效果最优组合为：水位高度为25cm,湿干比为1∶1,周期为24h且进水流量为80cm·d-1。     

轴流泵多工况优化设计及效果分析

为了提高轴流泵非设计工况的运行效率,拓宽轴流泵高效区范围,对轴流泵进行多工况优化设计。结合轴流泵段的模型试验,采用数值模拟手段和数值优化技术,改变叶轮的几何设计参数。对轴流泵叶片进行参数化建模,再对轴流泵叶轮结果进行泵段数值模拟。最后以轴流泵段3个流量工况点的加权平均效率最高,扬程为约束条件,改变轴流泵叶轮的设计参数,对轴流泵段进行多工况优化设计。研究结果表明:优化后轴流泵段效率曲线较初始泵段明显变宽,其中小流量工况点效率提高约2.6%,设计工况点效率提高约0.5%,大流量工况点效率提高最多,约7.4%,而对于扬程变化范围较小,各工况点扬程均能满足运行要求,大大降低了运行成本,缩短了优化设计的周期。同时采用CFD计算的学科分析方式,结合试验研究的手段取代人工凭经验的优化方式,证实了轴流泵段多工况优化设计的可靠性、高效性。该研究将为泵站的高效运行和轴流泵的多工况优化设计提供参考。     

4U2A型双行马铃薯挖掘机的设计与试验

针对粘重土壤马铃薯挖掘机作业阻力大、易堵塞、故障率高、机械损伤率高、分离效果差、明薯率低等突出问题,研究设计了4U2A型马铃薯挖掘机;通过对结构和工作原理的阐述及对由挖掘铲、分石栅、前导轮、压草轮、升运链等组成的防堵机构的理论分析及整机性能的试验研究,获得机具的具体作业性能参数,并与传统机型进行性能对比分析,证明各项性能参数的可靠性。试验结果表明:该机具解决了马铃薯收获机收获过程中阻力大、故障率高、夹草、堵塞、壅土等瓶颈问题,与传统机型相比耗柴油量每公顷少2.19 kg、机具的可靠性提高了3%、明薯率达98.8%,伤薯率为0.76%,破皮率为1.02%,提高了马铃薯收获的效率和质量。该研究为马铃薯收获机的研发提供理论支撑和技术参考。     

泵站侧向进水前池几何参数优化

为了减少泵站侧向进水结构内的不良流态,提高泵组运行效率,基于计算流体力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）和响应面法（Response Surface Method,RSM）对泵站侧向进水前池进行几何参数优化。采用参数化设计对泵站侧向进水前池进行建模,通过与Workbench关联以对侧向进水前池的扩散角α、坡度β以及转向角γ实现指定值,采用典型Box-Behnke设计（Box-Behnke Design,BBD）方法得到17组三因素三水平试验方案,利用响应面法建立喇叭管出口断面流速分布均匀度与侧向进水前池扩散角α、坡度β以及转向角γ的回归方程,以最大出口断面流速分布均匀度为响应目标,确定最优参数组合,并将最优侧向进水结构的内部流动特性同原模型进行对比分析。研究结果表明,扩散角α、坡度β以及转向角γ对喇叭管出口断面流速分布均匀度具有显著影响（P<0.05）,扩散角α与转向角γ的交互项对出口断面流速分布均匀度耦合作用显著,扩散角10°~13°、坡度8°~9°、转向角74°~75°时喇叭管出口断面流速分布均匀度达到最优。同原模型相比,优化后的侧向进水结构在设计水位下,断面流速分布均匀度至少提高23.41个百分点,流速加权平均偏流角提高13.95°,在低水位下断面流速分布均匀度至少提高18.30个百分点,流速加权平均偏流角提高14.79°,流道内没有偏斜流和大面积回流产生。该研究对于促进泵站侧向进水结构的优化设计具有一定的参考意义。     

田埂宽度与种豆对稻田速效磷侧渗流失的影响

通过对不同宽度及其上种豆与否的稻田田埂内外侧0~60 cm剖面速效磷浓度及贮量的变化情况监测,分析了田埂宽度与种豆对稻田速效磷可能经田埂侧渗流失的影响。不种豆条件下,田埂宽度由40 cm增厚至50 cm和60 cm,速效磷向田埂外侧迁移,平均可减少2.19 kg hm~(-2)和2.36 kg hm~(-2);种植大豆条件下,田埂宽度增厚至50 cm和60 cm,速效磷可减少2.69 kg hm~(-2)和5.08 kg hm~(-2)。田埂上种植大豆可使内、外剖面间速效磷贮量差提高7.9%。尽管大豆吸收有助于降低田埂速效磷浓度,但由于大豆根系会在田埂中造成大孔隙,因此田埂种植大豆时应适当加宽田埂,以减小速效磷侧渗流失风险。田埂中40~60 cm土层水分充足,速效磷浓度、贮量均较高,可能是稻田速效磷侧渗流失的主要通道。     

文洛型温室棚顶清洗机的研制与试验

针对国内文洛型温室棚顶清洗机械缺乏,人工清洗费时费力的问题,该研究设计了一种棚顶电动清洗机与配套换行作业平台,以实现对文洛型温室的自动清洗。为保证清洗机四轮行走的一致性,设计一种单电机两级减速同步驱动装置;针对电缆与水管收放过程中易发生堆积的问题,设计均匀卷线装置,对收放线过程进行分析,明确卷线半径与线速度的对应关系,优化卷线控制流程,满足了线缆、水管收放与清洗机往返同步的要求;为保证清洗辊刷对棚顶进行均匀可靠清洗,对刷毛与棚顶的接触过程进行了优化分析。样机性能测试表明,清洗最高行进速度为0.265 m/s,停机余量为28.4 mm;辅助换行平均时间为22.84 s,平台与屋顶对轨平均误差为1.6 mm。以薄膜透光率为指标,对清洗机的清洗效果进行试验,结果表明,在行进速度为0.25 m/s、辊刷转速120 r/min、水泵流量34 L/min的情况下,透光率为68%的薄膜经过清洗可提高到86%,清洗效果明显。该清洗机可以满足文洛型温室棚顶的清洗作业要求,对改善室内温光环境,提高果实产量与品质具有重要意义。     

玉米灭茬起垄施肥播种机的设计与试验

东北春玉米采用垄上播种,整地与播种过程分开,机器进地次数多、播种对行难度大、播种过程易破坏垄形,为解决此问题,该文研制了玉米灭茬起垄施肥播种机。该文对复式起垄和播种的作业过程进行了理论分析,通过经验设计和理论计算确定了中间连接装置、灭茬机构和播种单体的结构形式和参数,对起垄机构进行了基于受力计算的有限元应力分析,对整机的动力配备和稳定性进行了理论分析。样机田间试验结果表明,该机根茬粉碎率为88.2%,起垄垄形规则,垄高、垄顶宽、垄间距合格率分别达到95%、90%和90%,播种效果较好,粒距合格指数92%,种、肥深平均为56.22和114.36 mm。该机各参数满足农艺要求,为垄上播种的耕播联合作业提供了参考。     

基于时空分解的梯级泵站输水系统运行效率计算方法与应用

针对大型串并联梯级泵站输水系统存在组成复杂性和运行动态性,难以对实时运行状态进行评价和优化的问题,提出了一种基于时空分解的串并联梯级泵站输水系统运行效率计算方法。在空间上将系统划分为并联系统、串联系统、泵站和输水子系统。在时间上将动态调度过程划分为若干个平衡状态,定量计算水力、水量损失等影响因素。基于能量传输、转化原理,将各变量进行归一化处理,依次建立泵站、输水子系统和串、并联系统运行效率表达式,可对各子系统及整体实时运行效率进行计算,并为后期系统运行效率优化提供了参考。结合2016年典型并联梯级泵站输水系统调度运行数据,对该方法进行了实践。结果表明,与传统运行效率计算方法相比,该方法在效率计算的实时性和全面性上有明显提升。不仅能够直观反映各级泵站实时运行情况,还可定量评估各输水渠道以及系统整体运行情况,有助于发现影响系统运行效率的薄弱环节,为实时调度提供参考。     

葡萄分层旋抛式清土起藤机高效旋抛刀设计与试验

针对中国西北地区酿酒葡萄清土作业缺乏与土壤颗粒群相互作用的研究,凭经验设计使得单层旋抛清土方法效率低以及清土部件功耗高的问题,设计了一种分层旋抛式清土起藤机并对旋抛刀与土壤相互作用进行研究。首先,根据中国西北地区酿酒葡萄种植及清土的农艺要求,完成分层旋抛刀的设计,然后对旋抛式清土起藤机的运动进行理论分析,确定影响旋抛刀功耗和抛送距离的主要因素,并通过EDEM—Recurdyn耦合仿真,以旋抛刀不同焊接角度、转速及整机的前进速度为试验因素,以清土率、旋抛刀扭矩为评价指标,分析土壤离散颗粒群与旋抛刀之间的相互作用,得到最优参数组合,进一步基于台架试验对仿真试验进行验证。结果表明,当旋抛刀焊接角度为30°,转速为270r/min,前进速度为0.4 m/s时,清土率为49.1%,旋抛刀平均扭矩为13.09 N·m,土壤抛送距离集中在1.52～1.75 m之间,与仿真优化结果（清土率为55.9%）相对误差为13.8%,研究结果可为后续研制分层旋抛式清土起藤机提供理论依据及技术参考。     

整体输送式温室屋顶除雪装置的研制

北方地区冬季温室屋顶积雪一方面对温室的透光性、保温性造成很大的影响，导致了大量能源的浪费，影响了喜阳植物的生长，另一方面影响温室的总体强度和刚度。目前应用在温室屋顶除雪比较常用的方法是采用热水融雪管，但是投资和运行费均比较高，为了解决这一问题，设计并制造了整体输送式温室屋顶除雪装置，试验效果良好,为今后温室屋顶除雪提供了一种有效、低运行费的方案。     

大豆机收清选筛田间性能试验与分析

针对现阶段谷物联合收获机清选筛对大豆清选适用性较低以及大豆机收田间性能试验研究较少的现状,以久保田联合收获机PRO688D为试验机具,濉科20大豆为试验品种,以常规鱼鳞筛、加长鱼鳞筛、错位鱼眼筛、线性鱼眼筛和贝壳筛为上筛,网筛、圆孔筛和六棱孔筛为下筛,鱼鳞尾筛和栅格尾筛为尾筛,以清选损失率和含杂率为清选筛对大豆清选作业水平的评价指标,进行了大豆机收清选筛田间性能试验。利用模糊综合评价法对田间性能试验的数据进行了分析与评价,完成鱼鳞筛筛片开度、上筛、下筛、尾筛以及清选筛组合在大豆机收清选适用性方面的优化工作。清选作业水平评价结果表明,大豆机收清选适用性最佳的鱼鳞筛筛片开度是28 mm。进一步对不同尾筛、上筛、下筛和清选筛组合的清选作业水平进行评价,得出不同清选筛对大豆清选适用性情况为:栅格尾筛优于鱼鳞尾筛;贝壳筛和六棱孔筛是大豆机收清选适用性最好的上筛和下筛。大豆机收清选适用性最佳的上筛、下筛和尾筛组合为贝壳筛、六棱孔筛、鱼鳞尾筛,此时大豆机收田间性能试验的清选损失率为2.04%,含杂率为0.53%。试验结果表明,应用模糊综合评价法综合评价不同清选筛对大豆机收的清选损失率和含杂率,并进行清选作业水平的优选,可有效提高谷物联合收获机清选筛对大豆的清选适用性。该研究可为解决谷物联合收获机清选筛对大豆低适用性问题提供实际依据,对降低大豆联合收获机清选损失率和含杂率的田间试验研究起到推进作用,为研发适用于大豆收获的联合收获机清选装置提供参考。     

整秆式甘蔗联合收获机降低含杂率的技术改进与试验

为了降低整杆式甘蔗联合收获机的含杂率,满足糖厂对原料蔗的进厂要求,该文对SJ-1600型整杆式甘蔗联合收割机的割台、剥叶、断尾等装置进行了改进,在原机型尾部增加蔗叶分离装置。按照改进技术加工出样机,并对其进行田间试验。试验结果表明,收获时输送轮转速280?r/min,剥叶轮转速为750?r/min时剥叶效果最佳;改进后含杂率为4.0%,比改进前降低了3.2%,满足糖厂对原料蔗的进厂要求。该文为整杆式甘蔗联合收获机的机械设计提供了参考依据。     

基于灭茬圆盘驱动旋耕刀多功能耕整机设计与试验

针对玉米作物根茬难清除、制约后续标准作业的问题,结合北方寒地保护性耕作工艺,设计了一种与大马力拖拉机配套的茬地耕整机。该机采用联合作业方式,能够一次完成起茬、破茬碎土、垄体深松、灭茬旋耕、起垄、垄体整形等多项作业。设计了自驱动式弧形齿盘破茬器和螺旋碎土装置,破茬器转速为33～37r/min,旋耕刀转速为350～390r/min,深松深度为30cm左右。田间试验表明,该机工作性能良好,灭茬旋耕效果显著。与传统耕作机具和进口联合整地机相比,破土率提高2.4%～6.9%,破茬率提高6.3%～12.9%,节省油耗26.3%～40.4%。     

日光温室薄膜全自动清洗机研制与试验

针对日光温室薄膜人工清洗劳动强度大、自动化清洗设备缺乏的现状,该研究设计了一种日光温室薄膜全自动清洗机。为减小整机质量并降低成本,采用双蜗轮蜗杆电机分别驱动清洗主机的毛刷与爬升轴;设计地面移位换行装置,用以承载清洗主机沿温室长度方向移动;为实现自动换行清洗,设计棚顶移位换行装置,调整棚顶吊绳安装高度,避免吊绳在换行作业时与棚面产生干涉而影响换行质量或损伤薄膜。基于多传感器融合与数据校验技术,保证清洗主机、棚顶与地面移位装置间的协作实时性、一致性及可靠性。为验证设计方案的合理性与可行性,以参照日光温室跨度、脊高、肩高参数10:1制作模型温室,按外形尺寸5:1加工清洗样机,并进行对齐、倾斜偏移及清洗效果验证试验。结果表明,清洗主机升降时的水平偏移量在±3°以内,左右偏移量在±7 mm以内（换行操作时各偏移量无累积）;地面与棚顶移位换行装置的单次换行误差与多次换行累计误差均在1 mm左右;毛刷材料选型与关键参数设计合理,可对薄膜表面灰尘进行有效清洗,洗净率为95.4%,清洗效果明显该清洗机在丰富国内日光温室清洗装备类型的同时,有效解决了团队前期研发清洗机质量大易伤膜、自动化水平低等问题,为温室大棚薄膜相关清洗设备的设计研发提供了参考。