喷头安装高度对圆形喷灌机灌水质量的影响

根据作物高度适时调整喷头安装高度,是保证圆形喷灌机灌水均匀度和喷灌效率的重要措施之一。该研究通过引入自主研发的喷头安装高度调节装置,以安装D3000低压折射式非旋转喷头的圆形喷灌机为研究对象,研究了不同喷灌机出流量(8.8、16.7、24.2 m3/h)情况下喷灌机水力性能的稳定性,测试了喷灌机3种出流量在喷头安装高度(0.5、1.0、1.5、2.0、2.6 m)改变时的灌水均匀系数和灌水深度。结果表明,在喷头标准安装高度(1.5 m)下,圆形喷灌机水力性能稳定,喷灌机3种出流量的灌水深度沿径向均呈锯齿形波动,灌水均匀系数为82.5%~84.0%。喷头安装高度小于标准高度时,灌水深度沿径向的分布出现了较大波动,0.5 m时波动最剧烈,灌水均匀系数最大降低23.9%。喷头安装高度大于标准高度时,灌水深度沿径向的分布更为均匀,灌水均匀系数与标准高度的均匀系数无显著差异。与标准高度时的灌水深度测量值相比,喷头安装高度调节后的测量水深相对误差在10%以内。为保证喷灌均匀性和灌水深度,建议作物高度大于1.5 m时,可根据作物高度适时升高喷头安装高度。     

喷灌机全喷洒域与叠加域水量分布特性的静态模拟

该文研究喷灌机喷头组合喷洒特性,针对大型平移式喷灌机NelsonR3000、O3000旋转折射式喷头,开展试验测量其单喷头水量分布并计算其喷洒均匀系数(Christiansen uniformity,CU)、分布均匀系数(distribution uniformity,DU).用MATLAB编程模拟了2喷头和多喷头组合,针对多喷头组合,分析和区分全喷洒域和叠加域,计算2种喷头全喷洒域与叠加域的CU、DU和平均喷洒强度(mean spraying intensity,MSI),全面掌握并评价喷头水力性能.结果显示:在安装压力调节器情境下,R3000单喷头在压力150 kPa、O3000单喷头在压力200 kPa时,CU、DU值最大.2个喷头组合无法展现喷灌机喷头组合效果.R3000多喷头组合全喷洒域内,CU最大值68％,DU随喷头间距的增大逐渐上升;O3000多喷头组合CU、DU最大值分别为72％、57％.叠加域内R3000、O3000喷头CU、DU、MSI值高于全喷洒域,但达不到行喷CU≥85％的要求,可能由于计算CU、DU等的数据点多、单喷头数据不理想、常规测量方法测量点少且在叠加域内等原因.该文发现当前大型喷灌机的喷头间距组合不是CU、DU最优组合,区分了喷头喷洒组合后叠加域和全喷洒域,并分别计算叠加域和全喷洒域CU、DU和MSI,为喷灌机系统的安装设计提供了一种参考.     

异形喷嘴变量喷头结构设计及其水量分布试验

为提高灌溉质量,降低喷灌系统工程投资,在摇臂式喷头基础上安装动静片和改装异形喷嘴装置,研制了一种新型的异形喷嘴变量喷洒喷头,介绍了其结构形式及工作原理。对安装异形喷嘴的变量喷头和圆形喷嘴变量喷头进行了对比试验研究及分析,并绘制了单喷头三维水量分布图和径向水量分布曲线。研究表明,异形喷嘴变量喷头运行可靠、基本能够实现三角形喷洒域,减小了现有的变域喷洒喷头喷洒均匀性容易受工作压力波动的影响,与圆形喷嘴的摇臂变量喷头相比其喷洒性能良好,减小了雨滴打击强度,改善了喷灌均匀性。经计算其平均喷灌强度为6.74 mm/h。用异形喷头装置可以改善变量喷头喷洒均匀度。     

滚移式喷灌机喷头优选及水力性能优化

为解决滚移式喷灌机水力性能差的问题,拟通过单喷头试验、模拟计算和比较分析,选择出适合于滚移式喷灌机的喷头,从根本上改善机组的水力性能。同时对影响滚移式喷灌机水力性能的结构与工作参数进行优化试验,采用二次回归正交旋转中心组合优化试验方法,以喷头工作压力、喷头间距、喷洒间距为影响因素,喷灌均匀系数和喷灌强度为评价指标,得到模型回归方程。在评价指标满足设计要求的条件下获得该机组工作效率较高的参数组合:喷头工作压力0.4 MPa,喷头间距10 m,喷洒间距18 m,此时滚移式喷灌机喷灌均匀系数为0.91,喷灌强度为10.43 mm/h,喷灌效果较好。与现存的12 m?12 m的滚移式喷灌机相比,喷灌单位面积土地需要移动机组的次数减少了33.3%,工作效率大幅度提高,且减少劳动力。研究可为滚移式喷灌机的进一步发展提供参考,也可为其他喷灌设备中摇臂式喷头的选型提供理论依据。     

田间试验评估圆形喷灌机变量灌溉系统水量分布特性

为了定量评估变量灌溉对喷灌机灌水深度和水量分布均匀性的影响,该文通过在圆形喷灌机中安装电磁阀、压力调节器、变频器及变量灌溉控制系统,搭建了圆形喷灌机变量灌溉自动控制平台,评估了均匀灌溉、部分喷头开启式变量灌溉和脉冲式变量灌溉条件下的水量分布特性。结果表明,均匀灌溉条件下,当喷灌机行走速度百分数为20%~100%时,沿径向修正赫尔曼-海因均匀系数和分布均匀系数变化分别为92%~94%和87%~89%,行走速度的影响很小;沿喷灌机旋转方向(周向),修正赫尔曼-海因均匀系数为95%,分布均匀系数为93%,与喷灌机行走速度和测量位置关系不大;通过控制喷灌机行走速度可以获得准确的灌溉水深。变量灌溉条件下,喷灌机周向水量均匀性不变,但径向水量均匀性降低。与均匀灌溉相比,部分喷头开启式变量灌溉的径向修正赫尔曼-海因均匀系数和分布均匀系数分别降低10和19个百分点,降低程度随喷头分组数增加而增大。与均匀灌溉相比,脉冲式变量灌溉的径向修正赫尔曼-海因均匀系数和分布均匀系数分别降低9和12个百分点,降低程度与相邻管理区内的灌水深度差呈正相关。为保证变量灌溉管理区内的径向修正赫尔曼-海因均匀系数≥85%,部分喷头开启式变量灌溉需在管理区两端分别设置0~3 m的过渡带,脉冲式变量灌溉需设置0~4 m的过渡带。变量灌溉条件下通过调整喷灌机行走速度控制灌溉水深的精度与喷灌机行走速度和电磁阀占空比有关,部分喷头开启式变量灌溉灌水深度平均低估0.48 mm,脉冲式变量灌溉平均低估1.46 mm。     

摇臂式喷头组合喷洒均匀性的改进

该文针对摇臂式喷头副喷嘴为圆形,径向水量分布中部较高不利于组合的问题,根据水射流原理,设计出一种新型结构的副喷嘴,其上端设有盖板,起到阻挡水流的作用,使副喷嘴水流射出后主要分散在近处,从而有利于提高组合喷洒的均匀性。分别对15PY、20PY、30PY摇臂式喷头副喷嘴改进前后的水量分布进行了对比试验,同时,以正方形布置方式为例,计算出不同组合间距下的喷洒匀性系数。结果表明：副喷嘴的改进消除了改进前喷头中间部分水量,使径向水量分布呈“三角形”。改进副喷嘴后提高了均匀性系数,不同组合间距下的值均为80%以上,平均喷灌强度符合喷灌规范中的要求。最后,提出副喷嘴改进后15PY,20PY,30PY摇臂式喷头的最佳组合间距分别为1.2R,1.3R,1.1R,计算出组合均匀性系数值分别为85.6%,86.3%,85.3%。改进后的副喷嘴对喷洒均匀性有较好的改善作用。     

卷盘式喷灌机灌溉施肥计算模型与综合评价体系构建

卷盘式喷灌机实现精准水肥一体化作业对农作物生产具有重要意义。该研究以卷盘式喷灌机为研究对象,开展了桁架式喷头车选配的低压喷头径向水量分布特性测试,构建了低压多喷头组合喷灌水量分布模拟模型,提出了水肥一体化条件下灌溉施肥参数计算模型,建立了基于喷灌均匀系数、设计喷灌强度、单机控制灌溉面积、单位面积年投资、年运行费5个指标的卷盘式喷灌机综合评价体系。研发了一款基于Web平台的卷盘式喷灌机灌溉施肥参数设计软件,以北京地区种植冬小麦为例,对JP75-300卷盘式喷灌机桁架式喷头车配置三款低压喷头进行方案优选,采用主成分分析法对初筛的12种机组运行方案进行综合评价,最高综合得分0.78为最优运行方案,即喷头类型PG134、工作压力0.15 MPa运行方案下机组喷灌均匀系数为88.96%,喷灌强度为57.31 mm/h,单机控制灌溉面积为5.05hm²,单位面积年投资1 981.04元/hm²,年运行费为1 019.99元/hm²。研究成果可为卷盘式喷灌机灌溉施肥的参数设计和设备选型提供技术支持。     

变量喷洒喷头性能指标建立及模糊评价

针对全圆喷洒喷头性能评价指标不能充分反映变量喷洒喷头各参数连续变化特点的问题,该文加入了时间变量参数,初步建立了变量喷洒喷头的评价指标,主要包括:喷头射程降低系数、喷头喷洒形状系数、喷洒均匀性系数、喷洒打击强度变化系数及喷灌强度变化系数。采用模糊数学的方法,以上述5个性能评价指标,分别对BPXH20变量喷洒全射流喷头,BPY120变量喷洒摇臂式喷头和BPY220变量喷洒摇臂式喷头进行综合评价,并根据不同应用场合,探索性能指标权重值变化±20%对评价结果的影响。结果表明:喷洒均匀性系数、喷洒强度变化系数及打击强度变化系数对权重变化较为敏感,但不影响评价喷头的性能。说明权重值选取合理,可为今后其它变量喷洒喷头评价提供参考。     

非圆形喷洒域喷头的研究

在分析国内外对非圆形喷洒域喷头实现方法的基础上，对国内外具有代表性的非圆形喷洒域喷头实现方法进行了讨论。通过复合结构与结构简单的异形喷嘴实现非圆形喷洒是两种重要的研究思路，但前者成本高，不利于推广应用。     

轻小型平移式喷灌机低压末端喷头改进设计与试验

为解决轻小型平移式喷灌机末端喷头低压工况下喷洒射程小、水流破碎不充分以及组合喷洒均匀度低等问题,该研究以Nelson R55型旋转折射式喷头为原型,基于二级破碎、面槽分流、旋转射流和非全圆限制喷洒的工作原理,设计出系列化旋转折射式末端喷头,采用Creo建模与激光快速成型、实测试验、模型计算以及多目标综合评价等方法,完成...     

变量喷头实现均匀喷灌的研究

研究了为保证均匀喷灌,变量喷头各水力性能参数之间应具有的理论关系。采用极限理论和二重积分的数学方法推导了描述变量喷头转速、流量和射程之间瞬时变化关系的工作方程。结果表明,变量喷头的流量与射程平方和转速的乘积成正比。以方形喷洒域变量喷头为例,推导了方形喷洒域变量喷头射程随转角变化的理论方程,然后应用变量喷头工作方程推导了方形喷洒域变量喷头理论流量和转速方程。该文的研究结果为变量喷头及方形喷洒域变量喷头的设计提供了理论依据。     

基于领航-跟随结构的大型喷灌机协同导航控制方法

针对传统圆形喷灌机、平移喷灌机存在的作业区域单一、对地块适应性差的问题,结合喷灌机圆平一体协同导航作业需求,该研究提出了一种基于领航-跟随结构的大型喷灌机协同导航控制方法。在喷灌机运动学模型的基础上,结合链式控制理论和多塔车比例积分(PI,Proportion Integration)级联控制结构,设计了主塔车路径跟踪控制律和子塔车协同跟随控制律。通过Matlab/Simulink 仿真验证了控制方法的可靠性,并以自行研制的喷灌机为载体进行田间验证试验。田间试验结果表明,平移作业模式时,主塔车平均横向偏差小于2.5 cm,主塔车航向偏差小于0.51°,子塔车平均同步偏差小于4 cm;圆形作业模式时,子塔车平均同步偏差小于5 cm。该研究提出的协同导航控制方法和参数适用于平移和圆形2种作业模式,且速度适应性较好,控制精度满足大型喷灌机协同导航喷灌作业需求,解决了传统喷灌机作业模式单一的问题,且为非规则田块的喷灌机导航控制提供技术支撑。     

基于单片机控制的变域喷洒喷头水力性能试验

为解决变域喷洒喷头能耗过高、喷头节能效果不理想的问题,设计了基于单片机的控制器调控水泵转速,改变喷头工作压力,实现变域喷洒,研究喷头实现方形域喷洒时的水力性能和能耗。结果表明:方形域喷头工作压力实测值为107~225 kPa,能精确响应设计规律;实测射程变化范围为7.6~10.1 m,最短射程为最长射程的0.75倍,射程变化满足方形域喷洒要求;方形域喷洒实现程度的系数为97.2%,高于使用节流装置的方形域喷洒喷头;平均喷灌强度为2.8 mm/h,最高组合均匀度系数达77.7%,最佳组合间距为13~14 m,组合均匀度和组合间距与185 kPa时圆形域喷头一致。方形域喷洒比圆形域喷洒的能耗低30.3%。该研究可为变域喷洒提供一种低能耗的新模式。     

不同指标轻小型喷灌机组配置优化

为探究配置方式对喷灌机组整体性能的影响,明晰不同配置方式的特点,在前期调研的基础上,以轻小型灌溉机组4.4CP-45为例,分别以单位面积上资源消耗,如机组能耗、年费用及使用年限内总费用等为评价指标,结合实际使用配置方式,采用遗传算法,讨论平坡条件下配置不同喷头10PXH、15PY、20PY及40PY时的喷头数及管径等最优组合方式,并对每种配置方式的适用范围进行分析。研究结果表明,通过3个优化目标下机组最优配置方式的对比,较好地反映出每种配置方式的优劣,与实际使用方式吻合较好。配置40PY 喷头时,机组单位能耗高,但年费用很低,适于抗旱或大田作物的灌溉;配置15PY 喷头时,优化配置下的机组能耗比初始配置时降低7.3%,比配置20PY降低8.3%,同时各项费用都比较低,灌溉均匀性高,但移动时劳动强度较大,适于经济作物或植物幼苗的灌溉;配置20PY喷头时,机组总费用最低,为6284.8元/hm2,比初始配置降低15.4%。所有配置方式下能耗费、运行费分别占据机组年费用及总费用的主要部分,有必要通过配置优化或采用中低压喷头、改善管理以降低系统能耗。该研究可以为机组的合理设计、喷头选择及应用推广提供参考。     

基于弹道理论坡地喷灌水量分布模拟及均匀度计算

为解决坡地喷灌水量分布实测困难的问题,该文基于弹道轨迹方程,考虑水滴运动蒸发,通过三维坐标系降维转化,计算坡地喷灌水滴空间运动轨迹,以平地实测水量分布为基础,根据水量平衡原理,建立坡地喷灌水量分布计算模型。结果表明,实测与模拟的水量分布、射程的相对误差小于9%和5.04%,说明建立的模型能够准确反映坡地喷灌水量分布规律,具有一定的可靠性,可应用于坡地喷灌系统设计。以雨鸟LF1200喷头为研究对象,应用模型重点分析地形坡度、喷头布置方式、间距和工作压力等因素对喷灌均匀度的影响,结果表明,在95%的置信度下,地形坡度、喷头工作压力、布置方式和间距对喷灌均匀度的影响均呈显著水平,其中喷头工作压力影响最大,布置方式和喷头间距影响次之,地形坡度影响最小,且在一定坡度范围内,地形坡度对喷灌均匀度的影响远小于工作压力、喷头布置方式和间距。在坡地喷灌系统设计时,如果选用雨鸟LF1200喷头,须保证喷头在正常工作压力下运行,不宜低压作业,应优先考虑方形布置,在兼顾系统成本和喷灌质量时,建议喷头间距宜为其平地射程的0.8倍,且喷头不宜在15°以上的坡地作业。研究可为坡地喷灌系统规划设计提供参考。     

方形喷洒域喷灌装置的研制与试验

针对圆形喷洒域喷头导致漏喷、水量重叠和界外喷洒的突出问题,该文研制了一种适用于无风环境的方形喷洒域喷灌装置以提高喷灌均匀度和水资源利用效率。该装置主要由摇臂式喷头、连杆机构和凸轮组成。利用调节喷头仰角的方式改变其射程使摇臂式喷头喷出方形喷洒域,通过凸轮滚子与凸轮接触部分阻力的变化调整喷头转速提高了装置的喷灌均匀度。测试了该装置在工作压力为400 k Pa,喷头仰角变化范围5°~30°,流量4.14 m3/h工作条件下装置的性能,试验结果表明,该装置可喷洒30 m×30 m的正方形区域,其方形喷洒域系数高达92.06%,喷灌均匀度为82.07%,界外喷灌量占总喷灌量的1.32%,喷洒地块边角部分时比圆形喷洒域喷头界外喷洒量减少了13.53%。因此,该装置能较好的实现方形喷洒域、降低了界外喷洒量、减少了多个圆形喷洒域喷头组合灌溉时所产生的重叠,为改善喷灌均匀度和提高水资源利用效率提供了新的思路和方法。