大型喷灌机喷头PWM变量脉冲的实现

独立喷头变量喷灌(IS-VRI)能够实现更精细化的地块管理,提高水资源利用率。目前,针对IS-VRI的研究多集中于流量分配及分解算法,考虑分配和分解结果的具体执行,给出了对大型喷灌机上众多喷头进行独立PWM变量控制的具体实现。首先,结合大型变量喷灌机存在的复杂解算与实时控制并存、受控电磁阀分布跨度大且数量多,以及行走约束等实际情况,介绍了由无线透传中继有线的串行总线构成的分级分布控制系统;然后,基于该系统,给出从机发出多路独立PWM脉冲的硬件设计和软件处理流程;最后,从大型喷灌机整体性能角度,阐述采用在一个计量周期中配置不同占空比的PWM脉冲来取得均化后较低的变量比下限和变量比分辨率的方法,且针对PWM脉冲带来的机械激振和压力脉动,给出了站间错相和站内错相两种缓解措施。通过实物实施,验证了所述系统和方法的正确性和有效性。     

出口可调式变量喷头喷灌均匀性

以喷洒域形状和水量分布均匀性为指标研究变量喷头的喷灌均匀性,分析了影响PY2系列喷头射程和水量分布的关键因素,得知改变单一参数的变量喷头喷灌均匀性较差.为提高变量喷头的灌溉均匀性,设计了出口可调式的变喷洒域喷头,使用流量调节机构改变喷头工作压力,使用出口调节机构改变喷头出口面积,通过出口面积和喷头工作压力的同步调节实现均匀喷洒.测试了出口可调式变量喷头的水力性能,对比了圆形喷嘴变量喷头和出口可调式变量喷头水量分布,出口可调式变量喷头不同射程处喷灌强度相近,喷洒性能优于圆形喷嘴变量喷头.计算了变量喷头的方形喷洒域系数和不同间距下的组合灌溉均匀性,结果显示BPY20变量喷头的方形喷洒域系数为97.8%,最佳组合间距为1.66,组合灌溉均匀性为75.4%;BPY30变量喷头的方形喷洒域系数为91.5%,最佳组合间距为1.69,组合灌溉均匀性为77.2%.     

圆形喷灌机泵注式施肥装置设计与田间试验

圆形喷灌机水肥一体化作业时对喷洒肥液均匀性有较高要求,需要采用比例施肥装置,确保注入喷灌机的肥液流量保持恒定。为此设计了基于柱塞式注肥泵的泵注式施肥装置,并以注射喷嘴的孔口直径、安装位置以及注肥泵的电源频率为变量,进行了圆形喷灌机应用泵注式施肥装置的喷灌施肥均匀性试验。结果表明,圆形喷灌机停止状态下,注肥泵电源频率50 Hz运行时,3种注射喷嘴孔口直径和3种安装位置的组合工况下喷灌施肥的均匀系数CU为99.00%~99.65%,变异系数CV为0.46%~1.37%,其中当注射喷嘴孔口直径为2.5 mm、安装在进水管水平段位置的工况时获得的喷灌施肥均匀性最佳。圆形喷灌机行走状态下,测得单列雨量筒喷灌施肥均匀系数C*UH为88.77%~90.66%,表明圆形喷灌机采用泵注式施肥装置能够获得较高的喷灌施肥均匀性。此外,通过对比注肥泵电源频率在50 Hz和46 Hz时的喷灌施肥均匀性,发现喷头喷洒肥液的电导率总平均值与电源频率之间具有显著的正相关性,表明改变注肥泵的电源频率是圆形喷灌机实现高均匀度变量喷灌施肥的一种有效途径。     

基于MATLAB全射流喷头组合喷灌计算模拟

对国内原创全射流喷头组合喷灌进行研究后,提出了一种分析处理喷头水量分布数据以实现三维可视化编程的方法.研究表明,MATLAB语言可以方便可靠地将喷头径向水量分布数据转换为网格型数据,并绘制出单喷头和喷头组合的三维水量分布图.通过插值叠加求出各网格点总降水深,求出不同组合间距系数下的全射流喷头组合均匀系数,实现计算结果可视化.根据模拟分析,提出了组合间距系数值：正方形布置时为1.2,各喷头均匀系数平均值为82.4%;三角形布置时为1.5,各喷头均匀系数平均值为85.7%.另外认为,MATLAB语言编程进行喷头喷洒分析具有功能强大,方便快捷,可视性强等优点,适用于任何喷头水量分布的分析.     

圆形喷灌机喷头配置技术与软件研究

以圆形喷灌机均匀喷灌水深为目标,建立了主输水管喷头间距不相等条件下喷头配置数学模型,提出了全部使用、不使用及部分使用压力调节器3种工况下的喷头配置技术方案,构建了基于SQL Server的圆形喷灌机低压喷头、压力调节器、机组桁架等零部件结构及性能参数数据库,并开发了可实现圆形喷灌机喷头配置和机组水力性能预测的专业软件.DYP-249型圆形喷灌机应用该软件实现了D3000喷头配置,配置的入机总流量与理论值的相对误差小于1.1％;根据配置结果进行了田间试验,结果表明沿主输水管方向的喷灌强度试验值和模拟值的变化趋势一致,因田间试验受到风速、风向、蒸发飘移和编程算法等影响,测得的喷灌均匀系数值(75.26％)低于软件模拟值(85.59％).工程实例表明软件能够准确、快捷地完成圆形喷灌机的喷头配置,并能较好地预测机组田间水力性能.     

滚移式喷灌机压力对喷灌均匀性影响

为解决喷灌机械的喷灌均匀性差、移动不方便等问题,研制一种操控简单、适应性强的大型滚移式喷灌机,对其水量分布均匀系数和喷灌强度进行试验.试验采用单因素多重比较设计方法,选取距进水端距离分别为40,150,260 m处为测试处,喷灌压力分别为0.20,0.25,0.30,0.35,0.40 MPa,并运用Design-expert软件进行分析,研究各喷灌压力在各测试处对水量分布均匀系数和喷灌强度的影响.结果表明,各测试处的压力对水量分布均匀系数的影响均为显著性差异,且随喷灌压力上升,水量分布均匀系数升高.对喷灌强度的影响呈正相关性,但喷灌压力高于0.30 MPa时影响不显著.喷灌压力在0.40 MPa时,水量分布均匀系数平均可达88.75%,喷灌强度为12.3 mm/h,各处的水量分布均匀系数和喷灌强度能够保持均匀一致,并能够稳定作业,达到最优状态,完全满足大型滚移式喷灌机的性能要求.该项研究对于促进滚移式喷灌机推广和应用具有重要意义,为其深入研究提供了参考依据.     

考虑水滴运动蒸发的喷灌水量分布模拟

提出了有风条件下喷头水滴运动与喷灌水量分布模拟方法,并利用Visual Basic 6.0开发了喷灌水量分布模拟软件.该软件在已知单喷头的径向水量分布数据时,可以模拟出不同风速、风向、空气温湿度等环境条件下单喷头或多喷头组合的喷灌水量分布,计算出喷灌系统的组合喷灌强度、喷灌均匀系数和蒸发损失率.以9708A型喷头为例,分别对工作压力为0.20、0.25和0.30 MPa下单喷头径向水量分布以及喷灌系统组合间距为14 m x 14 m和14 m×12 m时的喷灌水量分布进行了模拟,并与实测值进行了对比,结果表明:模拟的单喷头径向水量分布与实测值总体一致,由模拟水量分布推算的喷头流量与实测值的相对误差为0.83％ ～8.01％;喷灌均匀系数模拟值与实测值的相对误差为0.69％～6.36％,蒸发损失率模拟值为0.51％ ～ 1.75％,小于实测的水量损失率.模拟了不同组合间距下的喷灌水量分布,得到的喷灌均匀系数模拟值与其他软件比较,相对误差在0.11％ ～2.44％之间.     

轻小型喷灌机组相邻喷头工作压力差对喷灌均匀性的影响

轻小型喷灌机组实际应用时由于地势变化、水力损失等因素影响相邻喷头间会存在一定的工作压力差,影响组合喷灌均匀性。故选取灌水均匀系数Cu和分布均匀系数Du作为评价指标,研究喷头工作压力与相邻喷头工作压力差对喷灌均匀性的影响规律。以摇臂式喷头10PY为例,通过试验分析当喷头工作压力取3个水平(0.22、0.25、0.28 MPa)、相邻喷头喷灌工作压力差取5个水平(0、0.01、0.02、0.03、0.04 MPa)时的喷灌均匀性及水量分布。结果表明,相邻喷头间工作压力差对喷灌均匀系数和分布均匀系数的影响会因喷头工作压力等级而异,低压条件这种影响对相邻喷头间工作压力差越敏感; 0.25 MPa下组合喷灌均匀性最稳定;相邻喷头间工作压力差的存在会使灌溉水深高值区向下游移动;分布均匀系数Du更能反映相邻工作压力差对灌溉水量低值区的影响,不同工况下分布均匀系数Du最大偏差为8.2%。上述结论能为轻小型喷灌机的优化配置与运行提供一定的参考。     

旋转折射式喷头水量分布与喷灌均匀性试验

为了研究喷头工作压力、喷嘴直径和安装间距对喷灌喷洒水深和喷灌均匀度的影响规律,选用喷嘴直径为2.98、3.37、3.77 mm的R3000型旋转式喷盘的折射式喷头进行了研究。测量了3种喷头在0.1、0.2、0.3 MPa工作压力下的径向水量分布,喷灌强度随着喷头工作压力或喷嘴直径的增加而增大。叠加计算了安装间距为2、3、4、5、6 m几种情况下的组合均匀性系数,并通过组合试验与计算结果进行对比,得出组合均匀性系数试验值与模拟计算值的误差在0.5%~11.0%之间,影响因素的主次顺序为喷头安装间距、工作压力、喷嘴直径。结果表明:喷嘴流量系数平均值在0.9以上,说明喷头的性能良好。3种喷嘴的最佳喷灌均匀性系数分别为75.9%、78.2%和85.1%。提出了自制R3000型旋转折射式喷头最佳组合间距为4 m的计算均匀性系数经验公式,为其在工程中的应用提供了理论数据。     

基于开环控制的变量喷头组合喷灌试验

构建了基于开环控制策略的方形域喷灌系统,以喷头转速一致为评价指标,采用逐级计算方法对管路进行水力计算,以优化方形域喷头组合喷灌配置模式。试验研究了单喷头的水力性能,依据单喷头水量分布对喷头组合喷灌均匀性进行了仿真。通过与2喷头组合喷灌试验对比获得以下结论:在实验室条件下对方形域喷头进行仿真计算获得的均匀度数据与组合试验结果基本一致,因此可通过仿真试验研究变量喷头组合喷灌均匀性;基于S800喷头的方形域组合喷灌,其平均喷灌强度为2.8mm/h,组合喷灌均匀度达77%,达到《喷灌工程技术规范》规定的定喷系统均匀系数不低于75%的要求。     

喷灌机的选购与使用

喷灌机是一种将动力机、泵、管路、喷头和移动装置等设施,按喷灌方式组合配套成具有整体性的喷灌设备,将压力水喷射到低空,经雾化后像雨滴一样均匀地降落到作物和地表面。常用的喷灌机有小型喷灌机、大型喷灌机、平移式喷灌机、移动式喷灌机、卷盘式喷灌机、指针式喷灌机、中心支轴喷灌机、圆形喷     

喷灌均匀系数的三次样条两次插值计算方法

为提高喷灌水量分布均匀性评价的准确性,当雨量筒径向布置时,为考虑所有测点数据对插值点降水深的影响,采用径向和周向两次的三次样条插值计算出未知点的降水深,从而计算喷灌均匀系数.以美国雨鸟30PSH型喷头雨量筒间隔为1 m和2 m的喷洒试验数据,计算网格点取1 m和0.25 m,分别采用三次1羊条两次插值法和邻近四点距离线性插值法计算了克里斯琴森均匀系数.结果表明,均匀系数由高至低的顺序依次为采样间隔为2 m的线性插值、采样间隔为2 m的三次样条两次插值、采样间隔为1 m的线性插值和采样间隔为1 m的三次样条两次插值.采样间隔2 m比1 m计算出的均匀系数总体高3～4个百分点,三次样条两次插值法比邻近点距离线性插值法略低1个百分点,2种计算网格点间距下的均匀系数差值小于1个百分点.结果证明,采样间距、插值方法、计算网格间距对均匀系数的影响依次降低,三次样条两次插值法可以用来评价喷灌组合均匀系数.     

喷灌水量分布动态模拟与均匀性研究

为研究压力、喷头组合方式和插值方法对喷灌均匀系数CU和分布均匀系数DU这两个评价指标计算结果的影响规律,利用雨量筒径向间隔为1 m的FY RB-471型喷头无风喷洒试验数据,模拟出了喷头在不同压力下的水量分布情况。在喷头矩形组合方式和正三角形组合方式下,采用线性插值、立方插值、三次样条插值、距离插值和平面插值法计算了不同压力下的喷灌均匀系数和分布均匀系数。结果表明,采用三角形组合方式比矩形组合方式计算的喷灌均匀系数CU高1.56~4.77个百分点,同样,三角形组合方式比矩形组合方式计算的分布均匀系数DU高4.26~9.19个百分点;不同的插值方法对喷灌均匀系数与分布均匀系数的计算结果影响不明显,而压力是影响喷灌均匀系数的一个重要因素。     

动态水压坡地喷灌水量分布特性与均匀度研究

针对坡地喷灌水量分布不均匀、灌溉质量较低的问题,将动态水压供水技术引入坡地喷灌,以雨鸟LF1200型喷头为研究对象,分析了动态水压喷灌对喷头流量、射程、喷洒湿润面积、单喷头水量分布和组合喷头水量分布及均匀度的影响。结果表明:对于单喷头而言,采用动态水压喷灌的上下坡射程差在2.3 m左右,动压参数中动压振幅对射程影响较显著,动压喷灌时,振幅建议采用喷头正常工作压力范围内的较大值;单喷头水量分布均匀度在56%左右,动态水压参数对单喷头水量分布和喷灌均匀度影响不显著。在组合喷头的情况下,采用正三角形和矩形布置的均匀度高于正方形布置,其中采用矩形布置喷灌质量最佳。综合考虑工程投资、水量分布以及均匀度,动态水压喷灌时,当喷头采用三角形布置方式时,建议喷头间距为1.0～1.2R(R是喷头平地射程),当喷头采用矩形布置方式时,坡向间距宜采用0.6～0.8R,垂直坡向间距宜采用1.0～1.2R。     

喷头数量对光伏喷灌系统运行特性的影响

【目的】探讨喷头数量对无蓄电池光伏灌溉系统运行特性的影响。【方法】搭建光伏灌溉系统试验台,采用试验测量的方法获得不同喷头负载数量下的系统性能。【结果】(1)不同负载下的喷头压力均随着光照强度变化而变化,变化幅度随着光照强度区间增大而降低,2负载的饱和光照强度比4负载低了300 W/m~2;(2)随着系统负载喷头数量增大,喷头饱和工作压力逐渐降低,2负载饱和压力约为450 kPa,4负载饱和压力约为435 kPa,喷头达到饱和压力所需光照强度逐渐升高;(3)随着喷头数量增大,喷头径向降水量逐渐减少,喷头各段之间降水量差值逐渐减小,2负载的径向水量分布结构为较差的"梯形分布",4负载的径向水量分布结构为较好的"三角形分布";(4)喷灌均匀系数随着负载喷头数量增加而增大,4喷头最大均匀系数比2喷头大2%。【结论】随着喷头负载数量增大,系统饱和光照强度增大,喷头饱和压力减小,泵扬程、转速、流量随光照强度瞬态变化的幅度逐渐减少,泵流量-扬程曲线与管路特性曲线的交点右移,系统在较大流量工况下运行,喷头工作压力降低,喷灌均匀性更好。     

压力对低压喷头水量分布模型影响的试验研究

为研究喷头压力对水量分布模型的影响,以低压喷头为例,对其进行水力性能试验.通过计算矩形组合下不同压力的喷灌组合均匀系数C_u和组合分布均匀系数D_u,探索喷头压力对水量分布模型的影响.结果表明:对于低压喷头,喷灌强度随压力增大先逐渐增大,达到一定值后基本保持不变.在距喷头不同距离时,不同压力下的喷灌强度变化情况不同.在低压范围内,压力对喷灌组合均匀系数和组合分布均匀系数的影响较明显.在100~200 kPa范围下,C_u和D_u均随着压力的增大而增大.在200~300 kPa范围下,C_u与D_u均变化不大.最终提出二者的函数关系式,为多因素下水量分布模型的建立提供理论依据.     

不同仰角状况下喷头性能试验研究

为了降低喷灌工程投资,实现喷头仰角可调,减小风对喷头水量分布的影响,设计了2种规格的喷头仰角调节装置。喷头仰角调节装置安装在ZY喷头与竖管之间,在不关闭水泵的情况下喷头仰角在8°~27°范围内连续可调。对2种喷头仰角调节装置进行了结构设计、单喷头喷洒水量和转动均匀性试验。通过对试验数据分析计算得到：随着喷头仰角的减小,喷头末端喷洒水量增大,抗风性增强,漂移损失减小。喷头初始仰角降低10°时,其水力性能较好,喷头射程减少1~2 m,单喷头喷灌强度值增加了0.1~1.5 mm/h,喷头转动偏差在±7%以内,单喷头喷灌强度与转动性能均符合标准规定。     

低压喷头喷嘴优化设计及内部流场数值模拟

针对目前喷头在低压工况下喷洒均匀性较差、射程变短等问题,依据面积相同原则设计多种形状的异形喷嘴,运用ANASY软件对其内流场进行三维仿真模拟,模拟结果表明:倒U形喷嘴出口断面的速度分布高速区域所占面积最大,整个出口的速度一致性较好,有利于提高喷头射程,改善喷灌均匀性.并通过测量低压喷头的性能参数,包括射程、水量分布和末端水滴直径,来验证数值模拟的准确性.试验结果表明:倒U形喷嘴的射程约为圆形喷嘴的1.110倍,稍低于数值模拟的计算结果,基本在2%左右;工作压力为300 kPa时,喷头的末端水滴直径以倒U形喷嘴最小为4.21 mm,说明倒U形喷嘴的雾化性能最好;倒U形喷嘴的水量分布近似呈三角形,其组合均匀性系数均在82 %以上,圆形和圆角矩形喷嘴的水量随喷头距离的变大先增大后减小,均低于倒U形喷嘴的组合均匀性系数.数值模拟和试验结果表明,倒U形喷嘴的水力性能优于其他3种喷嘴,在提高喷灌均匀性的基础上,还增大了射程.     

球形接头调角度应用于坡地喷灌

坡地喷灌中,由于喷洒图形的改变影响了喷洒均匀性,改变立管倾角和改变喷头仰角成为必要,利用球形接头可方便地实现角度调节.通过对10PXH喷头转动均匀性分析,坡地上射程分析以及坡地上径向水量分布试验,给出球形接头的调节范围,以及在不同地形坡度情况下,球形接头合适的调节角度,用于改善坡地喷灌的质量.     

不同工况对喷灌水量分布的影响

为了探究不同工况对射流式喷头喷灌水量的影响,通过对射流式喷头在不同组合间距和工作压力下的水量分布数据进行分析,拟合出了喷头在不同工作压力及组合间距下的降水强度,采用克里斯琴森均匀系数和分布均匀性系数计算了相应的喷灌均匀度.结果发现喷头组合间距在1.0R~1.4R变化时正方形组合喷灌的CU值随喷头间距的增大呈下降趋势,CU值均大于70%;1.0R和1.2R组合间距下正方形组合喷灌低值区域的占比比三角形组合高,而1.4R的组合间距则与上述相反;当压力由0.1 MPa升至0.3 MPa时三角形组合喷灌区域的灌水峰值随着压力的增大呈先减小后增大的趋势;在正方形组合形式下增大工作压力有利于提高喷洒区域内的均匀性;压力损失并不总是降低喷灌的均匀性,0.2~0.3 MPa压力下,10%的压力损失对喷头喷灌均匀性几乎没影响;射流式喷头1.4 m安装高度、0.25 MPa压力下宜采用1.4R间距的三角形组合.