中心支轴式喷灌机喷头配置方法及其数学模型.pdf

第 2 3卷 2 0 07正 第 2 期 2月 农 业 工 程 学 报 Tr a n s a c t i o n s o f t h e CS AE Vo 1 23 No 2 Fe b 2 00 7 11 7 中心支轴式喷灌机喷头配置方法及其数学模型 仪修 堂 窦 以松 兰才有 杨培 岭 曾德超 侯永胜 高战地 1 中国农业大学水利与土木工程学 院 北京 1 0 0 0 8 3 2 中国农业机械化科学研究院 北京 1 0 0 0 8 3 3 中国水利水电科学研究院水利所 北京 1 0 0 0 4 4 摘要 以中心支轴式喷灌机结 构尺寸为约束条件 以单位时 间灌 水深 度和机组运行角速度 为初 始参数 对 喷头配 置方法 进行 了系统研究 建立 了喷头配置数学模型 并开发 出喷头 配置软件 利用该方法 和数 学模 型可确定 中心支轴式 喷灌机 的 最佳 喷头配 置方案 同时得出与该方案相匹配的机组人机流量 和人 机压力 该喷头配置模型 和软 件通用性强 可方便地 用 于各种 长度 的中心支轴式 喷灌机 对于提高 中心支轴式喷灌机 的灌水均 匀度 发挥机组 及配套水泵的最佳性 能具有重要 意 义 关键词 中心 支轴式喷灌机 喷 头配置 数 学模型 中图分 类号 2 2 0 3 4 文献标 识码 A 文章编号 1 0 0 2 6 8 1 9 2 0 0 7 2 0 1 1 7 0 5 仪修 堂 窦以松 兰才有 等 中心支轴式喷灌机喷头配置方 法及其数学模型 f J 3 农业 工程学报 2 0 0 7 2 3 2 1 1 7 1 2 1 Yi Xi u t a n g Do u Yi s o n g La n C a i y o u e t a 1 S p r i n k l e r c o n f i g u r a t i o n me t h o d a n d ma t h e ma t i c a l mo d e l o f c e n t e r p i v o t i r r i g a t i o n s y s t e m J J T r a n s a c t i o n s o f t h e C S AE 2 0 0 7 2 3 2 1 1 7 1 2 1 一 i n C h i n e s e w i t h E n g l i s h a b s t r a c t 0 引 言 中 心 支 轴 式 喷 灌 机 C e n t e r p i v o t i r r i g a t i o n s y s t e m 也称圆形喷灌机 是迄今为止 自动化程度最高 的一种喷灌机 由于其具有省工 省力 易于实现精确灌 溉 施肥 施药 等显著优点 已在北美 西欧 中东等劳 动力价格高的国家普遍应用 许多发展 中国家的使用量 近年来也大幅度增长 中国从 2 0世纪 7 0年代末开始研 制并应用 中心支轴式喷灌机 近年来 随着中国水资源 短缺矛盾的加剧 农牧业经营规模的扩大和劳动力价格 的提高 中心支轴式喷灌机使用量也呈现出逐年快速增 长的趋 势l 1 j 灌水均匀度是喷灌机组 系统 的重要技术经济指 标之一 2 j 中心支轴式喷灌机灌溉作业时 长达数百 米 g 用长度为 4 0 0 m 左右 的桁架输水管绕着固定 的 中心支轴旋转 沿机组长度方向的灌溉面积以机组有效 长度的二次方关系增加 而输水管内的压力却随着机组 有效长度的增加而大幅度降低 因此 该机组的灌水均 匀度就成为人们普遍关心 并需重点研究的问题之一 中国 目前正在使用 的中心支轴式喷灌 机灌水均匀度普 遍偏低 有的甚至 漏喷 对该机组的推广应用产生 了 严重 的负 面影 响 在中心支轴式喷灌机机械结构一定的情况下 为了 收稿 日期 2 0 0 6 0 4 2 6 修订 日期 2 0 0 6 0 8 2 2 基金项 目 国家 8 6 3 计划课题 2 0 0 2 AA2 Z 4 1 6 1 作者 简介 仪修 堂 1 9 7 0 男 内蒙古赤峰人 博士生 主要从事节 水灌溉技术与设备研 究工作 北京市德胜 门外北沙滩 1号 中国农 业机械化科学研究院 1 0 0 0 8 3 E ma i l x i u t y s i n a c o m 达到所需 的灌水深度并符合灌水均匀度要求 以单位时 间灌水深度等为初始参数 的喷头配置必须满足一定的 要求 传统的喷头配置方法主要有两种 6 一是改变喷 头间距法 即从 中心支轴开始 沿着机组长度方 向的喷 头间距从大到小逐渐变化 这种方法安装 更换喷头很 方便 但各段桁架输水管难 以通用和互换 对机组长度 和流量变化的适应性也较差 二是节流孔法 即在桁架 输水管的每个喷头座 出水 口 上加装带孔的小圆盘 从 中心支轴至桁架输水管末端 圆盘孔 的直径逐渐增大 这种方法可以获得较高的灌水均匀度 但由于靠近中心 支轴 的圆盘孔直径通常很小 灌溉作业时很容易堵塞 而且各个圆盘孔的尺寸相差很小 难以区分 给安装 更 换和维修带来诸多不便 近年来 国内外喷头生产厂研制出许多中心支轴式 喷灌机专用配套喷头 这些喷头中的一个系列可配套多 达几十种不同直径 的喷嘴 为中心支轴式喷灌机喷头配 置提供了方便 但到 目前为止 国内还没有人对这类喷 头在中心支轴式喷灌机上的配置理论和方法进行研究 出于保密或其他 目的 国外生产厂的喷头配置模型及相 应的计算机软件也不对外公开 7 结合 十五 国家 8 6 3 计划课题 轻小型移动式 与大型 自走式喷灌机组及配套产品研制与产业化开发 笔者以国内外近年来新研制的中心支轴式喷灌机专用 配套喷头产品系列为基础 以单位 时间灌水深度为 目 标 建立 了等喷头间距条件下的中心支轴式喷灌机喷头 配置数学模型 并由此开发出计算机软件 初步应用及 检测表明 采用该数学模型和软件 不但方便快捷 并能 维普资讯 1 1 8 农业 工程 学报 使中心支轴式喷灌机达到较高的灌水均匀度 发挥机组 及配套水泵的最佳性能 1 约束 条件 通过对中心支轴式喷灌机的机械结构 运行方式和 功能特性 的分析可知 喷头间距 机组机械长度和桁架 输水管内径是喷头配置的 3 个约束条件 1 1 喷头 间距 喷头间距 s m 是指 中心支轴式喷灌机相邻两个 喷头之间的距离 主要依据机组的结构尺寸确定 国 产 中心支轴式喷灌机的桁架跨距为 4 0 6 0 m 每跨桁 架通常由 8 1 2 根输水管组成 为了使每根输水管在同 一 台机组上尽可能通用 通常每根输水管上对称布置 2 个喷头 输水管连接后 与两端相邻输水管上 的喷头也 保持相同的间距 即各根桁架输水管的长度相同 连接 后的喷头间距也相 同 1 2 机 组机械 长度 中心支轴式喷灌机的机组长度通常是指从 中心支 轴到末端喷头之间的距离再加上末端喷头的有效射程 根据用户所要灌溉的面积和不同跨距长度 的桁架组合 选定 为研究方便 本文中的机组长度定义为机组的机 械长度 L m 即中心支轴与末端喷头之间的距离 如 图 1 因此 可由式 1 表示 L s N 1 式中 机组 上的配套喷头总数 一喷头间 距 m R川 R2 蜀一 R o 1 J Rf 1 l 2 R 2 3 R i i 1 R 一 I 0 1 2 3 l 1 J v一1 玑 q2 q l I 1 J v q N 喷头编号 i 1 2 N R 第 i 个喷头距 中心支轴 的距 离 m Q 第 i 到第 i 1 个 喷头之间桁架输水管内的流量 mS s 第 i 个喷头的流量 m0 s s 喷头间距 m 机 组 上的配套喷头总数 L 机组的机械长度 m 图 1 喷头流量及相 关参数 示意图 F i g 1 S c h e ma t i c d i a g r a m o f s p r i n k l e r f l o w a n d i n v o l v e d p a r a me t e r s 1 3 桁 架输水 管 内径 中心支轴式喷灌机 的桁架输水 管内径 d mm 由 结构设计决定 配置喷头时该参数已确定 常见的桁架 输水管公称 内径为 1 5 0 mm 6 2 初始参数 单位时间灌水深度和机组运行角速度是 中心支轴 式喷灌机喷头配置的两个初始参数 2 1 单位 时 间灌水 深度 中 心 支 轴 式 喷 灌 机 的 单 位 时 间 灌 水 深 度 P mm h 取决于所灌溉作物 的种类 作物的生长阶段以 及用户对生产率的要求等 特别指出 虽然单位时间灌水深度与灌水强度具有 相同的量纲 但二者的含义不同 由于中心支轴式喷灌 机属于行喷式 边行走边进行灌水作业 喷灌机组 所以 其单位时间灌水深度受到机组运行角速度的影响 而中 心支轴式喷灌机的灌水强度与机组运行角速度无关 2 2机 组运行 角 速度 机组运行角速度 o s 是指 中心支轴式喷灌机单 位时间内转过的角度 改变机组运行角速度可以改变机 组的单位时间灌水深度 P 当机组流量一定时 运行角 速度较慢者 单位时间的灌溉面积较小 灌水深度较大 反之 单位时间的灌溉面积较大 灌水深度较小 电力驱动中心支轴式喷灌机的机组运行角速度 由 安装在中央控制箱里 的百分率计时器控制 可根据需要 进行调 整 3 数学模型的建立 3 1 喷灌机期望入机流量 中心支轴式喷灌机运行一周所需的时间 丁 s 和 所灌溉的面积 A m 可分别 由式 2 和式 3 计算 丁 一 2 A 一 7 r 3 根据灌溉作物的种类 作物的生长阶段 以及用户对 生产率的要求等确定了单位时间灌水深度P后 可利用 式 2 和式 3 得出中心支轴式 喷灌机的期望入机 流 量 Q 一 r o J p L2 4 式 中 Q 中心支轴式喷灌机 的期望入机流量 m s 3 2 喷头期望流量 假定相邻两个喷头的流量和射程相等 并且喷洒到 互相重叠面积上的水量相 同 则第 i 个喷头灌溉的面积 A 可表示为 A 2 邪R 5 式 中 足 第 i 个喷头距 中心支轴的距离 I n R 维普资讯 第 2 期 仪修堂 等 中心支轴式喷灌机喷头配置方法及其数学模 型 i S 参见图 1 喷头编号 i 一 1 2 要想使机组在整个灌溉面积上的灌水均匀度最高 灌水均匀系数最大 实际上应使各个点在单位时间内 的灌水深度尽可能相等 即P 一P H P 则第 i 个喷头 的期 望流量 为 q 一 2 7 r s R 6 式中 q i e x t 第 i 个喷头的期望流量 m s 3 3 喷头 工作压 力 从中心支轴起到末端 喷头止 的区间内 第 i 到第 i 1 个喷头之间桁架输水管内的沿程水力损失r 1 为 s q 7 式中 H 第 i 到第 i 1个喷头之间桁架输 水管 内的沿程水头损失 m 厂 摩阻系数 桁 架输水 管内径 mm 流量 指数 6 管径指 数 通过第i 和第i 1 个喷头之间的管段的 一 1 流量 I T I s 桁架输水管内的局部水力损失相对于沿程水头损 失而言通常很小 可忽略不计 则第 i 个 喷头 的工作压 力 Hl 为 H 日 H 1 8 式 中 H 第 i 1 个喷头的工作压力 3 4 喷头配套喷嘴的选择与喷头配置方案的确定 喷头配套喷嘴的选择 实际上是确定中心支轴式喷 灌机各个喷头的喷嘴直径 由于实际产品中的喷嘴直径 并不是无 限连续 的 因此除末端喷头外 其他喷头的实 际流量不可能与期望流量完全相等 设第 i 个喷头的实际流量为 q 从机组桁架输水管 末端的喷头开始 逐次确定各个喷头的喷嘴直径 令末端 喷头的实际流量与期望流量相等 由式 6 得 g q 一 2 z r s R 则末端喷头的喷嘴直径可按 下式确定 j g 2 9 l d z 一 f q 式中 H 所选喷嘴的工作压力 它应在被选喷嘴 的工作压力范围内 z 所选 喷嘴的公称直径 它 应在实际备选喷头系列产品中存在 末端喷头的喷嘴确定后 次末端喷头的喷嘴及其它 各喷头的喷嘴可按下式确定 l Ht Hi H H f t H1 q f d zi 日 1 0 d z 一 f A q A q m in l l 由式 9 和式 1 0 确定的全部喷头的喷嘴组合 即 为中心支轴式喷灌机 的一种喷头配置方案 据式 9 在 不 同的工作压力下 末端喷头可以选择 的喷嘴不止一 种 凡是在工作压力范围内能够满足流量要求 的喷嘴 都 可以作 为选择方案 由于末端喷头的喷嘴有多个选 择 所 以就可以得到多个喷头配置方案 假设有 个方 案 此时 需要对每个方案都进行详细分析 选择配置最 优 的一 组 优化方 法 如下 计算第 个方案的实际入机流量 Q 一 q ij 1 1 式 中 Q 第 个 方 案 的 实 际 入 机 流 量 I T I s g 第 个方案中 第 i 个喷头的实际流量 r n s 由于各喷嘴的 q 不同 在全部配置方案 中存在一 组 配 置 方 案 其 J鱼 J最 小 则 该 方 案 即 为 最 优 喷 头配置方案 4 机组入机流量和入机压 力 为了使中心支轴式喷灌机发挥最佳灌水性能 各喷 头的喷嘴最终选定后 除了正确配置喷头外 还必须为 其提供与该配置方案相匹配的机组入机流量和入机压 力 入机流量为最优配置方案 中的全部喷头流量之和 即 Q 一 1 2 式 中 Q 中心 支 轴 式 喷 灌 机 入 机 流 量 r n s q i o p 最优喷头配置方案中 第 i 个喷头的实际流量 r n 3 s 入机压力为 中心支轴式喷灌机进水 口处的压力 即 日 一 日 1 0 D t H 1 0 p t Z 1 3 式 中 H 最优喷头配置方案 中 第一个喷头的 工作压力 Hm 最优喷头配置方案中 第一个 喷头 与机组进水 口之 间的管路水头损失 z 喷头 与机组进水 口之间的高程差 机组入机流量和入机压力这两个参数在喷头优化 配置过程中同时获得 可为中心支轴式喷灌机引水管网 的设计和配套水泵的选择提供依据 5 压力调节器的应用 为了使 中心支轴式喷灌机所灌溉面积 内的单位时 维普资讯 1 2 O 农业工 程学报 间灌水深度尽可能保持一致 要求每个喷头都有一个最 佳流量 但是 靠近中心支轴的那部分喷头 它们的实际 工作压力通常偏高 即使选用实际产品系列中的最小直 径喷嘴 其流量可能仍远大于这部分喷头应具有的最佳 流量 在这种情况下 就需要在喷头进水 口上游安装压 力调节器 对这部分喷头的工作压力进行调节 使其尽 可能达到所需的最佳流量 引 选配压力调节器应遵循下述原则和程序 首先 需 要安装压力调节器的喷头 其喷嘴直径应为被选喷嘴产 品系列中的最小值 如果不是最小值 说 明还可 以在压 力不变的情况下 选取较小直径的喷嘴 来解决流量偏 大问题 此时如果配备压力调节器 就会增加设备投资 是不经济的 其次 当选择的喷嘴直径是产品系列 中的 最小值 且实际流量仍大于该喷嘴的理论流量到一定限 度时 需要配备压力调节器 如果确定需要配备压力调 节器 则用喷头产 品系列 中的最小直径喷嘴的流量 一 压力曲线和喷嘴的期望流量 q 求 出对应 的压力 H 使 l H 一H l 最小 选配相应的压力调节器 H 为压力 调节器的输出压力 6 最佳喷头配置计算机软件及 其应 用实例 根据 以上导出的中心支轴式喷灌机喷头优化配置 数学模 型 笔者开发出了喷头配置计算机软件 利用该 软件 输入相应的初始参数 可快速输 出中心支轴式喷 灌机的最佳喷头配置方案 并给出与该方案相匹配的机 组 人机流量 和人 机压 力 利用该软件对 十五 国家 8 6 3 计 划中 轻小型移 动式与大型 自走式喷灌机组及配套产 品研制与产业化 开发 课题研制 的两台长度分别为 3 1 5 I n和 3 6 5 In 的 中心支轴式喷灌机进行了喷头优化配置 这两台喷灌机 的桁架输水管内径和喷头间距相同 喷头配置的初始条 件如表 1所示 配置结果略 表 1 3 1 5 m 和 3 6 5 m 喷灌机 喷头配置初始参数 Ta b l e 1 I ni t i a l pa r a me t e r s of s pr i nkl e r c onf i gur a t i on f or 3 1 5 m a nd 3 65 m c e nt er pi vot i r r i ga t i on s ys t e ms r e s pe c t i ve l y 2 0 0 5年 4月 国家农机具质量 监督检验 中心根据 机 械行 业 标 准 电动 大 型喷 灌 机 试 验 方法 J B T 6 2 8 0 1 1 9 9 2 对这两台中心支轴式喷灌机进行了田间 试验检测 测得 的灌水均匀 系数分别为 0 8 9和 0 8 6 均高于 电动大型喷灌机 技术条件 J B T 6 2 8 0 2 1 9 9 2 中规 定 的 0 8 O 1 7 结 论 1 对中心支轴式喷灌机喷头配置理论进行了系统 研究 确定了约束条件 初始参数等进行喷头优化配置 需 要考 虑 的 因素 2 以国内外近年来新研制的中心支轴式喷灌机专 用配套喷头产品系列为基础 以单位时间灌水深度为目 标 建立了等喷头间距条件下的中心支轴式喷灌机喷头 优化配置数学模型 并 由此开发出计算机软件 3 利用开发出的软件 可方便快捷地对 中心支轴 式喷灌机进行喷头优化配置 并同时得 出与最佳优化配 置 相 匹配 的机组人 机 流量 和人 机压力 4 田间试验检测表 明 利用开发的计算机软件进 行喷头优化配置的两台中心支轴式喷灌机达到了较高 的灌水均匀度 优于国家标准规定值 5 本研究未考虑带有末端增压泵和 或末端喷枪 的中心支轴式喷灌机 有待在 以后 的研究中进一步完善 和 补充 参 考 文 献 兰才有 仪修 堂 薛桂宁 等 中 国喷灌设备 的研发现 状及 发展趋势E J 3 排灌机械 2 0 0 5 1 1 6 J B T 6 2 8 0 1 1 9 9 2 电动大型喷灌机 技术条件 S 韩文霆 吴普 特 杨青 等 喷灌水 量分布 均匀性评 价指 标 比较及研 究进展 J 农业 工程学报 2 0 0 5 2 1 9 1 7 2 1 77 严海军 金宏智 王福军 圆形 喷灌机启闭时段对 喷洒化学 液均匀 性 的影 响 J 农 业工 程 学报 2 0 0 4 2 0 5 1 2 6 1 29 汤跃 袁 寿其 李红 等 喷灌 喷头水量 分布特性 自动 测试系统 J 农业工程学报 2 0 0 5 3 7 6 6 9 7 2 许 一飞 许 炳华 喷灌 机械原 理设计应 用 I N 北 京 中国 农业机械出版社 1 9 8 9 Ri c h a r d G Al l e n J a c k Ke l l e r De r r e l Ma r t i n Ce n t e r p i v o t s y s t e m d e s i g n C T h e I r r i g a t i o n A s s o c i a t i o n 2 00 1 12 1 8 8 Wi l m e s G J Ma r t i n D L S u p a l l a R J D e c i s i o n s u p p o r t s s y s t e m f o r d e s i g n o f c e n t e r p i v o t s J Tr a n s a c t i o n s o f t h e AS AE 1 9 9 3 3 7 1 1 6 5 1 7 5 I 9 严海军 金宏智 圆形喷 灌机 非旋转 喷头 流量 系数的研究 J 灌溉排水 学报 2 0 0 4 2 3 2 5 5 5 8 1 O 裴 二荣 柴金城 喷 嘴水 力性能分析 及设计 J 排灌机械 2 0 0 4 5 2 9 3 1 1 1 脱云飞 杨路 华 郭 涛 等 圆锥形 喷嘴水 头损 失的计算 公式与试验研究 J 节水灌溉 2 0 0 5 4 1 4 1 5 1 2 农业机 械杂志社 实用节水灌 溉技术 与设备 I N 北京 中 国农业大学 出版社 2 0 0 0 维普资讯 第 2 期 仪修 堂等 中心支轴式喷灌机喷头 配置 方法及其数学模 型 1 2 l 1 3 1 4 GB J 8 5 8 5 喷灌工程技术规范E s 1 Ph o c a i d e s A Te c h n i c a l Ha n d b o o k o n Pr e s s u r i z e d I r r i g a t i o n Te c h n i q u e s M F o o d a n d Ag r i c u l t u r e O r g a n i z a t i o n 0 f The U n i t e d Na t i o ns Rome 2 00 0 E 1 5 3 K a y M Ha t c h o N S ma l l s c a l e p u mp e d i r r i g a t i o n e n e r g y a n d c o s t M F o o d a n d Ag r i c u l t u r e Or g a n i z a t i o n o f T h e Uni t e d Nat i on s Ro me 19 92 1 6 J B T 6 2 8 0 2 1 9 9 2 电动大型喷灌机 试验方法E s 1 S pr i nkl e r c 0 nf i g u r a t i 0 n m e t ho d a n d m a t h e m a t i c a l m o d e l o f c e nt e r pi v o t i r r i g a t i o n s y s t e m Yi Xi u t a n g Dou Yi s on g L an Cai y ou Yan g Pei l i n g Zen g Dec h a o Ho u Yon gs he n g Gao Zh an di 1 Co l l e g e o f Wa t e r C o n s e r v a n c y a n d C i v i l En g i n e e r i n g Ch i n a Ag r i c u l t u r a l Un i v e r s i t y Be i j i n g 1 0 0 0 8 3 Ch i n a 2 C h i n e s e Ac a d e my o f Ag r i c u l t u r a l Me c h a n i z a t i o n a n d S c i e n c e s Be i j i n g 1 0 0 0 8 3 c i n a 3 Ch i n a I n s t i t u t e of Wa t e r Re s o u r c e s a n d Hy dr o p o we r Re s e a r c h Be i j i n g 1 0 0 0 4 4 C h i n a Ab s t r a c t Ba s e d on t h e c o ns t r a i n t s o f m e c ha n i c a l s t r u c t u r e a c c or d i ng t o t h e i ni t i a l p ar a me t e r s i r r i g a t i on de pt h i n u ni t t i me a nd r o t a t i o n s pe e d of c e n t e r p i v ot i r r i ga t i on s y s t e m t he s pr i n kl e r c on f i g ur a t i on me t ho d wa s r e s e a r c