滾移式噴灌機(jī)噴頭優(yōu)選及水力性能優(yōu)化

孫文峰，王艷花，王 騰，侯守印，種保中

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滾移式噴灌機(jī)噴頭優(yōu)選及水力性能優(yōu)化

孫文峰，王艷花，王 騰，侯守印，種保中

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030）

為解決滾移式噴灌機(jī)水力性能差的問(wèn)題，擬通過(guò)單噴頭試驗(yàn)、模擬計(jì)算和比較分析，選擇出適合于滾移式噴灌機(jī)的噴頭，從根本上改善機(jī)組的水力性能。同時(shí)對(duì)影響滾移式噴灌機(jī)水力性能的結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)，采用二次回歸正交旋轉(zhuǎn)中心組合優(yōu)化試驗(yàn)方法，以噴頭工作壓力、噴頭間距、噴灑間距為影響因素，噴灌均勻系數(shù)和噴灌強(qiáng)度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，得到模型回歸方程。在評(píng)價(jià)指標(biāo)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的條件下獲得該機(jī)組工作效率較高的參數(shù)組合：噴頭工作壓力0.4 MPa，噴頭間距10 m，噴灑間距18 m，此時(shí)滾移式噴灌機(jī)噴灌均勻系數(shù)為0.91，噴灌強(qiáng)度為10.43 mm/h，噴灌效果較好。與現(xiàn)存的12 m′12 m的滾移式噴灌機(jī)相比，噴灌單位面積土地需要移動(dòng)機(jī)組的次數(shù)減少了33.3%，工作效率大幅度提高，且減少勞動(dòng)力。研究可為滾移式噴灌機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展提供參考，也可為其他噴灌設(shè)備中搖臂式噴頭的選型提供理論依據(jù)。

灌溉；噴嘴；試驗(yàn)；滾移式噴灌機(jī)；水力性能；噴頭；參數(shù)優(yōu)化

0 引 言

噴灌技術(shù)可以有效提高農(nóng)業(yè)水資源利用率[1-2]，提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)[3-5]，對(duì)解決水資源危機(jī)和實(shí)現(xiàn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義[6-7]?，F(xiàn)有主要的噴灌機(jī)械有卷盤(pán)式、中心支軸式、平移式和滾移式噴灌機(jī)[8-10]等。卷盤(pán)式噴灌機(jī)單位灌溉面積投資低，轉(zhuǎn)移方便，但大多配備高壓噴頭，能耗較高，且作業(yè)時(shí)需要機(jī)行道，占用耕地較多[11]；中心支軸式和平移式噴灌機(jī)整機(jī)移動(dòng)性好，自動(dòng)化程度高，已在中國(guó)部分省區(qū)得到應(yīng)用，但要求管理和維護(hù)水平高，在補(bǔ)充性灌溉地區(qū)不能很好地發(fā)揮作用[12]，且中心支軸式噴灌機(jī)為圓形移動(dòng)噴灌，不符合中國(guó)的農(nóng)藝要求，車(chē)輪壓地面積大，降低了土地利用率；滾移式噴灌機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，整體機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)移、安裝、拆卸方便，單位作業(yè)面積投資低，維護(hù)量少等優(yōu)點(diǎn)[13-14]，是一種適合中國(guó)北方大面積經(jīng)營(yíng)模式和生產(chǎn)力水平的噴灌機(jī)械。

目前滾移式噴灌機(jī)在中國(guó)沒(méi)有得到應(yīng)有的重視，對(duì)它的研究較少，生產(chǎn)中應(yīng)用的滾移式噴灌機(jī)存在的問(wèn)題如噴灌均勻系數(shù)低、噴灑穩(wěn)定性差等[15]遲遲得不到解決，限制了滾移式噴灌機(jī)的發(fā)展。前人在分析工作壓力和組 合間距對(duì)噴灌均勻系數(shù)的影響方面有過(guò)一些研究[16-17]，但以往這方面研究?jī)?yōu)化出的噴頭組合間距一般為正方形組合。滾移式噴灌機(jī)為定點(diǎn)式噴灌，噴灑間距越大，單位噴灌次數(shù)越少，噴灌機(jī)工作效率越高，但噴頭間距受輸水支管加工、運(yùn)輸?shù)葪l件限制，不能過(guò)大，因此優(yōu)化出能使?jié)L移式噴灌機(jī)具有較高噴灌均勻系數(shù)和工作效率的矩形組合間距很有必要。本文為改善滾移式噴灌機(jī)的水力性能，擬進(jìn)行單噴頭水力性能對(duì)比試驗(yàn)，選擇適合滾移式噴灌機(jī)的噴頭，從根本上改善機(jī)組水力性能差的問(wèn)題。同時(shí)進(jìn)行滾移式噴灌機(jī)參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)，在保證設(shè)備具有較好的水力性能的條件下，獲得該機(jī)組工作效率較高的參數(shù)組合，以期為滾移式噴灌機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展提供參考。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

滾移式噴灌機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1a所示，主要由動(dòng)力車(chē)，輸水支管，輸水支管上安裝的自動(dòng)泄水閥、噴頭平衡機(jī)構(gòu)、噴頭、車(chē)輪等組成[18]。動(dòng)力車(chē)提供的動(dòng)力部分用于驅(qū)動(dòng)主車(chē)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，部分傳遞到輸水支管，輸水支管充當(dāng)輪軸，驅(qū)動(dòng)車(chē)輪滾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的直線移動(dòng)。與其他滾移式噴灌機(jī)相比，該噴灌機(jī)經(jīng)濟(jì)性更好，各部件工作可靠、機(jī)組通過(guò)性強(qiáng)。

1.2 工作原理

滾移式噴灌機(jī)的工作方式為定點(diǎn)噴灑式[19]（即在1個(gè)位置噴灌完成后移動(dòng)到下1個(gè)位置繼續(xù)噴灌），如圖1b所示。工作時(shí)，將水源連接至靜止噴灌機(jī)，進(jìn)行噴灌作業(yè)；達(dá)到設(shè)計(jì)噴灌要求后，切斷水源，通過(guò)中央的動(dòng)力車(chē)將機(jī)組滾移到下1個(gè)需要噴灌的作業(yè)地點(diǎn)，同時(shí)，重復(fù)上道工序，如此循環(huán)，直到完成1次噴灌周期。

1. 動(dòng)力車(chē) 2. 自動(dòng)泄水閥 3. 輸水支管 4. 車(chē)輪 5. 噴頭平衡機(jī)構(gòu) 6. 噴頭

7. 裝有車(chē)輪的輸水支管 8. 單噴頭噴灑范圍

1. Driving carriage 2. Automatic drain valve 3. Water pipe 4. Wheel 5. Sprinkler level 6. Impact-drive sprinkler head 7. Water pipe with wheel 8. Spray range of single spray head

注：→表示機(jī)組移動(dòng)方向；為機(jī)組移動(dòng)距離，即噴灑間距，m。

Note: →for moving direction of device;for mobile distance of device, namely sprinkler spacing, m.

圖1 滾移式噴灌機(jī)結(jié)構(gòu)及工作方式示意圖

Fig.1 Schematic of roll wheel line move sprinkling irrigation machine structure and working mode

2 噴頭優(yōu)選試驗(yàn)

2.1 材料與設(shè)備

供試噴頭選擇國(guó)內(nèi)外應(yīng)用比較普及，技術(shù)相對(duì)成熟的6種型號(hào)：30PS型、2000S型、DY-1型、ZY-2型、FPY-1型和8034D型[20]，如圖2所示。各噴頭的結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)，如表1所示。

1. 30PS型 2. 2000S型 3. 8034D 4. FPY-1型 5. ZY-2 6. DY-1型

表1 噴頭結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)

試驗(yàn)所用的主要儀器設(shè)備有拖拉機(jī)、水泵（型號(hào)AR130，最大流量7.8 m3/h，最大壓力0.8 MPa）、水箱（1000 L）、電子控制器、水管（40 m）、小車(chē)、壓力表（量程1 MPa，精度0.02 MPa）、雨量筒、量筒（精度10 mL）、米尺等。

試驗(yàn)設(shè)備布置如圖3a所示，拖拉機(jī)為水泵提供動(dòng)力，水泵進(jìn)水口接水箱，出水口連接電子控制器，然后接水管，水管另一端連接安裝在小車(chē)上的壓力表與噴頭。電子控制器中包含壓力穩(wěn)定計(jì)和流量計(jì)，壓力穩(wěn)定計(jì)通過(guò)回流系統(tǒng)隨時(shí)調(diào)整噴頭側(cè)管路壓力，保證噴頭的工作壓力不受動(dòng)力系統(tǒng)的影響，確保試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。噴灌時(shí)持續(xù)向水箱里注水。

1. 電子控制器 2. 水箱 3. 水管 4. 噴頭 5. 小車(chē) 6. 雨量筒 7. 壓力表 8. 水泵 9. 拖拉機(jī) 10. 雨量筒

2.2 試驗(yàn)方法

2015年7月，在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)訓(xùn)中心試驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行試驗(yàn)，場(chǎng)地長(zhǎng)70 m，寬50 m，地面平整。試驗(yàn)方法參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[21-22]，試驗(yàn)期間氣溫25°～30°，風(fēng)速1～2級(jí)。雨量筒的布置方式，如圖3b所示，以供試噴頭為中心，射線式均勻分布6排雨量筒，噴頭主噴嘴距雨量筒上端面高度為1.1 m，每排第1個(gè)雨量筒到噴頭的距離為1 m，其余雨量筒間隔為2 m，每個(gè)輻射線布置9個(gè)雨量筒。

試驗(yàn)采用隨機(jī)抽取供試噴頭，設(shè)置3個(gè)重復(fù)。通過(guò)調(diào)節(jié)拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸轉(zhuǎn)速和電子控制器，使噴頭壓力穩(wěn)定在0.35 MPa，開(kāi)始計(jì)時(shí)。記錄測(cè)試過(guò)程中噴頭流量和噴頭每轉(zhuǎn)1圈所用時(shí)間，每次試驗(yàn)記錄10個(gè)值。測(cè)試時(shí)間為20 min，測(cè)試完畢后測(cè)量并記錄雨量筒內(nèi)降水深值。試驗(yàn)過(guò)程，如圖4所示。

a. 試驗(yàn)場(chǎng)地與設(shè)備 a. Test site and equipmentb. 噴灑過(guò)程 b. Process of spraying

2.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.3.1 噴頭穩(wěn)定性

滾移式噴灌機(jī)一般在大田進(jìn)行作業(yè)，作業(yè)環(huán)境惡劣，自然風(fēng)力多變，因此，噴頭需要有較高的噴灑穩(wěn)定性，以抵御環(huán)境變化的影響。以噴頭轉(zhuǎn)1圈所用時(shí)間方差作為噴頭噴灑穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

式中為測(cè)量數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)；t為噴頭第次轉(zhuǎn)1圈所用時(shí)間，s；為噴頭轉(zhuǎn)1圈所用時(shí)間的平均值，s。

2.3.2 組合噴灌分布均勻性

為突出局部噴灌不足或過(guò)量對(duì)噴灌性能的影響，美國(guó)農(nóng)業(yè)部首先提出了分布均勻系數(shù)[23-24]，本文為強(qiáng)調(diào)組合噴灌時(shí)降水深較低的那部分水量，計(jì)算1/4低值的分布系數(shù)D，其定義為1/4低值的測(cè)點(diǎn)水深平均值與所有測(cè)點(diǎn)水深平均值的比值[25]，計(jì)算公式為

式中為測(cè)得的降水深值個(gè)數(shù)；為從小到大排列的第個(gè)降水深值，=1,2,3,…,；h為第個(gè)降水深值，mm；m為大小排列的/4個(gè)降水深低值的個(gè)數(shù)；h為第個(gè)從小到大排列的/4個(gè)降水深低值，mm。

2.3.3 組合噴灌均勻系數(shù)

組合噴灌均勻系數(shù)的計(jì)算公式[26]如下：

式中C為噴灌均勻系數(shù)；為雨量筒的個(gè)數(shù)；P為第個(gè)雨量筒的噴灌強(qiáng)度，mm/h；為平均噴灌強(qiáng)度，mm/h。

噴灌強(qiáng)度用如下公式計(jì)算：

式中h為第個(gè)雨量筒的降水深值，mm；為雨量筒受水時(shí)間，h。

2.4 結(jié)果與分析

2.4.1 噴頭穩(wěn)定性

測(cè)得的噴頭每轉(zhuǎn)1圈所用時(shí)間方差如表2所示。從表中可以看出，F(xiàn)PY-1型噴頭方差值最大，說(shuō)明其噴灑穩(wěn)定性最差，不適合用于滾移式噴灌機(jī)；30PS型和8034D型噴頭的方差值較小，穩(wěn)定性好，應(yīng)優(yōu)先選用。

表2 噴頭轉(zhuǎn)1圈所用時(shí)間方差和水量分布均勻系數(shù)

2.4.2 組合噴灌分布均勻性

應(yīng)用MATLAB軟件，采用3次樣條2次插值的方法將試驗(yàn)測(cè)得的噴頭徑向數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成網(wǎng)格形[27-28]，計(jì)算各噴頭組合間距為11 m′15 m時(shí)的水量分布均勻系數(shù)，計(jì)算結(jié)果如表2所示。從表中可以看出，DY-1型噴頭的分布均勻系數(shù)較低，容易產(chǎn)生局部噴灌不足的現(xiàn)象。30PS型和8034D型噴頭分布均勻系數(shù)較高，應(yīng)優(yōu)先選用。

繪制噴頭組合間距從8 m到28 m時(shí)各噴頭組合噴灌均勻系數(shù)分布圖，結(jié)果如圖5所示。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[26]要求行噴噴灌系統(tǒng)噴灌均勻系數(shù)不應(yīng)低于0.85，滾移式噴灌機(jī)要求達(dá)到較高的噴灌均勻系數(shù)，但均勻系數(shù)太高會(huì)增加成本和降低工作效率，因此本文要求滾移式噴灌機(jī)的噴灌均勻系數(shù)需大于0.9。分析圖5時(shí)主要觀察噴灌均勻系數(shù)為0.9這條等高線。由圖可知，30PS型、ZY-2型噴頭不能滿(mǎn)足噴灌要求，且整體噴灌均勻系數(shù)偏低，不利于組合噴灌；FPY-1型、8034D型噴頭組合噴灌均勻系數(shù)能夠滿(mǎn)足噴灌要求的組合間距范圍很廣，應(yīng)優(yōu)先選用。

圖5 不同組合間距各噴頭噴灌均勻系數(shù)分布

2.4.3 徑向水量分布

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制噴頭徑向水量分布曲線，如圖6所示。由圖可知，DY-1型噴頭水量分布曲線很陡，單噴頭水力性能較差，在組合噴灌中容易造成某些位置水量過(guò)大或過(guò)小，或組合噴灌強(qiáng)度超出標(biāo)準(zhǔn)范圍；ZY-2型噴頭水量分布曲線平緩，射程遠(yuǎn)，僅適合單噴頭灌溉。

圖6 噴頭徑向降水深分布曲線

由上述分析可知，F(xiàn)PY-1型噴頭噴灑穩(wěn)定性差，DY-1型噴頭容易產(chǎn)生局部噴灌不足的現(xiàn)象，30PS型和ZY-2型噴頭矩形組合噴灌均勻性差，都不適合用于滾移式噴灌機(jī)，8034D型噴頭噴灑穩(wěn)定性好，組合噴灌性能優(yōu)良，能夠很好地滿(mǎn)足滾移式噴灌機(jī)的噴灌要求，且價(jià)格便宜，因此最適合滾移式噴灌機(jī)的噴頭為8034D型。

3 機(jī)組結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用第2節(jié)選定的8034D型噴頭，該噴頭主要用于農(nóng)業(yè)、園林和草坪灌溉，主體和搖臂的材質(zhì)為高強(qiáng)度銅合金，噴嘴的材質(zhì)為黃銅，不銹鋼的銷(xiāo)子和彈簧，確保產(chǎn)品使用壽命。8034D型噴頭主噴嘴直徑′副噴嘴直徑有6種：3.57 mm′2.38 mm、3.96 mm′2.38 mm、4.36 mm′2.38 mm、4.76 mm′3.17 mm、5.15 mm′3.17 mm和5.55 mm′3.17 mm。試驗(yàn)采用4.36 mm′2.38 mm的噴嘴。其他儀器設(shè)備包括：水泵（山西天海泵業(yè)有限公司200QJ80-98/7）、滾移式噴灌機(jī)（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)GYP-300型）、車(chē)輪、手動(dòng)壓力調(diào)節(jié)閥、流量計(jì)（0.1 L/min）、測(cè)風(fēng)儀（精度0.1 m/s）、溫度計(jì)（精度0.1 ℃）、雨量筒、量筒（精度10 mL）、壓力表（量程1 MPa，精度0.02 MPa）、米尺（50 m）。

3.2 試驗(yàn)方法

2015年9月在黑龍江省蘭西縣實(shí)施試驗(yàn)，采用3因素5水平二次回歸正交旋轉(zhuǎn)中心組合優(yōu)化試驗(yàn)方法，以影響滾移式噴灌機(jī)水力性能的結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)噴頭工作壓力（1）、噴頭間距（2）、噴灑間距（3）為影響因素，組合噴灌均勻系數(shù)（1）、噴灌強(qiáng)度（2）為評(píng)價(jià)指標(biāo)（表3），共實(shí)施23組試驗(yàn)。

表3 因素水平編碼表

滾移式噴灌機(jī)噴頭間距受輸水支管長(zhǎng)度的限制，間距需要適中，不能太大；噴灑間距越大，單位面積需要噴灌的次數(shù)越少，節(jié)省了自動(dòng)泄水和移動(dòng)噴灌機(jī)的時(shí)間，噴灌效率越高，據(jù)此確定影響因素噴頭間距和噴灑間距的取值范圍。影響因素水平編碼表和試驗(yàn)方案，如表3所示，應(yīng)用Design-Expert6.0.10進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析。

實(shí)施方案布局如圖7a所示，布置3條支管，支管間距（即噴灑間距）為3，每條支管上安裝3個(gè)噴頭，安裝間距為2。以中間噴頭為中心，對(duì)2′3的矩形區(qū)域進(jìn)行水量測(cè)試，雨量筒的布置間隔為2 m′2 m。支管入口處壓力1，壓力可通過(guò)手動(dòng)壓力調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)。每組試驗(yàn)過(guò)程中記錄噴頭流量、壓力、風(fēng)速、溫度，測(cè)試時(shí)間為30 min，測(cè)試完畢后測(cè)量并記錄雨量筒內(nèi)水體積。試驗(yàn)過(guò)程，如圖7b所示。

圖7 實(shí)施方案布局及試驗(yàn)圖

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得的雨量筒水量，計(jì)算試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)的噴灌均勻系數(shù)和噴灌強(qiáng)度，計(jì)算方法同本文2.3.2、2.3.3所述。計(jì)算結(jié)果，如表4所示。

表4 試驗(yàn)結(jié)果

3.3 結(jié)果與分析

3.3.1 回歸模型

噴灌均勻系數(shù)和噴灌強(qiáng)度的方差分析表明，每個(gè)指標(biāo)擬合項(xiàng)的>0.05，說(shuō)明回歸模型擬合效果好，回歸項(xiàng)>0.05，說(shuō)明回歸方程極顯著。將噴灌均勻系數(shù)1、組合噴灌強(qiáng)度2的回歸方程各系數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)，剔除不顯著項(xiàng)后，得到回歸方程，如式（8）、（9）所示。

3.3.2 各因素對(duì)各項(xiàng)性能指標(biāo)的貢獻(xiàn)率

對(duì)于由試驗(yàn)數(shù)據(jù)所建立的二次回歸方程，可利用對(duì)二次方程系數(shù)的檢驗(yàn)結(jié)果，來(lái)判斷因素對(duì)指標(biāo)作用的程度。具體的計(jì)算方法參考文獻(xiàn)[29]，計(jì)算結(jié)果如表5所示。結(jié)果表明，對(duì)于噴灌均勻系數(shù)，各因素的貢獻(xiàn)率大小依次是噴灑間距、工作壓力、噴頭間距；對(duì)于組合噴灌強(qiáng)度，各因素的貢獻(xiàn)率大小依次是噴灑間距、噴頭間距、工作壓力。

表5 各因素對(duì)灌溉均勻系數(shù)和噴灌強(qiáng)度的貢獻(xiàn)率

3.3.3 各因素對(duì)噴灌均勻系數(shù)和灌溉強(qiáng)度的影響

圖8為各因素組合噴灌均勻系數(shù)和灌溉強(qiáng)度的響應(yīng)曲面圖。圖8a顯示了噴灑間距在15 m的條件下，噴頭間距和工作壓力對(duì)噴灌均勻系數(shù)的影響。從圖8a中可以看出，在試驗(yàn)取值范圍內(nèi)，當(dāng)壓力一定時(shí)，隨著噴頭間距增大，噴灌均勻系數(shù)逐漸降低。當(dāng)噴頭間距不變時(shí)，壓力越大，噴灌均勻系數(shù)越高，這是由于壓力越高，水滴被破碎的越均勻，分布更均勻，所以噴灌均勻系數(shù)增加。圖8b顯示了噴頭間距在11 m時(shí)，噴灑間距和噴頭工作壓力對(duì)噴灌均勻系數(shù)的影響。在試驗(yàn)取值范圍內(nèi)，當(dāng)壓力一定時(shí)，隨著噴灑間距增大，噴灌均勻系數(shù)總體呈降低趨勢(shì)，從噴灌均勻系數(shù)的等高線分布（等高線間隔0.02）可以看出，噴灑間距在0水平以下時(shí)，噴灑間距對(duì)噴灌均勻系數(shù)的影響比較緩慢，當(dāng)噴灑間距在0水平以上時(shí)，隨著噴灑間距增加，噴灌均勻系數(shù)快速降低；當(dāng)噴灑間距一定時(shí)，隨著壓力升高，組合噴灌均勻系數(shù)呈上升趨勢(shì)。圖8c顯示了壓力在0.3 MPa時(shí)，噴灑間距和噴頭間距對(duì)噴灌均勻系數(shù)的影響。在試驗(yàn)取值范圍內(nèi)，噴頭間距一定時(shí)，隨著噴灑間距增加，噴灌均勻系數(shù)總體呈降低趨勢(shì)，且降低的速度由慢變快。圖8d顯示了噴灑間距在15 m的條件下，噴頭間距和工作壓力對(duì)噴灌強(qiáng)度的影響。從圖中可以看出，在試驗(yàn)取值范圍內(nèi)，當(dāng)壓 力一定時(shí)，隨著噴頭間距增大，噴灌強(qiáng)度逐漸降低。當(dāng)噴頭間距不變時(shí)，壓力越大，噴灌均勻系數(shù)越高，這是由于壓力越高，噴頭流量越大，所以噴灌強(qiáng)度的增加。圖8e顯示了噴頭間距在11 m時(shí)，噴灑間距和噴頭工作壓力對(duì)組合噴灌強(qiáng)度的影響。在試驗(yàn)取值范圍內(nèi)，當(dāng)壓力一定時(shí)，隨著噴灑間距增大，噴灌強(qiáng)度逐漸降低；當(dāng)噴灑間距一定時(shí)，隨著壓力的升高，噴灌強(qiáng)度逐漸增加。圖8f為壓力在0.3 MPa時(shí)，噴灑間距和噴頭間距對(duì)噴灌強(qiáng)度的影響。在試驗(yàn)取值范圍內(nèi)，噴頭間距一定時(shí)，隨著噴灑間距增加，噴灌強(qiáng)度降低；當(dāng)噴灑間距一定時(shí)，隨著噴頭間距增加，噴灌強(qiáng)度逐漸降低。

圖8 各因素對(duì)組合噴灌均勻系數(shù)和噴灌強(qiáng)度的影響

3.4 優(yōu)化結(jié)果驗(yàn)證

考慮到滾移式噴灌機(jī)的生產(chǎn)、運(yùn)輸和噴頭效率等因素，噴頭間距最好優(yōu)化在10～12 m的范圍內(nèi)；噴灑間距越大，噴灌單位面積土地機(jī)組需要移動(dòng)的次數(shù)越少，噴灌效率越高，因此噴灑間距越大越好；噴灌均勻系數(shù)越高，噴灌效果越好，但會(huì)增加成本和降低工作效率，因此本文要求優(yōu)化后的滾移式噴灌機(jī)噴灌均勻系數(shù)大于90%即可。

在壓力0.2～0.4 MPa，噴頭間距10～12 m，噴灑間距10～20 m，噴灌均勻系數(shù)大于90%，噴灌強(qiáng)度9～ 17 mm/h的約束條件下，得到滾移式噴灌機(jī)工作效率較高的最優(yōu)參數(shù)組合：噴頭工作壓力0.4 MPa，噴頭間距 10 m，噴灑間距18 m。與現(xiàn)存的12 m′12 m的滾移式噴灌機(jī)相比，噴灌單位面積土地需要移動(dòng)機(jī)組的次數(shù)減少了33.3%。

按照優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)，即噴頭工作壓力0.4 MPa，噴頭間距10 m，噴灑間距18 m，進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值，試驗(yàn)照片如圖9所示。驗(yàn)證結(jié)果表明噴灌均勻系數(shù)為0.91，噴灌強(qiáng)度為10.43 mm/h，驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果在優(yōu)化性能指標(biāo)區(qū)間內(nèi)，表明優(yōu)化結(jié)果可信。

圖9 驗(yàn)證試驗(yàn)圖片

4 結(jié)論與討論

1）通過(guò)單噴頭水力性能試驗(yàn)和模擬計(jì)算，比較了6種國(guó)內(nèi)外應(yīng)用比較普及、技術(shù)相對(duì)成熟的噴頭的水力性能，認(rèn)為8034D型噴頭最適合應(yīng)用于滾移式噴灌機(jī)中。該噴頭作業(yè)性能穩(wěn)定，矩形組合噴灌性能優(yōu)良，價(jià)格適中，能夠滿(mǎn)足滾移式噴灌機(jī)的噴灌要求。改善了滾移式噴灌機(jī)水力性能，也為以后其他噴灌設(shè)備中搖臂式噴頭的選型提供有價(jià)值的參考依據(jù)。

2）采用二次回歸正交旋轉(zhuǎn)中心組合優(yōu)化試驗(yàn)方法，以噴頭工作壓力、噴頭間距、噴灑間距為影響因素，噴灌均勻系數(shù)和噴灌強(qiáng)度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，得到模型回歸方程。在評(píng)價(jià)指標(biāo)滿(mǎn)足要求的條件下獲得該機(jī)組工作效率較高的參數(shù)組合：噴頭工作壓力0.4 MPa，噴頭間距10 m，噴灑間距18 m，此時(shí)滾移式噴灌機(jī)噴灌均勻系數(shù)為0.91，噴灌強(qiáng)度為10.43 mm/h。與現(xiàn)存的12 m′12 m的滾移式噴灌機(jī)相比，噴灌單位面積土地需要移動(dòng)機(jī)組的次數(shù)減少了33.3%，工作效率大幅度提高，且減輕了勞動(dòng)力。該研究可為滾移式噴灌機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展提供參考。

每種型號(hào)的噴頭都有多種不同流量的噴嘴，本文只選取了流量相近的一種噴嘴進(jìn)行了試驗(yàn)，由于田間地塊環(huán)境差異較大，本文選取的噴嘴的噴灌強(qiáng)度可能在某些地方不適用。后續(xù)可以對(duì)每種型號(hào)的不同噴嘴進(jìn)行試驗(yàn)研究，優(yōu)選出幾種流量不同的噴嘴，適應(yīng)農(nóng)田、牧草乃至樹(shù)苗等多種地塊的噴灌作業(yè)要求。

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Spray head selection and hydraulic performance optimization of roll wheel line move sprinkling irrigation machine

Sun Wenfeng, Wang Yanhua, Wang Teng, Hou Shouyin, Chong Baozhong

(150030,)

Roll wheel line move sprinkling irrigation machine is a kind of important sprinkler irrigation equipment and it is one of the suitable systems for large area of the north China management pattern and level of productivity. However, the hydraulic performance of roll wheel line move sprinkling irrigation machine, which are put into use currently, is poor, limiting the development of roll wheel line move sprinkling irrigation machine. In order to solve these problems, the spray heads of roll wheel line move sprinkling irrigation machine were selected, and the optimal combination of the structure and working parameters of roll wheel line move sprinkling irrigation machine were investigated. Six kinds of popular spray heads including 30PS type, 2000S type, DY-1 type, ZY-2 type, FPY-1 type and 8034D type were used. Then the single spray head hydraulic performance tests were conducted. The test spray heads were mounted vertically on the car of 1-m height, rain gauges were arranged radically with 6 rows and centered on the spray head. During the test, the time taken for each revolution of the spray head and the water depth in the rain gauges were recorded. The spray stability, radial water distribution and rectangular combination sprinkler irrigation uniformity were determined. The suitable sprinkler head for GYP-300 type roll wheel line move sprinkling irrigation machine was chosen. The results showed that the 8034D type spray head had the advantages of high spraying stability, and well combination sprinkler irrigation performance, improving the hydraulic performance of roll wheel line move sprinkling irrigation machine fundamentally. At the same time, the method of 3 factors 5 levels quadratic regression orthogonal rotation center combined was applied to find the optimum parameters combination of roll wheel line move sprinkling irrigation machine. Working pressure of 8034D type spray head, spray head spacing, and spraying distance were selected as the influencing factors, and irrigation uniformity and application intensity were selected as the objective functions. The results showed that the contribution rate on irrigation uniformity was highest for the spraying distance, followed by working pressure and spray head spacing. The contribution rate on irrigation intensity was highest for the spraying distance, followed by spray head spacing and working pressure. The optimum parameter combination that could met the design requirements and had high working efficiency was the working pressure of 0.4 MPa, spray head spacing of 12 m, spraying distance of 18 m. In this condition, the irrigation uniformity could reach 0.91 and application intensity could reach 10.43 mm/h. By comparing with the existing 12 m′12 m roll wheel line move sprinkling irrigation machine, the numbers moving units per unit area was decreased by 33.3%, the work efficiency was greatly improved and the labor force was reduced. The study can provide valuable information for the further development of roll wheel line move sprinkling irrigation machine.

irrigation; nozzles; experiments; roll wheel line move sprinkling irrigation machine; hydraulic performance; impact-drive sprinkler head; parameters optimization

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.03.013

S277.9

A

1002-6819(2017)-03-0099-08

2016-02-19

2016-08-10

黑龍江省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2013G0303）；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專(zhuān)項(xiàng)資金（GARS–04）

孫文峰，男，黑龍江嫩江人，研究員，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械研究。哈爾濱東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，150030。E-mail：swf53@sohu.com

孫文峰，王艷花，王 騰，侯守印，種保中. 滾移式噴灌機(jī)噴頭優(yōu)選及水力性能優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(3)：99－106. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.03.013 http://www.tcsae.org

Sun Wenfeng, Wang Yanhua, Wangteng, Hou Shouyin, Chong Baozhong. Spray head selection and hydraulic performance optimization of roll wheel line move sprinkling irrigation machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(3): 99－106. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.03.013 http://www.tcsae.org