基于卷盤式噴灌機(jī)的低壓雙噴槍噴灑水力特征研究

趙海青，吳普特，朱德蘭，張 凱，馮英俊，譚志翔

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

0 引 言

卷盤式噴灌機(jī)因其節(jié)水省工、機(jī)動(dòng)靈活、適應(yīng)我國(guó)耕地分布等特點(diǎn)，成為我國(guó)農(nóng)業(yè)灌溉的主要裝備之一，也是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外高效節(jié)水灌溉研究的熱點(diǎn)，但機(jī)組能耗高導(dǎo)致運(yùn)行費(fèi)用居高不下是卷盤式噴灌機(jī)主要缺點(diǎn)之一[1-10]。Oakes和Rochester[10]的研究發(fā)現(xiàn)，將灌溉水均勻噴灑至田間的能耗約為卷盤機(jī)組總能耗的一半，故降低噴槍工作壓力是降低能耗的首要途徑。

許多研究學(xué)者針對(duì)卷盤式噴灌機(jī)能耗問題做了大量研究，嚴(yán)海軍[11]經(jīng)過(guò)對(duì)100個(gè)種糧承包戶(曾使用過(guò)卷盤式噴灌機(jī)的承包戶)的調(diào)研和對(duì)國(guó)內(nèi)外卷盤式噴灌機(jī)的對(duì)比研究得出，灌一畝地需耗電23度電，約13元電費(fèi)，噴灌機(jī)運(yùn)行電費(fèi)比人工費(fèi)還貴。程俊等[12]通過(guò)對(duì)JP75水渦輪各過(guò)流部件的能耗貢獻(xiàn)率的研究分析，優(yōu)化水渦輪進(jìn)口結(jié)構(gòu)以及葉片以保證輸出效率。葛茂生[13]研究了卷盤式噴灌機(jī)組的能耗組成并構(gòu)建出通用的能耗計(jì)算模型，他提出在不犧牲機(jī)組灌水質(zhì)量的前提下適當(dāng)降低噴頭的工作壓力是降低卷盤式噴灌機(jī)組整體能耗的有效途徑。但是，卷盤式噴灌機(jī)組一般配備的大流量噴槍所需工作壓力均較高，一般噴頭的工作壓力在0.30 ～0.50 MPa，使得噴灌機(jī)組能耗較大，增加噴灌費(fèi)用。另因我國(guó)噴灌機(jī)技術(shù)方面的缺陷，卷盤式噴灌機(jī)軟管回收速度無(wú)法低于15 m/h運(yùn)行，不能滿足小麥、玉米播種后和抽穗期450～600 m3/hm2的灌水需求[11]。目前市場(chǎng)上噴頭車主要以單噴頭配置為主，但因其壓力高、能耗大等問題，噴頭車的配置又出現(xiàn)了桁架式雙噴頭和多噴頭配置。張會(huì)娟[14]、粘克威[15]等分別通過(guò)對(duì)卷盤式噴灌機(jī)單噴頭車的受力分析，結(jié)合理論力學(xué)分析，設(shè)計(jì)出幾種聯(lián)動(dòng)雙噴頭裝置，使噴頭噴射水反作用力的合力方向始終與輸水管方向一致。目前針對(duì)卷盤式噴灌機(jī)組能耗問題的研究主要集中于低壓噴頭開發(fā)與配置、水渦輪工作效率等系統(tǒng)參數(shù)上[9,12,16-18]，但噴頭工作壓力的降低在一定程度上會(huì)影響噴灑域，因此，有必要開展降低噴頭工作壓力但不影響噴灑幅度和噴灌質(zhì)量的灌水技術(shù)。

本文在對(duì)低壓條件下單噴槍的水力性能進(jìn)行測(cè)試的基礎(chǔ)上，提出低壓雙噴槍噴灑方式，達(dá)到降低能源消耗、增大噴灌機(jī)噴灑域、減少噴灌機(jī)噴灑次數(shù)、提高生產(chǎn)效率的目的。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

選取市場(chǎng)上常用的大流量搖臂式噴頭“HY 50”噴槍，在西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院操場(chǎng)進(jìn)行單噴槍在不同工作壓力(0.05、0.10、0.15、0.20和0.25 MPa)下移動(dòng)水量分布測(cè)定試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置如圖1所示。噴槍安裝高度為1.65 m，調(diào)節(jié)噴灑域中心角180°，牽引噴頭車至操場(chǎng)東端盡頭，垂直于噴灌機(jī)行走方向呈射線狀布置三排雨量筒，距噴槍距離1 m處開始擺放雨量筒，雨量筒間隔為2 m。

圖1 移動(dòng)水量分布測(cè)定試驗(yàn)裝置圖Fig.1 Test device diagram for mobile water distribution

1.2 噴灌均勻度計(jì)算

根據(jù)的移動(dòng)水量分布數(shù)據(jù)，模擬計(jì)算兩個(gè)“HY 50”噴槍以12 m間距組合時(shí)的疊加水量分布，進(jìn)而采用Christiansen[19]公式計(jì)算低壓雙噴槍在不同組合間距下的組合噴灌均勻性系數(shù)：

(1)

式中：Cu為克里斯琴森均勻性系數(shù)；N為典型區(qū)域內(nèi)測(cè)點(diǎn)數(shù)；hi為典型區(qū)域內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的噴灑水深，mm；h為典型區(qū)域內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的平均噴灑水深，mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 水量分布曲線擬合

水量分布形式隨工作壓力不同呈現(xiàn)不規(guī)則變化，由于試驗(yàn)過(guò)程中獲取的移動(dòng)水量分布數(shù)據(jù)為多個(gè)離散測(cè)點(diǎn)，不具有連續(xù)性，不利于不同噴槍間距的水量分布模擬計(jì)算，因此對(duì)不同工作壓力下的單噴槍移動(dòng)水量分布進(jìn)行基于最小二乘法的多項(xiàng)式擬合，得到不同工況下連續(xù)的水量分布圖形，如圖2所示。表2給出了5種工作壓力下移動(dòng)水量分布曲線基于最小二乘法的擬合參數(shù)，可以看出五種工作壓力下水量分布曲線擬合的相關(guān)系數(shù)均大于0.97，說(shuō)明基于最小二乘法的擬合與實(shí)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)符合程度較高，故在下文中據(jù)此模擬計(jì)算雙噴槍的水量分布及噴灌均勻度Cu。

2.2 壓力對(duì)雙噴槍水量分布的影響

工作壓力對(duì)噴槍的水力性能有直接影響，掌握不同壓力條件下噴槍的水力性能是研究低能耗灌溉設(shè)備的首要途徑。圖3所示為模擬計(jì)算得到的兩個(gè)噴槍以12 m噴槍間距組合時(shí)在0.05、0.10、0.15、0.20和0.25 MPa工作壓力時(shí)的水量分布形式，可以看出：噴灑幅寬、噴灌水深均隨工作壓力的增加而增加，同時(shí)，隨著工作壓力的增加，雙噴槍移動(dòng)水量分布形式逐漸趨向 “三角形”，有利于組合噴灑。低壓雙噴槍在0.05、0.10、0.15、0.20和0.25 MPa工作壓力下的噴灑幅寬分別為30、44、52 和62 m；當(dāng)噴槍工作壓力為0.05 MPa時(shí)，雙噴槍的水量分布形狀近似梯形，這是由于該壓力下噴槍射程較小，12 m雙噴槍重合范圍小，加之噴槍特有的射流粉碎結(jié)構(gòu)，一部分水流經(jīng)副噴嘴前端渦輪作用灑落在噴槍近處，剩余水流經(jīng)噴嘴后被分散。各測(cè)點(diǎn)噴灌水深峰值和平均值也與壓力呈正相關(guān)，且噴灌水深峰值均出現(xiàn)在噴灌控制帶中部，例如，當(dāng)工作壓力為0.10 MPa時(shí)，噴槍的噴灌水深峰值為30.66 mm，平均噴灌水深為14.4 mm，噴灑域中部1/4的噴灌水深相對(duì)較高，造成這種情況的原因是兩個(gè)雙噴槍在機(jī)行道附近水流交叉，導(dǎo)致該處水量增加。

圖2 移動(dòng)水量分布擬合Fig.2 Fit curve of moving water distribution

工作壓力/MPa最小二乘法擬合a6a5a4a3a2a1a0擬合度R20.05019.753×10-4-4.056×10-20.2655-0.9332.28710.650.9730.1002.487×10-4-0.776×10-20.073-0.2780.26914.9060.9920.15-1.167×10-67.541×10-4-1.796×10-20.195-1.0372.12619.3960.9900.2013.630×10-6-10.125×10-42.888×10-2-0.3942.530-6.93127.0160.9880.259.347×10-6-7.763×10-42.461×10-2-0.3672.483-6.52429.5680.986

圖3 雙噴槍的水量分布效果圖Fig.3 Water distribution of double travelling rain guns

2.3 噴頭車移動(dòng)間距對(duì)雙噴槍噴灌均勻度的影響

噴灌均勻度是衡量灌溉質(zhì)量的重要指標(biāo)，影響噴灌均勻度的主要因素有工作壓力、噴頭類型、組合形式，對(duì)于某種指定噴頭來(lái)說(shuō)，當(dāng)工作壓力一定時(shí)，噴頭組合形式即為影響其噴灌均勻度的重要因素。

圖4 不同移動(dòng)間距下的噴灌均勻性系數(shù)Fig.4 uniformity coefficient under different combination spaces

圖4 所示為12 m低壓雙噴槍在0.05、0.10、0.15、0.20和0.25 MPa工作壓力時(shí)雙噴槍的組合噴灌均勻系數(shù)隨噴頭車移動(dòng)間距的變化情況，可以看出：不同工作壓力下噴灌均勻系數(shù)均隨噴頭車移動(dòng)間距的增大而減小， 0.10、0.15、0.20和0.25 MPa四種工作壓力下，當(dāng)噴頭車移動(dòng)間距分別增大至25、30、35和35 m時(shí)噴灌均勻度出現(xiàn)迅速下降趨勢(shì)，此時(shí)相應(yīng)的均勻性系數(shù)分別為0.925、0.958、0.945和0.951，而當(dāng)噴頭車移動(dòng)間距為35、40、45和45 m時(shí)噴灌均勻度為0.723、0.722、0.745和0.743，位于一般情況下噴灌均勻度的臨界值(75%)。當(dāng)噴頭車移動(dòng)間距在10 m和30 m之間時(shí)，0.15、0.20和0.25 MPa工作壓力下的組合噴灌均勻性系數(shù)相差不大，但為保證灌溉效率應(yīng)使噴頭車移動(dòng)間距取較大值，這是因?yàn)閲婎^車移動(dòng)間距越小，噴灌均勻性系數(shù)越大，但與此同時(shí)會(huì)導(dǎo)致卷盤式噴灌機(jī)灌溉面積減小，田間供水栓數(shù)量增加，機(jī)組運(yùn)行次數(shù)和噴頭車牽引次數(shù)增加，從而降低生產(chǎn)效率。

2.4 低壓雙噴槍田間試驗(yàn)

為驗(yàn)證低壓雙噴槍組合的可行性，自行研制12 m組合間距的低壓雙噴槍，在西北農(nóng)林科技大學(xué)曹新莊試驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行雙噴槍移動(dòng)水量分布試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置如圖5所示，用JP 75-300型卷盤式噴灌機(jī)牽引雙噴槍邊回收邊噴灑，試驗(yàn)設(shè)計(jì)同1.1。

圖5 雙噴槍移動(dòng)水量分布田間實(shí)測(cè)圖Fig.5 Mobile water distribution test of double travelling rain guns in the field

分析12 m雙噴槍田間水量分布情況及噴灑幅寬，基于此計(jì)算雙噴槍噴頭車以35 m移動(dòng)間距噴灑時(shí)的平均噴灌水深，表1給出了12 m低壓雙噴槍在0.25和0.15 MPa工作壓力下的噴灑幅寬和平均噴灌水深的試驗(yàn)?zāi)M對(duì)比結(jié)果，數(shù)據(jù)顯示：雙噴槍在0.25和0.15MPa壓力下的噴灑幅寬分別為58、54 m，對(duì)應(yīng)的相對(duì)偏差分別為6.45%、3.85%，兩種壓力下的平均噴灌水深對(duì)應(yīng)的相對(duì)偏差分別是11.62%、4.94%，總體來(lái)說(shuō)，12 m雙噴槍的田間試驗(yàn)結(jié)果與預(yù)期相符。

表2 雙噴槍移動(dòng)水量分布實(shí)測(cè)值與計(jì)算值Tab.2 Test value and calculated value of moving water distribution with double travelling rain guns

3 結(jié) 論

基于低壓條件下HY50的移動(dòng)水量分布，本研究將兩個(gè)噴槍以12 m間距疊加計(jì)算，研究壓力對(duì)雙噴槍移動(dòng)水量分布的影響，計(jì)算12 m低壓雙噴槍組合在不同噴頭車移動(dòng)間距下的噴灌均勻性系數(shù)，并對(duì)12 m低壓雙噴槍進(jìn)行了實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的對(duì)比，結(jié)果表明：

(1)隨著工作壓力的增加，雙噴槍噴灑幅寬、噴灌水深均隨之增加，同時(shí)，雙噴槍移動(dòng)水量分布形式逐漸趨向 “三角形”，有利于組合噴灑。不同工作壓力下噴灌均勻系數(shù)均隨組合間距的增大而減小，

(2)對(duì)自行研制12 m組合間距的低壓雙噴槍進(jìn)行田間驗(yàn)證，對(duì)比分析了12 m低壓雙噴槍在0.15、0.25 MPa工作壓力下的噴灑幅寬和平均噴灌水深的試驗(yàn)與模擬值，結(jié)果顯示，12 m雙噴槍的田間試驗(yàn)結(jié)果與預(yù)期相符，最大偏差不大于11.62%。

(3)雙噴槍對(duì)于噴灌設(shè)備降壓不降噴灑域的研究具有一定的參考意義，后期可以通過(guò)優(yōu)化兩個(gè)噴槍的組合間距和中間桁架結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)更好的灌溉效果與應(yīng)用價(jià)值。