论文部分内容阅读
摘 要：在水资源危机日益严重的今天，大力发展节水灌溉技术和设备势在必行。本文在分析了目前广泛使用的喷头的结构的基础上，提出了一种新型的抗风喷灌节水喷头。该喷头通过感风板、弹簧、传动带、轴承等调节喷头仰角，使喷头的仰角能在一定范围内改变，进而使喷头的射程在不同风力下保持不变，最终达到自适应抗风准确喷灌的目的。
关键词：节水灌溉；抗风喷头；自适应
1.引言
尽管水是一种可再生的资源，但是它再生的速度很慢，而且它的数量很有限。况且水资源分布不均匀，随着经济的发展和人口的增长，世界水量在不断减少。目前水资源短缺被公认为未来人类最严重的挑战之一，我国是一个干旱缺水的国家，是世界上水资源贫乏的13个国家之一，人均淡水资源占有量约为2200立方米，仅为世界人均量的1/4，居世界第121位。
近年来，我国总用水量逐年增长，据有关资料统计，全国总用水量每10年增加1000亿立方米。由于工业废水的肆意排放，导致大量的地表水、地下水被污染。专家们警告：“20年后中国将找不到可饮用的水资源”。农业是用水大户，农业用水的耗水量主要是灌溉用水，占总用水量的80%，并且农业用水的损失比工业用水要高得多，因此，农业用水对水资源的消耗是最大的。由于中国农业灌溉方式落后，全国农业灌溉水的有效利用率只有40%。我国是农业大国，农业用水面临着水资源短缺和用水浪费的双重危机。因此发展节水灌溉刻不容缓。节水灌溉主要包括渠道防渗灌溉、低压管道输水灌溉、喷灌和微灌等几种类型。喷灌是一种常用的节水灌溉的方法。它通过水泵、水管等使水加压经过喷头变成细小水滴再对农作物进行灌溉。在喷灌过程中对喷灌效果影响最大的是喷头。
2.喷头发展状况
作为喷灌系统中的重要部件，喷头的种类很多，按工作压力大小可分为低压喷头、中压喷头和高压喷头；按结构形式和喷洒特征可分为旋转式、固定式和喷洒孔管式。但是对于可以降低浪费的自适应抗风喷头到目前为止还没有出现。近几年很多技术人员从理论上提出了一些想法，但具体的产品仍没有面世，对于这方面的研究还需要大量的试验和研究。
3.抗风喷灌节水喷头的设计
喷头喷射距离受风影响很大，顺风时喷射距离变远，反之，逆风时喷射距离变近，喷洒区域从无风时的圆形变为椭圆形，不能准确地喷洒到指定的灌溉区域，使喷灌装置的有效利用率大大降低。针对以上问题，可以研究一种可以根据风力自动调节喷射仰角，降低风对喷灌质量影响的新型喷头，使抗风喷头能及时响应风的变化，实时地做出调整。
3.1抗风喷头的设计原理
通过对水滴运动规律的分析可知，水滴在大气中的运动，可用牛顿第二定律来描述，即： ，水滴在空气中运动受运动阻力、重力以及浮力的作用，有风时的水滴运动方程为：
式中： ， 、 、 ：水滴速度在各轴的投影， 、 、 ：风速在各轴的投影。
根据以上
计算，可求出
喷头在各风速
下的射程；以
及在顺风和逆风
方向上，不同的
角度变化所对应 图1射程不变时风速与角度的关系曲线
的射程改变。运用编制的计算程序，可求出当射程不变时风速和喷射仰角之间的关系曲线，如图1所示。
3.2抗风喷头的结构
根据喷头的工作原理和抗风喷灌的要求，设计了自适应抗风喷头。抗风喷头由感风板、弹簧、传动带、轴承、竖喷管和旋转密封机构、横喷管和喷嘴等组成，如图2所示。在无风喷洒时，感风板由弹簧支撑平衡；感风板受风作用时带动感风板支撑轴一起转过一个角度，这一动作通过传动带传递至抗风喷头的横喷管以调节抗风喷头的仰角。
图2 抗风喷头的结构图
4.试验结果与分析
为避免外界风的影响，选择在无风的天气进行实验。通过试验得出在不同工作压力下，水滴运动最远距离。对在一定风速下，不同工作压力时，所测得的各个方向的水滴喷洒的最远距离，进行修正。其修正方法为，在水滴的整个运动过程中风速的平均值为喷洒距离中点处风速的大小，该风速与感风板所在处风速有一定的偏差，利用该差值风速下水滴喷洒距离对所测得的水滴喷洒的最远距离进行修正。如下表所示为抗风喷头各方向上水滴喷洒距离修正值与不安装感风板及调节弹簧时喷洒最远距离修正后结果对比表。
为了对喷灌的实验效果进行比较，引入参数：射程变化率：iRi=∣Ri-R0∣/R0×100%；R0为射程平均值。经计算可以得出，抗风喷头的射程变化率最大值为：10.78%，平均值为：2.399%；无感风板时喷头的射程变化率最大值为：56.99%，平均值为：34.44%。
通过对以上数据进行分析可知：此抗风喷头能降低射程变化率32.041%，喷洒效率大大提高。因此该抗风喷头能够很大程度上补偿风力的影响，提高了喷洒的准确性，基本达到了精确喷灌的目的。
5.结语
现行喷灌产品的抗风能力弱，造成水资源浪费，对景观和道路交通也有一定的影响。本文在充分考虑风对在空气中运动的水滴的影响的同时，运用牛顿第二定律和动力学原理对在空气中运动的水滴进行了分析，运用机构优化设计和自适应反馈控制等原理，研制出抗风喷头样机模型。经过实验，证明抗风喷头能够实现抗风喷洒，提高了喷洒的准确性，基本达到了准确喷灌的目的。此抗风喷头结构简单，加工方便，具有一定的普及、推广的意义及经济性。
参考文献：
[1]李宗尧， 缴锡云等.节水灌溉技术.北京： 中国水利水电出版社， 2004. 7-20.
[2]周世峰， 邓丽，王立宏，吴涤非等.喷灌工程学. 北京： 北京工业大学出版社，2004. 1-33. 173-193.
[3]许一飞， 许炳华.喷灌机械 原理 设计 应用. 北京：中国农业机械出版社，1989.
[4]蒋定生，金兆森.摇臂式喷头设计原理.北京：水利水电出版社头， 1981 1997.9-14.
关键词：节水灌溉；抗风喷头；自适应
1.引言
尽管水是一种可再生的资源，但是它再生的速度很慢，而且它的数量很有限。况且水资源分布不均匀，随着经济的发展和人口的增长，世界水量在不断减少。目前水资源短缺被公认为未来人类最严重的挑战之一，我国是一个干旱缺水的国家，是世界上水资源贫乏的13个国家之一，人均淡水资源占有量约为2200立方米，仅为世界人均量的1/4，居世界第121位。
近年来，我国总用水量逐年增长，据有关资料统计，全国总用水量每10年增加1000亿立方米。由于工业废水的肆意排放，导致大量的地表水、地下水被污染。专家们警告：“20年后中国将找不到可饮用的水资源”。农业是用水大户，农业用水的耗水量主要是灌溉用水，占总用水量的80%，并且农业用水的损失比工业用水要高得多，因此，农业用水对水资源的消耗是最大的。由于中国农业灌溉方式落后，全国农业灌溉水的有效利用率只有40%。我国是农业大国，农业用水面临着水资源短缺和用水浪费的双重危机。因此发展节水灌溉刻不容缓。节水灌溉主要包括渠道防渗灌溉、低压管道输水灌溉、喷灌和微灌等几种类型。喷灌是一种常用的节水灌溉的方法。它通过水泵、水管等使水加压经过喷头变成细小水滴再对农作物进行灌溉。在喷灌过程中对喷灌效果影响最大的是喷头。
2.喷头发展状况
作为喷灌系统中的重要部件，喷头的种类很多，按工作压力大小可分为低压喷头、中压喷头和高压喷头；按结构形式和喷洒特征可分为旋转式、固定式和喷洒孔管式。但是对于可以降低浪费的自适应抗风喷头到目前为止还没有出现。近几年很多技术人员从理论上提出了一些想法，但具体的产品仍没有面世，对于这方面的研究还需要大量的试验和研究。
3.抗风喷灌节水喷头的设计
喷头喷射距离受风影响很大，顺风时喷射距离变远，反之，逆风时喷射距离变近，喷洒区域从无风时的圆形变为椭圆形，不能准确地喷洒到指定的灌溉区域，使喷灌装置的有效利用率大大降低。针对以上问题，可以研究一种可以根据风力自动调节喷射仰角，降低风对喷灌质量影响的新型喷头，使抗风喷头能及时响应风的变化，实时地做出调整。
3.1抗风喷头的设计原理
通过对水滴运动规律的分析可知，水滴在大气中的运动，可用牛顿第二定律来描述，即： ，水滴在空气中运动受运动阻力、重力以及浮力的作用，有风时的水滴运动方程为：
式中： ， 、 、 ：水滴速度在各轴的投影， 、 、 ：风速在各轴的投影。
根据以上
计算，可求出
喷头在各风速
下的射程；以
及在顺风和逆风
方向上，不同的
角度变化所对应 图1射程不变时风速与角度的关系曲线
的射程改变。运用编制的计算程序，可求出当射程不变时风速和喷射仰角之间的关系曲线，如图1所示。
3.2抗风喷头的结构
根据喷头的工作原理和抗风喷灌的要求，设计了自适应抗风喷头。抗风喷头由感风板、弹簧、传动带、轴承、竖喷管和旋转密封机构、横喷管和喷嘴等组成，如图2所示。在无风喷洒时，感风板由弹簧支撑平衡；感风板受风作用时带动感风板支撑轴一起转过一个角度，这一动作通过传动带传递至抗风喷头的横喷管以调节抗风喷头的仰角。
图2 抗风喷头的结构图
4.试验结果与分析
为避免外界风的影响，选择在无风的天气进行实验。通过试验得出在不同工作压力下，水滴运动最远距离。对在一定风速下，不同工作压力时，所测得的各个方向的水滴喷洒的最远距离，进行修正。其修正方法为，在水滴的整个运动过程中风速的平均值为喷洒距离中点处风速的大小，该风速与感风板所在处风速有一定的偏差，利用该差值风速下水滴喷洒距离对所测得的水滴喷洒的最远距离进行修正。如下表所示为抗风喷头各方向上水滴喷洒距离修正值与不安装感风板及调节弹簧时喷洒最远距离修正后结果对比表。
为了对喷灌的实验效果进行比较，引入参数：射程变化率：iRi=∣Ri-R0∣/R0×100%；R0为射程平均值。经计算可以得出，抗风喷头的射程变化率最大值为：10.78%，平均值为：2.399%；无感风板时喷头的射程变化率最大值为：56.99%，平均值为：34.44%。
通过对以上数据进行分析可知：此抗风喷头能降低射程变化率32.041%，喷洒效率大大提高。因此该抗风喷头能够很大程度上补偿风力的影响，提高了喷洒的准确性，基本达到了精确喷灌的目的。
5.结语
现行喷灌产品的抗风能力弱，造成水资源浪费，对景观和道路交通也有一定的影响。本文在充分考虑风对在空气中运动的水滴的影响的同时，运用牛顿第二定律和动力学原理对在空气中运动的水滴进行了分析，运用机构优化设计和自适应反馈控制等原理，研制出抗风喷头样机模型。经过实验，证明抗风喷头能够实现抗风喷洒，提高了喷洒的准确性，基本达到了准确喷灌的目的。此抗风喷头结构简单，加工方便，具有一定的普及、推广的意义及经济性。
参考文献：
[1]李宗尧， 缴锡云等.节水灌溉技术.北京： 中国水利水电出版社， 2004. 7-20.
[2]周世峰， 邓丽，王立宏，吴涤非等.喷灌工程学. 北京： 北京工业大学出版社，2004. 1-33. 173-193.
[3]许一飞， 许炳华.喷灌机械 原理 设计 应用. 北京：中国农业机械出版社，1989.
[4]蒋定生，金兆森.摇臂式喷头设计原理.北京：水利水电出版社头， 1981 1997.9-14.