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滚动喷头关键部件的设计与实验研究

来源 : 互联网
作者 : 118期刊网
发布时间 : 2019-03-09 14:38:05

1简介


1.1研究的目的和意义

水资源是人类赖以生存的重要资源之一。中国的水资源稀缺,年径流量仅为世界平均水平的25%[1]。此外,水资源分布不均匀,各地区的水资源与耕地面积不匹配[2],降雨在时间和空间上分布不均匀[3]。根据国家制定的中长期规划,中国的年供水量基本保持在5600亿立方米,不会过度增加[4],但工业用水和生活用水的比例将逐步增加增加[5]。在保持零增长或负增长的同时生产更多粮食,满足15亿人口的粮食安全需求[6],并确保我们社会的可持续发展。该国的总用水量超过农业用水量的70%。一方面,由于灌溉设施落后,灌溉方式不合理,水资源严重浪费[7],中国农业用水利用率仅为45%[8]。先进节水灌溉技术国家农业用水利用率可达80%[9],几乎翻了一番;另一方面,中国部分地区的农业供水量很小,不能满足作物的最低需水量[10],导致粮食生产严重减少,质量下降。因此,解决水资源浪费和短缺问题是当务之急。发展节水灌溉技术是最有效的方式,对节约水资源和实现可持续的社会发展具有战略意义[11-12]。节水灌溉是指以最少的水资源获得最大的作物产量[13]。目前,世界上节水灌溉技术的方法主要包括渠道防渗,低压管道灌溉,喷灌,微灌等[14]。其中,喷灌是最先进的节水灌溉技术之一,应用广泛[15],具有许多优点[16]:1均匀灌溉,基本不产生深层渗透和地表径流,管道水分流失少,改善废物水的利用率可达到约90%; 2能够及时适当地灌溉农作物,使作物得以充分生长,从而提高作物产量,提高作物品质[17-20]; 3喷灌机械化程度高,有效降低灌溉劳动强度[21]; 4喷头不需要或仅占用少量耕地,可提高土地利用效率; 5可以控制土壤水分深度,防止地下水位上升和二次盐渍化[22]。主要的喷灌机是卷筒式喷头,中心支撑喷头,平移喷头和滚筒式喷头[23-25]。卷筒式喷灌在喷灌方面投资少,机组移动方便快捷。但是,目前大多数高压喷头都安装好了。在喷灌时,消耗更多的电力,需要在耕地上预留喷灌道路,以减少耕地面积[26];洒水喷头和平移式洒水喷头具有良好的性能和高度自动化。它们已在中国的一些省份和地区应用,但需要高水平的管理和维护。单机控制区域有限,不能在补灌区发挥更好的作用[27],中心枢轴式喷灌围绕支点喷灌,喷灌区域为圆形,不符合中国农艺要求,车轮需要占用耕地面积;滚筒式喷淋单元结构简单,整体机动转移,安装拆卸方便,单位面积投资少,维护量小,适应规模大小和形状[28-29]

为了普遍认可,它是一种喷灌机,适用于中国北方的大规模商业模式和生产力水平。

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1.2国内外研究现状

喷灌首次出现在19世纪末,最初用于灌溉城市草坪,后来用于苗圃和经济作物[30]。在20世纪20年代,德国和意大利开始在农业中使用喷灌。最初的喷灌系统是铸铁管的固定喷水系统,价格昂贵。在20世纪20年代,出现了旋转喷头和洒水喷头。在20世纪30年代,双悬臂式喷头[31-32]得以成功开发。喷灌开始缓慢发展。在第二世界之后

r,随着世界经济的快速发展,高效喷嘴,薄壁铝管,快速接头等喷灌设备的开发和改造,使喷灌快速发展,促进了管道的运行。并开发半固定管道喷淋系统。大型和中型喷头如滚动式,中心支撑轴,绞车牵引式和平移式自走式喷射器相继推出,喷灌已迅速发展到世界各国。据统计,1939年世界喷灌面积为150万亩,1960年为37.5万亩,1973年为1亿亩,1977年为2亿亩,1980年为3亿亩[33],从1960年到现在。 1980年,平均年增长率为11%,喷灌区的发展速度大大超过了灌溉面积的增长速度。 1935年,美国成功研制出一种滚动式喷水器的原型。它于1950年在美国推广。1982年,美国的喷灌面积达到2200万亩,占喷水区面积的16.9%。 1960  -  1985年的卷式洒水喷头也广泛用于前苏联和东欧国家。关于国外滚筒式喷头的研究很多[34-35],特别是在美国,Courtright B等。研究了滚动式喷头的驱动部分[36];威廉姆斯LH等人。研究保持喷嘴垂直机制[37-38]; Courtright B等人。研究了可以确保滚动式喷头直线行程的机构[39]; Baker LW等。研究了滚动式喷头的自动抗风支撑[40]。然而,这些结构中的大多数都太复杂,无法在中国推广和应用。中国需要在国外技术的基础上开发适合中国国内使用的卷式喷灌机。图1-1显示了дкш-64滚筒式喷头[40]的结构,这是苏联生产的最简单的多座喷淋头。喷淋头有两个独立的侧面(喷射翼),通过130毫米直径的铝管与法兰刚性连接。在管道上,每12.6米安装一个直径为1.8米的车轮。这些管子用作这些轮子的支点。该机器有六种尺寸,管长800米至300米,流量从64L / s到24L / s。

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2整体设计


2.1设计原则

通过对国内外滚筒式洒水喷头和农作物种植农艺要求的研究,可以知道卷式洒水喷头应满足下列设计要求:(1)轨道可调,适应不同种植方式作物模式; (2)保证单位行走直线,以免损坏庄稼; (3)排放阀可实现自动排水,可在5min内完成; (4)最大前进速度可达20m / min(5)最大爬升角度可达20°(6)喷嘴可确保垂直工作位置; (7)喷灌均匀度大于90%; (8)在保证性能的前提下,结构简单,易于操作; (9)易于维护和维护。请参阅SL 295-2004滚动喷水灭火系统应用技术规范[47]和喷灌要求,以确定滚装喷水器的主要性能指标,如表2-1所示。


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2.2总体计划

滚筒式洒水喷头的整体结构如图2-1所示。它由驱动车辆,供水分支,从动轮,自动排水阀,喷嘴平衡机构,喷嘴和塞子组成[48]。来自驾驶车辆的部分动力输出驱动主轮旋转,并且其一部分被传递到输水支管。供水支管用作轴,并驱动安装在其上的从动轮,以实现整个机器的运动。每个水支管配备有从动轮,自动排水阀和喷嘴平衡机构。单元洒在一个位置后,自动排水阀可自动排水支管中的水;喷嘴安装在喷嘴平衡机构上。确保喷嘴始终处于垂直位置。整个供水支管的一端安装有插头,另一端与导水软管,供水塞,水泵等连接,为机组提供加压水源。如图2-2所示,滚动式洒水喷头的工作原理是地下水由水泵加压,并由设置在油田侧面的主管填充。主管配有供水阀。喷水器时

滚筒式洒水喷头通过导水软管与最近的供水阀连接,供水阀打开。加压水源快速填充喷洒器的供水支管,并在达到喷嘴工作压力后启动喷灌。滚动式喷头的工作模式是定点喷涂[49](即,在一个位置喷洒完成后移动到下一个位置)。在运行过程中,将导流软管连接到最近的供水阀,打开供水阀,进行喷灌操作;在满足设计喷灌要求后,关闭供水阀并将供水软管与供水阀断开;等待供水分支中的水到达自动排水阀后,操作员启动发动机,驱动车辆将单元移动到需要喷洒喷水器的下一个作业现场。同时,重复先前的过程,并且重复该循环直到喷洒循环完成。

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3关键部件设计...... 12

3.1驱动车的设计..... 12

3.1.1整体结构设计...... 12

3.1.2传输设计...... 13

3.1.3框架设计...... 14

3.1.4框架的有限元分析.......... 14

3.2供水支管设计......... 17

3.3自动排水阀设计......... 26

3.4喷嘴平衡机构的设计......... 32

3.5支管设计......... 35

3.6总结...... 36

4液压性能优化测试.... 38

4.1喷嘴选择和测试比较...... 38

4.2辊式洒水喷头关键性能参数优化试验....... 50

4.3摘要.... 56

5现场性能测试.... 57

5.1生产力计算......... 57

5.2试验内容和方法......... 57

5.3机器参数..... 59

5.4测试结果和分析......... 59

5.5摘要...... 60


5现场性能测试


5.1生产力计算

现场性能试验在黑龙江省兰溪县李家乡进行。试验场地为放牧后草坪,面积为300m×500m。土壤为普通黑钙土,土壤硬度为249.9k Pa,试验期间平均温度为18°,平均风速为0.7m / s。试验期间,观察排水阀是否正常工作;喷嘴平衡机构是否能保持喷嘴轴垂直,记录喷水完成后排水阀完成排水的时间,并找出平均排水时间;在第一个进水管上安装流量。仪表每10分钟记录一次水支管的流量;每10分钟记录第一个喷嘴压力和进水口的喷嘴压力,并对其进行平均;记录测量单元移动过程中装置的最大移动速度和供水支路的最大值。偏转。根据滚动式喷洒器的现场运行模式,每点的接水量是喷灌侧的接水量和滚动后的另一侧喷水的接水量之和。滚筒式洒水车每侧配有4排雨量计,从一侧到洒水车的距离为2米,6米,10米,14米,从另一侧到洒水车的距离为4米,8米,12米,分别为16米。

量筒横向间隔3m,如图5-1所示。滚筒式洒水喷头的工作间隔为18米。在测量雨量计的降水量后,叠加1,5,2,6和3,7和4,8的位移以计算洒水均匀性和洒水强度。雨量计接收60分钟的水。

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结论


本文在全面了解国内外滚动式喷头研究现状的基础上,通过理论计算,三维仿真,有限元分析,实验研究和数值模拟,设计和优化了滚动式喷头的关键部件。得出以下结论:

(1)滚动式喷头,自动排水阀,喷嘴平衡机构和从动轮关键部件的结构设计,确定传动方案,对框架进行有限元分析,自动排水ANSYS CFX模拟阀门排放过程,计算喷嘴平衡机构的关键参数。现场性能测试表明,滚筒式洒水喷头具有优良的防水性能,洒水均匀度达90%以上,喷灌效率可达0.5ha,自动排水阀排水仅5min,密封性能好,喷嘴平衡机构工作灵活可靠。

(2)Perf

对输水支管进行动力分析,采用MATLAB软件优化壁厚。当驱动车两侧安装5个壁厚2.5mm的分支和10个壁厚1.5mm的分支时,与壁厚2.5mm的喷淋头相比,节水型铝合金管材节省11.24%,节省燃油消耗6%,最大剪切应力降低7.4%,提高了经济性和机器通过性。

(3)通过单喷嘴水力性能试验和模拟计算,比较了国内外应用中常用的9种喷嘴的水性能,选择了适用于滚筒式喷淋器的8034D喷嘴。该喷嘴具有性能稳定,线性组合和矩形组合喷淋性能,可满足滚筒式喷头的特殊喷灌要求,从根本上解决了喷头水性差的问题,并选用了摇臂喷嘴。未来的喷水设备。提供有价值的参考。如何降低重复率

(4)采用二次回归正交旋转中心组合优化试验方法,影响喷嘴工作压力,喷嘴间距和喷头间距,喷灌均匀性和喷淋强度是评价指标,影响水力性能的结构和工作的机器。参数经过优化和测试。得到最佳参数:喷嘴工作压力为0.4 MPa,喷嘴间距为10 m,喷洒间隔为16 m。此时,喷灌均匀度为90.54%,喷洒强度为10.43mm / h。满足喷灌要求。每个因素对喷洒器均匀性的贡献率是喷洒器间隔,压力和喷嘴间距。每个因素对组合喷洒强度的贡献率是喷洒器间隔,喷嘴间距和压力。


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