滚移式喷灌机喷头优选及水力性能优化

孙文峰，王艳花，王 腾，侯守印，种保中



滚移式喷灌机喷头优选及水力性能优化

孙文峰，王艳花，王 腾，侯守印，种保中

（东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030）

为解决滚移式喷灌机水力性能差的问题，拟通过单喷头试验、模拟计算和比较分析，选择出适合于滚移式喷灌机的喷头，从根本上改善机组的水力性能。同时对影响滚移式喷灌机水力性能的结构与工作参数进行优化试验，采用二次回归正交旋转中心组合优化试验方法，以喷头工作压力、喷头间距、喷洒间距为影响因素，喷灌均匀系数和喷灌强度为评价指标，得到模型回归方程。在评价指标满足设计要求的条件下获得该机组工作效率较高的参数组合：喷头工作压力0.4 MPa，喷头间距10 m，喷洒间距18 m，此时滚移式喷灌机喷灌均匀系数为0.91，喷灌强度为10.43 mm/h，喷灌效果较好。与现存的12 m´12 m的滚移式喷灌机相比，喷灌单位面积土地需要移动机组的次数减少了33.3%，工作效率大幅度提高，且减少劳动力。研究可为滚移式喷灌机的进一步发展提供参考，也可为其他喷灌设备中摇臂式喷头的选型提供理论依据。

灌溉；喷嘴；试验；滚移式喷灌机；水力性能；喷头；参数优化

0 引 言

喷灌技术可以有效提高农业水资源利用率[1-2]，提高作物产量和品质[3-5]，对解决水资源危机和实现社会可持续发展具有重要的战略意义[6-7]。现有主要的喷灌机械有卷盘式、中心支轴式、平移式和滚移式喷灌机[8-10]等。卷盘式喷灌机单位灌溉面积投资低，转移方便，但大多配备高压喷头，能耗较高，且作业时需要机行道，占用耕地较多[11]；中心支轴式和平移式喷灌机整机移动性好，自动化程度高，已在中国部分省区得到应用，但要求管理和维护水平高，在补充性灌溉地区不能很好地发挥作用[12]，且中心支轴式喷灌机为圆形移动喷灌，不符合中国的农艺要求，车轮压地面积大，降低了土地利用率；滚移式喷灌机具有结构简单，整体机动转移、安装、拆卸方便，单位作业面积投资低，维护量少等优点[13-14]，是一种适合中国北方大面积经营模式和生产力水平的喷灌机械。

目前滚移式喷灌机在中国没有得到应有的重视，对它的研究较少，生产中应用的滚移式喷灌机存在的问题如喷灌均匀系数低、喷洒稳定性差等[15]迟迟得不到解决，限制了滚移式喷灌机的发展。前人在分析工作压力和组 合间距对喷灌均匀系数的影响方面有过一些研究[16-17]，但以往这方面研究优化出的喷头组合间距一般为正方形组合。滚移式喷灌机为定点式喷灌，喷洒间距越大，单位喷灌次数越少，喷灌机工作效率越高，但喷头间距受输水支管加工、运输等条件限制，不能过大，因此优化出能使滚移式喷灌机具有较高喷灌均匀系数和工作效率的矩形组合间距很有必要。本文为改善滚移式喷灌机的水力性能，拟进行单喷头水力性能对比试验，选择适合滚移式喷灌机的喷头，从根本上改善机组水力性能差的问题。同时进行滚移式喷灌机参数优化试验，在保证设备具有较好的水力性能的条件下，获得该机组工作效率较高的参数组合，以期为滚移式喷灌机的进一步发展提供参考。

1 整机结构与工作原理

1.1 整机结构

滚移式喷灌机的结构如图1a所示，主要由动力车，输水支管，输水支管上安装的自动泄水阀、喷头平衡机构、喷头、车轮等组成[18]。动力车提供的动力部分用于驱动主车轮的转动，部分传递到输水支管，输水支管充当轮轴，驱动车轮滚动，实现机组的直线移动。与其他滚移式喷灌机相比，该喷灌机经济性更好，各部件工作可靠、机组通过性强。

1.2 工作原理

滚移式喷灌机的工作方式为定点喷洒式[19]（即在1个位置喷灌完成后移动到下1个位置继续喷灌），如图1b所示。工作时，将水源连接至静止喷灌机，进行喷灌作业；达到设计喷灌要求后，切断水源，通过中央的动力车将机组滚移到下1个需要喷灌的作业地点，同时，重复上道工序，如此循环，直到完成1次喷灌周期。

1. 动力车 2. 自动泄水阀 3. 输水支管 4. 车轮 5. 喷头平衡机构 6. 喷头

7. 装有车轮的输水支管 8. 单喷头喷洒范围

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：→表示机组移动方向；为机组移动距离，即喷洒间距，m。

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

图1 滚移式喷灌机结构及工作方式示意图

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

2 喷头优选试验

2.1 材料与设备

供试喷头选择国内外应用比较普及，技术相对成熟的6种型号：30PS型、2000S型、DY-1型、ZY-2型、FPY-1型和8034D型[20]，如图2所示。各喷头的结构及性能参数，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 喷头结构及性能参数

试验所用的主要仪器设备有拖拉机、水泵（型号AR130，最大流量7.8 m3/h，最大压力0.8 MPa）、水箱（1000 L）、电子控制器、水管（40 m）、小车、压力表（量程1 MPa，精度0.02 MPa）、雨量筒、量筒（精度10 mL）、米尺等。

试验设备布置如图3a所示，拖拉机为水泵提供动力，水泵进水口接水箱，出水口连接电子控制器，然后接水管，水管另一端连接安装在小车上的压力表与喷头。电子控制器中包含压力稳定计和流量计，压力稳定计通过回流系统随时调整喷头侧管路压力，保证喷头的工作压力不受动力系统的影响，确保试验结果的可靠性。喷灌时持续向水箱里注水。

1. 电子控制器 2. 水箱 3. 水管 4. 喷头 5. 小车 6. 雨量筒 7. 压力表 8. 水泵 9. 拖拉机 10. 雨量筒

2.2 试验方法

2015年7月，在东北农业大学实训中心试验场地进行试验，场地长70 m，宽50 m，地面平整。试验方法参考国家标准[21-22]，试验期间气温25°～30°，风速1～2级。雨量筒的布置方式，如图3b所示，以供试喷头为中心，射线式均匀分布6排雨量筒，喷头主喷嘴距雨量筒上端面高度为1.1 m，每排第1个雨量筒到喷头的距离为1 m，其余雨量筒间隔为2 m，每个辐射线布置9个雨量筒。

试验采用随机抽取供试喷头，设置3个重复。通过调节拖拉机动力输出轴转速和电子控制器，使喷头压力稳定在0.35 MPa，开始计时。记录测试过程中喷头流量和喷头每转1圈所用时间，每次试验记录10个值。测试时间为20 min，测试完毕后测量并记录雨量筒内降水深值。试验过程，如图4所示。

a. 试验场地与设备 a. Test site and equipmentb. 喷洒过程 b. Process of spraying

2.3 评价指标

2.3.1 喷头稳定性

滚移式喷灌机一般在大田进行作业，作业环境恶劣，自然风力多变，因此，喷头需要有较高的喷洒稳定性，以抵御环境变化的影响。以喷头转1圈所用时间方差作为喷头喷洒稳定性的评价指标。

式中为测量数据个数；t为喷头第次转1圈所用时间，s；为喷头转1圈所用时间的平均值，s。

2.3.2 组合喷灌分布均匀性

为突出局部喷灌不足或过量对喷灌性能的影响，美国农业部首先提出了分布均匀系数[23-24]，本文为强调组合喷灌时降水深较低的那部分水量，计算1/4低值的分布系数D，其定义为1/4低值的测点水深平均值与所有测点水深平均值的比值[25]，计算公式为

式中为测得的降水深值个数；为从小到大排列的第个降水深值，=1,2,3,…,；h为第个降水深值，mm；m为大小排列的/4个降水深低值的个数；h为第个从小到大排列的/4个降水深低值，mm。

2.3.3 组合喷灌均匀系数

组合喷灌均匀系数的计算公式[26]如下：

式中C为喷灌均匀系数；为雨量筒的个数；P为第个雨量筒的喷灌强度，mm/h；为平均喷灌强度，mm/h。

喷灌强度用如下公式计算：

式中h为第个雨量筒的降水深值，mm；为雨量筒受水时间，h。

2.4 结果与分析

2.4.1 喷头稳定性

测得的喷头每转1圈所用时间方差如表2所示。从表中可以看出，FPY-1型喷头方差值最大，说明其喷洒稳定性最差，不适合用于滚移式喷灌机；30PS型和8034D型喷头的方差值较小，稳定性好，应优先选用。

表2 喷头转1圈所用时间方差和水量分布均匀系数

2.4.2 组合喷灌分布均匀性

应用MATLAB软件，采用3次样条2次插值的方法将试验测得的喷头径向数据转换成网格形[27-28]，计算各喷头组合间距为11 m´15 m时的水量分布均匀系数，计算结果如表2所示。从表中可以看出，DY-1型喷头的分布均匀系数较低，容易产生局部喷灌不足的现象。30PS型和8034D型喷头分布均匀系数较高，应优先选用。

绘制喷头组合间距从8 m到28 m时各喷头组合喷灌均匀系数分布图，结果如图5所示。国家标准[26]要求行喷喷灌系统喷灌均匀系数不应低于0.85，滚移式喷灌机要求达到较高的喷灌均匀系数，但均匀系数太高会增加成本和降低工作效率，因此本文要求滚移式喷灌机的喷灌均匀系数需大于0.9。分析图5时主要观察喷灌均匀系数为0.9这条等高线。由图可知，30PS型、ZY-2型喷头不能满足喷灌要求，且整体喷灌均匀系数偏低，不利于组合喷灌；FPY-1型、8034D型喷头组合喷灌均匀系数能够满足喷灌要求的组合间距范围很广，应优先选用。

图5 不同组合间距各喷头喷灌均匀系数分布

2.4.3 径向水量分布

根据试验数据绘制喷头径向水量分布曲线，如图6所示。由图可知，DY-1型喷头水量分布曲线很陡，单喷头水力性能较差，在组合喷灌中容易造成某些位置水量过大或过小，或组合喷灌强度超出标准范围；ZY-2型喷头水量分布曲线平缓，射程远，仅适合单喷头灌溉。

图6 喷头径向降水深分布曲线

由上述分析可知，FPY-1型喷头喷洒稳定性差，DY-1型喷头容易产生局部喷灌不足的现象，30PS型和ZY-2型喷头矩形组合喷灌均匀性差，都不适合用于滚移式喷灌机，8034D型喷头喷洒稳定性好，组合喷灌性能优良，能够很好地满足滚移式喷灌机的喷灌要求，且价格便宜，因此最适合滚移式喷灌机的喷头为8034D型。

3 机组结构与工作参数优化试验

3.1 试验设备

试验采用第2节选定的8034D型喷头，该喷头主要用于农业、园林和草坪灌溉，主体和摇臂的材质为高强度铜合金，喷嘴的材质为黄铜，不锈钢的销子和弹簧，确保产品使用寿命。8034D型喷头主喷嘴直径´副喷嘴直径有6种：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。试验采用4.36 mm´2.38 mm的喷嘴。其他仪器设备包括：水泵（山西天海泵业有限公司200QJ80-98/7）、滚移式喷灌机（东北农业大学GYP-300型）、车轮、手动压力调节阀、流量计（0.1 L/min）、测风仪（精度0.1 m/s）、温度计（精度0.1 ℃）、雨量筒、量筒（精度10 mL）、压力表（量程1 MPa，精度0.02 MPa）、米尺（50 m）。

3.2 试验方法

2015年9月在黑龙江省兰西县实施试验，采用3因素5水平二次回归正交旋转中心组合优化试验方法，以影响滚移式喷灌机水力性能的结构与工作参数喷头工作压力（1）、喷头间距（2）、喷洒间距（3）为影响因素，组合喷灌均匀系数（1）、喷灌强度（2）为评价指标（表3），共实施23组试验。

表3 因素水平编码表

滚移式喷灌机喷头间距受输水支管长度的限制，间距需要适中，不能太大；喷洒间距越大，单位面积需要喷灌的次数越少，节省了自动泄水和移动喷灌机的时间，喷灌效率越高，据此确定影响因素喷头间距和喷洒间距的取值范围。影响因素水平编码表和试验方案，如表3所示，应用Design-Expert6.0.10进行数据处理分析。

实施方案布局如图7a所示，布置3条支管，支管间距（即喷洒间距）为3，每条支管上安装3个喷头，安装间距为2。以中间喷头为中心，对2´3的矩形区域进行水量测试，雨量筒的布置间隔为2 m´2 m。支管入口处压力1，压力可通过手动压力调节阀调节。每组试验过程中记录喷头流量、压力、风速、温度，测试时间为30 min，测试完毕后测量并记录雨量筒内水体积。试验过程，如图7b所示。

图7 实施方案布局及试验图

根据试验测得的雨量筒水量，计算试验区域内的喷灌均匀系数和喷灌强度，计算方法同本文2.3.2、2.3.3所述。计算结果，如表4所示。

表4 试验结果

3.3 结果与分析

3.3.1 回归模型

喷灌均匀系数和喷灌强度的方差分析表明，每个指标拟合项的>0.05，说明回归模型拟合效果好，回归项>0.05，说明回归方程极显著。将喷灌均匀系数1、组合喷灌强度2的回归方程各系数进行检验，剔除不显著项后，得到回归方程，如式（8）、（9）所示。

3.3.2 各因素对各项性能指标的贡献率

对于由试验数据所建立的二次回归方程，可利用对二次方程系数的检验结果，来判断因素对指标作用的程度。具体的计算方法参考文献[29]，计算结果如表5所示。结果表明，对于喷灌均匀系数，各因素的贡献率大小依次是喷洒间距、工作压力、喷头间距；对于组合喷灌强度，各因素的贡献率大小依次是喷洒间距、喷头间距、工作压力。

表5 各因素对灌溉均匀系数和喷灌强度的贡献率

3.3.3 各因素对喷灌均匀系数和灌溉强度的影响

图8为各因素组合喷灌均匀系数和灌溉强度的响应曲面图。图8a显示了喷洒间距在15 m的条件下，喷头间距和工作压力对喷灌均匀系数的影响。从图8a中可以看出，在试验取值范围内，当压力一定时，随着喷头间距增大，喷灌均匀系数逐渐降低。当喷头间距不变时，压力越大，喷灌均匀系数越高，这是由于压力越高，水滴被破碎的越均匀，分布更均匀，所以喷灌均匀系数增加。图8b显示了喷头间距在11 m时，喷洒间距和喷头工作压力对喷灌均匀系数的影响。在试验取值范围内，当压力一定时，随着喷洒间距增大，喷灌均匀系数总体呈降低趋势，从喷灌均匀系数的等高线分布（等高线间隔0.02）可以看出，喷洒间距在0水平以下时，喷洒间距对喷灌均匀系数的影响比较缓慢，当喷洒间距在0水平以上时，随着喷洒间距增加，喷灌均匀系数快速降低；当喷洒间距一定时，随着压力升高，组合喷灌均匀系数呈上升趋势。图8c显示了压力在0.3 MPa时，喷洒间距和喷头间距对喷灌均匀系数的影响。在试验取值范围内，喷头间距一定时，随着喷洒间距增加，喷灌均匀系数总体呈降低趋势，且降低的速度由慢变快。图8d显示了喷洒间距在15 m的条件下，喷头间距和工作压力对喷灌强度的影响。从图中可以看出，在试验取值范围内，当压 力一定时，随着喷头间距增大，喷灌强度逐渐降低。当喷头间距不变时，压力越大，喷灌均匀系数越高，这是由于压力越高，喷头流量越大，所以喷灌强度的增加。图8e显示了喷头间距在11 m时，喷洒间距和喷头工作压力对组合喷灌强度的影响。在试验取值范围内，当压力一定时，随着喷洒间距增大，喷灌强度逐渐降低；当喷洒间距一定时，随着压力的升高，喷灌强度逐渐增加。图8f为压力在0.3 MPa时，喷洒间距和喷头间距对喷灌强度的影响。在试验取值范围内，喷头间距一定时，随着喷洒间距增加，喷灌强度降低；当喷洒间距一定时，随着喷头间距增加，喷灌强度逐渐降低。

图8 各因素对组合喷灌均匀系数和喷灌强度的影响

3.4 优化结果验证

考虑到滚移式喷灌机的生产、运输和喷头效率等因素，喷头间距最好优化在10～12 m的范围内；喷洒间距越大，喷灌单位面积土地机组需要移动的次数越少，喷灌效率越高，因此喷洒间距越大越好；喷灌均匀系数越高，喷灌效果越好，但会增加成本和降低工作效率，因此本文要求优化后的滚移式喷灌机喷灌均匀系数大于90%即可。

在压力0.2～0.4 MPa，喷头间距10～12 m，喷洒间距10～20 m，喷灌均匀系数大于90%，喷灌强度9～ 17 mm/h的约束条件下，得到滚移式喷灌机工作效率较高的最优参数组合：喷头工作压力0.4 MPa，喷头间距 10 m，喷洒间距18 m。与现存的12 m´12 m的滚移式喷灌机相比，喷灌单位面积土地需要移动机组的次数减少了33.3%。

按照优化后的结构和工作参数，即喷头工作压力0.4 MPa，喷头间距10 m，喷洒间距18 m，进行验证试验，试验重复3次，取平均值，试验照片如图9所示。验证结果表明喷灌均匀系数为0.91，喷灌强度为10.43 mm/h，验证试验结果在优化性能指标区间内，表明优化结果可信。

图9 验证试验图片

4 结论与讨论

1）通过单喷头水力性能试验和模拟计算，比较了6种国内外应用比较普及、技术相对成熟的喷头的水力性能，认为8034D型喷头最适合应用于滚移式喷灌机中。该喷头作业性能稳定，矩形组合喷灌性能优良，价格适中，能够满足滚移式喷灌机的喷灌要求。改善了滚移式喷灌机水力性能，也为以后其他喷灌设备中摇臂式喷头的选型提供有价值的参考依据。

2）采用二次回归正交旋转中心组合优化试验方法，以喷头工作压力、喷头间距、喷洒间距为影响因素，喷灌均匀系数和喷灌强度为评价指标，得到模型回归方程。在评价指标满足要求的条件下获得该机组工作效率较高的参数组合：喷头工作压力0.4 MPa，喷头间距10 m，喷洒间距18 m，此时滚移式喷灌机喷灌均匀系数为0.91，喷灌强度为10.43 mm/h。与现存的12 m´12 m的滚移式喷灌机相比，喷灌单位面积土地需要移动机组的次数减少了33.3%，工作效率大幅度提高，且减轻了劳动力。该研究可为滚移式喷灌机的进一步发展提供参考。

每种型号的喷头都有多种不同流量的喷嘴，本文只选取了流量相近的一种喷嘴进行了试验，由于田间地块环境差异较大，本文选取的喷嘴的喷灌强度可能在某些地方不适用。后续可以对每种型号的不同喷嘴进行试验研究，优选出几种流量不同的喷嘴，适应农田、牧草乃至树苗等多种地块的喷灌作业要求。

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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

黑龙江省科技计划项目（2013G0303）；现代农业产业技术体系建设专项资金（GARS–04）

孙文峰，男，黑龙江嫩江人，研究员，主要从事农业机械研究。哈尔滨东北农业大学工程学院，150030。E-mail：swf53@sohu.com

孙文峰，王艳花，王 腾，侯守印，种保中. 滚移式喷灌机喷头优选及水力性能优化[J]. 农业工程学报，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