CN104268313A

CN104268313A - 垂直摇臂式喷头导流器安装位置的优化方法

Info

Publication number: CN104268313A
Application number: CN201410454902.2A
Authority: CN
Inventors: 李红; 汤攀; 陈超
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2014-09-09
Filing date: 2014-09-09
Publication date: 2015-01-07

Abstract

本发明涉及一种用于节水灌溉设备的结构优化方法，特别是关于一种垂直摇臂式喷头导流器安装位置的优化方法。本发明将二次回归正交试验结合工程最优理论方法用于垂直摇臂式喷头导流器安装位置的优化设计；本发明在传统方法和试验数据的基础上，应用二次回归正交试验设计方法，以喷灌均匀度为考核指标，建立垂直摇臂式喷头导流器安装位置的三个参数与喷灌均匀度的二次关系式；通过规划求解得到一组最优结构参数；经试验测试，通过本发明得到的最优位置参数应用于同类产品时，喷头近处的水量分布较优化之前补充更为充分，3到20米内水量增加25%左右，随着组合间距系数的增加，位置参数优化之后的喷灌均匀度要大大高于优化之前的喷灌均匀度。

Description

垂直摇臂式喷头导流器安装位置的优化方法

技术领域

本发明涉及一种用于节水灌溉设备的结构优化方法，特别是关于一种垂直摇臂式喷头导流器安装位置的优化方法。

背景技术

当前，推广以喷灌、微灌为代表的先进节水灌溉技术是发展节水农业，提高水利用系数的重要措施；与传统的大水漫灌相比，喷灌可节水50%以上，喷头作为喷灌系统中最重要的部件之一，它能够将有压水喷射到空中，散成细小水滴并均匀散落在所需灌溉的面积上；喷头是实施喷灌的关键设备，喷头的结构和水力性能在很大程度上决定了喷灌系统的灌溉质量；因此，对喷头的结构和水力性能进行优化设计非常重要；垂直摇臂式喷头因在其工作时各部件受力较好和具有相同的正反转速度等特点，在喷灌系统中得到广泛应用；导流器是喷头摇臂接受能量的装置，位于摇臂的最前端，与射流轴线在水平和垂直方向呈一夹角；导流器的作用主要有两个：一是从射流中获取驱动力以驱动摇臂向下转动和喷头步进，二是补充喷头近处的水量，改善喷头的水量分布；导流器安装位置参数包括导流器与摇臂转动轴之间的距离、导流器直叶片与射流中心线的夹角、导流器中心线偏移射流中心的角度。

导流器安装位置对喷头的步进角度、摇臂频率和水量分布都有较为明显的影响；传统的导流器安装位置较随意，由于喷头在正常工作时的导流器安装位置参数是可以在一定的范围内变动，因此，传统方法难以确定导流器安装位置的最优参数；因此导流器安装位置参数缺乏科学、准确的计算模型来指导，其结果必定是：采用传统方法时，喷头的水力性能不一定是最优，且要确定一个最佳方案是很困难的。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能快速确定导流器的最优安装位置，提高喷头的水力性能的导流器安装位置优化方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种垂直摇臂式喷头导流器安装位置的优化方法，其包括以下步骤：

1）选择作为模型的垂直摇臂式喷头的导流器。

2）根据试验确定垂直摇臂式喷头能正常工作时的导流器安装位置参数的范围，导流器的安装位置参数包括：导流器与摇臂转动轴之间的距离L、导流器直叶片与射流中心线的夹角α ₁和导流器中心线偏移射流中心的角度α。

3）以垂直摇臂式喷头为正方形布置和间距系数为1时的喷灌均匀度作为考核导流器对垂直摇臂式喷头水力性能影响的评价指标；喷灌均匀度C _u的表达式为：

（1）

式中：—喷洒面积上的平均喷洒水深，mm，计算公式为：；

h _i— 某点的降水深度，mm；

S _i— 某点代表的喷洒面积，m²;

n— 测点的雨量筒个数。

4）将需要优化确定的三个参数在步骤2）确定的参数范围内按照二次回归正交试验方法得到多个导流器安装位置的方案，对得到的每一种方案进行试验，得到不同方案下的水量分布数据，按照步骤3）的公式计算得到不同方案下的喷灌均匀度，建立喷灌均匀度与三个参数之间的回归模型。

5）利用Excel将步骤4）得到的回归公式在步骤2）确定的范围内进行规划求解，得到喷灌均匀度最高时的一组参数，以确定最优方案。

6）根据步骤5）确定的一组最佳安装位置参数进行调整安装，并进行性能测试。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明将二次回归正交试验结合工程最优理论方法用于垂直摇臂式喷头导流器安装位置的优化设计；本发明在传统方法和试验数据的基础上，应用二次回归正交试验设计方法，以喷灌均匀度为考核指标，建立垂直摇臂式喷头导流器安装位置的三个参数与喷灌均匀度的二次关系式；通过规划求解得到一组最优结构参数；经试验测试，通过本发明得到的最优位置参数应用于同类产品时，喷头近处的水量分布较优化之前补充更为充分，3到20米内水量增加25%左右，随着组合间距系数的增加，位置参数优化之后的喷灌均匀度要大大高于优化之前的喷灌均匀度。

附图说明

图1是本发明所涉及的垂直摇臂式喷头三维示意图，其中1.导流器 2.摇臂 3.喷嘴 4.配重 5.换向杆 6.限位装置 7.换向装置 8.下轴承组件 9.喷管。

图2是垂直摇臂式喷头投影图。

图3是导流器中心线偏移射流中心的角度示意图。

图4是导流器与摇臂转动轴之间的距离和导流器直叶片与射流中心线的夹角示意图。

图5是优化前后喷头在400kPa下的水量分布对比图。

图6是优化前后喷头在正方形布置下喷灌均匀度随间距系数的变化图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明所涉及的垂直摇臂式喷头包括导流器1、摇臂2、喷嘴3、配重4、换向杆5、限位装置6、换向装置7、下轴承组件8和喷管9。

本发明方法包括以下步骤：

1）在同类垂直摇臂式喷头中，选取应用较广泛的一种垂直摇臂式喷头的导流器作为模型。

（1）

式中：—喷洒面积上的平均喷洒水深，mm，计算公式为：；

h _i— 某点的降水深度，mm；

S _i— 某点代表的喷洒面积，m²；

n— 测点的雨量筒个数。

4）将需要优化确定的三个参数在步骤2）确定的参数范围内按照二次回归正交试验方法得到多个导流器安装位置的方案，对得到的每一种方案进行试验，得到不同方案下的水量分布数据，按照步骤3）的公式计算得到不同方案下的喷灌均匀度，建立喷灌均匀度与三个参数之间的二次回归模型。

下面列举本发明的一具体实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

1、在同类垂直摇臂式喷头中，选取应用较为广泛的一种垂直摇臂式喷头Nelson-SR100喷头的导流器。

2、上述模型垂直摇臂式喷头导流器的出厂原有安装位置参数如下：导流器与摇臂转动轴之间的距离L=243mm、导流器直叶片与射流中心线的夹角α ₁=13°和导流器中心线偏移射流中心的角度α=3°。

3、根据试验确定导流器安装位置参数的范围为：导流器与摇臂转动轴之间的距离L=213mm~273mm，导流器直叶片与射流中心线的夹角α ₁=2°~4°，导流器中心线偏移射流中心的角度α=8°~13°；应用二次回归正交试验设计方法构建导流器与摇臂转动轴之间的距离L，导流器直叶片与射流中心线的夹角α ₁，导流器中心线偏移射流中心的角度α，三个参数组成的15组安装位置方案，每种参数根据二次回归正交试验设计方法设计5个水平，具有的二次回归正交试验设计因素及水平值如表1所示，15中设计方案如表2所示：

表1 因素水平编码表

表2 二次回归组合设计试验方案

对上述15种方案分别进行试验，得到不同方案下的喷灌均匀度，如表3所示：

表3 二次回归组合设计试验结果

进一步对15组方案的导流器安装位置参数及试验所得喷灌均匀度进行多元线性回归分析，得到喷灌均匀度与安装位置参数之间的计算关系式：

（2）

式中：y—为喷灌均匀度；

x ₁—导流器与摇臂转轴之间的距离，mm；

x ₂—导流器中心线偏移射流中心的角度，（°）；

x ₃—导流器直叶片与射流中心线的夹角，（°）。

根据公式（2）采用Excel进行规划求解得到喷灌均匀度最大值时的导流器安装位置参数分别为导流器与摇臂转轴之间的距离L=273mm、导流器偏移射流中心的角度α ₁=4°、导流器直叶片与射流中心线的夹角α=13°。

按照上述参数进行调整导流器的安装位置；经实测，得到导流器安装位置参数优化前后的喷头水量分布对比图和正方形布置下喷灌均匀度随间距系数的变化关系图，分别如图5和图6所示；通过本发明方法优化导流器安装位置参数之后，喷头近处的水量分布较优化之前补充更为充分，3到20米内水量增加25%左右，水量分布更为合理；导流器位置参数优化之后的喷灌均匀度整体上要优于参数优化之前的喷灌均匀度，且随着组合间距系数的增加，位置参数优化之后的喷灌均匀度要大大高于优化之前的喷灌均匀度，位置参数优化之后的喷头更适合进行组合布置。

上述各实施例仅用于说明本发明，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims

1.一种垂直摇臂式喷头导流器安装位置的优化方法，其特征在于包括以下步骤：

1）选择作为模型的垂直摇臂式喷头的导流器；

2）根据试验确定垂直摇臂式喷头能正常工作时的导流器安装位置参数的范围；所述导流器安装位置三个参数为导流器与摇臂转动轴之间的距离L、导流器直叶片与射流中心线的夹角α ₁和导流器中心线偏移射流中心的角度α；

3）将需要优化确定的三个参数在步骤2）确定的参数范围内按照二次回归正交试验方法得到导流器安装位置的多个方案，对得到的每一种方案进行试验，得到不同方案下的水量分布数据，以垂直摇臂式喷头为正方形布置和间距系数为1时的喷灌均匀度作为考核导流器对垂直摇臂式喷头水力性能影响的评价指标，计算得到不同方案下的喷灌均匀度，建立喷灌均匀度与三个参数之间的二次回归公式；

4）将步骤3）得到的回归公式在步骤2）确定的范围内进行规划求解，得到喷灌均匀度最高时的一组参数，以确定最优方案；

5）根据步骤4）确定的一组最佳安装位置参数进行调整安装，并进行性能测试。

2.如权利要求1所述的一种垂直摇臂式喷头导流器安装位置的优化方法，其特征在于：所述喷灌均匀度的计算公式为：

式中：—喷洒面积上的平均喷洒水深，mm，计算公式为：；

h _i— 某点的降水深度，mm；

S _i— 某点代表的喷洒面积，m²；

n— 测点的雨量筒个数。

3.如权利要求1所述的一种垂直摇臂式喷头导流器安装位置的优化方法，其特征在于：所述垂直摇臂式喷头导流器为Nelson-SR100垂直摇臂式喷头导流器。

4.如权利要求3所述的一种垂直摇臂式喷头导流器安装位置的优化方法，其特征在于：所述Nelson-SR100垂直摇臂式喷头导流器的喷灌均匀度与安装位置参数之间的计算关系式：

式中：y—为喷灌均匀度；

x ₁—导流器与摇臂转轴之间的距离，mm；

x ₂—导流器中心线偏移射流中心的角度，（°）；

x ₃—导流器直叶片与射流中心线的夹角，（°）。

5.如权利要求3所述的一种垂直摇臂式喷头导流器安装位置的优化方法，其特征在于：所述Nelson-SR100垂直摇臂式喷头导流器与摇臂转轴之间的距离L=273mm、导流器中心线偏移射流中心的角度α ₁=4°、导流器直叶片与射流中心线的夹角α=13°。