变量喷洒低能耗轻小型灌溉机组研究

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1、变量喷洒低能耗轻小型灌溉机组研究完成单位：江苏大学，中国农业机械化科学研究院，中国农业科学农田灌溉研究所，金坛市旺达喷灌机有限公司一、来源与背景喷灌技术作为一种先进的节水灌溉技术，对世界农业的发展起到了巨大的推动作用。随着全球水资源和能源短缺的加剧，世界喷灌技术正向着低能耗精确灌溉方向发展。喷灌形式主要有移动式、固定和半固定式，我国的移动式喷灌以轻小型喷灌机为主，是一种适应我国大部分农村土地经营模式的喷灌机组，而其他大型移动喷灌机组多为引进或仿制国外产品，如绞盘式喷灌机、滚轮式喷灌机、圆形喷灌机、平移式喷灌机等，适用于大规模、机械化的集约化农业

2、生产。我国喷灌技术经过50多年的发展，虽然取得了长足的进步，但与低能耗精确喷灌的要求仍然存在差距，主要问题有：1、轻小型移动式喷灌机仍然存在动力配套和管道配置不合理、能耗高、喷洒均匀度低和水泵效率低、自吸时间长等问题。2、大型喷灌机虽然自动化程度高、节省人工，但只适用于大面积规模化生产，缺少适应我国大部分农村土地经营模式的小型化的产品。3、卷盘式喷灌机虽然结构紧凑，具有自动收管功能，可连续运行，设备利用率高，但要求入机压力高，且多采用远射程喷头，抗风能力差，雨滴降落打击力强，不适应低压喷灌的要求，不能变幅变量喷洒，喷洒均匀度低。4、目前，我国只

3、有圆形喷洒一种形式的喷灌喷头产品，缺少变量喷洒喷头产品和设计理论，喷灌中超喷、漏喷及重叠系数高等组合喷灌问题长期未能解决。二、项目关键成果及其取得方式本项目研究的总体思路是：通过系统优化配置和关键设备性能的提高，降低现有移动式轻小型喷灌机的能耗；通过变量喷洒技术及产品的研究及设计方法的建立，解决固定或移动喷灌中超喷、漏喷及重叠系数高等组合喷灌问题；研究与开发适应当前我国农村土地经营模式的智能控制轻小型喷灌机组，填补小型化喷灌机的空白，解决喷灌机不能变量变幅喷洒、喷洒均匀度低和喷灌及软管灌溉不能两用等问题。采用产学研联合攻关的方式，重视推广应用，

4、实现产业化。采用的技术方案及实施效果是：（1）系列新型自吸喷灌泵入口创新地设计了自吸装置，并采用新型的导叶蜗壳组合式压水室和回流孔自动关闭结构形式，在试验研究、理论及数值模拟分析的基础上，建立和完善了自吸喷灌泵的设计理论，所开发的系列喷灌泵效率比国家标准规定值提高5.3～8.9个百分点，自吸时间缩短25s～73s。（2）采用首创的叶轮极大直径设计法、三维曲面反导叶设计法和“减小叶轮后盖板直径平衡轴向力”与“油雾润滑和冷却”新结构，使井用潜水泵达到高性能和低成本的统一，配套电机功率从国内外同类机组的7.5kW降低到5.5kW。（3）通过构建以水泵

5、与管路工况为约束条件的移动式轻小型喷灌机组优化数学模型，优化设计了输水管路、合理配置了喷头数量、确定了机组最优工作参数，使机组整机能耗平均降低14.4%。（4）发明了在喷头进口设置仿形动静片、喷头出口设置面积自动调节装置或异形喷嘴的组合压力/流量调节机构，首次开发了八种变量喷洒全射流喷头和变出口摇臂式喷头，建立了入口动静片设计方法和软件。变量喷洒喷头的组合试验表明，正方形和三角形喷洒形状，最佳间距系数为1.3～1.43。（5）从系统节能的角度出发，首次建立了变频喷灌机组正方形喷洒的控制方程，喷洒效果与理论值的平均偏差为4.2%，相比节流式变量喷

6、洒节能27%。（6）首次采用大型自走式喷灌机轻小型化设计，采用“SMS”短信方式或实时监测土壤湿度信息实现机组智能化控制功能，集成低压喷洒喷头配置理论和机组配套合理性研究成果，研制了智能控制轻型移动喷灌机组。桁架带水重量降低46.53%，整机高度同比下降32.2%，塔架车驱动功率同比下降18.18%～26.67%，喷洒均匀系数达0.856。（7）利用快速拆装式桁架，设计出独特的机翼快速连接结构，可根据地块宽度进行调节机翼和喷幅，并配置低压折射式喷头和最佳组合间距，喷灌均匀度为0.92，能耗比卷盘式机组（正常工作压力0.6~0.8MPa）降低30

7、%以上，装置效率提高5%以上。三、先进性1、高效低能耗轻小型移动式喷灌机组的研制开发创新设计了回流阀自动关闭结构，减少了泄漏量，提高了泵的效率；创新设计了自吸装置、导叶蜗壳组合式压水室和反导叶结构，使气水分离快，排气畅通，提高了泵的自吸性能。采用先进的CFD技术，掌握了回流阀关闭与开启、回流孔位置对流动的影响规律和影响自吸泵效率的关键技术；优化了导叶和蜗壳组合方案和喷嘴结构形式，掌握了提高喷灌泵自吸性能的影响因素。在数值模拟、试验研究的基础上，给出了新型自吸喷灌泵叶轮出口直径D2、叶轮出口宽度b2、压水室内的储水体积F、回流孔直径d、射流器喷嘴

8、出口直径d1的计算公式，建立了新型射流式自吸泵水力设计方法。与国内外同类产品技术指标对照见表1。发明了极大扬程设计法。将叶轮前盖板的直径极大化，使其与