低能耗多功能輕小型移動(dòng)式噴灌機(jī)組優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究.pdf

1、水資源短缺和能耗問(wèn)題的加劇使得低能耗成為噴灌發(fā)展的主要方向之一。在我國(guó)，地形條件及種植作物的多樣性、農(nóng)村經(jīng)濟(jì)條件復(fù)雜性等因素使得輕小型移動(dòng)式噴灌機(jī)組的多元化配置成為必然。而農(nóng)村勞動(dòng)力轉(zhuǎn)移、土地適度規(guī)模經(jīng)營(yíng)等對(duì)噴灌機(jī)組的管道布置及組合模式提出了新的要求。因而提高輕小型移動(dòng)式噴灌機(jī)組構(gòu)成方式的靈活性、降低機(jī)組能耗、提高單位機(jī)組功率的灌溉面積成為噴灌機(jī)組應(yīng)用推廣中亟待解決的問(wèn)題。本文采用優(yōu)化模擬、試驗(yàn)驗(yàn)證等方法，開(kāi)展了低能耗多功能輕小型移動(dòng)式

2、噴灌機(jī)組優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究。
　　主要研究工作及創(chuàng)新點(diǎn)分為以下幾個(gè)方面:
　　(1)低能耗多功能輕小型移動(dòng)式噴灌機(jī)組設(shè)計(jì)
　　提出一種移動(dòng)固定多目標(biāo)噴灌系統(tǒng)，它使機(jī)組靈活性提高，且對(duì)作物的適應(yīng)性增強(qiáng)。為了提高機(jī)組的便捷性，發(fā)明了一種快速連接管件和一種噴灌用噴頭及管道固定裝置。
　　提出一種組合式雙支管多噴噴灌系統(tǒng)，理論分析結(jié)果表明，該系統(tǒng)與傳統(tǒng)的“一”字型支管和兩條支管布置相比，操作時(shí)間和總費(fèi)用最低，噴灌均勻性最

3、高，單位能耗居中。
　　依據(jù)上述兩種噴灌機(jī)組的支管布置方式、機(jī)組各部件移動(dòng)模式，總結(jié)出11種適用于不同面積的管道布置方式，為用戶提供多元化選擇。
　　(2)機(jī)組綜合評(píng)價(jià)體系建立及各指標(biāo)影響因素研究
　　基于灰色關(guān)聯(lián)法，建立了涵蓋技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、社會(huì)等4大類(lèi)10個(gè)指標(biāo)的噴灌機(jī)組綜合評(píng)價(jià)模型，權(quán)值確定采用層次分析法與熵權(quán)法相結(jié)合的綜合賦權(quán)法來(lái)集成主觀和客觀兩方面的因素。計(jì)算結(jié)果表明該評(píng)價(jià)體系可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，為噴灌機(jī)

4、組多因素多目標(biāo)的選擇提供有效的分析工具。
　　對(duì)機(jī)組評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響因素及規(guī)律進(jìn)行分析。技術(shù)指標(biāo)方面，就噴頭工作壓力、噴頭間距等因素對(duì)均勻性的影響進(jìn)行理論研究，為機(jī)組組合噴灌均勻性的分析及機(jī)組優(yōu)化配置提供參考。經(jīng)濟(jì)指標(biāo)方面，對(duì)機(jī)組生命周期成本(LCC)的組成部分進(jìn)行分析。結(jié)果表明，能耗費(fèi)在LCC中所占比例最大，其次是初投資和人工費(fèi)，因此噴灌機(jī)組的優(yōu)化配置對(duì)機(jī)組的節(jié)約成本、降低能耗十分關(guān)鍵。環(huán)境指標(biāo)方面，采用含交互作用的正交表L27(

5、313)對(duì)噴灌機(jī)組的能耗影響因素進(jìn)行研究。結(jié)果表明，輕小型噴灌機(jī)組能耗對(duì)噴頭工作壓力的變化最敏感，其次為管道管徑，噴頭間距對(duì)能耗的影響主要體現(xiàn)在與其他參數(shù)的交互作用中。因此，需對(duì)噴灌機(jī)組進(jìn)行多目標(biāo)配置優(yōu)化。
　　(3)輕小型噴灌機(jī)組管道水力設(shè)計(jì)及多目標(biāo)優(yōu)化配置研究
　　根據(jù)輕小型噴灌機(jī)組水泵-管路-噴頭協(xié)同運(yùn)行的特點(diǎn)，借鑒微灌管道水力計(jì)算方法，對(duì)現(xiàn)有噴灌機(jī)組管道水力計(jì)算方法進(jìn)行改進(jìn)。提出了考慮流量約束的后退法、前進(jìn)法，和將前

6、進(jìn)法、后退法與黃金分割法相結(jié)合的輕小型噴灌機(jī)組管道水力計(jì)算方法。計(jì)算結(jié)果表明:前進(jìn)法與后退法相比，更能反映噴灌管道與微灌管道相比由于出水口較少且每個(gè)孔口流量較大，而呈現(xiàn)的管道沿程一定位置上出現(xiàn)的壓力驟降的特點(diǎn);新提出的前進(jìn)后退法多級(jí)管道水力計(jì)算方法與前人的方法相比，更能滿足各支管末端的最低噴頭工作壓力要求，使計(jì)算結(jié)果更加可靠。
　　以單位能耗為目標(biāo)，首次將蟻群算法應(yīng)用于噴灌機(jī)組的配置優(yōu)化中，并與遺傳算法優(yōu)化及試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。結(jié)果

7、表明，蟻群算法計(jì)算得到的最佳噴頭數(shù)和管道沿程工作壓力，與遺傳算法相比更接近實(shí)驗(yàn)值。同時(shí)基于評(píng)價(jià)指標(biāo)及影響因素研究，采用線性加權(quán)和法初步建立了輕小型噴灌機(jī)組多目標(biāo)配置優(yōu)化模型。
　　(4)機(jī)組能耗及均勻性影響因素田間試驗(yàn)研究
　　機(jī)組能耗及均勻性是機(jī)組綜合評(píng)價(jià)中主要的環(huán)境指標(biāo)和技術(shù)指標(biāo)，分別反映機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)及噴灌質(zhì)量，且對(duì)機(jī)組配置參數(shù)的變化較為敏感。因此，采用田間試驗(yàn)的方法對(duì)機(jī)組能耗及均勻性影響因素及規(guī)律進(jìn)行分析，對(duì)管道水力計(jì)

8、算方法和優(yōu)化方法進(jìn)行驗(yàn)證，并對(duì)試驗(yàn)條件下特定噴灌機(jī)組的最優(yōu)配置方式進(jìn)行探討。機(jī)組能耗影響因素研究結(jié)果表明，理論計(jì)算方法總體可行，但試驗(yàn)中當(dāng)管徑增大時(shí)，由于此時(shí)使水泵提供給噴頭的工作壓力增大，間接導(dǎo)致機(jī)組能耗上升，反映了水泵-管路-噴頭間的協(xié)同作用，而理論方法對(duì)這一因素考慮不足。
　　噴灌均勻性影響因素研究結(jié)果表明，噴灌機(jī)組田間應(yīng)用時(shí)，在風(fēng)速＜2.7m/s（試驗(yàn)最大風(fēng)速）的場(chǎng)合，可以采用矩形布置，噴頭間距及支管間距適中，工作壓力取低