提高變量噴頭組合噴灌系統流量穩定性的噴頭安裝方法
2023-09-09 18:00:05
專利名稱：提高變量噴頭組合噴灌系統流量穩定性的噴頭安裝方法
技術領域：
本發明屬於農業工程領域，涉及一種用於農田、園林綠地和花卉苗圃等噴 頭裝置安裝方法，特別涉及一種提高變量噴頭組合噴灌系統流量穩定性的噴頭 安裝方法。
背景技術：
精確灌溉的核心技術是能夠開發出根據作物或地塊形狀需要在不同位置
灌溉不同水量的設備，除了在噴灌機上配備有全球定位系統(GPS)和地理信 息系統(GIS)的設備外，主要包括變量施水灌溉噴頭、控制器和變流量泵。 其中最為關鍵的設備應屬變量施水精確灌溉噴頭，變量噴頭可以根據作物和地 塊形狀的需要自動調節流量和射程，實現噴灑域和噴灑量可控，避免地出現重 噴、漏噴和界外噴灑等現象，以節約水資源。
變量噴頭的研究和應用已有多年，相繼有許多類型的變量噴頭也多有報導 和專利申請，如中國專利號為01265799.9、 00257672.4、 00215392.0、 03218591、 96212526.1、 98232884.2、 03114528.0、 03218591.x，美國專利號為1637413、 2582158、 2780488、 3952954、 3261552、 4198001、 6079637、 4277029，英國 專利號為2094181A、 2094181 A，歐洲專利號為0395230A1等中公開的噴頭 可以實現噴灑域和噴灑量可控，其實現方式基本都是在原圓形噴灑域噴頭結構 的基礎上採用一定的噴灑域和噴灑量可控的裝置，實現變量噴灑。本申請的發 明人在農業工程學報、農業機械學報等刊物上發表的文章"仿形噴灑變量施水 精確灌溉技術研究進展"(2004年第1期)和"非圓形噴灑域變量施水精確灌 溉噴頭研究綜述"(2004年第5期)中對國內外變量噴頭的結構、工作原理和 性能特點做了較為詳盡的論述。 與圓形噴灑域噴頭組合構成的噴灌系統不同，變量噴頭組合噴灌系統中每 個噴頭在轉動過程中其流量隨轉角的變化而發生周期性的變化。從噴灌系統運 行的穩定性出發，要求管道流量的變化儘可能小。但在上述已公開的專利中， 沒有涉及對變量噴頭組合噴灌系統流量穩定性的解決方法。
發明內容
針對上述變量噴頭組合噴灌系統在流量穩定性方面存在的缺陷或不足，本 發明的目的在於，提供一種提高變量噴頭組合噴灌系統流量穩定性的噴頭安裝 方法。
為了實現上述任務，本發明採取如下的技術方案
當支管上變量噴頭數量為2的冪次方時，即支管上噴頭數《 = 2* (其中yt 為自然數)時，以每兩個相鄰噴頭為一組，安裝時使其初始轉角"相差7，
相鄰兩組之間的噴頭轉角相差^"，此時支管流量變化幅值最小；
當支管上變量噴頭數不等於2的冪次方時，按照如下步驟進行噴頭初始轉
角的安裝
步驟一將噴頭分成若干組，分組時可以先從原噴頭數中分出第一組，然 後再從剩餘噴頭數中分出第二組，依次類推；
每組噴頭數為2的冪次方，且第一組的冪為可以從原噴頭數中分出來的最 大的冪，第二組的冪為可以從第一組分完後剩餘噴頭數中分出來的最大的冪， 後面各組依次類推；
步驟二每組內噴頭按照噴頭數為2的冪次方的情況下噴頭轉角確定方法
確定初始安裝角，並按照初始安裝角安裝各組噴頭；保證支管總流量變化幅度 最小。
本發明的方法在每條支管上安裝變量噴頭時，通過合理地布置各噴頭的初
始轉角，從而使任何時刻支管上多噴頭的總流量儘可能保持一致，降低支管流 量的變化幅度，從而保證噴灌系統的穩定性。
圖1為噴灌系統中幹管、支管和噴頭系統的布設圖。圖中只給出1條幹管
和其上的4條支管，噴頭均勻分布在各條支管上(圖中每條支管上僅給出了4 個噴頭)，每個噴頭都通過豎管與支管連接。
圖2是正方形噴灑域變量噴頭噴灑域示意圖。
圖3和圖4分別為本發明實施實例的正方形噴灑域變量噴頭三維水量分布 圖和等值線圖。
圖5和圖6為正方形噴灑域變量噴頭流量隨轉角變化曲線及流量和疊加曲 線。其中，圖5中，曲線1表示噴頭1流量曲線；曲線2表示噴頭2流量曲 線；曲線3表示噴頭1和2流量和曲線。圖6中，曲線1表示噴頭1流量曲線； 曲線2表示噴頭2流量曲線；曲線5表示噴頭1和2流量和曲線；曲線3表示 噴頭3流量曲線；曲線4表示噴頭4流量曲線；曲線6表示噴頭3和4流量和 曲線；曲線7表示噴頭1、 2、 3、 4流量和曲線。
圖6為正方形噴灑域變量噴頭初始轉角(即初始噴灑方向)布置方式。 下面結合附圖和發明人完成的具體實例對本發明作進一步的詳細說明。
具體實施例方式
參見圖l，變量噴頭組合噴灌系統由若干條幹管組成，每條幹管上連接有 若干條支管，每條支管上安裝有若干個變量噴頭。變量噴頭在轉動過程中的各 個噴灑方向上其流量是不斷變化的，即噴管在不同轉角下流量是不同的。從系 統運行穩定性出發，要求流量變化儘可能小。在變量噴頭安裝時，通過交錯分 布支管上各個變量噴頭的初始轉角，使流量變化相互抵消，從而使各支管上的 流量變化幅度最小，提高變量噴頭組合噴灌系統的流量穩定性。
本發明的提高變量噴頭組合噴灌系統流量穩定性的噴頭安裝方法，主要同
過交錯分布支管上變量噴頭初始安裝的噴頭轉角來實現的。變量噴頭安裝時初 始轉角的確定需要根據噴頭數量來選擇相應的方法步驟。
參見圖2、3和4，以正方形噴灑域變量噴頭為例，圖2是正方形噴灑域 變量噴頭噴灑域示意圖。圖中的圓為原噴頭噴灑域形狀，內接正方形ABCD為 正方形噴灑域變量噴頭理論噴灑域形狀。0F為原圓形噴頭射程，也是正方形 噴灑域變量噴頭頂點方向上的噴頭射程，OF^G。 0E為正方形噴灑域變量噴頭
邊線中點方向上的理論射程。變量噴頭的射程調節器使噴頭的噴灑域的形狀從 原來的圓形改變為正方形ABCD，實際上是使弧SGC轉變為直線段DGC。圖3 和圖4分別為本例發明的正方形噴灑域變量噴頭實際噴灑水量分布圖和等值 線圖。
變量噴頭轉動一周轉角為2;r，正方形噴灑域的變量噴頭每轉動^，其流量
4
為一個循環。設方形噴灑域噴頭最大流量為？。。根據正方形噴灑域變量噴頭流
量方程可知，最小值為2' n = a5《。。
當支管上只有l個噴頭時，其初始轉角可以任意確定，支管流量最大值為 2max =《。，，最/j、tt為2min = 0.5^。，支管^[量變/[七量A2 = 2max — 2min = 0.5《。。
當支管上噴頭數"=2時，支管流量變化量可按圖5中流量曲線的斜率和變
OS"! 工 化規律分析。以 4的流量曲線為例，在"從0變化到4的過程中，曲線
的斜率越來越大，即流量的變化量越來越大。因此，只有當兩個相鄰噴頭的轉
角在空間位置上相差7的整數倍時，支管流量變化量最小；且只有當一個噴頭
流量最大，另一個噴頭流量最小(例如噴頭轉角一個為G，另一個為^)時，
;r
支管流量最大；當相鄰兩個噴頭的流量相同(例如噴頭轉角一個為i，另一個
為i)時，支管流量最小。因此在支管上只有兩個正方形噴灑域變量噴頭時，
安裝時使其噴頭轉角相差4的整數倍即可滿足流量變化最小的條件。
可以計算出本例中支管流量的變化量。根據方形噴灑域噴頭流量方程可知， 支管流量最大值為
G腿=《0+0.5《0 =1.5《0
支管流量最小值為
G誦=2《o~~^ 1.17《0
2 cos — 8
支管流量變化幅值為
△2 = Qmax — Qmin *1.5《0—1.17《0 =0.33^
兩個噴頭的流量曲線及流量和的曲線如圖5所示。圖中曲線1和2是支管上 兩個噴頭轉動一周內的流量曲線；曲線3為兩噴頭流量和的曲線。
當支管上噴頭數為"=4時，安裝時可將每兩個相鄰噴頭作為一小組，轉角
"相差7，兩小組之間的噴頭轉角相差i，此時支管流量變化幅值最小，其流
量曲線如圖6所示。圖中曲線1和2以及3和4分別是支管上第一組和第二組內的 兩個噴頭轉動一周內的流量曲線；曲線5和6分別為噴頭1和2以及3和4流量和的 曲線。曲線7為曲線5和6的疊加，即為支管上4個噴頭流量和的曲線。
可以計算出本例中支管流量的變化量。由方形噴灑域噴頭流量方程知，支 管流量最大值為
G謹=1.5《0+1.17《0 =2.67《0
支管流量最小值為2隱=2《0 —^ + 2《。~~^ - 1.04 +1.45 = 2.49《。
2 cos2—2 cos2—— 16 16
支管流量變化幅值為
△2 = 2隨_ 2,《2.67《0_2.49《0 = 0,0
依次類推，當支管上變量噴頭數量為2的冪次方時，即支管上噴頭數 "=2"& = 1，2，3，...)時，每兩個相鄰噴頭為一組，安裝時使其初始轉角"相差7，
相鄰兩組之間的噴頭轉角相差2"'，此時支管流量變化幅值最小。 可以計算出該種情況下支管流量變化量。支管流量最大值的遞推公式為:
7A. y一1
2"
(1)
式中el一噴頭數為24的支管流量最大值；
—噴頭數為2"的支管上流量最大值;
2: 一噴頭數為2"的支管上流量最小值;
支管流量最小值為
= 2《0
2 cos
"+2
.+ 2《0
2 cos
3;r
1
2 cos'
(2* —
2
4+2
(2)
支管流量的變化幅值為
當支管上變量噴頭數不等於2的冪次方時，可以按照如下步驟進行噴頭初 始轉角的安裝。
步驟l:將噴頭分成若干組。
分組時可以先從原噴頭數中分出第一組，然後再從剩餘噴頭數中分出第二
組，依次類推。每組噴頭數為2的冪次方，且第一組的冪為可以從原噴頭數中 分出來的最大的冪，第二組的冪為可以從第一組分完後剩餘噴頭數中分出來的 最大的冪，後面各組依次類推。
以上過程可以用嚴密的數學方法表達如下。
令
(4)
並使
S"-2*1 S2、+' (5)
2*'-' ^_|^2*' ^2*'-'+1 按照上述公式可以確定出各組的噴頭數。
步驟2:每組內噴頭按照噴頭數為2的冪次方的情況下噴頭轉角確定方法確
定初始安裝角，並按照初始安裝角安裝各組噴頭。
這樣可以保證噴頭流量變化被最大程度的抵消，從而保證支管總流量變化
幅度最小。按上述公式可以分別求出各組內噴頭流量之和的最大值&:、最小
值^以及變化量A^。
由於各組內噴頭數目相差2H'倍，組間噴頭流量之和也相差2^'倍， 且各組噴頭流量和的曲線的周期也相差2H'倍，各組噴頭流量和的曲線在疊 加後的最大值和最小值已經基本沒有規律可循。因此，將各組內噴頭流量和的
最大值直接相加，最小值直接相加，即可作為支管流量的最大值2,和最小值^min，如下式所示
2隨
, =1
(6)
-min
=1 /=1
舉一實例說明上述過程當支管上的噴頭數"=12時，根據(4)式可分
為兩組，第一組噴頭數為23=8個，第二組噴頭數為22=4，即"=23 + 22， &=3，&=2，"滿足(5)式。第一組噴頭安裝時每兩個相鄰噴頭為一小組，
安裝時使其初始轉角"相差^，兩小組之間的噴頭轉角相差！；第二組噴頭
16
安裝時仍然為每兩個相鄰噴頭為一小組，使其初始轉角"相差7，兩小組之
間的噴頭轉角相差f;每此時支管流量變化幅值最小。 還可以計算該支管噴頭流量變化幅值。
將^ = 3代入公式(2)，可得第一組噴頭流量和的最小值為
eL = 2《。)^ + 2《。+ : & + 2《。~~ ;3
2cos ^2cos ^2cos F2cos2、 23+2;
將* = 3代入公式(1)，可得第一組噴頭流量和的最大值為
= 2二X 2.67^ + 2.49《0 =5.16^ 根據公式(6)，代入上述計算結果，得支管流量最大值"i、最小值2l以 及流量變化幅值A"2:
2:L = l+e,L + 2.67《0 = 7.83《0
2: = 2L+e二 《 5,0 + 2.49^ = 7.55^ = - 01 7.83^ - 7.55《。=0.2、
由此可見，本發明的噴頭安裝方法可以使支管流量變化幅值大大降低，從 而提高了變量噴頭組合噴灌系統的壓力和流量的穩定性。
權利要求
1.一種提高變量噴頭組合噴灌系統流量穩定性的噴頭安裝方法，其特徵在於，該方法包括下列步驟當支管上變量噴頭數量為2的冪次方時，即支管上噴頭數n＝2k時，其中k為自然數，以每兩個相鄰噴頭為一組，安裝時使其初始轉角α相差，相鄰兩組之間的噴頭轉角相差，此時支管流量變化幅值最小；當支管上變量噴頭數不等於2的冪次方時，按照如下步驟進行噴頭初始轉角的安裝步驟一將噴頭分成若干組，分組時可以先從原噴頭數中分出第一組，然後再從剩餘噴頭數中分出第二組，依次類推，使每組噴頭數為2的冪次方；且第一組的冪為從原噴頭數中分出來的最大的冪，第二組的冪為從第一組分完後剩餘噴頭數中分出來的最大的冪，後面各組依次類推；步驟二每組內噴頭按照噴頭數為2的冪次方的情況下噴頭轉角確定方法確定初始安裝角，並按照初始安裝角安裝各組噴頭；從而保證支管總流量變化幅度最小。
全文摘要
本發明公開了一種提高變量噴頭噴灌系統流量穩定性的噴頭安裝方法。變量噴頭組合噴灌系統由若干條幹管組成，每條幹管上連接有若干條支管，每條支管上安裝有若干個變量噴頭。變量噴頭在轉動過程中的各個噴灑方向上其流量是不斷變化的，即不同轉角下流量是不同的。從系統運行穩定性出發，要求流量變化儘可能小。本發明給出了一種交錯分布變量噴頭初始轉角的方法，使流量變化儘可能相互抵消，從而使各支管上的流量變化幅度最小，提高變量噴頭組合噴灌系統的流量穩定性。
文檔編號A01G25/02GK101096021SQ200710017659
公開日2008年1月2日 申請日期2007年4月10日 優先權日2007年4月10日
發明者浩 馮, 吳普特, 韓文霆 申請人:西北農林科技大學