柔性凸轮控制实现变量喷洒的可行性分析

2018-10-12 10:19张宏献林祖正
节水灌溉 2018年9期
关键词:水力学减压阀凸轮

张宏献,林祖正,丁 伟

(广西科技大学鹿山学院,广西 柳州 454006)

旋转式喷头因简单可靠、价格低廉而普遍应用在城市园林绿地喷灌中。但旋转式喷头的喷洒域为圆形,而需要灌溉的城市绿地往往是非圆形。这就造成了使用旋转式喷头灌溉时容易产生漏喷、复喷、超喷,造成水资源浪费。为解决圆形喷洒域与非圆形地块轮廓不匹配的问题,国内外学者对可实现非圆形喷洒域的变量喷头展开了研究[1]。目前国内外对变量喷头的研究主要集中在变量喷洒实现机构的形式设计上,从水力学理论方面研究变量喷头变域喷洒的水力学原理的文献较少,其中西北农林科技大学韩文霆[2,3]、江苏大学袁寿其[4]、刘俊萍等[5,6]学者对此展开了深入研究。陈超等[7,8]研究了异形喷嘴对变量喷头水量分布的影响。魏洋洋等[9]研究了异形喷嘴变量喷洒喷头结构形式及工作原理。邢浩男等[10]研制了一种利用调节喷头仰角的方式喷洒方形区域的喷灌装置并通过试验验证装置的性能。

综上所述,目前研制的变量喷头大都只能实现正方形、三角形、六边形等固定形状的喷洒域,且研究内容以结构设计和试验验证为主。基于现有变量喷头的理论成果,本文利用灌溉水力学理论推导建立了采用压力调节实现变域变量喷洒的水力学理论模型,根据此模型设计了基于柔性凸轮控制的变量喷头。并通过试验测试的方法验证了水力学模型的正确性和基于柔性凸轮控制变量喷头设计方案的可行性。

1 喷头工作原理

变量喷头常采用的实现方式有机械控制和电气控制两种。电气控制方式可以通过编程控制水泵转速、比例阀、伺服阀阀口大小等液压元件参数较容易地实现对喷洒形状的控制[11,12]。但由于需要外接电源,而外接电源在灌溉环境中存在安全隐患,同时也不适合野外作业,使其使用范围受限,无法推广使用。机械控制方式是采用机械结构控制喷头射程实现非圆形喷洒。机械控制实现非圆形喷洒域常采用控制喷头仰角、控制水流压力、复合运动、增加固定挡水器、异形喷嘴等方式。机械控制实现非圆形喷洒域不需要外接电源,操作、维护简单,更加适合野外灌溉作业。本文采用柔性凸轮控制喷头水流压力的方式实现变量喷洒。

1.1 结构原理

基于柔性凸轮的变量喷头是在传统旋转式喷头进水口上游增加减压阀,将减压阀作为压力调节器控制射程变化,最终实现非圆形的不规则喷洒域。其三维模型如图1所示,包括射程调节机构、动力部件、传动部件、控制部件及附属管件。动力部件采用齿轮马达为射程调节机构的运动提供动力。传动部件采用齿轮传动将动力部件的动力传递给射程调节部件。控制部件采用柔性凸轮机构控制射程调节部件按照一定规律运动。射程调节机构由减压阀及其附件组成。动力部件由齿轮马达及其附件组成。传动部件由被动齿轮和主动齿轮组成。齿轮马达动力输出轴与主动齿轮固定连接在一起,驱动主动齿轮旋转。控制部件由柔性凸轮组成,喷头为改造的普通旋转式喷头,喷头与被动齿轮固定连接在一起,随被动齿轮一起转动。

图1三维模型示意图Fig.1 3D model schematic diagram

柔性凸轮是实现压力调节改变喷头射程的核心控制部件。其结构如图2所示,调整螺钉通过螺纹孔安装在被动齿轮上。调整螺钉下端安装有橡胶材质的柔性凸轮导轨,根据需要灌溉绿地的形状,通过改变螺钉的高度改变柔性凸轮的轮廓。减压阀的阀芯导杆上端安装有导轮,导轮沿柔性凸轮导轨运动。减压阀阀口开度随凸轮轮廓变化,控制进入喷头的水流压力,从而改变喷洒射程。加上喷头自身旋转运动,最终喷洒出与灌溉绿地形状相匹配的喷洒域。

图2 柔性凸轮示意图Fig.2 Schematic diagram of flexible cam

此结构采用螺钉调节喷头射程,直观明了,简单易操作,无需外接电源,易于推广使用。实际使用过程中,首先将该洒水器固定在合适的位置,根据喷洒域的形状调整螺钉旋入量,特别适合于不规则形状地块的灌溉。

1.2 压力调控变量喷头水力学模型

为了揭示基于柔性凸轮的压力调控的变量喷头的工作机理,为后续产品的开发提供理论依据和技术支承,需要从灌溉水力学理论分析的角度建立压力调控变量喷头的水力学模型。为便于推导计算,提出假设条件如下:①将水流视为不可压缩的定常流动,密度不变;②系统所有零部件密封完好,不存在泄漏;③不考虑喷头、减压阀等部件运动过程中摩擦力影响;④不考虑风速对射程造成的水滴漂移影响;⑤不考虑水流在管道中的局部压力损失和沿程压力损失。

1.2.1 变量喷头工作方程

变量喷头喷洒域的控制主要通过调节喷头射程来实现的。喷头每转动一个单位角度喷洒过的面积也发生变化,如图3所示。为满足相同面积地块上受到的喷洒水量基本相同,要求变量喷头转速流量和射程之间满足以下工作方程[13]。

图3 变量喷头工作示意图Fig.3 Working principle of variable-rate irrigation sprinkler

(1)

式中:Qs为喷头流量,m3/h;ωs为喷头角速度,rad/s;r为喷头的射程,m;K为喷头转动一周内单位喷洒面积上应受到的平均喷洒水量系数,K是一常数,由设计灌水定额决定。

1.2.2 减压阀流量特性

如图4所示减压阀的结构原理图,将减压阀的开口看成是薄壁小孔,减压阀通过薄壁小孔的流量公式描述为[14]:

图4 减压阀结构原理图Fig.4 Structure principle of pressure reducing valve

(2)

(3)

(4)

式中:Q为减压阀总流量,m3/h,根据流体力学连续方程,减压阀总流量等于喷头流量;Q1为减压阀进口流量,m3/h;Q2为减压阀底部缓冲腔泄露流量,m3/h;D为阀芯直径,mm;x为阀芯位移,表示阀口开度,mm,根据变量喷头的工作原理,阀芯位移等于减压阀导杆行程,也等于柔性凸轮轮廓高度;p1为减压阀进口压力, MPa;p2为减压阀出口压力,等于喷头压力, MPa;ρ为液体密度,kg/m3;Cd为孔口流量系数。

由流体力学知识可知,流量系数随阀口开度、截面深宽比、截面水力直径等参数的变化规律相当复杂。常通过实验测试或利用流体力学仿真软件进行流场仿真分析得到具体数值解。工程中常常将孔口流量系数界定在0.6~0.8之间,当流体湍动程度足够大后,薄壁孔的孔流系数稳定在0.60~0.62左右,厚壁孔的孔流系数为0.82~0.86左右[15]。本文后续试验采用的节流阀阀口与滑阀相似,其流量系数随阀芯位移非线性变化,更加复杂。滑阀阀口开度较小时流量系数接近于1,随着阀口开度的增大而逐渐减小,在阀口中间区段接近于常数,在接近全开度时流量系数又快速增大[16]。

1.2.3 喷头射程方程

国内外学者通过理论分析和试验研究对喷头射程展开了许多研究,得到了不同工况下不同类型喷头的射程方程,比如Cauazza方程、常文海方程、加维林方程、冯传达方程、特定型号喷头的试验回归方程等[17,18]。为便于说明柔性凸轮的变量喷头工作原理,同时根据后续试验采用喷头型号,本文采用Cauazza方程进行推导。

(5)

式中:d为喷头喷嘴直径,m;h为喷头水头压力,m。

1.2.4 压力调控变量喷头水力学模型

将基于压力调控的变量喷头看作一个整体,则系统的输入量是减压阀阀芯位移x,输出量是喷头射程r。根据流体力学的连续方程,在喷洒过程中减压阀流量等于喷头流量即:Q=Qs,将式(3)、式(4)代入式(2),与式(1)合并,得到满足均匀灌溉时,射程r、压力p2、减压阀阀芯行程x的函数方程如下:

(6)

由前述结构原理可知,喷头水头压力等于减压阀出口压力,再根据压力单位换算关系得:

p2=0.01h

(7)

将式(5)、式(7)代入式(6),消除中间变量p2,最终得到均匀灌溉条件下,压力调控变量喷头的水力学模型,即减压阀阀芯位移x与喷头射程r间的关系方程,如下:

(8)

2 试验分析

如上所述,基于柔性凸轮的压力调控变量喷头的水力学模型的关键是确定减压阀阀芯位移与喷头射程的函数关系。可通过两种方法得到关系函数:一是理论分析,如公式(8)所示。另一种是通过试验分析,将变量喷头看作一个黑箱,将导杆行程(阀芯位移)作为输入量,喷头射程作为输出量,直接试验测量得到减压阀导杆行程与射程数据,采用数据拟合的方法建立关系函数。本文采用将理论分析与试验测试相结合,试验验证理论分析的正确性。

2.1 试验材料与方法

试验测试方案原理如图5所示,将选定的减压阀、喷头等元器件按照图示位置安装,试验选用设备的型号及参数如表1所示。每调整减压阀导杆行程x一次,测量一次对应的喷头射程r。根据国标GBT_19795.1-2005和国标GBT_19795.2-2005关于旋转式喷头的测试标准,在室内无风情况下进行测试,测得数据如表2所示。以减压阀阀芯位移为横坐标,以喷头射程为纵坐标,得到测试结果如图6所示。减压阀导杆行程x等于凸轮的轮廓函数,当凸轮轮廓函数是一个常数时,则喷头喷洒形状为圆形。

图5 试验原理图Fig.5 Experimental schematic diagram

2.2 试验数据分析

根据上述试验方案及试验过程,对压力调控变量的水力学模型公式(8)进行简化分析。相对喷头流量Q,减压阀底部缓冲腔泄露流量Q2忽略不计。喷头转速取ωs=2 r/min;假设流量系数Cd不随时间变化取常数0.6,减压阀阀芯直径D10 mm,减压阀进水口压力0.3 MPa,喷头喷嘴直径d取4.0 mm,水密度ρ取1 000 kg/m3,把上述数据代入公式(8),利用Matlab绘制阀芯位移x与射程的关系曲线,与两组实验数据进行对比,如图6所示。

表1 设备型号及主要参数Tab.1 Equipment type & main parameters

分析图6理论分析结果与试验结果对比可知:①减压阀的阀芯行程变化范围7~13 mm,但有效行程实际仅为7~10 mm之间,当阀芯行程超过10 mm后,虽然阀芯位移的变化,已经无法改变喷头射程。阀芯行程超过10 mm后,理论分析曲线与试验测试曲线差距很大,主要因为阀芯行程已经超出减压阀有效行程。②在减压阀有效行程内,理论分析曲线与试验实测数据变化趋势基本一致,证明了理论分析的正确性,从而也证明在减压阀的有效行程内,通过调整减压阀阀芯控制喷头射程可行。在有效行程内,可利用水力学理论模型分析结果指导变量喷头的设计开发。③本次试验结果与理论模型分析结果存在误差的主要原因分析如下:在理论分析过程中,将减压阀阀口流量系数取为常数,而实际流量系数随阀芯位移变化的非线性函数。将减压阀阀口看作薄壁小孔,实际上减压阀阀口是变化比薄壁小孔复杂。这些因素都造成了误差的存在;喷头喷嘴直径按照设备参数名义值进行分析计算,而实际喷嘴的直径、喷嘴倒角等对喷嘴的影响都没有考虑;试验采用的潜水泵水压波动大,测量误差也对试验结果造成影响。

表2 测试数据Tab.2 Test data

图6 试验结果与理论分析结果对比Fig.6 Results of experiment and theoretical analysis

3 结 语

(1)本文提出一种基于柔性凸轮控制的压力调控变量喷头,可以实现任意形状喷洒域,解决了圆形喷洒域与不规则形状的地块匹配性差的问题。设计采用机械控制,无需外接电源,易于操作,可用于野外灌溉作业。

(2)根据水力学知识,建立了在满足变量喷头均匀喷洒的条件下的水力学模型,得到减压阀阀芯位移与喷头射程之间的函数关系,并通过试验验证了理论分析的正确性。建立的变量喷头的水力学模型可以用于指导变量喷头设计,但为了获得高精度的产品,要结合试验分析结果共同分析。

(3)下一步研究将更换精度更高的试验设备,并制作物理样机试验研究基于柔性凸轮的变量喷洒喷头的喷头射程降低系数、喷头喷洒形状系数、喷洒均匀性系数、喷 洒打击强度变化系数及喷灌强度变化系数等水力性能指标[19],从而丰富变量喷头水力学理论,为工程实践提供理论指导。

猜你喜欢
水力学减压阀凸轮
一种适用于超高纯气体的减压阀
减压阀低温密封性能优化研究
负半径滚子从动件凸轮机构设计、仿真与验证
气动舵机高压反向直动式减压阀的设计及特性
饱和紫色土初始态和稳定态细沟水力学特征研究*
汽车减压阀的设计优化
凸轮零件的内花键拉削工艺的自动化生产线
基于MATLAB的盘形凸轮逆向工程
基于管网理论的人口迁移动力学模型构建
水力学课程翻转课堂教学模式改革探索