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水射流切根装置试验研究与设计

2023-10-09 82 上传者：管理员

摘要：切根已成为退化羊草草原恢复的重要改良方法之一。针对传统牧草切根机存在的扰动大、刀盘入土困难、易损伤等技术难题，设计了一种水射流切根装置。通过理论分析确定了喷嘴的直径范围为0.25～0.5mm,水射流装置射流速度为400m/s,对土地表面的冲击压强为16MPa。试验结果表明，水射流切根装置的切割深度与喷嘴直径和装置作业速度密切相关：当速度相同时，直径越大，流量越大，切割深度越大；当直径相同时，切割速度越小，切割深度越大。

关键词：
切根机
水射流
牧草切根机
羊草
草原恢复
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羊草(Leymus chinensis)是我国东北地区具有较强抗逆性的优势种群，其根茎具有较强的分蘖能力，主要分布在0～15cm的土层中[1]。采用牧草切根机将根茎切断，促进羊草无性繁殖，保持羊草持续高产，已成为退化羊草草原恢复的重要改良方法之一[2]。由于传统切根作业对草原扰动大、切根松土及镇压动力消耗大，触土部件易损坏，致使切根机的适应性、可靠性、经济性较低，制约了退化草原的规模化改良效益[3]。

水射流技术以水为载体，利用增压原理，通过增压装置及特定的喷嘴将机械能转换成压力能，使水经过压缩后由喷嘴高速喷出，继而将压力能转换成动能[4,5]。目前，水射流技术已被广泛应用在机械、航空航天、建筑、采矿及石油等领域。将高压水射流原理用于退化草原切根改良，具有如下显著优势：①切缝窄，对草原扰动小；②切深调节容易，适应性好；③无触土部件，无需镇压，不受砂石影响，可靠性高；④耗水量小，且对草原改良有正面影响；⑤可实现施肥与切根过程一体化，结构进一步简化；⑥工作过程平稳，整机可靠性及寿命明显改善。

针对传统切根存在的对草原扰动大、刀盘入土困难、易损伤等技术难题，设计了一种水射流切根装置，作者简介:岑海堂(1967-),男，呼和浩特人，教授，硕士生导师。并进行了切根试验，旨在为开发高性能、高效率水射流切根机提供技术参考。

1、结构组成及工作原理

1.1结构组成

水射流切根装置结构主要由水箱、高压泵、输水管、溢流阀、喷嘴管及喷嘴等部分组成，如图1所示。其中，高压泵与水箱用管路连接，压力表安装在高压泵的出水口；高压泵出水后分为两路，一路为回路，回路上设有溢流阀并回到水箱，另外一路用三通管连接喷嘴管，喷嘴管上均匀分布12个喷嘴。

1.2工作原理

工作时，将水箱的水吸入高压泵并增大压力，然后进入输水管道，管道高压水进入水射流喷嘴，喷嘴结构图如图2所示。溢流阀与高压泵并联调节水射流回路压力；水介质通过水喷嘴形成高速射流，将土层开出细沟，土层被侵蚀切割成更小的颗粒，水射流切割细沟中的侧根茎，从而达到切割根的目的，被切割的根系也会随着周围土壤沿水射流冲蚀方向被水流冲走。

2、水射流切根装置参数计算

2.1喷嘴直径

水射流切根装置的工作环境为非淹没环境，喷嘴直径的选择直接影响到水射流的切割效果及工作效率。由于该装置通过高压泵进行驱动，所以射流流量就是高压泵的流量，根据文献[6],喷嘴直径的计算公式为

2.2喷嘴水射流速度

根据水射流流动特性可以将喷出后的水射流分为初始段、过渡段、基本段及消散段，如图3所示。其中，Pi为射流极点；v0为射流初速度(m/s);vx为射流沿轴线方向的速度(m/s); vy为射流沿径向方向的速度(m/s)。

水射流边界受到周围空气的影响形成漩涡，射流的中心区域由于漩涡作用形成剪切层，剪切层内的水流速度不受紊流的影响保持初速度vo,该区域被称为核心区。沿水射流方向从喷嘴出口到核心区末的区域被称为初始段，由于该水射流段的能量较为集中，所以一般应用于切割[7]。本文装置所利用的也是初始段。

2.3喷嘴冲击压强

当高压水射流冲击物体表面时，流体的速度和方向会发生变化，其动量也必然发生变化。在这个过程中失去的动量将以冲击力F的形式作用在物体表面。冲击力F计算式为

F=ρQv(1-cosθ) (3)

式中 ρ —流体密度(kg/m3);

Q—水射流流量(L/min);

v—射流速度(m/s);

θ—流体冲击物体后的返流方向与物体壁面的夹角(°)。

但是冲击力F不能表示水流破环物理的能力，只有水流在物体单位面积上的冲击力才能表示破坏物体的能力[9]。非淹没水射流结构如图4所示。工作时，水射流从喷嘴喷出后，水流与周围静止气体发生动量和能量交换，导致水射流的边界速度不断减小，从而导致同一射流截面的中心速度大、边界速度小，射流横截面上的冲击压力分布不均匀，不能直接采用P = F / A的方法计算冲击压力。

根据文献[10],水射流某一截面的中心处冲击压强为

Pm≈F/2Y (4)

其中，Y为无量纲量，Y=y/Rx;y为该截面上某一点与射流轴心的垂直距离；Rx为该截面上射流的半径。取y=0.05mm, Rx=0.25mm,θ=30o,根据式(3)、式(4)可以计算出水射流对土地表面的冲击压强为Pm =16MPa。

3、水射流装置试验

3.1试验方法

试验装置有切根机水射流装置、深度尺、秒表，试验选用高压泵转速为1450r/min,流量为22L/min,压力为800bar。为了减少试验次数，降低试验成本，喷嘴选用0.25mm和0.5mm,喷嘴管两侧各安装2个0.5mm喷嘴，其余安装8个0.25mm喷嘴，喷嘴距地面距离为5～7cm。试验装置如图5所示。开启高压泵后，水射流切割装置开始工作，并同时推动装置向前运动，开始试验。

试验过程中，水射流切割机切割地面后，留下的切割缝隙，而由于装置启停情况或地面不平导致的装置振动情况，致使部分缝隙宽度超过了1.0cm,如图6所示。

3.2试验结果

进行6组试验，装置作业长度均为10m, 6组试验时间分别为25、36、37、41、71、81s,分别记录2个0.5mm和8个0.25mm喷嘴的离地高度及切割深度，如表1和表2所示。

根据所测数据，喷嘴离地高度约4.5～6mm,切割深度范围为2.0～10.3mm,最大切深为10.3mm。绘制不同口径喷嘴在相同时间内的平均切割深度的折线关系如图7所示。从折线图中可以看出：喷嘴口径相同时，切割相同距离，切割时间越长，平均切割深度越大；喷嘴口径在合理范围内，当时间相同时，口径越大的喷嘴平均切割深度越大。

试验最大切深为10.3cm,均小于15cm,主要原因是：①由于切根装置缺乏地面仿形机构，离地高度偏高且不一致，导致切割土层冲击压力较小且产生波动；②切根作业时有溅射现象，降低了射流压强，导致切深较浅，需通过优化装置参数改善切根性能。

4、结论

1)水射流切根装置较传统切根装置切割缝隙更小，对土层破坏较小，还能起到为土壤补充水分的作用。

2)通过对水射流的射流结构特性分析，结合伯努利原理、能量交换以及相应公式，计算出喷嘴直径d=0.25～0.5mm,水射流速度vo=400m/s,水射流对土地表面的冲击压强为Pm =16MPa。

3)试验结果表明，水射流切根装置的切割深度与喷嘴口径和装置作业速度有关：当速度相同时，口径越大，流量越大，切割深度越大；当口径相同时，切割速度越小，切割深度越大。

参考文献:

[1]王欢切根对羊草种群动态及繁殖策略的影响[D].长春:吉林农业大学, 2019.

[2]代景忠,白玉婷,卫智军,等.切根对羊草营养生长期内植物功能性状的影响[J].植物生态学报, 2021,45(12):1292-1302.

[3]梁方,王德成,尤泳,等.草地切根施肥补播复式改良机设计与试验[J]吉林大学学报(工学版),2022,52(1):231-241.

[5]程效锐,张舒研,马亮亮,等:高压水射流技术的应用现状与发展前暴[J]液压气动与密封, 2019,39(8);:1-6.

[6]仝汉.水力与机械联台清洗管道技术研究[D]北京:中国石油大学(北京),2019.

[10]黄飞,胡斌,左伟芹,等不同形状喷嘴的高压水射流冲击力特性实验[J]重庆大学学报, 2019,42(9):124-133 .