卷盤式噴灌機研究進展與發展趨勢分析

湯玲迪 袁壽其 湯 躍

(江蘇大學國家水泵及系統工程技術研究中心， 鎮江 212013)

0 引言

農業高效節水灌溉是促進水資源可持續利用和保障國家糧食安全、水安全及生態安全的重大戰略舉措。節水灌溉裝備是實現高效節水的有效保障，大中型節水灌溉裝備能解決農業灌溉規模化與集約化的高效作業問題，國內外典型機械化節水灌溉裝備有圓形噴灌機、平移噴灌機、滾移式噴灌機、卷盤式噴灌機等大中型移動式灌溉機。卷盤式噴灌機具有適應性強、機動方便、自動化程度高、單位面積設備投資低等優勢，是一種適合我國國情，能適應大、中、小不同規模地塊、不同作物高效作業的機械化灌溉裝備[1-5]。因此本文對我國卷盤式噴灌機科研及生產中存在的問題加以總結分析，提出需重點研究的問題，以期為卷盤式噴灌機發展提供參考。

1 國內外產品現狀

20世紀60年代卷盤式噴灌機在歐洲開始研究[6-7]。至20世紀70年代后期，已基本定型并大量生產，型號多達120余種[8]。經過近50年的發展，意大利已成為全球卷盤式噴灌機制造企業的集聚地。目前，意大利總的卷盤式噴灌機年產量達到6 000～7 000臺，保有量約15萬臺，涵蓋幾十種規格的系列卷盤式噴灌機，適合農業、林業、城市園林等許多領域。

圖2 國內外典型園林卷盤式噴灌機Fig.2 Hose reel irrigators used in garden

我國卷盤式噴灌機的發展開始于20世紀70年代末[9-14]。1979年成功試制了我國第一臺JP90/300型卷盤式噴灌機，1984年又研制成功JP75/200型卷盤式噴灌機[15-20]。到20世紀90年代后期，又通過引進奧地利BAUER公司的卷盤式噴灌機加以仿制，形成了JP50、JP75和JP90國產卷盤式噴灌機主流機型，這一階段經歷了20余年，在研究、制造、應用和標準化方面取得了一定進展，先后通過國際標準[21-23]轉換制訂了一批國家和行業標準[24-27]；2010年以后，我國卷盤式噴灌機產業發展迅速，至2017年，我國卷盤式噴灌機保有量已從2012年不足2萬臺增加到8萬多臺。但與國際先進水平相比還有很大差距。近5年來，許多科研單位對卷盤式噴灌機基本理論、試驗技術與裝備、動力驅動、多功能等方面開展了大量研究，形成了灌溉裝備新的研究熱點。

卷盤式噴灌機主要由噴頭車、輸水軟管(PE盤管)、卷盤、驅動卷盤的動力機(水渦輪、液壓馬達及電機)、減速箱、傳動系統、底盤等主要部分組成，如圖1所示。大型機還有液壓傳動與控制系統。動力能源目前主要來源于電力和燃油，太陽能作為清潔能源也開始被使用。

圖1 卷盤式噴灌機實物圖Fig.1 Structure of hose reel irrigator1.噴頭 2.噴頭車 3.卷盤 4.PE管 5.供水泵 6.底盤 7.動力傳動系統

目前，世界上最大的卷盤式噴灌機是意大利CASELLA公司生產的PLLSMP180/400，輸水PE管外徑180 mm、長400 m，流量240 m3/h，采用液壓馬達驅動卷盤回轉，液壓系統的動力由柴油發動機提供；世界上最小的卷盤式噴灌機是意大利ORMA公司生產的水渦輪驅動型Passeggiando和中國華源公司生產的電驅動型JP25-30/D，其輸水PE管外徑25 mm、長30 m。

國內外卷盤式噴灌機按用途分為農業和園林兩大類。園林機型用于運動場、高爾夫球場、公園的草坪灌溉，如圖2所示。農業基本類型見表1。

2 卷盤式噴灌機工作原理

噴灌機噴灌作業前，由牽引車(拖拉機)將噴頭車牽引至田塊地頭，開啟水泵給噴灌機供水，卷盤在動力機的驅動下開始回卷PE管，噴頭車在PE管的牽引下一邊回收一邊噴灌，當PE管全部盤繞至卷盤上后，關閉水泵，然后移動噴灌機至下一個地塊繼續噴灌作業，如圖3所示。

3 影響卷盤式噴灌機性能的關鍵因素

一次灌溉面積由噴頭的射程和牽引噴頭車的PE管長度決定，灌水量在供水量(流量)一定的情況下由PE管回收速度決定。灌溉質量是反映卷盤式噴灌機性能的外在指標。能耗是反映卷盤式噴灌機性能的內在指標。

表1國內外典型卷盤式噴灌機(農業)基本信息
Tab.1Basicinformationoftypicalhosereelirrigatorsusedinfarmland

圖3 卷盤式噴灌機作業方式Fig.3 Work pattern of hose reel irrigator

3.1 噴灌質量

COLLIER等[28]通過試驗發現，在不進行任何控制時，隨PE管盤繞層每變化一層，噴頭車的行走速度會增加11%～12%，同時，隨著PE管盤繞圈數的增加，流動阻力增加也會使流量減少，兩者的共同作用使得最后的灌水深度只有初始灌水深度的68%～77%。GRANT等[29]比較了噴頭扇形噴灑角的變化對灌溉均勻性的影響，初始噴灑區域的灌水均勻性可以通過減小正常噴灑時的噴灑扇形角來提高。ROCHESTER等[30]實驗研究了在流量或者入機壓力一定時，兩者的克里斯琴森均勻系數相差小于2%，分布均勻性相差小于1%。GRAZIANO等[31]通過在垂直搖臂噴頭上加裝旋轉速度調節裝置，使噴頭左右兩側的旋轉速度低于中間的旋轉速度，將噴頭降雨的橫向分布規律扁平化，即提高兩側的降雨和降低中間的降雨，可提高噴灌均勻性至88%～92%，增加組合間距至1.8R～1.9R，有效增加灌溉寬度5%，達到潛在節水約15%的目的。

在國內，尹萬和等[11]對國外一種卷盤式噴灌機的噴頭、水渦輪、PE管等水力部件的水力特性和噴灑特性進行了簡單的試驗分析。許一飛[6]較早地提出了卷盤式噴灌機具有運行、調速、能耗、軟管和動力5個特性，并分別對5個特性進行了分析，認為如果噴頭車行走速度不控制，則由于盤繞直徑的變化和負載的變化會使首末兩端的速度相差1倍以上，灌水量首末端也相差50%。梁文經等[32]分析了噴頭轉速、噴頭車行走速度及噴頭扇形角對均勻性的影響及其計算方法。吳滌非[33]從理論上提出了計算行噴機組均勻系數的基本計算公式，并做了試驗驗證。范永申等[34]從噴灌強度與桁架式噴頭車行走速度之間的關系，試驗得到噴灌強度在移動速度相同時與理論計算十分接近。葛茂生等[35]通過建立基于最小二乘法卷盤式噴灌機噴灑均勻度簡化算法，討論了噴頭工作壓力、輻射角選擇周期和組合間距等運行參數對噴灑均勻度的影響。段福義等[36]試驗分析了卷盤式噴灌機入機壓力、行走速度、壓力損失、流量及噴灑均勻度之間的關系。

國內外近40年的研究都一致認為卷盤式噴灌機噴頭車行走速度的均勻性、行走速度與噴頭旋轉扇形角及速度的匹配關系、噴頭車運行穩定性、噴頭進口壓力的穩定性、噴頭的姿態和地形等是影響噴灌均勻性指標的關鍵因素。

3.2 能量損耗

OAKES等[37]對兩種卷盤式噴灌機動力、PE管、噴頭等各組成部分的能耗貢獻率進行了分析研究，結果發現，噴頭工作所需要的能量約占60%，PE管流動阻力損失約占20%，其他20%是卷盤式噴灌機內部能量轉換的效率所致。

卷盤式噴灌機的各組成部分能量轉換效率和優化匹配是影響整機能耗的關鍵因素。這些關鍵影響因素是國際上高性能卷盤式噴灌機的核心技術。

4 關鍵技術研究進展

4.1 卷盤驅動技術

卷盤是盤繞PE輸水管的執行機構，其驅動方式有水力驅動、液壓馬達驅動和電機驅動。早期的水力驅動技術有旋轉噴嘴式、水渦輪式、水壓缸式和伸縮橡皮囊式等4種型式，現在大都使用水渦輪驅動技術；液壓馬達驅動由柴油機液壓系統提供動力；電力驅動由直流電機、交流電機或者步進電機完成。

4.1.1水渦輪驅動技術

噴灌機在噴灌作業時，灌溉壓力水輸入噴灌機后分流成兩路，其中，一路分流水沖擊水渦輪轉動，將水的能量轉換成機械能再通過變速箱減速來驅動卷盤緩慢轉動，并不斷回收PE管并整齊盤繞在卷盤上，PE管牽引噴頭車在田間平移進行噴灌作業；另一路分流水由旁路通道與流經水渦輪的水匯合后一道進入PE管，并通過PE管將灌溉水輸送到噴頭車上使灌溉噴頭工作，如圖4所示。

圖4 水渦輪工作原理圖Fig.4 Working principle of water turbine1.水渦輪 2.變速箱 3.旁路閥 4.入機壓力水

4.1.1.1國外水渦輪發展歷程

國外早期的卷盤式噴灌機水渦輪有兩種結構型式，一種是類似于沖擊式水輪機的水斗轉輪式水渦輪，另一種是用水泵反轉作水渦輪，當時試驗發現水泵反轉作水渦輪的水頭損失比沖擊式水渦輪大[7]，泵反轉作水渦輪在其他工業領域也有大量應用，國外早有大量研究[38-51]，但研究發現，水泵反轉作透平時效率比水泵低，特別是低比轉數離心泵作透平，普遍存在效率較低的問題。早期德國PERROT公司的90/350、110/350水斗式水渦輪，轉輪直徑為500 mm，水斗數為26，水流切向進入，沖擊完水斗后由切向流出[12]，這種結構現在已不采用。后來被引進國內的還有意大利幾家公司產品，國外水渦輪結構與特點見表2。

意大利IDROFOGLIA公司的水渦輪結構如圖5所示。這種水渦輪主要由噴嘴、轉輪、外殼和尾水管組成。輸入水的壓能通過噴嘴轉換為動能切向沖擊轉輪的葉片旋轉做功，沖擊完成后，水流沿葉片流道流向尾水管，但水流與葉片發生作用的只有個別葉片。這種水渦輪實測最高效率為34%，對應轉速為700 r/min，對應流量為25 m3/h，達到200 W功率輸出時的最小流量約17.5 m3/h，此時效率為31.6%[5]。

4.1.1.2國內水渦輪研究歷程

改革開放后的30多年(1978—2007)，我國研究人員只是從國外產品樣本獲得對水渦輪壓差(水頭損失)的認識，文獻[11-12]介紹了我國研究人員獲得的德國PERROT公司的Peromat機型的水斗式水渦輪空載下的流量-水頭損失和流量-轉速試驗曲線，以及負載下的入機壓力與水渦輪水頭損失的關系曲線，發現水渦輪水頭損失約為入機壓力的14%、噴頭壓力的24%。王綜武[14]初步研究了水渦輪的流量-轉速和流量-功率特性。王綜武等[20]認為造成國內外水渦輪差距的主要影響因素是沒有形成系列和缺少性能試驗裝置。李國民等[52]從理論上分析了水渦輪的進出口角對水力效率的影響，但缺少對容積效率和機械效率等的分析，也未開展試驗驗證。

表2國外典型水渦輪結構與特點
Tab.2Structureandcharacteristicsofforeigntypicalwaterturbines

圖5 典型水渦輪結構圖Fig.5 Structure diagram of typical water turbine 1.尾水管 2.半開式轉輪 3.外殼 4.射流噴嘴

圖6 國產水渦輪Fig.6 Domestic water turbine1.上通道 2.葉片 3.下通道

從1980年至2007年的這一時期，我國研究人員對水渦輪的性能和要求的認識還比較零碎，缺乏系統性研究，更沒有形成設計理論和試驗方法。

近5年來，我國研究人員采用試驗和數值計算相結合的方法，對國產水渦輪進行詳細的試驗研究和內部流動分析。

圖6a所示為JP50型切擊式水渦輪，由國外進口的噴嘴、轉輪和外殼組成，類似早期德國PERROT的水渦輪，只是轉輪的葉片由水斗簡化為直板，輸入水流的壓能通過噴嘴轉換為動能切向沖擊轉輪的葉片旋轉做功，沖擊完成后，水流切向流出，完成將動能轉換為轉輪軸上機械能的過程。

圖6b所示為JP75型斜擊式水渦輪，入口管道由上、下兩個通道組成，上下通道前設有一閥板來分配進入上下通道的流量。下通道的水流經一噴嘴結構從側面沖擊轉輪的葉片旋轉做功，噴嘴的沖擊角與折疊式葉片呈一定角度，沖擊完成后，水流由葉片流出經下通道與上通道流出的水流匯合后一起流出輸送給PE管和噴頭，完成將動能轉換為轉輪軸上機械能的過程。

為了掌握國產水渦輪的性能，文獻[53-56]建立了水渦輪試驗裝置，對國產JP50型水渦輪開展了性能試驗，獲得了詳細的性能曲線，結果發現，水渦輪的最高效率僅為 16.5%。通過對水渦輪內部流場的CFD模擬分析，認為葉片進口沖角過大消耗了部分射流能量，以及水流由水渦輪進口運動至出口的過程中出現旋渦區，消耗了大量的能量，是導致JP50型水渦輪效率較低的主要原因。為此，文獻[54]重新設計了一種徑流式轉輪，新轉輪的葉片改變成彎曲的葉形，水流的出口改為中心軸向出流，葉片的流道有利于水流順暢流動，以減少流動過程的損失。CFD分析預測的效率達到38%左右，但這個效率值沒有進行試驗驗證。

文獻[57-58]對國產JP75型水渦輪進行了性能試驗，掌握了不同轉速下的性能特性，結果是水渦輪在15～40 m3/h流量范圍內使用時，轉速范圍為150～450 r/min，效率范圍為10%～14%。并采用CFD對JP75型水渦輪內部各部分進行了模擬計算，能量轉換分析發現，大量壓力勢能在轉化為動能之前，就被復雜的進口結構損失了很多，轉輪的出流因缺少導流結構也造成很多損失。

近5年的研究，雖然開始注重從試驗和CFD 兩方面開展研究，并掌握了國產水渦輪水力特性和造成效率低下的原因，也提出了改進的結構并進行了性能預測和內流分析，但只是單純地從效率的角度去研究，缺乏針對水渦輪設計點參數(流量、功率、水頭)及卷盤式噴灌機動力要求等開展性能分析，水渦輪設計方法仍未突破。

為進一步提高意大利IDROFOGLIA水渦輪的效率，湯玲迪等[5,59]對這種結構的水渦輪原型開展了理論分析、數值模擬和試驗研究。實測國外原型水渦輪的最高效率為34%，對應轉速為700 r/min，對應流量為25 m3/h。并嘗試采用GA_BP優化算法進行了優化設計，獲得了進一步優化的轉輪模型，經試驗實測證明，優化后水渦輪設計工況的效率提高了10.9個百分點，軸功率增加了49%。

黎耀軍等[60]也對國外的這種水渦輪原型進行了數值分析和試驗，試驗結果與文獻[5,59]基本一致。通過正交試驗，改進了原來的圓形平口噴嘴為圓形斜口噴嘴和葉輪出口側傾斜角。模擬預測發現可以較大幅度減少射流段的損失和提高水力性能，改進后的水渦輪輸出功率提高約15%，不同工況效率總體提高約15個百分點。但沒有看到對改進后的水渦輪的試驗驗證。

卷盤式噴灌機所用水渦輪實際上就是水力機械領域的水力透平，其研究成果值得借鑒。楊孫圣[61]、王桃等[62-68]利用水泵蝸殼作引水室，設計了多種前彎形葉片的徑流式水力透平，并對葉片安放角、轉輪直徑、轉速影響等因素進行了數值分析和試驗，其結果是效率都比泵反轉作透平有大幅提高。但這些研究的水力透平比轉速都未低于40 m·kW。

綜上發現，水渦輪從早期射流沖擊式水斗水渦輪及泵反轉作水渦輪兩種結構型式，發展成了現在射流沖擊式水渦輪和徑流式兩種結構型式。近幾年來，對水渦輪的研究在研究方法上比早期已經有了很大進步，不僅建立了水力性能試驗裝置，而且采用現代流體動力學CFD開展水渦輪內部流動及能量轉換機理的研究，從流動規律出發，優化水渦輪結構。在設計方法上，不僅有采用傳統正交試驗法，也有采用現代優化算法的優化設計，使水渦輪效率進一步提升。但是，文獻[54,56-58,60]對原模型進行改進后，只進行了CFD性能預測，而缺少對改進后的水渦輪進行試驗驗證和動力特性的討論。文獻[5]注意了研究的完整性，從討論卷盤負載特性到傳動系統效率試驗，提出了水渦輪軸功率的確定方法，分析和實測了水渦輪的水力和動力特性。

4.1.2液壓馬達驅動技術

國外大型的卷盤式噴灌機基本上都采用柴油機為動力來驅動液壓泵，將機械能轉換為液力輸出，其中一路液力帶動液壓馬達驅動卷盤回轉，液壓泵輸出的其他油路控制噴灌機底盤回轉和整機支撐系統，圖7所示為意大利CASELLA公司的柴油機動力系統。

圖7 CASELLA柴油機動力的液壓馬達驅動技術Fig.7 Hydraulic pump-hydraulic motor drive technology of CASELLA diesel power1.減速箱 2.液壓馬達 3.底盤牙盤 4.傳動鏈條

在國內，嚴海軍等[69]利用小四輪拖拉機液壓系統來帶動卷盤噴灌機上的液壓馬達驅動卷盤回轉。

4.1.3電機驅動技術

由于水渦輪的效率受比轉速的限制，效率突破50%的難度較大，流道的水力損失會使噴灌機的入機壓力和供水泵的功率增大。而普通電機的效率一般可達到70%～80%。因此，國外除了采用水渦輪和液壓馬達作驅動外，許多公司也采用電機作驅動，如圖8a所示是意大利IRRIMEC公司采用異步電機作動力的驅動系統，電機采用逆變電源供電。

我國研究人員采用永磁無刷直流電機代替水渦輪作驅動開展了研究。永磁無刷直流電機不但可以用蓄電池供電還可以使用太陽能供電，能量轉換效率可達到80%以上。但由于電機轉速比水渦輪高，減速箱的傳動比就必須加大，如果仍然采用與水渦輪配套的減速箱，在噴頭車低速行走時，電機轉速需要降得很低，使其效率急速下降，造成牽引力矩不足。為此，湯躍[70]注重動力與傳動的匹配性研究，研發成功了電機-減速箱一體化結構，簡化了傳動環節，如圖8b所示。

圖8 電機驅動系統Fig.8 Motor drive system1.電機 2.傳動鏈條 3.減速箱

減速箱采用直齒圓柱齒輪和蝸輪蝸桿混合傳動的方案，基于電機轉矩-轉速特性和變速規律，建立了傳動效率高、質量輕及體積小的多目標優化模型及換擋策略，優化了大傳動比減速箱，使傳動系統的效率提高了20%以上，體積減小了10%[71-72]。此后，趙進等[73]又采用行星齒輪傳動代替了直齒圓柱齒輪和蝸輪蝸桿混合傳動，進一步提高了減速箱的傳動效率，降低了電機功率，使太陽能板面積進一步減小。

4.2 傳動系統

卷盤式噴灌機是通過噴頭車在田間行走來達到灌溉的目的，灌水量靠行走速度來調節，噴頭車的最低行走速度為10 m/h左右，卷盤回轉牽引噴頭車的轉速極低，而動力機的旋轉速度相對較高，因此，在動力與卷盤之間需要一套減速傳動系統來實現。

4.2.1傳統傳動機構

圖9 傳統傳動系統Fig.9 Traditional transmission system1.大牙盤 2.水渦輪 3.傳動鏈 4.膠帶傳動 5.減速箱

湯玲迪等[74]發明了一種卷盤式噴灌機傳動系統效率試驗裝置，解決了大扭矩傳動系統試驗難的問題。張晨駿等[75]采用文獻[74]的試驗裝置對圖9a所示JP75型的傳動系統進行了效率試驗，結果在最大負載下效率都不足50%，在常用負載下效率為40%左右。再加上國產水渦輪效率低的問題突出，造成國產卷盤式噴灌機的動力-傳動系統的整體效率不足10%。蘇中偉[76]從工程設計的角度，討論了水渦輪軸功率和減速箱傳動比的計算方法，但傳動系統的傳動效率取名義值計算，其可信度不高，文獻[5]中傳動系統的試驗結果足可證明此點。

4.2.2高效傳動機構

國外卷盤式噴灌機經過40多年的發展，傳動系統進行了很大改進。首先是重新設計了新的水渦輪結構，效率比老式水渦輪提高了10多個百分點，并將水渦輪與減速箱直聯，減少了傳動環節，其次是減速箱輸出牙輪與卷盤上大牙盤之間采用齒輪嚙合型式，傳動效率有了很大提高，大牙盤有內齒和外齒兩種型式，如圖10所示。試驗表明，新型傳動系統的傳動效率比傳統傳動系統提高10～20個百分點[5]。

圖10 高效傳動系統Fig.10 Efficient transmission system1.內嚙合大牙盤 2.外嚙合大牙盤 3.大牙盤 4.小齒輪 5.減速箱輸出軸 6.減速箱

綜合了驅動和傳動兩個系統的研究現狀，文獻[70]在研究開發電機做卷盤動力時，注意了減速箱傳動比的匹配性，從動力-傳動整個系統考慮了能量的高效轉換。但水渦輪作卷盤驅動和柴油機作卷盤動力的系統運行能效研究明顯不足。

4.3 速度感知與控制技術

4.3.1速度的影響因素

卷盤式噴灌機作業時，當盤繞的PE管在卷盤上發生層間變化時，一方面，牽引噴頭車的線速度會隨PE管的盤繞半徑增加而加快，造成灌水量減少；另一方面，隨著PE管不斷被回收，卷盤的負載越來越小，卷盤的角速度隨之變快，也會造成灌水量減少[5-6,14,69]。COATES等[77]通過試驗發現，水渦輪驅動的卷盤式噴灌機，在沒有速度控制時，噴頭車移動速度差為47%，當供給壓力恒定時，機械控制器的行走速度變化系數為19%，電子控制器的行走速度變化系數為5%左右。

4.3.2水渦輪驅動的速度控制技術

原語翻譯生態環境，廣義上是指包括原語文本在內的原語語言、社會、經濟、文化等宏觀環境；狹義上是指原語文本的語言特點和文化特征。本文僅對狹義上的原語翻譯生態環境進行分析，即寒山詩文本的白話文語言特點及其反映出的中國佛、道文化。

水渦輪驅動的速度感知與控制裝置分機械式和電控式兩種。機械式是通過盤繞在卷盤上的PE管壓桿感知盤繞層的變化，進而牽動拉桿機構來調節水渦輪旁路閥的開度，以減少進入水渦輪的流量，使水渦輪轉速降低來達到控制牽引噴頭車的PE管的線速度，線速度可由顯示器顯示，如圖11所示。

圖11 機械式速度控制裝置Fig.11 Mechanical speed control device1.PE管壓桿 2.卷盤 3.拉桿 4.曲柄拉桿 5.水渦輪旁路閥桿 6.水渦輪

電控式速度感知與控制是將水渦輪旁路閥加上電動頭，通過由速度傳感器、控制器和電動頭組成的速度反饋控制系統控制進入水渦輪的流量來降低轉速，達到控制牽引噴頭車PE管的線速度。目前，國外的速度傳感器有角速度和線速度兩種。角速度傳感器由安裝在減速箱軸上的具有磁鋼的測速盤和霍爾感應頭組成，線速度傳感器由壓在PE管上線速度測速輥和霍爾感應頭組成，如圖12所示。

圖12 速度控制系統Fig.12 Speed control system1.減速箱 2.測速盤 3.感應頭 4.PE管 5.測速輥 6.液壓馬達 7.液壓閥 8.電動頭

4.3.3液壓馬達驅動的速度控制技術

國外液壓馬達驅動的速度控制執行機構是采用電動頭通過液壓閥控制與減速箱直聯的液壓馬達的轉速來達到調節卷盤回轉的速度，實現控制牽引噴頭車PE管的線速度，如圖12c所示。

4.3.4電驅動的速度控制技術

文獻[70]在研發光伏電驅動卷盤式噴灌機時，構建了通過由速度傳感器、控制器和直流電機組成的速度反饋控制系統來控制電機的轉速以達到調節卷盤回轉的速度及PE管的線速度的目的，控制誤差5%，地面灌溉均勻性達到90%左右。在此基礎上，吳晨[78]針對現有電驅動卷盤噴灌機無法實現作業信息無線物聯和控制的問題，設計了一種基于手機APP的卷盤式噴灌機無刷直流電機驅動與控制系統，手機客戶端可以遠程監控卷盤噴灌機的運行剩余時間、PE管長度、電機轉速、卷盤轉速和PE管回收速度等作業信息。

此外，王昌偉等[79]還設計了一種基于DSP和ARM的人機交互絞盤式太陽能噴灌機智能控制系統；張會娟等[80]設計了一種采用步進電機驅動卷盤回轉和控制卷盤轉速及噴頭車移動速度的控制系統。還有一些企業自行研發了電驅動卷盤式噴灌機及速度控制器。

國外的速度控制技術在30多年前就實現了電子化，速度誤差在5%左右。而國內直到近5年才開始研究和開發，市場上大部分卷盤式噴灌機還是機械式速度控制技術，速度誤差大，影響噴灌均勻性的提高。

4.4 PE管材質與水力特性

為卷盤式噴灌機的噴頭車供水的管道是一種聚乙烯PE管，噴灌作業開始前，需要用拖拉機等牽引設備將噴頭車拉到田塊地頭，PE管呈近似直管的伸展狀態，開始灌溉時，隨著卷盤回卷，PE管一邊牽引噴頭車移動噴灑，一邊被逐漸盤繞在卷盤上，噴灌結束時，PE管呈螺旋盤繞狀態。PE管不僅承受彎曲、拉伸應力的作用，而且還受到地面摩擦的作用。因此，要求卷盤式噴灌機上的PE管具有耐壓、耐磨、耐拉、耐環境應力開裂和水力損失低等機械特性和水力特性。

4.4.1PE管材質

聚乙烯PE管有高、中、低不同密度的原料，高密度PE具有強度高、剛性好的機械特性，而低密度PE具有強度低、柔軟性好的機械特性。郝金東[8]介紹了國外20世紀70年代就使用中密度PE管(德國標準為HDPE2型)。ROCHESTER等[81]在分析PE管壓力損失時使用的是一種牌號為PE2406的中密度原料。文獻[7]根據德國3種不同密度PE管的對比數據，說明中密度PE管的拉伸強度和斷裂強度遠高于高密度或低密度PE管，因此，認為高密度或低密度PE管均不能滿足使用要求，而應該使用中密度PE管。文獻[11]分析了德國PERROT公司的PE管化學成分為低密度PE、碳黑和穩定劑。包大凱等[82]以GM5010高密度PE樹脂為主要原料，并添加聚異丁烯、低密度PE、EVA、抗氧劑、潤滑劑和碳黑作為改性劑進行了大量試驗，獲得了耐環境應力開裂的PE管配方，經測試，機械性能達到國外同類產品水平。

雖然我國在20世紀80年代就基本解決了PE管的材質問題，但其技術卻隨著我國企業體制的變化而流失，現在幾乎找不到提供卷盤式噴灌機使用的特質PE管的生產企業，大多數卷盤式噴灌機制造企業只好采用高密度PE盤管，為防磨損采用壁較厚的PE管，導致PE輸水管的使用壽命偏短和水力損失偏大，另外，由于高密度PE管偏硬還易發生亂管和線速度檢測不準等問題。

PE管壁偏厚也是我國卷盤式噴灌機能耗高的主要因素之一，國內外PE管的壁厚見表3。

表3 國內外PE管壁厚(以外徑75 mm的PE管為例)Tab.3 Wall thickness of PE pipe (taking PE pipe with 75 mm outer diameter as example)

4.4.2PE輸水管水力特性

卷盤式噴灌機PE 輸水管的水力特性受工作狀態影響呈現動態變化的特點，隨著PE管逐漸被盤繞到卷盤上，其流動阻力也逐漸增大，流動阻力是平鋪近似直管與螺旋盤管的疊加。當彎曲管形成螺旋盤管時，其阻力損失的機理非常復雜，既不同于直管的沿程損失，也不同于彎頭的局部損失，自1928年DEAN建立二次流理論以來，國外許多研究人員以不同曲率、不同撓率、不同雷諾數或Dean數對摩擦因數的影響進行了長期深入研究，形成了多種不同流態條件的計算公式，開展了長期的學術交流和爭論[12,83-90]。

較早直接針對卷盤式噴灌機PE螺旋盤管流動損失研究的是文獻[81]，試驗測試了某一種規格的PE管在不同速度水頭下完全展開和完全盤卷狀態的壓力損失，線性回歸得到了單位長度壓力損失與速度水頭的系數。在國內，張敏等[91]用達西公式與局部損失公式之和代表盤管的損失，推導了一個對數線性方程，并以1圈PE盤管進行試驗來驗證所建方程。但文獻[81,91]都未討論不同圈數對摩擦因數的影響。湯玲迪等[92-96]采用數值計算的方法對PE盤管進行了內部流動分析，掌握了其內部流動規律，通過對8種r/R比值的PE管的模擬試驗，建立了一種單位長度摩擦因數計算模型，在對不同圈數的模擬試驗中，發現摩擦因數隨著圈數的改變而產生線性變化，需要根據PE盤管的變化而調整，并對4種典型PE管進行了試驗驗證[96]。

由于螺旋盤管結構及內部流動的復雜性和卷盤式噴灌機PE管盤繞的動態特征，其流動阻力的研究和試驗還有待進一步深入。

4.5 噴頭車技術

噴頭車是卷盤式噴灌機在田間移動噴灑的執行機構，其運動穩定性和對地形的適應性也是影響噴灌質量的關鍵，在噴頭車的穩定性研究方面，范永申等[97]采用理論分析的方法分析了桁架式噴頭車在縱橫向坡度上作業時影響其穩定性的因素，并給出了其穩定性與各影響因素之間的關系。湯躍等[98]采用虛擬樣機技術對桁架式噴灑車的縱向、橫向抗傾覆性以及爬坡能力等穩定性問題進行了動力學仿真分析和試驗，并對影響爬坡和傾覆性能較大的地面粘附系數、質心高度、輪距等關鍵因素進行優化，使臨界爬坡角比原來提高了21.48%。趙進等[99]對單噴頭車的拓撲結構及受力、穩定平衡條件、坡度穩定性和重心位置進行了理論分析，并以噴頭車不發生翻傾的臨界坡度角為目標建立了優化函數，優化后的最大不翻傾臨界坡度角提高了39.5%。

噴頭車主要以單噴頭配置為主，但由于存在單噴頭所需工作壓力高、消耗的能量大以及噴灌強度大等問題，噴頭車的配置又出現了桁架式雙噴頭和多噴頭配置，多噴頭的工作流量和壓力明顯小于單噴頭，可以達到節能、降低噴灌強度、提高霧化和均勻性水平的目的。

5 今后研究重點與發展趨勢分析

基于綠色發展理念和農業物聯網的發展需要，綠色低能耗、多功能、智能化和精準灌水將成為卷盤式噴灌機的4個研究方向和發展趨勢。

5.1 研究重點

(1)完善PE盤繞輸水管流動阻力計算與驗證試驗方法，研究PE盤管單位長度摩擦因數與盤繞圈數的關系，克服依靠單圈推導和試驗得出的公式在多圈動態盤繞狀態下所帶來的誤差和局限性。

建立卷盤式噴灌機PE管滑動摩擦因數試驗方法，研究不同土壤土質條件下滑動摩擦因數與阻力的關系，克服現有技術采用假設滑動摩擦因數分析卷盤負載時取值偏大，造成驅動動力配套大、負載率低和運行效率降低的問題。

研究和試驗適合卷盤式噴灌機使用的不同規格PE管特質材料和配方，降低PE管的壁厚，減少水力損失，提高使用壽命。

(2)研究高轉速徑流式水渦輪的蝸殼和轉輪水力參數對性能的影響及適合高轉速運行的耐磨材料，揭示蝸殼引水室、轉輪內部和出水管內渦旋的流場結構、能量轉換機理，突破現有低速水渦輪效率難以提高的瓶頸問題。

建立基于先進算法的水渦輪優化、快速設計和多工況設計方法，研究卷盤式噴灌機的系列水渦輪及型譜。

研究水渦輪不同旁路分流結構的內部流場結構和對水渦輪進口流態的擾動影響。

研究和完善低速水渦輪不同進口結構和徑流式轉輪幾何參數對性能的影響，進一步挖掘效率空間，淘汰現有斜擊式水渦輪。

(3)研發適合高速驅動動力的大傳動比行星齒輪減速箱以及換擋和脫擋機構，構建卷盤不同驅動方式的動力特性與負載、減速箱優化匹配的多目標優化模型，研究不同行走速度及負載工況下動力及傳動系統高效運行的減速箱擋位數和換擋策略，解決高速驅動動力與大傳動比減速箱的匹配不當所造成的傳動運行效率低的難題。

(4)研究單噴頭變轉速控制裝置及其控制規律對灌水分布圖形的影響，揭示扁平化灌水分布圖形對提高卷盤式噴灌機疊加組合噴灌作業的灌水均勻性和節水節能的機理，解決普通恒定轉速噴頭的半圓形灌水分布圖形難以提高組合噴灌作業間距的難題。

深入研究和提高噴頭車行走噴灑均勻性計算方法及其實用性。

研究桁架式噴頭車末端低壓噴頭的型式和灌水分布圖形對灌水均勻性的影響。

(5)研發智能速度控制器。分析卷盤式噴灌機噴頭車行走速度的均勻性對灌水均勻性的影響程度，確定合理的行走速度控制偏差帶，研究基于先進算法的控制率對速度反饋系統的模型參數、瞬態特性和穩定性的影響。

建立噴頭車行走速度決策模型與方法，研究和掌握耗水模型與灌水量、灌水制度和不同區域噴灌水分利用效率之間的規律，為智能速度控制器的速度決策模型提供依據。

分析PE盤管回收時的流動阻力對供水量、噴頭工作壓力和噴灌均勻性的影響，研究噴頭工作壓力補償規律和方法。

5.2 發展趨勢

(1)水肥一體化功能是近年來灌溉裝備的研究熱點和發展方向之一。

由于輸水管內部工作壓力較高，所以，在卷盤式噴灌機上增加水肥一體化功能時，需要在頭部水肥裝置上采用吸肥和注肥兩種方法才能有效將肥液與灌溉水混合。

吸肥方法是在卷盤式噴灌機入水口配置比例施肥器將液體肥按一定比例抽吸進管路，與灌溉水混合噴灑到田間。這個方案的關鍵是比例施肥器的比例精度對混合濃度的影響。

注肥方法是將輸入卷盤式噴灌機的灌溉水分流進入一個可添加可溶性顆粒肥的容器中，經溶解混合后，由計量泵按比例注入卷盤式噴灌機管路，與灌溉水混合后噴灑到田間。但采用這種方案，由于受容器的容積局限，不能一次溶解全部所需肥液的量，需要在中途添加顆粒肥料。因此，添加的量和速度對溶解混合濃度的均勻性還是目前國內沒有解決的難題，關鍵是濃度的感知技術有待傳感器結構和原理的創新。

(2)基于農業物聯網的智慧灌溉是一個多學科融合才能實現的現代化灌溉裝備體系，也是卷盤式噴灌機必然的發展方向。

由于卷盤式噴灌機在使用前需要根據灌水量來設置噴頭車的行走速度，傳統上是靠農民的經驗來估算灌水量，再通過灌水量與噴頭車行走速度關系表來設定行走速度。而智能化可根據田間作物耗水信息及模型自動決策灌水量和噴灌車行走速度，實現精準灌溉和智能控制的目的，使農民真正可以“傻瓜”使用卷盤式噴灌機。

為此，提出卷盤式噴灌機智慧灌溉體系架構，如圖13所示。

圖13 基于物聯網的卷盤式噴灌機智慧灌溉架構Fig.13 Intelligent irrigation architecture for hose reel irrigator based on Internet of things

該架構需要研發具有與互聯網實現通信的卷盤式噴灌機的智能速度控制器、水泵運行管理控制器，建設農田作物耗水信息采集系統和多學科共享的集控中心(服務器)。

農田作物耗水信息的采集需要建設氣象站和土壤墑情檢測點，或者采用無人機、衛星遙感等監測技術手段。數據經預處理后通過互聯網上傳至專門的服務器。包括作物耗水規律和模型的研究，以及灌水的分析決策及其信息的發布等研究內容。

水泵運行管理控制器應具有與手機支付平臺互聯通信功能，負責給卷盤式噴灌機提供灌溉水，其中啟停、運行、故障和水電費支付等信息由控制器和傳感器完成。其研究內容主要是研究掌握水泵供水壓力與卷盤式噴灌機噴頭恒定工作壓力的關系，解決現有入機壓力恒定技術不能保證噴灌的均勻性問題。

卷盤式噴灌機的智能速度控制器應具備與手機APP、水泵運行管理控制器互聯互通功能，手機APP是智能速度控制器的控制與信息界面，可以通過其獲取灌水提醒的信息，了解經過專家系統處理的灌溉地圖，也可以隨時獲取卷盤式噴灌機作業數據，掌握運行工作狀態。研發內容主要是互聯互通的協議和通信等技術問題。

服務器是數據處理和決策平臺，是整個架構的中樞。負責處理來自農田作物的耗水信息并發布灌水決策信息，多學科的各種專家模型在平臺匯集和共享。主要涉及大數據后處理和專家庫的程序化、自學習和決策的人工智能研究內容。