新型絞盤式噴灌機噴頭車技術(shù)研究

王 俊

(黑龍江省水利科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

1 概 述

黑龍江省地處祖國的北部邊陲，是亞洲大陸和太平洋地區(qū)陸路通往俄羅斯及歐洲大陸的重要通道，北部和東部與俄羅斯接壤。在黑龍江省，農(nóng)業(yè)是用水大戶。2016年，全省用水總量為352.64億m3，其中，農(nóng)業(yè)用水量為309.79億m3，占全省用水總量的87.8%，而農(nóng)田灌溉用水量為305.83億m3，又占農(nóng)業(yè)用水量的98.7%。同時，“十年九春旱”、農(nóng)業(yè)用水粗放在全省各地都不同程度地存在，一些流域、區(qū)域，水資源供需矛盾日益突出。近些年，為了提高水資源利用率，實現(xiàn)水資源的永續(xù)利用，全省大力推廣高效節(jié)水灌溉技術(shù)[1]，全省高效節(jié)水灌溉面積從2010年的100萬hm2發(fā)展到現(xiàn)在的206.67萬hm2[2]。噴灌是一種先進的灌溉技術(shù)，可實現(xiàn)節(jié)水40%～50%。絞盤式噴灌機在全省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應用比較廣泛，因其具有工作壓力低、結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡便、灌溉面積大等特點，在抗春旱、保春播中做出了重大貢獻。但是，由于絞盤式噴灌機受噴頭高度、噴頭車地隙等因素的制約，在作物生育后期、伏旱中難以使用，降低了絞盤式噴灌機的利用率。因此，本項研究對現(xiàn)有噴灌機噴頭車結(jié)構(gòu)進行技術(shù)改造，減少作業(yè)道或間作低植株作物帶寬度，有效提高絞盤式噴灌機的使用率，對保障糧食穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)具有重要的意義。

2 絞盤式噴灌機的構(gòu)造和工作原理

本項研究采用的絞盤式噴灌機型號為JP75/300，是一種將牽引PE管纏繞在絞盤上，利用噴灌壓力水驅(qū)動水渦輪旋轉(zhuǎn)，經(jīng)變速裝置驅(qū)動絞盤旋轉(zhuǎn)，并牽引噴頭車自動移動和噴灑的灌溉機械[3]，它具有移動方便、操作簡單、省工省時、灌溉精度高、節(jié)水效果好、適應性強等優(yōu)點，能有效地提供作物所需要的水分，提高產(chǎn)量。

2.1 構(gòu) 造

絞盤式噴灌機主要由底架、卷盤、PE管、驅(qū)動裝置(水渦輪箱)、傳動裝置(變速箱)、噴頭車和變頻控制柜等部件構(gòu)成，噴頭車由行走輪、支架和噴頭等部件構(gòu)成。具體結(jié)構(gòu)見圖1。

(1)PE管：采用最新的高科技產(chǎn)品，抗拉強度高、耐磨性好，抗環(huán)境應力及開裂性能極好，安全系數(shù)大，壽命在10 a以上，一端連接在絞盤，另一端則與噴頭車相連。

(2)水渦輪箱：它是整臺噴灌機的關(guān)鍵部件，防腐蝕、效率高，主要由渦輪、渦輪軸、殼體及彎頭、隔舌組成。設計出水量為13～60 m3/h，葉輪的轉(zhuǎn)速為200～800 r/min。

圖1 絞盤式噴灌機結(jié)構(gòu)圖

(3)噴頭車：是一個具有兩個行走輪并安裝噴頭的機構(gòu)，通過PE管牽引進行噴灑作業(yè)，每次灌溉結(jié)束噴頭車能自動的被舉升到運輸位置，移動至下一個工作地點，進行作業(yè)。

2.2 工作原理

進行噴灌作業(yè)時，首先使用拖拉機將絞盤式噴灌機組牽引至田間噴灌作業(yè)區(qū)，將底架固定在作業(yè)區(qū)的一端，PE軟管平鋪在田間，PE軟管一端與噴頭車相連，另一端纏繞在卷盤上并與驅(qū)動裝置相連，待鋪設完畢開始噴灌作業(yè)時，灌溉水入機首先流經(jīng)驅(qū)動裝置，壓力水作用于驅(qū)動裝置使卷盤旋轉(zhuǎn)，PE軟管一層一層纏繞在卷盤上，噴灌小車則隨著PE軟管的纏繞向卷盤車運動，從驅(qū)動裝置流出的壓力水通過PE軟管流至噴頭處，噴頭均勻地將高壓水流噴灑到作物上空，散成細小的水滴均勻落下，并隨著PE管的移動不間歇地進行噴灑作業(yè)。隨著PE軟管的回收，噴頭車靠近卷盤時自動停止工作，由拖拉機牽引至下一個工作地點進行噴灌作業(yè)。

3 新型噴頭車設計研究

3.1 傳統(tǒng)噴頭車特點及適用程度

采用對稱雙輪式行走，輪距為60～1500 mm，地隙高度為550～600 mm，噴頭架設高度為600～700 mm，目前黑龍江省正在應用的絞盤式噴灌機多采用此種噴頭車，其優(yōu)點主要體現(xiàn)為行進平穩(wěn)，對土壤條件的適應能力強。其顯著的弊端為地隙高度較低，僅適合低矮作物灌溉及高桿作物苗期灌溉，從而造成生育期設備使用率低，抗伏旱能力差。通過作物率較低這一特點是制約絞盤式噴灌機更好發(fā)展及應用的主要瓶頸。

3.2 新型噴頭車設計方案

針對這一瓶頸，本方案以提高地隙高度為落腳點進行研究。在兼顧提升高度并保持噴頭車行進穩(wěn)定性的前提下，制定了初步方案，以下簡稱方案一。移動式噴灌系統(tǒng)豎管高度設置為1.5 m，經(jīng)多年實踐應用證實，基本可滿足黑龍江省春、夏兩季灌溉需求。參照移動式噴灌系統(tǒng)的設定，本次方案中，擬定噴頭車高度提升至1.5 m。采用原噴頭車形式，保持兩輪且間距不變，僅對縱向高度進行提高[4-5]。

3.3 性能測試

按照方案一的設想，機械師對噴頭車進行結(jié)構(gòu)改造，首先，在改造車間運行場內(nèi)，無水牽引條件下，進行試運行試驗，運行狀態(tài)較穩(wěn)定，未出現(xiàn)側(cè)翻，偏移等問題。在此基礎上進行的室外試驗場模擬實際操作試驗，運行過程中，出現(xiàn)前后搖擺、行進困難等情況；在提高運行速度情況下，行進困難，并出現(xiàn)側(cè)翻。

經(jīng)過3次室內(nèi)試驗、3次室外試驗，發(fā)現(xiàn)方案一存在明顯的不穩(wěn)定因素，無法保證噴頭車平穩(wěn)運行。經(jīng)項目組與機械師研究，擬定采用可升降式噴頭車，并采用雙側(cè)4輪組合方式，保證運行穩(wěn)定性，同時提高噴頭車通過率。制定方案二、方案三，方案二采用4組液壓方式雙檔設置提升地隙高度；方案三采用機械承插式雙檔設置提升地隙高度。

設備改造完成后，同時對方案二、方案三的改造設備進行了室內(nèi)無水牽引試驗及田間運行試驗，初步試驗成果歸納如下。方案二，室內(nèi)無水牽引試驗與田間觀測試驗均運行平穩(wěn)，與傳統(tǒng)噴灌機相比，相同運行條件下運行速度緩慢。方案三，室內(nèi)無水牽引試驗運行平穩(wěn)，田間觀測試驗運行較平穩(wěn)，與傳統(tǒng)噴灌機相比，運行速度正常。

方案二、方案三經(jīng)試驗后，初步歸納為：方案二的四輪油壓式噴頭車自重高，尚需對噴頭車主體車架的材質(zhì)及框架結(jié)構(gòu)進行改進。方案三較穩(wěn)定，噴頭車主體框架結(jié)構(gòu)需進一步修改完善。

各方案具體試驗對比情況見表1。方案二與方案三初步改造成本情況見表2。

表1 方案試驗對比

表2 方案二與方案三初步改造成本統(tǒng)計

3.4 預期的效益

本研究成果，通過提高地隙高度，保障了作物春夏兩季作物灌水需求，與傳統(tǒng)絞盤式噴灌機相比，保障了作物穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)，預期可提高作物產(chǎn)量20%以上。

4 結(jié)論與建議

本研究為一種可調(diào)節(jié)的節(jié)水灌溉裝置，可以進行上下伸縮。因此，在使用時只要將其升起到一定的高度便可以對放置不同高度位置的植物進行噴水灌溉，解決了絞盤式噴灌機在實際應用過程中存在的瓶頸問題，為絞盤式噴灌機在作物生長后期以及抗伏旱中發(fā)揮作用提供了技術(shù)保障，為黑龍江省糧食穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)提供了基礎保障。