輕簡(jiǎn)化智能平移噴灌機(jī)設(shè)計(jì)及經(jīng)濟(jì)效益分析

河北省農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所有限公司 陳林 張秀平 張亞振 徐志杰

引言

隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化的快速發(fā)展，農(nóng)田灌溉逐漸成為農(nóng)業(yè)全程機(jī)械化的薄弱環(huán)節(jié)，相當(dāng)一部分地區(qū)依然采用田間修畦漫灌的落后辦法，不僅浪費(fèi)土地和水資源，還會(huì)消耗大量人力。近些年，為提高灌溉效率，減輕作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度，指針式噴灌機(jī)、桁架式平移噴灌機(jī)、地埋式噴灌系統(tǒng)、滴灌系統(tǒng)、絞盤(pán)式噴灌機(jī)等不同灌溉機(jī)具都得到了發(fā)展，但是存在設(shè)備初始投入資金相對(duì)較大[1]、不適宜中小型“長(zhǎng)方形地塊”、移動(dòng)困難、需配備高壓水源等問(wèn)題，這些問(wèn)題限制了上述噴灌設(shè)備的推廣使用。我國(guó)正處于土地流轉(zhuǎn)的發(fā)展期，流轉(zhuǎn)土地還存在不穩(wěn)定性，可以預(yù)見(jiàn)現(xiàn)階段在我國(guó)人口密集的平原地區(qū)推廣大型或經(jīng)濟(jì)投入較高的噴灌設(shè)備較為困難。因此，針對(duì)我國(guó)大量存在的中小型“長(zhǎng)方形地塊”，研制一種輕簡(jiǎn)化智能自走式平移懸臂噴灌機(jī)具有重要意義。

1 輕簡(jiǎn)化智能平移噴灌機(jī)總體方案

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

輕簡(jiǎn)化智能平移噴灌機(jī)的主要特點(diǎn)是輕簡(jiǎn)化，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)實(shí)用的目的。整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。噴管組合通過(guò)鋼絲繩組件安裝于懸架上面，懸架通過(guò)鉸接軸與行走機(jī)架連接，懸架的下表面與行走機(jī)架的上表面接觸，懸架與安裝于其上的噴管組合、鋼絲繩組件作為一個(gè)整體，可以繞鉸接軸相對(duì)于行走機(jī)架轉(zhuǎn)動(dòng)；水泵組件、定向部件、控制盒安裝于行走機(jī)架的中部；兩個(gè)行走輪組件分別安裝于行走機(jī)架底部的兩側(cè)對(duì)稱位置，其中一個(gè)行走輪組件與行走機(jī)架通過(guò)鉸接方式安裝，可以隨著不平整地面浮動(dòng)而不影響整機(jī)穩(wěn)定性。

圖1輕簡(jiǎn)化智能平移噴灌機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)

1.2 工作原理

灌溉前預(yù)先在農(nóng)田開(kāi)設(shè)明渠引水，然后噴灌機(jī)從明渠汲水并平移行走進(jìn)行噴灌。如圖1所示，水泵組件的汲水口與汲水管組件連通，并通過(guò)汲水管組件從地面的明渠中汲水，水泵組件的出水口通過(guò)耐壓軟管與噴管組合連通，實(shí)現(xiàn)噴灑灌溉，噴管組合的單側(cè)臂展寬度18～24m可調(diào)。定向部件用于遠(yuǎn)距離觀察方向，并通過(guò)控制盒調(diào)節(jié)噴灌機(jī)的行進(jìn)方向和行進(jìn)速度。噴灌機(jī)在作業(yè)過(guò)程中，實(shí)時(shí)檢測(cè)明渠中的水量變化，并把水量變化作為控制因子參與到整機(jī)智能控制系統(tǒng)對(duì)汲水量和機(jī)具行走速度的控制中。噴灌機(jī)可依靠智能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守作業(yè)。

1.3 動(dòng)力系統(tǒng)

本機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)需要滿足灌溉、行走兩個(gè)主要功能的需求，智能控制系統(tǒng)居中協(xié)調(diào)，如圖2所示。動(dòng)力總來(lái)源為汽油發(fā)電機(jī)組，汽油發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的電力通過(guò)智能控制系統(tǒng)供應(yīng)行走機(jī)構(gòu)和汲水灌溉機(jī)構(gòu)。智能控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)并控制汽油發(fā)電機(jī)組、行走機(jī)構(gòu)、汲水灌溉機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)。

圖2動(dòng)力系統(tǒng)示意圖

2 行走系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 行走機(jī)構(gòu)

行走機(jī)構(gòu)由兩組行走輪組件組成，采用四輪驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。行走輪組件兩端安裝行走輪，中部安裝驅(qū)動(dòng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)傳動(dòng)軸同時(shí)驅(qū)動(dòng)前后兩個(gè)行走輪，行走輪安裝有測(cè)速傳感器和電控剎/駐車裝置。行走輪組件在智能控制系統(tǒng)控制下協(xié)調(diào)工作，可以完成定速行走、方向微調(diào)、停車、轉(zhuǎn)彎等動(dòng)作。

2.2 避障設(shè)計(jì)

懸架與安裝其上的噴管組合、鋼絲繩組件構(gòu)成一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的部裝，該部裝通過(guò)鉸接軸與行走機(jī)架連接并可相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。其相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)受到復(fù)位拉簧彈簧力的阻礙，復(fù)位拉簧一方面起到穩(wěn)定懸架部裝的作用，另一方面能夠緩沖懸架部裝受到的外力影響，避免零部件損壞。應(yīng)用實(shí)例：田間工作時(shí)，噴管組合會(huì)受到風(fēng)力影響而彎曲或晃動(dòng)，還會(huì)遇到電線桿等障礙物，懸架部裝可以隨噴灌組同步晃動(dòng)，并在外力消除或避開(kāi)障礙物后自動(dòng)復(fù)位；當(dāng)噴灌機(jī)完成一次作業(yè)或行駛到地頭時(shí)，可以調(diào)整或拆掉復(fù)位拉簧，使行走機(jī)架和懸架部裝相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)90°，方便噴灌機(jī)在地頭移動(dòng)，轉(zhuǎn)移地塊。

2.3 智能控制

行走系統(tǒng)智能控制是整機(jī)智能控制系統(tǒng)的重要組成部分，主要功能是直線定向行走、故障停車以及根據(jù)汲水量變化對(duì)行走速度進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)控，目的是保障灌溉的均勻性，并實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守作業(yè)。如圖3所示，方向設(shè)定、速度設(shè)定、水位監(jiān)測(cè)、故障監(jiān)測(cè)、速度反饋是行走控制系統(tǒng)的主要控制因子。其中，方向設(shè)定采用電動(dòng)陀螺儀技術(shù)，依靠人工定向后，噴灌機(jī)將自動(dòng)沿著既定方向行走。

圖3行走控制系統(tǒng)示意圖

3 噴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 汲水部件

水泵組件和汲水管組件共同組成汲水部件。如圖2所示，水泵采用電機(jī)作為動(dòng)力，受智能控制系統(tǒng)控制。汲水管相對(duì)于機(jī)架的高低、左右位置均可調(diào)，底部位于引水明渠中，并安裝過(guò)濾裝置，上部與水泵組件聯(lián)通。汲水管外壁安裝水位感應(yīng)裝置，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)明渠中水位的變化，并把信號(hào)傳遞給智能控制單元。智能控制系統(tǒng)根據(jù)水位的變化，控制水泵組件的汲水量和灌溉速度。當(dāng)明渠中缺水時(shí)，噴灌機(jī)會(huì)自動(dòng)停機(jī)。

3.2 噴灑部件

噴灑部件由噴管組合和噴頭組成。噴管組合由多段不銹鋼管組合而成，各段不銹鋼管之間采用快速接頭連接，噴管組合整體上對(duì)稱布置，并形成兩個(gè)上揚(yáng)的弧度。每段噴管下部均布若干噴頭，各個(gè)噴頭可單獨(dú)關(guān)閉。噴灌組合可根據(jù)農(nóng)田面積在一定范圍內(nèi)自由組合，輕簡(jiǎn)化噴灌機(jī)最大噴灑幅寬設(shè)計(jì)值為50米。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

根據(jù)輕簡(jiǎn)化智能平移噴灌機(jī)的構(gòu)造和主要零部件價(jià)格，測(cè)算其批量生產(chǎn)后的售價(jià)約為2萬(wàn)元/臺(tái)。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研和相關(guān)資料中的數(shù)據(jù)，指針式噴灌機(jī)的設(shè)備成本為14250元/hm2，即950元/畝[2]，隨著安裝面積的增大，超過(guò)30 hm2以上設(shè)備的畝投入成本可降至500元左右，此時(shí)的灌溉周期約為120小時(shí)；地埋式噴灌系統(tǒng)的設(shè)備投入及安裝費(fèi)用約1200元/畝。

輕簡(jiǎn)化智能平移噴灌機(jī)的設(shè)計(jì)行走速度為8～60m/h，噴灌幅寬為50米，對(duì)照設(shè)備畝投入成本較低的指針式噴灌機(jī)，以相同的灌溉強(qiáng)度為前提，1臺(tái)輕簡(jiǎn)化智能平移噴灌機(jī)120小時(shí)可以灌溉72畝農(nóng)田，則30 hm2農(nóng)田需要配備6.25臺(tái)輕簡(jiǎn)化智能平移噴灌機(jī)，取整為7臺(tái)，總設(shè)備投資為14萬(wàn)元，平均設(shè)備投入為311.11元/畝。則使用輕簡(jiǎn)化智能平移灌溉機(jī)的畝投入成本遠(yuǎn)低于使用另兩種灌溉設(shè)備。

5 結(jié)論

本機(jī)針對(duì)中小型“長(zhǎng)方形地塊”設(shè)計(jì)，相較于傳統(tǒng)的平移噴灌機(jī)：轉(zhuǎn)移地塊比較方便，提高使用效率；運(yùn)用智能控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)直線定向行走，操控簡(jiǎn)單；設(shè)備的投入成本相對(duì)較低，具有市場(chǎng)前景和推廣價(jià)值。不足之處在于使用本機(jī)時(shí)需要提前在農(nóng)田開(kāi)設(shè)明渠引水，增加工作量并造成土地浪費(fèi)，有待進(jìn)一步改進(jìn)完善。