卷盤式噴灌機電氣化改造與電機選型

王昱森 WANG Yu-sen；吳孫陽 WU Sun-yang；董玉嬋 DONG Yu-chan；楊彥 YANG Yan

（①江蘇建筑職業技術學院交通工程學院，徐州221116；②中國礦業大學機電工程學院，徐州221116；③江蘇華源節水股份有限公司，徐州221150）

0 引言

我國是世界上淡水資源最為缺乏的國家之一，用于農業生產的水資源不但非常短缺，而且浪費嚴重。利用卷盤式噴灌機對農作物進行噴灌，可大大提高水資源的利用率，是解決農業用水浪費的有效途[1]。然而在推廣使用過程中，傳統卷盤式噴灌機存在能耗高、噴灌不均勻等特點，一定程度上限制了噴灌機在我國的發[2]。本文通過分析產生以上問題的原因，提出了卷盤式噴灌機的電氣化改造方案，即利用步進電機代替傳統的水渦輪驅動，不僅能夠提高能量利用率，而且便于控制噴灌速度。同時，本文還給出了步進電機的選型過程。

1 傳統的卷盤式噴灌機

傳統的卷盤式噴灌機結構如圖1所示，主要由噴頭車、卷盤、PE管、水渦輪和減速箱等組成[3]。

圖1 傳統的卷盤式噴灌機結構圖

各主要部件的功能如下：

①水渦輪。水渦輪是卷盤式噴灌機的能量轉換裝置，水泵通過供水管將壓力水供入水渦輪，驅動水渦輪旋轉，為卷盤式噴灌機的工作提供動力。

②減速箱。減速箱的主要作用是減速增扭，降低水渦輪傳遞到卷盤的轉速，同時增大卷盤的扭矩，以滿足卷盤式噴灌機噴頭車行駛速度和牽引力的要求。此外，減速箱還可實現卷盤式噴灌機的脫擋與調速。

③卷盤。卷盤是存放和卷繞PE管的裝置。水渦輪通過變速箱驅動卷盤轉動，帶動PE管排列并纏繞在卷盤上，從而牽引噴頭車回收。因此，卷盤的結構尺寸和轉動速度對噴頭車的行駛和噴灌效果具有決定性的影響。

④PE管。PE管是卷盤式噴灌機的輸水管道，連接在噴灌機主機和噴頭車之間，在卷盤轉動作用下牽引噴頭車回收。PE管的主要材料是聚乙烯，具有質量輕、強度高、抗沖擊、耐磨損等優點，能夠適用于各種土壤和環境下的農田。

⑤噴頭車。噴頭車是噴頭的支撐機構，車輪為輪胎式，通過PE管與噴灌機主機相連，在回收時朝卷盤方向移動。

卷盤式噴灌機的工作原理如下：

卷盤式噴灌機在作業前，噴頭車首先被牽引車（拖拉機）牽引至噴灌起始位置，帶動PE管從卷盤上脫離。此時，卷盤底架保持固定不動。噴灌機在工作時，首先開啟水泵產生壓力水，壓力水由供水管進入水渦輪，通過沖擊水渦輪的葉片使其旋轉。水渦輪的旋轉經減速箱減速后驅動卷盤轉動，帶動PE管回收。同時，噴頭車在PE管的牽引下，一邊向卷盤回駛，一邊通過噴頭將水噴灑在田間，直到PE管完全卷繞在卷盤上。

由卷盤式噴灌機的工作過程可以看出，水渦輪完成將壓力水的動能轉換成自身機械能的任務，是噴灌機的核心部件。然而，由于壓力水在進入水渦輪時會消耗部分水的能量，導致水渦輪的能量轉化效率較低（一般不超過50%），使得噴灌機具有能耗高、效率低的缺點[4]。此外，噴頭車行駛速度的調節由連桿機構改變水渦輪隔舌的開啟度實現，這種方法的調速范圍小，精度較低。同時，PE管在卷盤上的卷繞層數隨著回收距離的改變而變化，導致噴頭車的行駛速度不均勻，最終影響卷盤式噴灌機的灌水均勻性[5]。

2 電氣化改造的卷盤式噴灌機

通過以上分析可知，當前的卷盤式噴灌機能耗高、工作效率低、灌水均勻性差等缺點均與水渦輪有關。為了解決以上問題，本文對卷盤式噴灌機進行了電氣化改造，在傳動系統上摒棄了純機械式的水渦輪，采用易于控制的步進電機進行驅動。與水渦輪相比，步進電機的效率優勢明顯，從而解決了噴灌機能量轉化效率低的問題；由于步進電機的性能穩定，控制算法成熟，控制精度高，可實現無極調速，能夠通過編程的方法根據PE管在卷盤上的卷繞情況改變步進電機的轉速，進而控制噴頭車的回收速度，從而解決了由噴頭車行走速度不均勻引起的灌水均勻度差的問題。電氣化改造后的卷盤式噴灌機如圖2所示。

圖2 電氣化改造的卷盤式噴灌機結構圖

由圖2可以看出，步進電機取代了水渦輪，成為驅動卷盤轉動的動力裝置。采用步進電機直連減速箱的方式，減小了傳動環節，提高了傳動效率。為了便于對比傳統卷盤式噴灌機和電氣化改造后的卷盤式噴灌機在傳動系統上的區別，本文將兩種類型的卷盤式噴灌機傳動路線以流程圖形式表現如圖3所示。

圖3 傳動路線對比

3 電機選型

步進電機是卷盤式噴灌機電氣化改造的關鍵部件，其性能參數應滿足噴灌機的使用要求，因此，需要對步進電機進行選型設計。為了詳細描述選型過程，本文以國內常見的JP-75型卷盤式噴灌機為例進行說明。

3.1 噴頭車的行走阻力

噴頭車的行走阻力由下式計算得到：

其中，m1為噴頭車的質量，取m1=150kg；g為重力加速度，取g=9.8m/s2；f1為噴頭車車輪與地面的滾動摩擦系數[6]，取f1=0.2；α為噴頭車作業時地面的坡度，按20%計算升角，則α=11.31°。于是，

3.2 PE管的拖行阻力

PE管為聚乙烯制環狀圓管，密度為0.96g/cm3。JP-75型卷盤式噴灌機PE管的外徑為75毫米，取其壁厚為5.6毫米、長度為300米，則PE管的質量為

PE管裝滿水后，水的質量為

其中，ρ2為水的密度，取ρ2=1g/cm3。

那么，在噴灌機工作時，PE管的最大拖行阻力為

其中，f2為PE管與地面的滑動摩擦系數，取f2=0.5。

3.3 卷盤的受力分析

由以上分析可得，卷盤的最大牽引力為

則卷盤的牽引力矩為

其中，R為卷筒半徑，取R=625mm，則

研究表明，卷盤的牽引力矩隨PE管回收長度的增加而減小，因此PE管開始回收的時刻，卷盤的牽引力矩最大[7]。此時，卷盤轉速與噴頭車行駛速度的關系為

其中，D1為PE管的外徑75毫米，D為卷筒直徑1250毫米。由土壤需水量確定噴頭車行駛速度v，再結合式（7）可估算卷盤轉速0.3r/min。因此，卷盤功率為

由以上分析可知，電氣化改造的卷盤式噴灌機最大功率為0.14kW。考慮到噴灌機作業環境的多樣性以及運行可靠性，選取安全系數為5，從而步進電機的最大功率為700W。結合噴頭車行駛速度和減速箱傳動比，步進電機的型號可以選擇為130BYGH350D，其詳細參數如表1所示。

表1 步進電機參數

圖4 智能農田現場信息采集系統原理框圖

圖5 現場與遠程子系統交互流程

4 結語

本文通過對傳統卷盤式噴灌機進行電氣化改造，利用步進電機代替水渦輪對卷盤進行驅動，解決了噴灌機能耗高、工作效率低、噴灌不均勻等問題；對噴灌機的作業功率進行計算，確定了步進電機的型號。本文的研究，為卷盤式噴灌機的遠程控制和智能運維提供了硬件基礎。具體而言表現在以下兩個方面：

①基于互聯網技術的智能農田現場信息采集系統。在農田中鋪設土壤溫濕度傳感器，用于實時監測農田土壤的溫度、濕度等環境信息，并通過無線模塊上傳至云平臺，系統對所接收的數據進行分析，按照作物的需水量制定噴頭車行走策略，最后向步進電機下達控制指令，控制步進電機的轉速，進而控制噴頭車的回收速度。

②基于機器視覺的農田地形監測系統。在噴頭車上安裝攝像頭，對農田地形以及噴頭車回收路線的環境信息進行監測，并通過無線模塊將監測的結果發送到遠程云平臺，云平臺對相關的數據進行分析，根據路線起伏情況以及障礙物制定噴頭車行走策略，最后向步進電機下達控制指令，從而提高卷盤式噴灌機在各種復雜地形環境下的適應性。