新型桁架型淋灌機試驗與效益分析

鄭宇光，趙 龍，趙曉順，李亞芹，于華麗

（1.河北省農機具技術創新中心，河北 石家莊 052560；2.河北農業大學機電工程學院，河北 保定 071001；3.河北農哈哈機械集團有限公司，河北 石家莊 071001）

近幾年，河北農哈哈機械集團有限公司通過對卷盤式噴灌機研發優化，提升了噴灌設備的技術水平，在農業抗旱和糧食保增收中發揮了巨大作用。河北農哈哈公司生產的JP75/300、JP75/400 卷盤式淋灌機作是一種使用了新的定位方法的農業灌溉設備，可根據當地的灌溉制度(最大灌水定額及灌水周期等)自由均勻地確保灌溉質量，具有省工、節水、增產、靈活方便等特點，深受廣大產業化種植戶的喜愛，目前，已在河北、河南、山東等地區大面積推廣。以下對卷盤式淋灌機的設計研究、作業應用量化和經濟進行闡述。

1 淋灌型噴灑設備的研究

1.1 淋灌噴灑設備仿真模型的建立

在三維建模軟件SolidWorks中建立可折疊式桁架噴灑設備的主要橫梁和水管等部件，通過x_t 格式文件導入到ADAMS中，通過先構建參數點，再建立車架等部件的方式，完成虛擬樣機的建模和關鍵點的參數化，便于下一步的優化仿真分析。設置整個桁架噴灑設備的仿真模型質量為492.68 kg，驅動半徑R為0.23 m，折疊桁架展開總長度為28 m，初始的質心高度H為1.2 m，前后輪距L為0.8 m。根據GB/T 21400.1—2008推薦的試驗數據，試驗的最高回收行走速度設置為57 m/h。可折疊桁架噴灑車虛擬樣機模型見圖1。

圖1 可折疊桁架噴灑車虛擬樣機模型Fig.1 Virtual prototype model of foldable truss spray truck

1.2 均勻噴灑作業的移動速度

噴灑車作業的移動速度主要由淋灌總水量和施受水速決定。不同于單噴槍在噴頭車運行過程中，作周期性旋轉造成的有缺口的圓螺旋形重疊噴灑區域，淋灌型噴頭車的噴灑區域是規則的長方形。在計算噴灑水量時，根據運動的相對性，假設受水處從開始受水的時間到脫離受水完成受水過程，此過程中，田間受水處的受水量即為該點的總水量。有以下模型，淋灌噴灑車移動速度按照公式（1）計算：

式中，v為噴灑車牽引速度，m/h；Q為噴灑量，取Q=13~29.7 m3/h；B為有效淋灌幅寬，mm；W為降水深度，一般10~60 mm。

通過計算得到一般運行速度為15~95 m/h。

1.3 田間作業試驗結論

桁架噴灑設備在設置速度范圍內的爬坡能力比國內普遍使用的JP75/300 桁架型噴灑車的爬坡能力提高了5.27%。實驗表明，優化后的桁架噴灑設備在同樣泊度工況下，傾覆次數明顯減少，該設計取得了良好的效果。

2 淋灌作業模型及數據分析

2.1 淋灌強度

由于河北農哈哈公司研制的卷盤式桁架型淋灌機回收驅動方式是基于電氣調速的驅動方式，控制靈活、收速穩定、智能化程度高，所以在使用中可根據實際情況選擇噴灑淋灌架的噴嘴型號、數量、灌溉量回收速度和淋灌架的回收機制。參數設置為：噴嘴型號為10號，噴口直徑為7.5 mm，噴灑半徑為0.25 m，噴嘴數量為48，噴嘴工作壓力為0.002 MPa，淋灌幅寬為30 m，淋灌架回收速設定為18 m/h，回收機制為水壓參與，噴灌機入機水壓為0.3~0.4 MPa。田間淋灌方式見圖2。

圖2 田間淋灌作業Fig.2 Field irrigation operation

按噴嘴型號及數量形成的淋灌帶作為整體予以考慮，淋灌強度按照公式（2）計算：

式中，ρ為淋灌強度，mm/h；q為流量，m3/h，取田間試驗及實際灌溉一般流量，29.7 m3/h；d為噴灑直徑，取10 號噴頭的噴灑直徑，0.5 m；B為專用噴頭車淋灌幅寬，設計值為28 m；β為有效淋灌系數，取一般測試值0.95。

經計算，ρ=6.70 mm/h，遠低于壤土允許噴灌強度的12 mm/h，滿足（GB/T 50085—2007）《噴灌工程技術規范》要求。

2.2 淋灌水力計算

2.2.1 淋灌流量計算

淋灌流量按照公式（3）計算：

式中：Q為卷盤式淋灌機設計流量，m3/h；qp為設計工作壓力下的淋灌噴嘴流量，m3/h；ηp為同時工作的噴灑嘴數目，個，取36個；ηG為噴灌機管道系統水力利用系數，取0.99。淋灌噴灑均采用10噴灑嘴時，經過計算，得到Q=30.15 m3/h。

2.2.2 機體水頭損失計算

作為卷盤式淋灌作業的主設備，其消耗的水頭是作業設備和匹配的泵水設備的主要依據。農哈哈公司設計的新型JP75/300及JP75/400卷盤式桁架淋灌設備的消耗水頭按公式（4）、公式（5）計算：

式中：h為淋灌機自身消耗的水頭，m；hm為噴灌機主機部分消耗水頭，m；JP75/300型為2.7 m，JP75/400型為3.1 m；hd為卷盤式噴灌機回收動力消耗水頭，m，由于新型JP75/300 及JP75/400 卷盤式桁架淋灌機的回收依靠的是48 V 直流電機作為驅動源而非傳統卷盤式噴灌機的水渦輪驅動，所以此項參數數值為0 m，即此種設備無動力水頭的消耗；hPE為PE 管部分消耗的水頭；f為摩擦阻力系數，選0.12；L為PE 管管長，m；Q為流量，m3/h，取30.15 m3/h；d為管內徑，mm，取69 mm；m為流量指數；b為管徑指數。

經計算得出，hJP75/300=2.92 m，hJP70/400=3.31 m。

3 試驗結果及分析

于2 月15 日在河北深澤縣農哈哈集團公司實驗承包田將JP75/300 的噴槍噴灑型產品和桁架型淋灌機樣機進行了對比實驗。實驗方案及測定方案為：回收速度設為18 m/時、25 m/時（這2 種回收速度均為實際噴灌作業經常選擇的2 個回收速度目標值）條件下，分別測定2部噴灌設備的各測速段集水杯的實際集水高度，最后樣本數據分析。

實地測驗記錄見表1和表2。

表1 回收速度18m/h的集水高度Tab.1 Water collection height at recovery speed 18 m/h mm

表2 回收速度25 m/h的集水高度Tab.2 Water collection height at recovery speed 25 m/h mm

測試的記錄樣本相對于目標值的偏移比例均值、標準差及變異系數用下式計算。

在噴灌機回收速度目標值設為18 m/h 情況下，傳統噴槍噴射產品的測試樣本偏移比例均值和變異系數分別為2.7%和9.5%，作為新方案的桁架淋灌型樣機其測試樣本偏移比例均值和變異系數分別為1.3%和2.9%。

在噴灌機回收速度目標值設為25 m/h 情況下，傳統噴槍噴射產品的測試樣本偏移比例均值和變異系數分別為5.2%和10.5%，作為新方案的桁架淋灌型樣機其測試樣本偏移比例均值和變異系數分別為4.5%和4.3%。

依據測試樣本和分析，可以得出：在常用調速段上，桁架型淋灌機方案的降水均勻性優于傳統的噴槍噴灑方案；相對于高速回收，低速回收由于噴頭車回收緩慢，其單位面積灌溉水量更大，所以平均降水灌溉高度更加逼近目標高度。

4 新機型作業的經濟效益分析

相比農哈哈公司及市場上傳統的采用水渦輪驅動的噴槍噴灑方式的卷盤式噴灌機，農哈哈公司新型電機驅動的卷盤式桁架型淋灌機水資源利用率更高，更加節省能源，并且操作方便，節省人工，提高產量，在保水、保土、保肥等方面表現更具優勢。

4.1 節水

淋灌作業，相比大水漫灌式的澆園方式，能有效防止灌溉水在田間的深層滲漏損失；相比傳統的單噴槍噴灑，雖然不強調制造田間小氣候，但采用近地直接低壓噴灑作物或壤土表面，降低施水過程的蒸發，節水率達15%以上。

4.2 節電

目前，市場上和以往農哈哈公司設計的JP75/300、JP75/400 型卷盤式噴灌機的動力使用的是傳統的水渦輪驅動，還要在噴槍出水處達到要求噴灑半徑，噴灌作業時至少需要7.5 kW 功率的電機二次增壓，增加耗電33 kW?h/667 m2。農哈哈公司新開發的JP75/300 及JP75/400 卷盤式噴灌機的驅動采用電動機形式，耗電僅為4 kW?h/667 m2，僅利用田間的井泵出水壓力即可完成淋灌作業，極大地降低了灌溉能耗。

4.3 省工

當前的卷盤式桁架型的噴灌機，主流設計是采用若干噴灌桁架節節掛接而成，凈展開長度為25 m，橫向噴灑寬度為27.5 m，由于桁架組需要分離的桁架節在現場拼接，所以至少需要2名操作員配合完成。河北農哈哈公司設計的新型桁架型淋灌機，其桁架組平常狀態是鉸鏈連接，使用時只需要實時展開并在對接位置落下卡扣即可方便完成桁架作業狀態的展開，只需要由1名操作員，節省了1個人工。

4.4 增效

傳統噴灌機噴灌結束時會自動停止噴頭車回收，其特點是采用機械聯動，在齒輪箱處實現自動脫檔的方式停止繼續輸出，回收動力，但是此時的噴灑過程和水力驅動環節并不同時結束，需要操作員自行注意處理，屬于被動式應對，理論上造成動力和用電浪費。河北農哈哈公司的新型卷盤式噴灌機在機械脫離動力的基礎上，依托于電氣控制系統的物聯網和自動控制技術，可實現停機通知，通過智能手機交互界面實時掌握各個設備GPS 定位和作業狀態，通過例如水壓、水量、回收速優先等控制機制，利用物聯網完成噴灌機的智能控制，實現了真正意義上的無人值守。