新型绞盘式喷灌机喷头车技术研究

王 俊

(黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080)

1 概 述

黑龙江省地处祖国的北部边陲，是亚洲大陆和太平洋地区陆路通往俄罗斯及欧洲大陆的重要通道，北部和东部与俄罗斯接壤。在黑龙江省，农业是用水大户。2016年，全省用水总量为352.64亿m3，其中，农业用水量为309.79亿m3，占全省用水总量的87.8%，而农田灌溉用水量为305.83亿m3，又占农业用水量的98.7%。同时，“十年九春旱”、农业用水粗放在全省各地都不同程度地存在，一些流域、区域，水资源供需矛盾日益突出。近些年，为了提高水资源利用率，实现水资源的永续利用，全省大力推广高效节水灌溉技术[1]，全省高效节水灌溉面积从2010年的100万hm2发展到现在的206.67万hm2[2]。喷灌是一种先进的灌溉技术，可实现节水40%～50%。绞盘式喷灌机在全省农业生产中应用比较广泛，因其具有工作压力低、结构紧凑、操作简便、灌溉面积大等特点，在抗春旱、保春播中做出了重大贡献。但是，由于绞盘式喷灌机受喷头高度、喷头车地隙等因素的制约，在作物生育后期、伏旱中难以使用，降低了绞盘式喷灌机的利用率。因此，本项研究对现有喷灌机喷头车结构进行技术改造，减少作业道或间作低植株作物带宽度，有效提高绞盘式喷灌机的使用率，对保障粮食稳产增产具有重要的意义。

2 绞盘式喷灌机的构造和工作原理

本项研究采用的绞盘式喷灌机型号为JP75/300，是一种将牵引PE管缠绕在绞盘上，利用喷灌压力水驱动水涡轮旋转，经变速装置驱动绞盘旋转，并牵引喷头车自动移动和喷洒的灌溉机械[3]，它具有移动方便、操作简单、省工省时、灌溉精度高、节水效果好、适应性强等优点，能有效地提供作物所需要的水分，提高产量。

2.1 构 造

绞盘式喷灌机主要由底架、卷盘、PE管、驱动装置(水涡轮箱)、传动装置(变速箱)、喷头车和变频控制柜等部件构成，喷头车由行走轮、支架和喷头等部件构成。具体结构见图1。

(1)PE管：采用最新的高科技产品，抗拉强度高、耐磨性好，抗环境应力及开裂性能极好，安全系数大，寿命在10 a以上，一端连接在绞盘，另一端则与喷头车相连。

(2)水涡轮箱：它是整台喷灌机的关键部件，防腐蚀、效率高，主要由涡轮、涡轮轴、壳体及弯头、隔舌组成。设计出水量为13～60 m3/h，叶轮的转速为200～800 r/min。

图1 绞盘式喷灌机结构图

(3)喷头车：是一个具有两个行走轮并安装喷头的机构，通过PE管牵引进行喷洒作业，每次灌溉结束喷头车能自动的被举升到运输位置，移动至下一个工作地点，进行作业。

2.2 工作原理

进行喷灌作业时，首先使用拖拉机将绞盘式喷灌机组牵引至田间喷灌作业区，将底架固定在作业区的一端，PE软管平铺在田间，PE软管一端与喷头车相连，另一端缠绕在卷盘上并与驱动装置相连，待铺设完毕开始喷灌作业时，灌溉水入机首先流经驱动装置，压力水作用于驱动装置使卷盘旋转，PE软管一层一层缠绕在卷盘上，喷灌小车则随着PE软管的缠绕向卷盘车运动，从驱动装置流出的压力水通过PE软管流至喷头处，喷头均匀地将高压水流喷洒到作物上空，散成细小的水滴均匀落下，并随着PE管的移动不间歇地进行喷洒作业。随着PE软管的回收，喷头车靠近卷盘时自动停止工作，由拖拉机牵引至下一个工作地点进行喷灌作业。

3 新型喷头车设计研究

3.1 传统喷头车特点及适用程度

采用对称双轮式行走，轮距为60～1500 mm，地隙高度为550～600 mm，喷头架设高度为600～700 mm，目前黑龙江省正在应用的绞盘式喷灌机多采用此种喷头车，其优点主要体现为行进平稳，对土壤条件的适应能力强。其显著的弊端为地隙高度较低，仅适合低矮作物灌溉及高杆作物苗期灌溉，从而造成生育期设备使用率低，抗伏旱能力差。通过作物率较低这一特点是制约绞盘式喷灌机更好发展及应用的主要瓶颈。

3.2 新型喷头车设计方案

针对这一瓶颈，本方案以提高地隙高度为落脚点进行研究。在兼顾提升高度并保持喷头车行进稳定性的前提下，制定了初步方案，以下简称方案一。移动式喷灌系统竖管高度设置为1.5 m，经多年实践应用证实，基本可满足黑龙江省春、夏两季灌溉需求。参照移动式喷灌系统的设定，本次方案中，拟定喷头车高度提升至1.5 m。采用原喷头车形式，保持两轮且间距不变，仅对纵向高度进行提高[4-5]。

3.3 性能测试

按照方案一的设想，机械师对喷头车进行结构改造，首先，在改造车间运行场内，无水牵引条件下，进行试运行试验，运行状态较稳定，未出现侧翻，偏移等问题。在此基础上进行的室外试验场模拟实际操作试验，运行过程中，出现前后摇摆、行进困难等情况；在提高运行速度情况下，行进困难，并出现侧翻。

经过3次室内试验、3次室外试验，发现方案一存在明显的不稳定因素，无法保证喷头车平稳运行。经项目组与机械师研究，拟定采用可升降式喷头车，并采用双侧4轮组合方式，保证运行稳定性，同时提高喷头车通过率。制定方案二、方案三，方案二采用4组液压方式双档设置提升地隙高度；方案三采用机械承插式双档设置提升地隙高度。

设备改造完成后，同时对方案二、方案三的改造设备进行了室内无水牵引试验及田间运行试验，初步试验成果归纳如下。方案二，室内无水牵引试验与田间观测试验均运行平稳，与传统喷灌机相比，相同运行条件下运行速度缓慢。方案三，室内无水牵引试验运行平稳，田间观测试验运行较平稳，与传统喷灌机相比，运行速度正常。

方案二、方案三经试验后，初步归纳为：方案二的四轮油压式喷头车自重高，尚需对喷头车主体车架的材质及框架结构进行改进。方案三较稳定，喷头车主体框架结构需进一步修改完善。

各方案具体试验对比情况见表1。方案二与方案三初步改造成本情况见表2。

表1 方案试验对比

表2 方案二与方案三初步改造成本统计

3.4 预期的效益

本研究成果，通过提高地隙高度，保障了作物春夏两季作物灌水需求，与传统绞盘式喷灌机相比，保障了作物稳产高产，预期可提高作物产量20%以上。

4 结论与建议

本研究为一种可调节的节水灌溉装置，可以进行上下伸缩。因此，在使用时只要将其升起到一定的高度便可以对放置不同高度位置的植物进行喷水灌溉，解决了绞盘式喷灌机在实际应用过程中存在的瓶颈问题，为绞盘式喷灌机在作物生长后期以及抗伏旱中发挥作用提供了技术保障，为黑龙江省粮食稳产、增产提供了基础保障。