卷盘式喷灌机电气化改造与电机选型

王昱森 WANG Yu-sen；吴孙阳 WU Sun-yang；董玉婵 DONG Yu-chan；杨彦 YANG Yan

（①江苏建筑职业技术学院交通工程学院，徐州221116；②中国矿业大学机电工程学院，徐州221116；③江苏华源节水股份有限公司，徐州221150）

0 引言

我国是世界上淡水资源最为缺乏的国家之一，用于农业生产的水资源不但非常短缺，而且浪费严重。利用卷盘式喷灌机对农作物进行喷灌，可大大提高水资源的利用率，是解决农业用水浪费的有效途[1]。然而在推广使用过程中，传统卷盘式喷灌机存在能耗高、喷灌不均匀等特点，一定程度上限制了喷灌机在我国的发[2]。本文通过分析产生以上问题的原因，提出了卷盘式喷灌机的电气化改造方案，即利用步进电机代替传统的水涡轮驱动，不仅能够提高能量利用率，而且便于控制喷灌速度。同时，本文还给出了步进电机的选型过程。

1 传统的卷盘式喷灌机

传统的卷盘式喷灌机结构如图1所示，主要由喷头车、卷盘、PE管、水涡轮和减速箱等组成[3]。

图1 传统的卷盘式喷灌机结构图

各主要部件的功能如下：

①水涡轮。水涡轮是卷盘式喷灌机的能量转换装置，水泵通过供水管将压力水供入水涡轮，驱动水涡轮旋转，为卷盘式喷灌机的工作提供动力。

②减速箱。减速箱的主要作用是减速增扭，降低水涡轮传递到卷盘的转速，同时增大卷盘的扭矩，以满足卷盘式喷灌机喷头车行驶速度和牵引力的要求。此外，减速箱还可实现卷盘式喷灌机的脱挡与调速。

③卷盘。卷盘是存放和卷绕PE管的装置。水涡轮通过变速箱驱动卷盘转动，带动PE管排列并缠绕在卷盘上，从而牵引喷头车回收。因此，卷盘的结构尺寸和转动速度对喷头车的行驶和喷灌效果具有决定性的影响。

④PE管。PE管是卷盘式喷灌机的输水管道，连接在喷灌机主机和喷头车之间，在卷盘转动作用下牵引喷头车回收。PE管的主要材料是聚乙烯，具有质量轻、强度高、抗冲击、耐磨损等优点，能够适用于各种土壤和环境下的农田。

⑤喷头车。喷头车是喷头的支撑机构，车轮为轮胎式，通过PE管与喷灌机主机相连，在回收时朝卷盘方向移动。

卷盘式喷灌机的工作原理如下：

卷盘式喷灌机在作业前，喷头车首先被牵引车（拖拉机）牵引至喷灌起始位置，带动PE管从卷盘上脱离。此时，卷盘底架保持固定不动。喷灌机在工作时，首先开启水泵产生压力水，压力水由供水管进入水涡轮，通过冲击水涡轮的叶片使其旋转。水涡轮的旋转经减速箱减速后驱动卷盘转动，带动PE管回收。同时，喷头车在PE管的牵引下，一边向卷盘回驶，一边通过喷头将水喷洒在田间，直到PE管完全卷绕在卷盘上。

由卷盘式喷灌机的工作过程可以看出，水涡轮完成将压力水的动能转换成自身机械能的任务，是喷灌机的核心部件。然而，由于压力水在进入水涡轮时会消耗部分水的能量，导致水涡轮的能量转化效率较低（一般不超过50%），使得喷灌机具有能耗高、效率低的缺点[4]。此外，喷头车行驶速度的调节由连杆机构改变水涡轮隔舌的开启度实现，这种方法的调速范围小，精度较低。同时，PE管在卷盘上的卷绕层数随着回收距离的改变而变化，导致喷头车的行驶速度不均匀，最终影响卷盘式喷灌机的灌水均匀性[5]。

2 电气化改造的卷盘式喷灌机

通过以上分析可知，当前的卷盘式喷灌机能耗高、工作效率低、灌水均匀性差等缺点均与水涡轮有关。为了解决以上问题，本文对卷盘式喷灌机进行了电气化改造，在传动系统上摒弃了纯机械式的水涡轮，采用易于控制的步进电机进行驱动。与水涡轮相比，步进电机的效率优势明显，从而解决了喷灌机能量转化效率低的问题；由于步进电机的性能稳定，控制算法成熟，控制精度高，可实现无极调速，能够通过编程的方法根据PE管在卷盘上的卷绕情况改变步进电机的转速，进而控制喷头车的回收速度，从而解决了由喷头车行走速度不均匀引起的灌水均匀度差的问题。电气化改造后的卷盘式喷灌机如图2所示。

图2 电气化改造的卷盘式喷灌机结构图

由图2可以看出，步进电机取代了水涡轮，成为驱动卷盘转动的动力装置。采用步进电机直连减速箱的方式，减小了传动环节，提高了传动效率。为了便于对比传统卷盘式喷灌机和电气化改造后的卷盘式喷灌机在传动系统上的区别，本文将两种类型的卷盘式喷灌机传动路线以流程图形式表现如图3所示。

图3 传动路线对比

3 电机选型

步进电机是卷盘式喷灌机电气化改造的关键部件，其性能参数应满足喷灌机的使用要求，因此，需要对步进电机进行选型设计。为了详细描述选型过程，本文以国内常见的JP-75型卷盘式喷灌机为例进行说明。

3.1 喷头车的行走阻力

喷头车的行走阻力由下式计算得到：

其中，m1为喷头车的质量，取m1=150kg；g为重力加速度，取g=9.8m/s2；f1为喷头车车轮与地面的滚动摩擦系数[6]，取f1=0.2；α为喷头车作业时地面的坡度，按20%计算升角，则α=11.31°。于是，

3.2 PE管的拖行阻力

PE管为聚乙烯制环状圆管，密度为0.96g/cm3。JP-75型卷盘式喷灌机PE管的外径为75毫米，取其壁厚为5.6毫米、长度为300米，则PE管的质量为

PE管装满水后，水的质量为

其中，ρ2为水的密度，取ρ2=1g/cm3。

那么，在喷灌机工作时，PE管的最大拖行阻力为

其中，f2为PE管与地面的滑动摩擦系数，取f2=0.5。

3.3 卷盘的受力分析

由以上分析可得，卷盘的最大牵引力为

则卷盘的牵引力矩为

其中，R为卷筒半径，取R=625mm，则

研究表明，卷盘的牵引力矩随PE管回收长度的增加而减小，因此PE管开始回收的时刻，卷盘的牵引力矩最大[7]。此时，卷盘转速与喷头车行驶速度的关系为

其中，D1为PE管的外径75毫米，D为卷筒直径1250毫米。由土壤需水量确定喷头车行驶速度v，再结合式（7）可估算卷盘转速0.3r/min。因此，卷盘功率为

由以上分析可知，电气化改造的卷盘式喷灌机最大功率为0.14kW。考虑到喷灌机作业环境的多样性以及运行可靠性，选取安全系数为5，从而步进电机的最大功率为700W。结合喷头车行驶速度和减速箱传动比，步进电机的型号可以选择为130BYGH350D，其详细参数如表1所示。

表1 步进电机参数

图4 智能农田现场信息采集系统原理框图

图5 现场与远程子系统交互流程

4 结语

本文通过对传统卷盘式喷灌机进行电气化改造，利用步进电机代替水涡轮对卷盘进行驱动，解决了喷灌机能耗高、工作效率低、喷灌不均匀等问题；对喷灌机的作业功率进行计算，确定了步进电机的型号。本文的研究，为卷盘式喷灌机的远程控制和智能运维提供了硬件基础。具体而言表现在以下两个方面：

①基于互联网技术的智能农田现场信息采集系统。在农田中铺设土壤温湿度传感器，用于实时监测农田土壤的温度、湿度等环境信息，并通过无线模块上传至云平台，系统对所接收的数据进行分析，按照作物的需水量制定喷头车行走策略，最后向步进电机下达控制指令，控制步进电机的转速，进而控制喷头车的回收速度。

②基于机器视觉的农田地形监测系统。在喷头车上安装摄像头，对农田地形以及喷头车回收路线的环境信息进行监测，并通过无线模块将监测的结果发送到远程云平台，云平台对相关的数据进行分析，根据路线起伏情况以及障碍物制定喷头车行走策略，最后向步进电机下达控制指令，从而提高卷盘式喷灌机在各种复杂地形环境下的适应性。