新型桁架型淋灌机试验与效益分析

郑宇光，赵 龙，赵晓顺，李亚芹，于华丽

（1.河北省农机具技术创新中心，河北 石家庄 052560；2.河北农业大学机电工程学院，河北 保定 071001；3.河北农哈哈机械集团有限公司，河北 石家庄 071001）

近几年，河北农哈哈机械集团有限公司通过对卷盘式喷灌机研发优化，提升了喷灌设备的技术水平，在农业抗旱和粮食保增收中发挥了巨大作用。河北农哈哈公司生产的JP75/300、JP75/400 卷盘式淋灌机作是一种使用了新的定位方法的农业灌溉设备，可根据当地的灌溉制度(最大灌水定额及灌水周期等)自由均匀地确保灌溉质量，具有省工、节水、增产、灵活方便等特点，深受广大产业化种植户的喜爱，目前，已在河北、河南、山东等地区大面积推广。以下对卷盘式淋灌机的设计研究、作业应用量化和经济进行阐述。

1 淋灌型喷洒设备的研究

1.1 淋灌喷洒设备仿真模型的建立

在三维建模软件SolidWorks中建立可折叠式桁架喷洒设备的主要横梁和水管等部件，通过x_t 格式文件导入到ADAMS中，通过先构建参数点，再建立车架等部件的方式，完成虚拟样机的建模和关键点的参数化，便于下一步的优化仿真分析。设置整个桁架喷洒设备的仿真模型质量为492.68 kg，驱动半径R为0.23 m，折叠桁架展开总长度为28 m，初始的质心高度H为1.2 m，前后轮距L为0.8 m。根据GB/T 21400.1—2008推荐的试验数据，试验的最高回收行走速度设置为57 m/h。可折叠桁架喷洒车虚拟样机模型见图1。

图1 可折叠桁架喷洒车虚拟样机模型Fig.1 Virtual prototype model of foldable truss spray truck

1.2 均匀喷洒作业的移动速度

喷洒车作业的移动速度主要由淋灌总水量和施受水速决定。不同于单喷枪在喷头车运行过程中，作周期性旋转造成的有缺口的圆螺旋形重叠喷洒区域，淋灌型喷头车的喷洒区域是规则的长方形。在计算喷洒水量时，根据运动的相对性，假设受水处从开始受水的时间到脱离受水完成受水过程，此过程中，田间受水处的受水量即为该点的总水量。有以下模型，淋灌喷洒车移动速度按照公式（1）计算：

式中，v为喷洒车牵引速度，m/h；Q为喷洒量，取Q=13~29.7 m3/h；B为有效淋灌幅宽，mm；W为降水深度，一般10~60 mm。

通过计算得到一般运行速度为15~95 m/h。

1.3 田间作业试验结论

桁架喷洒设备在设置速度范围内的爬坡能力比国内普遍使用的JP75/300 桁架型喷洒车的爬坡能力提高了5.27%。实验表明，优化后的桁架喷洒设备在同样泊度工况下，倾覆次数明显减少，该设计取得了良好的效果。

2 淋灌作业模型及数据分析

2.1 淋灌强度

由于河北农哈哈公司研制的卷盘式桁架型淋灌机回收驱动方式是基于电气调速的驱动方式，控制灵活、收速稳定、智能化程度高，所以在使用中可根据实际情况选择喷洒淋灌架的喷嘴型号、数量、灌溉量回收速度和淋灌架的回收机制。参数设置为：喷嘴型号为10号，喷口直径为7.5 mm，喷洒半径为0.25 m，喷嘴数量为48，喷嘴工作压力为0.002 MPa，淋灌幅宽为30 m，淋灌架回收速设定为18 m/h，回收机制为水压参与，喷灌机入机水压为0.3~0.4 MPa。田间淋灌方式见图2。

图2 田间淋灌作业Fig.2 Field irrigation operation

按喷嘴型号及数量形成的淋灌带作为整体予以考虑，淋灌强度按照公式（2）计算：

式中，ρ为淋灌强度，mm/h；q为流量，m3/h，取田间试验及实际灌溉一般流量，29.7 m3/h；d为喷洒直径，取10 号喷头的喷洒直径，0.5 m；B为专用喷头车淋灌幅宽，设计值为28 m；β为有效淋灌系数，取一般测试值0.95。

经计算，ρ=6.70 mm/h，远低于壤土允许喷灌强度的12 mm/h，满足（GB/T 50085—2007）《喷灌工程技术规范》要求。

2.2 淋灌水力计算

2.2.1 淋灌流量计算

淋灌流量按照公式（3）计算：

式中：Q为卷盘式淋灌机设计流量，m3/h；qp为设计工作压力下的淋灌喷嘴流量，m3/h；ηp为同时工作的喷洒嘴数目，个，取36个；ηG为喷灌机管道系统水力利用系数，取0.99。淋灌喷洒均采用10喷洒嘴时，经过计算，得到Q=30.15 m3/h。

2.2.2 机体水头损失计算

作为卷盘式淋灌作业的主设备，其消耗的水头是作业设备和匹配的泵水设备的主要依据。农哈哈公司设计的新型JP75/300及JP75/400卷盘式桁架淋灌设备的消耗水头按公式（4）、公式（5）计算：

式中：h为淋灌机自身消耗的水头，m；hm为喷灌机主机部分消耗水头，m；JP75/300型为2.7 m，JP75/400型为3.1 m；hd为卷盘式喷灌机回收动力消耗水头，m，由于新型JP75/300 及JP75/400 卷盘式桁架淋灌机的回收依靠的是48 V 直流电机作为驱动源而非传统卷盘式喷灌机的水涡轮驱动，所以此项参数数值为0 m，即此种设备无动力水头的消耗；hPE为PE 管部分消耗的水头；f为摩擦阻力系数，选0.12；L为PE 管管长，m；Q为流量，m3/h，取30.15 m3/h；d为管内径，mm，取69 mm；m为流量指数；b为管径指数。

经计算得出，hJP75/300=2.92 m，hJP70/400=3.31 m。

3 试验结果及分析

于2 月15 日在河北深泽县农哈哈集团公司实验承包田将JP75/300 的喷枪喷洒型产品和桁架型淋灌机样机进行了对比实验。实验方案及测定方案为：回收速度设为18 m/时、25 m/时（这2 种回收速度均为实际喷灌作业经常选择的2 个回收速度目标值）条件下，分别测定2部喷灌设备的各测速段集水杯的实际集水高度，最后样本数据分析。

实地测验记录见表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

测试的记录样本相对于目标值的偏移比例均值、标准差及变异系数用下式计算。

在喷灌机回收速度目标值设为18 m/h 情况下，传统喷枪喷射产品的测试样本偏移比例均值和变异系数分别为2.7%和9.5%，作为新方案的桁架淋灌型样机其测试样本偏移比例均值和变异系数分别为1.3%和2.9%。

在喷灌机回收速度目标值设为25 m/h 情况下，传统喷枪喷射产品的测试样本偏移比例均值和变异系数分别为5.2%和10.5%，作为新方案的桁架淋灌型样机其测试样本偏移比例均值和变异系数分别为4.5%和4.3%。

依据测试样本和分析，可以得出：在常用调速段上，桁架型淋灌机方案的降水均匀性优于传统的喷枪喷洒方案；相对于高速回收，低速回收由于喷头车回收缓慢，其单位面积灌溉水量更大，所以平均降水灌溉高度更加逼近目标高度。

4 新机型作业的经济效益分析

相比农哈哈公司及市场上传统的采用水涡轮驱动的喷枪喷洒方式的卷盘式喷灌机，农哈哈公司新型电机驱动的卷盘式桁架型淋灌机水资源利用率更高，更加节省能源，并且操作方便，节省人工，提高产量，在保水、保土、保肥等方面表现更具优势。

4.1 节水

淋灌作业，相比大水漫灌式的浇园方式，能有效防止灌溉水在田间的深层渗漏损失；相比传统的单喷枪喷洒，虽然不强调制造田间小气候，但采用近地直接低压喷洒作物或壤土表面，降低施水过程的蒸发，节水率达15%以上。

4.2 节电

目前，市场上和以往农哈哈公司设计的JP75/300、JP75/400 型卷盘式喷灌机的动力使用的是传统的水涡轮驱动，还要在喷枪出水处达到要求喷洒半径，喷灌作业时至少需要7.5 kW 功率的电机二次增压，增加耗电33 kW•h/667 m2。农哈哈公司新开发的JP75/300 及JP75/400 卷盘式喷灌机的驱动采用电动机形式，耗电仅为4 kW•h/667 m2，仅利用田间的井泵出水压力即可完成淋灌作业，极大地降低了灌溉能耗。

4.3 省工

当前的卷盘式桁架型的喷灌机，主流设计是采用若干喷灌桁架节节挂接而成，净展开长度为25 m，横向喷洒宽度为27.5 m，由于桁架组需要分离的桁架节在现场拼接，所以至少需要2名操作员配合完成。河北农哈哈公司设计的新型桁架型淋灌机，其桁架组平常状态是铰链连接，使用时只需要实时展开并在对接位置落下卡扣即可方便完成桁架作业状态的展开，只需要由1名操作员，节省了1个人工。

4.4 增效

传统喷灌机喷灌结束时会自动停止喷头车回收，其特点是采用机械联动，在齿轮箱处实现自动脱档的方式停止继续输出，回收动力，但是此时的喷洒过程和水力驱动环节并不同时结束，需要操作员自行注意处理，属于被动式应对，理论上造成动力和用电浪费。河北农哈哈公司的新型卷盘式喷灌机在机械脱离动力的基础上，依托于电气控制系统的物联网和自动控制技术，可实现停机通知，通过智能手机交互界面实时掌握各个设备GPS 定位和作业状态，通过例如水压、水量、回收速优先等控制机制，利用物联网完成喷灌机的智能控制，实现了真正意义上的无人值守。