湯玲迪 袁壽其 湯 躍

(江蘇大學(xué)國(guó)家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心， 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

農(nóng)業(yè)高效節(jié)水灌溉是促進(jìn)水資源可持續(xù)利用和保障國(guó)家糧食安全、水安全及生態(tài)安全的重大戰(zhàn)略舉措。節(jié)水灌溉裝備是實(shí)現(xiàn)高效節(jié)水的有效保障，大中型節(jié)水灌溉裝備能解決農(nóng)業(yè)灌溉規(guī)?；c集約化的高效作業(yè)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外典型機(jī)械化節(jié)水灌溉裝備有圓形噴灌機(jī)、平移噴灌機(jī)、滾移式噴灌機(jī)、卷盤(pán)式噴灌機(jī)等大中型移動(dòng)式灌溉機(jī)。卷盤(pán)式噴灌機(jī)具有適應(yīng)性強(qiáng)、機(jī)動(dòng)方便、自動(dòng)化程度高、單位面積設(shè)備投資低等優(yōu)勢(shì)，是一種適合我國(guó)國(guó)情，能適應(yīng)大、中、小不同規(guī)模地塊、不同作物高效作業(yè)的機(jī)械化灌溉裝備[1-5]。因此本文對(duì)我國(guó)卷盤(pán)式噴灌機(jī)科研及生產(chǎn)中存在的問(wèn)題加以總結(jié)分析，提出需重點(diǎn)研究的問(wèn)題，以期為卷盤(pán)式噴灌機(jī)發(fā)展提供參考。

1 國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品現(xiàn)狀

20世紀(jì)60年代卷盤(pán)式噴灌機(jī)在歐洲開(kāi)始研究[6-7]。至20世紀(jì)70年代后期，已基本定型并大量生產(chǎn)，型號(hào)多達(dá)120余種[8]。經(jīng)過(guò)近50年的發(fā)展，意大利已成為全球卷盤(pán)式噴灌機(jī)制造企業(yè)的集聚地。目前，意大利總的卷盤(pán)式噴灌機(jī)年產(chǎn)量達(dá)到6 000～7 000臺(tái)，保有量約15萬(wàn)臺(tái)，涵蓋幾十種規(guī)格的系列卷盤(pán)式噴灌機(jī)，適合農(nóng)業(yè)、林業(yè)、城市園林等許多領(lǐng)域。

圖2 國(guó)內(nèi)外典型園林卷盤(pán)式噴灌機(jī)Fig.2 Hose reel irrigators used in garden

我國(guó)卷盤(pán)式噴灌機(jī)的發(fā)展開(kāi)始于20世紀(jì)70年代末[9-14]。1979年成功試制了我國(guó)第一臺(tái)JP90/300型卷盤(pán)式噴灌機(jī)，1984年又研制成功JP75/200型卷盤(pán)式噴灌機(jī)[15-20]。到20世紀(jì)90年代后期，又通過(guò)引進(jìn)奧地利BAUER公司的卷盤(pán)式噴灌機(jī)加以仿制，形成了JP50、JP75和JP90國(guó)產(chǎn)卷盤(pán)式噴灌機(jī)主流機(jī)型，這一階段經(jīng)歷了20余年，在研究、制造、應(yīng)用和標(biāo)準(zhǔn)化方面取得了一定進(jìn)展，先后通過(guò)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)[21-23]轉(zhuǎn)換制訂了一批國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[24-27]；2010年以后，我國(guó)卷盤(pán)式噴灌機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，至2017年，我國(guó)卷盤(pán)式噴灌機(jī)保有量已從2012年不足2萬(wàn)臺(tái)增加到8萬(wàn)多臺(tái)。但與國(guó)際先進(jìn)水平相比還有很大差距。近5年來(lái)，許多科研單位對(duì)卷盤(pán)式噴灌機(jī)基本理論、試驗(yàn)技術(shù)與裝備、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、多功能等方面開(kāi)展了大量研究，形成了灌溉裝備新的研究熱點(diǎn)。

卷盤(pán)式噴灌機(jī)主要由噴頭車、輸水軟管(PE盤(pán)管)、卷盤(pán)、驅(qū)動(dòng)卷盤(pán)的動(dòng)力機(jī)(水渦輪、液壓馬達(dá)及電機(jī))、減速箱、傳動(dòng)系統(tǒng)、底盤(pán)等主要部分組成，如圖1所示。大型機(jī)還有液壓傳動(dòng)與控制系統(tǒng)。動(dòng)力能源目前主要來(lái)源于電力和燃油，太陽(yáng)能作為清潔能源也開(kāi)始被使用。

圖1 卷盤(pán)式噴灌機(jī)實(shí)物圖Fig.1 Structure of hose reel irrigator1.噴頭 2.噴頭車 3.卷盤(pán) 4.PE管 5.供水泵 6.底盤(pán) 7.動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)

目前，世界上最大的卷盤(pán)式噴灌機(jī)是意大利CASELLA公司生產(chǎn)的PLLSMP180/400，輸水PE管外徑180 mm、長(zhǎng)400 m，流量240 m3/h，采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)卷盤(pán)回轉(zhuǎn)，液壓系統(tǒng)的動(dòng)力由柴油發(fā)動(dòng)機(jī)提供；世界上最小的卷盤(pán)式噴灌機(jī)是意大利ORMA公司生產(chǎn)的水渦輪驅(qū)動(dòng)型Passeggiando和中國(guó)華源公司生產(chǎn)的電驅(qū)動(dòng)型JP25-30/D，其輸水PE管外徑25 mm、長(zhǎng)30 m。

國(guó)內(nèi)外卷盤(pán)式噴灌機(jī)按用途分為農(nóng)業(yè)和園林兩大類。園林機(jī)型用于運(yùn)動(dòng)場(chǎng)、高爾夫球場(chǎng)、公園的草坪灌溉，如圖2所示。農(nóng)業(yè)基本類型見(jiàn)表1。

2 卷盤(pán)式噴灌機(jī)工作原理

噴灌機(jī)噴灌作業(yè)前，由牽引車(拖拉機(jī))將噴頭車牽引至田塊地頭，開(kāi)啟水泵給噴灌機(jī)供水，卷盤(pán)在動(dòng)力機(jī)的驅(qū)動(dòng)下開(kāi)始回卷PE管，噴頭車在PE管的牽引下一邊回收一邊噴灌，當(dāng)PE管全部盤(pán)繞至卷盤(pán)上后，關(guān)閉水泵，然后移動(dòng)噴灌機(jī)至下一個(gè)地塊繼續(xù)噴灌作業(yè)，如圖3所示。

3 影響卷盤(pán)式噴灌機(jī)性能的關(guān)鍵因素

一次灌溉面積由噴頭的射程和牽引噴頭車的PE管長(zhǎng)度決定，灌水量在供水量(流量)一定的情況下由PE管回收速度決定。灌溉質(zhì)量是反映卷盤(pán)式噴灌機(jī)性能的外在指標(biāo)。能耗是反映卷盤(pán)式噴灌機(jī)性能的內(nèi)在指標(biāo)。

表1國(guó)內(nèi)外典型卷盤(pán)式噴灌機(jī)(農(nóng)業(yè))基本信息
Tab.1Basicinformationoftypicalhosereelirrigatorsusedinfarmland

圖3 卷盤(pán)式噴灌機(jī)作業(yè)方式Fig.3 Work pattern of hose reel irrigator

3.1 噴灌質(zhì)量

COLLIER等[28]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在不進(jìn)行任何控制時(shí)，隨PE管盤(pán)繞層每變化一層，噴頭車的行走速度會(huì)增加11%～12%，同時(shí)，隨著PE管盤(pán)繞圈數(shù)的增加，流動(dòng)阻力增加也會(huì)使流量減少，兩者的共同作用使得最后的灌水深度只有初始灌水深度的68%～77%。GRANT等[29]比較了噴頭扇形噴灑角的變化對(duì)灌溉均勻性的影響，初始噴灑區(qū)域的灌水均勻性可以通過(guò)減小正常噴灑時(shí)的噴灑扇形角來(lái)提高。ROCHESTER等[30]實(shí)驗(yàn)研究了在流量或者入機(jī)壓力一定時(shí)，兩者的克里斯琴森均勻系數(shù)相差小于2%，分布均勻性相差小于1%。GRAZIANO等[31]通過(guò)在垂直搖臂噴頭上加裝旋轉(zhuǎn)速度調(diào)節(jié)裝置，使噴頭左右兩側(cè)的旋轉(zhuǎn)速度低于中間的旋轉(zhuǎn)速度，將噴頭降雨的橫向分布規(guī)律扁平化，即提高兩側(cè)的降雨和降低中間的降雨，可提高噴灌均勻性至88%～92%，增加組合間距至1.8R～1.9R，有效增加灌溉寬度5%，達(dá)到潛在節(jié)水約15%的目的。

在國(guó)內(nèi)，尹萬(wàn)和等[11]對(duì)國(guó)外一種卷盤(pán)式噴灌機(jī)的噴頭、水渦輪、PE管等水力部件的水力特性和噴灑特性進(jìn)行了簡(jiǎn)單的試驗(yàn)分析。許一飛[6]較早地提出了卷盤(pán)式噴灌機(jī)具有運(yùn)行、調(diào)速、能耗、軟管和動(dòng)力5個(gè)特性，并分別對(duì)5個(gè)特性進(jìn)行了分析，認(rèn)為如果噴頭車行走速度不控制，則由于盤(pán)繞直徑的變化和負(fù)載的變化會(huì)使首末兩端的速度相差1倍以上，灌水量首末端也相差50%。梁文經(jīng)等[32]分析了噴頭轉(zhuǎn)速、噴頭車行走速度及噴頭扇形角對(duì)均勻性的影響及其計(jì)算方法。吳滌非[33]從理論上提出了計(jì)算行噴機(jī)組均勻系數(shù)的基本計(jì)算公式，并做了試驗(yàn)驗(yàn)證。范永申等[34]從噴灌強(qiáng)度與桁架式噴頭車行走速度之間的關(guān)系，試驗(yàn)得到噴灌強(qiáng)度在移動(dòng)速度相同時(shí)與理論計(jì)算十分接近。葛茂生等[35]通過(guò)建立基于最小二乘法卷盤(pán)式噴灌機(jī)噴灑均勻度簡(jiǎn)化算法，討論了噴頭工作壓力、輻射角選擇周期和組合間距等運(yùn)行參數(shù)對(duì)噴灑均勻度的影響。段福義等[36]試驗(yàn)分析了卷盤(pán)式噴灌機(jī)入機(jī)壓力、行走速度、壓力損失、流量及噴灑均勻度之間的關(guān)系。

國(guó)內(nèi)外近40年的研究都一致認(rèn)為卷盤(pán)式噴灌機(jī)噴頭車行走速度的均勻性、行走速度與噴頭旋轉(zhuǎn)扇形角及速度的匹配關(guān)系、噴頭車運(yùn)行穩(wěn)定性、噴頭進(jìn)口壓力的穩(wěn)定性、噴頭的姿態(tài)和地形等是影響噴灌均勻性指標(biāo)的關(guān)鍵因素。

3.2 能量損耗

OAKES等[37]對(duì)兩種卷盤(pán)式噴灌機(jī)動(dòng)力、PE管、噴頭等各組成部分的能耗貢獻(xiàn)率進(jìn)行了分析研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，噴頭工作所需要的能量約占60%，PE管流動(dòng)阻力損失約占20%，其他20%是卷盤(pán)式噴灌機(jī)內(nèi)部能量轉(zhuǎn)換的效率所致。

卷盤(pán)式噴灌機(jī)的各組成部分能量轉(zhuǎn)換效率和優(yōu)化匹配是影響整機(jī)能耗的關(guān)鍵因素。這些關(guān)鍵影響因素是國(guó)際上高性能卷盤(pán)式噴灌機(jī)的核心技術(shù)。

4 關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展

4.1 卷盤(pán)驅(qū)動(dòng)技術(shù)

卷盤(pán)是盤(pán)繞PE輸水管的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其驅(qū)動(dòng)方式有水力驅(qū)動(dòng)、液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)。早期的水力驅(qū)動(dòng)技術(shù)有旋轉(zhuǎn)噴嘴式、水渦輪式、水壓缸式和伸縮橡皮囊式等4種型式，現(xiàn)在大都使用水渦輪驅(qū)動(dòng)技術(shù)；液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)由柴油機(jī)液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力；電力驅(qū)動(dòng)由直流電機(jī)、交流電機(jī)或者步進(jìn)電機(jī)完成。

4.1.1水渦輪驅(qū)動(dòng)技術(shù)

噴灌機(jī)在噴灌作業(yè)時(shí)，灌溉壓力水輸入噴灌機(jī)后分流成兩路，其中，一路分流水沖擊水渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)，將水的能量轉(zhuǎn)換成機(jī)械能再通過(guò)變速箱減速來(lái)驅(qū)動(dòng)卷盤(pán)緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，并不斷回收PE管并整齊盤(pán)繞在卷盤(pán)上，PE管牽引噴頭車在田間平移進(jìn)行噴灌作業(yè)；另一路分流水由旁路通道與流經(jīng)水渦輪的水匯合后一道進(jìn)入PE管，并通過(guò)PE管將灌溉水輸送到噴頭車上使灌溉噴頭工作，如圖4所示。

圖4 水渦輪工作原理圖Fig.4 Working principle of water turbine1.水渦輪 2.變速箱 3.旁路閥 4.入機(jī)壓力水

4.1.1.1國(guó)外水渦輪發(fā)展歷程

國(guó)外早期的卷盤(pán)式噴灌機(jī)水渦輪有兩種結(jié)構(gòu)型式，一種是類似于沖擊式水輪機(jī)的水斗轉(zhuǎn)輪式水渦輪，另一種是用水泵反轉(zhuǎn)作水渦輪，當(dāng)時(shí)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)水泵反轉(zhuǎn)作水渦輪的水頭損失比沖擊式水渦輪大[7]，泵反轉(zhuǎn)作水渦輪在其他工業(yè)領(lǐng)域也有大量應(yīng)用，國(guó)外早有大量研究[38-51]，但研究發(fā)現(xiàn)，水泵反轉(zhuǎn)作透平時(shí)效率比水泵低，特別是低比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵作透平，普遍存在效率較低的問(wèn)題。早期德國(guó)PERROT公司的90/350、110/350水斗式水渦輪，轉(zhuǎn)輪直徑為500 mm，水斗數(shù)為26，水流切向進(jìn)入，沖擊完水斗后由切向流出[12]，這種結(jié)構(gòu)現(xiàn)在已不采用。后來(lái)被引進(jìn)國(guó)內(nèi)的還有意大利幾家公司產(chǎn)品，國(guó)外水渦輪結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)見(jiàn)表2。

意大利IDROFOGLIA公司的水渦輪結(jié)構(gòu)如圖5所示。這種水渦輪主要由噴嘴、轉(zhuǎn)輪、外殼和尾水管組成。輸入水的壓能通過(guò)噴嘴轉(zhuǎn)換為動(dòng)能切向沖擊轉(zhuǎn)輪的葉片旋轉(zhuǎn)做功，沖擊完成后，水流沿葉片流道流向尾水管，但水流與葉片發(fā)生作用的只有個(gè)別葉片。這種水渦輪實(shí)測(cè)最高效率為34%，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速為700 r/min，對(duì)應(yīng)流量為25 m3/h，達(dá)到200 W功率輸出時(shí)的最小流量約17.5 m3/h，此時(shí)效率為31.6%[5]。

4.1.1.2國(guó)內(nèi)水渦輪研究歷程

改革開(kāi)放后的30多年(1978—2007)，我國(guó)研究人員只是從國(guó)外產(chǎn)品樣本獲得對(duì)水渦輪壓差(水頭損失)的認(rèn)識(shí)，文獻(xiàn)[11-12]介紹了我國(guó)研究人員獲得的德國(guó)PERROT公司的Peromat機(jī)型的水斗式水渦輪空載下的流量-水頭損失和流量-轉(zhuǎn)速試驗(yàn)曲線，以及負(fù)載下的入機(jī)壓力與水渦輪水頭損失的關(guān)系曲線，發(fā)現(xiàn)水渦輪水頭損失約為入機(jī)壓力的14%、噴頭壓力的24%。王綜武[14]初步研究了水渦輪的流量-轉(zhuǎn)速和流量-功率特性。王綜武等[20]認(rèn)為造成國(guó)內(nèi)外水渦輪差距的主要影響因素是沒(méi)有形成系列和缺少性能試驗(yàn)裝置。李國(guó)民等[52]從理論上分析了水渦輪的進(jìn)出口角對(duì)水力效率的影響，但缺少對(duì)容積效率和機(jī)械效率等的分析，也未開(kāi)展試驗(yàn)驗(yàn)證。

表2國(guó)外典型水渦輪結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)
Tab.2Structureandcharacteristicsofforeigntypicalwaterturbines

圖5 典型水渦輪結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure diagram of typical water turbine 1.尾水管 2.半開(kāi)式轉(zhuǎn)輪 3.外殼 4.射流噴嘴

圖6 國(guó)產(chǎn)水渦輪Fig.6 Domestic water turbine1.上通道 2.葉片 3.下通道

從1980年至2007年的這一時(shí)期，我國(guó)研究人員對(duì)水渦輪的性能和要求的認(rèn)識(shí)還比較零碎，缺乏系統(tǒng)性研究，更沒(méi)有形成設(shè)計(jì)理論和試驗(yàn)方法。

近5年來(lái)，我國(guó)研究人員采用試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方法，對(duì)國(guó)產(chǎn)水渦輪進(jìn)行詳細(xì)的試驗(yàn)研究和內(nèi)部流動(dòng)分析。

圖6a所示為JP50型切擊式水渦輪，由國(guó)外進(jìn)口的噴嘴、轉(zhuǎn)輪和外殼組成，類似早期德國(guó)PERROT的水渦輪，只是轉(zhuǎn)輪的葉片由水斗簡(jiǎn)化為直板，輸入水流的壓能通過(guò)噴嘴轉(zhuǎn)換為動(dòng)能切向沖擊轉(zhuǎn)輪的葉片旋轉(zhuǎn)做功，沖擊完成后，水流切向流出，完成將動(dòng)能轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)輪軸上機(jī)械能的過(guò)程。

圖6b所示為JP75型斜擊式水渦輪，入口管道由上、下兩個(gè)通道組成，上下通道前設(shè)有一閥板來(lái)分配進(jìn)入上下通道的流量。下通道的水流經(jīng)一噴嘴結(jié)構(gòu)從側(cè)面沖擊轉(zhuǎn)輪的葉片旋轉(zhuǎn)做功，噴嘴的沖擊角與折疊式葉片呈一定角度，沖擊完成后，水流由葉片流出經(jīng)下通道與上通道流出的水流匯合后一起流出輸送給PE管和噴頭，完成將動(dòng)能轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)輪軸上機(jī)械能的過(guò)程。

為了掌握國(guó)產(chǎn)水渦輪的性能，文獻(xiàn)[53-56]建立了水渦輪試驗(yàn)裝置，對(duì)國(guó)產(chǎn)JP50型水渦輪開(kāi)展了性能試驗(yàn)，獲得了詳細(xì)的性能曲線，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，水渦輪的最高效率僅為 16.5%。通過(guò)對(duì)水渦輪內(nèi)部流場(chǎng)的CFD模擬分析，認(rèn)為葉片進(jìn)口沖角過(guò)大消耗了部分射流能量，以及水流由水渦輪進(jìn)口運(yùn)動(dòng)至出口的過(guò)程中出現(xiàn)旋渦區(qū)，消耗了大量的能量，是導(dǎo)致JP50型水渦輪效率較低的主要原因。為此，文獻(xiàn)[54]重新設(shè)計(jì)了一種徑流式轉(zhuǎn)輪，新轉(zhuǎn)輪的葉片改變成彎曲的葉形，水流的出口改為中心軸向出流，葉片的流道有利于水流順暢流動(dòng)，以減少流動(dòng)過(guò)程的損失。CFD分析預(yù)測(cè)的效率達(dá)到38%左右，但這個(gè)效率值沒(méi)有進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

文獻(xiàn)[57-58]對(duì)國(guó)產(chǎn)JP75型水渦輪進(jìn)行了性能試驗(yàn)，掌握了不同轉(zhuǎn)速下的性能特性，結(jié)果是水渦輪在15～40 m3/h流量范圍內(nèi)使用時(shí)，轉(zhuǎn)速范圍為150～450 r/min，效率范圍為10%～14%。并采用CFD對(duì)JP75型水渦輪內(nèi)部各部分進(jìn)行了模擬計(jì)算，能量轉(zhuǎn)換分析發(fā)現(xiàn)，大量壓力勢(shì)能在轉(zhuǎn)化為動(dòng)能之前，就被復(fù)雜的進(jìn)口結(jié)構(gòu)損失了很多，轉(zhuǎn)輪的出流因缺少導(dǎo)流結(jié)構(gòu)也造成很多損失。

近5年的研究，雖然開(kāi)始注重從試驗(yàn)和CFD 兩方面開(kāi)展研究，并掌握了國(guó)產(chǎn)水渦輪水力特性和造成效率低下的原因，也提出了改進(jìn)的結(jié)構(gòu)并進(jìn)行了性能預(yù)測(cè)和內(nèi)流分析，但只是單純地從效率的角度去研究，缺乏針對(duì)水渦輪設(shè)計(jì)點(diǎn)參數(shù)(流量、功率、水頭)及卷盤(pán)式噴灌機(jī)動(dòng)力要求等開(kāi)展性能分析，水渦輪設(shè)計(jì)方法仍未突破。

為進(jìn)一步提高意大利IDROFOGLIA水渦輪的效率，湯玲迪等[5,59]對(duì)這種結(jié)構(gòu)的水渦輪原型開(kāi)展了理論分析、數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究。實(shí)測(cè)國(guó)外原型水渦輪的最高效率為34%，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速為700 r/min，對(duì)應(yīng)流量為25 m3/h。并嘗試采用GA_BP優(yōu)化算法進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲得了進(jìn)一步優(yōu)化的轉(zhuǎn)輪模型，經(jīng)試驗(yàn)實(shí)測(cè)證明，優(yōu)化后水渦輪設(shè)計(jì)工況的效率提高了10.9個(gè)百分點(diǎn)，軸功率增加了49%。

黎耀軍等[60]也對(duì)國(guó)外的這種水渦輪原型進(jìn)行了數(shù)值分析和試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)[5,59]基本一致。通過(guò)正交試驗(yàn)，改進(jìn)了原來(lái)的圓形平口噴嘴為圓形斜口噴嘴和葉輪出口側(cè)傾斜角。模擬預(yù)測(cè)發(fā)現(xiàn)可以較大幅度減少射流段的損失和提高水力性能，改進(jìn)后的水渦輪輸出功率提高約15%，不同工況效率總體提高約15個(gè)百分點(diǎn)。但沒(méi)有看到對(duì)改進(jìn)后的水渦輪的試驗(yàn)驗(yàn)證。

卷盤(pán)式噴灌機(jī)所用水渦輪實(shí)際上就是水力機(jī)械領(lǐng)域的水力透平，其研究成果值得借鑒。楊孫圣[61]、王桃等[62-68]利用水泵蝸殼作引水室，設(shè)計(jì)了多種前彎形葉片的徑流式水力透平，并對(duì)葉片安放角、轉(zhuǎn)輪直徑、轉(zhuǎn)速影響等因素進(jìn)行了數(shù)值分析和試驗(yàn)，其結(jié)果是效率都比泵反轉(zhuǎn)作透平有大幅提高。但這些研究的水力透平比轉(zhuǎn)速都未低于40 m·kW。

綜上發(fā)現(xiàn)，水渦輪從早期射流沖擊式水斗水渦輪及泵反轉(zhuǎn)作水渦輪兩種結(jié)構(gòu)型式，發(fā)展成了現(xiàn)在射流沖擊式水渦輪和徑流式兩種結(jié)構(gòu)型式。近幾年來(lái)，對(duì)水渦輪的研究在研究方法上比早期已經(jīng)有了很大進(jìn)步，不僅建立了水力性能試驗(yàn)裝置，而且采用現(xiàn)代流體動(dòng)力學(xué)CFD開(kāi)展水渦輪內(nèi)部流動(dòng)及能量轉(zhuǎn)換機(jī)理的研究，從流動(dòng)規(guī)律出發(fā)，優(yōu)化水渦輪結(jié)構(gòu)。在設(shè)計(jì)方法上，不僅有采用傳統(tǒng)正交試驗(yàn)法，也有采用現(xiàn)代優(yōu)化算法的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使水渦輪效率進(jìn)一步提升。但是，文獻(xiàn)[54,56-58,60]對(duì)原模型進(jìn)行改進(jìn)后，只進(jìn)行了CFD性能預(yù)測(cè)，而缺少對(duì)改進(jìn)后的水渦輪進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證和動(dòng)力特性的討論。文獻(xiàn)[5]注意了研究的完整性，從討論卷盤(pán)負(fù)載特性到傳動(dòng)系統(tǒng)效率試驗(yàn)，提出了水渦輪軸功率的確定方法，分析和實(shí)測(cè)了水渦輪的水力和動(dòng)力特性。

4.1.2液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)技術(shù)

國(guó)外大型的卷盤(pán)式噴灌機(jī)基本上都采用柴油機(jī)為動(dòng)力來(lái)驅(qū)動(dòng)液壓泵，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液力輸出，其中一路液力帶動(dòng)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)卷盤(pán)回轉(zhuǎn)，液壓泵輸出的其他油路控制噴灌機(jī)底盤(pán)回轉(zhuǎn)和整機(jī)支撐系統(tǒng)，圖7所示為意大利CASELLA公司的柴油機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)。

圖7 CASELLA柴油機(jī)動(dòng)力的液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)技術(shù)Fig.7 Hydraulic pump-hydraulic motor drive technology of CASELLA diesel power1.減速箱 2.液壓馬達(dá) 3.底盤(pán)牙盤(pán) 4.傳動(dòng)鏈條

在國(guó)內(nèi)，嚴(yán)海軍等[69]利用小四輪拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)來(lái)帶動(dòng)卷盤(pán)噴灌機(jī)上的液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)卷盤(pán)回轉(zhuǎn)。

4.1.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)

由于水渦輪的效率受比轉(zhuǎn)速的限制，效率突破50%的難度較大，流道的水力損失會(huì)使噴灌機(jī)的入機(jī)壓力和供水泵的功率增大。而普通電機(jī)的效率一般可達(dá)到70%～80%。因此，國(guó)外除了采用水渦輪和液壓馬達(dá)作驅(qū)動(dòng)外，許多公司也采用電機(jī)作驅(qū)動(dòng)，如圖8a所示是意大利IRRIMEC公司采用異步電機(jī)作動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，電機(jī)采用逆變電源供電。

我國(guó)研究人員采用永磁無(wú)刷直流電機(jī)代替水渦輪作驅(qū)動(dòng)開(kāi)展了研究。永磁無(wú)刷直流電機(jī)不但可以用蓄電池供電還可以使用太陽(yáng)能供電，能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到80%以上。但由于電機(jī)轉(zhuǎn)速比水渦輪高，減速箱的傳動(dòng)比就必須加大，如果仍然采用與水渦輪配套的減速箱，在噴頭車低速行走時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速需要降得很低，使其效率急速下降，造成牽引力矩不足。為此，湯躍[70]注重動(dòng)力與傳動(dòng)的匹配性研究，研發(fā)成功了電機(jī)-減速箱一體化結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化了傳動(dòng)環(huán)節(jié)，如圖8b所示。

圖8 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)Fig.8 Motor drive system1.電機(jī) 2.傳動(dòng)鏈條 3.減速箱

減速箱采用直齒圓柱齒輪和蝸輪蝸桿混合傳動(dòng)的方案，基于電機(jī)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性和變速規(guī)律，建立了傳動(dòng)效率高、質(zhì)量輕及體積小的多目標(biāo)優(yōu)化模型及換擋策略，優(yōu)化了大傳動(dòng)比減速箱，使傳動(dòng)系統(tǒng)的效率提高了20%以上，體積減小了10%[71-72]。此后，趙進(jìn)等[73]又采用行星齒輪傳動(dòng)代替了直齒圓柱齒輪和蝸輪蝸桿混合傳動(dòng)，進(jìn)一步提高了減速箱的傳動(dòng)效率，降低了電機(jī)功率，使太陽(yáng)能板面積進(jìn)一步減小。

4.2 傳動(dòng)系統(tǒng)

卷盤(pán)式噴灌機(jī)是通過(guò)噴頭車在田間行走來(lái)達(dá)到灌溉的目的，灌水量靠行走速度來(lái)調(diào)節(jié)，噴頭車的最低行走速度為10 m/h左右，卷盤(pán)回轉(zhuǎn)牽引噴頭車的轉(zhuǎn)速極低，而動(dòng)力機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度相對(duì)較高，因此，在動(dòng)力與卷盤(pán)之間需要一套減速傳動(dòng)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4.2.1傳統(tǒng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

圖9 傳統(tǒng)傳動(dòng)系統(tǒng)Fig.9 Traditional transmission system1.大牙盤(pán) 2.水渦輪 3.傳動(dòng)鏈 4.膠帶傳動(dòng) 5.減速箱

湯玲迪等[74]發(fā)明了一種卷盤(pán)式噴灌機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)效率試驗(yàn)裝置，解決了大扭矩傳動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)難的問(wèn)題。張晨駿等[75]采用文獻(xiàn)[74]的試驗(yàn)裝置對(duì)圖9a所示JP75型的傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了效率試驗(yàn)，結(jié)果在最大負(fù)載下效率都不足50%，在常用負(fù)載下效率為40%左右。再加上國(guó)產(chǎn)水渦輪效率低的問(wèn)題突出，造成國(guó)產(chǎn)卷盤(pán)式噴灌機(jī)的動(dòng)力-傳動(dòng)系統(tǒng)的整體效率不足10%。蘇中偉[76]從工程設(shè)計(jì)的角度，討論了水渦輪軸功率和減速箱傳動(dòng)比的計(jì)算方法，但傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)效率取名義值計(jì)算，其可信度不高，文獻(xiàn)[5]中傳動(dòng)系統(tǒng)的試驗(yàn)結(jié)果足可證明此點(diǎn)。

4.2.2高效傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

國(guó)外卷盤(pán)式噴灌機(jī)經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展，傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了很大改進(jìn)。首先是重新設(shè)計(jì)了新的水渦輪結(jié)構(gòu)，效率比老式水渦輪提高了10多個(gè)百分點(diǎn)，并將水渦輪與減速箱直聯(lián)，減少了傳動(dòng)環(huán)節(jié)，其次是減速箱輸出牙輪與卷盤(pán)上大牙盤(pán)之間采用齒輪嚙合型式，傳動(dòng)效率有了很大提高，大牙盤(pán)有內(nèi)齒和外齒兩種型式，如圖10所示。試驗(yàn)表明，新型傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)效率比傳統(tǒng)傳動(dòng)系統(tǒng)提高10～20個(gè)百分點(diǎn)[5]。

圖10 高效傳動(dòng)系統(tǒng)Fig.10 Efficient transmission system1.內(nèi)嚙合大牙盤(pán) 2.外嚙合大牙盤(pán) 3.大牙盤(pán) 4.小齒輪 5.減速箱輸出軸 6.減速箱

綜合了驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)兩個(gè)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，文獻(xiàn)[70]在研究開(kāi)發(fā)電機(jī)做卷盤(pán)動(dòng)力時(shí)，注意了減速箱傳動(dòng)比的匹配性，從動(dòng)力-傳動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)考慮了能量的高效轉(zhuǎn)換。但水渦輪作卷盤(pán)驅(qū)動(dòng)和柴油機(jī)作卷盤(pán)動(dòng)力的系統(tǒng)運(yùn)行能效研究明顯不足。

4.3 速度感知與控制技術(shù)

4.3.1速度的影響因素

卷盤(pán)式噴灌機(jī)作業(yè)時(shí)，當(dāng)盤(pán)繞的PE管在卷盤(pán)上發(fā)生層間變化時(shí)，一方面，牽引噴頭車的線速度會(huì)隨PE管的盤(pán)繞半徑增加而加快，造成灌水量減少；另一方面，隨著PE管不斷被回收，卷盤(pán)的負(fù)載越來(lái)越小，卷盤(pán)的角速度隨之變快，也會(huì)造成灌水量減少[5-6,14,69]。COATES等[77]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，水渦輪驅(qū)動(dòng)的卷盤(pán)式噴灌機(jī)，在沒(méi)有速度控制時(shí)，噴頭車移動(dòng)速度差為47%，當(dāng)供給壓力恒定時(shí)，機(jī)械控制器的行走速度變化系數(shù)為19%，電子控制器的行走速度變化系數(shù)為5%左右。

4.3.2水渦輪驅(qū)動(dòng)的速度控制技術(shù)

原語(yǔ)翻譯生態(tài)環(huán)境，廣義上是指包括原語(yǔ)文本在內(nèi)的原語(yǔ)語(yǔ)言、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、文化等宏觀環(huán)境；狹義上是指原語(yǔ)文本的語(yǔ)言特點(diǎn)和文化特征。本文僅對(duì)狹義上的原語(yǔ)翻譯生態(tài)環(huán)境進(jìn)行分析，即寒山詩(shī)文本的白話文語(yǔ)言特點(diǎn)及其反映出的中國(guó)佛、道文化。

水渦輪驅(qū)動(dòng)的速度感知與控制裝置分機(jī)械式和電控式兩種。機(jī)械式是通過(guò)盤(pán)繞在卷盤(pán)上的PE管壓桿感知盤(pán)繞層的變化，進(jìn)而牽動(dòng)拉桿機(jī)構(gòu)來(lái)調(diào)節(jié)水渦輪旁路閥的開(kāi)度，以減少進(jìn)入水渦輪的流量，使水渦輪轉(zhuǎn)速降低來(lái)達(dá)到控制牽引噴頭車的PE管的線速度，線速度可由顯示器顯示，如圖11所示。

圖11 機(jī)械式速度控制裝置Fig.11 Mechanical speed control device1.PE管壓桿 2.卷盤(pán) 3.拉桿 4.曲柄拉桿 5.水渦輪旁路閥桿 6.水渦輪

電控式速度感知與控制是將水渦輪旁路閥加上電動(dòng)頭，通過(guò)由速度傳感器、控制器和電動(dòng)頭組成的速度反饋控制系統(tǒng)控制進(jìn)入水渦輪的流量來(lái)降低轉(zhuǎn)速，達(dá)到控制牽引噴頭車PE管的線速度。目前，國(guó)外的速度傳感器有角速度和線速度兩種。角速度傳感器由安裝在減速箱軸上的具有磁鋼的測(cè)速盤(pán)和霍爾感應(yīng)頭組成，線速度傳感器由壓在PE管上線速度測(cè)速輥和霍爾感應(yīng)頭組成，如圖12所示。

圖12 速度控制系統(tǒng)Fig.12 Speed control system1.減速箱 2.測(cè)速盤(pán) 3.感應(yīng)頭 4.PE管 5.測(cè)速輥 6.液壓馬達(dá) 7.液壓閥 8.電動(dòng)頭

4.3.3液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的速度控制技術(shù)

國(guó)外液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的速度控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)是采用電動(dòng)頭通過(guò)液壓閥控制與減速箱直聯(lián)的液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速來(lái)達(dá)到調(diào)節(jié)卷盤(pán)回轉(zhuǎn)的速度，實(shí)現(xiàn)控制牽引噴頭車PE管的線速度，如圖12c所示。

4.3.4電驅(qū)動(dòng)的速度控制技術(shù)

文獻(xiàn)[70]在研發(fā)光伏電驅(qū)動(dòng)卷盤(pán)式噴灌機(jī)時(shí)，構(gòu)建了通過(guò)由速度傳感器、控制器和直流電機(jī)組成的速度反饋控制系統(tǒng)來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速以達(dá)到調(diào)節(jié)卷盤(pán)回轉(zhuǎn)的速度及PE管的線速度的目的，控制誤差5%，地面灌溉均勻性達(dá)到90%左右。在此基礎(chǔ)上，吳晨[78]針對(duì)現(xiàn)有電驅(qū)動(dòng)卷盤(pán)噴灌機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)作業(yè)信息無(wú)線物聯(lián)和控制的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于手機(jī)APP的卷盤(pán)式噴灌機(jī)無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)，手機(jī)客戶端可以遠(yuǎn)程監(jiān)控卷盤(pán)噴灌機(jī)的運(yùn)行剩余時(shí)間、PE管長(zhǎng)度、電機(jī)轉(zhuǎn)速、卷盤(pán)轉(zhuǎn)速和PE管回收速度等作業(yè)信息。

此外，王昌偉等[79]還設(shè)計(jì)了一種基于DSP和ARM的人機(jī)交互絞盤(pán)式太陽(yáng)能噴灌機(jī)智能控制系統(tǒng)；張會(huì)娟等[80]設(shè)計(jì)了一種采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)卷盤(pán)回轉(zhuǎn)和控制卷盤(pán)轉(zhuǎn)速及噴頭車移動(dòng)速度的控制系統(tǒng)。還有一些企業(yè)自行研發(fā)了電驅(qū)動(dòng)卷盤(pán)式噴灌機(jī)及速度控制器。

國(guó)外的速度控制技術(shù)在30多年前就實(shí)現(xiàn)了電子化，速度誤差在5%左右。而國(guó)內(nèi)直到近5年才開(kāi)始研究和開(kāi)發(fā)，市場(chǎng)上大部分卷盤(pán)式噴灌機(jī)還是機(jī)械式速度控制技術(shù)，速度誤差大，影響噴灌均勻性的提高。

4.4 PE管材質(zhì)與水力特性

為卷盤(pán)式噴灌機(jī)的噴頭車供水的管道是一種聚乙烯PE管，噴灌作業(yè)開(kāi)始前，需要用拖拉機(jī)等牽引設(shè)備將噴頭車?yán)教飰K地頭，PE管呈近似直管的伸展?fàn)顟B(tài)，開(kāi)始灌溉時(shí)，隨著卷盤(pán)回卷，PE管一邊牽引噴頭車移動(dòng)噴灑，一邊被逐漸盤(pán)繞在卷盤(pán)上，噴灌結(jié)束時(shí)，PE管呈螺旋盤(pán)繞狀態(tài)。PE管不僅承受彎曲、拉伸應(yīng)力的作用，而且還受到地面摩擦的作用。因此，要求卷盤(pán)式噴灌機(jī)上的PE管具有耐壓、耐磨、耐拉、耐環(huán)境應(yīng)力開(kāi)裂和水力損失低等機(jī)械特性和水力特性。

4.4.1PE管材質(zhì)

聚乙烯PE管有高、中、低不同密度的原料，高密度PE具有強(qiáng)度高、剛性好的機(jī)械特性，而低密度PE具有強(qiáng)度低、柔軟性好的機(jī)械特性。郝金東[8]介紹了國(guó)外20世紀(jì)70年代就使用中密度PE管(德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)為HDPE2型)。ROCHESTER等[81]在分析PE管壓力損失時(shí)使用的是一種牌號(hào)為PE2406的中密度原料。文獻(xiàn)[7]根據(jù)德國(guó)3種不同密度PE管的對(duì)比數(shù)據(jù)，說(shuō)明中密度PE管的拉伸強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度遠(yuǎn)高于高密度或低密度PE管，因此，認(rèn)為高密度或低密度PE管均不能滿足使用要求，而應(yīng)該使用中密度PE管。文獻(xiàn)[11]分析了德國(guó)PERROT公司的PE管化學(xué)成分為低密度PE、碳黑和穩(wěn)定劑。包大凱等[82]以GM5010高密度PE樹(shù)脂為主要原料，并添加聚異丁烯、低密度PE、EVA、抗氧劑、潤(rùn)滑劑和碳黑作為改性劑進(jìn)行了大量試驗(yàn)，獲得了耐環(huán)境應(yīng)力開(kāi)裂的PE管配方，經(jīng)測(cè)試，機(jī)械性能達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品水平。

雖然我國(guó)在20世紀(jì)80年代就基本解決了PE管的材質(zhì)問(wèn)題，但其技術(shù)卻隨著我國(guó)企業(yè)體制的變化而流失，現(xiàn)在幾乎找不到提供卷盤(pán)式噴灌機(jī)使用的特質(zhì)PE管的生產(chǎn)企業(yè)，大多數(shù)卷盤(pán)式噴灌機(jī)制造企業(yè)只好采用高密度PE盤(pán)管，為防磨損采用壁較厚的PE管，導(dǎo)致PE輸水管的使用壽命偏短和水力損失偏大，另外，由于高密度PE管偏硬還易發(fā)生亂管和線速度檢測(cè)不準(zhǔn)等問(wèn)題。

PE管壁偏厚也是我國(guó)卷盤(pán)式噴灌機(jī)能耗高的主要因素之一，國(guó)內(nèi)外PE管的壁厚見(jiàn)表3。

表3 國(guó)內(nèi)外PE管壁厚(以外徑75 mm的PE管為例)Tab.3 Wall thickness of PE pipe (taking PE pipe with 75 mm outer diameter as example)

4.4.2PE輸水管水力特性

卷盤(pán)式噴灌機(jī)PE 輸水管的水力特性受工作狀態(tài)影響呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化的特點(diǎn)，隨著PE管逐漸被盤(pán)繞到卷盤(pán)上，其流動(dòng)阻力也逐漸增大，流動(dòng)阻力是平鋪近似直管與螺旋盤(pán)管的疊加。當(dāng)彎曲管形成螺旋盤(pán)管時(shí)，其阻力損失的機(jī)理非常復(fù)雜，既不同于直管的沿程損失，也不同于彎頭的局部損失，自1928年DEAN建立二次流理論以來(lái)，國(guó)外許多研究人員以不同曲率、不同撓率、不同雷諾數(shù)或Dean數(shù)對(duì)摩擦因數(shù)的影響進(jìn)行了長(zhǎng)期深入研究，形成了多種不同流態(tài)條件的計(jì)算公式，開(kāi)展了長(zhǎng)期的學(xué)術(shù)交流和爭(zhēng)論[12,83-90]。

較早直接針對(duì)卷盤(pán)式噴灌機(jī)PE螺旋盤(pán)管流動(dòng)損失研究的是文獻(xiàn)[81]，試驗(yàn)測(cè)試了某一種規(guī)格的PE管在不同速度水頭下完全展開(kāi)和完全盤(pán)卷狀態(tài)的壓力損失，線性回歸得到了單位長(zhǎng)度壓力損失與速度水頭的系數(shù)。在國(guó)內(nèi)，張敏等[91]用達(dá)西公式與局部損失公式之和代表盤(pán)管的損失，推導(dǎo)了一個(gè)對(duì)數(shù)線性方程，并以1圈PE盤(pán)管進(jìn)行試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證所建方程。但文獻(xiàn)[81,91]都未討論不同圈數(shù)對(duì)摩擦因數(shù)的影響。湯玲迪等[92-96]采用數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)PE盤(pán)管進(jìn)行了內(nèi)部流動(dòng)分析，掌握了其內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律，通過(guò)對(duì)8種r/R比值的PE管的模擬試驗(yàn)，建立了一種單位長(zhǎng)度摩擦因數(shù)計(jì)算模型，在對(duì)不同圈數(shù)的模擬試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)摩擦因數(shù)隨著圈數(shù)的改變而產(chǎn)生線性變化，需要根據(jù)PE盤(pán)管的變化而調(diào)整，并對(duì)4種典型PE管進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證[96]。

由于螺旋盤(pán)管結(jié)構(gòu)及內(nèi)部流動(dòng)的復(fù)雜性和卷盤(pán)式噴灌機(jī)PE管盤(pán)繞的動(dòng)態(tài)特征，其流動(dòng)阻力的研究和試驗(yàn)還有待進(jìn)一步深入。

4.5 噴頭車技術(shù)

噴頭車是卷盤(pán)式噴灌機(jī)在田間移動(dòng)噴灑的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性和對(duì)地形的適應(yīng)性也是影響噴灌質(zhì)量的關(guān)鍵，在噴頭車的穩(wěn)定性研究方面，范永申等[97]采用理論分析的方法分析了桁架式噴頭車在縱橫向坡度上作業(yè)時(shí)影響其穩(wěn)定性的因素，并給出了其穩(wěn)定性與各影響因素之間的關(guān)系。湯躍等[98]采用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)桁架式噴灑車的縱向、橫向抗傾覆性以及爬坡能力等穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真分析和試驗(yàn)，并對(duì)影響爬坡和傾覆性能較大的地面粘附系數(shù)、質(zhì)心高度、輪距等關(guān)鍵因素進(jìn)行優(yōu)化，使臨界爬坡角比原來(lái)提高了21.48%。趙進(jìn)等[99]對(duì)單噴頭車的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及受力、穩(wěn)定平衡條件、坡度穩(wěn)定性和重心位置進(jìn)行了理論分析，并以噴頭車不發(fā)生翻傾的臨界坡度角為目標(biāo)建立了優(yōu)化函數(shù)，優(yōu)化后的最大不翻傾臨界坡度角提高了39.5%。

噴頭車主要以單噴頭配置為主，但由于存在單噴頭所需工作壓力高、消耗的能量大以及噴灌強(qiáng)度大等問(wèn)題，噴頭車的配置又出現(xiàn)了桁架式雙噴頭和多噴頭配置，多噴頭的工作流量和壓力明顯小于單噴頭，可以達(dá)到節(jié)能、降低噴灌強(qiáng)度、提高霧化和均勻性水平的目的。

5 今后研究重點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì)分析

基于綠色發(fā)展理念和農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展需要，綠色低能耗、多功能、智能化和精準(zhǔn)灌水將成為卷盤(pán)式噴灌機(jī)的4個(gè)研究方向和發(fā)展趨勢(shì)。

5.1 研究重點(diǎn)

(1)完善PE盤(pán)繞輸水管流動(dòng)阻力計(jì)算與驗(yàn)證試驗(yàn)方法，研究PE盤(pán)管單位長(zhǎng)度摩擦因數(shù)與盤(pán)繞圈數(shù)的關(guān)系，克服依靠單圈推導(dǎo)和試驗(yàn)得出的公式在多圈動(dòng)態(tài)盤(pán)繞狀態(tài)下所帶來(lái)的誤差和局限性。

建立卷盤(pán)式噴灌機(jī)PE管滑動(dòng)摩擦因數(shù)試驗(yàn)方法，研究不同土壤土質(zhì)條件下滑動(dòng)摩擦因數(shù)與阻力的關(guān)系，克服現(xiàn)有技術(shù)采用假設(shè)滑動(dòng)摩擦因數(shù)分析卷盤(pán)負(fù)載時(shí)取值偏大，造成驅(qū)動(dòng)動(dòng)力配套大、負(fù)載率低和運(yùn)行效率降低的問(wèn)題。

研究和試驗(yàn)適合卷盤(pán)式噴灌機(jī)使用的不同規(guī)格PE管特質(zhì)材料和配方，降低PE管的壁厚，減少水力損失，提高使用壽命。

(2)研究高轉(zhuǎn)速?gòu)搅魇剿疁u輪的蝸殼和轉(zhuǎn)輪水力參數(shù)對(duì)性能的影響及適合高轉(zhuǎn)速運(yùn)行的耐磨材料，揭示蝸殼引水室、轉(zhuǎn)輪內(nèi)部和出水管內(nèi)渦旋的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)、能量轉(zhuǎn)換機(jī)理，突破現(xiàn)有低速水渦輪效率難以提高的瓶頸問(wèn)題。

建立基于先進(jìn)算法的水渦輪優(yōu)化、快速設(shè)計(jì)和多工況設(shè)計(jì)方法，研究卷盤(pán)式噴灌機(jī)的系列水渦輪及型譜。

研究水渦輪不同旁路分流結(jié)構(gòu)的內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和對(duì)水渦輪進(jìn)口流態(tài)的擾動(dòng)影響。

研究和完善低速水渦輪不同進(jìn)口結(jié)構(gòu)和徑流式轉(zhuǎn)輪幾何參數(shù)對(duì)性能的影響，進(jìn)一步挖掘效率空間，淘汰現(xiàn)有斜擊式水渦輪。

(3)研發(fā)適合高速驅(qū)動(dòng)動(dòng)力的大傳動(dòng)比行星齒輪減速箱以及換擋和脫擋機(jī)構(gòu)，構(gòu)建卷盤(pán)不同驅(qū)動(dòng)方式的動(dòng)力特性與負(fù)載、減速箱優(yōu)化匹配的多目標(biāo)優(yōu)化模型，研究不同行走速度及負(fù)載工況下動(dòng)力及傳動(dòng)系統(tǒng)高效運(yùn)行的減速箱擋位數(shù)和換擋策略，解決高速驅(qū)動(dòng)動(dòng)力與大傳動(dòng)比減速箱的匹配不當(dāng)所造成的傳動(dòng)運(yùn)行效率低的難題。

(4)研究單噴頭變轉(zhuǎn)速控制裝置及其控制規(guī)律對(duì)灌水分布圖形的影響，揭示扁平化灌水分布圖形對(duì)提高卷盤(pán)式噴灌機(jī)疊加組合噴灌作業(yè)的灌水均勻性和節(jié)水節(jié)能的機(jī)理，解決普通恒定轉(zhuǎn)速噴頭的半圓形灌水分布圖形難以提高組合噴灌作業(yè)間距的難題。

深入研究和提高噴頭車行走噴灑均勻性計(jì)算方法及其實(shí)用性。

研究桁架式噴頭車末端低壓噴頭的型式和灌水分布圖形對(duì)灌水均勻性的影響。

(5)研發(fā)智能速度控制器。分析卷盤(pán)式噴灌機(jī)噴頭車行走速度的均勻性對(duì)灌水均勻性的影響程度，確定合理的行走速度控制偏差帶，研究基于先進(jìn)算法的控制率對(duì)速度反饋系統(tǒng)的模型參數(shù)、瞬態(tài)特性和穩(wěn)定性的影響。

建立噴頭車行走速度決策模型與方法，研究和掌握耗水模型與灌水量、灌水制度和不同區(qū)域噴灌水分利用效率之間的規(guī)律，為智能速度控制器的速度決策模型提供依據(jù)。

分析PE盤(pán)管回收時(shí)的流動(dòng)阻力對(duì)供水量、噴頭工作壓力和噴灌均勻性的影響，研究噴頭工作壓力補(bǔ)償規(guī)律和方法。

5.2 發(fā)展趨勢(shì)

(1)水肥一體化功能是近年來(lái)灌溉裝備的研究熱點(diǎn)和發(fā)展方向之一。

由于輸水管內(nèi)部工作壓力較高，所以，在卷盤(pán)式噴灌機(jī)上增加水肥一體化功能時(shí)，需要在頭部水肥裝置上采用吸肥和注肥兩種方法才能有效將肥液與灌溉水混合。

吸肥方法是在卷盤(pán)式噴灌機(jī)入水口配置比例施肥器將液體肥按一定比例抽吸進(jìn)管路，與灌溉水混合噴灑到田間。這個(gè)方案的關(guān)鍵是比例施肥器的比例精度對(duì)混合濃度的影響。

注肥方法是將輸入卷盤(pán)式噴灌機(jī)的灌溉水分流進(jìn)入一個(gè)可添加可溶性顆粒肥的容器中，經(jīng)溶解混合后，由計(jì)量泵按比例注入卷盤(pán)式噴灌機(jī)管路，與灌溉水混合后噴灑到田間。但采用這種方案，由于受容器的容積局限，不能一次溶解全部所需肥液的量，需要在中途添加顆粒肥料。因此，添加的量和速度對(duì)溶解混合濃度的均勻性還是目前國(guó)內(nèi)沒(méi)有解決的難題，關(guān)鍵是濃度的感知技術(shù)有待傳感器結(jié)構(gòu)和原理的創(chuàng)新。

(2)基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的智慧灌溉是一個(gè)多學(xué)科融合才能實(shí)現(xiàn)的現(xiàn)代化灌溉裝備體系，也是卷盤(pán)式噴灌機(jī)必然的發(fā)展方向。

由于卷盤(pán)式噴灌機(jī)在使用前需要根據(jù)灌水量來(lái)設(shè)置噴頭車的行走速度，傳統(tǒng)上是靠農(nóng)民的經(jīng)驗(yàn)來(lái)估算灌水量，再通過(guò)灌水量與噴頭車行走速度關(guān)系表來(lái)設(shè)定行走速度。而智能化可根據(jù)田間作物耗水信息及模型自動(dòng)決策灌水量和噴灌車行走速度，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉和智能控制的目的，使農(nóng)民真正可以“傻瓜”使用卷盤(pán)式噴灌機(jī)。

為此，提出卷盤(pán)式噴灌機(jī)智慧灌溉體系架構(gòu)，如圖13所示。

圖13 基于物聯(lián)網(wǎng)的卷盤(pán)式噴灌機(jī)智慧灌溉架構(gòu)Fig.13 Intelligent irrigation architecture for hose reel irrigator based on Internet of things

該架構(gòu)需要研發(fā)具有與互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)通信的卷盤(pán)式噴灌機(jī)的智能速度控制器、水泵運(yùn)行管理控制器，建設(shè)農(nóng)田作物耗水信息采集系統(tǒng)和多學(xué)科共享的集控中心(服務(wù)器)。

農(nóng)田作物耗水信息的采集需要建設(shè)氣象站和土壤墑情檢測(cè)點(diǎn)，或者采用無(wú)人機(jī)、衛(wèi)星遙感等監(jiān)測(cè)技術(shù)手段。數(shù)據(jù)經(jīng)預(yù)處理后通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)上傳至專門(mén)的服務(wù)器。包括作物耗水規(guī)律和模型的研究，以及灌水的分析決策及其信息的發(fā)布等研究?jī)?nèi)容。

水泵運(yùn)行管理控制器應(yīng)具有與手機(jī)支付平臺(tái)互聯(lián)通信功能，負(fù)責(zé)給卷盤(pán)式噴灌機(jī)提供灌溉水，其中啟停、運(yùn)行、故障和水電費(fèi)支付等信息由控制器和傳感器完成。其研究?jī)?nèi)容主要是研究掌握水泵供水壓力與卷盤(pán)式噴灌機(jī)噴頭恒定工作壓力的關(guān)系，解決現(xiàn)有入機(jī)壓力恒定技術(shù)不能保證噴灌的均勻性問(wèn)題。

卷盤(pán)式噴灌機(jī)的智能速度控制器應(yīng)具備與手機(jī)APP、水泵運(yùn)行管理控制器互聯(lián)互通功能，手機(jī)APP是智能速度控制器的控制與信息界面，可以通過(guò)其獲取灌水提醒的信息，了解經(jīng)過(guò)專家系統(tǒng)處理的灌溉地圖，也可以隨時(shí)獲取卷盤(pán)式噴灌機(jī)作業(yè)數(shù)據(jù)，掌握運(yùn)行工作狀態(tài)。研發(fā)內(nèi)容主要是互聯(lián)互通的協(xié)議和通信等技術(shù)問(wèn)題。

服務(wù)器是數(shù)據(jù)處理和決策平臺(tái)，是整個(gè)架構(gòu)的中樞。負(fù)責(zé)處理來(lái)自農(nóng)田作物的耗水信息并發(fā)布灌水決策信息，多學(xué)科的各種專家模型在平臺(tái)匯集和共享。主要涉及大數(shù)據(jù)后處理和專家?guī)斓某绦蚧?、自學(xué)習(xí)和決策的人工智能研究?jī)?nèi)容。