王昱森 WANG Yu-sen；吳孫陽(yáng) WU Sun-yang；董玉嬋 DONG Yu-chan；楊彥 YANG Yan

（①江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通工程學(xué)院，徐州221116；②中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，徐州221116；③江蘇華源節(jié)水股份有限公司，徐州221150）

0 引言

我國(guó)是世界上淡水資源最為缺乏的國(guó)家之一，用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的水資源不但非常短缺，而且浪費(fèi)嚴(yán)重。利用卷盤(pán)式噴灌機(jī)對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行噴灌，可大大提高水資源的利用率，是解決農(nóng)業(yè)用水浪費(fèi)的有效途[1]。然而在推廣使用過(guò)程中，傳統(tǒng)卷盤(pán)式噴灌機(jī)存在能耗高、噴灌不均勻等特點(diǎn)，一定程度上限制了噴灌機(jī)在我國(guó)的發(fā)[2]。本文通過(guò)分析產(chǎn)生以上問(wèn)題的原因，提出了卷盤(pán)式噴灌機(jī)的電氣化改造方案，即利用步進(jìn)電機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的水渦輪驅(qū)動(dòng)，不僅能夠提高能量利用率，而且便于控制噴灌速度。同時(shí)，本文還給出了步進(jìn)電機(jī)的選型過(guò)程。

1 傳統(tǒng)的卷盤(pán)式噴灌機(jī)

傳統(tǒng)的卷盤(pán)式噴灌機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由噴頭車(chē)、卷盤(pán)、PE管、水渦輪和減速箱等組成[3]。

圖1 傳統(tǒng)的卷盤(pán)式噴灌機(jī)結(jié)構(gòu)圖

各主要部件的功能如下：

①水渦輪。水渦輪是卷盤(pán)式噴灌機(jī)的能量轉(zhuǎn)換裝置，水泵通過(guò)供水管將壓力水供入水渦輪，驅(qū)動(dòng)水渦輪旋轉(zhuǎn)，為卷盤(pán)式噴灌機(jī)的工作提供動(dòng)力。

②減速箱。減速箱的主要作用是減速增扭，降低水渦輪傳遞到卷盤(pán)的轉(zhuǎn)速，同時(shí)增大卷盤(pán)的扭矩，以滿(mǎn)足卷盤(pán)式噴灌機(jī)噴頭車(chē)行駛速度和牽引力的要求。此外，減速箱還可實(shí)現(xiàn)卷盤(pán)式噴灌機(jī)的脫擋與調(diào)速。

③卷盤(pán)。卷盤(pán)是存放和卷繞PE管的裝置。水渦輪通過(guò)變速箱驅(qū)動(dòng)卷盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)PE管排列并纏繞在卷盤(pán)上，從而牽引噴頭車(chē)回收。因此，卷盤(pán)的結(jié)構(gòu)尺寸和轉(zhuǎn)動(dòng)速度對(duì)噴頭車(chē)的行駛和噴灌效果具有決定性的影響。

④PE管。PE管是卷盤(pán)式噴灌機(jī)的輸水管道，連接在噴灌機(jī)主機(jī)和噴頭車(chē)之間，在卷盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)作用下?tīng)恳龂婎^車(chē)回收。PE管的主要材料是聚乙烯，具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、抗沖擊、耐磨損等優(yōu)點(diǎn)，能夠適用于各種土壤和環(huán)境下的農(nóng)田。

⑤噴頭車(chē)。噴頭車(chē)是噴頭的支撐機(jī)構(gòu)，車(chē)輪為輪胎式，通過(guò)PE管與噴灌機(jī)主機(jī)相連，在回收時(shí)朝卷盤(pán)方向移動(dòng)。

卷盤(pán)式噴灌機(jī)的工作原理如下：

卷盤(pán)式噴灌機(jī)在作業(yè)前，噴頭車(chē)首先被牽引車(chē)（拖拉機(jī)）牽引至噴灌起始位置，帶動(dòng)PE管從卷盤(pán)上脫離。此時(shí)，卷盤(pán)底架保持固定不動(dòng)。噴灌機(jī)在工作時(shí)，首先開(kāi)啟水泵產(chǎn)生壓力水，壓力水由供水管進(jìn)入水渦輪，通過(guò)沖擊水渦輪的葉片使其旋轉(zhuǎn)。水渦輪的旋轉(zhuǎn)經(jīng)減速箱減速后驅(qū)動(dòng)卷盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)PE管回收。同時(shí)，噴頭車(chē)在PE管的牽引下，一邊向卷盤(pán)回駛，一邊通過(guò)噴頭將水噴灑在田間，直到PE管完全卷繞在卷盤(pán)上。

由卷盤(pán)式噴灌機(jī)的工作過(guò)程可以看出，水渦輪完成將壓力水的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成自身機(jī)械能的任務(wù)，是噴灌機(jī)的核心部件。然而，由于壓力水在進(jìn)入水渦輪時(shí)會(huì)消耗部分水的能量，導(dǎo)致水渦輪的能量轉(zhuǎn)化效率較低（一般不超過(guò)50%），使得噴灌機(jī)具有能耗高、效率低的缺點(diǎn)[4]。此外，噴頭車(chē)行駛速度的調(diào)節(jié)由連桿機(jī)構(gòu)改變水渦輪隔舌的開(kāi)啟度實(shí)現(xiàn)，這種方法的調(diào)速范圍小，精度較低。同時(shí)，PE管在卷盤(pán)上的卷繞層數(shù)隨著回收距離的改變而變化，導(dǎo)致噴頭車(chē)的行駛速度不均勻，最終影響卷盤(pán)式噴灌機(jī)的灌水均勻性[5]。

2 電氣化改造的卷盤(pán)式噴灌機(jī)

通過(guò)以上分析可知，當(dāng)前的卷盤(pán)式噴灌機(jī)能耗高、工作效率低、灌水均勻性差等缺點(diǎn)均與水渦輪有關(guān)。為了解決以上問(wèn)題，本文對(duì)卷盤(pán)式噴灌機(jī)進(jìn)行了電氣化改造，在傳動(dòng)系統(tǒng)上摒棄了純機(jī)械式的水渦輪，采用易于控制的步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。與水渦輪相比，步進(jìn)電機(jī)的效率優(yōu)勢(shì)明顯，從而解決了噴灌機(jī)能量轉(zhuǎn)化效率低的問(wèn)題；由于步進(jìn)電機(jī)的性能穩(wěn)定，控制算法成熟，控制精度高，可實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速，能夠通過(guò)編程的方法根據(jù)PE管在卷盤(pán)上的卷繞情況改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制噴頭車(chē)的回收速度，從而解決了由噴頭車(chē)行走速度不均勻引起的灌水均勻度差的問(wèn)題。電氣化改造后的卷盤(pán)式噴灌機(jī)如圖2所示。

圖2 電氣化改造的卷盤(pán)式噴灌機(jī)結(jié)構(gòu)圖

由圖2可以看出，步進(jìn)電機(jī)取代了水渦輪，成為驅(qū)動(dòng)卷盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力裝置。采用步進(jìn)電機(jī)直連減速箱的方式，減小了傳動(dòng)環(huán)節(jié)，提高了傳動(dòng)效率。為了便于對(duì)比傳統(tǒng)卷盤(pán)式噴灌機(jī)和電氣化改造后的卷盤(pán)式噴灌機(jī)在傳動(dòng)系統(tǒng)上的區(qū)別，本文將兩種類(lèi)型的卷盤(pán)式噴灌機(jī)傳動(dòng)路線(xiàn)以流程圖形式表現(xiàn)如圖3所示。

圖3 傳動(dòng)路線(xiàn)對(duì)比

3 電機(jī)選型

步進(jìn)電機(jī)是卷盤(pán)式噴灌機(jī)電氣化改造的關(guān)鍵部件，其性能參數(shù)應(yīng)滿(mǎn)足噴灌機(jī)的使用要求，因此，需要對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行選型設(shè)計(jì)。為了詳細(xì)描述選型過(guò)程，本文以國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的JP-75型卷盤(pán)式噴灌機(jī)為例進(jìn)行說(shuō)明。

3.1 噴頭車(chē)的行走阻力

噴頭車(chē)的行走阻力由下式計(jì)算得到：

其中，m1為噴頭車(chē)的質(zhì)量，取m1=150kg；g為重力加速度，取g=9.8m/s2；f1為噴頭車(chē)車(chē)輪與地面的滾動(dòng)摩擦系數(shù)[6]，取f1=0.2；α為噴頭車(chē)作業(yè)時(shí)地面的坡度，按20%計(jì)算升角，則α=11.31°。于是，

3.2 PE管的拖行阻力

PE管為聚乙烯制環(huán)狀圓管，密度為0.96g/cm3。JP-75型卷盤(pán)式噴灌機(jī)PE管的外徑為75毫米，取其壁厚為5.6毫米、長(zhǎng)度為300米，則PE管的質(zhì)量為

PE管裝滿(mǎn)水后，水的質(zhì)量為

其中，ρ2為水的密度，取ρ2=1g/cm3。

那么，在噴灌機(jī)工作時(shí)，PE管的最大拖行阻力為

其中，f2為PE管與地面的滑動(dòng)摩擦系數(shù)，取f2=0.5。

3.3 卷盤(pán)的受力分析

由以上分析可得，卷盤(pán)的最大牽引力為

則卷盤(pán)的牽引力矩為

其中，R為卷筒半徑，取R=625mm，則

研究表明，卷盤(pán)的牽引力矩隨PE管回收長(zhǎng)度的增加而減小，因此PE管開(kāi)始回收的時(shí)刻，卷盤(pán)的牽引力矩最大[7]。此時(shí)，卷盤(pán)轉(zhuǎn)速與噴頭車(chē)行駛速度的關(guān)系為

其中，D1為PE管的外徑75毫米，D為卷筒直徑1250毫米。由土壤需水量確定噴頭車(chē)行駛速度v，再結(jié)合式（7）可估算卷盤(pán)轉(zhuǎn)速0.3r/min。因此，卷盤(pán)功率為

由以上分析可知，電氣化改造的卷盤(pán)式噴灌機(jī)最大功率為0.14kW。考慮到噴灌機(jī)作業(yè)環(huán)境的多樣性以及運(yùn)行可靠性，選取安全系數(shù)為5，從而步進(jìn)電機(jī)的最大功率為700W。結(jié)合噴頭車(chē)行駛速度和減速箱傳動(dòng)比，步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)可以選擇為130BYGH350D，其詳細(xì)參數(shù)如表1所示。

表1 步進(jìn)電機(jī)參數(shù)

圖4 智能農(nóng)田現(xiàn)場(chǎng)信息采集系統(tǒng)原理框圖

圖5 現(xiàn)場(chǎng)與遠(yuǎn)程子系統(tǒng)交互流程

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)卷盤(pán)式噴灌機(jī)進(jìn)行電氣化改造，利用步進(jìn)電機(jī)代替水渦輪對(duì)卷盤(pán)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，解決了噴灌機(jī)能耗高、工作效率低、噴灌不均勻等問(wèn)題；對(duì)噴灌機(jī)的作業(yè)功率進(jìn)行計(jì)算，確定了步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)。本文的研究，為卷盤(pán)式噴灌機(jī)的遠(yuǎn)程控制和智能運(yùn)維提供了硬件基礎(chǔ)。具體而言表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

①基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能農(nóng)田現(xiàn)場(chǎng)信息采集系統(tǒng)。在農(nóng)田中鋪設(shè)土壤溫濕度傳感器，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)農(nóng)田土壤的溫度、濕度等環(huán)境信息，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊上傳至云平臺(tái)，系統(tǒng)對(duì)所接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，按照作物的需水量制定噴頭車(chē)行走策略，最后向步進(jìn)電機(jī)下達(dá)控制指令，控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制噴頭車(chē)的回收速度。

②基于機(jī)器視覺(jué)的農(nóng)田地形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在噴頭車(chē)上安裝攝像頭，對(duì)農(nóng)田地形以及噴頭車(chē)回收路線(xiàn)的環(huán)境信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊將監(jiān)測(cè)的結(jié)果發(fā)送到遠(yuǎn)程云平臺(tái)，云平臺(tái)對(duì)相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)路線(xiàn)起伏情況以及障礙物制定噴頭車(chē)行走策略，最后向步進(jìn)電機(jī)下達(dá)控制指令，從而提高卷盤(pán)式噴灌機(jī)在各種復(fù)雜地形環(huán)境下的適應(yīng)性。