太陽能平移式噴灌機行走驅(qū)動系統(tǒng)配置與性能研究

陳 昕，朱德蘭,，葛茂生，李 丹

(1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，陜西 楊凌 712100； 2. 西北農(nóng)林科技大學(xué)中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院，陜西 楊凌 712100)

0 引 言

噴灌是一種在我國廣泛應(yīng)用的高效節(jié)水灌溉技術(shù)，隨著國內(nèi)能源短缺危機的加劇，節(jié)能降耗成為噴灌行業(yè)的未來發(fā)展趨勢[1]。平移式噴灌機因其投資小、效益高、輕巧靈便等優(yōu)點，可進行大田密植作物的灌溉[2,3]。然而在日常使用中，一些偏遠地區(qū)由于缺乏供電設(shè)備，存在無法為噴灌機提供驅(qū)動能源的問題。而太陽能作為一種清潔可再生能源，在農(nóng)業(yè)機械中有廣闊的應(yīng)用前景，逐步成為研究熱點[4,5]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者在太陽能農(nóng)業(yè)機械領(lǐng)域展開了一定研究，但大多集中在太陽能拖拉機和割草機方面，關(guān)于太陽能噴灌機研究較少。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的張超[6]等人提出太陽能園藝拖拉機的驅(qū)動系統(tǒng)理論設(shè)計方法并進行了驗證，結(jié)果表明相同工況下有太陽能供電比無太陽能時作業(yè)時間延長1.5倍；日本福澤拖拉機公司[7]研制出了一種太陽能農(nóng)用拖拉機，太陽能光照充電6 h，可供拖拉機行走9～10 h；美國路易斯安那州的室外生產(chǎn)公司生產(chǎn)出的Weed Eater太陽能割草機器人[8]配備了34塊太陽能電池板，可以實現(xiàn)陽光下割草。關(guān)于太陽能平移式噴灌機的研究鮮有報道，本文以課題組自行研發(fā)的太陽能平移式噴灌機為例，分析不同工況下的機組所需驅(qū)動功率，并以此為機組進行電機的功率匹配與光伏系統(tǒng)配置。本文初步探討了太陽能平移式噴灌機行走驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計理論，并對其進行了實例驗證。

1 太陽能平移式噴灌機行走驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

太陽能平移式噴灌機示意圖如圖1所示，其中行走驅(qū)動系統(tǒng)由驅(qū)動電機、RV減速器、牙嵌式電磁離合器、聯(lián)軸器、太陽能板及蓄電池構(gòu)成，驅(qū)動動力由電機提供，電機輸入的扭矩經(jīng)RV減速器、牙嵌式電磁離合器和聯(lián)軸器傳遞到驅(qū)動車輪，為機組提供行走動力。

1-噴灌機桁架；2-控制箱；3-蓄電池；4-太陽能板；5-驅(qū)動系統(tǒng)；6-噴頭；7-驅(qū)動車輪 圖1 太陽能平移式噴灌機示意圖Fig.1 Solar translational sprinkler schematic

2 行走驅(qū)動系統(tǒng)主要參數(shù)確定方法

2.1 驅(qū)動電機總功率計算

驅(qū)動電機的輸入功率由噴灌機行走阻力和行走速度決定。其中，行走阻力主要包括滾動阻力、空氣阻力、加速阻力以及坡度阻力[9-11]。考慮到太陽能平移式噴灌機行走速度低，且變化平緩，在確定驅(qū)動電機功率時，克服空氣阻力和加速阻力所需功率忽略不計，只考慮水平路面和坡道行走時所需功率。

2.1.1水平路面行走驅(qū)動功率

根據(jù)驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計理論，計算噴灌機勻速行走時的車輪轉(zhuǎn)矩時需要考慮減速機減速比及各級傳動系數(shù)，最終得到電機所需理論輸出扭矩。驅(qū)動電機的輸出功率與輸出扭矩轉(zhuǎn)換計算公式為：

Pmotor=Tn/9.55

(1)

式中：P為驅(qū)動電機輸出功率，W；T為驅(qū)動電機輸出扭矩，N·m；n為驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速，r/min。

由于電機輸入扭矩通過減速器傳遞到驅(qū)動輪，而且減速器具有降低轉(zhuǎn)速，增加扭矩的作用，因此，電機扭矩T與驅(qū)動輪扭矩M表達關(guān)系式[17]為：

(2)

式中：io為主減速器傳動比；ig為變速器傳動比；ηt為驅(qū)動機構(gòu)工作效率。

噴灌機勻速行走時，車輪驅(qū)動力等于車輪滾動阻力。因此，車輪驅(qū)動力計算公式為：

Ft=μ·N=μmg

(3)

式中：μ為附著系數(shù)；m為噴灌機組質(zhì)量，kg；g為重力加速度，取9.8 m/s2。

驅(qū)動輪扭矩計算公式：

M=Ft·r=μmgr

(4)

式中：r為車輪半徑，m。

驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速與噴灌機行走速度換算的計算公式為[17]：

(5)

式中：v為噴灌機行走速度，m/h；r為車輪半徑，m；n為電機轉(zhuǎn)速，r/min。

將公式(2)～(5)代入式(1)中，得到驅(qū)動電機所需的輸出功率：

(6)

式中：根據(jù)驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計可知，太陽能平移式噴灌機行走驅(qū)動系統(tǒng)工作效率包括：RV減速器、牙嵌式電磁離合器和聯(lián)軸器的傳動效率以及驅(qū)動電機的工作效率，系統(tǒng)工作總效率為：

ηt=ηrbηclηcηm

(7)

式中：ηrb為減速器傳動效率，%；ηcl為離合器傳動效率，%；ηc為聯(lián)軸器傳動效率，%；ηm為驅(qū)動電機工作效率，%。

根據(jù)《機械設(shè)計手冊》[13]中常用機械效率值，取RV減速器傳動效率ηrb=90%，牙嵌式電磁離合器傳動效率ηcl=99%，聯(lián)軸器傳動效率ηc=99%，驅(qū)動電機工作效率ηm=95%，代入式(6)計算可知驅(qū)動機構(gòu)的總工作效率為83.8%。

2.1.2坡道行走驅(qū)動功率

噴灌機爬坡過程中所受阻力主要包括驅(qū)動阻力Ff和上坡阻力Fi，具體可按下式計算[12]：

∑F=Ff+Fi=μmgcosα+mgsinα

(8)

式中：Ff為驅(qū)動阻力單位；Fi為上坡阻力單位；μ為附著系數(shù)；m為機組質(zhì)量，kg；g為重力加速度取9.8 m/s2；α為爬坡角，(°)。

根據(jù)式(1)～(5)可知，坡道行走時噴灌機行走功率計算公式為：

(9)

2.2 蓄電池參數(shù)確定

為保證在陰天或霧霾天氣下噴灌機的正常運行，需要配備一定的蓄電池進行電能的儲備。蓄電池容量可由下式計算[14]：

(10)

式中：C為蓄電池容量，kWh；D為最長無日照期間用電時數(shù)，h；Fa為蓄電池放電效率的修正系數(shù)，通常取1.05；L1為蓄電池的維修保養(yǎng)率，通常取0.8；U為蓄電池的放電深度，通常取0.5～0.8；Ka表示配線損耗，一般取0.9～0.95。

對蓄電池的容量進行單位換算，轉(zhuǎn)化成安時，蓄電池的設(shè)計應(yīng)保有余量，因此蓄電池的塊數(shù)為：

(11)

式中：N1為蓄電池塊數(shù)；Ct為蓄電池的設(shè)計容量，Ah；cs為單塊蓄電池的容量，Ah；

2.3 光伏電池功率確定

光伏電池功率根據(jù)光伏電池能量確定。所需光伏電池能量與電池充電效率與控制器效率有關(guān)，即[15]：

(12)

式中：Et為光伏電池能量，W·h;VB為蓄電池組額定電壓，V;ηcc為充電控制器效率，一般取0.95；ηch為電池充電效率，一般取0.8～0.85。

對于某地區(qū)日均峰值日照時數(shù)的計算，用公式可以表示為：

Tmax=7.599×10-5F

(13)

式中：Tmax為平均日峰值日照時數(shù)，h；F為該地區(qū)的年均輻射量，J/cm2。

確定光伏電池功率應(yīng)考慮當(dāng)?shù)厝旃庹諘r間，所需光伏電池功率為：

(14)

式中：Pt為光伏電池功率，W；kd為功率降低因子，為太陽能面板因老化或污塵遮蓋引起的修正值，取0.9～0.95；kaP為光伏電池老化因子，使用年數(shù)增加導(dǎo)致的光伏電池效率降低，一般取0.95～0.98；kw為光伏電池溫度影響因子，光伏電池的輸出功率隨工作溫度的上升而下降，晶體硅電池溫度影響因子，取0.95。

在求得太陽能電池板的設(shè)計功率后，對太陽能電池板進行比選，以電池板的容量應(yīng)保有余量為原則，太陽能電池板的數(shù)目為：

(15)

式中：N2為太陽能板塊數(shù)；Ps為單塊太陽能電池板的輸出功率，kW。

3 附著系數(shù)試驗

太陽能平移式噴灌機在不同路面條件下的行走驅(qū)動電機輸出功率存在差異，由式(6)、(9)可知，噴灌機行走功率變化取決于噴灌機自身重量、行走速度、爬坡角度、驅(qū)動系統(tǒng)工作效率和路面附著系數(shù)。其中路面附著系數(shù)對噴灌機行走驅(qū)動力影響較大，附著系數(shù)由路面土壤條件及路面干濕條件所決定。《農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊》[13]給出了農(nóng)業(yè)機械田間行走常用附著系數(shù)，如表1所示。但一般農(nóng)業(yè)機械田間行走速度遠大于平移式噴灌機，手冊推薦的附著系數(shù)是否仍適用于噴灌機驅(qū)動功率的計算有待驗證。

表1 常用附著系數(shù)Tab.1 Common adhesion coefficient

3.1 試驗設(shè)備及測試方法

太陽能平移式噴灌機滾動阻力系數(shù)測定試驗裝置如圖2所示，試驗在陜西楊凌中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院小麥實驗田中進行。實驗田土壤為干燥黏土，土壤容重為1.42 g/m3,田中預(yù)留間距為2 m的兩個機行道，機行道寬1 m。試驗所用噴灌機為課題組自行研發(fā)的太陽能平移式噴灌機，噴灌機采用四輪驅(qū)動，每個驅(qū)動電機上安裝功率表。

圖2 太陽能平移式噴灌機行走功率測定試驗裝置示意圖(圖中放大部分為功率表安裝位置)Fig.2 Schematic diagram of the test solar translational sprinkler running power measurement

試驗時啟動噴灌機至行走狀態(tài)，調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，將噴灌機行走速度設(shè)定為150 m/h，待噴灌機運行穩(wěn)定時從功率表中依次讀取每個電機輸入功率值，以此計算得到電機總輸入功率。以同樣的方法分別測定行走速度為200、250、300、350、400和450 m/h時的驅(qū)動電機總輸出功率。

3.2 計算結(jié)果與分析

對公式(1)變形可得到附著系數(shù)與驅(qū)動功率關(guān)系式，即：

(16)

根據(jù)式(16)計算不同行走速度下噴灌機行走時的附著系數(shù)值，如表2所示得到干燥黏土條件下噴灌機行走速度與附著系數(shù)關(guān)系。

表2 干燥黏土條件下噴灌機行走速度與附著系數(shù)關(guān)系Tab.2 Solar translational sprinkler with speed and adhesion coefficient

從表2中可以看出，隨著行走速度的不斷提高，驅(qū)動電機總輸出功率增大，而附著系數(shù)逐漸減小，行走速度對附著系數(shù)產(chǎn)生顯著影響，近似成線性關(guān)系，附著系數(shù)變化范圍在0.415～0.483之間。其變化范圍與表1中給出的附著系數(shù)取值范圍0.40～0.50相符，說明表1中給出的常用附著系數(shù)取值適用于太陽能平移式噴灌機動力需求的計算。

4 電機功率和光伏系統(tǒng)配置及性能評價

4.1 不同工況下電機功率和光伏系統(tǒng)匹配

以自行研發(fā)的太陽能平移式噴灌機為例對驅(qū)動電機與光伏系統(tǒng)的進行選型與匹配設(shè)計。噴灌機主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示。

表3噴灌機主要結(jié)構(gòu)參數(shù)
Tab.3ThemainparametersofSprinkler

名稱平移式噴灌機重量/kg桁架長度/m車輪半徑/m數(shù)值667．60024．0000．325

選取沙質(zhì)荒地與黏土荒地兩種噴灌機常見工作路面條件，每種路面條件包括不同干濕條件，將不同行走速度帶入式(16)中得到該行走速度下的附著系數(shù)；取噴灌機行走速度最大設(shè)計值為450 m/h；噴灌機作業(yè)環(huán)境較復(fù)雜，為避免其作業(yè)時出現(xiàn)驅(qū)動輪沉陷及打滑現(xiàn)象，應(yīng)在田中預(yù)留兩條壓實路面機行道，而田間路面坡度一般不大于12°，故選擇12°為最大爬坡角。將表3中參數(shù)以及附著系數(shù)分別帶入式(6)、(9)中可得到太陽能平移式噴灌機沙質(zhì)荒地和黏土荒地兩種路面條件下的最大行走功率和最大爬坡功率。經(jīng)計算，沙質(zhì)荒地最大行走功率為511.6 W，黏土荒地最大行走功率為562.2 W。考慮到噴灌機實際運行時可能遇到的不利因素，在電機功率匹配時需乘以安全系數(shù)，安全系數(shù)取1.5，則選擇配套電機為額定電壓為24 V輸出功率為200 W的直流有刷電機作為驅(qū)動電機。

為應(yīng)對陰天或霧霾天氣太陽能電池板發(fā)電不足以及機組夜間運行時太陽能電池板無法發(fā)電的情況，需要對機組配備一定容量的蓄電池。取最長無日照時數(shù)為20 h，蓄電池放電效率修正系數(shù)取1.05，蓄電池維修保養(yǎng)率取0.8，蓄電池放電深度取0.7，配線損耗率取0.9，則由式(12)～(15)計算得到沙質(zhì)荒地和黏土荒地路面條件下配套蓄電池的容量分別為1.808和2.033 kWh，對其單位換算后可知宜選用2塊12 V 90 Ah的蓄電池串聯(lián)后為驅(qū)動電機供電。

本文以噴灌機行走速度為150 m/h為例，取最大日工作時間為20 h，參考全國不同城市的日均輻射量，確定日峰值日照時數(shù)為4 h。其中ηcc、ηch、kd、KaP和Kw分別取0.95、0.85、0.9、0.95和0.95。將上述參數(shù)值帶入式(8)中，可得到沙質(zhì)荒地和黏土荒地路面條件下太陽能板全天累計發(fā)電量分別為0.397和0.466 kW。據(jù)此選擇2塊單晶100 W太陽能電池板。

綜上所訴，得到太陽能平移式噴灌機驅(qū)動電機選型及光伏系統(tǒng)配置表，如表4所示。

表4 太陽能平移式噴灌機驅(qū)動電機選型及光伏系統(tǒng)配置Tab.4 Solar translational sprinkler drive motor selection and photovoltaic system configuration

4.2 平移式噴灌機行走性能評價

4.2.1性能評價方法

對于太陽能平移式噴灌機作業(yè)能力的評價，本文采用一日累計作業(yè)時間作為評價指標(biāo)，其中全天累計作業(yè)時間指蓄電池充滿后，平移式噴灌機一天內(nèi)工作時間的總和。由于噴灌機作業(yè)時消耗的能量等于光伏系統(tǒng)為其提供的總能量，其中光伏系統(tǒng)提供的總能量為太陽能板全天發(fā)出總能量和蓄電池額定輸出能量兩部分之和。則太陽能拖拉機在最大驅(qū)動功率下行走時全天累計作業(yè)時間為：

(17)

式中：Tc為全天累計作業(yè)時間，h；WS為太陽能板全天發(fā)出總能量，W·h ；Pmax為噴灌機最大驅(qū)動功率。

4.2.2太陽能板全天累計發(fā)電量分析

由于陜西關(guān)中地區(qū)土壤類型多為黏土而寧夏中衛(wèi)地區(qū)土壤類型屬于沙土，以地處陜西西安市和寧夏中衛(wèi)市為例，由美國國家航空航天局(NASA)大氣科學(xué)數(shù)據(jù)庫可以查詢該輻射量，通過數(shù)據(jù)庫查得西安市和中衛(wèi)市年均輻射量分別為為3.93和4.59 kWh/(m2·d)，對其進行單位換算并代入式(8)可得，西安市的日峰值日照時數(shù)為3.92 h，中衛(wèi)市日峰值日照時數(shù)為4.58 h，將上述參數(shù)值帶入式(12)～(15)中，可得到西安市和中衛(wèi)市太陽能板全天發(fā)電量分別為0.514和0.597 kW。

4.2.3全天累計作業(yè)時間分析

以所研制的太陽能平移式噴灌機為例，結(jié)合光伏系統(tǒng)全天發(fā)出總電量，根據(jù)式(17)分別計算晴天和陰天條件下太陽能噴灌機在水平路面和坡道工作行走兩種工況下的全天累計作業(yè)時間。

表5所示為平移式噴灌機在陜西關(guān)中地區(qū)及寧夏中衛(wèi)地區(qū)有無太陽能時一日累計作業(yè)時間比較，由表可知，同一地區(qū)相同工況下，噴灌機一日累計作業(yè)時間隨行走速度的增大而減小，相同速度下水平路面行走一日累計作業(yè)時間要大于坡道行走。而在同一地區(qū)，有光照時一日累計作業(yè)時間要明顯長于無光照時，約為無光照時的1.5倍。可以看出，使用光伏系統(tǒng)可以延長噴灌機一日累計作業(yè)時間，能夠滿足額定作業(yè)時間的需求。

表5 太陽能平移式噴灌機驅(qū)動系統(tǒng)性能評價Tab.5 Solar translational sprinkler translation system performance evaluation

5 結(jié) 語

(1)本研究推導(dǎo)了太陽能噴灌機行走工作時驅(qū)動電機所需能耗，以及根據(jù)驅(qū)動電機所需能耗提出光伏系統(tǒng)中太陽能板和蓄電池的配置方案。結(jié)果表明，光伏電池為噴灌機提供能量，增加了噴灌機的作業(yè)時間，可以滿足噴灌機日常行走工作需要，證明了光伏電池作為平移式噴灌機能源是可行的。

(2)平移式噴灌機行走工作時驅(qū)動電機所需能耗受到路面類型的影響，不同路面類型其附著系數(shù)取值不同。其中實測陜西關(guān)中干燥黏土荒地附著系數(shù)值為0.415～0.482，符合農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊中給出的常用附著系數(shù)值，則可根據(jù)已知的常用附著系數(shù)值確定不同路面平移式噴灌機行走驅(qū)動電機輸出功率。

(3)以所研制的太陽能平移式噴灌機為例，噴灌機隨著作業(yè)速度的不斷提高，隨著行走坡度角的增大，全天累計作業(yè)時間不短縮短；噴灌機黏土荒地行走作業(yè)全天累計作業(yè)時間小于沙土荒地行走作業(yè)時間。相同工況下，晴天全天累計作業(yè)時間為陰天的1.5倍。

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