輕簡化智能平移噴灌機設計及經濟效益分析

河北省農業機械化研究所有限公司 陳林 張秀平 張亞振 徐志杰

引言

隨著農業機械化的快速發展，農田灌溉逐漸成為農業全程機械化的薄弱環節，相當一部分地區依然采用田間修畦漫灌的落后辦法，不僅浪費土地和水資源，還會消耗大量人力。近些年，為提高灌溉效率，減輕作業人員勞動強度，指針式噴灌機、桁架式平移噴灌機、地埋式噴灌系統、滴灌系統、絞盤式噴灌機等不同灌溉機具都得到了發展，但是存在設備初始投入資金相對較大[1]、不適宜中小型“長方形地塊”、移動困難、需配備高壓水源等問題，這些問題限制了上述噴灌設備的推廣使用。我國正處于土地流轉的發展期，流轉土地還存在不穩定性，可以預見現階段在我國人口密集的平原地區推廣大型或經濟投入較高的噴灌設備較為困難。因此，針對我國大量存在的中小型“長方形地塊”，研制一種輕簡化智能自走式平移懸臂噴灌機具有重要意義。

1 輕簡化智能平移噴灌機總體方案

1.1 整機結構

輕簡化智能平移噴灌機的主要特點是輕簡化，以達到經濟實用的目的。整機結構如圖1所示。噴管組合通過鋼絲繩組件安裝于懸架上面，懸架通過鉸接軸與行走機架連接，懸架的下表面與行走機架的上表面接觸，懸架與安裝于其上的噴管組合、鋼絲繩組件作為一個整體，可以繞鉸接軸相對于行走機架轉動；水泵組件、定向部件、控制盒安裝于行走機架的中部；兩個行走輪組件分別安裝于行走機架底部的兩側對稱位置，其中一個行走輪組件與行走機架通過鉸接方式安裝，可以隨著不平整地面浮動而不影響整機穩定性。

圖1輕簡化智能平移噴灌機整機結構

1.2 工作原理

灌溉前預先在農田開設明渠引水，然后噴灌機從明渠汲水并平移行走進行噴灌。如圖1所示，水泵組件的汲水口與汲水管組件連通，并通過汲水管組件從地面的明渠中汲水，水泵組件的出水口通過耐壓軟管與噴管組合連通，實現噴灑灌溉，噴管組合的單側臂展寬度18～24m可調。定向部件用于遠距離觀察方向，并通過控制盒調節噴灌機的行進方向和行進速度。噴灌機在作業過程中，實時檢測明渠中的水量變化，并把水量變化作為控制因子參與到整機智能控制系統對汲水量和機具行走速度的控制中。噴灌機可依靠智能控制系統實現無人值守作業。

1.3 動力系統

本機的動力系統需要滿足灌溉、行走兩個主要功能的需求，智能控制系統居中協調，如圖2所示。動力總來源為汽油發電機組，汽油發電機組產生的電力通過智能控制系統供應行走機構和汲水灌溉機構。智能控制系統監測并控制汽油發電機組、行走機構、汲水灌溉機構的工作狀態。

圖2動力系統示意圖

2 行走系統設計

2.1 行走機構

行走機構由兩組行走輪組件組成，采用四輪驅動結構。行走輪組件兩端安裝行走輪，中部安裝驅動電機，驅動電機通過傳動軸同時驅動前后兩個行走輪，行走輪安裝有測速傳感器和電控剎/駐車裝置。行走輪組件在智能控制系統控制下協調工作，可以完成定速行走、方向微調、停車、轉彎等動作。

2.2 避障設計

懸架與安裝其上的噴管組合、鋼絲繩組件構成一個相對獨立的部裝，該部裝通過鉸接軸與行走機架連接并可相對轉動。其相對轉動受到復位拉簧彈簧力的阻礙，復位拉簧一方面起到穩定懸架部裝的作用，另一方面能夠緩沖懸架部裝受到的外力影響，避免零部件損壞。應用實例：田間工作時，噴管組合會受到風力影響而彎曲或晃動，還會遇到電線桿等障礙物，懸架部裝可以隨噴灌組同步晃動，并在外力消除或避開障礙物后自動復位；當噴灌機完成一次作業或行駛到地頭時，可以調整或拆掉復位拉簧，使行走機架和懸架部裝相對轉動90°，方便噴灌機在地頭移動，轉移地塊。

2.3 智能控制

行走系統智能控制是整機智能控制系統的重要組成部分，主要功能是直線定向行走、故障停車以及根據汲水量變化對行走速度進行動態調控，目的是保障灌溉的均勻性，并實現無人值守作業。如圖3所示，方向設定、速度設定、水位監測、故障監測、速度反饋是行走控制系統的主要控制因子。其中，方向設定采用電動陀螺儀技術，依靠人工定向后，噴灌機將自動沿著既定方向行走。

圖3行走控制系統示意圖

3 噴灌系統設計

3.1 汲水部件

水泵組件和汲水管組件共同組成汲水部件。如圖2所示，水泵采用電機作為動力，受智能控制系統控制。汲水管相對于機架的高低、左右位置均可調，底部位于引水明渠中，并安裝過濾裝置，上部與水泵組件聯通。汲水管外壁安裝水位感應裝置，實時監測明渠中水位的變化，并把信號傳遞給智能控制單元。智能控制系統根據水位的變化，控制水泵組件的汲水量和灌溉速度。當明渠中缺水時，噴灌機會自動停機。

3.2 噴灑部件

噴灑部件由噴管組合和噴頭組成。噴管組合由多段不銹鋼管組合而成，各段不銹鋼管之間采用快速接頭連接，噴管組合整體上對稱布置，并形成兩個上揚的弧度。每段噴管下部均布若干噴頭，各個噴頭可單獨關閉。噴灌組合可根據農田面積在一定范圍內自由組合，輕簡化噴灌機最大噴灑幅寬設計值為50米。

4 經濟效益分析

根據輕簡化智能平移噴灌機的構造和主要零部件價格，測算其批量生產后的售價約為2萬元/臺。根據市場調研和相關資料中的數據，指針式噴灌機的設備成本為14250元/hm2，即950元/畝[2]，隨著安裝面積的增大，超過30 hm2以上設備的畝投入成本可降至500元左右，此時的灌溉周期約為120小時；地埋式噴灌系統的設備投入及安裝費用約1200元/畝。

輕簡化智能平移噴灌機的設計行走速度為8～60m/h，噴灌幅寬為50米，對照設備畝投入成本較低的指針式噴灌機，以相同的灌溉強度為前提，1臺輕簡化智能平移噴灌機120小時可以灌溉72畝農田，則30 hm2農田需要配備6.25臺輕簡化智能平移噴灌機，取整為7臺，總設備投資為14萬元，平均設備投入為311.11元/畝。則使用輕簡化智能平移灌溉機的畝投入成本遠低于使用另兩種灌溉設備。

5 結論

本機針對中小型“長方形地塊”設計，相較于傳統的平移噴灌機：轉移地塊比較方便，提高使用效率；運用智能控制技術實現直線定向行走，操控簡單；設備的投入成本相對較低，具有市場前景和推廣價值。不足之處在于使用本機時需要提前在農田開設明渠引水，增加工作量并造成土地浪費，有待進一步改進完善。