卷盤式噴灌機研究進展與發(fā)展趨勢分析

湯玲迪 袁壽其 湯 躍

(江蘇大學(xué)國家水泵及系統(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)水灌溉是促進水資源可持續(xù)利用和保障國家糧食安全、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)問題，國內(nèi)外典型機械化節(jié)水灌溉裝備有圓形噴灌機、平移噴灌機、滾移式噴灌機、卷盤式噴灌機等大中型移動式灌溉機。卷盤式噴灌機具有適應(yīng)性強、機動方便、自動化程度高、單位面積設(shè)備投資低等優(yōu)勢，是一種適合我國國情，能適應(yīng)大、中、小不同規(guī)模地塊、不同作物高效作業(yè)的機械化灌溉裝備[1-5]。因此本文對我國卷盤式噴灌機科研及生產(chǎn)中存在的問題加以總結(jié)分析，提出需重點研究的問題，以期為卷盤式噴灌機發(fā)展提供參考。

1 國內(nèi)外產(chǎn)品現(xiàn)狀

20世紀(jì)60年代卷盤式噴灌機在歐洲開始研究[6-7]。至20世紀(jì)70年代后期，已基本定型并大量生產(chǎn)，型號多達120余種[8]。經(jīng)過近50年的發(fā)展，意大利已成為全球卷盤式噴灌機制造企業(yè)的集聚地。目前，意大利總的卷盤式噴灌機年產(chǎn)量達到6 000～7 000臺，保有量約15萬臺，涵蓋幾十種規(guī)格的系列卷盤式噴灌機，適合農(nóng)業(yè)、林業(yè)、城市園林等許多領(lǐng)域。

圖2 國內(nèi)外典型園林卷盤式噴灌機Fig.2 Hose reel irrigators used in garden

我國卷盤式噴灌機的發(fā)展開始于20世紀(jì)70年代末[9-14]。1979年成功試制了我國第一臺JP90/300型卷盤式噴灌機，1984年又研制成功JP75/200型卷盤式噴灌機[15-20]。到20世紀(jì)90年代后期，又通過引進奧地利BAUER公司的卷盤式噴灌機加以仿制，形成了JP50、JP75和JP90國產(chǎn)卷盤式噴灌機主流機型，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展，先后通過國際標(biāo)準(zhǔn)[21-23]轉(zhuǎn)換制訂了一批國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[24-27]；2010年以后，我國卷盤式噴灌機產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，至2017年，我國卷盤式噴灌機保有量已從2012年不足2萬臺增加到8萬多臺。但與國際先進水平相比還有很大差距。近5年來，許多科研單位對卷盤式噴灌機基本理論、試驗技術(shù)與裝備、動力驅(qū)動、多功能等方面開展了大量研究，形成了灌溉裝備新的研究熱點。

卷盤式噴灌機主要由噴頭車、輸水軟管(PE盤管)、卷盤、驅(qū)動卷盤的動力機(水渦輪、液壓馬達及電機)、減速箱、傳動系統(tǒng)、底盤等主要部分組成，如圖1所示。大型機還有液壓傳動與控制系統(tǒng)。動力能源目前主要來源于電力和燃油，太陽能作為清潔能源也開始被使用。

圖1 卷盤式噴灌機實物圖Fig.1 Structure of hose reel irrigator1.噴頭 2.噴頭車 3.卷盤 4.PE管 5.供水泵 6.底盤 7.動力傳動系統(tǒng)

目前，世界上最大的卷盤式噴灌機是意大利CASELLA公司生產(chǎn)的PLLSMP180/400，輸水PE管外徑180 mm、長400 m，流量240 m3/h，采用液壓馬達驅(qū)動卷盤回轉(zhuǎn)，液壓系統(tǒng)的動力由柴油發(fā)動機提供；世界上最小的卷盤式噴灌機是意大利ORMA公司生產(chǎn)的水渦輪驅(qū)動型Passeggiando和中國華源公司生產(chǎn)的電驅(qū)動型JP25-30/D，其輸水PE管外徑25 mm、長30 m。

國內(nèi)外卷盤式噴灌機按用途分為農(nóng)業(yè)和園林兩大類。園林機型用于運動場、高爾夫球場、公園的草坪灌溉，如圖2所示。農(nóng)業(yè)基本類型見表1。

2 卷盤式噴灌機工作原理

噴灌機噴灌作業(yè)前，由牽引車(拖拉機)將噴頭車牽引至田塊地頭，開啟水泵給噴灌機供水，卷盤在動力機的驅(qū)動下開始回卷PE管，噴頭車在PE管的牽引下一邊回收一邊噴灌，當(dāng)PE管全部盤繞至卷盤上后，關(guān)閉水泵，然后移動噴灌機至下一個地塊繼續(xù)噴灌作業(yè)，如圖3所示。

3 影響卷盤式噴灌機性能的關(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)量是反映卷盤式噴灌機性能的外在指標(biāo)。能耗是反映卷盤式噴灌機性能的內(nèi)在指標(biāo)。

表1國內(nèi)外典型卷盤式噴灌機(農(nóng)業(yè))基本信息
Tab.1Basicinformationoftypicalhosereelirrigatorsusedinfarmland

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

3.1 噴灌質(zhì)量

COLLIER等[28]通過試驗發(fā)現(xiàn)，在不進行任何控制時，隨PE管盤繞層每變化一層，噴頭車的行走速度會增加11%～12%，同時，隨著PE管盤繞圈數(shù)的增加，流動阻力增加也會使流量減少，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減小正常噴灑時的噴灑扇形角來提高。ROCHESTER等[30]實驗研究了在流量或者入機壓力一定時，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%，達到潛在節(jié)水約15%的目的。

在國內(nèi)，尹萬和等[11]對國外一種卷盤式噴灌機的噴頭、水渦輪、PE管等水力部件的水力特性和噴灑特性進行了簡單的試驗分析。許一飛[6]較早地提出了卷盤式噴灌機具有運行、調(diào)速、能耗、軟管和動力5個特性，并分別對5個特性進行了分析，認(rèn)為如果噴頭車行走速度不控制，則由于盤繞直徑的變化和負(fù)載的變化會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均勻性的影響及其計算方法。吳滌非[33]從理論上提出了計算行噴機組均勻系數(shù)的基本計算公式，并做了試驗驗證。范永申等[34]從噴灌強度與桁架式噴頭車行走速度之間的關(guān)系，試驗得到噴灌強度在移動速度相同時與理論計算十分接近。葛茂生等[35]通過建立基于最小二乘法卷盤式噴灌機噴灑均勻度簡化算法，討論了噴頭工作壓力、輻射角選擇周期和組合間距等運行參數(shù)對噴灑均勻度的影響。段福義等[36]試驗分析了卷盤式噴灌機入機壓力、行走速度、壓力損失、流量及噴灑均勻度之間的關(guān)系。

國內(nèi)外近40年的研究都一致認(rèn)為卷盤式噴灌機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、噴頭車運行穩(wěn)定性、噴頭進口壓力的穩(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]對兩種卷盤式噴灌機動力、PE管、噴頭等各組成部分的能耗貢獻率進行了分析研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，噴頭工作所需要的能量約占60%，PE管流動阻力損失約占20%，其他20%是卷盤式噴灌機內(nèi)部能量轉(zhuǎn)換的效率所致。

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

4 關(guān)鍵技術(shù)研究進展

4.1 卷盤驅(qū)動技術(shù)

卷盤是盤繞PE輸水管的執(zhí)行機構(gòu)，其驅(qū)動方式有水力驅(qū)動、液壓馬達驅(qū)動和電機驅(qū)動。早期的水力驅(qū)動技術(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)動技術(shù)；液壓馬達驅(qū)動由柴油機液壓系統(tǒng)提供動力；電力驅(qū)動由直流電機、交流電機或者步進電機完成。

4.1.1水渦輪驅(qū)動技術(shù)

噴灌機在噴灌作業(yè)時，灌溉壓力水輸入噴灌機后分流成兩路，其中，一路分流水沖擊水渦輪轉(zhuǎn)動，將水的能量轉(zhuǎn)換成機械能再通過變速箱減速來驅(qū)動卷盤緩慢轉(zhuǎn)動，并不斷回收PE管并整齊盤繞在卷盤上，PE管牽引噴頭車在田間平移進行噴灌作業(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入PE管，并通過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.入機壓力水

4.1.1.1國外水渦輪發(fā)展歷程

國外早期的卷盤式噴灌機水渦輪有兩種結(jié)構(gòu)型式，一種是類似于沖擊式水輪機的水斗轉(zhuǎn)輪式水渦輪，另一種是用水泵反轉(zhuǎn)作水渦輪，當(dāng)時試驗發(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題。早期德國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。后來被引進國內(nèi)的還有意大利幾家公司產(chǎn)品，國外水渦輪結(jié)構(gòu)與特點見表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。輸入水的壓能通過噴嘴轉(zhuǎn)換為動能切向沖擊轉(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)生作用的只有個別葉片。這種水渦輪實測最高效率為34%，對應(yīng)轉(zhuǎn)速為700 r/min，對應(yīng)流量為25 m3/h，達到200 W功率輸出時的最小流量約17.5 m3/h，此時效率為31.6%[5]。

4.1.1.2國內(nèi)水渦輪研究歷程

改革開放后的30多年(1978—2007)，我國研究人員只是從國外產(chǎn)品樣本獲得對水渦輪壓差(水頭損失)的認(rèn)識，文獻[11-12]介紹了我國研究人員獲得的德國PERROT公司的Peromat機型的水斗式水渦輪空載下的流量-水頭損失和流量-轉(zhuǎn)速試驗曲線，以及負(fù)載下的入機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)為造成國內(nèi)外水渦輪差距的主要影響因素是沒有形成系列和缺少性能試驗裝置。李國民等[52]從理論上分析了水渦輪的進出口角對水力效率的影響，但缺少對容積效率和機械效率等的分析，也未開展試驗驗證。

表2國外典型水渦輪結(jié)構(gòu)與特點
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.半開式轉(zhuǎn)輪 3.外殼 4.射流噴嘴

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

從1980年至2007年的這一時期，我國研究人員對水渦輪的性能和要求的認(rèn)識還比較零碎，缺乏系統(tǒng)性研究，更沒有形成設(shè)計理論和試驗方法。

近5年來，我國研究人員采用試驗和數(shù)值計算相結(jié)合的方法，對國產(chǎn)水渦輪進行詳細的試驗研究和內(nèi)部流動分析。

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

圖6b所示為JP75型斜擊式水渦輪，入口管道由上、下兩個通道組成，上下通道前設(shè)有一閥板來分配進入上下通道的流量。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，完成將動能轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)輪軸上機械能的過程。

為了掌握國產(chǎn)水渦輪的性能，文獻[53-56]建立了水渦輪試驗裝置，對國產(chǎn)JP50型水渦輪開展了性能試驗，獲得了詳細的性能曲線，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，水渦輪的最高效率僅為 16.5%。通過對水渦輪內(nèi)部流場的CFD模擬分析，認(rèn)為葉片進口沖角過大消耗了部分射流能量，以及水流由水渦輪進口運動至出口的過程中出現(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[54]重新設(shè)計了一種徑流式轉(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，以減少流動過程的損失。CFD分析預(yù)測的效率達到38%左右，但這個效率值沒有進行試驗驗證。

文獻[57-58]對國產(chǎn)JP75型水渦輪進行了性能試驗，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，轉(zhuǎn)速范圍為150～450 r/min，效率范圍為10%～14%。并采用CFD對JP75型水渦輪內(nèi)部各部分進行了模擬計算，能量轉(zhuǎn)換分析發(fā)現(xiàn)，大量壓力勢能在轉(zhuǎn)化為動能之前，就被復(fù)雜的進口結(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，雖然開始注重從試驗和CFD 兩方面開展研究，并掌握了國產(chǎn)水渦輪水力特性和造成效率低下的原因，也提出了改進的結(jié)構(gòu)并進行了性能預(yù)測和內(nèi)流分析，但只是單純地從效率的角度去研究，缺乏針對水渦輪設(shè)計點參數(shù)(流量、功率、水頭)及卷盤式噴灌機動力要求等開展性能分析，水渦輪設(shè)計方法仍未突破。

為進一步提高意大利IDROFOGLIA水渦輪的效率，湯玲迪等[5,59]對這種結(jié)構(gòu)的水渦輪原型開展了理論分析、數(shù)值模擬和試驗研究。實測國外原型水渦輪的最高效率為34%，對應(yīng)轉(zhuǎn)速為700 r/min，對應(yīng)流量為25 m3/h。并嘗試采用GA_BP優(yōu)化算法進行了優(yōu)化設(shè)計，獲得了進一步優(yōu)化的轉(zhuǎn)輪模型，經(jīng)試驗實測證明，優(yōu)化后水渦輪設(shè)計工況的效率提高了10.9個百分點，軸功率增加了49%。

黎耀軍等[60]也對國外的這種水渦輪原型進行了數(shù)值分析和試驗，試驗結(jié)果與文獻[5,59]基本一致。通過正交試驗，改進了原來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個百分點。但沒有看到對改進后的水渦輪的試驗驗證。

卷盤式噴灌機所用水渦輪實際上就是水力機械領(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)計了多種前彎形葉片的徑流式水力透平，并對葉片安放角、轉(zhuǎn)輪直徑、轉(zhuǎn)速影響等因素進行了數(shù)值分析和試驗，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，對水渦輪的研究在研究方法上比早期已經(jīng)有了很大進步，不僅建立了水力性能試驗裝置，而且采用現(xiàn)代流體動力學(xué)CFD開展水渦輪內(nèi)部流動及能量轉(zhuǎn)換機理的研究，從流動規(guī)律出發(fā)，優(yōu)化水渦輪結(jié)構(gòu)。在設(shè)計方法上，不僅有采用傳統(tǒng)正交試驗法，也有采用現(xiàn)代優(yōu)化算法的優(yōu)化設(shè)計，使水渦輪效率進一步提升。但是，文獻[54,56-58,60]對原模型進行改進后，只進行了CFD性能預(yù)測，而缺少對改進后的水渦輪進行試驗驗證和動力特性的討論。文獻[5]注意了研究的完整性，從討論卷盤負(fù)載特性到傳動系統(tǒng)效率試驗，提出了水渦輪軸功率的確定方法，分析和實測了水渦輪的水力和動力特性。

4.1.2液壓馬達驅(qū)動技術(shù)

國外大型的卷盤式噴灌機基本上都采用柴油機為動力來驅(qū)動液壓泵，將機械能轉(zhuǎn)換為液力輸出，其中一路液力帶動液壓馬達驅(qū)動卷盤回轉(zhuǎn)，液壓泵輸出的其他油路控制噴灌機底盤回轉(zhuǎn)和整機支撐系統(tǒng)，圖7所示為意大利CASELLA公司的柴油機動力系統(tǒng)。

圖7 CASELLA柴油機動力的液壓馬達驅(qū)動技術(shù)Fig.7 Hydraulic pump-hydraulic motor drive technology of CASELLA diesel power1.減速箱 2.液壓馬達 3.底盤牙盤 4.傳動鏈條

在國內(nèi)，嚴(yán)海軍等[69]利用小四輪拖拉機液壓系統(tǒng)來帶動卷盤噴灌機上的液壓馬達驅(qū)動卷盤回轉(zhuǎn)。

4.1.3電機驅(qū)動技術(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，流道的水力損失會使噴灌機的入機壓力和供水泵的功率增大。而普通電機的效率一般可達到70%～80%。因此，國外除了采用水渦輪和液壓馬達作驅(qū)動外，許多公司也采用電機作驅(qū)動，如圖8a所示是意大利IRRIMEC公司采用異步電機作動力的驅(qū)動系統(tǒng)，電機采用逆變電源供電。

我國研究人員采用永磁無刷直流電機代替水渦輪作驅(qū)動開展了研究。永磁無刷直流電機不但可以用蓄電池供電還可以使用太陽能供電，能量轉(zhuǎn)換效率可達到80%以上。但由于電機轉(zhuǎn)速比水渦輪高，減速箱的傳動比就必須加大，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，電機轉(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]注重動力與傳動的匹配性研究，研發(fā)成功了電機-減速箱一體化結(jié)構(gòu)，簡化了傳動環(huán)節(jié)，如圖8b所示。

圖8 電機驅(qū)動系統(tǒng)Fig.8 Motor drive system1.電機 2.傳動鏈條 3.減速箱

減速箱采用直齒圓柱齒輪和蝸輪蝸桿混合傳動的方案，基于電機轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性和變速規(guī)律，建立了傳動效率高、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)化了大傳動比減速箱，使傳動系統(tǒng)的效率提高了20%以上，體積減小了10%[71-72]。此后，趙進等[73]又采用行星齒輪傳動代替了直齒圓柱齒輪和蝸輪蝸桿混合傳動，進一步提高了減速箱的傳動效率，降低了電機功率，使太陽能板面積進一步減小。

4.2 傳動系統(tǒng)

卷盤式噴灌機是通過噴頭車在田間行走來達到灌溉的目的，灌水量靠行走速度來調(diào)節(jié)，噴頭車的最低行走速度為10 m/h左右，卷盤回轉(zhuǎn)牽引噴頭車的轉(zhuǎn)速極低，而動力機的旋轉(zhuǎn)速度相對較高，因此，在動力與卷盤之間需要一套減速傳動系統(tǒng)來實現(xiàn)。

4.2.1傳統(tǒng)傳動機構(gòu)

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

湯玲迪等[74]發(fā)明了一種卷盤式噴灌機傳動系統(tǒng)效率試驗裝置，解決了大扭矩傳動系統(tǒng)試驗難的問題。張晨駿等[75]采用文獻[74]的試驗裝置對圖9a所示JP75型的傳動系統(tǒng)進行了效率試驗，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。再加上國產(chǎn)水渦輪效率低的問題突出，造成國產(chǎn)卷盤式噴灌機的動力-傳動系統(tǒng)的整體效率不足10%。蘇中偉[76]從工程設(shè)計的角度，討論了水渦輪軸功率和減速箱傳動比的計算方法，但傳動系統(tǒng)的傳動效率取名義值計算，其可信度不高，文獻[5]中傳動系統(tǒng)的試驗結(jié)果足可證明此點。

4.2.2高效傳動機構(gòu)

國外卷盤式噴灌機經(jīng)過40多年的發(fā)展，傳動系統(tǒng)進行了很大改進。首先是重新設(shè)計了新的水渦輪結(jié)構(gòu)，效率比老式水渦輪提高了10多個百分點，并將水渦輪與減速箱直聯(lián)，減少了傳動環(huán)節(jié)，其次是減速箱輸出牙輪與卷盤上大牙盤之間采用齒輪嚙合型式，傳動效率有了很大提高，大牙盤有內(nèi)齒和外齒兩種型式，如圖10所示。試驗表明，新型傳動系統(tǒng)的傳動效率比傳統(tǒng)傳動系統(tǒng)提高10～20個百分點[5]。

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

綜合了驅(qū)動和傳動兩個系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，文獻[70]在研究開發(fā)電機做卷盤動力時，注意了減速箱傳動比的匹配性，從動力-傳動整個系統(tǒng)考慮了能量的高效轉(zhuǎn)換。但水渦輪作卷盤驅(qū)動和柴油機作卷盤動力的系統(tǒng)運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

卷盤式噴灌機作業(yè)時，當(dāng)盤繞的PE管在卷盤上發(fā)生層間變化時，一方面，牽引噴頭車的線速度會隨PE管的盤繞半徑增加而加快，造成灌水量減少；另一方面，隨著PE管不斷被回收，卷盤的負(fù)載越來越小，卷盤的角速度隨之變快，也會造成灌水量減少[5-6,14,69]。COATES等[77]通過試驗發(fā)現(xiàn)，水渦輪驅(qū)動的卷盤式噴灌機，在沒有速度控制時，噴頭車移動速度差為47%，當(dāng)供給壓力恒定時，機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)動的速度控制技術(shù)

原語翻譯生態(tài)環(huán)境，廣義上是指包括原語文本在內(nèi)的原語語言、社會、經(jīng)濟、文化等宏觀環(huán)境；狹義上是指原語文本的語言特點和文化特征。本文僅對狹義上的原語翻譯生態(tài)環(huán)境進行分析，即寒山詩文本的白話文語言特點及其反映出的中國佛、道文化。

水渦輪驅(qū)動的速度感知與控制裝置分機械式和電控式兩種。機械式是通過盤繞在卷盤上的PE管壓桿感知盤繞層的變化，進而牽動拉桿機構(gòu)來調(diào)節(jié)水渦輪旁路閥的開度，以減少進入水渦輪的流量，使水渦輪轉(zhuǎn)速降低來達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 機械式速度控制裝置Fig.11 Mechanical speed control device1.PE管壓桿 2.卷盤 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頭，通過由速度傳感器、控制器和電動頭組成的速度反饋控制系統(tǒng)控制進入水渦輪的流量來降低轉(zhuǎn)速，達到控制牽引噴頭車PE管的線速度。目前，國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速盤和霍爾感應(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.測速盤 3.感應(yīng)頭 4.PE管 5.測速輥 6.液壓馬達 7.液壓閥 8.電動頭

4.3.3液壓馬達驅(qū)動的速度控制技術(shù)

國外液壓馬達驅(qū)動的速度控制執(zhí)行機構(gòu)是采用電動頭通過液壓閥控制與減速箱直聯(lián)的液壓馬達的轉(zhuǎn)速來達到調(diào)節(jié)卷盤回轉(zhuǎn)的速度，實現(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)動的速度控制技術(shù)

文獻[70]在研發(fā)光伏電驅(qū)動卷盤式噴灌機時，構(gòu)建了通過由速度傳感器、控制器和直流電機組成的速度反饋控制系統(tǒng)來控制電機的轉(zhuǎn)速以達到調(diào)節(jié)卷盤回轉(zhuǎn)的速度及PE管的線速度的目的，控制誤差5%，地面灌溉均勻性達到90%左右。在此基礎(chǔ)上，吳晨[78]針對現(xiàn)有電驅(qū)動卷盤噴灌機無法實現(xiàn)作業(yè)信息無線物聯(lián)和控制的問題，設(shè)計了一種基于手機APP的卷盤式噴灌機無刷直流電機驅(qū)動與控制系統(tǒng)，手機客戶端可以遠程監(jiān)控卷盤噴灌機的運行剩余時間、PE管長度、電機轉(zhuǎn)速、卷盤轉(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)計了一種基于DSP和ARM的人機交互絞盤式太陽能噴灌機智能控制系統(tǒng)；張會娟等[80]設(shè)計了一種采用步進電機驅(qū)動卷盤回轉(zhuǎn)和控制卷盤轉(zhuǎn)速及噴頭車移動速度的控制系統(tǒng)。還有一些企業(yè)自行研發(fā)了電驅(qū)動卷盤式噴灌機及速度控制器。

國外的速度控制技術(shù)在30多年前就實現(xiàn)了電子化，速度誤差在5%左右。而國內(nèi)直到近5年才開始研究和開發(fā)，市場上大部分卷盤式噴灌機還是機械式速度控制技術(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

為卷盤式噴灌機的噴頭車供水的管道是一種聚乙烯PE管，噴灌作業(yè)開始前，需要用拖拉機等牽引設(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)，開始灌溉時，隨著卷盤回卷，PE管一邊牽引噴頭車移動噴灑，一邊被逐漸盤繞在卷盤上，噴灌結(jié)束時，PE管呈螺旋盤繞狀態(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，要求卷盤式噴灌機上的PE管具有耐壓、耐磨、耐拉、耐環(huán)境應(yīng)力開裂和水力損失低等機械特性和水力特性。

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具有強度高、剛性好的機械特性，而低密度PE具有強度低、柔軟性好的機械特性。郝金東[8]介紹了國外20世紀(jì)70年代就使用中密度PE管(德國標(biāo)準(zhǔn)為HDPE2型)。ROCHESTER等[81]在分析PE管壓力損失時使用的是一種牌號為PE2406的中密度原料。文獻[7]根據(jù)德國3種不同密度PE管的對比數(shù)據(jù)，說明中密度PE管的拉伸強度和斷裂強度遠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[11]分析了德國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樹脂為主要原料，并添加聚異丁烯、低密度PE、EVA、抗氧劑、潤滑劑和碳黑作為改性劑進行了大量試驗，獲得了耐環(huán)境應(yīng)力開裂的PE管配方，經(jīng)測試，機械性能達到國外同類產(chǎn)品水平。

雖然我國在20世紀(jì)80年代就基本解決了PE管的材質(zhì)問題，但其技術(shù)卻隨著我國企業(yè)體制的變化而流失，現(xiàn)在幾乎找不到提供卷盤式噴灌機使用的特質(zhì)PE管的生產(chǎn)企業(yè)，大多數(shù)卷盤式噴灌機制造企業(yè)只好采用高密度PE盤管，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不準(zhǔn)等問題。

PE管壁偏厚也是我國卷盤式噴灌機能耗高的主要因素之一，國內(nèi)外PE管的壁厚見表3。

表3 國內(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

卷盤式噴灌機PE 輸水管的水力特性受工作狀態(tài)影響呈現(xiàn)動態(tài)變化的特點，隨著PE管逐漸被盤繞到卷盤上，其流動阻力也逐漸增大，流動阻力是平鋪近似直管與螺旋盤管的疊加。當(dāng)彎曲管形成螺旋盤管時，其阻力損失的機理非常復(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，國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)對摩擦因數(shù)的影響進行了長期深入研究，形成了多種不同流態(tài)條件的計算公式，開展了長期的學(xué)術(shù)交流和爭論[12,83-90]。

較早直接針對卷盤式噴灌機PE螺旋盤管流動損失研究的是文獻[81]，試驗測試了某一種規(guī)格的PE管在不同速度水頭下完全展開和完全盤卷狀態(tài)的壓力損失，線性回歸得到了單位長度壓力損失與速度水頭的系數(shù)。在國內(nèi)，張敏等[91]用達西公式與局部損失公式之和代表盤管的損失，推導(dǎo)了一個對數(shù)線性方程，并以1圈PE盤管進行試驗來驗證所建方程。但文獻[81,91]都未討論不同圈數(shù)對摩擦因數(shù)的影響。湯玲迪等[92-96]采用數(shù)值計算的方法對PE盤管進行了內(nèi)部流動分析，掌握了其內(nèi)部流動規(guī)律，通過對8種r/R比值的PE管的模擬試驗，建立了一種單位長度摩擦因數(shù)計算模型，在對不同圈數(shù)的模擬試驗中，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盤管的變化而調(diào)整，并對4種典型PE管進行了試驗驗證[96]。

由于螺旋盤管結(jié)構(gòu)及內(nèi)部流動的復(fù)雜性和卷盤式噴灌機PE管盤繞的動態(tài)特征，其流動阻力的研究和試驗還有待進一步深入。

4.5 噴頭車技術(shù)

噴頭車是卷盤式噴灌機在田間移動噴灑的執(zhí)行機構(gòu)，其運動穩(wěn)定性和對地形的適應(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]采用虛擬樣機技術(shù)對桁架式噴灑車的縱向、橫向抗傾覆性以及爬坡能力等穩(wěn)定性問題進行了動力學(xué)仿真分析和試驗，并對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)鍵因素進行優(yōu)化，使臨界爬坡角比原來提高了21.48%。趙進等[99]對單噴頭車的拓?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度大等問題，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，可以達到節(jié)能、降低噴灌強度、提高霧化和均勻性水平的目的。

5 今后研究重點與發(fā)展趨勢分析

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)灌水將成為卷盤式噴灌機的4個研究方向和發(fā)展趨勢。

5.1 研究重點

(1)完善PE盤繞輸水管流動阻力計算與驗證試驗方法，研究PE盤管單位長度摩擦因數(shù)與盤繞圈數(shù)的關(guān)系，克服依靠單圈推導(dǎo)和試驗得出的公式在多圈動態(tài)盤繞狀態(tài)下所帶來的誤差和局限性。

建立卷盤式噴灌機PE管滑動摩擦因數(shù)試驗方法，研究不同土壤土質(zhì)條件下滑動摩擦因數(shù)與阻力的關(guān)系，克服現(xiàn)有技術(shù)采用假設(shè)滑動摩擦因數(shù)分析卷盤負(fù)載時取值偏大，造成驅(qū)動動力配套大、負(fù)載率低和運行效率降低的問題。

研究和試驗適合卷盤式噴灌機使用的不同規(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)速徑流式水渦輪的蝸殼和轉(zhuǎn)輪水力參數(shù)對性能的影響及適合高轉(zhuǎn)速運行的耐磨材料，揭示蝸殼引水室、轉(zhuǎn)輪內(nèi)部和出水管內(nèi)渦旋的流場結(jié)構(gòu)、能量轉(zhuǎn)換機理，突破現(xiàn)有低速水渦輪效率難以提高的瓶頸問題。

建立基于先進算法的水渦輪優(yōu)化、快速設(shè)計和多工況設(shè)計方法，研究卷盤式噴灌機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)部流場結(jié)構(gòu)和對水渦輪進口流態(tài)的擾動影響。

研究和完善低速水渦輪不同進口結(jié)構(gòu)和徑流式轉(zhuǎn)輪幾何參數(shù)對性能的影響，進一步挖掘效率空間，淘汰現(xiàn)有斜擊式水渦輪。

(3)研發(fā)適合高速驅(qū)動動力的大傳動比行星齒輪減速箱以及換擋和脫擋機構(gòu)，構(gòu)建卷盤不同驅(qū)動方式的動力特性與負(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)載工況下動力及傳動系統(tǒng)高效運行的減速箱擋位數(shù)和換擋策略，解決高速驅(qū)動動力與大傳動比減速箱的匹配不當(dāng)所造成的傳動運行效率低的難題。

(4)研究單噴頭變轉(zhuǎn)速控制裝置及其控制規(guī)律對灌水分布圖形的影響，揭示扁平化灌水分布圖形對提高卷盤式噴灌機疊加組合噴灌作業(yè)的灌水均勻性和節(jié)水節(jié)能的機理，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算方法及其實用性。

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灌水均勻性的影響。

(5)研發(fā)智能速度控制器。分析卷盤式噴灌機噴頭車行走速度的均勻性對灌水均勻性的影響程度，確定合理的行走速度控制偏差帶，研究基于先進算法的控制率對速度反饋系統(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盤管回收時的流動阻力對供水量、噴頭工作壓力和噴灌均勻性的影響，研究噴頭工作壓力補償規(guī)律和方法。

5.2 發(fā)展趨勢

(1)水肥一體化功能是近年來灌溉裝備的研究熱點和發(fā)展方向之一。

由于輸水管內(nèi)部工作壓力較高，所以，在卷盤式噴灌機上增加水肥一體化功能時，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。

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

注肥方法是將輸入卷盤式噴灌機的灌溉水分流進入一個可添加可溶性顆粒肥的容器中，經(jīng)溶解混合后，由計量泵按比例注入卷盤式噴灌機管路，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，添加的量和速度對溶解混合濃度的均勻性還是目前國內(nèi)沒有解決的難題，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)的智慧灌溉是一個多學(xué)科融合才能實現(xiàn)的現(xiàn)代化灌溉裝備體系，也是卷盤式噴灌機必然的發(fā)展方向。

由于卷盤式噴灌機在使用前需要根據(jù)灌水量來設(shè)置噴頭車的行走速度，傳統(tǒng)上是靠農(nóng)民的經(jīng)驗來估算灌水量，再通過灌水量與噴頭車行走速度關(guān)系表來設(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決策灌水量和噴灌車行走速度，實現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉和智能控制的目的，使農(nóng)民真正可以“傻瓜”使用卷盤式噴灌機。

為此，提出卷盤式噴灌機智慧灌溉體系架構(gòu)，如圖13所示。

圖13 基于物聯(lián)網(wǎng)的卷盤式噴灌機智慧灌溉架構(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)實現(xiàn)通信的卷盤式噴灌機的智能速度控制器、水泵運行管理控制器，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點，或者采用無人機、衛(wèi)星遙感等監(jiān)測技術(shù)手段。數(shù)據(jù)經(jīng)預(yù)處理后通過互聯(lián)網(wǎng)上傳至專門的服務(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)布等研究內(nèi)容。

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

卷盤式噴灌機的智能速度控制器應(yīng)具備與手機APP、水泵運行管理控制器互聯(lián)互通功能，手機APP是智能速度控制器的控制與信息界面，可以通過其獲取灌水提醒的信息，了解經(jīng)過專家系統(tǒng)處理的灌溉地圖，也可以隨時獲取卷盤式噴灌機作業(yè)數(shù)據(jù)，掌握運行工作狀態(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)問題。

服務(wù)器是數(shù)據(jù)處理和決策平臺，是整個架構(gòu)的中樞。負(fù)責(zé)處理來自農(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內(nèi)容。