新型絞盤式噴灌機(jī)噴頭車技術(shù)研究

王 俊

(黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

1 概 述

黑龍江省地處祖國(guó)的北部邊陲，是亞洲大陸和太平洋地區(qū)陸路通往俄羅斯及歐洲大陸的重要通道，北部和東部與俄羅斯接壤。在黑龍江省，農(nóng)業(yè)是用水大戶。2016年，全省用水總量為352.64億m3，其中，農(nóng)業(yè)用水量為309.79億m3，占全省用水總量的87.8%，而農(nóng)田灌溉用水量為305.83億m3，又占農(nóng)業(yè)用水量的98.7%。同時(shí)，“十年九春旱”、農(nóng)業(yè)用水粗放在全省各地都不同程度地存在，一些流域、區(qū)域，水資源供需矛盾日益突出。近些年，為了提高水資源利用率，實(shí)現(xiàn)水資源的永續(xù)利用，全省大力推廣高效節(jié)水灌溉技術(shù)[1]，全省高效節(jié)水灌溉面積從2010年的100萬(wàn)hm2發(fā)展到現(xiàn)在的206.67萬(wàn)hm2[2]。噴灌是一種先進(jìn)的灌溉技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)節(jié)水40%～50%。絞盤式噴灌機(jī)在全省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用比較廣泛，因其具有工作壓力低、結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡(jiǎn)便、灌溉面積大等特點(diǎn)，在抗春旱、保春播中做出了重大貢獻(xiàn)。但是，由于絞盤式噴灌機(jī)受噴頭高度、噴頭車地隙等因素的制約，在作物生育后期、伏旱中難以使用，降低了絞盤式噴灌機(jī)的利用率。因此，本項(xiàng)研究對(duì)現(xiàn)有噴灌機(jī)噴頭車結(jié)構(gòu)進(jìn)行技術(shù)改造，減少作業(yè)道或間作低植株作物帶寬度，有效提高絞盤式噴灌機(jī)的使用率，對(duì)保障糧食穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)具有重要的意義。

2 絞盤式噴灌機(jī)的構(gòu)造和工作原理

本項(xiàng)研究采用的絞盤式噴灌機(jī)型號(hào)為JP75/300，是一種將牽引PE管纏繞在絞盤上，利用噴灌壓力水驅(qū)動(dòng)水渦輪旋轉(zhuǎn)，經(jīng)變速裝置驅(qū)動(dòng)絞盤旋轉(zhuǎn)，并牽引噴頭車自動(dòng)移動(dòng)和噴灑的灌溉機(jī)械[3]，它具有移動(dòng)方便、操作簡(jiǎn)單、省工省時(shí)、灌溉精度高、節(jié)水效果好、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能有效地提供作物所需要的水分，提高產(chǎn)量。

2.1 構(gòu) 造

絞盤式噴灌機(jī)主要由底架、卷盤、PE管、驅(qū)動(dòng)裝置(水渦輪箱)、傳動(dòng)裝置(變速箱)、噴頭車和變頻控制柜等部件構(gòu)成，噴頭車由行走輪、支架和噴頭等部件構(gòu)成。具體結(jié)構(gòu)見圖1。

(1)PE管：采用最新的高科技產(chǎn)品，抗拉強(qiáng)度高、耐磨性好，抗環(huán)境應(yīng)力及開裂性能極好，安全系數(shù)大，壽命在10 a以上，一端連接在絞盤，另一端則與噴頭車相連。

(2)水渦輪箱：它是整臺(tái)噴灌機(jī)的關(guān)鍵部件，防腐蝕、效率高，主要由渦輪、渦輪軸、殼體及彎頭、隔舌組成。設(shè)計(jì)出水量為13～60 m3/h，葉輪的轉(zhuǎn)速為200～800 r/min。

圖1 絞盤式噴灌機(jī)結(jié)構(gòu)圖

(3)噴頭車：是一個(gè)具有兩個(gè)行走輪并安裝噴頭的機(jī)構(gòu)，通過PE管牽引進(jìn)行噴灑作業(yè)，每次灌溉結(jié)束噴頭車能自動(dòng)的被舉升到運(yùn)輸位置，移動(dòng)至下一個(gè)工作地點(diǎn)，進(jìn)行作業(yè)。

2.2 工作原理

進(jìn)行噴灌作業(yè)時(shí)，首先使用拖拉機(jī)將絞盤式噴灌機(jī)組牽引至田間噴灌作業(yè)區(qū)，將底架固定在作業(yè)區(qū)的一端，PE軟管平鋪在田間，PE軟管一端與噴頭車相連，另一端纏繞在卷盤上并與驅(qū)動(dòng)裝置相連，待鋪設(shè)完畢開始噴灌作業(yè)時(shí)，灌溉水入機(jī)首先流經(jīng)驅(qū)動(dòng)裝置，壓力水作用于驅(qū)動(dòng)裝置使卷盤旋轉(zhuǎn)，PE軟管一層一層纏繞在卷盤上，噴灌小車則隨著PE軟管的纏繞向卷盤車運(yùn)動(dòng)，從驅(qū)動(dòng)裝置流出的壓力水通過PE軟管流至噴頭處，噴頭均勻地將高壓水流噴灑到作物上空，散成細(xì)小的水滴均勻落下，并隨著PE管的移動(dòng)不間歇地進(jìn)行噴灑作業(yè)。隨著PE軟管的回收，噴頭車靠近卷盤時(shí)自動(dòng)停止工作，由拖拉機(jī)牽引至下一個(gè)工作地點(diǎn)進(jìn)行噴灌作業(yè)。

3 新型噴頭車設(shè)計(jì)研究

3.1 傳統(tǒng)噴頭車特點(diǎn)及適用程度

采用對(duì)稱雙輪式行走，輪距為60～1500 mm，地隙高度為550～600 mm，噴頭架設(shè)高度為600～700 mm，目前黑龍江省正在應(yīng)用的絞盤式噴灌機(jī)多采用此種噴頭車，其優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)為行進(jìn)平穩(wěn)，對(duì)土壤條件的適應(yīng)能力強(qiáng)。其顯著的弊端為地隙高度較低，僅適合低矮作物灌溉及高桿作物苗期灌溉，從而造成生育期設(shè)備使用率低，抗伏旱能力差。通過作物率較低這一特點(diǎn)是制約絞盤式噴灌機(jī)更好發(fā)展及應(yīng)用的主要瓶頸。

3.2 新型噴頭車設(shè)計(jì)方案

針對(duì)這一瓶頸，本方案以提高地隙高度為落腳點(diǎn)進(jìn)行研究。在兼顧提升高度并保持噴頭車行進(jìn)穩(wěn)定性的前提下，制定了初步方案，以下簡(jiǎn)稱方案一。移動(dòng)式噴灌系統(tǒng)豎管高度設(shè)置為1.5 m，經(jīng)多年實(shí)踐應(yīng)用證實(shí)，基本可滿足黑龍江省春、夏兩季灌溉需求。參照移動(dòng)式噴灌系統(tǒng)的設(shè)定，本次方案中，擬定噴頭車高度提升至1.5 m。采用原噴頭車形式，保持兩輪且間距不變，僅對(duì)縱向高度進(jìn)行提高[4-5]。

3.3 性能測(cè)試

按照方案一的設(shè)想，機(jī)械師對(duì)噴頭車進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造，首先，在改造車間運(yùn)行場(chǎng)內(nèi)，無水牽引條件下，進(jìn)行試運(yùn)行試驗(yàn)，運(yùn)行狀態(tài)較穩(wěn)定，未出現(xiàn)側(cè)翻，偏移等問題。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的室外試驗(yàn)場(chǎng)模擬實(shí)際操作試驗(yàn)，運(yùn)行過程中，出現(xiàn)前后搖擺、行進(jìn)困難等情況；在提高運(yùn)行速度情況下，行進(jìn)困難，并出現(xiàn)側(cè)翻。

經(jīng)過3次室內(nèi)試驗(yàn)、3次室外試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)方案一存在明顯的不穩(wěn)定因素，無法保證噴頭車平穩(wěn)運(yùn)行。經(jīng)項(xiàng)目組與機(jī)械師研究，擬定采用可升降式噴頭車，并采用雙側(cè)4輪組合方式，保證運(yùn)行穩(wěn)定性，同時(shí)提高噴頭車通過率。制定方案二、方案三，方案二采用4組液壓方式雙檔設(shè)置提升地隙高度；方案三采用機(jī)械承插式雙檔設(shè)置提升地隙高度。

設(shè)備改造完成后，同時(shí)對(duì)方案二、方案三的改造設(shè)備進(jìn)行了室內(nèi)無水牽引試驗(yàn)及田間運(yùn)行試驗(yàn)，初步試驗(yàn)成果歸納如下。方案二，室內(nèi)無水牽引試驗(yàn)與田間觀測(cè)試驗(yàn)均運(yùn)行平穩(wěn)，與傳統(tǒng)噴灌機(jī)相比，相同運(yùn)行條件下運(yùn)行速度緩慢。方案三，室內(nèi)無水牽引試驗(yàn)運(yùn)行平穩(wěn)，田間觀測(cè)試驗(yàn)運(yùn)行較平穩(wěn)，與傳統(tǒng)噴灌機(jī)相比，運(yùn)行速度正常。

方案二、方案三經(jīng)試驗(yàn)后，初步歸納為：方案二的四輪油壓式噴頭車自重高，尚需對(duì)噴頭車主體車架的材質(zhì)及框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。方案三較穩(wěn)定，噴頭車主體框架結(jié)構(gòu)需進(jìn)一步修改完善。

各方案具體試驗(yàn)對(duì)比情況見表1。方案二與方案三初步改造成本情況見表2。

表1 方案試驗(yàn)對(duì)比

表2 方案二與方案三初步改造成本統(tǒng)計(jì)

3.4 預(yù)期的效益

本研究成果，通過提高地隙高度，保障了作物春夏兩季作物灌水需求，與傳統(tǒng)絞盤式噴灌機(jī)相比，保障了作物穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)，預(yù)期可提高作物產(chǎn)量20%以上。

4 結(jié)論與建議

本研究為一種可調(diào)節(jié)的節(jié)水灌溉裝置，可以進(jìn)行上下伸縮。因此，在使用時(shí)只要將其升起到一定的高度便可以對(duì)放置不同高度位置的植物進(jìn)行噴水灌溉，解決了絞盤式噴灌機(jī)在實(shí)際應(yīng)用過程中存在的瓶頸問題，為絞盤式噴灌機(jī)在作物生長(zhǎng)后期以及抗伏旱中發(fā)揮作用提供了技術(shù)保障，為黑龍江省糧食穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)提供了基礎(chǔ)保障。