河北省农业机械化研究所有限公司 陈林 张秀平 张亚振 徐志杰

引言

随着农业机械化的快速发展，农田灌溉逐渐成为农业全程机械化的薄弱环节，相当一部分地区依然采用田间修畦漫灌的落后办法，不仅浪费土地和水资源，还会消耗大量人力。近些年，为提高灌溉效率，减轻作业人员劳动强度，指针式喷灌机、桁架式平移喷灌机、地埋式喷灌系统、滴灌系统、绞盘式喷灌机等不同灌溉机具都得到了发展，但是存在设备初始投入资金相对较大[1]、不适宜中小型“长方形地块”、移动困难、需配备高压水源等问题，这些问题限制了上述喷灌设备的推广使用。我国正处于土地流转的发展期，流转土地还存在不稳定性，可以预见现阶段在我国人口密集的平原地区推广大型或经济投入较高的喷灌设备较为困难。因此，针对我国大量存在的中小型“长方形地块”，研制一种轻简化智能自走式平移悬臂喷灌机具有重要意义。

1 轻简化智能平移喷灌机总体方案

1.1 整机结构

轻简化智能平移喷灌机的主要特点是轻简化，以达到经济实用的目的。整机结构如图1所示。喷管组合通过钢丝绳组件安装于悬架上面，悬架通过铰接轴与行走机架连接，悬架的下表面与行走机架的上表面接触，悬架与安装于其上的喷管组合、钢丝绳组件作为一个整体，可以绕铰接轴相对于行走机架转动；水泵组件、定向部件、控制盒安装于行走机架的中部；两个行走轮组件分别安装于行走机架底部的两侧对称位置，其中一个行走轮组件与行走机架通过铰接方式安装，可以随着不平整地面浮动而不影响整机稳定性。

图1轻简化智能平移喷灌机整机结构

1.2 工作原理

灌溉前预先在农田开设明渠引水，然后喷灌机从明渠汲水并平移行走进行喷灌。如图1所示，水泵组件的汲水口与汲水管组件连通，并通过汲水管组件从地面的明渠中汲水，水泵组件的出水口通过耐压软管与喷管组合连通，实现喷洒灌溉，喷管组合的单侧臂展宽度18～24m可调。定向部件用于远距离观察方向，并通过控制盒调节喷灌机的行进方向和行进速度。喷灌机在作业过程中，实时检测明渠中的水量变化，并把水量变化作为控制因子参与到整机智能控制系统对汲水量和机具行走速度的控制中。喷灌机可依靠智能控制系统实现无人值守作业。

1.3 动力系统

本机的动力系统需要满足灌溉、行走两个主要功能的需求，智能控制系统居中协调，如图2所示。动力总来源为汽油发电机组，汽油发电机组产生的电力通过智能控制系统供应行走机构和汲水灌溉机构。智能控制系统监测并控制汽油发电机组、行走机构、汲水灌溉机构的工作状态。

图2动力系统示意图

2 行走系统设计

2.1 行走机构

行走机构由两组行走轮组件组成，采用四轮驱动结构。行走轮组件两端安装行走轮，中部安装驱动电机，驱动电机通过传动轴同时驱动前后两个行走轮，行走轮安装有测速传感器和电控刹/驻车装置。行走轮组件在智能控制系统控制下协调工作，可以完成定速行走、方向微调、停车、转弯等动作。

2.2 避障设计

悬架与安装其上的喷管组合、钢丝绳组件构成一个相对独立的部装，该部装通过铰接轴与行走机架连接并可相对转动。其相对转动受到复位拉簧弹簧力的阻碍，复位拉簧一方面起到稳定悬架部装的作用，另一方面能够缓冲悬架部装受到的外力影响，避免零部件损坏。应用实例：田间工作时，喷管组合会受到风力影响而弯曲或晃动，还会遇到电线杆等障碍物，悬架部装可以随喷灌组同步晃动，并在外力消除或避开障碍物后自动复位；当喷灌机完成一次作业或行驶到地头时，可以调整或拆掉复位拉簧，使行走机架和悬架部装相对转动90°，方便喷灌机在地头移动，转移地块。

2.3 智能控制

行走系统智能控制是整机智能控制系统的重要组成部分，主要功能是直线定向行走、故障停车以及根据汲水量变化对行走速度进行动态调控，目的是保障灌溉的均匀性，并实现无人值守作业。如图3所示，方向设定、速度设定、水位监测、故障监测、速度反馈是行走控制系统的主要控制因子。其中，方向设定采用电动陀螺仪技术，依靠人工定向后，喷灌机将自动沿着既定方向行走。

图3行走控制系统示意图

3 喷灌系统设计

3.1 汲水部件

水泵组件和汲水管组件共同组成汲水部件。如图2所示，水泵采用电机作为动力，受智能控制系统控制。汲水管相对于机架的高低、左右位置均可调，底部位于引水明渠中，并安装过滤装置，上部与水泵组件联通。汲水管外壁安装水位感应装置，实时监测明渠中水位的变化，并把信号传递给智能控制单元。智能控制系统根据水位的变化，控制水泵组件的汲水量和灌溉速度。当明渠中缺水时，喷灌机会自动停机。

3.2 喷洒部件

喷洒部件由喷管组合和喷头组成。喷管组合由多段不锈钢管组合而成，各段不锈钢管之间采用快速接头连接，喷管组合整体上对称布置，并形成两个上扬的弧度。每段喷管下部均布若干喷头，各个喷头可单独关闭。喷灌组合可根据农田面积在一定范围内自由组合，轻简化喷灌机最大喷洒幅宽设计值为50米。

4 经济效益分析

根据轻简化智能平移喷灌机的构造和主要零部件价格，测算其批量生产后的售价约为2万元/台。根据市场调研和相关资料中的数据，指针式喷灌机的设备成本为14250元/hm2，即950元/亩[2]，随着安装面积的增大，超过30 hm2以上设备的亩投入成本可降至500元左右，此时的灌溉周期约为120小时；地埋式喷灌系统的设备投入及安装费用约1200元/亩。

轻简化智能平移喷灌机的设计行走速度为8～60m/h，喷灌幅宽为50米，对照设备亩投入成本较低的指针式喷灌机，以相同的灌溉强度为前提，1台轻简化智能平移喷灌机120小时可以灌溉72亩农田，则30 hm2农田需要配备6.25台轻简化智能平移喷灌机，取整为7台，总设备投资为14万元，平均设备投入为311.11元/亩。则使用轻简化智能平移灌溉机的亩投入成本远低于使用另两种灌溉设备。

5 结论

本机针对中小型“长方形地块”设计，相较于传统的平移喷灌机：转移地块比较方便，提高使用效率；运用智能控制技术实现直线定向行走，操控简单；设备的投入成本相对较低，具有市场前景和推广价值。不足之处在于使用本机时需要提前在农田开设明渠引水，增加工作量并造成土地浪费，有待进一步改进完善。