CN114175989A - 一种智能行走式喷灌机系统及喷灌方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种智能行走式喷灌机系统及喷灌方法，包括底盘车、卷盘车、流量计、阀门Ⅱ、多级泵、摇臂喷头，喷灌机可自主变更喷灌路线且爬坡、越野能力强，不仅适用于直线灌溉，还适用于中小型田块、不规则田块和山区坡地、梯田等场景的机动灌溉。喷灌作业时，所述离合器与回收电机减速箱一体机处于脱离状态，通过调节所述底盘车行驶速度实现对不同作物的精确灌溉；喷灌结束后，脱离PE管与底盘车的连接，回收电机‑减速箱一体机与离合器处于咬紧状态，回收完PE管后，喷灌机和底盘车移至下一个喷灌点。该系统提高了传统卷盘式喷灌机的智能化水平、作业效率，降低了劳动强度。
Description
技术领域
本发明属于卷盘式喷灌机的技术装备领域，应用于井灌区，具体涉及一种智能控制并实现机动喷灌作业的行走式喷灌机系统。
背景技术
目前，喷灌机系统主要基于大型中心支轴式喷灌机、中型卷盘式喷灌机和轻小型喷灌机，并应用于欧洲、我国东北和西北等部分地区的定点水源处，但存在着地势、地形要求高或机动能力差或智能化程度低等问题。山区坡地、梯田等场景的灌溉对于喷灌机的机动性较高，更处于“无机可用”的状态。
市场化的卷盘式喷灌机具有一定的机动、灵活性，但该机形成的系统还存在智能化程度低、PE管回收速度不均匀的问题。喷灌机机动性或越野、爬坡能力的文献提及较少，随着自动化水平不断提高，国内学者提出了除水涡轮以外的其它驱动装置，农机化研究“卷管式喷灌机绞盘速度自动控制系统的研究”(2007年第1期)采用51单片机控制步进电机驱动卷盘，实现了喷头车速度的调节。农业机械学报“喷灌和软管灌溉两用机组水量分布特性与试验”(2009年第11期)指出灌水器的行走速率是影响机组水量分布均匀性的主要因素之一，由于回收PE管换层时，造成PE管的回收速度变化，从而影响喷灌效果。因此，智能化、自动化技术改善PE管移动速度的均匀性成为其发展重点之一。
发明内容
本发明目的在于克服现有喷灌技术的不足，提出一种智能行走式喷灌机系统及喷灌方法，可自主变更喷灌路线且爬坡、越野能力强，不仅适用于直线灌溉，还适用于中小型田块、不规则田块和山区坡地、梯田等场景的机动灌溉。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种智能行走式喷灌机系统，包括底盘车、卷盘车、流量计、阀门Ⅱ、多级泵、摇臂喷头，所述底盘车顶部平台焊接有输水管Ⅱ，所述输水管Ⅱ通过螺栓连接法兰Ⅰ和法兰Ⅱ，使PE管的出水口与底盘车进水口相连通，所述PE管缠绕在卷盘车的卷盘上，所述输水管串联起多级泵、阀门Ⅰ、流量计和卷盘的进水口。
上述方案中，所述底盘车包括履带底盘、底盘车机架、配电箱、伺服电机、减速箱、总开关和紧急开关；所述履带底盘包括导向轮、橡胶履带、拖带轮、支重轮、驱动轮；所述伺服电机与减速箱连接并被固定在履带底盘的电机支架Ⅱ上，所述减速箱与驱动轮连接；所述配电箱内放置并安装有蓄电池、控制器、驱动器、4G天线；所述蓄电池通过电线依次连接总开关、紧急开关和控制器，所述控制器通过电线分别连接驱动器与伺服电机和4G天线；所述总开关和紧急开关安装在输水管Ⅱ进水口下方、配电箱壁上。
上述方案中，所述底盘车顶部平台焊接的输水管Ⅱ呈“T”型排列并垂直底盘车的顶部平台立起管道依次串联阀门Ⅰ、压力表和摇臂喷头。
上述方案中，所述卷盘车包括卷盘、PE管、电机链轮、链条、张紧轮、电机-减速箱一体机、离合器、电机支架Ⅰ、卷盘车架、排管架、导向杆、压杆和滑块；所述PE管缠绕在卷盘上，所述卷盘机链轮与电机链轮通过链条连接，并通过所述张紧轮把驱动链条绷紧；所述张紧轮安装在活动杆上，所述活动杆安装在卷盘车架上并通过弹簧拉紧；所述电机-减速箱一体机、离合器和电机链轮依次连接，所述电机-减速箱一体机和离合器安装在电机支架Ⅰ上，所述电机支架Ⅰ焊接在卷盘车架中下位置；所述导向杆通过轴承水平固定在卷盘车架的前方中间位置，所述滑块套在导向杆上，并卡在轨道内；所述排管架垂直安装在滑块的下方，所述PE管从排管架中间穿过；所述压杆固定在卷盘车架前方中上位置，所述拉簧的一端勾住压杆、另一端勾住卷盘车架下方。
上述方案中，所述卷盘车架中下方安装有轮胎，卷盘车架一端安装调节架，另一端安装支撑。
本发明提供一种智能行走式喷灌机系统的喷灌方法，包括如下喷灌过程。
喷灌作业时，所述卷盘车停放于井灌区水源处，所述离合器与回收电机-减速箱一体机处于脱离状态，首先启动多级泵为管道供水，打开阀门Ⅱ、阀门Ⅰ、总开关和急停开关，通过所述APP远程终端启动底盘车向前行驶并进行喷灌作业，两摇臂喷头旋转喷洒；此过程中，所述蓄电池分别为控制器、驱动器和4G天线供电，APP远程控制终端发送指令给4G天线并将信号传输给控制器，所述控制器传输指令给驱动器并驱动伺服电机完成信号指令；所述伺服电机把动力依次传递给减速箱、驱动轮和橡胶履带，使底盘车向前行驶；此时，所述底盘车拖动PE管向前滑动，PE管带动卷盘转动并放出更多缠绕的PE管，所述滑块和排管架在导向杆上滑向卷盘车上的更准确的出管位置。
喷灌作业后，所述离合器与回收电机-减速箱一体机处于咬合状态，首先关闭打开阀门Ⅱ、阀门Ⅰ和多级泵，使螺栓连接的法兰Ⅰ和法兰Ⅱ相脱离；所述回收电机-减速箱一体机依次带动离合器、链轮、链条、卷盘链轮和卷盘旋转，从而回收PE管；所述滑块和排管架在导向杆上滑向卷盘车上的更准确的出管位置；所述PE管卷收完成后，所述卷盘车和底盘车分别转移至下一个喷灌点。
上述方案中，所述底盘车依靠两个伺服电机反向和同向转动实现前后直线移动和多向转弯移动，依靠调节伺服电机转速和切断指令实现调节匀速移动速度和制动；所述4G天线用于接收APP远程控制终端为底盘车发出的速度及行驶指令。
上述方案中，所述底盘车按照喷灌作业和转移需求，把速度分为喷灌档位和转移档位；在喷灌过程中，所述卷盘车的流量始终设为一个定值，假设喷灌区域均匀喷洒，摇臂喷头可设为静止，可根据作物最大日需水强度(即平均喷灌强度)和公式(1)计算喷灌档位速度范围；由于田间路况复杂和4G天线接受信号可能出现延时，转移档位速度不得高于5km/h，以方便操作底盘车；
式中：ρ为平均喷灌强度，mm；Q为流量，m3/h；n为喷头个数，取2；v为车身行驶速度，m/h；R为喷头射程，m；L为喷头水射流灌溉纵向平均长度，m；t为喷头向纸内侧移动1m所需时间，h。
上述方案中，卷盘车回收PE管时，卷盘转速不能超过5r/min，否则会造成PE管不能在卷盘上整齐排列。
本发明的有益效果：(1)本发明能够通过智能控制技术实现喷灌机移动速度和方向的调节，可快速改变喷灌强度和喷灌地理位置且具有较强的爬坡、越野能力，实现对农作物所需水量的精确灌溉，其不仅适用于直线灌溉，还适用于中小型田块、不规则田块和山区坡地、梯田等场景的机动灌溉。(2)所述该喷灌机系统通过APP远程控制的方式控制底盘车速度和转向，使喷头可以匀速移动喷灌作业或转向、爬坡喷灌作业，不仅适用于直线灌溉，还适用于中小型田块、不规则田块和山区坡地、梯田等场景的机动灌溉。(3)该喷灌机系统提高了喷灌机的智能化水平、作业效率、灌溉均匀性，降低了劳动强度。
附图说明
图1为本发明所述智能行走式喷灌机系统工作示意图。
图2为本发明的底盘车部件及喷头布置示意图。
图3为本发明底盘车配电箱布置示意图。
图4为本发明的卷盘车结构示意图。
图5为本发明的PE管回收部件工作原理示意图。
图6为本发明的控制系统原理示意图。
图7为本发明的喷头径向射流示意图
图8为本发明的底盘车移动速度与平均喷灌强度的理论关系示意图
图中，1、导向轮；2、底盘车；3、橡胶履带；4、拖带轮；5、配电箱；6、支重轮；7、履带底盘；8、驱动轮；9、底盘车机架；10、PE管；11、压力表；12、阀门Ⅰ；13、摇臂喷头；14、螺栓；15、法兰Ⅰ；16法兰Ⅱ；17、支撑；18、卷盘车架；19、拉簧；20、轮胎；21、链条；22、电机-减速箱一体机；23、电机支架Ⅰ；24、输水管Ⅰ；25、调节架；26、流量计；27、阀门Ⅱ；28、多级泵；29、压杆；30、卷盘；31、张紧轮；32、活动杆；33、伺服电机；34、减速箱；35、输水管Ⅱ；36、电机支架Ⅱ；37、4G天线；38驱动器；39、控制器；40、蓄电池；41、总开关；42、紧急开关；43、卷盘链轮；44、卷盘车；45、排管架；46、导向杆；47、滑块；48、电机链轮；49、离合器；50、APP远程终端。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1～6所示，本发明实施例中，一种智能行走式喷灌机系统，主要包括底盘车2、卷盘车44、流量计26、阀门Ⅱ27、多级泵28、摇臂喷头13，且所述底盘车2顶部平台焊接有输水管Ⅱ35，输水管Ⅱ35出水端分流后，把成两个阀门Ⅰ12、两个压力表11和两个摇臂喷头13依次并联，且所述输水管Ⅱ35通过螺栓14连接法兰Ⅰ15和法兰Ⅱ16，使所述PE管10的出水口与底盘车2进水口相连通，所述PE管10缠绕在卷盘30上，所述输水管24串联起多级泵28、阀门Ⅰ27、流量计26和卷盘30的进水口，且卷盘车架18下方安装有两个轮胎20，卷盘车架卷盘车架18一端安装调节架25，另一端安装两个支撑17，且底盘车2安装有两个伺服电机33、两个减速箱34、两个导向轮1、两条橡胶履带3、两个拖带轮4、十个支重轮6和两个驱动轮8，且配电箱5内安装有六块蓄电池40、两个驱动器38，且蓄电池40 72V直流电经控制器39转换成AC380V和直流12V，分别为AC380V伺服电机33和驱动器38、4G天线37供电。
在图1、2、3和6中：底盘车2主要包括履带底盘7、底盘车机架9、配电箱5、伺服电机33、减速箱34、总开关41和紧急开关42等；所述履带底盘7为套装，主要包括导向轮1、橡胶履带3、拖带轮、支重轮6、驱动轮8等；所述伺服电机33与减速箱34连接并被固定在所述履带底盘7的电机支架Ⅱ36上，所述减速箱34与驱动轮8连接；所述配电箱5内放置有蓄电池40、通过螺栓固定控制器39和驱动器38，4G天线37依靠吸铁石吸附在配电箱5表面；所述蓄电池40通过电线依次连接总开关41、紧急开关42和控制器39，所述控制器39通过电线分别连接驱动器38与伺服电机33和4G天线37；所述总开关41和紧急开关42安装在输水管Ⅱ35进水口下方、配电箱5壁上.
在图1、4和5中：所述卷盘车主要包括卷盘30、PE管10、电机链轮48、链条21、张紧轮31、电机-减速箱一体机22、离合器49、电机支架Ⅰ23、卷盘车架18、排管架45、导向杆46、压杆29和滑块47；所述PE管10缠绕在卷盘30上，所述卷盘机链轮43与电机链轮48通过链条21连接，并通过张紧轮31把驱动链条21绷紧；所述张紧轮31安装在活动杆32上，所述活动杆32安装在卷盘车架18上并通过弹簧拉紧；所述电机-减速箱一体机22、离合器49和电机链轮48依次连接，所述电机-减速箱一体机22和离合器49安装在电机支架Ⅰ23上，所述电机支架Ⅰ23焊接在卷盘车架18中下位置；所述导向杆46通过轴承水平固定在卷盘车架18的前方中间位置，所述滑块47套在导向杆46上，并卡在轨道内；所述排管架45垂直安装在滑块47的下方，所述PE管10从排管架45中间穿过；所述压杆29固定在卷盘车架18前方中上位置，所述拉簧19的一端勾住压杆29、另一端勾住卷盘车架18下方；所述底盘车2顶部平台焊接的输水管Ⅱ35呈“T”型排列。
在图2、7和8中：参考作物需水量与灌溉制度，拟出不同作物生育盛期日需水量与最大日需水量范围取8mm-25mm；经测定，固定喷头径向水射流灌溉宽幅的平均值约为1m，默认喷头水射流辐射范围内所有测点的灌溉强度相同，则可把固定喷头旋转喷灌作业设定为静止；当径向水射流以垂直纸面向内侧移动时，假设喷头移动时间1m为t，则参照线处降水时间也为t。由于智能行走式喷灌机系统以卷盘式喷灌机为基础开发，依据江苏华源节水股份有限公司企业标准，JP50-180卷盘式机PE管的最大流量Q为19.70m3/h，该喷灌机系统流量也取19.7m3/h。依据旋转式GB/T 22999-2008国家标准，智能行走式喷灌机系统选用30PY2摇臂喷头，喷嘴直径11.5mm×5.0mm，300kPa下喷头射程R为25m，两个单喷头总流量约为卷盘式喷灌机的最大入机流量，即19.70m3/h；由于底盘车上有两个摇臂喷头，根据公式(1)可得喷灌档位速度在15-50m/h之间符合喷灌要求。
结合图1和6，智能行走式喷灌机系统的工作原理为。
1.喷灌作业时，所述卷盘车44停放于井灌区水源处，所述离合器49与回收电机-减速箱一体机22处于脱离状态，首先启动多级泵28为管道供水，打开阀门Ⅱ27、阀门Ⅰ12、总开关41和急停开关42，通过所述APP远程终端50启动底盘车2向前行驶并进行喷灌作业，两摇臂喷头13旋转喷洒；此过程中，所述蓄电池40分别为控制器39、驱动器38和4G天线37供电，APP远程控制终端50发送指令给4G天线3并将信号传输给控制器39，所述控制器39传输指令给驱动器38并驱动伺服电机33完成信号指令；所述伺服电机33把动力依次传递给减速箱34、驱动轮8和橡胶履带3，使底盘车2向前行驶；此时，所述底盘车2拖动PE管10向前滑动，PE管10带动卷盘30转动并放出更多缠绕的PE管10，所述滑块47和排管架45在导向杆46上滑向卷盘车44上的更准确的出管位置。
2.喷灌作业后，所述离合器49与回收电机-减速箱一体机22处于咬合状态，首先关闭打开阀门Ⅱ27、阀门Ⅰ12和多级泵28，使螺栓14连接的法兰Ⅰ15和法兰Ⅱ16相脱离；所述回收电机-减速箱一体机22依次带动离合器49、链轮48、链条21、卷盘链轮43和卷盘30旋转，从而回收PE管；所述滑块47和排管架45在导向杆46上滑向卷盘车44上的更准确的出管位置；所述PE管10卷收完成后，所述卷盘车44和底盘车2分别转移至下一个喷灌点。
3.所述底盘车2依靠两个伺服电机33反向和同向转动实现前后直线移动和多向转弯移动(即实现智能行走式喷灌机系统的机动喷灌作业)，依靠调节伺服电机33转速和切断指令实现调节匀速移动速度和制动；所述4G天线(24)用于接收APP远程控制终端50为底盘车2发出的速度及行驶指令。
以上具体实施方案的内容仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，本领域的普通技术人员对本发明的技术方案进行的简单修改或者等同替换，均不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (9)
1.一种智能行走式喷灌机系统，其特征在于，包括底盘车(2)、卷盘车(44)、流量计(26)、阀门Ⅱ(27)、多级泵(28)、摇臂喷头(13)，所述底盘车(2)顶部平台焊接有输水管Ⅱ(35)，所述输水管Ⅱ(35)通过螺栓(14)连接法兰Ⅰ(15)和法兰Ⅱ(16)，使PE管(10)的出水口与底盘车(2)进水口相连通，所述PE管(10)缠绕在卷盘车(44)的卷盘(30)上，所述输水管(24)串联起多级泵(28)、阀门Ⅰ(27)、流量计(26)和卷盘(30)的进水口。
2.根据权利要求1所述的一种智能行走式喷灌机系统，其特征在于，所述底盘车(2)包括履带底盘(7)、底盘车机架(9)、配电箱(5)、伺服电机(33)、减速箱(34)、总开关(41)和紧急开关(42)；所述履带底盘(7)包括导向轮(1)、橡胶履带(3)、拖带轮、支重轮(6)、驱动轮(8)；所述伺服电机(33)与减速箱(34)连接并被固定在履带底盘(7)的电机支架Ⅱ(36)上，所述减速箱(34)与驱动轮(8)连接；所述配电箱(5)内放置并安装有蓄电池(40)、控制器(39)、驱动器(38)、4G天线(37)；所述蓄电池(40)通过电线依次连接总开关(41)、紧急开关(42)和控制器(39)，所述控制器(39)通过电线分别连接驱动器(38)与伺服电机(33)和4G天线(37)；所述总开关(41)和紧急开关(42)安装在输水管Ⅱ(35)进水口下方、配电箱(5)壁上。
3.根据权利要求2所述的一种智能行走式喷灌机系统，其特征在于，所述底盘车(2)顶部平台焊接的输水管Ⅱ(35)呈“T”型排列并垂直底盘车(2)的顶部平台立起管道依次串联阀门Ⅰ(12)、压力表(11)和摇臂喷头(13)。
4.根据权利要求1所述的一种智能行走式喷灌机系统，其特征在于，所述卷盘车包括卷盘(30)、PE管(10)、电机链轮(48)、链条(21)、张紧轮(31)、电机-减速箱一体机(22)、离合器(49)、电机支架Ⅰ(23)、卷盘车架(18)、排管架(45)、导向杆(46)、压杆(29)和滑块(47)；所述PE管(10)缠绕在卷盘(30)上，所述卷盘机链轮(43)与电机链轮(48)通过链条(21)连接，并通过所述张紧轮(31)把驱动链条(21)绷紧；所述张紧轮(31)安装在活动杆(32)上，所述活动杆(32)安装在卷盘车架(18)上并通过弹簧拉紧；所述电机-减速箱一体机(22)、离合器(49)和电机链轮(48)依次连接，所述电机-减速箱一体机(22)和离合器(49)安装在电机支架Ⅰ(23)上，所述电机支架Ⅰ(23)焊接在卷盘车架(18)中下位置；所述导向杆(46)通过轴承水平固定在卷盘车架(18)的前方中间位置，所述滑块(47)套在导向杆(46)上，并卡在轨道内；所述排管架(45)垂直安装在滑块(47)的下方，所述PE管(10)从排管架(45)中间穿过；所述压杆(29)固定在卷盘车架(18)前方中上位置，所述拉簧(19)的一端勾住压杆(29)、另一端勾住卷盘车架(18)下方。
5.根据权利要求4所述的一种智能行走式喷灌机系统，其特征在于，所述卷盘车架(18)中下方安装有轮胎(20)，卷盘车架(18)一端安装调节架(25)，另一端安装支撑(17)。
6.一种智能行走式喷灌机系统的喷灌方法，包括如下喷灌过程：
喷灌作业时，所述卷盘车(44)停放于井灌区水源处，所述离合器(49)与回收电机-减速箱一体机(22)处于脱离状态，首先启动多级泵(28)为管道供水，打开阀门Ⅱ(27)、阀门Ⅰ(12)、总开关(41)和急停开关(42)，通过所述APP远程终端(50)启动底盘车(2)向前行驶并进行喷灌作业，两摇臂喷头(13)旋转喷洒；此过程中，所述蓄电池(40)分别为控制器(39)、驱动器(38)和4G天线(37)供电，APP远程控制终端(50)发送指令给4G天线(3)并将信号传输给控制器(39)，所述控制器(39)传输指令给驱动器(38)并驱动伺服电机(33)完成信号指令；所述伺服电机(33)把动力依次传递给减速箱(34)、驱动轮(8)和橡胶履带(3)，使底盘车(2)向前行驶；此时，所述底盘车(2)拖动PE管(10)向前滑动，PE管(10)带动卷盘(30)转动并放出更多缠绕的PE管(10)，所述滑块(47)和排管架(45)在导向杆(46)上滑向卷盘车(44)上的更准确的出管位置；
喷灌作业后，所述离合器(49)与回收电机-减速箱一体机(22)处于咬合状态，首先关闭打开阀门Ⅱ(27)、阀门Ⅰ(12)和多级泵(28)，使螺栓(14)连接的法兰Ⅰ(15)和法兰Ⅱ(16)相脱离；所述回收电机-减速箱一体机(22)依次带动离合器(49)、链轮(48)、链条(21)、卷盘链轮(43)和卷盘(30)旋转，从而回收PE管；所述滑块(47)和排管架(45)在导向杆(46)上滑向卷盘车(44)上的更准确的出管位置；所述PE管(10)卷收完成后，所述卷盘车(44)和底盘车(2)分别转移至下一个喷灌点。
7.根据权利要求6所述的一种智能行走式喷灌机系统的喷灌方法，其特征在于，所述底盘车(2)依靠两个伺服电机(33)反向和同向转动实现前后直线移动和多向转弯移动，依靠调节伺服电机(33)转速和切断指令实现调节匀速移动速度和制动；所述4G天线(24)用于接收APP远程控制终端(50)为底盘车(2)发出的速度及行驶指令。
8.根据权利要求6所述的一种智能行走式喷灌机系统的喷灌方法，其特征在于，所述底盘车(2)按照喷灌作业和转移需求，把速度分为喷灌档位和转移档位；在喷灌过程中，所述卷盘车(44)的流量始终设为一个定值，假设喷灌区域均匀喷洒，摇臂喷头(13)可设为静止，可根据作物最大日需水强度(即平均喷灌强度)和公式(1)计算喷灌档位速度范围；由于田间路况复杂和4G天线(37)接受信号可能出现延时，转移档位速度不得高于5km/h，以方便操作底盘车(2)；
式中：ρ为平均喷灌强度，mm；Q为流量，m3/h；n为喷头个数，取2；v为车身行驶速度，m/h；R为喷头射程，m；L为喷头水射流灌溉纵向平均长度，m；t为喷头向纸内侧移动1m所需时间，h。
9.根据权利要求6所述的一种智能行走式喷灌机系统的喷灌方法，其特征在于，卷盘车(44)回收PE管(10)时，卷盘(30)转速不能超过5r/min。
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