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一种温室内单轨自走式喷灌机的设计研究

温室内移动式喷灌机,工作覆盖面积大、喷灌均匀、智能化程度高、能充分利用温室种植面积,是一种较理想的温室内灌溉方式,在蔬菜、花卉的工厂化育苗等领域得到广泛的应用。目前,市面上双轨式喷灌机由于技术成熟,性能稳定,应用较为广泛。但是,近年来随着土地资源成本增高,对温室种植空间最大化的利用需求更显突出,单轨式喷灌机在节省温室空间上更具有优势。因此,本文旨在设计研究一种温室内自走式单轨喷灌机,与双轨式设备相比较,其能更大地发挥出温室的空间资源,提高温室的利用率。 
  单轨喷灌机的总体结构及工作原理 
  单轨喷灌机总体结构 
  温室内单轨式移动喷灌机,其主要由水管及电缆、水管挂钩、轨道吊杆、喷灌小车和移动轨道等五大部分组成。
  单轨喷灌机工作原理 
  喷灌用水源通过升压,压力水由水管输送到喷灌小车前端喷头,在喷头的作用下,水源以迷雾的状态均匀地施放到作物表面,可用于灌溉或施药,作业均匀,可显著地节约水肥资源。移动轨道通过轨道吊杆固定在温室上部,喷灌小车悬挂于移动轨道上,喷灌小车装有减速电机,根据作物需水要求和喷头流量,可使喷灌小车在一定的速度内沿着移动轨道匀速正向或反向行走,一边行走一边喷灌,作业过程均匀可靠。 
  单轨喷灌机喷灌小车 
  喷灌小车总体结构设计 
  单轨式喷灌机小车为保证小车在单根轨道上平稳运行,小车由4 个胶轮支撑,胶轮落于运行轨道上,小车通过4 个胶轮悬挂于运行轨道上。胶轮固定于小车车体上,减速电机通过皮带轮驱动其中的一个胶轮,从而带动整个小车在轨道上来回行走。小车车体下部连接有喷杆支架,喷杆固定在喷杆支架上,三位转换喷头固定在喷杆上,根据喷杆离地高度及作物需水要求,每个喷头的间距控制在300~500 mm之间,可获得较好的喷灌效果。同时,在小车车体下部有控制箱,控制箱主要用于接收和输出电源给减速电机,并控制喷灌启停、减速电机正反运行及控制电机运行速率等。 

温室移动喷灌机


  喷灌小车滚轮 
  为限制小车运行过程中的左右位移,滚轮设计为阶梯形的。滚轮阶梯形的侧面可以防止小车在运行过程中左右方向的位移,保持小车在运行过程中的平稳,四个滚轮的外形均是如此。滚轮的表面材料为尼龙或者橡胶,保证小车在运行过程中的平稳性及运行的噪声不至过高。滚轮外径尺寸,根据喷灌机运行速率4~16 m/min的要求,以及减速电机的减速比可计算获得,本机计算得其外径为72 mm(减速比约为20)。 
  喷灌小车喷头及传动控制 
  喷头及喷杆 
  喷灌机喷头采用三位快速转换喷头,该喷头有3 种流量设置,根据需要旋转需要的喷头到相应位置即可,喷头型号为LICHENG-105A-1型喷头,在市面上可以直接购买获得,如图4所示。喷杆为减少喷灌机总体质量,采用铝质材料,选用外径为1寸的铝管,刚好和喷头的尺寸相匹配。根据温室跨度,喷灌作业幅宽要求,喷杆长度设为8 m,在喷杆上间隔400 mm设置一个喷头,总共21 个喷头。 
  电控箱及减速电机控制 
  电控箱固定在喷灌小车喷杆支架上。电控箱上设置开关机按钮、正反前进按钮及速度控制旋钮,是整个喷灌机行动的控制中枢部分。减速电机转速以及正反转均以变频器控制实现。减速电机通过减速之后,再通过变频器的控制,可实现喷灌小车运行速率4~16 m/min的要求。 
  喷灌机轨道及轨道吊杆 
  喷灌机轨道为C100×50×20型内卷边槽钢,开口一侧朝上布置。轨道吊杆将喷灌机轨道固定于温室上部,吊杆与吊杆之间的间距可通过计算设置,借助有限元分析软件,图中是吊杆间距设置为4 m时的计算结果,计算过程为简化后的计算,只取小车的质量为外部作用力,喷灌小车质量按照100 kg计算(实际低于此值),此时轨道最大变形量为3.3 mm,变形率不到1/1000,最大应力为51.639 MPa,在这种吊杆间距条件下,轨道可以承受小车在其上来回运动,但根据温室现场条件,间距可以取值更小,但建议不能超过4 m。 
  喷灌机水管、电缆 
  及挂钩 
  因喷灌机的水管和电缆均要通过轨道而连接到喷灌小车上,且在喷灌机工作过程中,都必须随喷灌机在轨道上来回移动,因此,将喷灌机水管与输电线缆并行布置,如图5所示。水管与电缆均挂接在水管挂钩上,水管挂钩悬挂在运行轨道上面,其上有2 个胶轮支撑,可以在轨道上移动,其移动方向与速度取决于喷灌小车的移动方向与速度。 
  总结 
  以C型槽钢为单轨式喷灌机轨道,喷灌小车为4轮支撑,能保证小车在运行过程中的平稳性,喷灌小车的水管与电缆并行布置,固定在水管挂钩上,且可随喷灌小车同步运行,根据以上的设计研究制造出的单轨式喷灌机,能稳定地在温室内工作,喷灌均匀,运行可靠,可有效地节约水肥资源,并降低劳动力成本,为温室的现代化作业提供了一定的基础。下步工作将会对单轨式喷灌机的自动化控制进一步改进,以提高去智能化作业的水平,同时喷灌机的跨间转移也是重点的改进方向。 

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