劉佳，鄧健，楊啟良*，秦偉

(1.昆明理工大學(xué)農(nóng)業(yè)與食品學(xué)院，云南 昆明 650500；2.新疆大學(xué)機械工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047)

在方形農(nóng)田使用圓形噴灑域噴頭進(jìn)行噴灌，單噴頭噴灑時會產(chǎn)生漏噴、界外噴灑，導(dǎo)致水資源浪費[1-2]，而多噴頭組合噴灑時易產(chǎn)生水量重疊，造成噴灌不均勻[3-5]。2 種方式的噴灑面都難以貼合覆蓋地塊邊角區(qū)域。研制穩(wěn)定可靠、方形程度標(biāo)準(zhǔn)的噴灌裝置具有現(xiàn)實意義。

BENJAMIN[6]通過連桿機構(gòu)調(diào)節(jié)碎水釘來改變噴頭射程，采用仿形齒輪調(diào)節(jié)噴頭轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)方形區(qū)域的噴灑，但可靠性不高。OHAYON 等[7]通過環(huán)形槽調(diào)節(jié)柱塞式流量調(diào)節(jié)閥的開度，進(jìn)而改變流量，以噴灑出方形區(qū)域，但這種結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。韓文霆等[8]通過理論分析，給出了方形噴灑域噴頭的射程、流量和轉(zhuǎn)速應(yīng)服從的變化規(guī)律和計算公式。孟秦倩等[9]提出噴頭在空間連桿機構(gòu)作用下實現(xiàn)雙圓周復(fù)合運動的變圓心噴灑的結(jié)構(gòu)構(gòu)想，理論上可實現(xiàn)近似方形的噴灑，但可操作性較差，成本高。邢浩男等[10]采用凸輪與連桿機構(gòu)控制噴頭仰角變化，凸輪滾子與凸輪阻力變化控制轉(zhuǎn)速，設(shè)計出方形噴灑域噴灌裝置，但由于對凸輪內(nèi)壁微小凸起的加工要求較高，容易發(fā)生磨損，故難以推廣應(yīng)用。王正中等[11]通過優(yōu)化出水口處上下動靜片的形狀，控制噴頭流量，產(chǎn)生周期性變化，實現(xiàn)方形區(qū)域的噴灑，水頭損失比優(yōu)化前降低了25.8%，方形系數(shù)提高到86.89%，但噴灌面的方形系數(shù)仍有待提高。

針對以上問題，基于文獻(xiàn)[10]中不同區(qū)域面積匹配不同噴頭轉(zhuǎn)速的計算理論，筆者提出了等量函數(shù)模型，并用單片機控制噴頭轉(zhuǎn)動的方法，提高噴灌的均勻度，同時利用已測射程反求凸輪輪廓，保證方形噴灑域的標(biāo)準(zhǔn)程度，設(shè)計了一種可適用于方形噴灑的新型噴灌裝置，對裝置的方形系數(shù)、噴灌均勻度、界面噴灑等指標(biāo)進(jìn)行了評價，旨在提升方形區(qū)域噴灑效率和減少水資源的浪費。

1 方形噴灑域噴灌裝置的結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

圖1 方形噴灑域噴灌裝置的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of square spray field irrigation device

方形噴灑域裝置的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。由控制模塊(單片機、驅(qū)動板、霍爾電機構(gòu)成)、工作模塊(底座、支架、鉸鏈構(gòu)成、電機齒輪、噴頭齒輪、軟管、擺桿、拉伸彈簧、滾子滑道、滾子、頂桿、空間凸輪等)和噴頭等3 大部分組成?；魻栯姍C輸出軸減速比 30∶1，減速器減速比 32∶1；擺桿長度85 mm，滾子I 直徑6.0 mm，滾子II 直徑8.0 mm，電機齒輪、噴頭齒輪齒數(shù)17；順綠SLP-2X 噴頭射程(仰角24°)11.5 m，噴嘴直徑5.0 mm，工作壓力0.20 MPa。

1.2 工作原理

裝置下端設(shè)置噴頭接口，軟管可保證噴頭仰角可調(diào)，噴頭主體通過鉸鏈與支架鉸接，空間凸輪引導(dǎo)頂桿一端的滾子沿輪廓轉(zhuǎn)動，并使推桿發(fā)生往復(fù)直線運動。該過程中伸縮彈簧使得頂桿末端的滾子緊貼空間凸輪，單片機控制電機產(chǎn)生變速轉(zhuǎn)動，通過齒輪帶動噴頭主體轉(zhuǎn)動，并帶動推桿沿空間凸輪移動，同時凸輪使得推桿產(chǎn)生直線運動，并使擺桿發(fā)生擺動，從而噴灑出方形區(qū)域。

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計

根據(jù)噴灌的農(nóng)藝特點，方形噴灑域噴灌裝置應(yīng)滿足：①單噴頭射程誤差≤5%，噴灌能覆蓋 19 m×19 m 的方形區(qū)域；②噴灌均勻系數(shù)≥75%，方形程度≥90%；③界外噴灑≤|10%|；④噴灌過程穩(wěn)定可靠。噴灑區(qū)域和形狀[11-12]是由射程變化規(guī)律決定的，即調(diào)節(jié)噴頭的仰角、轉(zhuǎn)速可改變噴灑射程和不同區(qū)域水量分布。若需實現(xiàn)方形域噴灑，射程變化應(yīng)符合方形邊界函數(shù)[13]；若需實現(xiàn)噴灑過程均勻，依據(jù)噴頭在旋轉(zhuǎn)過程中噴灑單位面積的水量相等原則，筆者提出等量噴灑函數(shù)模型，即流量關(guān)于時間的微分與射程關(guān)于扇形面積的微分(即扇形微元的面積)之比是常數(shù)。

聯(lián)立式(1)和式(2)，可得式(3)，即

式中：Q 為噴頭的流量(mL/s)；dt 為噴頭轉(zhuǎn)動過程中對時間的微分(s)；R(α)為噴頭射程(扇形半徑，m)；dl 為扇形弧長的微分(m)； v 為線速度(m/s)。

2.1 空間凸輪的設(shè)計

2.1.1 噴頭仰角變化與推桿位移變化的關(guān)系

在方形域噴灑過程中，噴頭每旋轉(zhuǎn)360°為1 個旋轉(zhuǎn)周期，每個旋轉(zhuǎn)周期包括4 個噴頭仰角變化周期、4 個推桿運動變化周期和4 個空間凸輪輪廓變化周期；因此，僅探究噴頭0°～90°的旋轉(zhuǎn)即可代替整體。采用黃元申[14]的噴頭仰角變化速度和噴頭旋轉(zhuǎn)速度的直線關(guān)系式，更易于加工制作凸輪，即α=1.5β-6。α 為噴頭旋轉(zhuǎn)角度，β 為噴頭仰角。

當(dāng)噴頭仰角變化時，噴頭旋轉(zhuǎn)角度和推桿位移的變化如表1 所示。

表1 噴頭仰角與推桿位移間的參數(shù)變化Table 1 Parameters change between nozzle elevation angle and push rod displacement

2.1.2 射程與旋轉(zhuǎn)角度的關(guān)系

圖2 結(jié)果表明，4°仰角下的水量分布分別在射程3.00 m 和8.00 m 處出現(xiàn)峰值，整體波動較大，而其他角度下的水量分布較為平穩(wěn)，尤其是 34°仰角下的水量分布隨射程增加而逐步遞減，表現(xiàn)出的差異性較小。水量噴頭最遠(yuǎn)射程的平均噴灌強度和最近射程的分別為1.65 mm/h 和3.54 mm/h，其最近射程的平均噴灌強度約為最遠(yuǎn)射程的2.15 倍。

圖2 不同噴頭角度的水量分布Fig.2 Distribution curve of water quantity at different nozzle angles

根據(jù)實際噴灑射程計算出的理論射程誤差小于5%(表2)，符合設(shè)計要求。

表2 噴頭實際射程與理論射程誤差的對比Table 2 Comparison of actual and theoretical range error of sprinkler

2.1.3 噴頭仰角、擺桿和推桿的運動關(guān)系

對推桿施加約束，保證該構(gòu)件豎直平面上有 1個自由度，擺桿和噴頭受到鉸鏈的約束，同樣也只有1 個自由度，擺桿末端的滾子滑道保證在受到推桿力的同時，能夠使?jié)L子Ⅰ沿滑道滾動(圖3)；因此，推桿往復(fù)直線運動使得擺桿和噴頭在一定角度內(nèi)發(fā)生往復(fù)轉(zhuǎn)動，其中噴頭和擺桿之間的角度固定為135°，且各自變化范圍分別是 4°～34°、139°～169°，推桿的位移為0～41.60 mm。

圖3 仰角、擺桿和推桿運動的始末位置Fig.3 Starting and ending position of elevation angle, swing rod and putter

2.1.4 凸輪輪廓設(shè)計方案

根據(jù)表 2，將盤形凸輪轉(zhuǎn)動規(guī)律應(yīng)用在空間凸輪上，并采用SolidWorks 進(jìn)行三維建模。噴頭仰角從 4°至 34°變化，推桿位移從 41.60 mm 至 0 mm 變化，凸輪工作階段為回程，相反角度變化為推程，采用包覆-蝕雕命令將平面輪廓線刻畫到拉伸凸臺上，該凸輪直徑130 mm，寬度5 mm，如圖4 所示。

圖4 空間凸輪的輪廓Fig.4 Contour of spatial cam

2.2 單片機控制模塊的設(shè)計

2.2.1 噴頭轉(zhuǎn)速規(guī)律對比分析

由公式(3)可知，噴頭轉(zhuǎn)速與1/R2(α)成正比，其中R(α)為噴頭轉(zhuǎn)動相同角度α 劃分相應(yīng)噴灑域的角度平分線，而文獻(xiàn)[10]中噴頭旋轉(zhuǎn)速度是由不同噴灑域面積之比確定的。噴灑域1、2、3 是由噴頭每旋轉(zhuǎn)α 噴灑形成，如圖5 所示。

圖5 噴灑域的劃分Fig.5 Division of spraying field

對比本研究與文獻(xiàn)[10]計算得出的噴頭轉(zhuǎn)速參數(shù)，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速誤差在2%以下(表3)，因此，等量噴灑函數(shù)模型是可靠的。

表3 各區(qū)域的設(shè)計參數(shù)及其誤差Table 3 Design parameters and errors of each region

2.2.2 檢測與脈沖控制模塊

依據(jù)霍爾減速電機具有減速齒輪組和速度反饋的優(yōu)點，選擇型號GM37-545S 霍爾減速電機，其中調(diào)速功能由控制線和微控制線信號連接實現(xiàn)。電機驅(qū)動是經(jīng)過一系列電路后響應(yīng)輸出的，其輸出速度信息是STM32F103zet6 芯片為控制系統(tǒng)經(jīng)驅(qū)動板放大的信號。采用的監(jiān)測和脈沖控制模塊由STM32F103zet6 芯片、YSMDRBD1014 驅(qū)動板、GM37-545S 霍爾減速電機、多級減速齒輪組和姿態(tài)傳感器組成，其中電機的額定電壓為DC 24 V，最大功率83 W，JY901 角度姿態(tài)傳感器與STM32 單片機連接，用于檢測噴頭仰角。驅(qū)動板電路如圖6 所示。

2.2.3 交互設(shè)計

STM32 單片機通過 USB232 串口在 Window7 操作系統(tǒng)的電腦運行，運行顯示界面在 Visual Studio 2015 中的MFC 使用C++語言開發(fā)，下位機程序在Keil uVision5 中使用C 語言開發(fā)，最后經(jīng)過調(diào)試，使上位機和下位機產(chǎn)生通訊，程序流程如圖7 所示。

圖6 YSMDRBD1014 驅(qū)動板電路Fig.6 Circuit schematics of YSMDRBD1014 driver board

圖7 方形噴灑域噴灌裝置測試流程Fig.7 Test flow chart of square spray field irrigation device

3 噴灌裝置的性能驗證

試驗在昆明理工大學(xué)進(jìn)行。試驗條件和方法參照《美國農(nóng)業(yè)工程師學(xué)會噴灌分布測試標(biāo)準(zhǔn)》和《農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)備噴頭水量分布特性和試驗方法》，設(shè)備主要由PLC(深圳精匯川電器有限公司，EC10- 1410-BRA 型)，變頻器(南京歐陸電器股份有限公司，EV510型)，水泵，儲水槽，遠(yuǎn)傳壓力表，流量計，噴頭組成。工作壓力0.20 MPa，流量1.50 m3/h，壓力表精度0.4 級，流量計精度0.5 級，量筒高142.00 mm、口徑107.00 mm。裝置的其余構(gòu)件通過3D 打印和車削加工制作，單片機驅(qū)動板、電機以及供電電源作防水處理。由于噴頭圓形和方形噴灑區(qū)域存在對稱特征，且受場地的限制，故簡化試驗方案：1) 測量不同仰角水量分布的量筒采用1 m 等間距的徑向布置，且從噴頭向外引出3 條射線，角度相隔60°；2)為對比圓形、方形噴灑域的水量分布，量筒采用1 m 間距的0°～45°三角形網(wǎng)格布置，如圖8 所示。

圖8 采集點與噴頭相對位置分布Fig.8 Distribution map of relative position of collection point and sprinkler

采用韓文霆[15]提出的方形系數(shù)評價噴灑域方形程度。

衡量噴灌均勻程度采用克里斯琴森均勻系數(shù)η。

式中：η 為界外噴灑區(qū)域所占的百分比；S1為19 m×19 m 方形噴灑域的面積(m2)；S2為噴頭的實際噴灑面積(m2)。

噴頭旋轉(zhuǎn)0°～90°過程中，依據(jù)噴頭射程與旋轉(zhuǎn)角度的關(guān)系擬合的方程如圖9、式(5)所示。結(jié)合式(3)，可得噴頭轉(zhuǎn)速式(6)。

圖9 噴頭轉(zhuǎn)角與射程擬合Fig.9 Fitting diagram of nozzle angle and range

噴頭圓形與方形噴灑域的水量分布如圖 10 和表4 所示。

圖10 試驗區(qū)域噴灑域水量分布Fig.10 Water distribution map of test area

表4 方形和圓形噴灑域噴灌性能的對比Table 4 Comparison of test data of sprinkler irrigation in square and round sprinkler fields

從表4 可知，裝置的方形噴灑域的方形系數(shù)達(dá)到94.55%，噴灌均勻度達(dá)到86.70%，比《噴灌工程技術(shù)規(guī)范》[16]中的噴灌標(biāo)準(zhǔn)高 15.60%，與圓形噴灑域均勻系數(shù)86.30%相近，表明提高方形噴灑域方形程度的同時，并沒有降低噴灌均勻度。覆蓋19 m×19 m 方形噴灑域時，裝置噴灑覆蓋區(qū)域面積為332.56 m2，超噴和漏噴面積為28.44 m2，產(chǎn)生7.88%的界外噴灑；而采用圓形噴灑覆蓋整個方形區(qū)域造成了57.08%的界外噴灑；因此，裝置提高了噴灌方形程度，保證了噴灌均勻程度，因而可減少水資源的浪費。

4 結(jié)論與討論

所設(shè)計的方形噴灑域裝置以單片機為控制核心，調(diào)節(jié)噴頭轉(zhuǎn)速，獲得了較高的噴灌均勻度。結(jié)構(gòu)上采用空間凸輪與滾子發(fā)生接觸，通過連桿傳動調(diào)節(jié)噴頭仰角，進(jìn)而噴灑出方形區(qū)域，能實現(xiàn) 19 m×19 m 方形區(qū)域的噴灑，方形系數(shù)可達(dá)94.55%，噴灌均勻度達(dá)到86.70%，比《噴灌工程技術(shù)規(guī)范》中的不低于75%的規(guī)定高15.60%；界外面積噴灑與標(biāo)準(zhǔn)方形相比漏噴7.88%，而圓形噴頭比標(biāo)準(zhǔn)方形將會增加57.08%的超噴，減少了水資源的浪費。

裝置的單噴頭方形系數(shù)相比文獻(xiàn)[10]的92.06%和文獻(xiàn)[17]的77.60%分別高2.70%和29.45%，噴灑形狀更接近標(biāo)準(zhǔn)正方形。雖然噴頭會產(chǎn)生7.88%的漏噴，但相比圓形噴頭57.08%面積的超噴，其優(yōu)勢是明顯的。噴頭在 14°～34°較大仰角噴灑時水量分布較為均勻，但在4°～14°時會產(chǎn)生水量集中，導(dǎo)致從中心點到正方形邊長線上2～4 m 出現(xiàn)水量峰值，使得整體水量分布不均。裝置采用單片機等控制元器件，可保證變量噴灑的精度[18-19]，適用于搭載移動設(shè)備進(jìn)行溫室多處定點噴灌，減少噴頭布置的密集程度，降低成本，噴灑域與地塊形狀更加貼合[20]。與采用動靜片的噴頭相比，可進(jìn)行不同長寬比的矩形面積噴灑或不規(guī)則邊界噴灑。

本研究中，空間凸輪是3D 打印材料制成的，確定輪廓后噴灑邊界也隨之確定，若采用柔性凸輪[21]可通過柔性凸輪輪廓的變化調(diào)節(jié)噴頭仰角；當(dāng)該噴灌裝置搭載可移動設(shè)備時，可根據(jù)不同的地形改變不同的形狀，以噴灑出適合的區(qū)域。