一种温室内单轨自走式喷灌机的设计研究作者：高星星等
来源：《农业工程技术·温室园艺》2015年第05期
【摘要】为增大温室种植空间，本文设计了一种温室内单轨式自走喷灌机，以C型内卷边槽钢为轨道，喷灌小车为4轮支撑，可平稳地在轨道上运行，该种单轨式的设计与双轨式喷灌机比较，更能节省温室的种植空间。
本文简要的介绍了单轨式喷灌机的总体结构原理，详细地陈述了喷灌机的喷灌小车、喷灌机轨道、喷灌水管、电缆及水管挂钩等零部件结构形式，设计研究表面，该种设计方案及理论上具有可行性，设备运行平稳可靠，为温室现代化作业发展提供了基础。
引言
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总体结构示意图如图1所示。
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。
喷灌主要技术参数如表1所示。
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。
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，如图3所示。
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，如图2所示。
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，如图6、7所示，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），由图可知，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。
【参考文献】
[1]卜云龙，杨仁全，王刚等. JYG-1型移动喷灌机的研制[J].沈阳农业大学学报，2006，37（3）：289-290.
[2]张晓文，卜云龙.温室用智能移动喷灌机的设计与推广[J].农业技术与装备，2007，（2）：4-4.
[3]周增产，卜云龙.智能型移动喷灌机系统的研究与实施[J].农村实用工程技术：温室园艺，2004，（4）：36-39.
[4]许楚荣，陈育辉，钟诗恩等.多功能自走式移动喷灌机[P].中国专利：CN 201894098U，2011-07-13.
[5]钟诗恩，许楚荣，吴玉发.多功能移动式喷灌机的研制[J].现代农业装备，2010，（10）；49-51.
[6]张学军，张书谦，蔡峰.自行走式喷灌机[P].中国专利：CN 2713800Y，2005-08-03.
[7]Cito Roderick， Julie Eleanor. Improvements in and relating to gantries [P]. EUROPEAN PATENT APPLICATION： EP0826301A2， 1996-08-30.
[8]汪士尚，孙俪娅，陈文龙等. 悬吊平移式微喷灌机[P].中国专利：CN2073659U，1991-03-27.
[9]Gary H. Lucas. Programmable sprinkler system [P]. United States Patent： US4723714，1988-09-09.
[10]张跃峰，蔡峰，张日新等.一种自行走式单轨喷灌机[P].中国专利：CN 203057961U，2013-07-17.
[11]David Williams； Brian A. Lentz； Harold E. Le Veque. Greenhouse watering apparatus[P]. United States Patent： US4074856， 1978-02-21.
[12]F. Keith Andrews， Richard R. Ryszanek. Watering system for connection to a water supply and an electrical supply for use in watering plants and the like[P]. United States Patent：
US5344084， 1994-09-06.
[13]张跃峰，蔡峰，张日新等.一种施肥喷灌系统[P].中国专利：CN 202998837U，2013-06-19.
[14]梁卫兵.单轨自动行走式喷洒机[P].中国专利：CN 102049361A，2011-05-11.
[15]Gary H. Lucas. Watering system for greenhouse[P]. United States Patent： US4928889，1990-4-29.
[16]卓杰强，卜云龙，周增产等. 温室具有自动转移装置的移动喷灌机研究开发[J].农机化研究，2012，（10）：226-229.
[17]卓杰强，刘文玺，卜云龙等.一种具有自动越跨功能的温室用喷灌机系统[P].中国专利：CN 201928748U，2011-08-17.
*基金项目名称：武汉市农业科学技术研究院人才项目/编号： YC201401
**高星星（1985.02-），男，汉，工程师，研究方向：农业机械工程。
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