科學(xué)網(wǎng)：做得出也用得起，他們讓大身板噴出“彩虹雨”

“突，突，突……”隨著有節(jié)奏的噴射，江蘇省東辛農(nóng)場的奶牛沼液均勻地噴灑在農(nóng)田里，在響聲隆隆的“禮炮聲”中，一直困擾農(nóng)場的奶牛沼液還田難題得到了解決。

這一切還得歸功于田邊的“巨無霸”——卷盤式噴灌機(jī)。管徑90毫米、長度900米，全球還沒有一家企業(yè)生產(chǎn)過這種規(guī)格的卷盤式噴灌機(jī)，這個(gè)難題卻被江蘇華源節(jié)水股份有限公司和江蘇大學(xué)聯(lián)合解決了。

卷盤式噴灌機(jī)

反復(fù)論證，尋找最優(yōu)設(shè)計(jì)方案

東辛農(nóng)場位于江蘇省連云港市，是華東地區(qū)最大的現(xiàn)代化國有農(nóng)場。存欄奶牛近6000頭，將牛糞發(fā)酵剩下的沼液噴灑還田，成了農(nóng)場的迫切需求。

卷盤式噴灌機(jī)機(jī)動(dòng)靈活、維護(hù)方便、適合大中小不同地塊規(guī)模，是中國近十年發(fā)展最快的噴灌機(jī)種類。

田塊長度近1000米、單頭供水，決定了這種卷盤式噴灌機(jī)必須管子夠長、動(dòng)力夠強(qiáng)、體量夠大?！肮軓?10毫米、長度880米”“管徑75毫米、長度900米”……華源技術(shù)人員提出了各種設(shè)計(jì)方案,生產(chǎn)中卻始終無法實(shí)現(xiàn)，不得不求助于高校科研力量的支持。

“按照國內(nèi)外現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方案，即使做得出，也噴不出水、用不起來?！边@是江蘇大學(xué)流體機(jī)械工程中心節(jié)水灌溉裝備團(tuán)隊(duì)的結(jié)論。

這支由江蘇大學(xué)黨委書記、國家水泵及泵系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心主任袁壽其領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)，對卷盤式噴灌裝備與技術(shù)已有十余年深入系統(tǒng)研究和推廣應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)。他們認(rèn)為，900米的管長，盤起來直徑很大，這樣大的設(shè)備連收費(fèi)站都過不去，而管徑小了又會導(dǎo)致動(dòng)力不足、噴不出水的問題。

經(jīng)過團(tuán)隊(duì)夜以繼日的試驗(yàn)、計(jì)算和論證、形成圖紙，團(tuán)隊(duì)提出了“管徑90毫米、長度900米”的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，同時(shí)針對生產(chǎn)制造實(shí)際，對管壁厚度、驅(qū)動(dòng)形式、運(yùn)行參數(shù)等等提出了具體的建議。

“巨無霸”怎樣噴出水來

管徑管長規(guī)劃好，這僅僅是邁出了第一步。灌溉質(zhì)量是反映卷盤式噴灌機(jī)性能的外在指標(biāo)，能耗卻是反映卷盤式噴灌機(jī)性能的內(nèi)在指標(biāo)。

袁壽其告訴《中國科學(xué)報(bào)》，卷盤式噴灌機(jī)由于使用噴槍進(jìn)行噴灑作業(yè)，需要一定的壓力才能覆蓋一定的噴灑面積，同時(shí)還有輸水卷管及水渦輪的附加水力損失，所以能耗問題始終是卷盤式噴灌機(jī)長期面對的難題。

此前，在江蘇大學(xué)、西北農(nóng)林科技大學(xué)、中國灌溉排水發(fā)展中心等國內(nèi)高校院所長期努力下，卷盤式噴灌機(jī)制造過程中的“卡脖子”關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)獲得了重大突破，整體技術(shù)達(dá)國際先進(jìn)水平，中國自主優(yōu)化的高效水渦輪已完全替代早先引進(jìn)的第一代水渦輪，效率指標(biāo)領(lǐng)先國外。

然而，體量大、重量翻了一番，水渦輪驅(qū)動(dòng)已經(jīng)明顯不適應(yīng)這個(gè)大家伙了。團(tuán)隊(duì)提出，可以嘗試電驅(qū)動(dòng)或者液壓驅(qū)動(dòng)。經(jīng)過反復(fù)測試，最后整機(jī)采用了全液壓智能控制卷盤回收和轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)速范圍廣、節(jié)能高效，動(dòng)力輸出也穩(wěn)定。

不到半年時(shí)間，2022年10月上旬，一臺嶄新的世界第一臺最長的卷盤式噴灌機(jī)正式下線，出現(xiàn)在東辛農(nóng)場的土地上,并且試驗(yàn)成功，一次實(shí)現(xiàn)噴灌長度超過950米、噴幅55米，一次灌溉75畝地。與傳統(tǒng)機(jī)型相比，能耗平均降低10%，灌溉均勻性達(dá)90%。

經(jīng)歷2個(gè)月的高強(qiáng)度連續(xù)作業(yè)，整機(jī)輸出穩(wěn)定?！稗r(nóng)場一下追加了9臺新訂單，”公司銷售人員樂開了花。

一線難題背后其實(shí)有科學(xué)問題

隨著新時(shí)代農(nóng)業(yè)節(jié)水化的要求，輕小型灌溉機(jī)組越來越不適應(yīng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求，“澆水難”成為困擾農(nóng)戶的痛點(diǎn)。中小型噴灌機(jī)組與裝備正好適合了我國大國小農(nóng)的基本農(nóng)情國情。

徐州沛縣是國內(nèi)著名的卷盤式噴灌機(jī)生產(chǎn)基地，聚集著大大小小20多家企業(yè)。2011年，江蘇大學(xué)流體中心團(tuán)隊(duì)受邀參觀江蘇華源節(jié)水股份有限公司，“當(dāng)時(shí)有產(chǎn)品，但是都是仿制品，產(chǎn)品整體落后國外40年，國內(nèi)對卷盤式噴灌機(jī)的研究也是一片空白?！彪p方一拍即合，抓住發(fā)展機(jī)遇，產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合開發(fā)中小型噴灌機(jī)組與裝備。

“防亂管技術(shù)值不值得開發(fā)”“為什么管子經(jīng)常會拉斷”“管軸焊偏了，對結(jié)果有沒有影響”……從生產(chǎn)一線反饋回來的問題接二連三反饋到團(tuán)隊(duì)手中。團(tuán)隊(duì)基本上每個(gè)月都會去廠家三四次。在袁壽其看來，一線難題的背后都有科學(xué)問題的存在，“我們努力從理論出發(fā)，用科學(xué)的方法解決生產(chǎn)實(shí)際的問題，進(jìn)而解決科學(xué)的問題，從而推進(jìn)關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)。”

校企合作之路也是雙向賦能之路。十余年中，在江蘇省科技支撐計(jì)劃、江蘇省成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目、鄉(xiāng)村振興計(jì)劃等項(xiàng)目支撐下，校企聯(lián)姻結(jié)出了碩果：由江蘇大學(xué)牽頭的“高性能智能噴灌機(jī)組與裝備關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化”項(xiàng)目榮獲了2020-2021年度神農(nóng)中華農(nóng)業(yè)科技獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

袁壽其介紹，隨著卷盤式噴灌機(jī)向智能化方向發(fā)展，多能互補(bǔ)混合驅(qū)動(dòng)技術(shù)、全工況驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)系統(tǒng)調(diào)控技術(shù)、寬幅桁架噴灑臂及低壓微噴頭、變量灌溉技術(shù)應(yīng)用、基于灌水決策的機(jī)載物聯(lián)網(wǎng)控制器、云水肥管理平臺等將是下一代卷盤式噴灌機(jī)的研發(fā)重點(diǎn)。