低能耗滾移式噴灌機的結構設計與試驗分析

盛祥民，崔春亮，陳志卿，雷建花，崔 瑞

（1.新疆水利水電科學研究院，新疆 烏魯木齊 830049；2.烏魯木齊希水節水設備研究開發中心，新疆 烏魯木齊 830049）

新疆是我國重要的農牧業發展基地，畜牧業是新疆主要的支柱產業之一。根據2014年《新疆統計年鑒》統計，新疆目前有天然草場76 670萬畝草場，其中灌溉草場面積約420萬畝。滾移式噴灌機作為適于新疆草場灌溉的主要噴灌設備[1]，其對新疆乃至西北干旱區的節水灌溉的發展具有重要的意義。

相對人工拆裝管道式噴灌系統，絞盤式噴灌機、平移式噴灌機以及大型圓形噴灌機的研究，我國對滾移式噴灌機的研制和應用一直沒有給予應有的重視[2]。從20世紀70年代引進國外滾移式噴灌機到目前，我國對滾移式噴灌機的研究主要集中在設備的應用方面，如劉偉、劉盈盈等研究了滾移式噴灌的田間工程設計[3，4]；韓忠臣對滾移式噴灌機作業成本及效益進行了分析[5]。而針對滾移式噴灌機的結構設計研究依然較少，如王艷花等人進行了滾移式噴灌機關鍵部件的設計研究[6]。

國外針對滾移式噴灌機的研究有很多[7-8]，美國于1935年成功研制出滾移式噴灌機的樣機，Courtright B進行了滾移式噴灌機的驅動部分和保障直線行走的機構研究[9、10]；Williams L H等進行保持噴頭豎直向上的機構研究[11]；BakerLW等針對滾移式噴灌機的自動抗風支撐進行了研究[12]。

綜上所述，到目前為止，相對于國外對滾移式噴灌機的研究而言，我國對滾移式噴灌機的整機結構設計與關鍵技術分析方面的研究依然很少，且研究方向主要集中在設備的介紹、經濟效益和工程設計等方面。同時目前國內的噴灌設備還存在產品質量不過關、使用壽命短等問題。為了解決上述問題，同時提升我國該項技術水平，并降低同等技術水平噴灌機造價，進一步推動新疆畜牧業節水灌溉工程的發展，結合新疆地形復雜條件、灌溉管理方式和噴灌機的適用條件，我單位開展了針對低能耗滾移式噴灌機的研究。

1 滾移式噴灌機的結構設計

滾移式噴灌機的車身結構設計如圖1所示。主要由動力承載車、輸水支管、車輪、快速泄水閥、噴頭、噴頭配重塊、進水連接器、末端堵頭等組成。動力承載車和輸水支管及輸水管之間均通過法蘭接頭連接；輸水支管充當輪軸，車輪安裝在每個輸水支管中部；輸水支管端部上安裝有配頭、噴頭配重塊、自泄閥；整機支管末端安裝堵頭，另一端連接進水連接器，通過引水軟管連接到給水栓。

動力承載車同時驅動輸水支管和動力承載車輪軸的轉動，鋁合金輸水管作為輪軸驅動滾輪滾動，實現整機的直線移動。整機總長400 m，動力輸出功率低至6 kW，單次滾移距離12 m，噴頭間距12 m，噴嘴距地面高度1.2 m，噴嘴的最小工作壓力為0.10 MPa，噴灌機首部采用低壓節能設計水頭為15 m.

圖1 滾移式噴灌機結構示意圖

2 動力承載車架結構設計與分析

動力承載車架是滾移式噴灌機整車驅動的承重部件，它是發動機和輸水支管連接的重要部件，還將承受噴灌機移動和噴灑灌溉兩種工況條件下所產生的各種力與力矩，即各種靜荷載與動荷載。由于車架受力較為復雜，工作時易發生變形、斷裂等現象，因此合理設計車架結構、選擇材料、進行強度校核等非常重要。本次動力承載車架結構設計采用大梁式車架[14]。

車架的結構設計如圖2所示，設計為雙梁四輪結構，雙梁四輪結構能吸收支管扭轉的反力偶距，能保證設備行走的穩定性和直線性。該動力承載車架的結構簡單。

圖2 車架結構

2.1 基本參數的確定

根據滾移式噴灌機的用途，初步擬定采用一體化車架結構，主要由主梁、橫梁、輪軸連接圈、發動機變速箱總成機座、動力輪軸連接圈等焊接而成。縱梁和次梁選用110 mm×50 mm×5 mm尺寸鋼管，橫梁采用標準55 mm×1.5 mm尺寸鋼管，總體長度3 650 mm，最大寬度520 mm.該車架所用鋼材均為Q235鋼，其力學特性，如表1材料特性表所示。

表1 材料特性表

2.2 車架有限元模型的建立及網格的劃分

應用CAD軟件進行建模后，將圖1所示的三維模型導入有限元前處理軟件中，進行網格劃分?？紤]到車架及型鋼尺寸的影響因素，將網格單元尺寸設置為5 mm[14]。網格劃分完成后，得到網格單元總數648 130個，網格節點總數1 050 003個，其中10節點四邊形單元數648 130個。網格劃分質量檢查采用正交品質方法檢查，通過觀察發現，網格質量良好，可信度較高。

2.3 車架施加約束與載荷

車架通過輪軸連接圈與車輪連接，因此在四個輪軸連接圈的內孔施加固定約束。在有限元分析中，模型上載荷的加載形式通常有兩種，分別是集中載荷和均布載荷。根據動力承載車架結構可知，車架主要承受發動機變速箱總成和駕駛員的重力，車架上各載荷如表2所示。

表2 車架荷載表

2.4 車架靜態彎曲工況分析

將上述建立的車架有限元模型進行求解，得到車架的應變、應力的云圖[15]，如圖3位移云圖、圖4應力云圖所示。從圖3位移云圖中可以看出，車架縱梁的位移從兩端向中間逐漸加大，車架最大位移區域出現在發動機變速箱總成和駕駛員的重力承載處，最大相對位移為4.078 mm，車架的其它位置的變形相對較小，總體變形在合理范圍內，說明車架的剛度能夠滿足設計要求。從圖4應力云圖中可以看出，縱梁連接輪軸連接圈處及其周圍位移約束的位置處應力變化較大，最大達到170.23 MPa，該值小于材料的許用應力，因此車架的強度滿足工作需要。

圖3 位移云圖

圖4 應力云圖

3 輸水支管設計

輸水支管同時具有輸水和噴灌機動力傳遞的作用，對其強度的要求較高，所以采用高強度性能的薄壁的鋁合金管[6]。每根輸水支管中間安裝車輪，通過輸水支管傳遞扭矩。

3.1 基本參數確定

設計滾移式噴灌機噴灌支管長400 m，額定流量52 m3/h.查閱機械設計手冊（第五版），直徑為100 mm時的最大流量為66 m3/h，滿足滾移機設計要求。但為了進一步減小管道流速，降低管路壓力損失，取輸水支管管道內徑為120 mm.根據噴頭類型和噴灌組合均勻度初定每根支管長10 m.

3.2 輸水支管設計計算

滾移式噴灌機向前移動時，動力車一側輸水支管的受力如圖5所示[6]。

圖5 輸水支管旋轉受力圖

通過截面法計算每根支管的內力偶T，即

式中：M為輸出扭矩，N·m；Me為外力偶矩，N·m；i為輸水支管標識變量，i=1，2，…，20；τ為切應力，N/m2；A 為支管橫截面積，m2；r為車輪半徑，m.

相距l的兩端面間的相對扭轉角為：

式中：φ 為扭轉角，rad；l為支管長度，m；G 為切變模量，G=26 GPa；Ip為極慣性矩，m4.

輸水支管管道剪切變形能為：

式中：W為剪切變形能，kW.

由式（1）可知，靠近動力車的管道承受的扭矩最大，向外逐漸變小。根據式（1）-（4），在 C語言中編程，得出一組輸水支管壁厚和數量的優化解，動力車兩側各依次安裝管道最大壁厚為2.5 mm、最小壁厚為1.5 mm.為了生產加工、安裝和后期維護方便，統一采用2.5 mm壁厚輸水支管。

4 低能耗滾移式噴灌機水力性能試驗

2017年9月在新疆維吾爾自治區博州水利灌溉試驗站進行了試驗，首部變頻控制按設計需要設定噴灌機工作壓力，自動恒壓穩定。通過大田實驗數據，分析得出滾移式噴灌機地面測點水量分布的特征。如圖6所示，自主研發的低能耗滾移式噴灌機水量分布均勻，在0.15 MPa工作壓力下，9 m工作間隔條件下，距滾移式噴灌機4.5 m處點的組合噴灌強度達到9.3 mm/h，距滾移式噴灌機6 m處點的組合噴灌強度達到8 mm/h，距滾移式噴灌機3m處點組合噴灌強度達到7.8 mm/h，組合平均噴灌強度8.4 mm/h.

圖6 低能耗滾移式噴灌機試驗應用現場圖

試驗測得低能耗滾移式噴灌機進水口處噴頭壓力為0.15 MPa，噴灌機末端噴頭壓力為0.12 MPa，管道壓力損失很小。根據克里斯琴森公式計算得到噴灌機的組合平均噴灌強度為8.4 mm/h，噴灑均勻度系數為0.902，噴灌質量好，達到了噴灌機的工作要求。

5 結論

到目前為止，和國內滾移式噴灌機的相比，本次研究開發的滾移式噴灌機具有兩大優勢：一是雙排水功能，自動泄水閥和接頭兩處同時排水；二是動力承載車架結構簡單滾移效果好，采用雙導軌設計，動力承載車架和噴灌機支管上的車輪均為主動輪，有利于實現噴灌機的同步滾移。

（1）通過對車架有限元模型進行的車架應變分析，發現車架縱梁的位移從兩端向中間逐漸加大，最大相對位移為4.078 mm，總體變形在合理范圍內，車架的剛度能夠滿足設計要求。

（2）通過對車架有限元模型進行的車架應力分析，發現車架縱梁連接輪軸連接圈處及其周圍位移約束的位置處應力變化較大，最大達到170.23 MPa，該值小于材料的許用應力，車架的強度滿足工作需要。

（3）通過輸水支管設計，靠近動力車的管道承受的扭矩最大，向外逐漸變小。通過計算分析得出，輸水支管管道壁厚從動力車至兩側，壁厚由最大壁厚2.5 mm漸變到最小壁厚1.5 mm.為了生產加工、安裝和后期維護方便，本次設計輸水支管壁厚統一為2.5 mm.

（4）田間水力性能試驗結果表明，自主研發的低能耗滾移式噴灌機在0.15 MPa工作壓力下噴灑均勻度系數為0.902，組合平均噴灌強度8.4 mm/h.與進口滾移式噴灌機相比，自主研發的低能耗滾移式噴灌機在保證灌水均勻度的條件下降低首部工作壓力，從而降低了整個噴灌系統的能耗。

該滾移式噴灌機結構穩定、重量輕，首部工作壓力低、能耗低，灌水均勻度高。通過本次研究不但提升新疆乃至我國該項技術水平，而且也降低了同等技術水平噴灌機造價，有利于進一步推動新疆畜牧業節水灌溉工程的發展。

[1]許一飛.談談我國噴灌機的發展趨向[J].節水灌溉，1979（4）：11-13.

[2]蘭才有，李 剛.滾移式噴灌機簡析[J].節水灌溉，1998，12（6）：24-25.

[3]劉 偉，李廣學.適于滾移式噴灌機作業的田間工程布置[J].現代化農業，2000（5）：37.

[4]劉盈盈，李 威.某農場滾移式噴灌系統典型設計應用[J].黑龍江水利科技，2014，42（1）：181-183.

[5]韓忠臣.GP400×2滾移式噴灌機作業畝成本及效益概算[J].噴灌技術，1993（1）：29-31.

[6]王艷花，孫培靈，孫文峰，等.滾移式噴灌機關鍵部件的設計與試驗[J].排灌機械工程學報，2015，33（10）：913-920.

[7]Newell S D，Rowe S B,Bukousky J M.Linear moving irrigating apparatus，US4632494[P].1986.

[8]Standal N S.Linear sprinkling irrigation apparatus，US4159080[P].1979.

[9]Courtright B.Power assist structure for side roll wheellines，US3980098[P].1976.

[10]Courtright B.Prime mover for and in wheel-line irrigation apparatus:US,US3848625[P].1974.

[11]Williams L H.Automatic pipe line straightener and sprinkler head leveler for sprinkler irrigation systems，US3658248[P].1972.

[12]Baker L W.Automatic wind brace for side roll irrigation system，US4191206[P].1980.

[13]馬根眾.滾移式噴灌機簡介[J].山東農機化，2004（1）：30.

[14]黃 文，沈光烈.重型汽車車架結構設計[J].廣西工學院學報，2005（S3）：13-16.

[15]張進國，程曉輝，孫敬宜.基于ANSYS的汽車車架結構有限元分析[J].拖拉機與農用運輸車，2006（05）：63-64.