基于有限元分析的卷盤式噴灌機雙噴槍支撐結構研究

劉一川，朱德蘭，楊福慧，張寶旭，趙海青，黃靖瑋

(1. 西北農林科技大學 旱區農業水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌 712100；2.西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100)

0 引 言

卷盤式噴灌機是一種應用廣泛的自走式噴灌機，具有機動性強、適應不同地塊類型和節省勞動力等優點[1]，但傳統卷盤式噴灌機一般均使用單噴槍進行噴灌，所需的水頭壓力較大[2]，噴灌機進口水壓力高達80 m，能耗較高，限制了其大面積應用[3]。利用雙噴槍灌溉，可降低噴頭工作壓力，減小噴灌打擊強度[4]。因此有必要開展雙噴槍支撐結構的研究。

許多研究學者針對卷盤式噴灌機配備單個大流量噴槍的噴灑水水力性能和能耗問題做了大量研究，肖瀟和葛茂生研究了50PYC垂直搖臂式噴槍、HY50葉輪式噴頭在定噴情況下的各項水力性能參數，研究表明：相同條件下HY50型噴槍的射程和流量均大于PYC50型噴槍，具有更大的噴灑面積和更高的過流能力[5]；葛茂生提出單位灌溉面積機組總能耗隨噴頭工作壓力的升高線性增加，在不犧牲機組灌水質量的前提下適當降低噴頭的工作壓力是降低卷盤式噴灌機組整體能耗的有效途徑[6]。對于配備單噴槍的卷盤式噴灌機組合使用問題，喻黎明, 吳普特研究表明可通過相鄰機組噴灑保證噴灑末端水量的疊加，以獲取較高的噴灑均勻度[4]。葛茂生研究表明組合移動噴灑均勻度系數隨噴槍組合間距的增加先增高后降低,組合間距在1.5R～1.7R時的組合噴灑均勻度系數不低于85%[5]。對于雙噴槍的研究，胡德民為解決小車受水的反作用力影響使噴槍的噴射角度發生變化，提出聯動雙噴槍設計，通過雙噴槍相互抵消各自反作用力[7]。目前市場上的卷盤式噴灌機普遍為單噴槍配置，也有一些生產廠家(例如安徽艾瑞德農業裝備股份有限公司)嘗試將兩個大流量噴槍組合灌溉，但由于缺乏雙噴槍支撐結構的合理設計，導致在生產實際中的雙噴槍的間距過小，降低了噴灑寬度和灌水均勻性。綜上所述，前人對卷盤式噴灌機單噴槍的噴灑水水力性能和能耗問題做了大量研究，而關于雙噴槍支撐結構的研究較為欠缺。

因此，本文對雙噴槍支撐結構進行設計，利用ANSYS軟件構建有限元模型模擬結構實際工作中的使用情況，在滿足剛度與強度的前提下，設計出安裝方便、結構合理的適于卷盤式噴灌機的雙噴槍支撐結構。

1 卷盤式噴灌機裝置描述

帶有雙噴槍的卷盤式噴灌機裝置如圖1所示。該裝置主要由卷盤車和噴頭車構成，噴頭車上安裝兩個噴槍進行移動式噴灌[8]。

圖1 雙懸臂梁式噴灌機(單位：cm)

2 單根懸臂梁式雙噴槍支撐結構分析

2.1 結構形式及尺寸

現取市面常見懸臂梁式雙噴槍支撐結構分析，懸臂梁結構如圖2所示，兩個噴頭安裝在輸水管上，輸水管與噴灌小車在中間剛性連接，中間剛性節點為支撐結構與下部結構的法蘭盤固定支撐，因此，帶有雙噴槍的輸水管為雙懸臂梁。懸臂梁兼過水管道，采用外徑為60 mm，壁厚3 mm的Q235無縫鋼管，其彈性模量E=210 GPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7 850 kg/m3。

圖2 懸臂梁結構尺寸示意圖(單位：cm)

2.2 基于有限元的結構分析

采用ANSYS Workbench 軟件構建有限元模型，單元類型為 Line body ，選擇Static structural 分析模塊。梁與支座連接處無相對位移全約束。荷載為結構自重、滿管水重及噴槍重量，噴槍重量為75 N。

利用ANSYS Workbench 軟件對上述結構構建有限元模型。

以b=2 m為例，輸出單元應力云圖(見圖3)和節點位移云圖(見圖4)。

圖3 懸臂梁式結構應力云圖

圖4 懸臂梁式結構位移云圖

由圖3可知，應力值由中部向兩端逐漸減小, 最大應力為10.25 MPa。

由圖4可知，結構位移由支座處向桁架兩端逐漸增大，兩端最大值位移為0.59 mm。

根據有限元計算結果對桿件進行基于材料力學的強度與剛度驗算。Q235鋼的許用應力值為215 MPa, 對于試驗系統, 選擇較高的力學性能, 取安全系數n=2.5, 則材料的許用應力為86 MPa 。噴灌系統對梁的剛度要求較高，本文梁的允許撓度按有輕軌軌道的工作平臺梁允許撓度計算, 取[δ]=l/600, 從而在1 m懸臂處允許撓度不超過1.67 mm。由ANSYS有限元分析結果可知, 梁的最大應力在支座處，為10.25<86 MPa，滿足強度要求。梁的最大位移點在最外端節點處, 變形量為0.59<1.67 mm，現對不同雙噴槍間距進行結構計算，結果見表1。

表1 單根懸臂梁式雙噴槍支撐結構分析結果

由表1可以看出，當梁長度達到3.4 m時，最大撓度等于許用撓度。因此，該結構的雙懸臂最大長度為3.4 m。

3 改進的桁架式雙噴槍支撐結構分析

3.1 結構形式及尺寸設計

對卷盤式噴灌機雙噴槍支架的外形構造、節點位置與桿件尺寸等進行設計，改進后結構尺寸示意圖如圖5所示。該結構為跨度總長為b的桁架結構，該桁架主要由水平輸水管構成的下弦梁8，斜向拉桿1、2和腹桿3、4、5、6、7，相鄰腹桿間距為a，通過調整a的取值，來改變輸水管長度b；腹桿長度分別為0.1、0.2、0.3 m具體標注見圖5，拉桿與下弦梁的夾角為θ，以桁架中心為基面對稱布置兩個支座 ①、③，支座間距為2.6 m，限制豎向位移；桁架中心布置一個固定支撐 ②，為進水口與法蘭盤接口；桁架根部距噴槍彎頭處為0.5 m。

圖5 改進后結構尺寸示意圖(單位：m)

改進結構所用材料均為市場常見Q235管道或型鋼，材料具體截面參數如表2所示。A-A、B-B和C-C分別為斜桿、腹桿和水平桿的截面，材料截面見表2。

表2 材料截面數據 mm

3.2 基于有限元的結構分析

將設計的模型導入ANSYS Workbench 軟件進行靜力分析，有限元模型示意圖為圖6。

圖6 結構模型示意圖

用ANSYS軟件對模型進行靜力學計算，通過調整不同的腹桿間距從而改變管道長度b，腹桿間距a與b的關系如下：

b=1+6a

(1)

式中：b為管道長度，m；a為腹桿間距，m。

分析不同管道長度的強度和剛度，結果見表3。

由表3可以看出，b=21.1 m時撓度達到極限狀態。結構單元應力云圖見圖7，節點位移云圖見圖8。

表3 改進后結構靜力學分析結果

圖7 改進后結構應力云圖

圖8 改進后結構位移云圖

由圖7可以看出當b=13 m時，改進的雙噴槍支撐結構彎曲應力分布情況，中部應力值分布較小相對均勻，桁架根部應力最大，沿根部向兩側逐漸減小。

由圖8可以看出，支撐間的位移為零，沿支座處向桁架兩端逐漸增大。

4 設計結果應用

為驗證模型穩定性，對新結構卷盤式噴灌機進行實物模型驗證試驗。試驗在西北農林科技大學旱區節水農業研究院進行，試驗中制作了12 m長的實物模型，并進行最大撓度的驗證，見圖9，由圖可知12 m實物模型的最大撓度位于噴頭處，經測量最大撓度為7 mm，小于其對應的許用撓度10 mm，結構完全滿足使用條件。

圖9 12 m實物模型

5 結 語

(1) 對于卷盤式噴灌機的雙噴槍支撐結構, 利用ANSYS Workbench對支架在正常工況下的應力、變形進行仿真分析，可以解決傳統力學計算費時費力的弊端，提高設計效率。

(2) 對卷盤式噴灌機的雙噴槍支撐結構進行改進設計, 在保證結構使用性能的基礎上增加噴槍間距，可供噴灌設計人員根據噴頭性能和均勻度要求，選擇特定噴頭間距條件下的雙噴槍支撐結構。