高效水肥一體化噴灌機的研發設計分析

閔祥梅 王長虎

（1.山東農業大學，山東 泰安 271018；2.山東農業工程學院，山東 濟南 250100）

噴灌作為一種節水灌溉技術，在發達國家研究、使用的時間較早，距今已有近百年。隨著近代化學工業技術的快速發展，加之干旱缺水地區迫切需要澆水灌溉，越來越多的國家開始研究滴灌和噴灌技術，以色列率先開始研究、利用噴灌機實施水肥一體化技術，從而使水肥一體化技術在全世界得到迅速發展。目前，水肥一體化技術在我國已經被廣泛推廣開來，很多農民和種植大戶將其廣泛應用在農業生產中。

1 噴灌機的結構組成

對于高效水肥一體化噴灌機，水由卷盤機利用輸水管輸送到四通管處并進行分流，水流的一部分進入不銹鋼水管，另外一部分則由噴頭來進行噴水。機架左端的比例式注肥泵的底部接蛇皮管，而蛇皮管則連接肥液桶，通過施肥管進行噴肥。

JP750-300S型高效水肥一體化噴灌機的整機結構主要由絞盤、減速箱、底盤、支腿、水渦輪、地錨、轉盤和噴頭連接等組成（見圖1）。

圖1 機械部分整體結構

2 噴灌機的工作原理

噴灌機工作時把絞盤固定在行機道上，當進水閥處于流通狀態時，經過水力活動驅動設備和噴灌機傳動機構驅動絞盤轉動，纏繞聚乙烯管牽動噴頭車（見圖2）朝絞盤車目標位置進行挪動。噴頭車懸臂上的13個折射噴頭噴灑構成一條長方形水霧帶。另外，靠絞盤上的調速設備扭轉絞盤轉速來實現噴頭車平均運轉。在噴灑作業過程中，纏繞在絞盤上的一圈圈聚乙烯管是靠絞盤上的導向設備有序擺放的。

圖2 噴頭車結構

當噴灑作業結束時，噴頭車上的頂桿就會碰撞到切斷驅動絞盤轉動的設備，絞盤終止轉動并切斷水源之后，將絞盤調轉180°用拖拉機將噴頭車拉到條地的另一端，開始又一次噴灑作業。

3 基于ANSYS桁架的有限元仿真分析

將噴灌機中桁架的每一部分桿件，尤其是上弦桿、腹桿及橫梁，使用仿真分析中的BEAM3單元進行仿真分析。在有限元理論和材料力學中，噴灌機中桁架的梁單元都要考慮所模擬桿件的軸向受力以及變形情況［1］。另外，要考慮所模擬桿件在兩個平面內的彎曲情況。噴灌機中桁架單元應考慮在集中荷載及均布載荷作用下桁架相應產生的各種應力。另外定義了噴灌機中桁架材料屬性，各類桿件都是鋁合金的材料，桿件根據規格定義了3種桁架的梁單元截面。

因為桁架中央有肥液桶，肥液桶體積大約為55 L，按照肥液桶質量為55 kg來計算，對桁架的有限元分析，我們截取一半來進行分析，那樣的話桁架受到的最大集中力為260 kN。分析中邊界條件是在桁架的支座處也就是在節點3、4、5處施加了集中載荷，然后對整體再施加重力。

結合桁架的有限元軸力圖可以分析得出在集中受力的情況下桁架中間受到的力，由有限元理論分析能得出桁架的中間部分變形是最大的，也就是說是最危險的地方。同時，從軸力圖中可以觀察到在兩邊靠近支座處的豎直及斜腹桿所受到的軸力比較大［2］，而兩端的軸力卻比較小（見圖3）。由此可以分析出在靜載狀態下，桁架的中間最易產生破壞情況，因此在對桁架進行強度校核時桁架的中間是重點校核對象。

根據有限元仿真分析，對桁架梁進行了靜力分析和動力分析，得出了在靜載作用下總體位移情況、桁架受力特點及其振型和自振頻率，因此由有限元仿真分析得到的結果為桁架的設計和檢測提供一些技術參數。再根據動力特性分析得出的桁架振動特性，從而更好地利用和減少振動。

根據多次有限元的分析計算，在肥液桶體積大約為55 L的情況下，得出桁架的半徑為11 mm比較符合要求，厚度為1 mm。因為噴灌機是移動行走，采用鋁合金材料，注定了不僅要有輕便性的要求，而且在工作中要符合承重肥液桶的要求，因而對桿的半徑有比較嚴格的要求。

圖3 不同載荷情況下桁架的有限元仿真分析