低能耗滾移式噴灌機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)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(xué)研究院，新疆 烏魯木齊 830049；2.烏魯木齊希水節(jié)水設(shè)備研究開發(fā)中心，新疆 烏魯木齊 830049）

新疆是我國重要的農(nóng)牧業(yè)發(fā)展基地，畜牧業(yè)是新疆主要的支柱產(chǎn)業(yè)之一。根據(jù)2014年《新疆統(tǒng)計(jì)年鑒》統(tǒng)計(jì)，新疆目前有天然草場(chǎng)76 670萬畝草場(chǎng)，其中灌溉草場(chǎng)面積約420萬畝。滾移式噴灌機(jī)作為適于新疆草場(chǎng)灌溉的主要噴灌設(shè)備[1]，其對(duì)新疆乃至西北干旱區(qū)的節(jié)水灌溉的發(fā)展具有重要的意義。

相對(duì)人工拆裝管道式噴灌系統(tǒng)，絞盤式噴灌機(jī)、平移式噴灌機(jī)以及大型圓形噴灌機(jī)的研究，我國對(duì)滾移式噴灌機(jī)的研制和應(yīng)用一直沒有給予應(yīng)有的重視[2]。從20世紀(jì)70年代引進(jìn)國外滾移式噴灌機(jī)到目前，我國對(duì)滾移式噴灌機(jī)的研究主要集中在設(shè)備的應(yīng)用方面，如劉偉、劉盈盈等研究了滾移式噴灌的田間工程設(shè)計(jì)[3，4]；韓忠臣對(duì)滾移式噴灌機(jī)作業(yè)成本及效益進(jìn)行了分析[5]。而針對(duì)滾移式噴灌機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究依然較少，如王艷花等人進(jìn)行了滾移式噴灌機(jī)關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)研究[6]。

國外針對(duì)滾移式噴灌機(jī)的研究有很多[7-8]，美國于1935年成功研制出滾移式噴灌機(jī)的樣機(jī)，Courtright B進(jìn)行了滾移式噴灌機(jī)的驅(qū)動(dòng)部分和保障直線行走的機(jī)構(gòu)研究[9、10]；Williams L H等進(jìn)行保持噴頭豎直向上的機(jī)構(gòu)研究[11]；BakerLW等針對(duì)滾移式噴灌機(jī)的自動(dòng)抗風(fēng)支撐進(jìn)行了研究[12]。

綜上所述，到目前為止，相對(duì)于國外對(duì)滾移式噴灌機(jī)的研究而言，我國對(duì)滾移式噴灌機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)分析方面的研究依然很少，且研究方向主要集中在設(shè)備的介紹、經(jīng)濟(jì)效益和工程設(shè)計(jì)等方面。同時(shí)目前國內(nèi)的噴灌設(shè)備還存在產(chǎn)品質(zhì)量不過關(guān)、使用壽命短等問題。為了解決上述問題，同時(shí)提升我國該項(xiàng)技術(shù)水平，并降低同等技術(shù)水平噴灌機(jī)造價(jià)，進(jìn)一步推動(dòng)新疆畜牧業(yè)節(jié)水灌溉工程的發(fā)展，結(jié)合新疆地形復(fù)雜條件、灌溉管理方式和噴灌機(jī)的適用條件，我單位開展了針對(duì)低能耗滾移式噴灌機(jī)的研究。

1 滾移式噴灌機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

滾移式噴灌機(jī)的車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。主要由動(dòng)力承載車、輸水支管、車輪、快速泄水閥、噴頭、噴頭配重塊、進(jìn)水連接器、末端堵頭等組成。動(dòng)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(dāng)輪軸，車輪安裝在每個(gè)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(jī)支管末端安裝堵頭，另一端連接進(jìn)水連接器，通過引水軟管連接到給水栓。

動(dòng)力承載車同時(shí)驅(qū)動(dòng)輸水支管和動(dòng)力承載車輪軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，鋁合金輸水管作為輪軸驅(qū)動(dòng)滾輪滾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)整機(jī)的直線移動(dòng)。整機(jī)總長400 m，動(dòng)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(jī)首部采用低壓節(jié)能設(shè)計(jì)水頭為15 m.

圖1 滾移式噴灌機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2 動(dòng)力承載車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

動(dòng)力承載車架是滾移式噴灌機(jī)整車驅(qū)動(dòng)的承重部件，它是發(fā)動(dòng)機(jī)和輸水支管連接的重要部件，還將承受噴灌機(jī)移動(dòng)和噴灑灌溉兩種工況條件下所產(chǎn)生的各種力與力矩，即各種靜荷載與動(dòng)荷載。由于車架受力較為復(fù)雜，工作時(shí)易發(fā)生變形、斷裂等現(xiàn)象，因此合理設(shè)計(jì)車架結(jié)構(gòu)、選擇材料、進(jìn)行強(qiáng)度校核等非常重要。本次動(dòng)力承載車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用大梁式車架[14]。

車架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示，設(shè)計(jì)為雙梁四輪結(jié)構(gòu)，雙梁四輪結(jié)構(gòu)能吸收支管扭轉(zhuǎn)的反力偶距，能保證設(shè)備行走的穩(wěn)定性和直線性。該動(dòng)力承載車架的結(jié)構(gòu)簡單。

圖2 車架結(jié)構(gòu)

2.1 基本參數(shù)的確定

根據(jù)滾移式噴灌機(jī)的用途，初步擬定采用一體化車架結(jié)構(gòu)，主要由主梁、橫梁、輪軸連接圈、發(fā)動(dòng)機(jī)變速箱總成機(jī)座、動(dòng)力輪軸連接圈等焊接而成?？v梁和次梁選用110 mm×50 mm×5 mm尺寸鋼管，橫梁采用標(biāo)準(zhǔn)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(xué)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(wǎng)格的劃分

應(yīng)用CAD軟件進(jìn)行建模后，將圖1所示的三維模型導(dǎo)入有限元前處理軟件中，進(jìn)行網(wǎng)格劃分。考慮到車架及型鋼尺寸的影響因素，將網(wǎng)格單元尺寸設(shè)置為5 mm[14]。網(wǎng)格劃分完成后，得到網(wǎng)格單元總數(shù)648 130個(gè)，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總數(shù)1 050 003個(gè)，其中10節(jié)點(diǎn)四邊形單元數(shù)648 130個(gè)。網(wǎng)格劃分質(zhì)量檢查采用正交品質(zhì)方法檢查，通過觀察發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)格質(zhì)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(gè)輪軸連接圈的內(nèi)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(jù)動(dòng)力承載車架結(jié)構(gòu)可知，車架主要承受發(fā)動(dòng)機(jī)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(tài)彎曲工況分析

將上述建立的車架有限元模型進(jìn)行求解，得到車架的應(yīng)變、應(yīng)力的云圖[15]，如圖3位移云圖、圖4應(yīng)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(qū)域出現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)變速箱總成和駕駛員的重力承載處，最大相對(duì)位移為4.078 mm，車架的其它位置的變形相對(duì)較小，總體變形在合理范圍內(nèi)，說明車架的剛度能夠滿足設(shè)計(jì)要求。從圖4應(yīng)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(yīng)力變化較大，最大達(dá)到170.23 MPa，該值小于材料的許用應(yīng)力，因此車架的強(qiáng)度滿足工作需要。

圖3 位移云圖

圖4 應(yīng)力云圖

3 輸水支管設(shè)計(jì)

輸水支管同時(shí)具有輸水和噴灌機(jī)動(dòng)力傳遞的作用，對(duì)其強(qiáng)度的要求較高，所以采用高強(qiáng)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(shù)確定

設(shè)計(jì)滾移式噴灌機(jī)噴灌支管長400 m，額定流量52 m3/h.查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第五版），直徑為100 mm時(shí)的最大流量為66 m3/h，滿足滾移機(jī)設(shè)計(jì)要求。但為了進(jìn)一步減小管道流速，降低管路壓力損失，取輸水支管管道內(nèi)徑為120 mm.根據(jù)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(shè)計(jì)計(jì)算

滾移式噴灌機(jī)向前移動(dòng)時(shí)，動(dòng)力車一側(cè)輸水支管的受力如圖5所示[6]。

圖5 輸水支管旋轉(zhuǎn)受力圖

通過截面法計(jì)算每根支管的內(nèi)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(biāo)識(shí)變量，i=1，2，…，20；τ為切應(yīng)力，N/m2；A 為支管橫截面積，m2；r為車輪半徑，m.

相距l(xiāng)的兩端面間的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角為：

式中：φ 為扭轉(zhuǎn)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(dòng)力車的管道承受的扭矩最大，向外逐漸變小。根據(jù)式（1）-（4），在 C語言中編程，得出一組輸水支管壁厚和數(shù)量的優(yōu)化解，動(dòng)力車兩側(cè)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(chǎn)加工、安裝和后期維護(hù)方便，統(tǒng)一采用2.5 mm壁厚輸水支管。

4 低能耗滾移式噴灌機(jī)水力性能試驗(yàn)

2017年9月在新疆維吾爾自治區(qū)博州水利灌溉試驗(yàn)站進(jìn)行了試驗(yàn)，首部變頻控制按設(shè)計(jì)需要設(shè)定噴灌機(jī)工作壓力，自動(dòng)恒壓穩(wěn)定。通過大田實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析得出滾移式噴灌機(jī)地面測(cè)點(diǎn)水量分布的特征。如圖6所示，自主研發(fā)的低能耗滾移式噴灌機(jī)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(jī)4.5 m處點(diǎn)的組合噴灌強(qiáng)度達(dá)到9.3 mm/h，距滾移式噴灌機(jī)6 m處點(diǎn)的組合噴灌強(qiáng)度達(dá)到8 mm/h，距滾移式噴灌機(jī)3m處點(diǎn)組合噴灌強(qiáng)度達(dá)到7.8 mm/h，組合平均噴灌強(qiáng)度8.4 mm/h.

圖6 低能耗滾移式噴灌機(jī)試驗(yàn)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)圖

試驗(yàn)測(cè)得低能耗滾移式噴灌機(jī)進(jìn)水口處噴頭壓力為0.15 MPa，噴灌機(jī)末端噴頭壓力為0.12 MPa，管道壓力損失很小。根據(jù)克里斯琴森公式計(jì)算得到噴灌機(jī)的組合平均噴灌強(qiáng)度為8.4 mm/h，噴灑均勻度系數(shù)為0.902，噴灌質(zhì)量好，達(dá)到了噴灌機(jī)的工作要求。

5 結(jié)論

到目前為止，和國內(nèi)滾移式噴灌機(jī)的相比，本次研究開發(fā)的滾移式噴灌機(jī)具有兩大優(yōu)勢(shì)：一是雙排水功能，自動(dòng)泄水閥和接頭兩處同時(shí)排水；二是動(dòng)力承載車架結(jié)構(gòu)簡單滾移效果好，采用雙導(dǎo)軌設(shè)計(jì)，動(dòng)力承載車架和噴灌機(jī)支管上的車輪均為主動(dòng)輪，有利于實(shí)現(xiàn)噴灌機(jī)的同步滾移。

（1）通過對(duì)車架有限元模型進(jìn)行的車架應(yīng)變分析，發(fā)現(xiàn)車架縱梁的位移從兩端向中間逐漸加大，最大相對(duì)位移為4.078 mm，總體變形在合理范圍內(nèi)，車架的剛度能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）通過對(duì)車架有限元模型進(jìn)行的車架應(yīng)力分析，發(fā)現(xiàn)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(yīng)力變化較大，最大達(dá)到170.23 MPa，該值小于材料的許用應(yīng)力，車架的強(qiáng)度滿足工作需要。

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

（4）田間水力性能試驗(yàn)結(jié)果表明，自主研發(fā)的低能耗滾移式噴灌機(jī)在0.15 MPa工作壓力下噴灑均勻度系數(shù)為0.902，組合平均噴灌強(qiáng)度8.4 mm/h.與進(jìn)口滾移式噴灌機(jī)相比，自主研發(fā)的低能耗滾移式噴灌機(jī)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(gè)噴灌系統(tǒng)的能耗。

該滾移式噴灌機(jī)結(jié)構(gòu)穩(wěn)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(xiàng)技術(shù)水平，而且也降低了同等技術(shù)水平噴灌機(jī)造價(jià)，有利于進(jìn)一步推動(dòng)新疆畜牧業(yè)節(jié)水灌溉工程的發(fā)展。

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