高效水肥一體化噴灌機(jī)的研發(fā)設(shè)計(jì)分析

閔祥梅 王長(zhǎng)虎

（1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，山東 泰安 271018；2.山東農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250100）

噴灌作為一種節(jié)水灌溉技術(shù)，在發(fā)達(dá)國(guó)家研究、使用的時(shí)間較早，距今已有近百年。隨著近代化學(xué)工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，加之干旱缺水地區(qū)迫切需要澆水灌溉，越來(lái)越多的國(guó)家開(kāi)始研究滴灌和噴灌技術(shù)，以色列率先開(kāi)始研究、利用噴灌機(jī)實(shí)施水肥一體化技術(shù)，從而使水肥一體化技術(shù)在全世界得到迅速發(fā)展。目前，水肥一體化技術(shù)在我國(guó)已經(jīng)被廣泛推廣開(kāi)來(lái)，很多農(nóng)民和種植大戶將其廣泛應(yīng)用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。

1 噴灌機(jī)的結(jié)構(gòu)組成

對(duì)于高效水肥一體化噴灌機(jī)，水由卷盤(pán)機(jī)利用輸水管輸送到四通管處并進(jìn)行分流，水流的一部分進(jìn)入不銹鋼水管，另外一部分則由噴頭來(lái)進(jìn)行噴水。機(jī)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(guò)施肥管進(jìn)行噴肥。

JP750-300S型高效水肥一體化噴灌機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)主要由絞盤(pán)、減速箱、底盤(pán)、支腿、水渦輪、地錨、轉(zhuǎn)盤(pán)和噴頭連接等組成（見(jiàn)圖1）。

圖1 機(jī)械部分整體結(jié)構(gòu)

2 噴灌機(jī)的工作原理

噴灌機(jī)工作時(shí)把絞盤(pán)固定在行機(jī)道上，當(dāng)進(jìn)水閥處于流通狀態(tài)時(shí)，經(jīng)過(guò)水力活動(dòng)驅(qū)動(dòng)設(shè)備和噴灌機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)絞盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，纏繞聚乙烯管牽動(dòng)噴頭車(chē)（見(jiàn)圖2）朝絞盤(pán)車(chē)目標(biāo)位置進(jìn)行挪動(dòng)。噴頭車(chē)懸臂上的13個(gè)折射噴頭噴灑構(gòu)成一條長(zhǎng)方形水霧帶。另外，靠絞盤(pán)上的調(diào)速設(shè)備扭轉(zhuǎn)絞盤(pán)轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)噴頭車(chē)平均運(yùn)轉(zhuǎn)。在噴灑作業(yè)過(guò)程中，纏繞在絞盤(pán)上的一圈圈聚乙烯管是靠絞盤(pán)上的導(dǎo)向設(shè)備有序擺放的。

圖2 噴頭車(chē)結(jié)構(gòu)

當(dāng)噴灑作業(yè)結(jié)束時(shí)，噴頭車(chē)上的頂桿就會(huì)碰撞到切斷驅(qū)動(dòng)絞盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的設(shè)備，絞盤(pán)終止轉(zhuǎn)動(dòng)并切斷水源之后，將絞盤(pán)調(diào)轉(zhuǎn)180°用拖拉機(jī)將噴頭車(chē)?yán)綏l地的另一端，開(kāi)始又一次噴灑作業(yè)。

3 基于ANSYS桁架的有限元仿真分析

將噴灌機(jī)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(jìn)行仿真分析。在有限元理論和材料力學(xué)中，噴灌機(jī)中桁架的梁?jiǎn)卧家紤]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(gè)平面內(nèi)的彎曲情況。噴灌機(jī)中桁架單元應(yīng)考慮在集中荷載及均布載荷作用下桁架相應(yīng)產(chǎn)生的各種應(yīng)力。另外定義了噴灌機(jī)中桁架材料屬性，各類桿件都是鋁合金的材料，桿件根據(jù)規(guī)格定義了3種桁架的梁?jiǎn)卧孛妗?/p>

因?yàn)殍旒苤醒胗蟹室和?，肥液桶體積大約為55 L，按照肥液桶質(zhì)量為55 kg來(lái)計(jì)算，對(duì)桁架的有限元分析，我們截取一半來(lái)進(jìn)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(jié)點(diǎn)3、4、5處施加了集中載荷，然后對(duì)整體再施加重力。

結(jié)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(shuō)是最危險(xiǎn)的地方。同時(shí)，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?。ㄒ?jiàn)圖3）。由此可以分析出在靜載狀態(tài)下，桁架的中間最易產(chǎn)生破壞情況，因此在對(duì)桁架進(jìn)行強(qiáng)度校核時(shí)桁架的中間是重點(diǎn)校核對(duì)象。

根據(jù)有限元仿真分析，對(duì)桁架梁進(jìn)行了靜力分析和動(dòng)力分析，得出了在靜載作用下總體位移情況、桁架受力特點(diǎn)及其振型和自振頻率，因此由有限元仿真分析得到的結(jié)果為桁架的設(shè)計(jì)和檢測(cè)提供一些技術(shù)參數(shù)。再根據(jù)動(dòng)力特性分析得出的桁架振動(dòng)特性，從而更好地利用和減少振動(dòng)。

根據(jù)多次有限元的分析計(jì)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?yàn)閲姽鄼C(jī)是移動(dòng)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(duì)桿的半徑有比較嚴(yán)格的要求。

圖3 不同載荷情況下桁架的有限元仿真分析