絞盤式噴灌機(jī)噴頭車的適應(yīng)性研究與優(yōu)化設(shè)計(jì)

季 有 昌

(山東科技職業(yè)學(xué)院機(jī)械工程系，山東 濰坊 261053)

0 引 言

絞盤式噴灌機(jī)械自20世紀(jì)60年代開始在歐洲應(yīng)用，現(xiàn)在在歐洲已普遍用于大田作物的灌溉。這種灌溉設(shè)備具有機(jī)械化程度高、操作簡(jiǎn)易、管理方便、節(jié)省水資源及灌溉效果好等優(yōu)點(diǎn)，按噴灌時(shí)的牽引方式可分為管道牽引式和鋼索牽引式兩種[1]。此設(shè)備是一種自動(dòng)化程度很高的噴灌設(shè)備，目前國(guó)內(nèi)使用的絞盤式噴灌機(jī)的技術(shù)主要來自于奧地利BAUER公司和法國(guó)IRRIFRANCE公司，而近年來國(guó)內(nèi)發(fā)展較快的廠家有江蘇華源和河北農(nóng)哈哈等。主機(jī)主要由絞盤車和噴頭車兩部分組成，其中，絞盤車由絞盤、特制PE管、水渦輪驅(qū)動(dòng)裝置、自動(dòng)齒輪調(diào)速裝置和調(diào)節(jié)控制器等組成；噴頭車由兩輪或三輪小車攜帶噴灑裝置，車輪為輪胎式，車上配帶一種為遠(yuǎn)射程能進(jìn)行扇形噴灑的搖臂式可回?cái)[噴槍，另一種是可裝卸的懸臂吊桿，臂上配裝有多個(gè)折射式低壓噴頭，此為桁架式，灌溉效率高[2,3]。

與傳統(tǒng)大水漫灌的灌溉方式不同，絞盤式噴灌機(jī)采用的是微灌和滴灌的方式，不但節(jié)約了灌溉用水，節(jié)省了能源，提高了灌溉水的利用效率，而且還減少了由于大水漫灌導(dǎo)致的水資源浪費(fèi)和土壤中水肥的流失，延緩了土壤鹽堿化的進(jìn)程[4]。

1 噴頭車種類與適應(yīng)性研究

噴頭車的噴灑方式有：一種采用垂直搖臂式單噴頭作210°左右扇形往復(fù)旋轉(zhuǎn)噴灑，噴頭跟隨噴頭車絞盤的旋轉(zhuǎn)而逐漸回收，這種噴灑方式可為噴頭車留有干燥的退路。另外，在風(fēng)力小于3級(jí)時(shí)，噴灑均勻度可達(dá)到85%以上，長(zhǎng)度可達(dá)400 m。此噴灑方式一次噴灌面積和總控制面積都較大，故要求田間種植作物的種類和高度等要一致，主要適用于中小型農(nóng)場(chǎng)或作物規(guī)?；y(tǒng)一種植區(qū)的使用。缺點(diǎn)是：能耗較高；噴灑出的水滴較大，且力量較大，下落時(shí)易損傷作物葉莖，因此不適用于灌溉幼嫩作物；噴頭射程抗風(fēng)能力不強(qiáng)，風(fēng)力較大時(shí)，造成澆灌不均勻，影響灌溉效果。另一種是懸臂式噴頭車，該機(jī)型將噴頭車上的噴頭去除，在車的上橫梁上安裝輕型桁架式懸臂，桁架上設(shè)計(jì)多段無縫鋼管水管，中間用快換接頭連接，無縫鋼管每間隔300～500 mm設(shè)計(jì)一低壓噴頭，多個(gè)低壓折射式噴頭同時(shí)進(jìn)行噴灑作業(yè)，各噴頭噴射區(qū)域有部分交叉，保證了灌溉的全覆蓋。此灌溉方式一方面可提高系統(tǒng)的抗風(fēng)能力，且水滴霧化度好，適用于灌溉處于各種生長(zhǎng)期的作物；另一方面，噴頭對(duì)工作壓力的要求低，可以大幅度降低系統(tǒng)能耗，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用；這種設(shè)備還可用于大面積噴灑低濃度無腐蝕性的農(nóng)藥或葉面肥等。與單個(gè)的噴頭車相比，田間作業(yè)時(shí)需要的路面較寬，且噴頭車輪胎較大，多用三輪胎噴灑車，機(jī)組移動(dòng)頻率相對(duì)增加，適用于大型農(nóng)場(chǎng)或大面積種植區(qū)域，或作物種植種類雜多的農(nóng)田灌溉[5]。

而對(duì)于懸臂式噴灑車，在使用時(shí)發(fā)現(xiàn)，澆灌草坪、大豆、油菜等植株矮小的作物時(shí)，應(yīng)用這種機(jī)型效果顯著。但是在灌溉像玉米、高粱、甘蔗等植株高的作物時(shí)，發(fā)現(xiàn)懸臂的高度會(huì)低于作物的高度，這樣在灌溉和移動(dòng)機(jī)組時(shí)，會(huì)出現(xiàn)將作物掛斷的現(xiàn)象，甚至?xí)⒐ぷ髦械膽冶蹝鞆?、掛斷，?yán)重?fù)p害灌溉設(shè)備，影響設(shè)備的正常運(yùn)行。玉米、高粱等作物在幼苗期用懸臂式噴灑車來灌溉效果很好，且優(yōu)于單噴頭式噴灑方式。但是在生長(zhǎng)的中后期，就會(huì)出現(xiàn)前述問題，那么采取何種辦法，設(shè)計(jì)一種噴頭車，即能滿足幼苗期作物的灌溉需要，又能滿足高秸稈作物的灌溉需要。本文從解決實(shí)際生產(chǎn)問題的需要的出發(fā)，對(duì)解決該問題的各種措施進(jìn)行了細(xì)致的剖析與研究，對(duì)原懸臂式噴灑車進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)，解決了此問題。

兩種噴頭車特點(diǎn)對(duì)比匯總至表1。

表1 兩種噴灑方式特點(diǎn)對(duì)比Tab.1 Comparison of two spraying modes

2 噴頭車設(shè)計(jì)方案的確定

目前懸臂式噴灑車極限工作高度為1 300 mm左右，在玉米、高粱等高秸稈作物生長(zhǎng)中后期的灌溉中，這種噴灑車滿足不了高稈作物的灌溉需求，因此灌溉方式還是大水漫灌。由于單噴頭式噴灑車的噴灑效果受風(fēng)力影響較大，且噴頭式的噴灌霧化效果不是太好，在幼苗時(shí)容易打壞作物的枝葉，且灌溉不均勻，會(huì)出現(xiàn)過度澆灌或漏澆灌的現(xiàn)象，所以，很多用戶難以接受。那么考慮設(shè)計(jì)一種噴灑車，即能滿足幼苗期低矮作物的灌溉，又能滿足中后期高稈作物的灌溉，使用戶購買一種車輛，便能滿足所有高度，所有生長(zhǎng)期作物的灌溉，節(jié)省用戶成本，增加用戶效益。本文中擬采用將懸臂式噴灑車的懸臂高度設(shè)計(jì)為可調(diào)整式結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)此功能。

機(jī)械中常用的增高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理有以下幾種。

(1)采用液壓油缸來升降懸臂。液壓油缸的使用理論上能使懸臂實(shí)現(xiàn)升降，如玉米機(jī)的糧倉、貨車的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等均應(yīng)用了液壓油缸。液壓系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是體積小、重量輕，慣性力較小，當(dāng)突然過載或停車時(shí)，不會(huì)發(fā)生大的沖擊；操縱控制簡(jiǎn)便，自動(dòng)化程度高；容易實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)。但是，需要有完整的整套設(shè)備來保證液壓系統(tǒng)能順利工作，如動(dòng)力源、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制部分等。增加一整套液壓系統(tǒng)，使得機(jī)器的體積增大，且成本大大增加。另從查閱資料來看，體積小的液壓缸的行程都很小，達(dá)不到實(shí)際需要的2 500～3 500 mm的高度，而能達(dá)到此行程的液壓缸體積大，重量大，故不采用該方案。

(2)采用四桿機(jī)構(gòu)來升降懸臂。四桿機(jī)構(gòu)中的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，能將曲柄的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為滑塊的直線運(yùn)動(dòng)。該機(jī)構(gòu)理論上可以實(shí)現(xiàn)噴頭車的增高，但是各連桿鉸鏈為了實(shí)現(xiàn)靈活旋轉(zhuǎn)，需要設(shè)計(jì)間隙，另外四桿機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性不太好，且各連桿之間的鉸鏈隨著使用會(huì)磨損，磨損后更不穩(wěn)定。要達(dá)到實(shí)際需要的工作高度，整套機(jī)構(gòu)體積龐大，工作時(shí)需要將工作道路的寬度加大，這在實(shí)際操作中難以實(shí)現(xiàn)，故不采用該方案。

(3)采用鏈條傳動(dòng)裝置升降懸臂。在實(shí)際生產(chǎn)車間中有一種簡(jiǎn)易運(yùn)載貨物的小車是利用鏈條傳動(dòng)的方式來使小車底板作升降的。工作原理：在小車把手附近有兩個(gè)氣壓千斤頂活塞，兩個(gè)千斤頂活塞之間裝有一個(gè)位置固定的鏈輪，在小車底板鏈輪的正下方有一個(gè)氣壓缸，旁邊是一鏈條，一端固定在小車底板上，另一端固定在兩個(gè)千斤頂之間且與鏈輪嚙合。當(dāng)腳踏踏板時(shí)，活塞上升，帶動(dòng)鏈輪上升，同時(shí)小車底板上升，方便裝卸高處的貨物；當(dāng)松開放氣螺栓時(shí)，氣壓下降，活塞收縮，帶動(dòng)鏈輪下降，同時(shí)小車底板下降，重心下移使小車運(yùn)動(dòng)時(shí)平穩(wěn)。這種提升方式可以應(yīng)用到噴灑車上，此機(jī)構(gòu)高度取決于鏈條的長(zhǎng)度，能滿足2 500～3 500 mm的高度要求，但是氣壓式機(jī)構(gòu)對(duì)氣密性要求嚴(yán)格，工作時(shí)狀態(tài)不穩(wěn)定，在顛簸嚴(yán)重的路面作業(yè)時(shí)易失效，且在應(yīng)用此機(jī)構(gòu)時(shí)，增加了活塞、氣缸等結(jié)構(gòu)，重量增加多，另結(jié)構(gòu)不緊湊，故不采用該方案。

(4)采用齒輪齒條機(jī)構(gòu)來升降懸臂。齒輪傳動(dòng)是目前機(jī)械工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的傳動(dòng)方式之一，齒輪傳動(dòng)具有效率高；結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)平穩(wěn)，比帶鏈傳動(dòng)所需的空間尺寸?。粋鲃?dòng)比穩(wěn)定精確；工作可靠、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。其中，齒輪齒條傳動(dòng)是一種特殊的齒輪傳動(dòng)，可將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)?？紤]在噴灑車上設(shè)計(jì)一套齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來升降懸臂。利用小型減速箱將齒輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為齒條的直線運(yùn)動(dòng)，懸臂安裝在齒條的上方，齒條帶動(dòng)懸臂向上移動(dòng)達(dá)到所需的高度。此方案?jìng)鲃?dòng)效率較低，但是相對(duì)穩(wěn)定，且傳遞精度高。故綜合考慮，該方案為最優(yōu)方案。

3 噴頭車增高裝置的設(shè)計(jì)方案

確定采用齒輪齒條的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來升降懸臂達(dá)到不同高度作物的灌溉需求。噴頭車增高裝置的設(shè)計(jì)如下：①左右兩套齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其中齒輪為直齒輪，齒條與之嚙合，長(zhǎng)度為1 900 mm，要求齒輪齒條精度較高，并進(jìn)行熱處理，硬度約為HRC48-54，提高其硬度和耐磨性，保證使用壽命；②兩套齒輪軸；③兩條80 mm×80 mm×4 mm方管，長(zhǎng)度為1 800 mm，在其上每隔400 mm鉆φ25的通孔；④兩條70 mm×70 mm×2 000 mm方管，通過兩連接板焊接在噴頭車車架的橫梁上；④噴頭車設(shè)計(jì)為三輪結(jié)構(gòu)，增加行走穩(wěn)定性和承載能力；⑥噴頭車增高架通過連接板與桁架用環(huán)箍連接。各參數(shù)初步確定后，繪制三維模型并裝配。噴頭車增高架三維模型如圖1所示。

1-噴頭車左輪組合；2-減速箱；3-增高體(80方管)；4-限位銷軸；5-增高體連接管；6-橫梁連接板；7-齒條安裝管(70方管)；8-懸架安裝板；9-噴頭車橫梁；10-齒輪軸及安裝座；11-旋轉(zhuǎn)手柄；12-噴頭車右輪組合圖1 噴頭車增高裝置三維模型Fig.1 Three-dimensional model of sprinkler elevation

噴頭車增高裝置工作流程：噴灌機(jī)運(yùn)到工作地點(diǎn)后，將主機(jī)固定在工作道指定位置，將噴頭車連同PE管拖出到工作位置，連接送水軟管，PE軟管一端與噴頭車相連，另一端纏繞在卷盤上并與驅(qū)動(dòng)裝置相連，待鋪設(shè)完畢開始噴灌作業(yè)前[6,7]，轉(zhuǎn)動(dòng)圖1減速箱旋轉(zhuǎn)手柄將齒條安裝管(70方管)降到最低位置。用限位銷軸將增高體固定在該位置，通過環(huán)箍將懸臂安裝到增高體頂端，將輸水軟管與懸臂法蘭連接。拔掉限位銷軸，轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，使帶有齒條的70方管帶動(dòng)整個(gè)懸臂沿80方管的內(nèi)槽慢慢上升，達(dá)到工作所需高度時(shí)，停止旋轉(zhuǎn)手柄，將限位銷插在增高體的銷孔中，高度固定，開始灌溉工作。等灌溉結(jié)束時(shí)，小車收回到主機(jī)后側(cè)，停止供水，旋動(dòng)手柄，將齒條所在70方管高度降低到最低位置，固定，拆卸懸臂，轉(zhuǎn)移到另一工作位置，重復(fù)流程繼續(xù)灌溉。

噴頭車增加架升高范圍為1 500～3 500 mm，能適應(yīng)低矮幼苗和高大成年植株的灌溉需求。增加架升至最高位置時(shí)的噴灑車三維模型如圖2所示。

圖2 噴頭車增高架最高位置三維模型Fig.2 Three-dimensional model of the highest elevation position of sprinkler vehicle

4 減速箱扭矩的確定

噴頭車增高裝置所采用減速箱工作如下：將減速箱輸出軸孔與齒輪軸配合，減速箱固定在增高體的一側(cè)，輸出端安裝輸出軸，軸端安裝傳動(dòng)齒輪；輸入軸端安裝手柄，轉(zhuǎn)動(dòng)手柄帶動(dòng)輸入軸轉(zhuǎn)動(dòng)，通過減速箱帶動(dòng)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪和齒條嚙合，帶動(dòng)齒條移動(dòng)，齒條帶動(dòng)懸臂移動(dòng)從而達(dá)到調(diào)節(jié)高度的目的。保守計(jì)算，假定在工作時(shí)，桁架(加上桁架內(nèi)水)的重量和增高體以及齒輪齒條的重量為150 kg,則減速箱所需的最低輸出扭矩計(jì)算如下：

式中：T為轉(zhuǎn)動(dòng)手柄的最大扭矩，N·m；F為轉(zhuǎn)動(dòng)手柄所需最大力(N，近似為桁架和增高裝置的總重量)；D為傳動(dòng)齒輪分度圓直徑，m。

由上式得出所選減速箱的輸出扭矩大于29.4 N·m才能滿足工作需求。減速箱選擇的另一個(gè)依據(jù)為傳動(dòng)比，輸出扭矩一定的前提下，選擇合適的傳動(dòng)比[8]，將增高體升高到適當(dāng)高度。根據(jù)齒輪齒條傳動(dòng)比及手柄轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)的要求，減速箱傳動(dòng)比選用范圍在8～15能滿足要求，即手柄轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，增高體上升50～90 mm。

從三維模型中可以看出，人轉(zhuǎn)動(dòng)手柄所在位置與齒輪軸軸向位置互相垂直，故選用蝸桿減速箱。減速箱的使用降低了操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，操作者只需用很小的力便可轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，將懸臂調(diào)整到所需高度，減輕了操作者負(fù)擔(dān)，提高了勞動(dòng)效率。

5 樣機(jī)試驗(yàn)與使用說明

5.1 試驗(yàn)結(jié)果

噴頭車增高裝置設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行了樣機(jī)生產(chǎn)，并進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果較理想，基本滿足高度調(diào)整要求，但在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，原方案中的兩輪噴頭車在桁架高度升高后，由于重心上移，使得噴頭車在工作時(shí)非常不穩(wěn)定，尤其在田間工作道路不平整時(shí)，懸臂前傾，容易使懸臂等重量全部作用在PE管上，造成PE管早期磨損或折彎，且重心不穩(wěn)定，導(dǎo)致整個(gè)懸臂前后搖擺，低壓噴頭工作不穩(wěn)定，對(duì)灌溉均勻度產(chǎn)生消極影響。故將噴頭車的方案進(jìn)行改進(jìn)，將噴頭車設(shè)計(jì)為三輪支撐結(jié)構(gòu)，以增加工作時(shí)的穩(wěn)定性，改進(jìn)后進(jìn)行試制和試驗(yàn)，改進(jìn)效果明顯，完全能適應(yīng)工作需求。圖3為未配置增高裝置的懸臂式噴頭車工作狀態(tài)。圖4為懸臂處于最高位置時(shí)噴頭車的工作狀態(tài)。

圖3 傳統(tǒng)噴頭車工作狀態(tài)Fig.3 Working state of traditional sprinkler vehicle

(a)工作狀態(tài)1

(b)工作狀態(tài)2圖4 懸臂處于最高位置噴頭車工作狀態(tài)Fig.4 Working state of sprinkler with cantilever at the highest position

5.2 使用說明及注意事項(xiàng)

在使用噴頭車增高裝置升高懸臂時(shí)需嚴(yán)格按照以下說明進(jìn)行。

(1)兩側(cè)增高體的限位銷軸要同時(shí)拔出，同時(shí)插入；在拔出限位銷軸，用旋轉(zhuǎn)手柄升高或降低懸臂時(shí)，注意一定要控制增高體的升降速度，不能松手讓其自然下落，避免出現(xiàn)下降速度過快，輕則損壞機(jī)器，重則發(fā)生人身事故。

(2)在安裝焊有齒條的70方管前，將表面均勻涂抹鋰基潤(rùn)滑脂，減小安裝摩擦力；安裝時(shí)，兩70方管必須要同時(shí)接觸齒輪，同時(shí)脫離齒輪，以保證頂端的高度一致，以使桁架處于水平狀態(tài)；齒輪齒條間要均勻涂抹潤(rùn)滑脂。

(3)在噴頭車停止噴水，且將懸架降低至最低位置后才能拆卸懸臂，保證操作者安全；且拆卸后，放置專門場(chǎng)地。

(4)增高體升至所需高度后，進(jìn)行作業(yè)時(shí)，要將旋轉(zhuǎn)手柄取下，避免丟失。

(5)噴頭車在工作時(shí)，嚴(yán)禁站在懸臂下面，以免發(fā)生危險(xiǎn)。

6 結(jié) 語

通過對(duì)絞盤式噴灌機(jī)噴頭車的適應(yīng)性及實(shí)際作業(yè)環(huán)境的研究，對(duì)噴頭車進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)了齒輪齒條增高機(jī)構(gòu)，將噴頭車改進(jìn)為三輪結(jié)構(gòu)；試制樣機(jī)并進(jìn)行了多輪試驗(yàn)，拓展設(shè)計(jì)的完成，使得懸臂式噴頭車能滿足各種高度作物的灌溉，拓寬了絞盤式噴灌機(jī)的工作范圍，增加了機(jī)器的賣點(diǎn)，提高了生產(chǎn)率，提升了用戶收益，這種可滿足一機(jī)多用的絞盤式噴灌機(jī)的大面積推廣必將為企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益，為我國(guó)的節(jié)水灌溉，生態(tài)環(huán)境保護(hù)，提高農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益等方面做出重要貢獻(xiàn)。