高效水肥一体化喷灌机的研发设计分析

闵祥梅 王长虎

（1.山东农业大学，山东 泰安 271018；2.山东农业工程学院，山东 济南 250100）

喷灌作为一种节水灌溉技术，在发达国家研究、使用的时间较早，距今已有近百年。随着近代化学工业技术的快速发展，加之干旱缺水地区迫切需要浇水灌溉，越来越多的国家开始研究滴灌和喷灌技术，以色列率先开始研究、利用喷灌机实施水肥一体化技术，从而使水肥一体化技术在全世界得到迅速发展。目前，水肥一体化技术在我国已经被广泛推广开来，很多农民和种植大户将其广泛应用在农业生产中。

1 喷灌机的结构组成

对于高效水肥一体化喷灌机，水由卷盘机利用输水管输送到四通管处并进行分流，水流的一部分进入不锈钢水管，另外一部分则由喷头来进行喷水。机架左端的比例式注肥泵的底部接蛇皮管，而蛇皮管则连接肥液桶，通过施肥管进行喷肥。

JP750-300S型高效水肥一体化喷灌机的整机结构主要由绞盘、减速箱、底盘、支腿、水涡轮、地锚、转盘和喷头连接等组成（见图1）。

图1 机械部分整体结构

2 喷灌机的工作原理

喷灌机工作时把绞盘固定在行机道上，当进水阀处于流通状态时，经过水力活动驱动设备和喷灌机传动机构驱动绞盘转动，缠绕聚乙烯管牵动喷头车（见图2）朝绞盘车目标位置进行挪动。喷头车悬臂上的13个折射喷头喷洒构成一条长方形水雾带。另外，靠绞盘上的调速设备扭转绞盘转速来实现喷头车平均运转。在喷洒作业过程中，缠绕在绞盘上的一圈圈聚乙烯管是靠绞盘上的导向设备有序摆放的。

图2 喷头车结构

当喷洒作业结束时，喷头车上的顶杆就会碰撞到切断驱动绞盘转动的设备，绞盘终止转动并切断水源之后，将绞盘调转180°用拖拉机将喷头车拉到条地的另一端，开始又一次喷洒作业。

3 基于ANSYS桁架的有限元仿真分析

将喷灌机中桁架的每一部分杆件，尤其是上弦杆、腹杆及横梁，使用仿真分析中的BEAM3单元进行仿真分析。在有限元理论和材料力学中，喷灌机中桁架的梁单元都要考虑所模拟杆件的轴向受力以及变形情况［1］。另外，要考虑所模拟杆件在两个平面内的弯曲情况。喷灌机中桁架单元应考虑在集中荷载及均布载荷作用下桁架相应产生的各种应力。另外定义了喷灌机中桁架材料属性，各类杆件都是铝合金的材料，杆件根据规格定义了3种桁架的梁单元截面。

因为桁架中央有肥液桶，肥液桶体积大约为55 L，按照肥液桶质量为55 kg来计算，对桁架的有限元分析，我们截取一半来进行分析，那样的话桁架受到的最大集中力为260 kN。分析中边界条件是在桁架的支座处也就是在节点3、4、5处施加了集中载荷，然后对整体再施加重力。

结合桁架的有限元轴力图可以分析得出在集中受力的情况下桁架中间受到的力，由有限元理论分析能得出桁架的中间部分变形是最大的，也就是说是最危险的地方。同时，从轴力图中可以观察到在两边靠近支座处的竖直及斜腹杆所受到的轴力比较大［2］，而两端的轴力却比较小（见图3）。由此可以分析出在静载状态下，桁架的中间最易产生破坏情况，因此在对桁架进行强度校核时桁架的中间是重点校核对象。

根据有限元仿真分析，对桁架梁进行了静力分析和动力分析，得出了在静载作用下总体位移情况、桁架受力特点及其振型和自振频率，因此由有限元仿真分析得到的结果为桁架的设计和检测提供一些技术参数。再根据动力特性分析得出的桁架振动特性，从而更好地利用和减少振动。

根据多次有限元的分析计算，在肥液桶体积大约为55 L的情况下，得出桁架的半径为11 mm比较符合要求，厚度为1 mm。因为喷灌机是移动行走，采用铝合金材料，注定了不仅要有轻便性的要求，而且在工作中要符合承重肥液桶的要求，因而对杆的半径有比较严格的要求。

图3 不同载荷情况下桁架的有限元仿真分析