季 有 昌

(山東科技職業(yè)學(xué)院機械工程系，山東 濰坊 261053)

0 引 言

絞盤式噴灌機械自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)備具有機械化程度高、操作簡易、管理方便、節(jié)省水資源及灌溉效果好等優(yōu)點，按噴灌時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)備是一種自動化程度很高的噴灌設(shè)備，目前國內(nèi)使用的絞盤式噴灌機的技術(shù)主要來自于奧地利BAUER公司和法國IRRIFRANCE公司，而近年來國內(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)動裝置、自動齒輪調(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擺噴槍，另一種是可裝卸的懸臂吊桿，臂上配裝有多個折射式低壓噴頭，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級時，噴灑均勻度可達(dá)到85%以上，長度可達(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)場或作物規(guī)模化統(tǒng)一種植區(qū)的使用。缺點是：能耗較高；噴灑出的水滴較大，且力量較大，下落時易損傷作物葉莖，因此不適用于灌溉幼嫩作物；噴頭射程抗風(fēng)能力不強，風(fēng)力較大時，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)計一低壓噴頭，多個低壓折射式噴頭同時進(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期的作物；另一方面，噴頭對工作壓力的要求低，可以大幅度降低系統(tǒng)能耗，節(jié)省運行費用；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。與單個的噴頭車相比，田間作業(yè)時需要的路面較寬，且噴頭車輪胎較大，多用三輪胎噴灑車，機組移動頻率相對增加，適用于大型農(nóng)場或大面積種植區(qū)域，或作物種植種類雜多的農(nóng)田灌溉[5]。

而對于懸臂式噴灑車，在使用時發(fā)現(xiàn)，澆灌草坪、大豆、油菜等植株矮小的作物時，應(yīng)用這種機型效果顯著。但是在灌溉像玉米、高粱、甘蔗等植株高的作物時，發(fā)現(xiàn)懸臂的高度會低于作物的高度，這樣在灌溉和移動機組時，會出現(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。但是在生長的中后期，就會出現(xiàn)前述問題，那么采取何種辦法，設(shè)計一種噴頭車，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。本文從解決實際生產(chǎn)問題的需要的出發(fā)，對解決該問題的各種措施進(jìn)行了細(xì)致的剖析與研究，對原懸臂式噴灑車進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計，解決了此問題。

兩種噴頭車特點對比匯總至表1。

表1 兩種噴灑方式特點對比Tab.1 Comparison of two spraying modes

2 噴頭車設(shè)計方案的確定

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，在幼苗時容易打壞作物的枝葉，且灌溉不均勻，會出現(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)計為可調(diào)整式結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)此功能。

機械中常用的增高結(jié)構(gòu)設(shè)計原理有以下幾種。

(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現(xiàn)升降，如玉米機的糧倉、貨車的翻轉(zhuǎn)機構(gòu)等均應(yīng)用了液壓油缸。液壓系統(tǒng)的優(yōu)點是體積小、重量輕，慣性力較小，當(dāng)突然過載或停車時，不會發(fā)生大的沖擊；操縱控制簡便，自動化程度高；容易實現(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，如動力源、傳動機構(gòu)、控制部分等。增加一整套液壓系統(tǒng)，使得機器的體積增大，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)采用四桿機構(gòu)來升降懸臂。四桿機構(gòu)中的曲柄滑塊機構(gòu)，能將曲柄的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為滑塊的直線運動。該機構(gòu)理論上可以實現(xiàn)噴頭車的增高，但是各連桿鉸鏈為了實現(xiàn)靈活旋轉(zhuǎn)，需要設(shè)計間隙，另外四桿機構(gòu)穩(wěn)定性不太好，且各連桿之間的鉸鏈隨著使用會磨損，磨損后更不穩(wěn)定。要達(dá)到實際需要的工作高度，整套機構(gòu)體積龐大，工作時需要將工作道路的寬度加大，這在實際操作中難以實現(xiàn)，故不采用該方案。

(3)采用鏈條傳動裝置升降懸臂。在實際生產(chǎn)車間中有一種簡易運載貨物的小車是利用鏈條傳動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氣壓千斤頂活塞，兩個千斤頂活塞之間裝有一個位置固定的鏈輪，在小車底板鏈輪的正下方有一個氣壓缸，旁邊是一鏈條，一端固定在小車底板上，另一端固定在兩個千斤頂之間且與鏈輪嚙合。當(dāng)腳踏踏板時，活塞上升，帶動鏈輪上升，同時小車底板上升，方便裝卸高處的貨物；當(dāng)松開放氣螺栓時，氣壓下降，活塞收縮，帶動鏈輪下降，同時小車底板下降，重心下移使小車運動時平穩(wěn)。這種提升方式可以應(yīng)用到噴灑車上，此機構(gòu)高度取決于鏈條的長度，能滿足2 500～3 500 mm的高度要求，但是氣壓式機構(gòu)對氣密性要求嚴(yán)格，工作時狀態(tài)不穩(wěn)定，在顛簸嚴(yán)重的路面作業(yè)時易失效，且在應(yīng)用此機構(gòu)時，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)采用齒輪齒條機構(gòu)來升降懸臂。齒輪傳動是目前機械工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的傳動方式之一，齒輪傳動具有效率高；結(jié)構(gòu)緊湊，傳動平穩(wěn)，比帶鏈傳動所需的空間尺寸?。粋鲃颖确€(wěn)定精確；工作可靠、壽命長等優(yōu)點。其中，齒輪齒條傳動是一種特殊的齒輪傳動，可將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動。考慮在噴灑車上設(shè)計一套齒輪齒條傳動機構(gòu)來升降懸臂。利用小型減速箱將齒輪的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為齒條的直線運動，懸臂安裝在齒條的上方，齒條帶動懸臂向上移動達(dá)到所需的高度。此方案傳動效率較低，但是相對穩(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)計方案

確定采用齒輪齒條的傳動機構(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)計如下：①左右兩套齒輪齒條傳動機構(gòu)，其中齒輪為直齒輪，齒條與之嚙合，長度為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：噴灌機運到工作地點后，將主機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)動裝置相連，待鋪設(shè)完畢開始噴灌作業(yè)前[6,7]，轉(zhuǎn)動圖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)動手柄，使帶有齒條的70方管帶動整個懸臂沿80方管的內(nèi)槽慢慢上升，達(dá)到工作所需高度時，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，小車收回到主機后側(cè)，停止供水，旋動手柄，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，軸端安裝傳動齒輪；輸入軸端安裝手柄，轉(zhuǎn)動手柄帶動輸入軸轉(zhuǎn)動，通過減速箱帶動輸出軸轉(zhuǎn)動，從而帶動齒輪轉(zhuǎn)動，齒輪和齒條嚙合，帶動齒條移動，齒條帶動懸臂移動從而達(dá)到調(diào)節(jié)高度的目的。保守計算，假定在工作時，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算如下：

式中：T為轉(zhuǎn)動手柄的最大扭矩，N·m；F為轉(zhuǎn)動手柄所需最大力(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依據(jù)為傳動比，輸出扭矩一定的前提下，選擇合適的傳動比[8]，將增高體升高到適當(dāng)高度。根據(jù)齒輪齒條傳動比及手柄轉(zhuǎn)動圈數(shù)的要求，減速箱傳動比選用范圍在8～15能滿足要求，即手柄轉(zhuǎn)動一圈，增高體上升50～90 mm。

從三維模型中可以看出，人轉(zhuǎn)動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強度，操作者只需用很小的力便可轉(zhuǎn)動手柄，將懸臂調(diào)整到所需高度，減輕了操作者負(fù)擔(dān)，提高了勞動效率。

5 樣機試驗與使用說明

5.1 試驗結(jié)果

噴頭車增高裝置設(shè)計完成后，進(jìn)行了樣機生產(chǎn)，并進(jìn)行了試驗，試驗結(jié)果較理想，基本滿足高度調(diào)整要求，但在試驗中發(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非常不穩(wěn)定，尤其在田間工作道路不平整時，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)致整個懸臂前后搖擺，低壓噴頭工作不穩(wěn)定，對灌溉均勻度產(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)計為三輪支撐結(jié)構(gòu)，以增加工作時的穩(wěn)定性，改進(jìn)后進(jìn)行試制和試驗，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

在使用噴頭車增高裝置升高懸臂時需嚴(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拔出，同時插入；在拔出限位銷軸，用旋轉(zhuǎn)手柄升高或降低懸臂時，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滑脂，減小安裝摩擦力；安裝時，兩70方管必須要同時接觸齒輪，同時脫離齒輪，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，放置專門場地。

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

(5)噴頭車在工作時，嚴(yán)禁站在懸臂下面，以免發(fā)生危險。

6 結(jié) 語

通過對絞盤式噴灌機噴頭車的適應(yīng)性及實際作業(yè)環(huán)境的研究，對噴頭車進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計了齒輪齒條增高機構(gòu)，將噴頭車改進(jìn)為三輪結(jié)構(gòu)；試制樣機并進(jìn)行了多輪試驗，拓展設(shè)計的完成，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的工作范圍，增加了機器的賣點，提高了生產(chǎn)率，提升了用戶收益，這種可滿足一機多用的絞盤式噴灌機的大面積推廣必將為企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益，為我國的節(jié)水灌溉，生態(tài)環(huán)境保護(hù)，提高農(nóng)業(yè)經(jīng)濟效益等方面做出重要貢獻(xiàn)。