卷盤式噴灌機設計要點的討論

      農作物的高產來自于生長期間的必要條件，尤其是水的供應必須得到*。因此灌溉機械日益成為農業生產中zui重要的一部分，是取得農業豐收*的有力保障。卷盤式噴灌機作為現代農業噴灌機械，在國外，經過灌溉設備生產廠家自20世紀70年代開始的不斷改進更新，已形成了系列化、多規格產品，目前已被認為是的灌溉機械之一，得到了廣泛應用，并在這幾年開始引進我國。但由于進口產品價格較貴,使其適用范圍受到限制,我所研制的JPG75/300型卷盤式噴灌機，就是以世界卷盤式噴灌機生產廠家——意大利IDROFOGLIA公司的同類產品為基礎，并通過大量的收集資料、調研，結合國內特別是華南地區的實際情況設計出一種結構相對簡單、成本較低的機型。現將該噴灌機的一些結構及工作原理、主要技術參數的計算提供給大家，為有志于開發卷盤式噴灌機的設計人員提供一些有益的參考。
2.主要結構及工作原理

2.1主要結構

如圖1所示為JPG75/300型卷盤式噴灌機的總體布置。主要由機架、絞盤、導向裝置、PE輸水管、水渦輪驅動裝置、自動調速、安全纏繞裝置、齒輪減速裝置、行走裝置、噴頭車等組成。

JPG75/300型卷盤式噴灌機可采用四種供水配套形式，如拖拉機泵供水的配套形式，配以水泵車，選用30馬力以上拖拉機配套，水泵揚程80米，流量25m3/h，并配以20～100米高壓軟管供水，不占用田間土地。也可采用柴油機泵、井泵、電動泵供水的配套形式。

2.2工作原理

JPG75/300型卷盤式噴灌機由水泵供給壓力水，經由管道輸送高壓水流流經水渦輪驅動裝置，水渦輪的葉輪隨之轉動，通過皮帶、齒輪減速裝置帶動絞盤轉動，PE管則經螺紋導塊式導向器被依次卷繞排列在絞盤上。同時從水渦輪流出的高壓水流經PE輸水管直接送到噴頭處，噴頭均勻地將高壓水流噴灑到田間、運動場草坪等作業面，并隨著PE管的移動而不間歇地進行噴灑作業。

在水渦輪驅動裝置的前部，設計有三通水管和二個閥門。調節主閥門的開度，可改變水渦輪的流量，使水渦輪的轉速改變，PE管移動速度隨之變化，從而達到調節降水深度的目的。另一閥門與自動調速裝置相連接，噴灌作業過程中，因絞盤纏繞PE管后，絞盤有效直徑以及PE管與地面磨擦阻力發生變化，絞盤角速度也發生變化，隨之PE管移動速度也改變。為達到良好的噴灑質量，使PE管勻速移動，必須相應調節水渦輪驅動裝置轉速，這一功能由設在安全纏繞裝置上的拉桿機構、牽引鋼絲繩、第二閥門組成的自動調速機構實現，具體是通過拉桿機構調節第二閥門的開度控制水渦輪流量來達到自動調速的目的。

JPG75/300型卷盤式噴灌機上設計有PE管導向裝置和安全纏繞裝置。導向裝置由左、右雙螺紋導桿和螺紋導塊式導向器組成，隨PE管纏繞回收而使導向器作橫向移動，從而確保PE管在各層都能卷得很齊。安全纏繞裝置的作用是：當噴灌作業接近結束時，噴頭車行走到絞盤車頭部位置時，便能碰到設在頭部的拉桿機構，該機構動作后，通過鋼絲繩牽引而使離合器脫開，絞盤立即停止轉動。另外，當PE管在絞盤上卷繞出現無規律重疊時，設在絞盤上的壓輥出現擺動角度超過極*，通過拉桿機構，也能脫開離合器而使絞盤停止轉動。

3.JPG75/300卷盤式噴灌機主要技術參數的確定

3.1噴灌定額的確定

灌水定額是噴灌機設計中zui基本的水力參數，主要取決于所種植的農作物，根據其根系深度、土壤的不同而不同，下面以華南地區普遍種植的甘蔗為例進行計算。

華南地區甘蔗種植區土質多為中壤土，體積比32%，有效持水量16%，入滲速度10mm/h，大田作物根系活動層深度h=40～60cm，種植若以坡地為主，可取小值，即h=40cm，適宜的土壤含水量可取其限值的低值，即：

U1=0.32×0.8=25.6% U2=0.32×0.6=19.2%

華南地區屬亞熱帶氣候，水的有效利用率可取η=0.85。

灌水深度H=0.1h（U1- U2）/η=0.1×40（25.6-19.2）/0.85=30.12mm

3.2噴灌地塊面積的確定

噴灌機一次噴灑作業可控制的面積為：

A=π/2×R²+2RL = π/2 ×402+2×40×300 =26534.66m2

式中：R—噴槍射程，取40m
L—有效布管長度，此處為300m

3.3噴灌周期的確定

T= H/E η=4.34～8.53（日）

式中：E為甘蔗日平均耗水量，E=3.0～5.9mm/日。

3.4噴灌機流量的確定

QP = EA/1000ηt = 9.4～18.4 m3/h

式中：t為每日純噴灌時間，取t=10小時。

3.5噴頭車行走速度的確定

在灌水定額一定的情況下，噴頭流量越小，噴頭車的行走速度越慢，PE管收回時間越長，生產效率降低；噴頭流量越大，噴頭車的行走速度越快，但相同管徑內的水力損失增大，要求噴灌機的入口壓力也相應增大。

噴灌機的行走速度按下式計算：

V= 1000Qp/RH = 7.8～15.3m/h

為適應其他作物使用，將速度調節范圍擴大至8～60m/h，300m行走時間t=5～38小時。

3.6水渦輪輸出功率的確定

3.6.1噴頭車產生的磨擦力F1

噴頭車由矩形管及方管焊接而成，其重量約為160kg，則：

F1=G1·cosα·f1 =160×cos11.31°×0.20 = 31.38kg = 307.52N

式中：G1—噴頭車重量，約160kg
f1—噴頭車車輪與地面滾動摩擦系數，取0.2
α—按20%坡度計算升角

3.6.2 PE管與地面產生的摩擦力F2

F2=f2（G2+ G3）=0.5×（860+935） = 897.5kg = 8795.5N

式中：f2—PE管與地面間的摩擦系數，取0.5
G2—壁厚6毫米，長度300米PE管重量，約860kg
G3—300米PE管內貯水重量，約935kg

3.6.3 絞盤牽引力F

F = F1 + F2 = 9103.02N

3.6.4絞盤旋轉力矩M

M=F（D1+D2）/2 = 9103.02× = 4437.7 Nm

式中：D1—絞盤轉鼓直徑，為0.9m
D2—PE管直徑，為0.075m

3.6.5絞盤旋轉速度n

n = V/60π（D1+D2） =0.04～0.32 r/min

3.6.6絞盤使用功率的確定

PW= M·n/9550 = 4437.7×（0.04～0.32）/9550 = 0.019～0.15 kw

取zui大值PW =0.15kw

3.6.7水渦輪輸出功率的確定

PO = PW/η1·η2·η3=0.15/0.90×0.90×0.95 = 0.195 kw

式中：皮帶傳動效率η1=0.90
減速機傳動效率η2=0.90
齒輪，齒圈傳動效率η3=0.95

考慮到其它因素，如加工、裝配、場地條件等，取安全系數K=7，由此得出：

水渦輪計算輸出功率PO =0.195×7=1.36 kw

4.JPG75/300型卷盤式噴灌機總體傳動方案的制定

4.1方案說明

與國內普遍采用的多功能雙速減速機的設計不同，JPG75/300型卷盤式噴灌機只采用普通JZQ200型圓柱齒輪減速機與離合器、皮帶輪組成變速系統。動力從水渦輪經由皮帶輪D1、離合器D2、皮帶輪D3、D4、JZQ200型減速機、齒輪Z5、Z6、齒圈Z7傳遞到絞盤。絞盤工作時，又通過鏈輪（Z=23，P=15.87）帶動導桿驅動鏈輪（Z=13,P=15.87），使雙螺紋導桿轉動，從而使導向器能隨PE管的收放而做橫向往復移動，保證PE管能夠卷放整齊，傳動設計方案詳見圖2。離合器D2通過鋼絲繩與拉桿機構相連，當拉桿機構動作時，使離合器發生分離而斷開動力，見圖1。在減速機輸出端Z5齒輪與絞盤大齒圈Z7之間增加中間惰輪Z6的作用是使絞盤收放管時的轉動方向與傳動齒輪的傳動相吻合。

4.2傳動參數的確定

根據前面的計算，我們選擇的水渦輪技術參數為：

流量Q=13～60m3/h，轉速n1=200～800r/min，入口壓力≤1.1Mpa

噴頭車的行走速度按3.5節設，另取為V = 10～60 m/h。

絞盤轉速n2=V/60π（ D1+D2）= =0.054～0.326r/min

為不至于使皮帶輪、齒輪外形過大，zui終取傳動比i=2600，此傳動比下絞盤實際轉速為：

n2 = n1/i =（200～800）/2600 =0.077～0.308 r/min

噴頭車的實際行走速度為：

V′=n2×60π（ D1+D2）=（0.077～0.308）×60π（0.9+0.075）=14～57 m/h
5.結論及前景展望

經實際應用，JPG75/300型卷盤式噴灌機具有移動方便、操作簡單、省工省時、灌溉精度高、節水效果好、適應性強等優點，與國內同類產品相比，其造價較低，有明顯的價格優勢；可廣泛適用于甘蔗、果樹、草地、苗圃、蔬菜、農田等農業灌溉領域，同時也適應于電廠、港口、運動場、城市綠地等需要防塵場合下的噴灑作業。

隨著中央西部大開發決策的進一步實施，以及中央在十屆人大一次會議政府工作報告中明確提出了要加快農業產業化進程，加快建設節水灌溉設施，增加對農業基礎設施建設和農業科技的投入的要求，全國各地的農業綜合開發項目區也在逐步推廣使用卷盤式噴灌機這種*的節水灌溉設備。

具體就廣西而言，廣西政府根據中央有關文件和精神，組織有關部門經過科學論證，提出了以“三田”（噸糧田、噸糖田、萬元田）建設為載體，大力發展“兩高一優”農業的廣西“三田”建設總體方案。要實現這一宏偉目標，除大量推廣良種和采用合理*的耕作方式外，卷盤式噴灌機等節能的節水灌溉設備也是*的技術保障。所有這些都為國內進一步研制、開發、生產卷盤式噴灌機創造了良好的外部環境。