1 引言
1.1 研究的目的与意义
水资源是人类赖以生存的重要资源之一，我国水资源匮乏，年径流量仅为世界平均值的 25%[1]。且水资源分布不均匀，各地区水资源占有量和耕地面积不匹配[2]，降雨量在时间和空间上都分布不均匀[3]。根据国家制定的中长期规划，近期我国年供水量将基本维持在 5600 亿 m3，不会有过大的增长[4]，但工业用水和生活用水所占比重逐渐增加[5]，农业用水必须在维持零增长或负增长的前提下产出更多的粮食，满足 15 亿人口的食物安全需求[6]，保证我国社会的可持续发展。全国总用水量中农业用水量超过 70%，一方面由于灌溉配套设施落后、灌溉方式不合理等原因造成水资源浪费严重[7]，我国农业用水的利用率仅为 45%[8]，而节水灌溉技术发达的国家农业用水利用率可达 80%左右[9]，相差近一倍；另一方面，我国部分地区农业供水量很少，不能满足作物的最小需水量[10]，导致粮食严重减产，品质下降。因此，解决水资源浪费和紧缺的问题刻不容缓，发展节水灌溉技术是最有效的方式，对节约水资源和实现社会可持续发展具有重要的战略意义[11-12]。 节水灌溉是指用最低限度的水资源获得最大的作物产量[13]。目前世界范围内节水灌溉技术的方式主要包括渠道防渗、低压管灌、喷灌、微灌等[14]。其中，喷灌是最先进的节水灌溉技术之一，应用广泛[15]，具有很多优点[16]：①灌水均匀，基本不产生深层渗透和地面径流，管道输水损失少，浪费现象得到改善，水的利用率可达 90%左右；②能够适时适量的灌溉农作物，使农作物得到充分生长，既可以增加作物产量还可以提高作物品质[17-20]；③喷灌机械化程度高，有效减轻灌水劳动强度[21]；④喷灌机具不需要或者只需占用少量耕地面积，可以提高土地利用效率；⑤可以通过控制土壤湿润深度，防止地下水位上升和次生盐碱化[22]。 现有主要的喷灌机械有卷盘式喷灌机、中心支轴式喷灌机、平移式喷灌机和滚移式喷灌机等[23-25]。卷盘式喷灌机喷灌投资低，机组移动方便快捷，但目前大多安装高压喷头，喷灌时消耗动力较多，且需要在耕地上预留喷灌机道，使耕地面积减少[26]；中心支轴式喷灌机和平移式喷灌机通过性能好，自动化程度高，已在我国部分省区得到应用，但要求管理和维护水平高，单机控制面积有限，对补充性灌溉地区不能更好的发挥作用[27]，且中心支轴式喷灌机喷灌时绕一个支点进行移动喷灌，喷灌面积为圆形，不符合中国的种植农艺要求，车轮需要占用耕地面积；滚移式喷灌机组以其结构简单，整体机动转移、安装、拆卸方便，单位作业面积投资低，维护量少、对地块大小和形状的适应性强等优点[28-29]，得
到普遍认可，是一种适合我国北方大面积经营模式和生产力水平的喷灌机械。
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1.2 国内外研究现状
喷灌最早出现于十九世纪末，最初用于城市草坪的灌溉，以后又应用于苗圃和经济作物[30]。20 世纪 20 年代，德国和意大利开始在农业上采用喷灌，初期的喷灌系统为铸铁管的固定喷灌系统，价格昂贵。20 年代出现了旋转式喷头和喷灌车，30 年代研制成功双悬臂喷灌机[31-32]。喷灌开始发展很缓慢，二次世界大战后，随着世界经济的快速发展，喷灌设备如高效喷头，薄壁铝管和快速接头等的发展和改革，使喷灌迅速发展起来，推动了移动管道式和半固定管道式喷灌系统的发展。滚移式、中心支轴式、绞盘牵引式以及平移自走式等大中型喷灌机相继问世，从而使喷灌迅速发展到世界各国。据统计，全世界的喷灌面积1939 年为150万亩，1960 年为 3750 万亩，1973 年为 1 亿亩，1977 年为 2 亿亩，1980 年达 3 亿亩[33]，从 1960 年到 1980 年平均每年以 11％的速度增长，喷灌面积的发展速度大大超过灌溉面积的增长速度。 1935 年美国成功研制滚移式喷灌机样机，1950 年在美国得到推广，1982 年美国用滚移式喷灌机喷灌面积已达 2200 万亩，占喷灌面积的 16.9%。1960—1985 年滚移式喷灌机在前苏联和东欧国家也得到了广泛应用。国外对滚移式喷灌机的研究有很多[34-35]，尤其是美国，Courtright B 等对滚移式喷灌机的驱动部分进行了研究[36]；Williams L H 等研究了保持喷头竖直向上的机构[37-38]；Courtright B 等研究了能保证滚移式喷灌机直线行走的机构[39]；Baker L W 等研究了滚移式喷灌机自动抗风支撑[40]。但这些结构大多太复杂，不适合在中国推广应用，我国需要在国外技术的基础上研发适合我国本土的滚移式喷灌机。 图 1–1 所示为 дкш-64 型滚移式喷灌机结构示意图[40]，是苏联生产的结构最简单的多支座喷灌机。这种喷灌机有两个独立的侧翼(喷水翼)，用直径为 130mm 的铝管靠法兰刚性连接而成。在管路上，每隔 12.6m 装设一个直径为 1.8m 的轮子。管子同时作为这些轮子的支轴。该机有六种规格，管长从 800m 到 300m，流量从 64L/s 到 24L/s。
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2 总体方案设计
2.1 设计原则
通过对国内外滚移式喷灌机和作物种植农艺要求的研究，可知滚移式喷灌机应满足以下设计要求： （1）轮距可调，可适应作物不同的种植模式； （2）保证机组行走的直线性，以免伤害作物； （3）泄水阀能实现自动泄水，且能够在 5min 内完成； （4）最大前进速度可达 20m/min （5）最大爬坡角度可达 20° （6）喷头能保证竖直向上的工作位置； （7）喷灌均匀度大于 90%； （8）保证性能的前提下，尽量结构简单、操作方便； （9）易于保养维护。 参照《SL 295-2004 滚移式喷灌机使用技术规范》[47]和喷灌要求，确定滚移式喷灌机的主要性能指标，如表 2–1 所示。
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2.2 总体方案
滚移式喷灌机的总体结构如图 2–1 所示，由驱动车、输水支管、从动轮、自动泄水阀、喷头平衡机构、喷头、堵头等组成[48]。驱动车输出的动力一部分驱动主车轮转动，一部分传递给输水支管，输水支管充当轮轴，驱动其上安装的从动轮转动，实现整机的移动。每根输水支管上都安装有从动轮、自动泄水阀、喷头平衡机构，自动泄水阀可以实现机组在一个位置喷灌完成后自动倾泻输水支管里的水；喷头平衡机构上安装喷头，保证喷头总是处于垂直向上的位置。整条输水支管的一端安装堵头，另一端连接引水软管、给水栓、水泵等，为机组提供有压水源。滚移式喷灌机的工作原理，如图 2–2 所示，地下水经水泵加压，充满布置在大田一侧的干管，干管上安装有给水阀，当需要喷灌时，将滚移式喷灌机与最近的给水阀通过引水软管连接，打开给水阀，有压水源迅速将喷灌机输水支管充满，达到喷头工作压力后开始喷灌。 滚移式喷灌机的工作方式为定点喷洒式[49]（即在一个位置喷灌完成后移动到下一个位置继续喷灌）。工作时，将引水软管与最近的给水阀连接，打开给水阀，进行喷灌作业；达到设计喷灌要求后，关闭给水阀，将引水软管与给水阀断开；等待输水支管里的水从自动泄水阀倾泻后，操作人员启动发动机，操纵驱动车将机组滚移到下一个需要喷灌的作业地点，同时，重复上道工序，如此循环，直到完成一次喷灌周期。
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3 关键部件设计 .... 12
3.1 驱动车的设计 ..... 12
3.1.1 总体结构设计 ...... 12
3.1.2 传动设计 ...... 13
3.1.3 车架设计 ...... 14
3.1.4 车架有限元分析 .......... 14
3.2 输水支管的设计 ......... 17
3.3 自动泄水阀设计 ......... 26
3.4 喷头平衡机构的设计 ......... 32
3.5 支管车轮的设计 ......... 35
3.6 小结 .... 36
4 水力性能优化试验 .... 38
4.1 喷头选型对比试验研究 ...... 38
4.2 滚移式喷灌机关键性能参数优化试验 ....... 50
4.3 小结 .... 56
5 田间性能试验 .... 57
5.1 生产率计算 ......... 57
5.2 试验内容和方法 ......... 57
5.3 整机参数 ..... 59
5.4 试验结果与分析 ......... 59
5.5 小结 .... 60
5 田间性能试验
5.1 生产率计算
田间性能试验在黑龙江省兰西县李家乡进行，试验地为牧后草坪地，面积 300m×500m，土壤为普通黑钙土，土壤坚实度 249.9k Pa。试验过程中平均气温 18°，平均风速0.7m/s。 试验中观测记录泄水阀是否正常工作；测量喷头平衡机构是否能使喷头轴线保持垂直，喷灌结束后记录泄水阀完成泄水的时间，求平均泄水时间；在首个进水管上安装流量测量仪，每 10 分钟记录一次输水支管流量；每隔 10 分钟记录一次进水口首个喷头压力和末端喷头压力，求平均值；记录机组最大移动速度和测量机组移动过程中输水支管的最大挠度。 根据滚移式喷灌机的田间作业方式可知，每点的受水量为喷灌机一侧喷灌的受水量与滚移后另一侧喷灌的受水量之和。滚移式喷灌机每侧布置 4 排雨量筒，一侧到喷灌机的距离分别为 2m、6m、10m、14m，另一侧到喷灌机的距离分别为 4m、8m、12m、16m，雨
量筒横向间隔 3m，如图 5–1 所示。滚移式喷灌机的工作间隔为 18 米，测得雨量筒降水量之后，将 1、5 排，2、6 排，3、7 排，4、8 排水量叠加，计算喷灌均匀度和喷灌强度。雨量筒受水时间为 60min。
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结论
本文在综合了解国内外滚移式喷灌机研究现状的基础上，通过理论计算、三维仿真、有限元分析、试验研究和数值模拟等方法对滚移式喷灌机关键部件进行结构设计与优化，得到以下结论：
（1）对滚移式喷灌机的关键部件驱动车、自动泄水阀、喷头平衡机构和从动轮进行结构设计，确定传动方案，对车架进行有限元分析，在 ANSYS CFX 中对自动泄水阀的泄水过程进行了模拟仿真，计算喷头平衡机构的关键参数。田间性能试验表明，该滚移式喷灌机水利性能优良，喷灌均匀度达 90%以上，喷灌效率增加，可达 0.5ha，自动泄水阀泄水仅需 5min，密封性能好，喷头平衡机构工作灵活、可靠。
（2）对输水支管进行受力分析，并利用 MATLAB 软件进行壁厚优化，当驱动车两侧各依次安装壁厚 2.5mm的支管 5 根，壁厚 1.5mm的支管 10 根时，与输水支管壁厚都为 2.5mm的喷灌机相比，节约铝合金管材料 11.24%，节省油耗 6%，最大切应力减小 7.4%，提高了该机的经济性和整机通过性。
（3）通过单喷头水利性能试验和模拟计算，比较了 9 种国内外应用比较普及的喷头的水利性能，选取了适用于滚移式喷灌机的 8034D 型喷头。该喷头作业性能稳定，线性组合与矩形组合喷灌性能优良，能够满足滚移式喷灌机特殊喷灌要求，从根本解决了喷灌机水利性能差的问题，也为以后喷灌设备摇臂式喷头的选型提供有价值的参考依据。
（4）采用二次回归正交旋转中心组合优化试验方法，以喷头工作压力、喷头间距、喷灌间隔为影响因素，喷灌均匀度和喷灌强度为评价指标，对影响该机水利性能的结构与工作参数进行优化试验研究，得到最优参数组合为：喷头工作压力 0.4MPa，喷头间距 10m，喷灌间隔 16m，此时滚移式喷灌机喷灌均匀度为 90.54%，喷灌强度为 10.43mm/h，可满足喷灌要求。各因素对喷灌均匀度的贡献率大小依次为喷灌间隔、压力、喷头间距；各因素对组合喷灌强度的贡献率大小依次为喷灌间隔、喷头间距、压力。
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参考文献(略)