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摘要：本文主要介绍并讨论了JPG75/300型卷盘式喷灌机的主要结构、工作原理及其应用前景，详尽分析了该机的系统传动方案，提出了主要技术参数、传动参数的确定及其计算方法。
关键词：卷盘式 喷灌机 绞盘 水涡轮 技术参数 传动方案
1.概述
农作物的优质高产来自于生长期间的必要条件，尤其是水的供应必须得到完全满足。因此灌溉机械日益成为农业生产中最重要的一部分，是取得农业丰收必不可少的有力保障。卷盘式喷灌机作为现代农业喷灌机械，在国外，经过灌溉设备生产厂家自20世纪70年代开始的不断改进更新，已形成了系列化、多规格产品，目前已被认为是最理想的灌溉机械之一，得到了广泛应用，并在这几年开始引进我国。但由于进口产品价格较贵,使其适用范围受到限制,我所研制的JPG75/300型卷盘式喷灌机，就是以世界知名卷盘式喷灌机生产厂家——意大利IDROFOGLIA公司的同类产品为基础，并通过大量的收集资料、调研，结合国内特别是华南地区的实际情况设计出一种结构相对简单、成本较低的机型。现将该喷灌机的一些结构及工作原理、主要技术参数的计算提供给大家，为有志于开发卷盘式喷灌机的设计人员提供一些有益的参考。 （图片） 2.主要结构及工作原理
2.1主要结构
如图1所示为JPG75/300型卷盘式喷灌机的总体布置。主要由机架、绞盘、导向装置、PE输水管、水涡轮驱动装置、自动调速、安全缠绕装置、齿轮减速装置、行走装置、喷头车等组成。
JPG75/300型卷盘式喷灌机可采用四种供水配套形式，如拖拉机泵供水的配套形式，配以水泵车，选用30马力以上拖拉机配套，水泵扬程80米，流量25m3/h，并配以20～100米高压软管供水，不占用田间土地。也可采用柴油机泵、井泵、电动泵供水的配套形式。
2.2工作原理
JPG75/300型卷盘式喷灌机由水泵供给压力水，经由管道输送高压水流流经水涡轮驱动装置，水涡轮的叶轮随之转动，通过皮带、齿轮减速装置带动绞盘转动，PE管则经螺纹导块式导向器被依次卷绕排列在绞盘上。同时从水涡轮流出的高压水流经PE输水管直接送到喷头处，喷头均匀地将高压水流喷洒到田间、运动场草坪等作业面，并随着PE管的移动而不间歇地进行喷洒作业。
在水涡轮驱动装置的前部，设计有三通水管和二个阀门。调节主阀门的开度，可改变水涡轮的流量，使水涡轮的转速改变，PE管移动速度随之变化，从而达到调节降水深度的目的。另一阀门与自动调速装置相连接，喷灌作业过程中，因绞盘缠绕PE管后，绞盘有效直径以及PE管与地面磨擦阻力发生变化，绞盘角速度也发生变化，随之PE管移动速度也改变。为达到良好的喷洒质量，使PE管匀速移动，必须相应调节水涡轮驱动装置转速，这一功能由设在安全缠绕装置上的拉杆机构、牵引钢丝绳、第二阀门组成的自动调速机构实现，具体是通过拉杆机构调节第二阀门的开度控制水涡轮流量来达到自动调速的目的。
JPG75/300型卷盘式喷灌机上设计有PE管导向装置和安全缠绕装置。导向装置由左、右双螺纹导杆和螺纹导块式导向器组成，随PE管缠绕回收而使导向器作横向移动，从而确保PE管在各层都能卷得很齐。安全缠绕装置的作用是：当喷灌作业接近结束时，喷头车行走到绞盘车头部位置时，便能碰到设在头部的拉杆机构，该机构动作后，通过钢丝绳牵引而使离合器脱开，绞盘立即停止转动。另外，当PE管在绞盘上卷绕出现无规律重叠时，设在绞盘上的压辊出现摆动角度超过极限时，通过拉杆机构，也能脱开离合器而使绞盘停止转动。
3.JPG75/300卷盘式喷灌机主要技术参数的确定
3.1喷灌定额的确定
灌水定额是喷灌机设计中最基本的水力参数，主要取决于所种植的农作物，根据其根系深度、土壤的不同而不同，下面以华南地区普遍种植的甘蔗为例进行计算。
华南地区甘蔗种植区土质多为中壤土，体积比32%，有效持水量16%，入渗速度10mm/h，大田作物根系活动层深度h=40～60cm，种植若以坡地为主，可取小值，即h=40cm，适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%
华南地区属亚热带气候，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喷灌地块面积的确定
喷灌机一次喷洒作业可控制的面积为：
A=π/2×R2+2RL = π/2 ×402+2×40×300 =26534.66m2
式中：R—喷枪射程，取40m
L—有效布管长度，此处为300m
3.3喷灌周期的确定
T= H/E η=4.34～8.53（日）
式中：E为甘蔗日平均耗水量，E=3.0～5.9mm/日。
3.4喷灌机流量的确定
QP = EA/1000ηt = 9.4～18.4 m3/h
式中：t为每日纯喷灌时间，取t=10小时。
3.5喷头车行走速度的确定
在灌水定额一定的情况下，喷头流量越小，喷头车的行走速度越慢，PE管收回时间越长，生产效率降低；喷头流量越大，喷头车的行走速度越快，但相同管径内的水力损失增大，要求喷灌机的入口压力也相应增大。
喷灌机的行走速度按下式计算：
V= 1000Qp/RH = 7.8～15.3m/h
为适应其他作物使用，将速度调节范围扩大至8～60m/h，300m行走时间t=5～38小时。
3.6水涡轮输出功率的确定
3.6.1喷头车产生的磨擦力F1
喷头车由矩形管及方管焊接而成，其重量约为160kg，则：
F1=G1·cosα·f1 =160×cos11.31°×0.20 = 31.38kg = 307.52N
式中：G1—喷头车重量，约160kg
f1—喷头车车轮与地面滚动摩擦系数，取0.2
α—按20%坡度计算升角
3.6.2 PE管与地面产生的摩擦力F2
F2=f2（G2+ G3）=0.5×(860+935) = 897.5kg = 8795.5N
式中：f2—PE管与地面间的摩擦系数，取0.5
G2—壁厚6毫米，长度300米PE管重量，约860kg
G3—300米PE管内贮水重量，约935kg
3.6.3 绞盘牵引力F
F = F1 + F2 = 9103.02N
3.6.4绞盘旋转力矩M
M=F（D1+D2）/2 = 9103.02× = 4437.7 Nm
式中：D1—绞盘转鼓直径，为0.9m
D2—PE管直径，为0.075m
3.6.5绞盘旋转速度n
n = V/60π(D1+D2) =0.04～0.32 r/min
3.6.6绞盘使用功率的确定
PW= M·n/9550 = 4437.7×（0.04～0.32）/9550 = 0.019～0.15 kw
取最大值PW =0.15kw
3.6.7水涡轮输出功率的确定
PO = PW/η1·η2·η3=0.15/0.90×0.90×0.95 = 0.195 kw
式中：皮带传动效率η1=0.90
减速机传动效率η2=0.90
齿轮，齿圈传动效率η3=0.95
考虑到其它因素，如加工、装配、场地条件等，取安全系数K=7，由此得出：
水涡轮计算输出功率PO =0.195×7=1.36 kw
4.JPG75/300型卷盘式喷灌机总体传动方案的制定
4.1方案说明
与国内普遍采用专用的多功能双速减速机的设计不同，JPG75/300型卷盘式喷灌机只采用普通JZQ200型圆柱齿轮减速机与离合器、皮带轮组成变速系统。动力从水涡轮经由皮带轮D1、离合器D2、皮带轮D3、D4、JZQ200型减速机、齿轮Z5、Z6、齿圈Z7传递到绞盘。绞盘工作时，又通过链轮（Z=23，P=15.87）带动导杆驱动链轮（Z=13,P=15.87），使双螺纹导杆转动，从而使导向器能随PE管的收放而做横向往复移动，保证PE管能够卷放整齐，传动设计方案详见图2。离合器D2通过钢丝绳与拉杆机构相连，当拉杆机构动作时，使离合器发生分离而断开动力，见图1。在减速机输出端Z5齿轮与绞盘大齿圈Z7之间增加中间惰轮Z6的作用是使绞盘收放管时的转动方向与传动齿轮的传动相吻合。
4.2传动参数的确定
根据前面的计算，我们选择的水涡轮技术参数为：
流量Q=13～60m3/h，转速n1=200～800r/min，入口压力≤1.1Mpa
喷头车的行走速度按3.5节设，另取为V = 10～60 m/h。
绞盘转速n2=V/60π( D1+D2)= =0.054～0.326r/min
为不至于使皮带轮、齿轮外形过大，最终取传动比i=2600，此传动比下绞盘实际转速为：
n2 = n1/i =（200～800）/2600 =0.077～0.308 r/min
喷头车的实际行走速度为：
V′=n2×60π( D1+D2)=(0.077～0.308)×60π(0.9+0.075)=14～57 m/h
根据此传动比，计算得出其它传动参数，见图2。（图片） 5.结论及前景展望
经实际应用，JPG75/300型卷盘式喷灌机具有移动方便、操作简单、省工省时、灌溉精度高、节水效果好、适应性强等优点，与国内同类产品相比，其造价较低，有明显的价格优势；可广泛适用于甘蔗、果树、草地、苗圃、蔬菜、农田等农业灌溉领域，同时也适应于电厂、港口、运动场、城市绿地等需要防尘场合下的喷洒作业。
随着中央西部大开发决策的进一步实施，以及中央在十届人大一次会议政府工作报告中明确提出了要加快农业产业化进程，加快建设节水灌溉设施，增加对农业基础设施建设和农业科技的投入的要求，全国各地的农业综合开发项目区也在逐步推广使用卷盘式喷灌机这种先进的节水灌溉设备。
具体就广西而言，广西政府根据中央有关文件和精神，组织有关部门经过科学论证，提出了以“三田”（吨粮田、吨糖田、万元田）建设为载体，大力发展“两高一优”农业的广西“三田”建设总体方案。要实现这一宏伟目标，除大量推广良种和采用合理先进的耕作方式外，卷盘式喷灌机等高效节能的节水灌溉设备也是必不可少的技术保障。所有这些都为国内进一步研制、开发、生产卷盘式喷灌机创造了良好的外部环境。
参考文献
［1］ 国外卷管式喷灌机的选用，江建友，排灌机械2000年第6期。
［2］悬挂式卷管灌溉机水力设计参数的几点探讨，严海军、许一飞，节水灌溉2001年第3期。
［3］机械设计手册，第三版，北京有色冶金设计研究院主编，化学工业出版社，1994年4月
［4］中国主要作物需水量与灌溉，陈玉民等，水利电力出版社，1995年。
［5］卷盘式喷灌机在农作物灌溉中的应用，张翠香、李加林、孙洪平，节水灌溉2003年第1期。
作者简介：苏中伟，男，1965年1月生，广西横县人，工程师，长期从事食品加工机械、水果保鲜机械、现代农业设施的设计、研究和开发。
3/24/2005
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