中心支轴式喷灌机运行稳定性分析

摘 要：作为一种机械化高效节水灌溉设备，中心支轴式喷灌机具有节约用水、节省人工、节约土地、增产、适应性强等特点。在我国发展规模化、集约化农业的过程中，具有广泛的用途。针对喷灌机在山坡地使用易倾覆的问题，本文在分析喷灌机的运行原理及坡地运行纵向稳定性的基础上，提出了喷灌机坡面运行安全角。

关键词：中心支轴式喷灌机；运行安全性；安全角

中图分类号：S277 文献标识码：A

中心支轴式喷灌机作为一种机械化高效节水灌溉设备，具有节水、省工、节地、增产、适应性强等特点。中心支轴式喷灌机可在多种气候、地形及土壤结构情况下应用，例如在强沙性土壤或结构很好的泥土；使用的水源方面也有很强的适应性，可用地表水、地下水、咸水或者污水。灌溉的用水量比地表漫灌的用水量少25%～50%，节省人工近75%。机械化灌溉使得生产者可以实践更先进的农场管理方法。从国外和国内各地实践经验来看，凡采用先进的节水灌溉技术都获得了十分显著的节水增产效果。中心支轴式喷灌机在我国的使用量也呈现出逐年快速增长的趋势，对我国农业的发展起到巨大的促进作用。

目前，喷灌机在坡度较大坡面运行易发生倾覆，中心支轴式喷灌机运行稳定性是要解决的主要问题。本文以中心支轴式喷灌机为研究对象，从其运行原理和受力状况入手，分析其行走装置的力学性能以及设备稳定性，提出喷灌机运行的纵向安全角和横向安全角。

1 中心支轴式喷灌机坡面地运行安全性分析

一套典型的中心支轴式喷灌机由中心支轴、桁架、驱动塔架车、悬臂、喷洒系统和控制系统组成。整个设备运行以中心支轴为中心，作圆周运动。

喷灌机在实际使用过程中，经常会遇到地面崎岖不平或者是小山坡地。当设备上下坡地时，必须保持一种稳定的工作状态。跨体纵向失稳是指塔架车以及跨体发生滑移或者倾翻。这种情况一般发生在塔架车在坡面运行的时候，由于上下坡面角度太大造成的。所以，设备运行的安全性分析主要考虑是塔架驱动车在坡地工作时，能够保持自身稳定、抗倾翻或滑移。

2 设备纵向稳定性分析

当中心支轴式喷灌机在一个坡面运行时，随着上坡下坡，塔架车及桁架会随坡面产生一个角度。当坡面足够大到使塔架车滑移或者倾翻，那么这个角度就是喷灌机最大爬坡能力角度，也称设备的纵向抗倾翻坡度角。现按照这种极限状况分析设备的纵向稳定性。

通过受力分析图1可以看出，使塔架车发生倾翻力矩的是Wsinα或Wsinα'，塔架驱动车对纵向倾翻表现出最大的抵抗能力。此时车轮减速器与塔架、车轮连成一体。驱动轮与地面之间会产生平衡Wsinα或Wsinα'的地面制动力Fz。当上坡角达到极限时，路面对车轮的垂直反作用力Z1=0；反之下坡角达到极限时，Z2=0。此时塔架车的重量作用线应通过制动轮的动力圆周注：塔架车重心是指塔架车含桁架部分的综合重心作用点。

上面的公式可以看出，塔架车发生倾翻的纵向极限坡度角只与塔架车的质心位置和两驱动轮的轮间距有关。在实际工作状态下导致塔架以及桁架发生翻倾事故的道路坡度角一般要比纵向极限坡度角小很多，但抗倾翻纵向极限坡度角仍然是评价塔架车纵向稳定性的基本指标。保持设备在极限坡度角内工作，是塔架车保持纵向稳定性及安全性的本质。在同样工作条件下，轮距长、重心低的塔架车，抵抗纵向倾翻的能力肯定较强，其纵向稳定性肯定较好。

3 抗纵向倾翻极限坡度角

塔架驱动车停止在一个纵向坡面上时而不发生滑移的最大坡度角称为抗纵向滑移极限坡度角。塔架车前后轮同为驱动轮，传动都采用的是蜗轮蜗杆减速器，具有自锁性能，在坡停时，车轮、车轮减速器及塔架形成一体。上坡时坡度角用α上表示，下坡时用α下表示，它是由塔架车制动力达到最大滑移附着力Fkmax时和重力侧向分力Wsinα相平衡的条件来确定。所以：

根据设备实际使用情况，选择几种典型地面条件下的附着系数：草地0.6～0.7；耕地0.4～0.6；湿地0.5～0.7。所以确定Kmax的范围是0.4～0.7，可以计算出α上=α下=21°～35°。

4 横行坡面角分析

中心支轴式喷灌机跨体与跨体之间都是通过球头球穴柔性相连。柔性接头应当在水平和垂直平面上起作用，而且要具有很好的密封性和足够的强度，因为喷洒管道要承受很高的拉应力和压应力。从理论上讲，如果柔性接头的柔性无限大而且强度足够，即在任何倾斜角度下都不发生断裂和漏水，那么横向坡度角只要α≤90°，喷灌机整机和单跨就是稳定的。当设备在坡面运行时，跨体与跨体间形成角度α（如图2），即本文要分析的横向坡面角。

图2 中心支轴式喷灌机坡面运行极限横向角情况

实际工作中以柔性接头发生破坏的情况下确定的最大坡度角称为横向极限坡度角。从球头球穴设计图可以看出，球头球穴属于铰接，球头可以在球穴内水平及垂直方向活动。但受到结构影响，球头和球穴管间有一个最大旋转角度，这是保证设备连接安全性接柔性接头不被破坏的最大角度，这个角度在设计时已经被固定，由图3可以看出，横向极限坡度角取决于球头球穴结构。

按照中农机DYP系列喷灌机设备的设计，D为50mm，d为32mm，h为31.4mm，可以计算出tgα=0.287，则α=16°。

可以得出，中心支轴式喷灌机最大横向坡度角为16°。设备在横向起伏路面所形成的坡面角小于16°时运行就是安全的。

5 提高设备运行安全性的措施

可以看出，要提高设备的爬坡能力即增大设备的极限状态下发生纵向倾翻的最大坡度角α。在纵向面最大坡度角≤21°即可保证安全；在横向面≤16°即可保证安全。因此，确定设备运行坡面安全角为16°。

除此之外，可以采用如下措施提高设备运行安全性：增大底梁长度L；降低设备在塔架车处的重心，可以通过采用轻质材料和合理的桁架结构设计，减轻塔架车上部重量，或者降低塔架车整体高度等方法来实现；在满足使用功能的前提下，选用质量小的短跨塔架车比质量大的长跨塔架车爬坡能力强；选用优质的车轮减速器，可以使蜗轮蜗杆更好的咬合，停机自锁时产生更大的制动力；配备传动效率高的电动机减速器比配备传动效率低的爬坡能力强；轮胎选用附着力强的花纹，并适当减小轮胎直径。

6 结论与建议

本文对喷灌机坡面运行的稳定性进行了研究，详细地分析了中心支轴式喷灌机在坡面运行可能会出现纵向或横向翻倾的情况，以极限坡面角作为衡量喷灌机抗翻倾能力的标准，提出设备运行的坡面角的安全范围为16°，为项目规划提供理论依据。

参考文献

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作者简介：李保明（1978-），男，河南人，硕士。研究方向：大型喷灌机、微滴灌等节水灌溉。