□郎景波

大型噴灌機(jī)技術(shù)就是為了擴(kuò)大單機(jī)控制面積，通過增加噴槍射程或使帶有許多噴頭的長(zhǎng)管自行移動(dòng)來解決大塊農(nóng)田和草場(chǎng)所存在的生產(chǎn)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、單位面積投資成本高的問題而發(fā)展起來的。大型噴灌機(jī)是大型農(nóng)機(jī)具之一，具有自動(dòng)化程度高、控制面積大、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是國(guó)內(nèi)外備受青睞的大型節(jié)水灌溉設(shè)備之一。半個(gè)多世紀(jì)以來，大型噴灌機(jī)在全世界得到了廣泛的應(yīng)用，在各大洲灌溉耕地、沙丘和草原面積數(shù)千萬公頃以上。

一、發(fā)展歷程

20世紀(jì)20年代，人們?yōu)榱私档蛣趧?dòng)強(qiáng)度，從繁重的移動(dòng)管道灌溉作業(yè)中解放出來，美國(guó)等相繼研制出滾移式噴灌機(jī)(又稱滾輪式噴灌機(jī)，Side-rollirrigationsystem)。盡管滾移式噴灌機(jī)具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，但屬于半自動(dòng)化噴灌設(shè)備，不能自動(dòng)移動(dòng)，需要人為操縱，而且對(duì)地形和水源的要求較高，不能灌溉高稈作物，應(yīng)用受到較大的限制。20世紀(jì)50年代初，美國(guó)人發(fā)明了圓形噴灌機(jī)(又稱中心支軸式噴灌機(jī)，Centerpivotirrigationsystem)。早期以液壓驅(qū)動(dòng)和水力驅(qū)動(dòng)為主，1965年出現(xiàn)電力驅(qū)動(dòng)圓形噴灌機(jī)。此后，圓形噴灌機(jī)在全世界得到了廣泛的應(yīng)用，如今已在各大洲灌溉著數(shù)千萬公頃的耕地、沙丘和草原，可稱為世界農(nóng)業(yè)灌溉史上的一次革命，曾被美國(guó)著名科技刊物《科學(xué)美國(guó)》稱贊為“圓形噴灌機(jī)是自從拖拉機(jī)取代耕畜以來，意義最重大的農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)明。圓形噴灌機(jī)存在一個(gè)重大的弱點(diǎn)，即灌溉面積是圓形，與地塊形狀和傳統(tǒng)農(nóng)藝耕作方式不一致，近20%的方形地塊面積得不到有效灌溉。因而20世紀(jì)70年代又出現(xiàn)了平移式噴灌機(jī)(Lateral(或Linear)moveirrigationsystem)，可實(shí)現(xiàn)矩形地塊的灌溉。由于圓形和平移式噴灌機(jī)自動(dòng)化程度高、灌溉質(zhì)量好、單機(jī)控制面積大，尤其是圓形噴灌機(jī)對(duì)地形的適應(yīng)性強(qiáng)，對(duì)水源的要求低，因而非常適應(yīng)人多地少地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

我國(guó)大型噴灌機(jī)技術(shù)的研究開始于1976年，由于受到我國(guó)農(nóng)業(yè)體制和經(jīng)濟(jì)體制的影響，引進(jìn)推廣工作一波三折，大致經(jīng)歷了起步階段（1976-1978年）、引進(jìn)和關(guān)鍵部件攻關(guān)階段（1979-1986年）、完善提高和穩(wěn)妥推廣階段（1987-1997年）、技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化階段（1998年至今）。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至2008年上半年，大型噴灌機(jī)全國(guó)保有量接近5000臺(tái)，主要分布在內(nèi)蒙古、黑龍江、甘肅、寧夏、山西、河北等省、區(qū)。

二、大型噴灌機(jī)類型和特性

大型噴灌機(jī)主要包括圓形、平移式和滾移式。

（一）圓形噴灌機(jī)（圖1，也稱中心支軸式、指針式、時(shí)針式噴灌機(jī)）

圖1 圓形噴灌機(jī)

1.優(yōu)點(diǎn)

(1)自動(dòng)化程度高。與地面灌溉相比可省工90%以上，與其他噴灌機(jī)相比，可省工25～75%，能晝夜自動(dòng)噴灌，一人在中心控制室可同時(shí)操作8～12臺(tái)噴灌機(jī)，工作效率很高。(2)灌水質(zhì)量好。灌水定額在5～100mm內(nèi)調(diào)節(jié)，均勻度高，均勻系數(shù)可達(dá)85%以上。(3)能耗低、抗風(fēng)能力強(qiáng)。采用低壓噴頭并低垂安裝，降低了能耗，提高了抗風(fēng)能力。(4)適應(yīng)性強(qiáng)。不同的跨體長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)不同的爬坡能力，爬坡能力可達(dá)9°～18°，幾乎適宜所有作物和土壤。(5)一機(jī)多用?？山Y(jié)合噴施化肥和農(nóng)藥等，對(duì)于氮肥溶液有很好的噴施效果。

2.缺點(diǎn)

噴灌形狀為圓形，對(duì)于方形地塊地角漏噴面積達(dá)22%，配備地角臂系統(tǒng)成本較高。噴灌機(jī)遠(yuǎn)端噴頭的噴灌強(qiáng)度較大，選配不當(dāng)易產(chǎn)生地面徑流。

3.適用條件

(1)地形較平坦、連片的大塊耕地、草原，作物種類統(tǒng)一，地面無樹木、線路和其他障礙物。(2)水資源相對(duì)豐富，地下水開采較容易的地區(qū)，單機(jī)要求供水量80m3/h以上。(3)適用于規(guī)?；?、集約化、規(guī)范化生產(chǎn)，并具有專業(yè)技術(shù)服務(wù)隊(duì)伍的農(nóng)業(yè)、農(nóng)機(jī)、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)合作社以及農(nóng)（牧）場(chǎng)等，確保大型噴灌機(jī)的運(yùn)行、維修、管護(hù)。(4)達(dá)到一定規(guī)模后（單機(jī)控制面積500畝以上），與其他大型噴灌設(shè)備相比，造價(jià)適中。

（二）平移式噴灌機(jī)（圖2）

圖2 平移式噴灌機(jī)

平移式噴灌機(jī)外形和中心支軸式噴灌機(jī)很相似，也是由十幾個(gè)塔架支撐一根很長(zhǎng)的噴灑支管，一邊行走一邊噴灑。但它的運(yùn)動(dòng)方式和中心支軸式不同，中心支軸式的支管是轉(zhuǎn)動(dòng)，而平移式的支管是橫向平移。

1.優(yōu)點(diǎn)

平移式噴灌機(jī)與圓形噴灌機(jī)相比，具有自動(dòng)化程度高、灌水質(zhì)量好、能耗低、抗風(fēng)能力強(qiáng)、一機(jī)多用等優(yōu)點(diǎn)，但是在噴灌形狀上優(yōu)于圓形噴灌機(jī)，其噴灌形狀為條形，對(duì)于方形和長(zhǎng)方形地塊無漏噴現(xiàn)象。

2.缺點(diǎn)

相比圓形噴灌機(jī)，平移式噴灌機(jī)噴灑時(shí)整機(jī)只能沿垂直支管方向作直線移動(dòng)，而不能沿縱向移動(dòng)，相鄰塔架間也不能轉(zhuǎn)動(dòng)。為此，平移式噴灌機(jī)在運(yùn)行中必須有導(dǎo)向設(shè)備。另外，平移式噴灌機(jī)取水的中心塔架是在不斷移動(dòng)的，因而取水點(diǎn)的位置也在不斷變化。一般采用的方法是明渠取水和拖移的軟管供水，地面水源輸配工程較復(fù)雜，并有一定占地。

3.適用條件

與圓形噴灌機(jī)相比，使用條件基本相同。對(duì)水源條件適用方面，除可利用地下水（單機(jī)要求供水量80m3/h以上）外，還可以利用地表水。投資上，達(dá)到一定規(guī)模后（單機(jī)控制面積500畝以上），與其他大型噴灌設(shè)備相比，造價(jià)較高。

(三）滾移式噴灌機(jī)（圖3）

圖3 滾移式噴灌機(jī)

滾移式噴灌機(jī)也稱滾輪式噴灌機(jī)，是一種大型半機(jī)械化噴灌機(jī)組。該機(jī)的主要特點(diǎn)是整條輸水支管機(jī)動(dòng)滾移，采取“步步為營(yíng)”的田間作業(yè)方式，可表示為：定點(diǎn)噴灑→滾移→定點(diǎn)噴灑→滾移…。具體作業(yè)順序：（1）在一個(gè)位置噴灑一段時(shí)間，達(dá)到灌水定額后，關(guān)閉干管上的給水栓，將引水軟管與給水栓脫開。（2）輸水支管里的水通過自動(dòng)泄水閥和快速接頭密封膠圈排泄干凈。（3）操作人員啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，操縱驅(qū)動(dòng)車把整條支管向前滾移18～20m。（4）將引水軟管與該位置的給水栓相連，開啟給水栓，開始第二個(gè)位置定點(diǎn)噴灑。如此循環(huán)直到完成一個(gè)灌溉周期。盡管滾移式噴灌機(jī)具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，但屬于半自動(dòng)化噴灌設(shè)備，不能自動(dòng)移動(dòng)，需要人為操縱，而且對(duì)地形和水源的要求較高，不能灌溉高稈作物，因而應(yīng)用受到較大的限制。

三、圓形噴灌機(jī)特性

由于圓形和平移式噴灌機(jī)自動(dòng)化程度高、灌溉質(zhì)量好、單機(jī)控制面積大，尤其是圓形噴灌機(jī)對(duì)地形的適應(yīng)性強(qiáng)，對(duì)水源的要求低，因而非常適合人多地少地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

（一）機(jī)組工作原理

圓形噴灌機(jī)，因噴灑軌跡成圓形又稱作“圓形噴灌機(jī)”，又因噴灌桁架系統(tǒng)像指針的旋轉(zhuǎn)而得名“時(shí)針式噴灌機(jī)”，還因噴灌桁架系統(tǒng)作指針旋轉(zhuǎn)時(shí)圍繞一中心支軸運(yùn)行，亦稱為“中心支軸噴灌機(jī)”，是一種大型的自動(dòng)噴灌設(shè)備。

圖4 圓形噴灌機(jī)示意圖

圖4中1所示位置被稱為圓形噴灌機(jī)的中心點(diǎn)。通常情況下中心點(diǎn)的四條支撐角鋼通過地腳螺栓或者錨鏈固定在混凝土基座上。中心點(diǎn)是設(shè)備整體旋轉(zhuǎn)的中心機(jī)構(gòu)，圓形噴灌機(jī)的供水口就是中心點(diǎn)豎管底部的90°彎頭。水流經(jīng)中心點(diǎn)豎管和旋轉(zhuǎn)彎頭進(jìn)入主管道。旋轉(zhuǎn)彎頭利用了一個(gè)唇形密封墊防止管道漏水，并且在中心點(diǎn)豎管內(nèi)部旋轉(zhuǎn)。

水通過主管道的輸送經(jīng)由噴頭噴灑到地塊上。設(shè)備的主管道是由一系列的跨體連接而成的?？珞w是由主管道和桁架組組成?？梢酝ㄟ^增加或者減少主供水管和桁架組的數(shù)量來調(diào)節(jié)每段跨體的長(zhǎng)度。每一個(gè)桁架組由桁架拉近連接，桁架組為主管道提供支撐力并保證跨體受力時(shí)的強(qiáng)度。

跨體的連接是通過一個(gè)球形栓和一個(gè)球窩頭組成，這種連接使得跨體之間具有側(cè)向和垂直方向的調(diào)節(jié)能力。兩個(gè)跨體的供水主管道通過一個(gè)有彈性的橡膠軟管（柔性接頭）連接在一起。

（二）結(jié)構(gòu)組成

圖5 圓形噴灌機(jī)結(jié)構(gòu)圖

1.中心塔由4根堅(jiān)固的板型支架腿構(gòu)成，橫向拉筋增加結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，由4 個(gè)螺栓固定在混凝土基座上。

2.跨體結(jié)構(gòu)—桁架系統(tǒng)組成：由鋼管、角鐵和拉筋組合而成；跨體長(zhǎng)度：從40～60 m，共有7種長(zhǎng)度；跨架組合：根據(jù)地塊的大小，一般有5～10跨組合，面積從200～1200畝不等。

3.驅(qū)動(dòng)塔—輪架系統(tǒng)，極寬的軸距增加系統(tǒng)穩(wěn)固性，可允許的斜坡達(dá)到8～15%。每個(gè)驅(qū)動(dòng)塔上只需配備1個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，根據(jù)土壤的類型，選用不同的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)：沙土0.55KW，壤土0.75KW，粘土0.9KW，超粘土1.1KW。

4.延伸臂使系統(tǒng)更靈活地適應(yīng)地形，在噴灌機(jī)的尾部可加裝延伸臂，長(zhǎng)度可在6～24m范圍內(nèi)選擇。

5.尾槍為使系統(tǒng)減少地形阻礙和對(duì)條形地塊四角的補(bǔ)噴，在延伸臂的末端可加裝尾部噴槍，射程一般為10～30m。

6.噴頭。指針式噴灌機(jī)入口壓力一般在1.6～2.6bar 即可正常工作。噴頭上配備壓力補(bǔ)償器，保證了噴嘴工作壓力的恒定不變。

7.調(diào)節(jié)控制機(jī)構(gòu)包括速度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和同步控制機(jī)構(gòu)。速度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的主要部件是安裝在末端塔車上的速度調(diào)節(jié)閥（水動(dòng)式噴灌機(jī)采用），或安裝在噴灌機(jī)中心處主控箱內(nèi)的百分率定時(shí)器（電動(dòng)式噴灌機(jī)采用）。通過控制未端塔車的行走速度，從而控制整機(jī)的運(yùn)行速度。同步控制機(jī)構(gòu)安裝在除未端塔車外的的其它各塔車上。當(dāng)未端塔車前進(jìn)后，即形成了它和相鄰塔車不在一條直線上的狀態(tài)，這時(shí)同步控制機(jī)構(gòu)動(dòng)作，使相鄰塔車同時(shí)向前移動(dòng)，使各個(gè)塔車保持成一條直線向前緩慢移動(dòng)。

(三)典型地塊組合

黑龍江省西部地區(qū)林網(wǎng)格田多為500×500m類型，選擇此規(guī)格地塊為典型地塊，進(jìn)行設(shè)備選型（以Bauer 公司的產(chǎn)品為例）。本方案水源為利用地下水，在距離中心基座15m遠(yuǎn)處建設(shè)水源井1處，假定水量能夠保證系統(tǒng)需求。

系統(tǒng)設(shè)備組合形式

系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)表

輸入壓力2.0 bar工作功率 2.2 kW

在指定灌水量下的旋轉(zhuǎn)周期和速度控制百分比

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（四）設(shè)備造價(jià)分析

以Lindsay公司報(bào)價(jià)為例進(jìn)行了圓形噴灌機(jī)投資造價(jià)分析。

圓形噴灌機(jī)造價(jià)分析表

圖6 圓形噴灌機(jī)造價(jià)分析圖

1.1～3跨，小地塊，水源水量要求較低，畝均造價(jià)高?？刂瓢霃?8～204m，控制面積22～196畝，設(shè)備投資9.8～21.8萬元，設(shè)備畝均造價(jià)4455～1112元。

2.4跨，典型地塊，適宜地塊較多，水源水量要求適中，畝均造價(jià)較高?？刂瓢霃?52m，控制面積300畝，設(shè)備投資27.8萬元，設(shè)備畝投資927元。

3.5～7跨，地塊較大，適宜地塊較少，適合草原及大地號(hào)耕地等，水源水量要求較高，畝均造價(jià)適中。控制半徑326.6～456m，控制面積500～980畝，設(shè)備投資33～46.45萬元，設(shè)備畝投資660～474元。

4.8～9跨，地塊超大，適宜地塊少，水源水量要求高，設(shè)備畝均造價(jià)低?？刂瓢霃?11～565.1m，控制面積1230～1500畝，設(shè)備投資52.45～56.55萬元，畝投資426～377元。