謝崇寶，張國華，魯少華，盧文娟，謝瑞環(huán)

(1.中國灌溉排水發(fā)展中心，北京 100054；2.北京中灌綠源國際咨詢有限公司，北京 100054； 3. 河海大學(xué)，南京 210098；4.中灌潤(rùn)茵(北京)節(jié)水灌溉設(shè)備有限責(zé)任公司，北京 101302)

1 研發(fā)目的

現(xiàn)有園林噴灌技術(shù)中采用埋藏式噴頭裝置，一般由噴頭和保護(hù)裝置組成，噴頭設(shè)置在保護(hù)裝置內(nèi)，保護(hù)裝置一般不低于地表，噴頭與土壤不直接接觸。但是，保護(hù)裝置無法整體設(shè)置在地下，有部分裸露在地表上，導(dǎo)致植物修剪、農(nóng)田耕作和農(nóng)作物收割時(shí)，機(jī)械化作業(yè)十分不便。為解決上述問題，可直接地埋的噴灌裝置應(yīng)運(yùn)而生，該噴頭能夠直接埋設(shè)于耕作層以下，噴頭與土壤直接接觸。前述的地埋式噴頭設(shè)有遠(yuǎn)近2個(gè)不同射程的噴嘴，一般情況下能夠達(dá)到規(guī)定的設(shè)計(jì)均勻度。但為進(jìn)一步提高這類噴頭的均勻度和抗堵塞性能，擴(kuò)大噴頭布設(shè)間距，減少單位投資，滿足水肥一體化灌溉需求，亟須研制一種噴灑均勻度高、抗堵塞性能更好、具有多噴嘴的可地埋的噴水裝置。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文研發(fā)的地埋式自升起多噴嘴高均勻度噴頭在借鑒前述地埋式噴頭研究成果的基礎(chǔ)上，通過創(chuàng)新研發(fā)多噴嘴出水實(shí)現(xiàn)高均勻度功能，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要包括地埋機(jī)構(gòu)，進(jìn)水管、連接管、導(dǎo)流管、噴水管、自旋組件等部分組成。

注：1-地埋機(jī)構(gòu)；11-外管；12-內(nèi)管；13-下連接頭；131-進(jìn)水口；2-噴灌機(jī)構(gòu)；21-進(jìn)水管；22-連接管；221-下管體；222-上管體；23-導(dǎo)流管；231-下連接段；232-上豎直段；233-上傾斜段；24-噴水管；241-柱形管；242-錐形管；2421-大徑斜噴口；2422-小徑直噴口；25-自旋組件；251-導(dǎo)向板；252-導(dǎo)向柱；253-球體；254-空心轉(zhuǎn)桿；255-傳動(dòng)板；256-導(dǎo)向孔；25-7環(huán)形擋板；26-過濾組件圖1 地埋式自升起多噴嘴高均勻度噴頭結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，地埋機(jī)構(gòu)包括外管、內(nèi)管、下連接頭，下連接頭上設(shè)置有進(jìn)水口；下連接頭與外管的下管口連接，同時(shí)進(jìn)水口、內(nèi)管、進(jìn)水管順次連通。在內(nèi)管的下管口外周緣上設(shè)置有一圈第一環(huán)形擋板，第一環(huán)形擋板與外管的內(nèi)壁可滑動(dòng)地密封接觸；外管的上管口內(nèi)周緣上設(shè)置有一圈第二環(huán)形擋板，當(dāng)內(nèi)管向上運(yùn)動(dòng)至預(yù)定位置時(shí)，第一環(huán)形擋板與第二環(huán)形擋板相抵接觸；進(jìn)水管的下管口與內(nèi)管的上管口可拆卸連接，噴灌機(jī)構(gòu)和內(nèi)管可軸向滑動(dòng)地套設(shè)在外管內(nèi)。

連接管由同心不同徑的下管體和上管體構(gòu)成，下管體的內(nèi)徑大于上管體的內(nèi)徑。導(dǎo)流管包括下連接段、分別與下連接段頂部相連通的上豎直段和上傾斜段，上傾斜段的內(nèi)徑為上豎直段的內(nèi)徑的1.5～3 倍。連接管與進(jìn)水管可拆卸連接，同時(shí)進(jìn)水管、連接管、導(dǎo)流管的管腔順次連通。

噴水管包括同軸連接的柱形管和錐形管。柱形管可轉(zhuǎn)動(dòng)地放置在連接管的頂部，套設(shè)在導(dǎo)流管的下連接段上，導(dǎo)流管的上豎直段和上傾斜段均位于噴水管的錐形管內(nèi)。上豎直段的管口與錐形管的錐頂相對(duì)，并位于小徑直噴口下方，上傾斜段的管口連接大徑斜噴口。錐形管的側(cè)壁下方設(shè)置有大徑斜噴口，錐形管的側(cè)壁上方設(shè)置有4個(gè)小徑直噴口，4個(gè)小徑直噴口繞錐形管的錐頂圓周排布，并且4個(gè)小徑直噴口的曲率不同。

自旋組件設(shè)置在進(jìn)水管內(nèi)，用于產(chǎn)生水力自旋，進(jìn)而使噴水管旋轉(zhuǎn)。自旋組件包括導(dǎo)向板、導(dǎo)向柱、球體、空心轉(zhuǎn)桿、傳動(dòng)板；導(dǎo)向板上設(shè)置有繞圓周方向排布的多個(gè)導(dǎo)向孔，導(dǎo)向孔用于對(duì)水流施加偏心推動(dòng)力，使水流旋轉(zhuǎn)上升；導(dǎo)向板套裝在進(jìn)水管內(nèi)，以將進(jìn)水管的管腔分為上進(jìn)水腔和下進(jìn)水腔，并且上進(jìn)水腔和下進(jìn)水腔通過導(dǎo)向孔相連通；導(dǎo)向柱豎直固定在導(dǎo)向板的上板面中心位置處，球體放置在上進(jìn)水腔內(nèi)；空心轉(zhuǎn)桿的上部與導(dǎo)流管的下連接段可拆卸連接并導(dǎo)通，傳動(dòng)板設(shè)置在空心轉(zhuǎn)桿的下端，并位于連接管內(nèi)。自旋組件還包括環(huán)形擋板，環(huán)形擋板套接在空心轉(zhuǎn)桿下端外壁上，傳動(dòng)板固定在環(huán)形擋板的底板面上；空心轉(zhuǎn)桿的下部位于上管體內(nèi)，環(huán)形擋板和傳動(dòng)板均位于下管體內(nèi)。

噴灌機(jī)構(gòu)還包括過濾組件與噴嘴組件。噴嘴組件可拆卸地設(shè)置在大徑斜噴口內(nèi)部，根據(jù)不同的噴灌需求，例如霧化度、射程等，可以選用不同規(guī)格的噴嘴組件，如此將有效提高該旋轉(zhuǎn)噴頭的適應(yīng)性。過濾組件放置在進(jìn)水管的下進(jìn)水腔內(nèi)，以對(duì)來自地下供水管道的灌溉水進(jìn)行過濾，防止其堵塞該旋轉(zhuǎn)噴頭，可以選用多種類型的過濾組件，例如過濾網(wǎng)、過濾環(huán)等。

2.2 技術(shù)特點(diǎn)

根據(jù)前述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，地埋式自升起多噴嘴高均勻度噴頭具有明顯的優(yōu)點(diǎn)：一是采用鋼珠擊打驅(qū)動(dòng)方式，避免了水中雜質(zhì)可能對(duì)噴頭轉(zhuǎn)動(dòng)造成的影響；二是設(shè)計(jì)采用1個(gè)大徑斜噴口和4個(gè)曲率不同的小徑直噴口，這些不同孔徑帶有特殊設(shè)計(jì)流道的噴水口，能夠各有側(cè)重關(guān)注噴頭射程的前中后三段的噴灑，提高了噴頭的噴灑均勻度；三是進(jìn)一步簡(jiǎn)化了現(xiàn)有地埋式噴頭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高了噴頭的抗堵塞性。

3 工作原理及工作流程

在非灌溉狀態(tài)時(shí)，該旋轉(zhuǎn)噴頭埋于耕作層以下的土壤中，同時(shí)該地埋機(jī)構(gòu)中的內(nèi)管和噴灌機(jī)構(gòu)均位于外管內(nèi)，并且該地埋機(jī)構(gòu)中的下連接頭與地下供水管道相連通。

在進(jìn)行灌溉作業(yè)時(shí)，有壓灌溉水由地下供水管道依次進(jìn)入進(jìn)水管、連接管、導(dǎo)流管的管腔。而導(dǎo)流管內(nèi)的灌溉水通過下連接段后將分成兩路，一路射入大徑的上傾斜段中，并由設(shè)置在噴水管側(cè)壁下方的大徑斜噴口噴射出來；而另一路射入小徑的上豎直段內(nèi)，并由設(shè)置在噴水管側(cè)壁上方的多個(gè)小徑直噴口噴射出來。由于大徑斜噴口內(nèi)的流道傾斜設(shè)置，并且其位于噴水管側(cè)壁下方，如此能夠獲得較大的射程。由于多個(gè)小徑直噴口繞錐形管的錐頂圓周排布，其射程小于大徑斜噴口的射程，同時(shí)能夠保證噴灌的均勻度。與此同時(shí)，由于自旋組件設(shè)置在進(jìn)水管內(nèi)，其將產(chǎn)生水力自旋，自旋的水流將帶動(dòng)噴水管的柱形管繞著連接管的頂部自旋，進(jìn)而帶動(dòng)大徑斜噴口和小徑直噴口一同轉(zhuǎn)動(dòng)，如此將進(jìn)一步提高噴灌的組合均勻度(由0.75提高到0.85)。

4 產(chǎn)品及技術(shù)性能指標(biāo)

根據(jù)前述產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)工藝，批量生產(chǎn)出可以實(shí)際應(yīng)用的產(chǎn)品，如圖2所示。

圖2 地埋式自升起多噴嘴高均勻度噴頭

經(jīng)檢測(cè)，本裝置達(dá)到了國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T22999-2008的要求，其中噴頭密封性：噴頭泄漏量不大于試驗(yàn)壓力(0.5 MPa)下出水栓流量的2%；耐壓性能：在2倍最大工作壓力下保持1 h，噴頭及其零部件不損壞，不出現(xiàn)泄漏；有效噴灑直徑：有效噴灑直徑偏差不大于±5%；噴頭流量：噴頭流量的變化量不大于±5%；水量分布特性：水量分布特性符合GB/T19795.1-2005中7.3的規(guī)定；有效噴灑半徑：0.4 MPa工作壓力下，射程15.6 m;噴灑均勻度：噴頭間距14 m正方形布置，噴頭組合均勻度均不低于0.8；轉(zhuǎn)動(dòng)穩(wěn)定性：在整個(gè)工作壓力范圍內(nèi)，噴頭能始終正常工作；啟動(dòng)壓力：0.25～0.5 MPa。

5 結(jié) 語

地埋式自升起多噴嘴高均勻度噴頭已取得國家授權(quán)專利，在解決傳統(tǒng)設(shè)備不能地埋的同時(shí)，成功解決了目前同類地埋式噴頭難以達(dá)到的高均勻噴灑、高強(qiáng)抗堵塞性能及較大噴灑射程的技術(shù)問題，市場(chǎng)前景應(yīng)用廣闊。

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[1] 水利部農(nóng)村水利司，中國灌溉排水發(fā)展中心. 噴灌工程技術(shù)[M]. 鄭州：黃河水利出版社，2012.

[2] 姚 彬,王一球. 節(jié)水灌溉工程建設(shè)中存在問題的探討[J]. 節(jié)水灌溉,2008,(7)：53-54.

[3] 李彩鳳,陳建中. 我國噴灌的發(fā)展概況和應(yīng)重視的問題[J]. 水利科技與經(jīng)濟(jì),2008,(2):159-160.

[4] 徐 敏,李 紅,陳 超,等. 提高噴灌均勻性的噴頭結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施[J]. 節(jié)水灌溉,2013,(2)：44-47.

[5] 王留運(yùn),姚宛艷,韓 棟,等. 我國微灌企業(yè)和設(shè)備產(chǎn)品存在的問題及整改舉措建議[J]. 節(jié)水灌溉,2008,(7):46-48.

[6] 李仰斌,謝崇寶,張國華,等. 地埋式自動(dòng)升起型取水設(shè)備研發(fā)[J]. 節(jié)水灌溉,2014,(6):75-77,81.

[7] 李仰斌,謝崇寶,張國華,等. 地埋式自動(dòng)升降型一體化噴灌設(shè)備研發(fā)[J]. 節(jié)水灌溉,2014,(7):75-78,82.

[8] 張國華,謝崇寶,魯少華,等. 基于鋼珠驅(qū)動(dòng)的全地埋式噴灌裝置研發(fā)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2016,(12):102-106.