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

噴灌技術(shù)是一種農(nóng)田高效節(jié)水灌溉技術(shù)，其能夠使水噴灑均勻，在當(dāng)今農(nóng)事作業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)有技術(shù)多采用旋轉(zhuǎn)式噴頭來進(jìn)行噴灌作業(yè)，其噴射效果對于噴灌效率具有重要的意義。園林綠化中常采用齒輪驅(qū)動(dòng)噴頭旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)噴灌，但這種噴頭對水質(zhì)的要求較高，而鋼珠驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的噴頭裝置提高了這類噴頭的抗堵塞性。同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)射程的噴灑作業(yè)，一般需要在噴水口處設(shè)置專門的導(dǎo)流器或流道，而現(xiàn)有技術(shù)提供的旋轉(zhuǎn)噴頭中的流道多為封閉式，如此將在噴頭達(dá)到特定射程時(shí)，需要更大的工作壓力，進(jìn)而造成高能耗，此外，該封閉式流道容易造成堵塞，當(dāng)整體噴頭埋設(shè)于耕作層以下時(shí)，生產(chǎn)上需要對制造工藝提出更高要求。為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，亟須研制一種不宜堵塞、能夠與地埋式升降機(jī)構(gòu)配合使用且局部水頭損失較小的流道開放的旋轉(zhuǎn)噴頭。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文研發(fā)的地埋式自升起開放流道型低功耗噴頭在借鑒前述地埋式自升起機(jī)構(gòu)研究成果的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新研發(fā)一種開放流道實(shí)現(xiàn)低功耗和防堵塞的功能，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、旋轉(zhuǎn)臺(tái)、連接柱、自旋噴嘴等部件。

1-地埋機(jī)構(gòu)；101-外管；1011-第二環(huán)形擋板；102-內(nèi)管；1021-第一環(huán)形擋板；103-下連接頭；1031-進(jìn)水口；2-噴灌機(jī)構(gòu)；201-進(jìn)水管；2011-連接段；2012-過渡段；2013-主體段；202-旋轉(zhuǎn)臺(tái)；203-連接柱；204-自旋噴嘴；2041-弧形管道；20411-弧形開口；2042-錐形擋板；205-裙?fàn)罘€(wěn)定板圖1 地埋式自升起開放流道型低功耗噴頭結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，在內(nèi)管102的下管口外周緣上設(shè)置有一圈第一環(huán)形擋板1021，第一環(huán)形擋板1021與外管101的內(nèi)壁可滑動(dòng)地密封接觸；外管101的上管口內(nèi)周緣上設(shè)置有一圈第二環(huán)形擋板1011；當(dāng)內(nèi)管102向上運(yùn)動(dòng)至預(yù)定位置時(shí)(即向上運(yùn)動(dòng)至上限時(shí))，第一環(huán)形擋板1021與第二環(huán)形擋板1011相抵接觸。

進(jìn)水管201作為進(jìn)水通水部件，呈兩端開口的管狀結(jié)構(gòu)，進(jìn)水管201通過地埋機(jī)構(gòu)1與地下進(jìn)水管201道相連通。如圖1所示，進(jìn)水管201包括自上而下順次連接的連接段2011、過渡段2012和主體段2013；連接段2011和主體段2013的內(nèi)腔均呈圓柱形，過渡段2012的內(nèi)腔呈圓臺(tái)形，并且過渡段2012內(nèi)腔的直徑由下自上逐漸減小。其中，主體段2013的內(nèi)徑與過渡段2012的最大內(nèi)徑相等，連接段2011的內(nèi)徑與過渡段2012的最小內(nèi)徑相等。在連接段2011的外壁上設(shè)置有一圈凹槽，以在連接段2011上形成凹槽段，旋轉(zhuǎn)臺(tái)202上設(shè)置有與凹槽段相配合的旋轉(zhuǎn)通孔，同時(shí)凹槽段穿過旋轉(zhuǎn)通孔。其中，旋轉(zhuǎn)臺(tái)202上旋轉(zhuǎn)通孔的內(nèi)徑稍大于凹槽段的外徑，如此可便于旋轉(zhuǎn)臺(tái)202的轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)，該連接段2011的外徑均大于旋轉(zhuǎn)臺(tái)202上旋轉(zhuǎn)通孔，以使該旋轉(zhuǎn)臺(tái)202穩(wěn)定地套在凹槽段上。

旋轉(zhuǎn)臺(tái)202可轉(zhuǎn)動(dòng)地套裝在進(jìn)水管201上部，多個(gè)連接柱203的下端固定在旋轉(zhuǎn)臺(tái)202的頂面上，上端固定在錐形擋板2042的底面上，該旋轉(zhuǎn)噴嘴的縱向射流孔與進(jìn)水管201的上管口相對。

自旋噴嘴204包括多個(gè)弧形管道2041和多個(gè)錐形擋板2042，弧形管道2041的側(cè)壁上沿中軸線方向設(shè)置有一個(gè)縱向的弧形開口20411，以使弧形管道2041的內(nèi)腔形成開放流道。多個(gè)弧形管道2041的底部繞圓周方向封閉式結(jié)合，以形成自旋噴嘴204的錐形底部，同時(shí)在該自旋噴嘴204的錐形底部設(shè)置一個(gè)縱向射流孔。多個(gè)弧形管道2041的頂部從該自旋噴嘴204的錐形底部沿徑向向外發(fā)散，每個(gè)弧形管道2041繞相同方向扭曲預(yù)定角度，以在開放流道內(nèi)對水流形成偏心推動(dòng)力，相鄰兩個(gè)弧形管道2041的側(cè)壁端部之間連接有一個(gè)錐形擋板2042。自旋噴嘴204的錐形底部設(shè)置的縱向射流孔僅僅用于在地埋狀態(tài)時(shí)使水流形成射流，進(jìn)而濕潤周圍的土壤，而待噴灌機(jī)構(gòu)2位于地表以后，因?yàn)闆]有了土壤的阻力，水流將傾向于進(jìn)入無阻礙的開放流道進(jìn)行噴灑，而不會(huì)從該縱向射流孔中射出。該縱向射流孔位于多個(gè)弧形管道2041的底部之間的各連接點(diǎn)繞成的小徑圓形的圓心處，并且該自旋噴嘴204的錐形底部除了該縱向射流孔之外的部分均為封閉的。

為了保證旋轉(zhuǎn)臺(tái)202在旋轉(zhuǎn)時(shí)的穩(wěn)定性，旋轉(zhuǎn)噴頭還包括裙?fàn)罘€(wěn)定板205，裙?fàn)罘€(wěn)定板205的頂部固定在旋轉(zhuǎn)臺(tái)202的底部，并且旋轉(zhuǎn)臺(tái)202下方的進(jìn)水管201位于該裙?fàn)罘€(wěn)定板205的內(nèi)部腔體內(nèi)，同時(shí)進(jìn)水管201的中軸線與裙?fàn)罘€(wěn)定板205的中軸線相重合。

連接柱203為空心連接柱，以使噴頭輕量化，進(jìn)而便于使灌溉水的噴射流容易地推動(dòng)自旋噴嘴204旋轉(zhuǎn)。通過將空心的連接柱203的由上自下地斜切，以使空心的連接柱203形成對稱的斜面空心柱體，在應(yīng)用時(shí)，使該斜面空心柱體的小弧端部連接錐形擋板2042，同時(shí)使該斜面空心柱體的大弧端部連接旋轉(zhuǎn)臺(tái)202，如此不僅進(jìn)一步降低了該旋轉(zhuǎn)噴頭的重量，同時(shí)還保證了連接柱203作為支撐體的支撐穩(wěn)定性。

2.2 技術(shù)特點(diǎn)

根據(jù)前述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，地埋式自升起開放流道型低功耗噴頭具有以下優(yōu)點(diǎn)：一是水流在開放流道內(nèi)形成偏心推動(dòng)力推動(dòng)噴頭旋轉(zhuǎn)，從而使開放流道兼?zhèn)鋵?dǎo)向機(jī)構(gòu)功能，其內(nèi)并不存在阻礙水流的結(jié)構(gòu)，不易發(fā)生堵塞；二是開發(fā)流道能很好地穩(wěn)定水流的流態(tài)，并且使其具有更好的霧化效果和更低的局部水頭損失，節(jié)約能源；三是流道開口向下，不僅有利于與地埋式自升起機(jī)構(gòu)的組裝配套，而且整體設(shè)備埋設(shè)于地下的情況下更不易被泥土或砂石堵塞。

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)1中的內(nèi)管102和噴灌機(jī)構(gòu)2均位于外管101內(nèi)，并且該地埋機(jī)構(gòu)1中的下連接頭103與地下供水管道相連通。如圖2所示。

圖2 設(shè)備地埋時(shí)結(jié)構(gòu)示意圖

在進(jìn)行灌溉作業(yè)時(shí)，首先，有壓的灌溉水依次由地下供水管道、進(jìn)水管201、自旋噴嘴204的錐形底部設(shè)置的縱向射流孔射出，濕潤周圍的土壤，以便于使自旋噴嘴204邊旋轉(zhuǎn)邊上行切割其頂部的土壤。同時(shí)，有壓灌溉水推動(dòng)內(nèi)管102在外管101中向上運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而推動(dòng)該噴灌機(jī)構(gòu)2在地埋機(jī)構(gòu)1中向上運(yùn)動(dòng)直至其完全頂出地面以上，該狀態(tài)下的旋轉(zhuǎn)噴頭的結(jié)構(gòu)如圖3所示。待噴灌機(jī)構(gòu)2完全暴露在地表以上時(shí)，由于不再有土壤的阻力，此時(shí)水流將由地下供水管道、進(jìn)水管201射入自旋噴嘴204的各個(gè)開放流道，由于弧形管道2041繞相同方向扭曲預(yù)定角度，如此將使開放流道內(nèi)對水流形成偏心推動(dòng)力，該偏心推動(dòng)力推動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)202繞進(jìn)水管201旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而使該旋轉(zhuǎn)噴頭實(shí)現(xiàn)邊旋轉(zhuǎn)邊噴灑的效果。

圖3 設(shè)備灌溉時(shí)結(jié)構(gòu)示意圖

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，生產(chǎn)出可以實(shí)際應(yīng)用的產(chǎn)品，如圖4所示。

圖4 地埋式自升起開發(fā)流道型低功耗噴頭

經(jīng)檢測，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)壓力下出水栓流量的2%；噴嘴接口密封性：泄漏量不大于噴頭流量的0.25%；耐壓性能：在2倍最大工作壓力下保持1h，噴頭及其零部件不損壞，不出現(xiàn)泄漏；有效噴灑半徑：有效噴灑半徑偏差不大于±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；噴灑均勻度：不低于0.75；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：0.1～0.5 MPa。

5 結(jié) 語

地埋式自升起開放流道型低功耗噴頭已取得國家授權(quán)專利，它采用開放流道，有效地避免了傳統(tǒng)噴頭流道易堵塞的問題，同時(shí)，減少了水流的局部水頭損失，達(dá)到了更好的噴灑效果?？梢?，地埋式自升起開放流道型低功耗噴頭，不僅適于地埋，并且具有工作壓力低，射程遠(yuǎn)、不易堵塞等優(yōu)點(diǎn)，適宜推廣應(yīng)用。

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[1] 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.

[2] 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.

[3] 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.

[4] 柴春嶺，楊路華，脫云飛，等. 可調(diào)式微噴頭出水口流道形式對噴灑水性能影響的試驗(yàn)研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2005，21(3)：17-20.

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