变量喷洒低能耗轻小型灌溉机组研究 完成单位江苏大学中国农业

1、变量喷洒低能耗轻小型灌溉机组研究完成单位：江苏大学，中国农业机械化科学研究院，中国农业科学农田灌溉研究所，金坛市旺达喷灌机有限公司一、来源与背景喷灌技术作为一种先进的节水灌溉技术，对世界农业的发展起到了巨大的推动作用。随着全球水资源和能源短缺的加剧，世界喷灌技术正向着低能耗精确灌溉方向发展。喷灌形式主要有移动式、固定和半固定式，我国的移动式喷灌以轻小型喷灌机为主，是一种适应我国大部分农村土地经营模式的喷灌机组，而其他大型移动喷灌机组多为引进或仿制国外产品，如绞盘式喷灌机、滚轮式喷灌机、圆形喷灌机、平移式喷灌机等，适用于大规模、机械化的集约化农业生产。我国喷灌技术经过50多年的发展，虽然取得了长

2、足的进步，但与低能耗精确喷灌的要求仍然存在差距，主要问题有：1、轻小型移动式喷灌机仍然存在动力配套和管道配置不合理、能耗高、喷洒均匀度低和水泵效率低、自吸时间长等问题。2、大型喷灌机虽然自动化程度高、节省人工，但只适用于大面积规模化生产，缺少适应我国大部分农村土地经营模式的小型化的产品。3、卷盘式喷灌机虽然结构紧凑，具有自动收管功能，可连续运行，设备利用率高，但要求入机压力高，且多采用远射程喷头，抗风能力差，雨滴降落打击力强，不适应低压喷灌的要求，不能变幅变量喷洒，喷洒均匀度低。4、目前，我国只有圆形喷洒一种形式的喷灌喷头产品，缺少变量喷洒喷头产品和设计理论，喷灌中超喷、漏喷及重叠系数高等组合

3、喷灌问题长期未能解决。二、项目关键成果及其取得方式本项目研究的总体思路是：通过系统优化配置和关键设备性能的提高，降低现有移动式轻小型喷灌机的能耗；通过变量喷洒技术及产品的研究及设计方法的建立，解决固定或移动喷灌中超喷、漏喷及重叠系数高等组合喷灌问题；研究与开发适应当前我国农村土地经营模式的智能控制轻小型喷灌机组，填补小型化喷灌机的空白，解决喷灌机不能变量变幅喷洒、喷洒均匀度低和喷灌及软管灌溉不能两用等问题。采用产学研联合攻关的方式，重视推广应用，实现产业化。采用的技术方案及实施效果是：（1）系列新型自吸喷灌泵入口创新地设计了自吸装置，并采用新型的导叶蜗壳组合式压水室和回流孔自动关闭结构形式，在

4、试验研究、理论及数值模拟分析的基础上，建立和完善了自吸喷灌泵的设计理论，所开发的系列喷灌泵效率比国家标准规定值提高5.38.9个百分点，自吸时间缩短25s73s。（2）采用首创的叶轮极大直径设计法、三维曲面反导叶设计法和“减小叶轮后盖板直径平衡轴向力”与“油雾润滑和冷却”新结构，使井用潜水泵达到高性能和低成本的统一，配套电机功率从国内外同类机组的7.5kW降低到5.5kW。（3）通过构建以水泵与管路工况为约束条件的移动式轻小型喷灌机组优化数学模型，优化设计了输水管路、合理配置了喷头数量、确定了机组最优工作参数，使机组整机能耗平均降低14.4%。（4）发明了在喷头进口设置仿形动静片、喷头出口设置

5、面积自动调节装置或异形喷嘴的组合压力/流量调节机构，首次开发了八种变量喷洒全射流喷头和变出口摇臂式喷头，建立了入口动静片设计方法和软件。变量喷洒喷头的组合试验表明，正方形和三角形喷洒形状，最佳间距系数为1.31.43。（5）从系统节能的角度出发，首次建立了变频喷灌机组正方形喷洒的控制方程，喷洒效果与理论值的平均偏差为4.2%，相比节流式变量喷洒节能27%。（6）首次采用大型自走式喷灌机轻小型化设计，采用“SMS”短信方式或实时监测土壤湿度信息实现机组智能化控制功能，集成低压喷洒喷头配置理论和机组配套合理性研究成果，研制了智能控制轻型移动喷灌机组。桁架带水重量降低46.53%，整机高度同比下降3

6、2.2%，塔架车驱动功率同比下降18.18%26.67%，喷洒均匀系数达0.856。（7）利用快速拆装式桁架，设计出独特的机翼快速连接结构，可根据地块宽度进行调节机翼和喷幅，并配置低压折射式喷头和最佳组合间距，喷灌均匀度为0.92，能耗比卷盘式机组（正常工作压力0.60.8MPa）降低30%以上，装置效率提高5%以上。三、先进性1、高效低能耗轻小型移动式喷灌机组的研制开发创新设计了回流阀自动关闭结构，减少了泄漏量，提高了泵的效率；创新设计了自吸装置、导叶蜗壳组合式压水室和反导叶结构，使气水分离快，排气畅通，提高了泵的自吸性能。采用先进的CFD技术，掌握了回流阀关闭与开启、回流孔位置对流动的影响

7、规律和影响自吸泵效率的关键技术；优化了导叶和蜗壳组合方案和喷嘴结构形式，掌握了提高喷灌泵自吸性能的影响因素。在数值模拟、试验研究的基础上，给出了新型自吸喷灌泵叶轮出口直径D2、叶轮出口宽度b2、压水室内的储水体积F、回流孔直径d、射流器喷嘴出口直径d1的计算公式，建立了新型射流式自吸泵水力设计方法。与国内外同类产品技术指标对照见表1。发明了极大扬程设计法。将叶轮前盖板的直径极大化，使其与导流壳内壁相同，为减小内流损失，一方面将叶轮后盖板直径减小，另一方面用新型三维曲面反导叶导流壳代替圆柱形或空间导叶，不仅提高了单级扬程和水泵效率，而且大大减小了叶轮的轴向力。通过正交试验和数值模拟，得到了水泵效

8、率、单级叶轮直径和反导叶的最佳组合。新型深井离心泵结构如图3所示。与国内同类产品相比，单级扬程提高30%50%左右，泵体长度减少1/3以上，水泵效率比国家标准提高34个百分点，部分提高69个百分点，达到国际先进水平。典型产品与国内外同类产品技术指标对照见表2。表1 新产品与国内外同类产品技术指标对照表对比项标准规定值国内产品国外产品本项目新产品对比结果自吸方式/内混式自吸内混式自吸射流式自吸/泵效率46%63.5%52%55%54%64%54.9%68.6%比标准提高59个百分点自吸时间100s150s100s140s75s120s66s118s比标准平均缩短25.9s平均重量/25.4kg2

9、8 kg21.4 kg比国内平均减轻15.8%表2 典型产品与国内外同类产品技术指标对照表产品型号新型深井泵国家标准格兰富井泵（丹麦）佩德罗井泵（意大利）150QJ20-66/6100QJ8-27.5/5150QJ20-65/10100QJ 8-28/8SP17-10SP30-76SR18/6流量Q（m3/h）208208202020水泵扬程H (m)6627.565286466.566单级扬程Hi (m)115.56.53.56.49.511转速n （r/min）2850285028502850287528752900水泵效率p (%)67.962.86453686966泵体长度（mm）47

10、5/1095/8589415632、变量喷洒喷头国外采用折射形式变喷洒域喷头，添加齿轮、阻尼等机构，结构复杂，压力损失大。国内有相关非圆形喷洒域喷头的报道，能检索到专利，但市场上未见实际产品。国内喷头采用不同形式的进口压力流量调节装置，能实现正方形等形状的喷洒。本课题首次在全射流喷头上采用进口动静片结构，发明了进口动静片调节与出口面积调节优化组合方法，解决了变量喷洒喷头结构复杂、均匀性性差的难题。建立压力/流量调节机构水力设计方法，能设计任意形状的喷洒域喷头。变量喷洒喷头性能对比见表3。表3 变量喷洒喷头性能对比表变量喷洒喷头（江苏大学）齿轮蝶阀式变量喷头（山东）摇臂式变量喷头（西北）Ohay

11、on变量喷头（美国）产品结构简单可靠，拆装方便，成本低复杂，成本高密封性较差复杂，成本高水力性能均匀性较好，射程变化范围较大均匀性较好，射程变化范围较小均匀性较好，射程变化范围较小实现功能已建立设计方法，任意形状正方形正方形、拟星形3、智能控制轻型移动喷灌机组ZQP-100型喷灌机与国内外同类产品主要技术性能指标对比见表4。表4ZQP-100型喷灌机组与国内外同类产品主要性能指标对比产品指标本课题研制产品ZQP-100澳大利亚Southern Cross美国Valmont.Co中国MAE.Co输水管规格(mm)Ø114×3Ø127×3Ø168&

12、#215;3Ø165×3桁架跨距(m)30.024.4，30.531.530.0车轮减速器形式蜗轮蜗杆电机减速器形式齿轮蜗轮蜗杆齿轮齿轮驱动功率（kw）0.450.550.90，1.10.55，0.750.55轮胎规格7.5-2026-2011.2-28，14.9-2414.9-24百分率计时器同步控制模块机械式同步控制模块同步控制模块故障报警定位系统报警、定位报警报警报警、定位塔架高度（m）2.12.13.73.1末端悬臂长度（m）103，66，12，1810，15喷洒均匀系数Cu0.856>0.800.850.85单跨带水重量（kg）1116-22682087远程

13、遥控系统有无有无从表4中可以看出，ZQP-100喷灌机整体技术水平已经达到国内技术领先和国际同期先进技术水平。从表4中还可看出，ZQP-100喷灌机30m跨带水重量仅占国产Ø165×3规格30m桁架带水重量的53.47%，占美国31.5m跨带水重量的49.21%，达到了大型自走式喷灌机轻小型化的目的。另外，在机组的控制方面，也达到了国际先进水平。4、喷灌和软管灌溉两用轻小型机组“喷灌和软管灌溉两用轻小机组”经黄河水利委员会查新中心检索查新，国内外并无与所研制产品相同研究。与本产品相近或相关的产品主要为山东华泰保尔喷灌设备有限公司和奥地利保尔喷灌设备有限公司生产的小型卷盘式喷

14、灌机，但与本课题所研制的轻小机组有本质区别：上述两公司生产的小型卷盘式喷灌机灌溉方式单一，只具有喷灌一种灌溉方式；喷幅不可调，喷洒高度不可调，而本课题所研制的轻小机组具有喷灌和软管灌溉两种灌溉方式，且喷幅可调，喷洒高度可调（最高1.8m，最低1.2 m）。四、创新点（1）创新设计了自吸喷灌泵进口自吸装置和回流孔阀门自动关闭结构，自吸时间缩短25s73s，提高泵效5.38.9个百分点。发明了新型井用潜水电泵叶轮极大直径设计法，提高了井泵的性价比；采用减小叶轮后盖板直径平衡轴向力结构，减小了叶轮的轴向力，提高了运行稳定性。（2）发明了喷头进口动静片调节与出口面积调节优化组合方法，开发出变量喷洒全射

15、流喷头和变出口摇臂式喷头，解决了变量喷洒喷头结构复杂、均匀性差等长期未能解决的行业难题。从系统节能的角度出发，首次建立了变频喷灌机组正方形喷洒的控制方程，实现了节能变量精确喷洒。（3）构建了以水泵与管路工况为约束条件的移动式轻小型喷灌机组优化数学模型，确定了机组最优工作参数，机组的整机能耗平均约降低14.4%。（4）填补了自走式喷灌机轻小型化的空白，采用“SMS”短信方式或实时监测土壤湿度信息，实现了机组智能化控制。塔架车驱动功率同比下降18.18%26.67%，喷洒均匀系数达0.856。（5）首次采用快速连接桁架、机冀快速连接结构和高度调节螺栓，实现了喷幅变量喷洒及高度可调，提高了灌水均匀度

16、和利用效率。能耗比卷盘式机组降低30%以上，装置效率提高5%以上。五、成熟程度，适用范围新一代低能耗轻小型移动式节水灌溉装备已被国内众多灌溉设备企业批量生产，广泛应用于农田、园林、茶林等灌溉领域，已经成为我国农业节水灌溉设备的主流产品。2009年获农业部颁发的全国农机推广鉴定证书，2011年被列入中央抗旱物资采购项目。新型产品销售覆盖全国26个省、市和自治区，并远销10多个国家。其中农田灌溉面积超过1000万亩，占国内喷灌面积的22%。另据安徽省阜南县抗旱服务队等10多家抗旱应用单位统计，近三年累计抗旱救灾面积达200多万亩，为抗旱救灾、确保国家粮食安全作出了重要贡献。表5为主要应用单位情况表

17、5 主要应用单位情况应用单位名称应用技术应用的起止时间应用单位联系人/电话近三年经济和社会效益金坛市旺达喷灌机有限公司新型喷灌机(泵)2006年至今高网大/139061476830.887亿元/9.1万台创汇312万美元金坛天鹅喷灌机有限公司新型喷灌机(泵)2004年至今马留土/137751697050.785亿元/7.5万台创汇22万美元新乡中灌节水工程技术有限公司喷灌和软管灌溉两用机组2008.10至今付晓/0373-3393100850万元河南省彩虹节水灌溉有限公司多功能喷头2008.05至今李玲/13503817174588万元/8.4万套浙江大元泵业有限公司新型射流式自吸泵、深井离心

18、泵2005年至今李海微/0576-864412990.95亿元/24.5万台创汇2460万美元海城三鱼泵业有限公司新型深井离心泵2005年至今李璐璐09亿元/45.9万台创汇112万美元浙江新界泵业股份有限公司新型射流式自吸泵、深井离心泵2005年至今张俊杰/0576-863331381.2亿元/36.3万台创汇764万美元台州佳迪泵业有限公司新型深井离心泵2009年至今李振同汇877万美元/4.8万台浙江大福泵业有限公司新型射流式自吸泵、深井离心泵2004年至今刘肖肖/0576-899756190.45亿元/11.5万台创汇230万美元

19、浙江丰源泵业有限公司新型射流式自吸泵、深井离心泵2006年至今孙建国/0576-863201880.299亿元/5.3万创汇159万美元浙江奇峰泵业有限公司新型射流式自吸泵2006年至今江荣华16亿元/3.9万台创汇195万美元南京蓝深制泵集团股份有限公司新型深井离心泵2005年至今陈斌/139520379600.18亿元江苏海潮科技股份有限公司新型射流式自吸泵2010年至今杨高怀/12182034888创汇680万美元/3.65万台杭州绿源灌溉技术有限公司2009年至今150万元/3600套镇江市南山茶林研究所隙控式全射流喷头2008.07至今陈晓宏/13003

20、442396265万/350亩六、应用情况及存在的问题本课题共完成了7种低能耗轻小型移动式喷灌机组及变量喷洒喷头、自吸喷灌泵等喷灌系统关键设备的研制，形成系列化的成套喷灌系统。目前成果已分别由江苏大学、中国农业机械化科学研究院、中国农业科学院农田灌溉研究所联合金坛市旺达喷灌机有限公司、上海万得凯节水技术有限公司等单位实现产业化，进行批量生产，并已进行示范应用，效果良好。示范应用面积1.5万亩以上。轻小型移动式喷灌机组由金坛市旺达喷灌机有限公司等生产，并经吉林省通榆县抗旱服务队、安徽省界首市水务局等数十家用户使用，机组运行稳定、性能可靠，维护方便，深受用户好评，取得了显著的经济和社会效益，具有十

21、分广阔的推广应用前景。尤其在2009年和2010年春季抗旱中发挥了重要作用。智能控制轻型移动喷灌机组ZQP-100共销2台，累计示范推广应用灌溉面积250亩。机组主要销往内蒙古地区，运转良好，得到用户一致好。形成河北省固安县喷灌机组产业化基地和河北保定涞水县喷灌机组产业化基地，将来年生产能力将达到1000台套自走式喷灌机。喷灌和软管灌溉两用轻小型机组在河南省新乡市小冀镇中国农业科学院现代农业示范园内进行了田间考核，灌溉作物为小麦、玉米等粮食作物。杭州绿源灌溉技术有限公司购置2台机组，应用于浙江省海宁市民胜村绿源基地，主要进行了200亩大田作物喷灌和软管灌溉应用示范，河南省彩虹节水灌溉有限公司购

22、置2台机组，主要用于河南省长葛市药材种植园区药材灌溉，取得了良好的经济效益，得到了用户的一致好评。还与河南省彩虹节水灌溉有限公司达成初步协议，由河南省彩虹节水灌溉有限公司进行市场营销，中国农业科学院农田灌溉研究所机加工车间负责机组加工，课题组负责技术服务和人员培训。本课题研发了5种轻小型移动式喷灌机组,规格品种偏少,不能满足广大农民的需求,建议继续研发移动式喷灌机组，满足市场要求。由于经费紧张，开发出的产品样机系列化程度还较低，而且生产规模小，宣传力度不够，外观还有一定缺陷，还需进一步努力改进其加工工艺，提高水力性能和整体质量。由于全国各地区水资源日益紧缺，大型灌溉设备存在用水量大等缺点，如果

23、采用多井汇流，会造成工程造价高、水头损失大等不利影响，针对小流量水井（流量在3060m3/h）完善桁架114×3系列桁架，形成跨30m、40m、50m多种规格，以满足不同地势、水源对机组的多样化需要。本课题虽然首次将智能控制引入自走式喷灌机，仍需要结合农业灌溉田间应用实际情况，将智能控制与农艺制度紧密结合进行研究，使喷灌机群随周边环境进行联动。随着自走式喷灌机的轻型化，机组在不同作业点之间拖移的频率加大，对其供水首部也相应提出较高的要求，要求具备与水源快速连接，体积小、动力多样化（电、柴油机、拖拉机多种动力源）。七、效益及发展前景据国内10余家骨干企业统计，近三年新增产值7.8亿元，销量超160万台（套），覆盖全国26个省、市和自治区，并远销海外，创汇约5500万美元。其中农田灌溉面积超过1000万亩，占国内喷灌