喷灌系统关键设备研制与产业化进展

喷灌系统关键设备研制与产业化进展作者：李久生康国义黄修桥郑庚石范兴科简介：通过近30年的努力，我国的喷灌技术已取得长足进步。随着喷灌技术的不断应用和推广，对喷灌设备的技术性能提出了更高的要求。针对我国在喷灌设备方面急需解决的问题和市场需求，国家“十五”重大科技专项“田间固定式半固定式喷灌系统关键设备及产品研制与产业化开发”课题在园林用喷灌装置、节能多功能型喷头、新型喷灌移动管道及系列化标准化管件等方面开展了研究和产业化开发，取得可喜进展，研制出5种性能优良的新型喷头，提出了镁基合金管道的配方和防腐处理工艺，开发出Ф50、Ф65和Ф76mm3种规格的镁基合金管道和配套管件，形成了年产5万只喷头和5万套管件的生产能力，11种产品获得国家专利。关键字：喷灌喷头管道研制产业化1．引言1.1存在问题与发展趋势我国自上世纪七十年代中期引进喷微灌技术并大力推广应用。至上世纪末，我国喷微灌设备生产已初具规模，用于农田灌溉的主要喷微灌设备（如喷微灌专用管材、喷头、微喷头、滴头、微灌带、过滤器、施肥装置、自吸式水泵等）已能自行开发生产并满足国内的需求，部分产品还有出口（如微喷头、自吸式水泵）。喷头是影响喷灌灌水质量的关键设备，世界主要发达国家一直致力于喷头的改进及研究开发，发展趋势是向多功能、节能、低压方向发展。如美国先后开发出不同摇臂形式（水平摇臂、垂直摇臂）、不同仰角（7o、11o、15o、23o、27o）及适用于不同目的的多功能喷头。我国目前生产上广泛使用的喷头为PY1、PY2、ZY-1和ZY-2，其中PY1、PY2已形成系列，除具有不同规格外，其喷头仰角也有7o、15o、22.5o、30o等不同型号。由于此类喷头为20世纪80年代初开发的产品，能量转化率偏低，实测值尚不足80%，在喷灌工程中正逐渐被淘汰。ZY-1、ZY-2喷头为20世纪80年代中期引进奥地利鲍尔公司生产线生产的产品，实测能量利用率可达90%。近年来，随着我国节水灌溉的发展，许多节水灌溉设备生产厂家纷纷对ZY-1、ZY-2喷头进行仿制或略加改进，如增加换向机构、改进喷头仰角（一般增大）等，该产品成为我国目前使用的主流喷头。尽管该产品品牌较多，但仍未形成系列化，且在防风、多功能利用、低压工作时的水量分布等方面存在缺陷。因此，需要开发新型节能喷头系列及功能可调的喷头系列，改进喷头性能，增加喷头功能。随着我国经济的发展，城市化进程的加快以及人们对生活质量要求的提高，城市绿地大幅度增加，城市用水也随之日趋紧张，绿地灌溉的节水要求日益迫切。因此，喷微灌技术在城市绿地中被广泛应用。但至2002年，我国城市喷微灌多采用农田灌溉中所使用的喷头。这些喷头虽然也可以达到节水和良好的绿地灌溉效果，但影响绿地的景观效果。当时，我国城市灌溉专用喷头，百分之百是舶来品，没有一家企业开发和生产城市灌溉专用喷头。因此，急需开发性能优良的城市绿地专用喷头，满足城市绿地灌溉既要节水、又要美观的要求，探索我国城市绿地灌溉设备国产化的可能性和可行性。我国使用的喷灌移动管材主要有薄壁铝管、薄壁钢管和PE管等。其中薄壁钢管由于加工缺陷、易腐蚀，已很少使用。薄壁铝管尽管重量轻、耐用，是目前广泛使用的喷灌移动管道，但其生产成本偏高。而通过减小壁厚降低成本的方法会严重减弱产品的刚度，造成质量下降。因此，急需研制新型金属管道，使之既能满足刚度与强度的需要，又能降低系统成本。在喷灌配套管件方面，由于喷灌系统涉及到金属、塑料、橡胶等多种材料，不同材料间的连接方式及其规格有所差异，导致喷灌系统的配套性和可靠性降低。因而，需研制标准化、系列化的喷灌用管件，提高系统的通用性和可靠性。国家“十五”重大科技专项“田间固定式半固定式喷灌系统关键设备及产品研制与产业化开发”以跟踪当代世界前沿技术，提高我国喷灌技术和设备的现有水平为目标，针对制约喷灌发展的主要因素——投资大、能耗高、易受风影响和存在蒸发漂移损失，研制开发新一代适合我国国情的喷灌技术和设备。在喷头方面，研制开发节能、防风的异形喷嘴喷头、可调仰角和雾化程度的喷头、短流道系列喷头、园林专用喷头及非圆形喷洒域喷头等；在喷灌用管道方面，研制开发经济耐用的移动管道。通过对喷灌设备的系统化和系列化研制，创制具有自主知识产权和市场竞争力的低能耗多用途喷灌技术与新产品，缩短我国喷灌技术与国外的差距，推动喷灌产品的升级换代，全面提升我国的喷灌技术水平。1.2国内市场需求喷灌技术是目前先进的高效用水技术之一，也是可以实现产业化的高新技术，是现代农业节水技术的重要特征。美国1998年的喷灌面积占全部灌溉面积的47%。以色列到20世纪90年代初，喷灌占全部灌溉面积的30%。日本旱地灌溉几乎全部采用喷灌。而我国至1998年底喷灌面积仅占有效灌溉面积的3%、占节水灌溉面积的10%，与先进国家相比存在很大差距。目前，制约我国喷灌发展的主要因素一是系统能耗高，二是易受风影响，三为存在蒸发漂移损失。我国缺水的华北、西北及东北地区属多风、干燥地带，早在20世纪70年代，西北地区的宁夏、甘肃等地就曾大力推广喷灌技术，但由于没能很好地解决能耗、风的影响及设备质量等问题，到20世纪80年代几乎全部不用。因此低能耗多功能喷头的市场需求量较大，同时随着精准农业及多目标利用的发展，对多功能喷头的需求量也越来越大。半固定式喷灌系统是现阶段管道式喷灌发展的主要型式，移动管道是半固定式喷灌系统的主要设备，据粗略估计，移动管道的年需求量在10000t左右，因此本课题拟开发的质优价廉的新型移动管道具有广阔的潜在市场。目前，我国园林及绿地使用的灌水器几乎都是进口产品，外国喷头占据着我国园林喷灌的大部分市场，但进口灌水器及配套设备价格昂贵，制约着节水型城市的建设。开发研制园林喷灌设备对改变外国产品一统天下的被动局面，降低工程造价、促进国内产业的发展具有重要意义。因此，喷灌设备应用前景广阔。2．重大研究进展2.1喷头序股谁园林用新型短桶流道喷头侍通过对国努外典型短流道赏喷头的流量、孤射程和水量分阻布进行系统测周试和剖析，发跟现影响喷头能旺量转化率的关妖键是喷头和喷章嘴的流道结构演。在对国内外夕发展喇趋作惑势和市场前景窃充分分析基础隆上，设计了进酱口直径壁为格1宁0困和阀15mm秧两种规格的短陈流道喷头。为纲了克服现有短钻流道喷头喷嘴侨无法更换的缺冶陷，我们将喷毙头设计成喷嘴漠可展降更换的形式。击进口直径静10mm铸的喷头还具有易扇形机构和雾粥化程度调节装御置。对喷头样准机的测试结果赔表明，其能量闪转化率达锣到耽96枕%驶（穗表丰1哨），在现行喷扫灌工程技漏术史扑规范规定的喷疯头组合间距条剃件下，均匀系应数永（帆C肠U扩）可达艺到捧85柄%污。喷头水力性玩能指标见冻表拴2椅。怜表芹1谢码新型短流道喷州头的能量转化府率（进口直径瓜10mm耍）立压力致（限kP纷a烤）热流量莫（茧m3/壁h料）置能量转化率借（置%镰）品150协0.400论91岸175鼠0.447程94宋200部0.477短94捷225喷0.528愤98强250削0.555料98有275丈0.592猫99英300健0.625晓99衬平均友

蒜96饿表订2脚芝短流道喷头水验力性能汇总表逝进口直径于10mm叨兴(因喷嘴直径卧3mm确)糟进口直径巴15mm私型(冠喷嘴直径崇5mm承x(4.份5x2.看6)俊压与力转(MPa)喘流彻量喂(m3/h淘)拼射锁程狠(m)误压住力埋(MPa)立流书量应(m3/h爆)祝射哲程杯(m)案0.15半0.400贺9.7锋0.20让1.558妖9.0娘0.25建0.555绩9.8闪0.30梯1.941情9.0貌浮抢园林用升降式嚷喷灌装置捧研制出散导射升降式喷头盒（图沟1a磨），并形成杰了迫3盗万悦只畅/陶年的生产能力描。产品由外壳扰、升降杆、复筹位弹簧、喷口丝和喷口开度调隙节器组成。当绑喷口开度较辅大学跃时，流量较大样，射程较远。选该喷头的特点资是压力调节器跟内置，管网压赤力在一定范围艇内波动时，可置保持流量和射万程恒定；喷洒扮角度可根据田促块形状调整；膜配有防盗铰忧链华痒接头，防止喷怪头丢失。喷洒岔直径烦为刃10~筋12m生。蜡涡轮驱动童地埋升降式喷酬头具有射程远袜、升降平稳、传工作可靠等特谁点，但是结构膏复杂，加工难霸度大，生产工榜艺要求高。通窗过攻关，已可忍以批量生产（高图拼1浙b尊）。产品由外逼壳、升降杆、呢复位弹簧、喷教头旋转驱动叶蜘轮、蜗轮蜗杆筑组和喷嘴组成指，喷嘴朱有膀1裙2室种规格，用户脂可根据需要选哈择。在水压力窜作用下，升降捏杆上升倚，响亲水流在流向升剃降杆上端的喷刚口时，冲击叶喉轮旋转，通过要蜗轮蜗杆组调皮节驱动喷头旋陷转的速度，并抗驱动喷头连续扔旋转，有压水脸从喷嘴喷出。易当水压消失后随，升降杆在寒复辟听位弹簧的作用弱下下降至外壳异内。常用喷嘴猪的水力性能指蔑标见方表无3朗。幻表唱3斤梨涡轮驱动地埋愈升降式喷头水码力性能指标（玻工作压宫力尖0.35MP屿a反）条嘴厕径剧mm计1灶压力流量关系蔑式较q=Ahx唐2采最大转动偏差座（恨%闻）舟射程骡（纺m参）推平均雨强闪（挡mm/烛h吓）梳启动工作压力革（旷kP拌a急）疼A段x破2.0宿0.0124所2睁0.6044惨1.3鲁8.5原2.1买50衔2.0吃0.0090掠7焦0.6447应6.7凤9.5口1.6支50停3.0征0.0345榜8喷0.5696罗4.3胞11.0系2.8民50宵3.0击0.0088顾0伏0.6676女6.6历10.0吓1.6抛50眨q=Ah傲x碧，其捉中虚站q址—数流量悬，刚m3/脑h择；纺h浑—吓工作压力蔑，聚kP啊a摧；劣标准规定，喷葵头在四个象限请内的转动偏差闸不得大杠于市12凝%跪。漂谱挺节能异形喷嘴稳喷头洲通过研究贤，提出了了方俯形、三角形和闻双矩卫形叹3驴种异形喷嘴的裹设计方法，试里制出三种节能僚异形喷嘴喷头炊样机。告或.1煮阳方形喷嘴崇方形喷嘴薯的重要设计参慰数是喷嘴流道忌的渐变角（址图黄2毁）。通过大量股试验，发现渐变变角购为别θ急=30使o剩时喷头射程比兄圆形喷减小最温少，最大水滴捏直径（在射流源末端）也较小糕。与相同流量援的圆形喷嘴喷盗头相比，方形溪喷嘴的特点是膀：茫保持射流境末端水滴直径辟相近时，方形部喷嘴的工作压驳力可比圆形喷偷嘴降圆低禾98kP沙a垄左右，压力降守低百分靠数弟16.7%~牛28.6勇%胞；同样工作压涝力下，摩方芽乓形喷嘴的末端堪水滴直径比圆都形喷嘴减察小扣0.73~伐0.96mm瓜；同样压力下港方形喷嘴的射气程为圆形喷嘴箱的屑95%~98字%助，但方形喷嘴摸的近喷头处水注量增加，因以此咸福满足一定组合挡均匀系数时，阁方形喷嘴的组填合间距与圆形良喷嘴相当，因解此采用方形喷贱嘴喷头不会增周加系统投资。阶回.2饶谣三角形喷嘴圾三角形喷无嘴的重要设计谨参数是喷嘴流底道的渐变角辉（柔θ拿）和三角形的灰高宽比芒（境H/甚L唇）（稀图跪3削）。通过大量争试验，得出三猜角形喷嘴的设扯计方法为：侧满晓θ因对喷头射程、泻单喷头水量分盏布和最大水滴斧直径（在射流朝末端）的影响毒明显，提以东θ阅=30蜡o扣时为最优；三历角形的适宜高攻宽比度（棍H/奴L绍）暖为肢1.谦0为时单喷头水量廉分布最好。魂与相同流窑量的圆形喷嘴瓜喷头相比，三临角形喷嘴的特篇点是：菊持射流末王端水滴直径相跃近时，三角喷祥嘴的工作压力巨可比圆形喷嘴叉降熟低截98kP夕a撑左右，压力降药低百分淘数笨16.7%~栋28.6闻%倚；同样压力下果方形喷嘴暂的费秒射程为圆形喷约嘴辈的该90侦%良左右，但方形他喷嘴的近喷头典处水量增加，兽满足一定组合塘均匀系数时，善方形喷嘴的组具合间距与圆形句喷嘴相当，因倍此采用三角形您喷嘴喷头不会艰增千脉加系统投资。怜糖.3元欢双矩形喷嘴沿重要设计竞参数是喷嘴流跪道的渐变角与（嘴θ贴）、矩形的长触宽比便（僻b/客a衡）和两矩形之蛋间的距离桥（虾C却）（搬图抹4戒）。通过大量资试验，得出双锹矩形喷嘴的设氧计原则为：所赖魂θ柄对喷头射程、攀单喷头水量分榆布和最大水滴裂直径（在射流悲末端）的影响胁不明显，为了赛简化喷嘴结构怖，可以霞取铁θ彩=0唉o阶；矩形的适宜惊长宽比哥（餐b/胞a谜）随贱喷归结头摇臂结构不苍同而变化，乱对输PY12概0辨喷头来说赏，万b/杰a因不宜大阶于偶5济；两矩形之间牌的距离创（扔C胃）对喷头射程赢和最大水滴直丢径均有明显影姐响，战随芦C腹值的增大而线废性吵减键械小，淡但依C盐值对喷头转动临速度也有明显工影响，为了保冬证喷头正常转刻动并获得较远被的射程，爱2a劝+丧C葬以不超过趣12mm堡为宜。耍与相同流妻量的圆形喷嘴核喷头相比，保咳持射流末端水景滴直径相近时赤，双矩形喷嘴粗的工作压力可池比圆形喷嘴降樱低宁98kP抄a唱以上，压力降搁低百分低数口30灭%忙；炎同打箩样工作压力下仰，方形喷嘴的夏末端水滴直径警比圆形喷嘴减豪小倒0.67~建0.97mm骂；同样压力下律方形喷嘴的射品程为圆形喷嘴刻的凳91%~94昏%剥，但双矩形喷宰嘴的近尘喷爬飞头处水量明显笼增加，因此满题足一定组合均委匀系数时，方杏形喷嘴的组合拍间距与圆形喷链嘴相当。狗拼费可调仰角及可淋调雾化程度的抵多功能喷头嘱根据对国将内外喷头的调闯研结果，决定窜在目前国内市扬场广泛应用烤的垄Z页Y舰系列喷头的基佛础上进行改进替，主要改进部灾件为喷体与空甚心轴的连接方愧式。现有喷头多的箭腹喷体与空心轴锤均采用螺纹直使连方式，设计缩中将喷体的螺首纹改为一可在昼竖直平面上自附由旋转的绞状鸡接头，实现了伍喷头仰角的连址续可调；采用胀新型的喷嘴结腐构，实现对杏喷贝急头雾化及射程忠调节。主要改纱进包括：历（商1偿）在不改变原闲型喷头结构的趴同时，采用新族型喷头雾化及惭射程调节器，烘实现了喷头的越雾化及射程同喊步调整。索（处2泽）以往常见的串喷头调节射程顿的方式多采用己压板式，即在凳喷嘴出水后利缺用压板改变射货程，虽简单可棋行，但没考虑驻对喷头的水量桃分布的影响（赠水量在远端集部中），研究中踪采用的新型调邮节喷头射程的境方式，不会出织现水量集中。贴(3)先厌为尽量减少对欲喷灌系统设计庄的影响，采用馆新型喷头雾化逐及射程调节器暂，喷头的雾化地指标可以大范担围内调节，但丘对射程仅作小粗范围调节。佛银动非圆形喷洒域酱喷头睁表刘4迫肾非圆形喷洒域范喷头性能表筹图伐5豪给非圆形喷洒域益喷头样机造牌幻为了克服圆息形喷洒域喷头平在不规则地形搂和喷洒域边界厅处难以布设的仆问题或圆形喷师洒域喷头在喷登洒域边界处为吉了避免漏喷而偷将水喷洒到边创界以外造成水膊的浪费问题觉研营汗制了非圆形喷驼洒域喷头。该婶喷头在摇臂式乒喷头基座上安仅装凸轮盘，通站过凸轮传动使汉安装在喷嘴前史方的碎水螺钉有随着喷头的转谣动而上下移动拔，实现周期性活碎水，从而姜周尿逃期性改变喷头狸射程，喷洒出腊各种形状，样般机见泉图要5垫，样机性能指粗标列于偏表贼4腰。捧冈测定方位浩最大射经程煮(m)赔平均喷洒强粱度租(mm/律h偿）准喷水量县（斗m3/缎h姓）麻方形程度絮0°沟14.8姻8.5宿2.75汇Rmax*s胡in45°/捆Rmin=裳0.78狮22°悔14休8.4哪2.58盆45°袄13.3揭8.7狮2.42丰77°沉13.8牙8.3千2.56肿90°垃14.7棒8.5背2.73卷2.2油宫新型移动管道陶及管件惨摆软镁基合金移动迈管道浑镁基合金聚在喷灌行业的赏应用尚属空白副，但镁基合金乘优良的性能已用在其它行业得不到较为广泛的虽应用。镁基合懂金管材用于喷已灌移动管材需竞要解决的关键妥问题兆是矩凝防腐处理和加演工工艺，为此险进行了镁基合喉金材料配方的柏研制，已提出狱了满足喷灌管秆材要求的两种愿镁基合金配方绣，一种为管件邻铸造用合金，强已试制出快速妇接头、方便罢体纹蛋2挎个品种；另一谜种配方为管材膛挤压用合金，芦目前已完成配乳方研制、生产涝和防腐工艺，恢生产犬出锦Ф姐5钉0贪、警Ф值6棵5柱和阅Ф瓶76mm潜三种规格的镁驴基合金喷灌移袍动管道。国家否质阶后量技术检测部轮门的测试结果泛表明，镁基合汤金管道的比重草为艇1.78t/耽m毛3轮，仅为铝合金波管道哄（格2.71t/蛛m饥3境）筛的查66完%罢，管道单位长辈度重量大幅度蠢降低；经徒防蒙涨腐涂层的镁基讨合金管道朽在付20%NaO刷H还强碱溶液中腐霉蚀船2克h扎后几乎没有腐姨蚀发生，而铝未合金管道的腐至蚀量孙达必10.6羡%逢；屑在妹20%H2S遣O里4递强酸溶液中镁斜基合誓金说扑管道和铝合金辞管道均没有发弊生腐蚀现象。中物理力学性能塑测试结果表明位，在施寇加苏6.0MP拜a哪压力时，三种社规格的镁基合疗金管道均无损荒坏和渗漏；镁吩基合金管道的牵屈却服流老强度、抗拉强鸡度和延伸率等崭均优于同规格烦的铝合金管道辨或与同规格的梯铝合金管道相质当（拦表信5六）。跑表括5戏动镁基合金管道福物理力学性能膜1守规格厅镁基合金管道物铝合金管道删2宏爆破试验晴拉伸试验法3滤压扁试验评爆破试验箩拉伸试验厦压扁试验牛屈服强塑度纷(去MPa)颤抗拉强舞度谁(真MPa)明延伸宁率丰(绘%)越屈服强童度酿(日MPa)阀抗拉强妻度脆(扰MPa)镰延伸耕率叹(盆%)叨Ф神50策合格医260碍400何9.4归合格拒合格候240壁290赵9.0崖合格攀Ф饲65妹合格偶240闹370厨9.6缝合格兆合格脾245剥290茎8.9侦合格太Ф挤76据合格董250鞋390炊9.4冷合格懒合格渗240谨290秒9.3竿合格于管壁厚度均为璃1.4mm字爆破试验施加蛙压力指为岭6.0MPa愚压扁试验的压舱扁高度为直径戚的它1/2其爹遇系列化管件采开发了喷款灌管道防脱钩胃快装接头、球吃形双挂钩管道翅快速接头、内勉衬灶PV况C盼的复合管件、盖喷灌管道保护拥阀、有压密封箱无压自泄密封抄圈等通用管件伤和保护设施，绕并形成了一定仗的生产能力。秀3备．取得的主要耍成果放自课题实姐施以来，研发浮出质5极种新型喷头联（巾8波个产品）搅，朝1圆种新型移动管抚道过（刷2戏种规格）羡和龄5秒种系列化管件牲，已形日成框5办万只喷头捡和妥5觉万套