噴灌系統(tǒng)關(guān)鍵設備研制與產(chǎn)業(yè)化進展

噴灌系統(tǒng)關(guān)鍵設備研制與產(chǎn)業(yè)化進展作者：李久生康國義黃修橋鄭庚石范興科簡介：通過近30年的努力，我國的噴灌技術(shù)已取得長足進步。隨著噴灌技術(shù)的不斷應用和推廣，對噴灌設備的技術(shù)性能提出了更高的要求。針對我國在噴灌設備方面急需解決的問題和市場需求，國家“十五”重大科技專項“田間固定式半固定式噴灌系統(tǒng)關(guān)鍵設備及產(chǎn)品研制與產(chǎn)業(yè)化開發(fā)”課題在園林用噴灌裝置、節(jié)能多功能型噴頭、新型噴灌移動管道及系列化標準化管件等方面開展了研究和產(chǎn)業(yè)化開發(fā)，取得可喜進展，研制出5種性能優(yōu)良的新型噴頭，提出了鎂基合金管道的配方和防腐處理工藝，開發(fā)出Ф50、Ф65和Ф76mm3種規(guī)格的鎂基合金管道和配套管件，形成了年產(chǎn)5萬只噴頭和5萬套管件的生產(chǎn)能力，11種產(chǎn)品獲得國家專利。關(guān)鍵字：噴灌噴頭管道研制產(chǎn)業(yè)化1．引言1.1存在問題與發(fā)展趨勢我國自上世紀七十年代中期引進噴微灌技術(shù)并大力推廣應用。至上世紀末，我國噴微灌設備生產(chǎn)已初具規(guī)模，用于農(nóng)田灌溉的主要噴微灌設備（如噴微灌專用管材、噴頭、微噴頭、滴頭、微灌帶、過濾器、施肥裝置、自吸式水泵等）已能自行開發(fā)生產(chǎn)并滿足國內(nèi)的需求，部分產(chǎn)品還有出口（如微噴頭、自吸式水泵）。噴頭是影響噴灌灌水質(zhì)量的關(guān)鍵設備，世界主要發(fā)達國家一直致力于噴頭的改進及研究開發(fā)，發(fā)展趨勢是向多功能、節(jié)能、低壓方向發(fā)展。如美國先后開發(fā)出不同搖臂形式（水平搖臂、垂直搖臂）、不同仰角（7o、11o、15o、23o、27o）及適用于不同目的的多功能噴頭。我國目前生產(chǎn)上廣泛使用的噴頭為PY1、PY2、ZY-1和ZY-2，其中PY1、PY2已形成系列，除具有不同規(guī)格外，其噴頭仰角也有7o、15o、22.5o、30o等不同型號。由于此類噴頭為20世紀80年代初開發(fā)的產(chǎn)品，能量轉(zhuǎn)化率偏低，實測值尚不足80%，在噴灌工程中正逐漸被淘汰。ZY-1、ZY-2噴頭為20世紀80年代中期引進奧地利鮑爾公司生產(chǎn)線生產(chǎn)的產(chǎn)品，實測能量利用率可達90%。近年來，隨著我國節(jié)水灌溉的發(fā)展，許多節(jié)水灌溉設備生產(chǎn)廠家紛紛對ZY-1、ZY-2噴頭進行仿制或略加改進，如增加換向機構(gòu)、改進噴頭仰角（一般增大）等，該產(chǎn)品成為我國目前使用的主流噴頭。盡管該產(chǎn)品品牌較多，但仍未形成系列化，且在防風、多功能利用、低壓工作時的水量分布等方面存在缺陷。因此，需要開發(fā)新型節(jié)能噴頭系列及功能可調(diào)的噴頭系列，改進噴頭性能，增加噴頭功能。隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，城市化進程的加快以及人們對生活質(zhì)量要求的提高，城市綠地大幅度增加，城市用水也隨之日趨緊張，綠地灌溉的節(jié)水要求日益迫切。因此，噴微灌技術(shù)在城市綠地中被廣泛應用。但至2002年，我國城市噴微灌多采用農(nóng)田灌溉中所使用的噴頭。這些噴頭雖然也可以達到節(jié)水和良好的綠地灌溉效果，但影響綠地的景觀效果。當時，我國城市灌溉專用噴頭，百分之百是舶來品，沒有一家企業(yè)開發(fā)和生產(chǎn)城市灌溉專用噴頭。因此，急需開發(fā)性能優(yōu)良的城市綠地專用噴頭，滿足城市綠地灌溉既要節(jié)水、又要美觀的要求，探索我國城市綠地灌溉設備國產(chǎn)化的可能性和可行性。我國使用的噴灌移動管材主要有薄壁鋁管、薄壁鋼管和PE管等。其中薄壁鋼管由于加工缺陷、易腐蝕，已很少使用。薄壁鋁管盡管重量輕、耐用，是目前廣泛使用的噴灌移動管道，但其生產(chǎn)成本偏高。而通過減小壁厚降低成本的方法會嚴重減弱產(chǎn)品的剛度，造成質(zhì)量下降。因此，急需研制新型金屬管道，使之既能滿足剛度與強度的需要，又能降低系統(tǒng)成本。在噴灌配套管件方面，由于噴灌系統(tǒng)涉及到金屬、塑料、橡膠等多種材料，不同材料間的連接方式及其規(guī)格有所差異，導致噴灌系統(tǒng)的配套性和可靠性降低。因而，需研制標準化、系列化的噴灌用管件，提高系統(tǒng)的通用性和可靠性。國家“十五”重大科技專項“田間固定式半固定式噴灌系統(tǒng)關(guān)鍵設備及產(chǎn)品研制與產(chǎn)業(yè)化開發(fā)”以跟蹤當代世界前沿技術(shù)，提高我國噴灌技術(shù)和設備的現(xiàn)有水平為目標，針對制約噴灌發(fā)展的主要因素——投資大、能耗高、易受風影響和存在蒸發(fā)漂移損失，研制開發(fā)新一代適合我國國情的噴灌技術(shù)和設備。在噴頭方面，研制開發(fā)節(jié)能、防風的異形噴嘴噴頭、可調(diào)仰角和霧化程度的噴頭、短流道系列噴頭、園林專用噴頭及非圓形噴灑域噴頭等；在噴灌用管道方面，研制開發(fā)經(jīng)濟耐用的移動管道。通過對噴灌設備的系統(tǒng)化和系列化研制，創(chuàng)制具有自主知識產(chǎn)權(quán)和市場競爭力的低能耗多用途噴灌技術(shù)與新產(chǎn)品，縮短我國噴灌技術(shù)與國外的差距，推動噴灌產(chǎn)品的升級換代，全面提升我國的噴灌技術(shù)水平。1.2國內(nèi)市場需求噴灌技術(shù)是目前先進的高效用水技術(shù)之一，也是可以實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的高新技術(shù)，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)的重要特征。美國1998年的噴灌面積占全部灌溉面積的47%。以色列到20世紀90年代初，噴灌占全部灌溉面積的30%。日本旱地灌溉幾乎全部采用噴灌。而我國至1998年底噴灌面積僅占有效灌溉面積的3%、占節(jié)水灌溉面積的10%，與先進國家相比存在很大差距。目前，制約我國噴灌發(fā)展的主要因素一是系統(tǒng)能耗高，二是易受風影響，三為存在蒸發(fā)漂移損失。我國缺水的華北、西北及東北地區(qū)屬多風、干燥地帶，早在20世紀70年代，西北地區(qū)的寧夏、甘肅等地就曾大力推廣噴灌技術(shù)，但由于沒能很好地解決能耗、風的影響及設備質(zhì)量等問題，到20世紀80年代幾乎全部不用。因此低能耗多功能噴頭的市場需求量較大，同時隨著精準農(nóng)業(yè)及多目標利用的發(fā)展，對多功能噴頭的需求量也越來越大。半固定式噴灌系統(tǒng)是現(xiàn)階段管道式噴灌發(fā)展的主要型式，移動管道是半固定式噴灌系統(tǒng)的主要設備，據(jù)粗略估計，移動管道的年需求量在10000t左右，因此本課題擬開發(fā)的質(zhì)優(yōu)價廉的新型移動管道具有廣闊的潛在市場。目前，我國園林及綠地使用的灌水器幾乎都是進口產(chǎn)品，外國噴頭占據(jù)著我國園林噴灌的大部分市場，但進口灌水器及配套設備價格昂貴，制約著節(jié)水型城市的建設。開發(fā)研制園林噴灌設備對改變外國產(chǎn)品一統(tǒng)天下的被動局面，降低工程造價、促進國內(nèi)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。因此，噴灌設備應用前景廣闊。2．重大研究進展2.1噴頭2.1.1園林用新型短流道噴頭通過對國外典型短流道噴頭的流量、射程和水量分布進行系統(tǒng)測試和剖析，發(fā)現(xiàn)影響噴頭能量轉(zhuǎn)化率的關(guān)鍵是噴頭和噴嘴的流道結(jié)構(gòu)。在對國內(nèi)外發(fā)展趨勢和市場前景充分分析基礎(chǔ)上，設計了進口直徑為10和15mm兩種規(guī)格的短流道噴頭。為了克服現(xiàn)有短流道噴頭噴嘴無法更換的缺陷，我們將噴頭設計成噴嘴可更換的形式。進口直徑10mm的噴頭還具有扇形機構(gòu)和霧化程度調(diào)節(jié)裝置。對噴頭樣機的測試結(jié)果表明，其能量轉(zhuǎn)化率達到96%（表1），在現(xiàn)行噴灌工程技術(shù)規(guī)范規(guī)定的噴頭組合間距條件下，均勻系數(shù)（CU）可達到85%。噴頭水力性能指標見表2。表1新型短流道噴頭的能量轉(zhuǎn)化率（進口直徑10mm）壓力（kPa）流量（m3/hh）能量轉(zhuǎn)化率（%%）1500.400911750.447942000.477942250.528982500.555982750.592993000.62599平均

96表2短流道噴頭水力性能匯總表進口直徑10mm(噴嘴直徑徑3mm)進口直徑15mm(噴嘴直徑徑5mmxx(4..5x2.6))壓力(MPa)流量(m3/h))射程(m)壓力(MPa)流量(m3/h))射程(m)0.150.4009.70.201.5589.00.250.5559.80.301.9419.02.1.2園林用升降式噴灌裝置研制出散射升降式噴頭（圖1a），并形成了3萬只/年的生產(chǎn)能力。產(chǎn)品由外殼、升降桿、復位彈簧、噴口和噴口開度調(diào)節(jié)器組成。當噴口開度較大時，流量較大，射程較遠。該噴頭的特點是壓力調(diào)節(jié)器內(nèi)置，管網(wǎng)壓力在一定范圍內(nèi)波動時，可保持流量和射程恒定；噴灑角度可根據(jù)田塊形狀調(diào)整；配有防盜鉸鏈接頭，防止噴頭丟失。噴灑直徑為10~12m。渦輪驅(qū)動地埋升降式噴頭具有射程遠、升降平穩(wěn)、工作可靠等特點，但是結(jié)構(gòu)復雜，加工難度大，生產(chǎn)工藝要求高。通過攻關(guān)，已可以批量生產(chǎn)（圖1b）。產(chǎn)品由外殼、升降桿、復位彈簧、噴頭旋轉(zhuǎn)驅(qū)動葉輪、蝸輪蝸桿組和噴嘴組成，噴嘴有12種規(guī)格，用戶可根據(jù)需要選擇。在水壓力作用下，升降桿上升，水流在流向升降桿上端的噴口時，沖擊葉輪旋轉(zhuǎn)，通過蝸輪蝸桿組調(diào)節(jié)驅(qū)動噴頭旋轉(zhuǎn)的速度，并驅(qū)動噴頭連續(xù)旋轉(zhuǎn)，有壓水從噴嘴噴出。當水壓消失后，升降桿在復位彈簧的作用下下降至外殼內(nèi)。常用噴嘴的水力性能指標見表3。表3渦輪驅(qū)動地埋升降式噴頭水力性能指標（工作壓力0.35MPa）嘴徑mm1壓力流量關(guān)系式式q=AAhx2最大轉(zhuǎn)動偏差（%）射程（m）平均雨強（mmm/h）啟動工作壓力（kPa）Ax2.00.0124220.60441.38.52.1502.00.0090770.64476.79.51.6503.00.0345880.56964.311.02.8503.00.0088000.66766.610.01.650q=Ahx，其中q—流量，m3/h；h—工作壓力，kPa；標準規(guī)定，噴頭在四個象限內(nèi)的轉(zhuǎn)動偏差不得大于12%。2.1.3節(jié)能異形噴嘴噴頭通過研究，提出了了方形、三角形和雙矩形3種異形噴嘴的設計方法，試制出三種節(jié)能異形噴嘴噴頭樣機。2.1.3.1方形噴嘴方形噴嘴的重要設計參數(shù)是噴嘴流道的漸變角（圖2）。通過大量試驗，發(fā)現(xiàn)漸變角為θ=30o時噴頭射程比圓形噴減小最少，最大水滴直徑（在射流末端）也較小。與相同流量的圓形噴嘴噴頭相比，方形噴嘴的特點是：保持射流末端水滴直徑相近時，方形噴嘴的工作壓力可比圓形噴嘴降低98kPa左右，壓力降低百分數(shù)16.7%~28.6%；同樣工作壓力下，方形噴嘴的末端水滴直徑比圓形噴嘴減小0.73~0.96mm；同樣壓力下方形噴嘴的射程為圓形噴嘴的95%~98%，但方形噴嘴的近噴頭處水量增加，因此滿足一定組合均勻系數(shù)時，方形噴嘴的組合間距與圓形噴嘴相當，因此采用方形噴嘴噴頭不會增加系統(tǒng)投資。2.1.3.2三角形噴嘴三角形噴嘴的重要設計參數(shù)是噴嘴流道的漸變角（θ）和三角形的高寬比（H/L）（圖3）。通過大量試驗，得出三角形噴嘴的設計方法為：θ對噴頭射程、單噴頭水量分布和最大水滴直徑（在射流末端）的影響明顯，以θ=30o時為最優(yōu)；三角形的適宜高寬比（H/L）為1.0時單噴頭水量分布最好。與相同流量的圓形噴嘴噴頭相比，三角形噴嘴的特點是：持射流末端水滴直徑相近時，三角噴嘴的工作壓力可比圓形噴嘴降低98kPa左右，壓力降低百分數(shù)16.7%~28.6%；同樣壓力下方形噴嘴的射程為圓形噴嘴的90%左右，但方形噴嘴的近噴頭處水量增加，滿足一定組合均勻系數(shù)時，方形噴嘴的組合間距與圓形噴嘴相當，因此采用三角形噴嘴噴頭不會增加系統(tǒng)投資。2.1.3.3雙矩形噴嘴重要設計參數(shù)是噴嘴流道的漸變角（θ）、矩形的長寬比（b/a）和兩矩形之間的距離（C）（圖4）。通過大量試驗，得出雙矩形噴嘴的設計原則為：θ對噴頭射程、單噴頭水量分布和最大水滴直徑（在射流末端）的影響不明顯，為了簡化噴嘴結(jié)構(gòu)，可以取θ=0o；矩形的適宜長寬比（b/a）隨噴頭搖臂結(jié)構(gòu)不同而變化，對PY120噴頭來說，b/a不宜大于5；兩矩形之間的距離（C）對噴頭射程和最大水滴直徑均有明顯影響，隨C值的增大而線性減小，但C值對噴頭轉(zhuǎn)動速度也有明顯影響，為了保證噴頭正常轉(zhuǎn)動并獲得較遠的射程，2a+C以不超過12mm為宜。與相同流量的圓形噴嘴噴頭相比，保持射流末端水滴直徑相近時，雙矩形噴嘴的工作壓力可比圓形噴嘴降低98kPa以上，壓力降低百分數(shù)30%；同樣工作壓力下，方形噴嘴的末端水滴直徑比圓形噴嘴減小0.67~0.97mm；同樣壓力下方形噴嘴的射程為圓形噴嘴的91%~94%，但雙矩形噴嘴的近噴頭處水量明顯增加，因此滿足一定組合均勻系數(shù)時，方形噴嘴的組合間距與圓形噴嘴相當。2.1.4可調(diào)仰角及可調(diào)霧化程度的多功能噴頭根據(jù)對國內(nèi)外噴頭的調(diào)研結(jié)果，決定在目前國內(nèi)市場廣泛應用的ZY系列噴頭的基礎(chǔ)上進行改進，主要改進部件為噴體與空心軸的連接方式。現(xiàn)有噴頭的噴體與空心軸均采用螺紋直連方式，設計中將噴體的螺紋改為一可在豎直平面上自由旋轉(zhuǎn)的絞狀接頭，實現(xiàn)了噴頭仰角的連續(xù)可調(diào)；采用新型的噴嘴結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對噴頭霧化及射程調(diào)節(jié)。主要改進包括：（1）在不改變原型噴頭結(jié)構(gòu)的同時，采用新型噴頭霧化及射程調(diào)節(jié)器，實現(xiàn)了噴頭的霧化及射程同步調(diào)整。（2）以往常見的噴頭調(diào)節(jié)射程的方式多采用壓板式，即在噴嘴出水后利用壓板改變射程，雖簡單可行，但沒考慮對噴頭的水量分布的影響（水量在遠端集中），研究中采用的新型調(diào)節(jié)噴頭射程的方式，不會出現(xiàn)水量集中。(3)為盡量減少對噴灌系統(tǒng)設計的影響，采用新型噴頭霧化及射程調(diào)節(jié)器，噴頭的霧化指標可以大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，但對射程僅作小范圍調(diào)節(jié)。2.1.5非圓形噴灑域噴頭表4非圓形噴灑域噴頭性能表圖5非圓形噴灑域噴噴頭樣機為了克服圓形形噴灑域噴噴頭在不規(guī)規(guī)則地形和和噴灑域邊邊界處難以以布設的問問題或圓形形噴灑域噴噴頭在噴灑灑域邊界處處為了避免免漏噴而將將水噴灑到到邊界以外外造成水的的浪費問題題研制了非圓圓形噴灑域域噴頭。該該噴頭在搖搖臂式噴頭頭基座上安安裝凸輪盤盤，通過凸凸輪傳動使使安裝在噴噴嘴前方的的碎水螺釘釘隨著噴頭頭的轉(zhuǎn)動而而上下移動動，實現(xiàn)周周期性碎水水，從而周周期性改變變噴頭射程程，噴灑出出各種形狀狀，樣機見見圖5，樣機性性能指標列列于表4。測定方位最大射程(mm)平均噴灑強度((mm/hh）噴水量（m3//h）方形程度0°14.88.52.75Rmax*siin45°°/Rmiin=00.7822°148.42.5845°13.38.72.4277°13.88.32.5690°14.78.52.732.2新型移動管道及管件2.2.1鎂基合金移動管道鎂基合金在噴灌行業(yè)的應用尚屬空白，但鎂基合金優(yōu)良的性能已在其它行業(yè)得到較為廣泛的應用。鎂基合金管材用于噴灌移動管材需要解決的關(guān)鍵問題是防腐處理和加工工藝，為此進行了鎂基合金材料配方的研制，已提出了滿足噴灌管材要求的兩種鎂基合金配方，一種為管件鑄造用合金，已試制出快速接頭、方便體2個品種；另一種配方為管材擠壓用合金，目前已完成配方研制、生產(chǎn)和防腐工藝，生產(chǎn)出Ф50、Ф65和Ф76mm三種規(guī)格的鎂基合金噴灌移動管道。國家質(zhì)量技術(shù)檢測部門的測試結(jié)果表明，鎂基合金管道的比重為1.78t/m3，僅為鋁合金管道（2.71t/m3）的66%，管道單位長度重量大幅度降低；經(jīng)防腐涂層的鎂基合金管道在20%NaOH強堿溶液中腐蝕2h后幾乎沒有腐蝕發(fā)生，而鋁合金管道的腐蝕量達10.6%；在20%H2SO4強酸溶液中鎂基合金管道和鋁合金管道均沒有發(fā)生腐蝕現(xiàn)象。物理力學性能測試結(jié)果表明，在施加6.0MPa壓力時，三種規(guī)格的鎂基合金管道均無損壞和滲漏；鎂基合金管道的屈服強度、抗拉強度和延伸率等均優(yōu)于同規(guī)格的鋁合金管道或與同規(guī)格的鋁合金管道相當（表5）。表5鎂基合金管道物理力學性能1規(guī)格鎂基合金管道鋁合金管道2爆破試驗拉伸試驗3壓扁試驗爆破試驗拉伸試驗壓扁試驗屈服強度(MPPa)抗拉強度(MPPa)延伸率(%)屈服強度(MPPa)抗拉強度(MPPa)延伸率(%)Ф50合格2604009.4合格合格2402909.0合格Ф65合格2403709.6合格合格2452908.9合格Ф76合格2503909.4合格合格2402909.3合格管壁厚度均為1.4mm爆破試驗施加壓力為6.0MPa壓扁試驗的壓扁高度為直徑的1/22.3.2系列化管件開發(fā)了噴灌管道防脫鉤快裝接頭、球形雙掛鉤管道快速接頭、內(nèi)襯PVC的復合管件、噴灌管道保護閥、有壓密封無壓自泄密封圈等通用管件和保護設施，并形成了一定的生產(chǎn)能力。3．取得的主要成果自課題實施以來，研發(fā)出5種新型噴頭（8個產(chǎn)品），1種新型移動管道（2種