喷灌系统关键设备研制与产业化进展.pdf

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 简介简介 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。 关键字关键字喷灌 喷头 管道 研制 产业化 相关站中站相关站中站 灌溉水景喷泉 园林灌溉 1．引言．引言 1.1 存在问题与发展趋势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、11 o、15 o、23 o、27 o）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、15 o、22.5 o、30 o 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 PDF created with pdfFactory Pro trial version 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．重大研究进展 2.1 喷头喷头 2.1.1 园林用新型短流道喷头园林用新型短流道喷头 PDF created with pdfFactory Pro trial version 通过对国外典型短流道喷头的流量、 射程和水量分布进行系统测试和剖析， 发现影响喷 头能量转化率的关键是喷头和喷嘴的流道结构。 在对国内外发展趋势和市场前景充分分析基 础上，设计了进口直径为 10 和 15mm 两种规格的短流道喷头。为了克服现有短流道喷头喷 嘴无法更换的缺陷，我们将喷头设计成喷嘴可更换的形式。进口直径 10mm 的喷头还具有 扇形机构和雾化程度调节装置。 对喷头样机的测试结果表明， 其能量转化率达到 96 （表 1） ， 在现行喷灌工程技术规范规定的喷头组合间距条件下，均匀系数（CU）可达到 85。喷头 水力性能指标见表 2。 表 1 新型短流道喷头的能量转化率（进口直径 10mm） 压力（kPa） 流量（m3/h） 能量转化率（） 150 0.400 91 175 0.447 94 200 0.477 94 225 0.528 98 250 0.555 98 275 0.592 99 300 0.625 99 平均 96 表 2 短流道喷头水力性能汇总表 进口直径 10 mm 喷嘴直径 3mm 进口直径 15 mm 喷嘴直径 5mm x 4.5 x 2.6 压力 MPa 流量 m3/h 射程 m 压力 MPa 流量 m3/h 射程 m 0.15 0.400 9.7 0.20 1.558 9.0 0.25 0.555 9.8 0.30 1.941 9.0 2.1.2 园林用升降式喷灌装置园林用升降式喷灌装置 研制出散射升降式喷头（图 1a），并形成了 3 万只/年的生产能力。产品由外壳、升降 杆、复位弹簧、喷口和喷口开度调节器组成。当喷口开度较大时，流量较大，射程较远。该 喷头的特点是压力调节器内置，管网压力在一定范围内波动时，可保持流量和射程恒定；喷 洒角度可根据田块形状调整；配有防盗铰链接头，防止喷头丢失。喷洒直径为 1012m。 涡轮驱动地埋升降式喷头具有射程远、升降平稳、工作可靠等特点，但是结构复杂，加 工难度大，生产工艺要求高。通过攻关，已可以批量生产（图 1b）。产品由外壳、升降杆、 复位弹簧、喷头旋转驱动叶轮、蜗轮蜗杆组和喷嘴组成，喷嘴有 12 种规格，用户可根据需 要选择。在水压力作用下，升降杆上升，水流在流向升降杆上端的喷口时，冲击叶轮旋转， 通过蜗轮蜗杆组调节驱动喷头旋转的速度，并驱动喷头连续旋转，有压水从喷嘴喷出。当水 压消失后，升降杆在复位弹簧的作用下下降至外壳内。常用喷嘴的水力性能指标见表 3。 PDF created with pdfFactory Pro trial version 表 3 涡轮驱动地埋升降式喷头水力性能指标（工作压力 0.35MPa） 1 压力流量关系式 qAhx 嘴径 mm A x 2 最大转动偏差 （） 射程（m） 平均雨强 （mm/h） 启动工作压力 （kPa） 2.0 0.01242 0.6044 1.3 8.5 2.1 50 2.0 0.00907 0.6447 6.7 9.5 1.6 50 3.0 0.03458 0.5696 4.3 11.0 2.8 50 3.0 0.00880 0.6676 6.6 10.0 1.6 50 1. qAhx，其中 q流量，m3/h；h工作压力，kPa； 2. 标准规定，喷头在四个象限内的转动偏差不得大于 12。 2.1.3 节能异形喷嘴喷头节能异形喷嘴喷头 通过研究，提出了了方形、三角形和双矩形 3 种异形喷嘴的设计方法，试制出三种节能 异形喷嘴喷头样机。 2.1.3.1 方形喷嘴方形喷嘴 方形喷嘴的重要设计参数是喷嘴流道的渐变角（图 2）。通过大量试验，发现渐变角为 θ30o 时喷头射程比圆形喷减小最少，最大水滴直径（在射流末端）也较小。与相同流量的 圆形喷嘴喷头相比，方形喷嘴的特点是 PDF created with pdfFactory Pro trial version 保持射流末端水滴直径相近时， 方形喷嘴的工作压力可比圆形喷嘴降低 98kPa 左右， 压 力降低百分数 16.728.6；同样工作压力下，方形喷嘴的末端水滴直径比圆形喷嘴减小 0.730.96mm；同样压力下方形喷嘴的射程为圆形喷嘴的 9598，但方形喷嘴的近喷头 处水量增加，因此满足一定组合均匀系数时，方形喷嘴的组合间距与圆形喷嘴相当，因此采 用方形喷嘴喷头不会增加系统投资。 2.1.3.2 三角形喷嘴三角形喷嘴 三角形喷嘴的重要设计参数是喷嘴流道的渐变角 （θ） 和三角形的高宽比 （H/L） （图 3） 。 通过大量试验，得出三角形喷嘴的设计方法为 θ 对喷头射程、单喷头水量分布和最大水滴直径（在射流末端）的影响明显，以 θ30o 时为最优；三角形的适宜高宽比（H/L）为 1.0 时单喷头水量分布最好。 与相同流量的圆形喷嘴喷头相比，三角形喷嘴的特点是 持射流末端水滴直径相近时， 三角喷嘴的工作压力可比圆形喷嘴降低 98kPa 左右， 压力 降低百分数 16.728.6； 同样压力下方形喷嘴的射程为圆形喷嘴的 90左右， 但方形喷嘴 的近喷头处水量增加，满足一定组合均匀系数时，方形喷嘴的组合间距与圆形喷嘴相当，因 此采用三角形喷嘴喷头不会增加系统投资。 2.1.3.3 双矩形喷嘴双矩形喷嘴 PDF created with pdfFactory Pro trial version 重要设计参数是喷嘴流道的渐变角 （θ） 、 矩形的长宽比 （b/a） 和两矩形之间的距离 （C） （图 4）。通过大量试验，得出双矩形喷嘴的设计原则为 θ 对喷头射程、单喷头水量分布和最大水滴直径（在射流末端）的影响不明显，为了简 化喷嘴结构， 可以取 θ0o；矩形的适宜长宽比 （b/a） 随喷头摇臂结构不同而变化， 对 PY120 喷头来说，b/a 不宜大于 5；两矩形之间的距离（C）对喷头射程和最大水滴直径均有明显影 响，随 C 值的增大而线性减小，但 C 值对喷头转动速度也有明显影响，为了保证喷头正常 转动并获得较远的射程，2a C 以不超过 12 mm 为宜。 与相同流量的圆形喷嘴喷头相比， 保持射流末端水滴直径相近时， 双矩形喷嘴的工作压 力可比圆形喷嘴降低 98kPa 以上，压力降低百分数 30；同样工作压力下，方形喷嘴的末 端水滴直径比圆形喷嘴减小 0.670.97mm；同样压力下方形喷嘴的射程为圆形喷嘴的 9194，但双矩形喷嘴的近喷头处水量明显增加，因此满足一定组合均匀系数时，方形 喷嘴的组合间距与圆形喷嘴相当。 2.1.4 可调仰角及可调雾化程度的多功能喷头可调仰角及可调雾化程度的多功能喷头 根据对国内外喷头的调研结果， 决定在目前国内市场广泛应用的 ZY 系列喷头的基础上 进行改进， 主要改进部件为喷体与空心轴的连接方式。 现有喷头的喷体与空心轴均采用螺纹 直连方式， 设计中将喷体的螺纹改为一可在竖直平面上自由旋转的绞状接头， 实现了喷头仰 角的连续可调；采用新型的喷嘴结构，实现对喷头雾化及射程调节。主要改进包括 （1）在不改变原型喷头结构的同时，采用新型喷头雾化及射程调节器，实现了喷头的雾化 及射程同步调整。 （2）以往常见的喷头调节射程的方式多采用压板式，即在喷嘴出水后利用压板改变射程， 虽简单可行，但没考虑对喷头的水量分布的影响（水量在远端集中），研究中采用的新型调 节喷头射程的方式，不会出现水量集中。 3 为尽量减少对喷灌系统设计的影响，采用新型喷头雾化及射程调节器，喷头的雾化指标 可以大范围内调节，但对射程仅作小范围调节。 PDF created with pdfFactory Pro trial version 2.1.5 非圆形喷洒域喷头非圆形喷洒域喷头 图 5 非圆形喷洒域喷头样机 为了克服圆形喷洒域喷头在不规则地形和喷洒域边界处难以布设的问题或圆形喷洒域 喷头在喷洒域边界处为了避免漏喷而将水喷洒到边界以外造成水的浪费问题研制了非圆形 喷洒域喷头。 该喷头在摇臂式喷头基座上安装凸轮盘， 通过凸轮传动使安装在喷嘴前方的碎 水螺钉随着喷头的转动而上下移动，实现周期性碎水，从而周期性改变喷头射程，喷洒出各 种形状，样机见图 5，样机性能指标列于表 4。 表 4 非圆形喷洒域喷头性能表 测 定 方 位 最 大 射 程 m 平均喷洒强度mm/h） 喷水量（m3/h） 方形程度 0 14.8 8.5 2.75 22 14 8.4 2.58 45 13.3 8.7 2.42 77 13.8 8.3 2.56 90 14.7 8.5 2.73 Rmax*sin45/Rmin 0.78 2.2 新型移动管道及管件新型移动管道及管件 2.2.1 镁基合金移动管道镁基合金移动管道 镁基合金在喷灌行业的应用尚属空白， 但镁基合金优良的性能已在其它行业得到较为广 泛的应用。 镁基合金管材用于喷灌移动管材需要解决的关键问题是防腐处理和加工工艺， 为 此进行了镁基合金材料配方的研制， 已提出了满足喷灌管材要求的两种镁基合金配方， 一种 为管件铸造用合金，已试制出快速接头、方便体 2 个品种；另一种配方为管材挤压用合金， 目前已完成配方研制、生产和防腐工艺，生产出 Ф50、Ф65 和 Ф76mm 三种规格的镁基合金 喷灌移动管道。国家质量技术检测部门的测试结果表明，镁基合金管道的比重为 1.78t/m3， 仅为铝合金管道（2.71t/m3）的 66，管道单位长度重量大幅度降低；经防腐涂层的镁基合 金管道在 20NaOH 强碱溶液中腐蚀 2h 后几乎没有腐蚀发生，而铝合金管道的腐蚀量达 10.6；在 20H2SO4 强酸溶液中镁基合金管道和铝合金管道均没有发生腐蚀现象。物理力 学性能测试结果表明，在施加 6.0MPa 压力时，三种规格的镁基合金管道均无损坏和渗漏； PDF created with pdfFactory Pro trial version 镁基合金管道的屈服强度、 抗拉强度和延伸率等均优于同规格的铝合金管道或与同规格的铝 合金管道相当（表 5）。 表 5 镁基合金管道物理力学性能 镁基合金管道 铝合金管道 拉伸试验 拉伸试验 1规 格 2 爆破试 验 屈 服 强 度MPa 抗 拉 强 度MPa 延 伸 率 3 压扁试 验 爆 破 试 验 屈 服 强 度MPa 抗 拉 强 度MPa 延伸率 压扁试 验 Ф50 合格 260 400 9.4 合格 合格 240 290 9.0 合格 Ф65 合格 240 370 9.6 合格 合格 245 290 8.9 合格 Ф76 合格 250 390 9.4 合格 合格 240 290 9.3 合格 1. 管壁厚度均为 1.4mm 2. 爆破试验施加压力为 6.0MPa 3. 压扁试验的压扁高度为直径的 1/2 2.3.2 系列化管件系列化管件 开发了喷灌管道防脱钩快装接头、球形双挂钩管道快速接头、内衬 PVC 的复合管件、 喷灌管道保护阀、 有压密封无压自泄密封圈等通用管件和保护设施， 并形成了一定的生产能 力。 3．取得的主要成果．取得的主要成果 自课题实施以来，研发出 5 种新型喷头（8 个产品），1 种新型移动管道（2 种规格） 和 5 种系列化管件，已形成 5 万只喷头和 5 万套管件的年生产能力，申报专利 11 项，其中 发明专利 3 项，实用新型专利 8 项，目前 7 项实用新型专利和 1 项发明专利已获得授权，其 余 2 项发明专利均已进入实质性审查阶段（表 6）。 表 6 课题获得专利情况表 序号 专利类型 授权号 名称 1 发明 021581851 摇臂式喷头的耐久性能试验机 *2 发明 200310114412.X 球形双挂宽钩管道快速接头 *3 发明 200310114413.4 有压密封无压自泄密封圈 4 实用新型 ZL 03216118.2 喷灌管道保护阀 5 实用新型 ZL 03216117.4 喷灌管道防脱钩快装接头 6 实用新型 ZL 03206676.7 节能型双矩形喷嘴 7 实用新型 ZL 03206675.9 流道渐变式节能型方形喷嘴 8 实用新型 ZL 03206690.2 流道渐变式节能型三角形喷嘴 9 实用新型 ZL 03245749.9 一种喷灌用复合管件 10 实用新型 ZL 03218590.1 非圆形喷洒域的摇臂式喷头 PDF created with pdfFactory Pro trial version *11 实用新型 200320113269.8 灌溉所 *申请号 4．结束语．结束语 喷灌设备的研制涉及水利、机械、材料等专业，并且与工艺水平等密切相关，虽然国家 “十五”科技重大专项“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 题取得了一定进展，但与国外知名企业的产品相比，仍存在一定差距，需要进一步攻关。同 时，由于受到国家经济发展水平、节水农业发展规模的限制，目前从事节水灌溉设备生产的 企业多以中小企业为主， 这在一定程度上影响了节水灌溉设备制造水平的迅速提高， 希望国 家加大对节水灌溉设备研制和产业化的支持力度， 以便使我国的节水灌溉设备更多地进入国 际市场。 PDF created with pdfFactory Pro trial version