地埋式自升起多噴嘴高均勻度噴頭研發

謝崇寶，張國華，魯少華，盧文娟，謝瑞環

(1.中國灌溉排水發展中心，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，南京 210098；4.中灌潤茵(北京)節水灌溉設備有限責任公司，北京 101302)

1 研發目的

現有園林噴灌技術中采用埋藏式噴頭裝置，一般由噴頭和保護裝置組成，噴頭設置在保護裝置內，保護裝置一般不低于地表，噴頭與土壤不直接接觸。但是，保護裝置無法整體設置在地下，有部分裸露在地表上，導致植物修剪、農田耕作和農作物收割時，機械化作業十分不便。為解決上述問題，可直接地埋的噴灌裝置應運而生，該噴頭能夠直接埋設于耕作層以下，噴頭與土壤直接接觸。前述的地埋式噴頭設有遠近2個不同射程的噴嘴，一般情況下能夠達到規定的設計均勻度。但為進一步提高這類噴頭的均勻度和抗堵塞性能，擴大噴頭布設間距，減少單位投資，滿足水肥一體化灌溉需求，亟須研制一種噴灑均勻度高、抗堵塞性能更好、具有多噴嘴的可地埋的噴水裝置。

2 設計方案

2.1 結構設計

本文研發的地埋式自升起多噴嘴高均勻度噴頭在借鑒前述地埋式噴頭研究成果的基礎上，通過創新研發多噴嘴出水實現高均勻度功能，整體結構如圖1所示。主要包括地埋機構，進水管、連接管、導流管、噴水管、自旋組件等部分組成。

注：1-地埋機構；11-外管；12-內管；13-下連接頭；131-進水口；2-噴灌機構；21-進水管；22-連接管；221-下管體；222-上管體；23-導流管；231-下連接段；232-上豎直段；233-上傾斜段；24-噴水管；241-柱形管；242-錐形管；2421-大徑斜噴口；2422-小徑直噴口；25-自旋組件；251-導向板；252-導向柱；253-球體；254-空心轉桿；255-傳動板；256-導向孔；25-7環形擋板；26-過濾組件圖1 地埋式自升起多噴嘴高均勻度噴頭結構圖

如圖1所示，地埋機構包括外管、內管、下連接頭，下連接頭上設置有進水口；下連接頭與外管的下管口連接，同時進水口、內管、進水管順次連通。在內管的下管口外周緣上設置有一圈第一環形擋板，第一環形擋板與外管的內壁可滑動地密封接觸；外管的上管口內周緣上設置有一圈第二環形擋板，當內管向上運動至預定位置時，第一環形擋板與第二環形擋板相抵接觸；進水管的下管口與內管的上管口可拆卸連接，噴灌機構和內管可軸向滑動地套設在外管內。

連接管由同心不同徑的下管體和上管體構成，下管體的內徑大于上管體的內徑。導流管包括下連接段、分別與下連接段頂部相連通的上豎直段和上傾斜段，上傾斜段的內徑為上豎直段的內徑的1.5～3 倍。連接管與進水管可拆卸連接，同時進水管、連接管、導流管的管腔順次連通。

噴水管包括同軸連接的柱形管和錐形管。柱形管可轉動地放置在連接管的頂部，套設在導流管的下連接段上，導流管的上豎直段和上傾斜段均位于噴水管的錐形管內。上豎直段的管口與錐形管的錐頂相對，并位于小徑直噴口下方，上傾斜段的管口連接大徑斜噴口。錐形管的側壁下方設置有大徑斜噴口，錐形管的側壁上方設置有4個小徑直噴口，4個小徑直噴口繞錐形管的錐頂圓周排布，并且4個小徑直噴口的曲率不同。

自旋組件設置在進水管內，用于產生水力自旋，進而使噴水管旋轉。自旋組件包括導向板、導向柱、球體、空心轉桿、傳動板；導向板上設置有繞圓周方向排布的多個導向孔，導向孔用于對水流施加偏心推動力，使水流旋轉上升；導向板套裝在進水管內，以將進水管的管腔分為上進水腔和下進水腔，并且上進水腔和下進水腔通過導向孔相連通；導向柱豎直固定在導向板的上板面中心位置處，球體放置在上進水腔內；空心轉桿的上部與導流管的下連接段可拆卸連接并導通，傳動板設置在空心轉桿的下端，并位于連接管內。自旋組件還包括環形擋板，環形擋板套接在空心轉桿下端外壁上，傳動板固定在環形擋板的底板面上；空心轉桿的下部位于上管體內，環形擋板和傳動板均位于下管體內。

噴灌機構還包括過濾組件與噴嘴組件。噴嘴組件可拆卸地設置在大徑斜噴口內部，根據不同的噴灌需求，例如霧化度、射程等，可以選用不同規格的噴嘴組件，如此將有效提高該旋轉噴頭的適應性。過濾組件放置在進水管的下進水腔內，以對來自地下供水管道的灌溉水進行過濾，防止其堵塞該旋轉噴頭，可以選用多種類型的過濾組件，例如過濾網、過濾環等。

2.2 技術特點

根據前述結構設計，地埋式自升起多噴嘴高均勻度噴頭具有明顯的優點：一是采用鋼珠擊打驅動方式，避免了水中雜質可能對噴頭轉動造成的影響；二是設計采用1個大徑斜噴口和4個曲率不同的小徑直噴口，這些不同孔徑帶有特殊設計流道的噴水口，能夠各有側重關注噴頭射程的前中后三段的噴灑，提高了噴頭的噴灑均勻度；三是進一步簡化了現有地埋式噴頭的內部結構，提高了噴頭的抗堵塞性。

3 工作原理及工作流程

在非灌溉狀態時，該旋轉噴頭埋于耕作層以下的土壤中，同時該地埋機構中的內管和噴灌機構均位于外管內，并且該地埋機構中的下連接頭與地下供水管道相連通。

在進行灌溉作業時，有壓灌溉水由地下供水管道依次進入進水管、連接管、導流管的管腔。而導流管內的灌溉水通過下連接段后將分成兩路，一路射入大徑的上傾斜段中，并由設置在噴水管側壁下方的大徑斜噴口噴射出來；而另一路射入小徑的上豎直段內，并由設置在噴水管側壁上方的多個小徑直噴口噴射出來。由于大徑斜噴口內的流道傾斜設置，并且其位于噴水管側壁下方，如此能夠獲得較大的射程。由于多個小徑直噴口繞錐形管的錐頂圓周排布，其射程小于大徑斜噴口的射程，同時能夠保證噴灌的均勻度。與此同時，由于自旋組件設置在進水管內，其將產生水力自旋，自旋的水流將帶動噴水管的柱形管繞著連接管的頂部自旋，進而帶動大徑斜噴口和小徑直噴口一同轉動，如此將進一步提高噴灌的組合均勻度(由0.75提高到0.85)。

4 產品及技術性能指標

根據前述產品結構設計，結合實際生產工藝，批量生產出可以實際應用的產品，如圖2所示。

圖2 地埋式自升起多噴嘴高均勻度噴頭

經檢測，本裝置達到了國家標準GB/T22999-2008的要求，其中噴頭密封性：噴頭泄漏量不大于試驗壓力(0.5 MPa)下出水栓流量的2%；耐壓性能：在2倍最大工作壓力下保持1 h，噴頭及其零部件不損壞，不出現泄漏；有效噴灑直徑：有效噴灑直徑偏差不大于±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的規定；有效噴灑半徑：0.4 MPa工作壓力下，射程15.6 m;噴灑均勻度：噴頭間距14 m正方形布置，噴頭組合均勻度均不低于0.8；轉動穩定性：在整個工作壓力范圍內，噴頭能始終正常工作；啟動壓力：0.25～0.5 MPa。

5 結 語

地埋式自升起多噴嘴高均勻度噴頭已取得國家授權專利，在解決傳統設備不能地埋的同時，成功解決了目前同類地埋式噴頭難以達到的高均勻噴灑、高強抗堵塞性能及較大噴灑射程的技術問題，市場前景應用廣闊。

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