水力直擊自旋型地埋式自升降噴頭

謝崇寶，張國華，魯少華，盧文娟，陳 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.揚州大學，江蘇 揚州 225000；5.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

噴灌技術是一種農田高效節水灌溉技術，能夠使水噴灑均勻且能夠減輕勞動強度，在當今農事作業中具有廣泛的應用[1-3]。噴頭裝置作為其中的關鍵設備，在提高噴灌效率方面具有舉足輕重的作用。為了避免影響田間的正常耕作或收割等農事作業，近年來出現了一些可埋于地下的噴頭裝置[4]。

現有埋地旋轉噴頭，包括殼體結構、齒輪傳動結構、出水結構以及調節機構，齒輪傳動結構、出水結構以及調節機構從低到高依次設置在殼體結構的內部，殼體結構的底部設有進水口，頂部則設有使其他部件能夠伸出的開口，殼體結構還設有使伸出的部件能夠還原的彈性裝置，齒輪傳動結構在通過進水口進入的水流作用下旋轉，并驅動出水結構隨之旋轉。若直接將該類噴頭用于農業灌溉，其齒輪傳動結構仍然容易被水中的泥沙或者其他雜質堵塞；而且其構造復雜，裝配工序多，無法有效保證裝配的一致性和可靠性，影響噴頭的噴水效果[5]及旋轉功能。

為解決現有技術的問題，亟須研制一種能夠直接埋入土中、不易堵塞且裝配工序少、噴水效果好的噴頭。

2 設計方案

2.1 結構設計

本文研發的水力直擊自旋型地埋式自升降噴頭，包括外管，內管，彈性件，自旋式出水機構，空心錐體，如圖1所示。

如圖1所示，空心錐體設置在外管的上端外部，且與外管密封接觸，空心錐體的頂部設置有出水口；外管包括自下而上順次密封連接的第一管體和第二管體，第一管體的上端和下端分別設置有第一擋板和第二擋板；內管設置在外管內部，并可沿外管軸向運動，內管的上端設置有與第一擋板阻擋配合，且位于第一擋板上方的第三擋板，內管的下端設置有與第一擋板和第二擋板阻擋配合，且位于第一擋板和第二擋板之間的第四擋板；彈性件套裝在內管外部，且位于第一擋板和第四擋板之間；自旋式出水機構的兩端分別與內管和空心錐體密封連接，自旋式出水機構包括配水管以及設置在配水管上的遠射程噴嘴、近射程噴嘴、射流孔和偏流板，偏流板與射流孔對應設置，近射程噴嘴設置在配水管上偏流板背向射流孔的一側。

1-外管；11-第一管體；111-第一擋板；112-第二擋板；12-第二管體；2-內管；21-第三擋板；22-第四擋板；3-彈性件；4-自旋式出水機構，41-配水管；42-遠射程噴嘴；43-近射程噴嘴；44-射流孔；45-偏流板；451-第一子偏流板；452-第二子偏流板；46-空心安裝臺；47-連接件；5-空心錐體；51-出水口圖1 水力直擊自旋型地埋式自升降噴頭結構示意圖

其中，第一擋板、第二擋板、第三擋板、第四擋板均為圓環形擋板，且第一擋板和第二擋板的小半徑均小于第三擋板和第四擋板的大半徑；內管的管半徑小于第一擋板的小半徑；彈性件的下端固定在第四擋板的板體上，彈性件為壓縮式彈簧；自旋式出水機構還包括設置在配水管下端，且與配水管密封連接的空心安裝臺，自旋式出水機構還包括連接件，用于連接空心錐體和空心安裝臺，遠射程噴嘴設置在配水管的上端，且遠射程噴嘴的軸線方向與水平方向呈正20°～40°，射流孔設置在配水管的下部，且射流孔的軸線方向與水平方向呈負20°～40°，射流孔與遠射程噴嘴位于配水管的同一側部，偏流板包括第一子偏流板和第二子偏流板，第一子偏流板與射流孔的軸線平行，第二子偏流板與第一子偏流板的夾角為120°～140°。

2.2 技術特點

結構簡單，不易堵塞。直接使用水力擊打偏向側板推動噴頭旋轉，而且偏向側板位于噴頭流道的外面，可很好避免各類潛在的內部堵塞。噴灌均勻性高。3個噴水口設計成不同流道，分別噴灑控制半徑內不同區域的作物，保證灌水的均勻性。不影響耕作。可直接埋入耕作層以下，不影響耕作，是地埋式可升降齒輪驅動噴頭的升級產品，適合不同的使用環境。同等條件下，同樣直徑的噴頭，自旋噴頭射程較遠，節約公頃平均投資。

齒輪驅動噴頭轉動均勻，但極易堵塞，適合水質好的園林綠化中使用。驅動噴頭轉速隨壓力盒的隨機運動而變化，但一定時間內，各點的噴水量是均勻的，具有一定的抗堵塞功能。水力直擊自旋型地埋式自升降噴頭轉速隨壓力而變，減少了中間環節，大大增強了系統的抗堵塞功能；設計的不同射程的噴嘴提高了噴灑的均勻性。

3 工作原理

水力直擊自旋型地埋式自升降噴頭，包括外管、內管、彈性件、自旋式出水機構，以及空心錐體，通過在水流作用下，使得彈性件推拉內管、自旋式出水機構和空心錐體能夠沿外管進行軸向運動，實現在非灌溉狀態時噴頭可埋于地面以下，而灌溉狀態時鉆頭自升至地表以上。由于自旋式出水機構包括設置在配水管上的遠射程噴嘴、近射程噴嘴、射流孔和偏流板，通過使偏流板與射流孔對應設置，近射程噴嘴設置在配水管上偏流板背向射流孔的一側，能夠使有壓水流擊打偏流板形成偏心力，驅動該出水機構旋轉動，而從近射程噴嘴噴出的水流所形成的反作用力則進一步促使該出水機構旋轉，從而實現了該噴頭邊旋轉邊噴射的功能，并避免了采用齒輪等旋轉驅動機構導致的堵塞問題，有效提高噴灌的均勻性及噴灌效率。

當水力直擊自旋型地埋式自升降噴頭處于地下且為非灌溉狀態時，由于空心錐體與外管密封接觸，將保證該噴頭外部的土壤或者其他雜質進行噴頭內部，保證該噴頭的使用壽命。

由圖1(a)可知，當噴頭仍在地表以下時，由于土壤的阻礙作用，空心錐體與外管仍然密封接觸，外部土壤或雜質仍然無法進入噴頭內部。且彈性件也處于松弛狀態。此時，與外管下端相連接的輸水管道將水輸送至噴頭裝置內，該水流將進入內管，隨后進入遠射程噴嘴、近射程噴嘴和射流孔中并由此噴出，但是由此而來的水流受外管內壁的阻擋將無法射出，在此情況下，水流將進入空心錐體內，并由其上的出水口噴出。由于從出水口噴出的水流的流速很大，其具有切割上部土壤的能力。待位于噴頭上部的土壤被水流切割擠壓帶走后，噴頭將在水壓的作用下向上運動。

由圖1(b)可知，當噴頭運動至地表時，空心錐體將不再受土壤的阻擋。此時，在水流作用下，空心錐體連同自旋式出水機構和內管沿外管逐漸上升，待空心錐體與外管逐漸分離，直至內管下端的第四擋板與外管上端的第一擋板阻擋配合時停止上升。此時，彈性件處于壓縮狀態，遠射程噴嘴、近射程噴嘴和射流孔均處于外管外，并完全暴露于地表之上，此時，水流將分別從遠射程噴嘴、近射程噴嘴和射流孔射出。當有壓水流通過射流孔后將打擊偏流板形成偏心力，驅動自旋式出水機構旋轉，而從近射程噴嘴噴出的水流所形成的反作用力也能夠作為驅動自旋式出水機構進行旋轉的偏心力，從而使該出水機構具有了邊旋轉邊噴灌的功能。

灌溉結束后，停止給噴頭供水，此時處于壓縮狀態的彈性件將使空心錐體與外管重新密封接觸，直至該彈性件恢復至松弛狀態。由于灌溉時該噴頭上升形成的土壤通道，使得借助較小的外力作用即可將噴頭壓回土壤耕作層以下，而空心錐體與外管的密封接觸保證了外部土壤和雜物無法進入噴頭內部，從而起到保護噴頭內各部件的作用，避免了雜物堵塞噴頭。

由上述工作過程可知，本噴頭在非灌溉狀態時可埋于地面以下，而灌溉狀態時可自升至地表以上，同時，本噴頭具有邊旋轉邊噴射的功能，避免了采用齒輪等旋轉驅動機構而導致的堵塞問題，能夠有效提高噴灌的均勻性及噴灌效率。

4 技術規格及設備安裝

本設備技術規格：遠射程噴嘴直徑6 mm，近射程噴嘴直徑3 mm；射程5～15 m；遠射程噴嘴流量1～2 m3/h，近射程噴嘴流量0.5～1.0 m3/h。本設備外管下端設計為螺紋，可與取水管直接連接，十分方便(見圖2)。

圖2 水力直擊自旋型地埋式自升降噴頭產品

經檢測，本裝置達到了國家標準GB/T22999的要求。其中，密封性能：噴頭流量0.41～0.66 m3/h，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：常溫條件下，噴頭保持2倍的最大工作壓力，噴頭及其零部件能承受試驗壓力而不損壞，噴體及其連接部位不出現泄漏，并且噴頭不與連接件脫開；噴頭流量：在規定試驗壓力下噴頭流量的變化量不大于±5%；組合均勻度：噴頭間距14 m正方形布置，噴頭組合均勻度不低于0.75；旋轉速度均勻性：噴頭轉動每1/4轉所需的平均時間，相對于平均值的極限偏差，不超過±12%。

圖3為實際應用現場。目前已進行了示范應用，取得了較好的效果。

5 結 語

水力直擊自旋型地埋式自升降噴頭已取得國家授權專利，它有效避免了采用齒輪等旋轉驅動機構而導致的堵塞問題，設計遠射程和近射程2個噴嘴，有效提高噴灌的均勻性及噴灌效率。本設備不僅可以安裝在地表以上，也可以安裝在地表以下。當其安裝在地表以下時，在土壤中向上運動時將具有鉆土功能，而暴露在地表后，則實現噴灌功能?？梢?，當將噴頭安裝在地表以下，尤其是土壤耕作層以下時，利于田間的正常耕作，且當灌溉結束時，無需對地上噴灌設施進行拆卸，利于節省勞動力。

圖3 實際應用

[1] 水利部農村水利司，中國灌溉排水發展中心. 噴灌工程技術[M]. 鄭州：黃河水利出版社，2012.

[2] 姚 彬,王一球. 節水灌溉工程建設中存在問題的探討[J]. 節水灌溉,2008,(7)：53-54.

[3] 李彩鳳,陳建中. 我國噴灌的發展概況和應重視的問題[J]. 水利科技與經濟,2008,(2):159-160.

[4] 李仰斌,謝崇寶,張國華,等. 地埋式自動升降型一體化噴灌設備研發[J]. 節水灌溉,2014,(7):75-78,82.

[5] 徐 敏,李 紅,陳 超,等.提高噴灌均勻性的噴頭結構改進措施[J]. 節水灌溉,2013,(2)：44-47.