輕小型移動式噴滴灌兩用機組研發及關鍵部件選型分析

胡 斌

(江蘇大學京江學院，江蘇 鎮江 212013)

國內現有灌溉系統中，固定管道式灌溉系統，設備利用率低，單位面積投資高；半固定和移動管道式灌溉系統，設備利用率雖高，但農戶勞動強度大，噴灌規模小；輕小型移動式灌溉機組由于其結構特點適應于我國當前地塊小，農戶分散，種植作物多樣的土地經營特點，因而在我國廣泛應用。但其功能單一，固定的管道布置方式使其的適用范圍同樣受到限制[1-3]。

同時，噴灌技術和滴灌技術雖是我國現階段節水灌溉的主要形式，但噴灌系統投資大，運行費用高，管理水平要求高等缺點仍然存在；滴灌灌水器易堵塞問題仍是滴灌發展面臨的難題[4-6]。

因此，本文設計研發一種新型輕小型移動式噴滴灌兩用機組，滿足噴灌、滴灌輪流使用與混用灌溉目的，并可實現4種運行模式。與現有兩用機組相比，機組具有結構緊湊，移動方便，適應性強等優點。

1 輕小型移動式噴滴灌兩用機組

1.1 機組結構

輕小型移動式噴滴灌兩用機組，包括首部移動式噴滴灌車，噴灌系統和滴灌系統。移動式噴滴灌車的具體結構如圖1所示。移動式噴滴灌車包括小推車，噴滴灌雙工況泵和柴油機，噴灌閥門，壓力表，滴灌閥門，壓力表，過濾器，壓力表，真空表，施肥桶和施肥閥門構成。其特征在于，小推車的一端固定裝有噴滴灌雙工況泵，泵的一側配有柴油機，柴油機與泵為軸承連接，為泵的運轉提供動力。在雙工況泵的進水管上側面安裝吸肥管，通過施肥閥門，經軟管連入施肥桶，施肥桶設在小車外部，置于地面上，減少小車的體積和重量。施肥閥門用來控制施肥的流量。進水管上安裝真空表，用以測量真空度。雙工況泵出水管處經管道分支連接滴灌通路及噴灌通路。滴灌通路上接有滴灌閥門、壓力表及過濾設備，噴灌通路上同樣接有噴灌閥門及壓力表。移動式噴滴灌車上各部件的連接采用鋼管連接。

1-小推車；2-噴滴灌雙工況泵和柴油機；3-噴灌閥門； 4-壓力表；5-滴灌閥門；6-壓力表；7-過濾器；8-壓力表；9-真空表；10-施肥桶；11-施肥閥門圖1 移動式噴滴灌車結構簡圖

噴灌系統的管道布置如圖2所示。噴灌系統的移動支管與移動式噴滴灌車的噴灌通路采用快速接頭連接，移動支管端部接壓力表，在移動支管上連接若干噴頭，噴頭與移動支管的連接需經過豎管、三通接頭及三腳支架，移動支管的尾端連接堵頭。

12-移動支管；13-壓力表；14-20PY噴頭；15-豎管；16-三通接頭；17-三角支架；18-堵頭圖2 噴灌系統管道布置示意圖

滴灌系統的管道布置如圖3所示。滴灌系統的滴灌支管與移動式噴滴灌車的滴灌通路采用快速接頭連接，滴灌支管端部接壓力表，在滴灌支管的末端上連接三通接頭，通過三通接頭安裝均布出水接口的滴灌輔管，分別在滴灌輔管的出水接口上連接滴灌帶，滴灌帶上均勻分布滴頭。

1.2 工作方式

當機組實現噴灌系統運行時，雙工況泵進水管伸入河道或溝渠，機組動力由柴油機提供，關閉控制施肥桶的閥門，開啟噴灌通路的噴灌閥門，關閉滴灌通路的滴灌閥門，通過快速接頭連接噴灌支管，參照圖2所示，配置的移動支管隨噴灌面積決定。

當機組需要實施滴灌作業時，開啟施肥閥門，采用“負壓吸入法”施肥，利用水泵進水管處的負壓，在進水管上側面安裝吸肥管，接上施肥閥門、軟管，軟管進水口配上過濾網罩，后放入施肥桶內進行施肥，使肥料在雙工況泵吸入口的負壓下融入灌溉用水中。關閉噴灌通路的噴灌閥門，開啟滴灌通路的滴灌閥門，使灌溉用水流經過濾器進行過濾，過濾器選擇自動反沖洗式過濾器，可循環工作。經過濾器后，經快速接頭連接滴灌支管，如圖3所示，后經輔管連接滴灌帶，即可實現滴灌作業。

19-滴灌支管；20-壓力表；21-三通接頭；22-滴灌輔管；23-滴灌帶；24-滴頭圖3 滴灌系統管道布置示意圖

1.3 機組適用情況

通過分析噴、滴灌技術相關特點，噴滴灌兩用機組的結構形式及工作特性，其主要適用于以下幾種情況：①實現作物的輪作和倒茬，改善土壤質量，節能增產；②實現作物的間作混作；③實現系統的分區分壓，在低壓灌區選用滴灌，在高壓灌區噴灌運行。

1.4 機組運行模式

輕小型移動式噴滴灌兩用機組采用多用途、多目標的系統組合模式，實現噴灌、滴灌輪用及混用灌溉目的，解決作物輪作、間作或混作所需的噴、滴灌要求，滿足不同灌溉條件地區和經濟條件的選擇。共可實現以下4種運行模式：①季節性固定：經濟條件好、灌水次數多的用戶；②首部移動：經濟條件較好、灌水次數較多的用戶；③首部、噴頭移動：經濟條件一般、灌水次數較少的用戶；④首部、噴頭、管道全移動：經濟條件差、灌水次數少的用戶。

2 關鍵部件選型

2.1 雙工況泵

在灌溉系統中，自吸泵作為一種重要的輸水部件有著十分關鍵的作用。在噴滴灌兩用機組中，自吸泵同時應用于噴灌系統和滴灌系統中，對泵的性能有著更高的要求，需滿足2種不同運行工況下泵的高效率運行[7]。為實現機組的優化配置和節能降耗，雙工況泵的選型就顯得更為重要。

泵的運行工況為水泵的流量-揚程特性曲線與管路特性曲線的交點。當水泵選型確定后，其流量-揚程曲線可知，而管路特性曲線則需要通過水力計算。當對同一面積地塊進行灌溉時，經水力計算可知，噴灌系統和滴灌系統管路特性曲線有所不同，主要表現為：當采用噴灌系統進行灌溉時，所需揚程較高，當采用滴灌系統進行灌溉時，所需揚程較低，而流量相差不大。

因此，在進行雙工況泵的選型時，需選擇在泵的最高效率點附近具有陡峭的流量-揚程曲線的自吸泵，使噴、滴灌工況各自的運行工況點均盡可能靠近泵的最高效率點，機組在2個工況下均在較高效率下運行。噴灌系統運行時，噴灌工況點位于最高效率點的左側且盡量接近最高效率點。當滴灌系統運行時，工況點位于最高效率點的右側且盡量接近最高效率點。

2.2 噴 頭

在噴灌系統中，不管是從運行作用還是從技術功能而言，噴頭均為保障噴灌系統高質量運行的主要設備，且噴頭的水力特性在一定程度上反映了噴灌的整體效果[8]。目前，搖臂式噴頭得到最為廣泛的應用[9]。在噴頭的選型過程中，主要依照噴頭的水力性能參數進行優選。噴頭的水力性能參數主要包括工作壓力、工作壓力、射程，以及噴灌強度、噴灌均勻系數、霧化指標等[10]。

因噴灌管路采用“一”字形布置，當灌溉地塊面積確定時，可根據灌溉面積初選合適射程、流量及壓力的常用的搖臂式噴頭型號并確定噴頭使用個數。噴頭間的連接采用管道連接。在輕小型移動式機組中，涂塑軟管因其耐酸腐、質地強、抗腐蝕、柔韌性好、使用壽命長等優點而被廣泛應用。涂塑軟管的管徑采用經濟流速法確定。

初選噴頭型號及管道管徑確定后，通過計算可得噴灌系統管路特性曲線，結合雙工況泵的選型原則，其與泵流量-揚程曲線的交點應接近泵的最高效率點并位于左側。此點可以用于校核泵及噴頭的初選是否合理，如不滿足，需重新選擇合適的泵及噴頭的型號，直到滿足為止。

為實現機組的優化配置，泵的選型主要先滿足噴灌系統最高效率點運行，后經調壓滿足滴灌系統的雙工況運行。

2.3 滴灌帶

在滴灌系統設計中，如何正確選擇灌水器同樣是一個重要的問題[11]。灌水器一般需滿足流量小、水流平穩、抗堵塞性能強、安裝方便、構造簡單及價格低廉等要求[12]。

根據灌水器的消能原理，可將其分為孔口式、渦流式、長流道式、壓力補償式和滴灌帶(管)式等幾種不同形式[13]。其中，滴灌帶(管)因其管壁薄、用料較少、成本低、生產效率高、鋪設簡單等優點得到最為廣泛的應用。

滴灌系統的設計建議采用內鑲式滴灌帶，該種滴灌帶內壁平整且價格合理，外形簡潔美觀且易于安裝；又因孔口有過濾窗，抗堵塞性能好；紊流形流道設計起到壓力補償作用。

滴灌帶的選型及布置則較為簡單。只需依據噴灌系統的選型布置方式，確定滴灌系統的選型及布置方式。滴灌系統和噴灌系統共用一套泵機組和部分主管道，且泵的選型及管道管徑已確定，只需確保滴灌運行時的工況點位于泵的最高效率點的右側即可。合理根據工作水頭和流量選擇滴灌帶型號并確定其布置長度和毛管間距。

3 舉 例

假設灌溉地塊面積約為3 hm2左右，首先選用常用的搖臂式噴頭型號15PY2噴頭，其具體參數見表1。每條噴灌支管配有7個噴頭，橫向跨距為105 m，分18區進行噴灌，縱向跨距為270 m，灌溉面積為2.84 hm2。按經濟流速法確定干管管徑為65 mm，豎管管徑為20 mm，豎管高度為1.5 m。采用退步法進行計算，可得噴灌系統管路特性曲線[14]。

表1 噴頭參數

據經驗，選擇揚程與噴頭工作壓力25 m相近的自吸泵50ZB-25C。泵的具體參數見表2。該泵具有較陡的流量-揚程曲線且效率較高。

表2 50ZB-25C性能參數

其次，校驗噴灌工況點是否滿足位于泵最高效率點左側且盡可能接近最高效率點，噴灌系統的管路特性曲線與泵的流量-揚程曲線的交點見圖4。由圖4可知，工況點滿足要求。泵和噴頭的初選型和配置合理。

圖4 噴灌工況點確定

最后，確定滴灌系統的選型及布置方式。選用常用的內鑲式滴灌帶的具體參數見表3。為滿足同樣的灌溉面積，毛管的鋪設長度為52.5 m，每條支管上配有34條毛管。

表3 內鑲式滴灌帶參數

同樣采用退步法進行水力計算，后與泵流量-揚程曲線交點確定滴灌工況點，滴灌工況點如圖5所示。

圖5 滴灌工況點確定

由圖5可知，滴灌工況點同樣滿足要求。滴灌帶的選型和配置合理。

值得注意的是，為保障機組的穩定運行，噴灌系統和滴灌系統的水力計算結果必須滿足相關規范的約束要求。噴灌系統的約束條件主要為噴頭最小工作壓力約束和噴頭相對壓力極差約束[15]。滴灌系統一般采用流量偏差率或工作水頭偏差率指標進行工程設計[16]。

4 結 語

(1)本文設計研發一種新型輕小型移動式噴滴灌兩用機組并介紹其具體工作方式，該機組與現有兩用機組相比具有結構緊湊，移動方便，適應性強等優點。

(2)重點介紹機組中雙工況泵、噴頭及滴灌帶等關鍵部件的選型，并舉實例驗證選型的可操作性，為機組的廣泛應用提供基本。

該機組能更好地滿足市場變化的需求并促進農業發展，有利于提高我國的農業技術水平，是一種值得廣泛應用的灌溉模式。