新型農田水利高效灌溉方法研究

謝超，吳鈺，蘇學昌，孫愷

（1.江蘇省水利工程科技咨詢股份有限公司，江蘇 南京 210029；2.江蘇省東臺市堤東灌區管理處，江蘇鹽城 224200）

農業是立國之本，強國之基，而水是農作物生長不可或缺的資源，采用先進的灌溉設備可節約水資源，優化澆灌效率，提高農業用水效益。因此，灌溉采用合適的設備尤為重要。由于小范圍移動灌溉靈活度高于高架式灌溉，目前有不少學者就小范圍灌溉設備開展研究。

1 小范圍灌溉設備研究進展

在中國農業發展進程中，灌溉設備在雨水稀缺地區扮演著關鍵角色，因此深入研究高效的灌溉設備對我國農業的持續發展至關重要，學術界對小型灌溉設備進行了廣泛研究。總的來說，目前具有的小范圍灌溉設備沒有充分利用水的動能，且需要多次移動設備，灌溉效率相對較低。

隨著水資源問題的不斷加劇，提高用水效率成為構建節水型社會的根本要求[3]。為解決這一問題，本文通過改進常規灌溉設備的管道展開裝置，充分利用水的動能帶動設備移動展開管道進行澆灌，單路灌溉結束后無需退回設備再轉向，收回管道移動農機即可換路噴灌，從而提高灌溉效率。

2 移動式農田水利高效灌溉設備及使用方法

2.1 灌溉設備

本文提出的移動式農田水利高效灌溉設備的結構示意圖如圖1 所示。該設備主要包括機座、水動噴射機、收管器、小車、噴灑管、第一液壓桿、托盤以及加固桿。設計的具體要點包括第一液壓桿的一對設置，其上端均穩固連接于機座，下端與托盤緊固連接；收管器通過與機座、托盤連接從而完成固定，其上部安裝在機座上，采用滑動安裝的方式便于裝卸操作，其下端牢固連接于托盤；收管器與水洞噴射機之間的管道承擔了兩者的連接作用，水動噴射機外部配備小車，小車則設有一對結構；噴灑管采用可靠、牢固的方式安裝在小車的上端，并通過管道連接水動噴射機，同時經由管道與收管器的運作產生聯系。小車運作時其機座對其性能穩定性有較大影響，為提升小車的穩定性使其適應復雜地形，在機座的上部內角處固定連接成對設置的加固桿以提升該部分的穩定性。

這一設備結構的創新性在于通過精心設計的布局和巧妙的連接方式，實現了各組件之間的高效協同作業，從而顯著提高了整體的穩定性和性能。圖1的示意圖清晰地呈現了各部件之間的相互關系，為該移動式農田水利灌溉設備的設計與實施提供了參考。

圖2 展示了移動式農田水利高效灌溉設備中水動噴射機的切分結構示意圖。水動噴射機通過關鍵組成部分保證其高效、平穩運行，該部分主要由導水殼、噴嘴、渦輪、轉桿和齒輪等組成，其中與小車連接的齒輪主要實現傳動功能。當水源通向收管器時，水通過導水殼流經渦輪，隨后通過噴嘴向小車外部途經的農田進行噴射，進而完成灌溉。在此過程中，水的作用驅動渦輪旋轉，進而通過渦輪的轉動帶動轉桿。通過齒輪的傳動，轉動桿進一步引發小車向前移動。在移動過程中，水動噴射機與噴灑管共同進行灌溉，有效提升了整個灌溉過程中的能源利用率。

圖2 灌溉設備水動噴射機切分結構示意圖

灌溉設備水動噴射機外部配備一對小車，其結構示意圖如圖3 所示。小車的構成元素包括車架、車輪、連接塊和減速齒輪。車輪對稱旋轉安裝在車架的下部，連接塊下部固定連接于導水殼，減速齒輪的上端與水動噴射機上的齒輪嚙合，同時與其中一個車輪固定連接。噴射機上的齒輪推動減速齒輪旋轉，減速齒輪通過增加力道使車輪旋轉，從而便于小車牽引管道的移動。

圖3 固化裝置雙向攪拌機構結構示意圖

灌溉設備的收管器結構示意圖如圖4 所示。該收管器由收管座、連接座、第二液壓桿、減速電機、伸縮桿、滑柱和接管嘴組成，其中，收管座、伸縮桿、第二液壓桿、減速電機和接管嘴等元件以對稱的方式布局。

圖4 灌溉設備收管器結構示意圖

在具體構造方面，連接座的下端穩固連接在托盤上，第二液壓桿連接在連接座的兩側，呈對稱式分布，其帶動減速電機實現向外伸出和收起的往復運動，在此基礎上，收管座可進行規律轉動，進而以穩定的速率將管道收入到收管座內。為了進一步提高系統的穩定性，采用了伸縮桿對稱設置成三對的設計，一端固定在減速電機上，而另一端則通過牢固的安裝方式與連接座相連。減速電機通過伸縮桿保證其安全運作閾值，進而顯著提升其進行伸出或收起運動的范圍，而收管座也因為伸縮桿的牢固連接，提升了其完成伸出或收起工作中的整體穩定性。收管座的外側與接管嘴之間采用旋轉密封方式進行連接，接管嘴的一側連接外部供水管道，其另一側則采用轉動連接的方式與收管座相連。這一設計有效防止了收管座過度扭曲外部供水管道，從而確保與其相連的外部供水管道以穩定狀態運作。另外，為使得連接座在上升或下降過程中均能穩定運行，在連接座的上端采用牢固的安裝方法連接一滑柱，在滑柱的引導、緩沖作用下，連接座能夠平穩地進行上下移動，使得系統在上升或下降過程中的穩定性得到進一步提升。

灌溉設備的噴灑管結構示意圖如圖5 所示。該灌溉設備的噴灑系統主要由管形柱和噴水管兩部分構成。管形柱被牢固連接在車架的上端，其下端接口與管道相連接。水源通過管道，經由管形柱導入噴水管。為確保噴灑效果，噴水管的下部設置了多個小孔，通過這些小孔向下方噴水，以便有效澆灌兩個小車之間縫隙處的田地。

圖5 灌溉設備噴灑管結構示意圖

這一設計在噴灑系統中實現了水資源的有效利用，通過噴水管中的小孔實現定向澆灌，提高了水分利用效率。圖5 展示了噴灑管的結構特點，為灌溉設備的設計和使用提供了清晰的參考。

2.2 使用方法

本文提出的移動式農田水利高效灌溉設備的操作方法簡單、方便，具體分為如下三個步驟。

1）準備階段。首先，在準備階段，將機座牢固地安裝在目標農機上。通過第一液壓桿對托盤的高度進行調整，直至托盤與地面完全接觸。同時，通過接管嘴將外接水管與收管座連接，確保外部水源與灌溉系統的銜接。

2）澆灌階段。在澆灌階段，啟動收管器的水源，使水流通過接管嘴進入收管器的水管。其中，一部分水流經渦輪穿過噴嘴進行灌溉，水流驅動渦輪旋轉，推動轉桿和齒輪，進而驅動機小車向前移動。另一部分水流通過管形柱引入噴水管，在移動過程中，水動噴射機和噴灑管沿途進行灌溉。

3）收卷管道階段。完成單次灌溉后，通過啟動收管器，實現對管道的收卷。這一過程使得噴灑管被輕松拖回。若需要移至下一灌溉位置，只需直接啟動農機，移動到目標灌溉區域，避免頻繁切換農機工作方向，提高了操作的便捷性。

3 結論

1）本研究提出了一種高效的創新型移動式農田水利灌溉設備。該設備在灌溉過程中通過收管器連通水源，利用渦輪傳輸水流并通過噴嘴向外噴射，充分發揮水動能，推動渦輪和轉桿運轉，并通過齒輪傳動實現小車向前移動。在移動的同時，水動噴射機和噴灑管沿途進行精準澆灌，特別適用于較短路徑的掃描式噴射。這一設計有效減少了灌溉過程中的能源耗費。單次灌溉完成后，智能化的收管器迅速收卷噴灑管，簡便易行地將噴灑管道拖回。農機移動到下一路時，無需方向切換，直接啟動農機，極大提高了整體灌溉效率。

2）在設備的運行過程中，第二液壓桿的作用使得減速電機能夠實現向外伸出和收起的往復運動。同時，減速電機通過帶動收管座的轉動，實現管道卷起，確保了管道均勻收入到收管座內。這一設計簡化了設備的操作步驟，提高了設備的可控性和穩定性。

3）運用齒輪傳動機制，減速齒輪的轉動被齒輪帶動，通過增加力道實現減速，進而帶動小車輪的旋轉。這一機制使得小車能夠輕松拖動噴灑管道進行移動。通過這一簡捷而高效的設計，大幅提升了小車在灌溉設備運行中的機動性，進一步提高了整個系統的操作效率