大型喷灌机技术

□郎景波

大型喷灌机技术就是为了扩大单机控制面积，通过增加喷枪射程或使带有许多喷头的长管自行移动来解决大块农田和草场所存在的生产效率低、劳动强度大、单位面积投资成本高的问题而发展起来的。大型喷灌机是大型农机具之一，具有自动化程度高、控制面积大、适应性强等优点，是国内外备受青睐的大型节水灌溉设备之一。半个多世纪以来，大型喷灌机在全世界得到了广泛的应用，在各大洲灌溉耕地、沙丘和草原面积数千万公顷以上。

一、发展历程

20世纪20年代，人们为了降低劳动强度，从繁重的移动管道灌溉作业中解放出来，美国等相继研制出滚移式喷灌机(又称滚轮式喷灌机，Side-rollirrigationsystem)。尽管滚移式喷灌机具有明显的优点，但属于半自动化喷灌设备，不能自动移动，需要人为操纵，而且对地形和水源的要求较高，不能灌溉高秆作物，应用受到较大的限制。20世纪50年代初，美国人发明了圆形喷灌机(又称中心支轴式喷灌机，Centerpivotirrigationsystem)。早期以液压驱动和水力驱动为主，1965年出现电力驱动圆形喷灌机。此后，圆形喷灌机在全世界得到了广泛的应用，如今已在各大洲灌溉着数千万公顷的耕地、沙丘和草原，可称为世界农业灌溉史上的一次革命，曾被美国著名科技刊物《科学美国》称赞为“圆形喷灌机是自从拖拉机取代耕畜以来，意义最重大的农业机械发明。圆形喷灌机存在一个重大的弱点，即灌溉面积是圆形，与地块形状和传统农艺耕作方式不一致，近20%的方形地块面积得不到有效灌溉。因而20世纪70年代又出现了平移式喷灌机(Lateral(或Linear)moveirrigationsystem)，可实现矩形地块的灌溉。由于圆形和平移式喷灌机自动化程度高、灌溉质量好、单机控制面积大，尤其是圆形喷灌机对地形的适应性强，对水源的要求低，因而非常适应人多地少地区的农业生产。

我国大型喷灌机技术的研究开始于1976年，由于受到我国农业体制和经济体制的影响，引进推广工作一波三折，大致经历了起步阶段（1976-1978年）、引进和关键部件攻关阶段（1979-1986年）、完善提高和稳妥推广阶段（1987-1997年）、技术创新和产业化阶段（1998年至今）。据不完全统计，截至2008年上半年，大型喷灌机全国保有量接近5000台，主要分布在内蒙古、黑龙江、甘肃、宁夏、山西、河北等省、区。

二、大型喷灌机类型和特性

大型喷灌机主要包括圆形、平移式和滚移式。

（一）圆形喷灌机（图1，也称中心支轴式、指针式、时针式喷灌机）

图1 圆形喷灌机

1.优点

(1)自动化程度高。与地面灌溉相比可省工90%以上，与其他喷灌机相比，可省工25～75%，能昼夜自动喷灌，一人在中心控制室可同时操作8～12台喷灌机，工作效率很高。(2)灌水质量好。灌水定额在5～100mm内调节，均匀度高，均匀系数可达85%以上。(3)能耗低、抗风能力强。采用低压喷头并低垂安装，降低了能耗，提高了抗风能力。(4)适应性强。不同的跨体长度对应不同的爬坡能力，爬坡能力可达9°～18°，几乎适宜所有作物和土壤。(5)一机多用。可结合喷施化肥和农药等，对于氮肥溶液有很好的喷施效果。

2.缺点

喷灌形状为圆形，对于方形地块地角漏喷面积达22%，配备地角臂系统成本较高。喷灌机远端喷头的喷灌强度较大，选配不当易产生地面径流。

3.适用条件

(1)地形较平坦、连片的大块耕地、草原，作物种类统一，地面无树木、线路和其他障碍物。(2)水资源相对丰富，地下水开采较容易的地区，单机要求供水量80m3/h以上。(3)适用于规模化、集约化、规范化生产，并具有专业技术服务队伍的农业、农机、现代农业合作社以及农（牧）场等，确保大型喷灌机的运行、维修、管护。(4)达到一定规模后（单机控制面积500亩以上），与其他大型喷灌设备相比，造价适中。

（二）平移式喷灌机（图2）

图2 平移式喷灌机

平移式喷灌机外形和中心支轴式喷灌机很相似，也是由十几个塔架支撑一根很长的喷洒支管，一边行走一边喷洒。但它的运动方式和中心支轴式不同，中心支轴式的支管是转动，而平移式的支管是横向平移。

1.优点

平移式喷灌机与圆形喷灌机相比，具有自动化程度高、灌水质量好、能耗低、抗风能力强、一机多用等优点，但是在喷灌形状上优于圆形喷灌机，其喷灌形状为条形，对于方形和长方形地块无漏喷现象。

2.缺点

相比圆形喷灌机，平移式喷灌机喷洒时整机只能沿垂直支管方向作直线移动，而不能沿纵向移动，相邻塔架间也不能转动。为此，平移式喷灌机在运行中必须有导向设备。另外，平移式喷灌机取水的中心塔架是在不断移动的，因而取水点的位置也在不断变化。一般采用的方法是明渠取水和拖移的软管供水，地面水源输配工程较复杂，并有一定占地。

3.适用条件

与圆形喷灌机相比，使用条件基本相同。对水源条件适用方面，除可利用地下水（单机要求供水量80m3/h以上）外，还可以利用地表水。投资上，达到一定规模后（单机控制面积500亩以上），与其他大型喷灌设备相比，造价较高。

(三）滚移式喷灌机（图3）

图3 滚移式喷灌机

滚移式喷灌机也称滚轮式喷灌机，是一种大型半机械化喷灌机组。该机的主要特点是整条输水支管机动滚移，采取“步步为营”的田间作业方式，可表示为：定点喷洒→滚移→定点喷洒→滚移…。具体作业顺序：（1）在一个位置喷洒一段时间，达到灌水定额后，关闭干管上的给水栓，将引水软管与给水栓脱开。（2）输水支管里的水通过自动泄水阀和快速接头密封胶圈排泄干净。（3）操作人员启动发动机，操纵驱动车把整条支管向前滚移18～20m。（4）将引水软管与该位置的给水栓相连，开启给水栓，开始第二个位置定点喷洒。如此循环直到完成一个灌溉周期。尽管滚移式喷灌机具有明显的优点，但属于半自动化喷灌设备，不能自动移动，需要人为操纵，而且对地形和水源的要求较高，不能灌溉高秆作物，因而应用受到较大的限制。

三、圆形喷灌机特性

由于圆形和平移式喷灌机自动化程度高、灌溉质量好、单机控制面积大，尤其是圆形喷灌机对地形的适应性强，对水源的要求低，因而非常适合人多地少地区的农业生产。

（一）机组工作原理

圆形喷灌机，因喷洒轨迹成圆形又称作“圆形喷灌机”，又因喷灌桁架系统像指针的旋转而得名“时针式喷灌机”，还因喷灌桁架系统作指针旋转时围绕一中心支轴运行，亦称为“中心支轴喷灌机”，是一种大型的自动喷灌设备。

图4 圆形喷灌机示意图

图4中1所示位置被称为圆形喷灌机的中心点。通常情况下中心点的四条支撑角钢通过地脚螺栓或者锚链固定在混凝土基座上。中心点是设备整体旋转的中心机构，圆形喷灌机的供水口就是中心点竖管底部的90°弯头。水流经中心点竖管和旋转弯头进入主管道。旋转弯头利用了一个唇形密封垫防止管道漏水，并且在中心点竖管内部旋转。

水通过主管道的输送经由喷头喷洒到地块上。设备的主管道是由一系列的跨体连接而成的。跨体是由主管道和桁架组组成。可以通过增加或者减少主供水管和桁架组的数量来调节每段跨体的长度。每一个桁架组由桁架拉近连接，桁架组为主管道提供支撑力并保证跨体受力时的强度。

跨体的连接是通过一个球形栓和一个球窝头组成，这种连接使得跨体之间具有侧向和垂直方向的调节能力。两个跨体的供水主管道通过一个有弹性的橡胶软管（柔性接头）连接在一起。

（二）结构组成

图5 圆形喷灌机结构图

1.中心塔由4根坚固的板型支架腿构成，横向拉筋增加结构稳定性，由4 个螺栓固定在混凝土基座上。

2.跨体结构—桁架系统组成：由钢管、角铁和拉筋组合而成；跨体长度：从40～60 m，共有7种长度；跨架组合：根据地块的大小，一般有5～10跨组合，面积从200～1200亩不等。

3.驱动塔—轮架系统，极宽的轴距增加系统稳固性，可允许的斜坡达到8～15%。每个驱动塔上只需配备1个驱动电机，根据土壤的类型，选用不同的驱动马达：沙土0.55KW，壤土0.75KW，粘土0.9KW，超粘土1.1KW。

4.延伸臂使系统更灵活地适应地形，在喷灌机的尾部可加装延伸臂，长度可在6～24m范围内选择。

5.尾枪为使系统减少地形阻碍和对条形地块四角的补喷，在延伸臂的末端可加装尾部喷枪，射程一般为10～30m。

6.喷头。指针式喷灌机入口压力一般在1.6～2.6bar 即可正常工作。喷头上配备压力补偿器，保证了喷嘴工作压力的恒定不变。

7.调节控制机构包括速度调节机构和同步控制机构。速度调节机构的主要部件是安装在末端塔车上的速度调节阀（水动式喷灌机采用），或安装在喷灌机中心处主控箱内的百分率定时器（电动式喷灌机采用）。通过控制未端塔车的行走速度，从而控制整机的运行速度。同步控制机构安装在除未端塔车外的的其它各塔车上。当未端塔车前进后，即形成了它和相邻塔车不在一条直线上的状态，这时同步控制机构动作，使相邻塔车同时向前移动，使各个塔车保持成一条直线向前缓慢移动。

(三)典型地块组合

黑龙江省西部地区林网格田多为500×500m类型，选择此规格地块为典型地块，进行设备选型（以Bauer 公司的产品为例）。本方案水源为利用地下水，在距离中心基座15m远处建设水源井1处，假定水量能够保证系统需求。

系统设备组合形式

系统主要技术参数表

输入压力2.0 bar工作功率 2.2 kW

在指定灌水量下的旋转周期和速度控制百分比

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（四）设备造价分析

以Lindsay公司报价为例进行了圆形喷灌机投资造价分析。

圆形喷灌机造价分析表

图6 圆形喷灌机造价分析图

1.1～3跨，小地块，水源水量要求较低，亩均造价高。控制半径68～204m，控制面积22～196亩，设备投资9.8～21.8万元，设备亩均造价4455～1112元。

2.4跨，典型地块，适宜地块较多，水源水量要求适中，亩均造价较高。控制半径252m，控制面积300亩，设备投资27.8万元，设备亩投资927元。

3.5～7跨，地块较大，适宜地块较少，适合草原及大地号耕地等，水源水量要求较高，亩均造价适中。控制半径326.6～456m，控制面积500～980亩，设备投资33～46.45万元，设备亩投资660～474元。

4.8～9跨，地块超大，适宜地块少，水源水量要求高，设备亩均造价低。控制半径511～565.1m，控制面积1230～1500亩，设备投资52.45～56.55万元，亩投资426～377元。