指针式喷灌机的工作原理及其在农业灌溉中的应用浅析

赵海瑞 滕兆丽

0 引言

灌溉是农业生产的关键环节，农业灌溉离不开水资源，而我国水资源严重紧缺，每年农业灌溉用水缺口超过300亿m3，因此，加快节水灌溉技术的推广应用尤为重要。目前节水灌溉方式主要有喷灌、微灌和滴灌等，喷灌作为现代化高效节水手段，在节水灌溉工程中应用较广。每年我国大约有上千台的喷灌机用于现代农业生产，其中，指针式喷灌机是最重要的机型之一。

1 指针式喷灌机的结构

指针式喷灌机是一种可以移动的大型喷灌设备。该设备在能够自动行走的支架上设置了喷头，作业时，机具围绕备有供水系统的中心点一边旋转一边喷灌，因其行走方式像是钟表的指针，故而称之为指针式喷灌机，也称为中心支轴式喷灌机或圆形喷灌机。传统的指针式喷灌机主要由中心支轴轴座、桁架、塔架车、悬臂、调节控制机构和喷洒系统组成。

1.1 中心支轴轴座

中心支轴轴座是整个喷灌机的旋转中心。标准型通常采用钢筋混凝土固定，安装在灌溉农田的中心位置；拖移式通常是将中心支轴轴座固定在四个轮子上面，并配有牵引机构，用以完成田间的转移。中心支轴轴座的外部是由立柱、横梁和底板组成的塔形框架，中心部分是转动套和支轴弯管。转动套的上部固定在框架上，下部与水源相连接。支轴弯管的竖直部分位于转动套内，可以自由转动，另一端通常与首跨桁架输水支管球铰连接，以适应首跨桁架因地形变化在垂直方向产生的上下移位。转动套上设有定点停机装置。

1.2 桁架

桁架是组成指针式喷灌机的基本单元，主要由输水支管、三角形弦架和拉筋等部分组成。为了适应田间地形的变化，保证喷灌机作业行走的同步性，各桁架之间采用球铰连接，输水支管采用柔性接头或橡胶套筒连接。衍架离地高度通常为2～3 m，桁架跨距通常为30～65 m，输水支管公称直径通常为100～250 mm，可以根据田块大小选择合适的桁架跨数。

1.3 塔架车

塔架车主要由立柱A字型构架（塔架）、动力装置（常见的是电动机，并配备减速器）、传动装置和行走轮等部分组成。塔架车不仅是桁架的支座，还是喷灌机的驱动部件。

1.4 悬臂

悬臂主要由输水支管、三角支架和钢丝绳等部分组成。悬臂有两个作用：一是增加机组长度，扩大灌溉面积；二是通过调整其长度，可以满足不同田块对机组长度的需求。

1.5 调节控制机构

调节控制机构主要由中枢控制箱、集电环、塔架盒、安全保护装置等部分组成。通过调节控制机构，可实现机组的启停控制、行走速度调整、自动回转和定点停机、各塔架车的同步控制、过水量保护、运行监测以及故障报警等功能。

1.6 喷洒系统

喷洒系统主要由喷洒支管和喷头组成。喷头按一定设计间距安装在喷洒支管上。目前，指针式喷灌机主要采用摇臂式喷头和散射式喷头。

2 指针式喷灌机的工作原理和特点

2.1 工作原理

喷灌机中心支轴轴座安装在农田的中心位置，支轴座中心下端与井泵出水管或压力管相连，上端通过旋转机构（集电环）与旋转弯管连接。喷灌管道安装在若干个可自动行走的桁架上，桁架之间通过柔性接头连接，以适应坡地等作业。桁架被支承在塔架车上，通过电机驱动，围绕着中心支轴进行旋转，旋转过程中，灌溉用水从中心支轴输送至喷灌管道，并由喷头喷出实现喷灌作业，旋转一周可以喷灌一个半径略大于喷灌机长度的圆形面积。

2.2 工作特点

常用的指针式喷灌机长度可达400～600 m，旋转一周需要1～20 d（根据需要可调），灌溉面积可达53.33～66.67 hm2。指针式喷灌机的机械化自动化程度较高，可以不需人工操作而长期连续自动运行。喷洒支管上可以安装较多喷头相互重叠喷洒，作业效率高，灌水均匀性好。每个塔架车上都装有驱动轮，爬坡能力强，可以适应高低起伏地形。另外，为了解决方形地块四个角落喷洒不到的情况，通过安装地角与末端喷枪等装置，可以增加喷灌面积。

3 指针式喷灌机在农业灌溉中的应用优势

传统农业灌溉技术存在灌溉装置陈旧落后、灌溉水利用率低、灌水不均匀、水资源浪费严重等弊端。与传统的农业灌溉技术相比，喷灌机械在节水增产方面优势明显。指针式喷灌机具有机械化程度高、运行管理费用低、喷洒覆盖面积大、操作简单方便等优点。

3.1 自动化程度高

与传统的地面灌溉方式相比，可以节省90%的劳动力。一个人可以同时操作多台设备，工作效率高。

3.2 灌水质量好

灌水定额调节，误差小，灌水均匀度高，均匀度系数超过85%。与传统的地面灌溉方式比较，可节水30%～50%。采用低压喷头并低垂安装，降低了能耗。

3.3 适应性强

各桁架之间采用柔性连接，可适应坡度不大于30%的地块。指针式喷灌机适用于各种类型作物和土壤，对田块、水资源要求不高，无需平整土地、开渠筑堤，只要有河流、湖泊、井水就可以使用。既可以喷水灌溉，又可以喷洒肥水、农药等[1]。

4 指针式喷灌机使用操作注意事项

要想最大限度地发挥指针式喷灌机的作用，规范操作十分必要。机具运行前需对各部件进行安全检查，清除轮上影响行走的障碍物，各项设置要和操作要求相符合。检查同步控制装置是否灵敏可靠，确保各塔架车驱动电机旋转方向保持一致。运行中要保证各部件正常稳定运转。确保密封处无泄漏、喷头正常工作。要尽量避免使用泥沙含量过多的水进行喷灌作业，以减少对喷头喷嘴的磨损及对作物生长产生不良影响。喷灌作业结束时，应及时切断电源，将管道余留水排掉，并将行走部件上的泥土和杂草清理干净。对喷灌机的日常保养与维护，可以确保喷灌机的使用性能最优化，节省设备维修费用，延长使用期限[2]。

5 指针式喷灌机应用发展前景与建议

5.1 应用发展前景

我国农业发展水平的逐步提高和农村土地流转集中耕种，为指针式喷灌机的推广应用提供了有利条件。指针式喷灌机自动化程度高、喷灌效果好，可提高灌溉用水利用率，降低灌溉成本，适用于灌溉各种质地的土壤以及各种大田作物，可广泛应用于我国西北、东北、华北各地和云贵高原等地的农牧业种植区，发展前景较好。

5.2 发展建议

目前，指针式喷灌机市场保有量还远远不能满足我国现代农业生产发展的需要，在推广应用方面还有大量的工作要做。

1）因地制宜、科学规划。选用指针式喷灌机要因地制宜，充分考虑当地的地形地貌、土壤类型、水资源情况、气候和作物情况等因素，根据喷灌机的应用特点和应用范围，制定出科学合理的设计方案，灌溉指标要求、参数设置、机组布置及台数要求等都要满足当地灌溉要求，以达到良好的喷洒质量和节水效果。

2）强化技术配套。为了最大限度地发挥指针式喷灌机在规模化农业生产中的优势，需要将灌溉技术与种子培育、耕作栽培、施肥植保等技术综合考虑，形成农作物的规范生产流程，进行标准化、规范化、规模化生产，提高农作物的产量和品质。

3）加强技术培训。要加强对农户的技术培训，让农户了解和掌握指针式喷灌机的结构特点、安全注意事项、操作方法、维修要点、机组运行参数设定等知识，最大限度地发挥机组的作用，提高农业生产经济效益。