指針式噴灌機(jī)的工作原理及其在農(nóng)業(yè)灌溉中的應(yīng)用淺析

趙海瑞 滕兆麗

0 引言

灌溉是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，農(nóng)業(yè)灌溉離不開水資源，而我國(guó)水資源嚴(yán)重緊缺，每年農(nóng)業(yè)灌溉用水缺口超過300億m3，因此，加快節(jié)水灌溉技術(shù)的推廣應(yīng)用尤為重要。目前節(jié)水灌溉方式主要有噴灌、微灌和滴灌等，噴灌作為現(xiàn)代化高效節(jié)水手段，在節(jié)水灌溉工程中應(yīng)用較廣。每年我國(guó)大約有上千臺(tái)的噴灌機(jī)用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，其中，指針式噴灌機(jī)是最重要的機(jī)型之一。

1 指針式噴灌機(jī)的結(jié)構(gòu)

指針式噴灌機(jī)是一種可以移動(dòng)的大型噴灌設(shè)備。該設(shè)備在能夠自動(dòng)行走的支架上設(shè)置了噴頭，作業(yè)時(shí)，機(jī)具圍繞備有供水系統(tǒng)的中心點(diǎn)一邊旋轉(zhuǎn)一邊噴灌，因其行走方式像是鐘表的指針，故而稱之為指針式噴灌機(jī)，也稱為中心支軸式噴灌機(jī)或圓形噴灌機(jī)。傳統(tǒng)的指針式噴灌機(jī)主要由中心支軸軸座、桁架、塔架車、懸臂、調(diào)節(jié)控制機(jī)構(gòu)和噴灑系統(tǒng)組成。

1.1 中心支軸軸座

中心支軸軸座是整個(gè)噴灌機(jī)的旋轉(zhuǎn)中心。標(biāo)準(zhǔn)型通常采用鋼筋混凝土固定，安裝在灌溉農(nóng)田的中心位置；拖移式通常是將中心支軸軸座固定在四個(gè)輪子上面，并配有牽引機(jī)構(gòu)，用以完成田間的轉(zhuǎn)移。中心支軸軸座的外部是由立柱、橫梁和底板組成的塔形框架，中心部分是轉(zhuǎn)動(dòng)套和支軸彎管。轉(zhuǎn)動(dòng)套的上部固定在框架上，下部與水源相連接。支軸彎管的豎直部分位于轉(zhuǎn)動(dòng)套內(nèi)，可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)，另一端通常與首跨桁架輸水支管球鉸連接，以適應(yīng)首跨桁架因地形變化在垂直方向產(chǎn)生的上下移位。轉(zhuǎn)動(dòng)套上設(shè)有定點(diǎn)停機(jī)裝置。

1.2 桁架

桁架是組成指針式噴灌機(jī)的基本單元，主要由輸水支管、三角形弦架和拉筋等部分組成。為了適應(yīng)田間地形的變化，保證噴灌機(jī)作業(yè)行走的同步性，各桁架之間采用球鉸連接，輸水支管采用柔性接頭或橡膠套筒連接。衍架離地高度通常為2～3 m，桁架跨距通常為30～65 m，輸水支管公稱直徑通常為100～250 mm，可以根據(jù)田塊大小選擇合適的桁架跨數(shù)。

1.3 塔架車

塔架車主要由立柱A字型構(gòu)架（塔架）、動(dòng)力裝置（常見的是電動(dòng)機(jī)，并配備減速器）、傳動(dòng)裝置和行走輪等部分組成。塔架車不僅是桁架的支座，還是噴灌機(jī)的驅(qū)動(dòng)部件。

1.4 懸臂

懸臂主要由輸水支管、三角支架和鋼絲繩等部分組成。懸臂有兩個(gè)作用：一是增加機(jī)組長(zhǎng)度，擴(kuò)大灌溉面積；二是通過調(diào)整其長(zhǎng)度，可以滿足不同田塊對(duì)機(jī)組長(zhǎng)度的需求。

1.5 調(diào)節(jié)控制機(jī)構(gòu)

調(diào)節(jié)控制機(jī)構(gòu)主要由中樞控制箱、集電環(huán)、塔架盒、安全保護(hù)裝置等部分組成。通過調(diào)節(jié)控制機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)組的啟停控制、行走速度調(diào)整、自動(dòng)回轉(zhuǎn)和定點(diǎn)停機(jī)、各塔架車的同步控制、過水量保護(hù)、運(yùn)行監(jiān)測(cè)以及故障報(bào)警等功能。

1.6 噴灑系統(tǒng)

噴灑系統(tǒng)主要由噴灑支管和噴頭組成。噴頭按一定設(shè)計(jì)間距安裝在噴灑支管上。目前，指針式噴灌機(jī)主要采用搖臂式噴頭和散射式噴頭。

2 指針式噴灌機(jī)的工作原理和特點(diǎn)

2.1 工作原理

噴灌機(jī)中心支軸軸座安裝在農(nóng)田的中心位置，支軸座中心下端與井泵出水管或壓力管相連，上端通過旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)（集電環(huán)）與旋轉(zhuǎn)彎管連接。噴灌管道安裝在若干個(gè)可自動(dòng)行走的桁架上，桁架之間通過柔性接頭連接，以適應(yīng)坡地等作業(yè)。桁架被支承在塔架車上，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)，圍繞著中心支軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)過程中，灌溉用水從中心支軸輸送至噴灌管道，并由噴頭噴出實(shí)現(xiàn)噴灌作業(yè)，旋轉(zhuǎn)一周可以噴灌一個(gè)半徑略大于噴灌機(jī)長(zhǎng)度的圓形面積。

2.2 工作特點(diǎn)

常用的指針式噴灌機(jī)長(zhǎng)度可達(dá)400～600 m，旋轉(zhuǎn)一周需要1～20 d（根據(jù)需要可調(diào)），灌溉面積可達(dá)53.33～66.67 hm2。指針式噴灌機(jī)的機(jī)械化自動(dòng)化程度較高，可以不需人工操作而長(zhǎng)期連續(xù)自動(dòng)運(yùn)行。噴灑支管上可以安裝較多噴頭相互重疊噴灑，作業(yè)效率高，灌水均勻性好。每個(gè)塔架車上都裝有驅(qū)動(dòng)輪，爬坡能力強(qiáng)，可以適應(yīng)高低起伏地形。另外，為了解決方形地塊四個(gè)角落噴灑不到的情況，通過安裝地角與末端噴槍等裝置，可以增加噴灌面積。

3 指針式噴灌機(jī)在農(nóng)業(yè)灌溉中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)存在灌溉裝置陳舊落后、灌溉水利用率低、灌水不均勻、水資源浪費(fèi)嚴(yán)重等弊端。與傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)相比，噴灌機(jī)械在節(jié)水增產(chǎn)方面優(yōu)勢(shì)明顯。指針式噴灌機(jī)具有機(jī)械化程度高、運(yùn)行管理費(fèi)用低、噴灑覆蓋面積大、操作簡(jiǎn)單方便等優(yōu)點(diǎn)。

3.1 自動(dòng)化程度高

與傳統(tǒng)的地面灌溉方式相比，可以節(jié)省90%的勞動(dòng)力。一個(gè)人可以同時(shí)操作多臺(tái)設(shè)備，工作效率高。

3.2 灌水質(zhì)量好

灌水定額調(diào)節(jié)，誤差小，灌水均勻度高，均勻度系數(shù)超過85%。與傳統(tǒng)的地面灌溉方式比較，可節(jié)水30%～50%。采用低壓噴頭并低垂安裝，降低了能耗。

3.3 適應(yīng)性強(qiáng)

各桁架之間采用柔性連接，可適應(yīng)坡度不大于30%的地塊。指針式噴灌機(jī)適用于各種類型作物和土壤，對(duì)田塊、水資源要求不高，無需平整土地、開渠筑堤，只要有河流、湖泊、井水就可以使用。既可以噴水灌溉，又可以噴灑肥水、農(nóng)藥等[1]。

4 指針式噴灌機(jī)使用操作注意事項(xiàng)

要想最大限度地發(fā)揮指針式噴灌機(jī)的作用，規(guī)范操作十分必要。機(jī)具運(yùn)行前需對(duì)各部件進(jìn)行安全檢查，清除輪上影響行走的障礙物，各項(xiàng)設(shè)置要和操作要求相符合。檢查同步控制裝置是否靈敏可靠，確保各塔架車驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向保持一致。運(yùn)行中要保證各部件正常穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。確保密封處無泄漏、噴頭正常工作。要盡量避免使用泥沙含量過多的水進(jìn)行噴灌作業(yè)，以減少對(duì)噴頭噴嘴的磨損及對(duì)作物生長(zhǎng)產(chǎn)生不良影響。噴灌作業(yè)結(jié)束時(shí)，應(yīng)及時(shí)切斷電源，將管道余留水排掉，并將行走部件上的泥土和雜草清理干凈。對(duì)噴灌機(jī)的日常保養(yǎng)與維護(hù)，可以確保噴灌機(jī)的使用性能最優(yōu)化，節(jié)省設(shè)備維修費(fèi)用，延長(zhǎng)使用期限[2]。

5 指針式噴灌機(jī)應(yīng)用發(fā)展前景與建議

5.1 應(yīng)用發(fā)展前景

我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展水平的逐步提高和農(nóng)村土地流轉(zhuǎn)集中耕種，為指針式噴灌機(jī)的推廣應(yīng)用提供了有利條件。指針式噴灌機(jī)自動(dòng)化程度高、噴灌效果好，可提高灌溉用水利用率，降低灌溉成本，適用于灌溉各種質(zhì)地的土壤以及各種大田作物，可廣泛應(yīng)用于我國(guó)西北、東北、華北各地和云貴高原等地的農(nóng)牧業(yè)種植區(qū)，發(fā)展前景較好。

5.2 發(fā)展建議

目前，指針式噴灌機(jī)市場(chǎng)保有量還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要，在推廣應(yīng)用方面還有大量的工作要做。

1）因地制宜、科學(xué)規(guī)劃。選用指針式噴灌機(jī)要因地制宜，充分考慮當(dāng)?shù)氐牡匦蔚孛病⑼寥李愋?、水資源情況、氣候和作物情況等因素，根據(jù)噴灌機(jī)的應(yīng)用特點(diǎn)和應(yīng)用范圍，制定出科學(xué)合理的設(shè)計(jì)方案，灌溉指標(biāo)要求、參數(shù)設(shè)置、機(jī)組布置及臺(tái)數(shù)要求等都要滿足當(dāng)?shù)毓喔纫?，以達(dá)到良好的噴灑質(zhì)量和節(jié)水效果。

2）強(qiáng)化技術(shù)配套。為了最大限度地發(fā)揮指針式噴灌機(jī)在規(guī)?；r(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的優(yōu)勢(shì)，需要將灌溉技術(shù)與種子培育、耕作栽培、施肥植保等技術(shù)綜合考慮，形成農(nóng)作物的規(guī)范生產(chǎn)流程，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、規(guī)模化生產(chǎn)，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。

3）加強(qiáng)技術(shù)培訓(xùn)。要加強(qiáng)對(duì)農(nóng)戶的技術(shù)培訓(xùn)，讓農(nóng)戶了解和掌握指針式噴灌機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、安全注意事項(xiàng)、操作方法、維修要點(diǎn)、機(jī)組運(yùn)行參數(shù)設(shè)定等知識(shí)，最大限度地發(fā)揮機(jī)組的作用，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益。