喷灌系统关键设备研制与产业化进展 1.引言1.1 存在问题与发展趋势我国自上世纪七十年代中期引进喷微灌技术并大力推广应用。至上世纪末，我国喷微灌设备生产已初具规模，用于农田灌溉的主要喷微灌设备（如喷微灌专用管材、喷头、微喷头、滴头、微灌带、过滤器、施肥装置、自吸式水泵等）已能自行开发生产并满足国内的需求，部分产品还有出口（如微喷头、自吸式水泵）。喷头是影响喷灌灌水质量的关键设备，世界主要发达国家一直致力于喷头的改进及研究开发，发展趋势是向多功能、节能、低压方向发展。如美国先后开发出不同摇臂形式（水平摇臂、垂直摇臂）、不同仰角（7o、11o、15o、23o、27o）及适用于不同目的的多功能喷头。我国目前生产上广泛使用的喷头为PY1、PY2、ZY-1和ZY-2，其中PY1、PY2已形成系列，除具有不同规格外，其喷头仰角也有7o、15o、22.5o、30o等不同型号。由于此类喷头为20世纪80年代初开发的产品，能量转化率偏低，实测值尚不足80%，在喷灌工程中正逐渐被淘汰。ZY-1、ZY-2喷头为20世纪80年代中期引进奥地利鲍尔公司生产线生产的产品，实测能量利用率可达90%.近年来，随着我国节水灌溉的发展，许多节水灌溉设备生产厂家纷纷对ZY-1、ZY-2喷头进行仿制或略加改进，如增加换向机构、改进喷头仰角（一般增大）等，该产品成为我国目前使用的主流喷头。尽管该产品品牌较多，但仍未形成系列化，且在防风、多功能利用、低压工作时的水量分布等方面存在缺陷。因此，需要开发新型节能喷头系列及功能可调的喷头系列，改进喷头性能，增加喷头功能。随着我国经济的发展，城市化进程的加快以及人们对生活质量要求的提高，城市绿地大幅度增加，城市用水也随之日趋紧张，绿地灌溉的节水要求日益迫切。因此，喷微灌技术在城市绿地中被广泛应用。但至2002年，我国城市喷微灌多采用农田灌溉中所使用的喷头。这些喷头虽然也可以达到节水和良好的绿地灌溉效果，但影响绿地的景观效果。当时，我国城市灌溉专用喷头，百分之百是舶来品，没有一家企业开发和生产城市灌溉专用喷头。因此，急需开发性能优良的城市绿地专用喷头，满足城市绿地灌溉既要节水、又要美观的要求，探索我国城市绿地灌溉设备国产化的可能性和可行性。我国使用的喷灌移动管材主要有薄壁铝管、薄壁钢管和PE管等。其中薄壁钢管由于加工缺陷、易腐蚀，已很少使用。薄壁铝管尽管重量轻、耐用，是目前广泛使用的喷灌移动管道，但其生产成本偏高。而通过减小壁厚降低成本的方法会严重减弱产品的刚度，造成质量下降。因此，急需研制新型金属管道，使之既能满足刚度与强度的需要，又能降低系统成本。在喷灌配套管件方面，由于喷灌系统涉及到金属、塑料、橡胶等多种材料，不同材料间的连接方式及其规格有所差异，导致喷灌系统的配套性和可靠性降低。因而，需研制标准化、系列化的喷灌用管件，提高系统的通用性和可靠性。国家“十五”重大科技专项“田间固定式半固定式喷灌系统关键设备及产品研制与产业化开发”以跟踪当代世界前沿技术，提高我国喷灌技术和设备的现有水平为目标，针对制约喷灌发展的主要因素投资大、能耗高、易受风影响和存在蒸发漂移损失，研制开发新一代适合我国国情的喷灌技术和设备。在喷头方面，研制开发节能、防风的异形喷嘴喷头、可调仰角和雾化程度的喷头、短流道系列喷头、园林专用喷头及非圆形喷洒域喷头等；在喷灌用管道方面，研制开发经济耐用的移动管道。通过对喷灌设备的系统化和系列化研制，创制具有自主知识产权和市场竞争力的低能耗多用途喷灌技术与新产品，缩短我国喷灌技术与国外的差距，推动喷灌产品的升级换代，全面提升我国的喷灌技术水平。1.2 国内市场需求喷灌技术是目前先进的高效用水技术之一，也是可以实现产业化的高新技术，是现代农业节水技术的重要特征。美国1998年的喷灌面积占全部灌溉面积的47%.以色列到20世纪90年代初，喷灌占全部灌溉面积的30%.日本旱地灌溉几乎全部采用喷灌。而我国至1998年底喷灌面积仅占有效灌溉面积的3%、占节水灌溉面积的10%，与先进国家相比存在很大差距。目前，制约我国喷灌发展的主要因素一是系统能耗高，二是易受风影响，三为存在蒸发漂移损失。我国缺水的华北、西北及东北地区属多风、干燥地带，早在20世纪70年代，西北地区的宁夏、甘肃等地就曾大力推广喷灌技术，但由于没能很好地解决能耗、风的影响及设备质量等问题，到20世纪80年代几乎全部不用。因此低能耗多功能喷头的市场需求量较大，同时随着精准农业及多目标利用的发展，对多功能喷头的需求量也越来越大。半固定式喷灌系统是现阶段管道式喷灌发展的主要型式，移动管道是半固定式喷灌系统的主要设备，据粗略估计，移动管道的年需求量在10000t左右，因此本课题拟开发的质优价廉的新型移动管道具有广阔的潜在市场。目前，我国园林及绿地使用的灌水器几乎都是进口产品，外国喷头占据着我国园林喷灌的大部分市场，但进口灌水器及配套设备价格昂贵，制约着节水型城市的建设。开发研制园林喷灌设备对改变外国产品一统天下的被动局面，降低工程造价、促进国内产业的发展具有重要意义。因此，喷灌设备应用前景广阔。2.重大研究进展2.1 喷头2.1.1 园林用新型短流道喷头通过对国外典型短流道喷头的流量、射程和水量分布进行系统测试和剖析，发现影响喷头能量转化率的关键是喷头和喷嘴的流道结构。在对国内外发展趋势和市场前景充分分析基础上，设计了进口直径为10和15mm两种规格的短流道喷头。为了克服现有短流道喷头喷嘴无法更换的缺陷，我们将喷头设计成喷嘴可更换的形式。进口直径10mm的喷头还具有扇形机构和雾化程度调节装置。对喷头样机的测试结果表明，其能量转化率达到96%（表1），在现行喷灌工程技术规范规定的喷头组合间距条件下，均匀系数（CU）可达到85%.喷头水力性能指标见表2. 表1 新型短流道喷头的能量转化率（进口直径10mm）进口直径10 mm （喷嘴直径3mm）进口直径15 mm （喷嘴直径5mm （4.5 2.6）压力 （MPa）流量 （m3/h）射程 （m）压力 （MPa）流量 （m3/h）射程 （m）0.150.4009.70.201.5589.00.250.5559.80.301.9419.0管壁厚度均为1.4mm爆破试验施加压力为6.0MPa压扁试验的压扁高度为直径的1/22.3.2 系列化管件开发了喷灌管道防脱钩快装接头、球形双挂钩管道快速接头、内衬PVC的复合管件、喷灌管道保护阀、有压密封无压自泄密封圈等通用管件和保护设施，并形成了一定的生产能力。3.取得的主要成果自课题实施以来，研发出5种新型喷头（8个产品），1种新型移动管道（2种规格）和5种系列化管件，已形成5万只喷头和5万套管件的年生产能力，申报专利11项，其中发明专利3项，实用新型专利8项，目前7项实用新型专利和1项发明专利已获得授权，其余2项发明专利均已进入实质性审查阶段（表6）。表6 课题获得专利情况表序号专利类型授权号名称1发明021581851摇臂式喷头的耐久性能试验机*2发明200310114412.X球形双挂宽钩管道快速接头*3发明200310114413.4有压密封无压自泄密封圈4实用新型ZL 03216118.2喷灌管道保护阀5实用新型ZL 03216117.4喷灌管道防脱钩快装接头6实用新型ZL 03206676.7节能型双矩形喷嘴7实用新型ZL 03206675.9流道渐变式节能型方形喷嘴8实用新型ZL 03206690.2流道渐变式节能型三角形喷嘴9实用新型ZL 03245749.9一种喷灌用复合管件10实用新型ZL 03218590.1非圆形喷洒域的摇臂式喷头*11实用新型200320113269.8灌溉所*申请号4.结束语喷灌设备的研制涉及水利、机械、材料等专业，并且与工艺水平等密切相关，虽然国家“十五”科技重大专项“田间固定式半固定式喷灌系统关键设备及产品研制与产业化开发”课题取得了一定进展，但与国外知名企业的产品相比，仍存在一定差距，需要进一步攻关。同时，由于受到国家经济发展水平、节水农业发展规模的限制，目前从事节水灌溉设备生产的企业多以中小企业为主，这在一定程度上影响了节水灌溉设备制造水平的迅速提高，希望国家加大对节水灌溉设备研制和产业化的支持力度，以便使我国的节水灌溉设备更多地进入国际市场。 9