从中美旋转喷头发明专利技术对比看“反冲转子旋转喷头”的竞争优势

张 祖 祺

(浙江省宁波市北仑区明州路芙蓉家园9-305室，浙江 宁波 315800)

2013年12月25日，“节水灌溉产业技术创新战略联盟、丰田节水灌溉技术研究院、丰田节水院士专家工作站学术研讨会”指出：我国节水灌溉产业从无到有已经走过30 a以上，有近千家专业设备企业，但无论从技术研发推广，还是产品制造安装看，仍处于初级发展阶段，质量性能与西方发达国家差距较大。我国城市缺水已经严重到危险的边缘，但我们的园林节水灌溉技术研发应用及产品制造都非常落后，95%以上城市绿地灌溉仍采用大水漫灌，效率低下。面对水资源日趋紧缺的严峻形势，研讨会呼吁“以节水灌溉技术创新守住水资源底线”[1]。

喷头是节水灌溉的关键设备，其结构和水力性能在很大程度上决定了节水灌溉系统的灌溉质量。而喷头的结构性能涉及流体动力学和精密机械制造等高科技领域，以美国为首的西方发达国家一直致力于喷头的改进及研究开发，向多功能、节能、低压方向发展，凭借强大的科技实力不断取得进步。我国喷灌设备的落后状态，成为制约发展节水灌溉事业、改善生态环境质量的短板。

2016年中央1号文件《关于落实发展新理念加快农业现代化实现全面小康目标的若干意见》要求：“强化现代农业科技创新推广体系建设”，“力争在农业重大基础理论、前沿核心技术方面取得一批达到世界先进水平的成果”，“重点突破生物育种、农机装备、智能农业、生态环保等领域关键技术”。

面对国人创新节水灌溉技术的热切期盼，一种可以在农业大田、园林草坪、温室大棚、厂矿企业、商场宾馆、公共场所、私家庭院等处广泛使用，具有“低能秏、多功能、抗堵塞”特点的“反冲转子旋转喷头”(CN200910302282.X)原创发明专利技术应运而生。这是依靠自主创新，抢占世界节水灌溉技术制高点，把“中国制造”变成“中国创造”的一场深刻革命。

1 世界领先的美国园林灌溉喷头

美国Hunter 公司是世界最大的园林灌溉喷头制造开发商之一，其2大王牌产品PGP Rotor和MP Rotator 的技术水平在世界喷头行业中处于领先地位，至今畅销不衰。

1.1 PGP Rotor喷头(美国发明专利号：US 4568024；US 4718605)

埋藏式内水流驱动旋转喷头是20世纪80年代初国际上推出的新产品，驱动力的传递方式有涡轮、活塞、齿轮等多种。由于喷头零件的主要材料采用工程塑料，所以具有体积小、重量轻、易于批量生产、造价低等显著特点，目前已成为世界上最具竞争力的园林灌溉喷头[2]。

PGP Rotor是美国Hunter公司最早开发的一种往复摆动齿轮驱动埋藏式旋转喷头，自1981年问世以来不断改进和提高，至今仍保持着“世界上销量第1”的地位。因为世界上其他制造商所生产的齿轮驱动地埋式旋转喷头基本上由它演变而来，所以Hunter公司自豪地将它称为旋转喷头行业的“标准”。

(1)工作原理。这是一种直接安装在进水管上使用的单射线往复摆动埋藏式喷头。压力水进入喷头后，冲击叶轮产生高速旋转运动，沿喷嘴往外射出。利用齿轮减速机构来降低喷头的旋转速度，利用齿轮换向机构来实现喷头的往复摆动。

(2)结构特点。

①齿轮减速比高达3 000以上,传动效率低于50%，能量消耗较大。换向机构的内啮合齿轮副受力不均匀，影响喷头工作的可靠性[3]。

②具有止溢功能，可以调节射程和喷洒角度范围。

③产品结构非常复杂，零件数量多，精度要求高，加工和装配难度大。

1.2 MP Rotator喷头( 美国发明专利号：US 6651905 B2)

MP Rotator是一种多射线单向连续旋转式喷头，抗风力强，喷灌均匀度高，水花美观，被Hunter公司称为“世界上最好的旋转喷头”。该喷头产品及其知识产权原为美国Nelson公司下属的Walla公司所有，2007年4月20日被Hunter公司收购。

(1)工作原理。这是一种多射线单向连续旋转式喷头。进入喷头的压力水冲击转盘外表的多条径向喷水槽(通过圆心)，射出后成为多股射线。转盘在水流冲击下，产生高速旋转运动。采用“粘滞阻尼机构”降低转盘的旋转速度，使射出的多股射线缓慢旋转，形成动态水花[4]。

(2)结构特点。

①所谓“粘滞阻尼机构”，就是在转盘内，用上、下橡胶密封盖与中心轴围成一个空腔，里面至少部分地充填黏性硅油。工作时中心轴不动，利用橡胶盖、硅油随转盘旋转，与中心轴之间相对运动产生的摩擦力矩来降低其转速。

②因为“粘滞阻尼机构”的阻尼能力有限，所以喷头流量很小，每次喷灌作业的时间要比普通喷头延长1倍以上，喷灌效率很低。

③抗风力强，水花美观，可调节射程和喷洒角度范围。

④不能单独使用，必须安装在专用的压力调节器或升高管式洒水器上作为“喷嘴”部件工作，增加了使用成本。

2 我国喷头落后国际先进水平几十年的现状有待改变

我国从20世纪70年代中期开始大规模引进喷灌技术，先后开发成功PY系列摇臂式喷头和PYS系列摇臂式塑料喷头、PAC40和PAC60垂直摇臂式喷头等产品。目前国内大田喷灌喷头的主要产品是1987年引进奥地利鲍尔公司生产线生产的ZY系列金属摇臂式喷头及其改进形式[5]。

“田间固定式半固定式灌溉系统关键技术设备及产品研制与产业化开发”课题，被国家列为“十五”重大科技专项组织力量攻关，努力跟踪国外样机进行改进，因无实质性突破，未能取得灌溉喷头发明专利授权[6]，在引进、消化、吸收、改进过程中陷入困境。国内喷头生产企业普遍习惯于拿样品测绘，进行仿制加工，开展低价竞争，产品功能少、性能差、寿命短、能耗大，以致形成落后国际先进水平几十年，某些品种长期依赖进口的局面。

我国喷灌技术从一开始引进的着眼点就是农田灌溉，对喷灌技术的研究主要考虑的是农田。这样一来，我国园林灌溉技术的研究相对滞后，而农田灌溉喷头并不适用于园林灌溉。虽然后来也有某些高等院校、科研机构和喷头企业开展园林灌溉喷头的研究开发工作，但进展缓慢，至今未能改变我国园林灌溉喷头生产的空白状态。

与农田灌溉相比，园林喷灌有许多特殊要求。不仅要求喷洒均匀度高，而且要求喷出的水流具有艺术性，以塑造优美水景；要求射程和喷洒角度能够进行调节，以适应灌区艺术造型需要，不让水流喷洒到路边游人身上；在斜坡和山丘地区，为防止阀门关闭后管道内残存的水从低处喷头溢出破坏绿化效果，要求喷头具有止溢功能。还要求喷头不暴露或少暴露于地面之上，以免受到割草机操作碰撞损坏，最好采用埋藏式安装，等等。可见，并不是所有的灌溉喷头都能用于园林灌溉[2]。例如，列为国家“农业科技成果转化资金项目”的“新型高均匀度全圆旋转喷头”、列为国家“十二五”“863”课题项目的“一种高均匀度阻尼旋转喷头”等，虽然在喷灌均匀度方面比传统摇臂式喷头有所提高，但未能满足园林灌溉的那些特殊要求，因而不能取代进口喷头用于园林灌溉。

3 “反冲转子旋转喷头”的创新要点

“反冲转子旋转喷头”(CN200910302282.X)对世界领先的旋转喷头技术进行颠覆创新：挑战美国3大发明专利(US4568024，US4718605，US6651905B2)，取消旋转喷头的驱动机构、减速机构和换向机构等3大关键部件，零件数量减少50%以上；首创用“反冲转子4要素”控制喷头运动的工作原理，改善喷头节水性能，提高抗风力和喷灌均匀度，并实现在自来水压力下喷水、喷雾、动态景观造型等多功能化；扩大喷头使用范围，抢占世界节水灌溉技术制高点。

(1)基本结构。“反冲转子旋转喷头”由接头、小轴、底座、喷嘴、转子、轴套等基本零件组成，如图1、图2所示。不工作时，转子支承在喷嘴上。工作时，从接头进入的压力水通过喷嘴流道，将转子向上弹出，并沿转子表面的喷水槽射出喷头外。转子采用一次弹出方式时，可制成直立式喷头；转子采用2次弹出方式时，可制成埋藏式喷头。

图1 喷头结构简图(非工作状态)

图2 喷头结构简图(工作状态)

(2)控制喷头转速。转子的结构像一只陀螺，外表面设有多条中心线偏离圆心的喷水槽。进入喷头的压力水沿喷水槽向外喷出时产生的反冲力，对圆心形成一个反冲力矩驱动转子旋转，使射出的水流成为多股旋转射线，如图3所示。

图3 喷头工作原理

反冲力矩可由下式计算：

Mf=FRN

式中：Mf为反冲力矩；F为1条喷水槽产生的反冲力；R为喷水槽偏心距；N为喷水槽数。

控制“F、R、N”这3个参数，就可以控制反冲力矩的大小，从而获得不同喷洒作业所需要的喷头转速。例如：“高速旋转”可用于喷雾，“低速旋转”可用于喷水，“零速旋转”使旋转喷头变成固定式喷头，也可作为喷枪用于喷淋冲洗。

(3)控制喷头旋转方向。只要改变转子喷水槽中心线与以偏心距R为半径圆相切的位置，就可以改变喷头的旋转方向。

(4)提高抗风力。转子喷水槽仰角的大小影响喷射水流的抗风力，减小仰角可提高喷头的抗风力。

(5)提高喷灌均匀度。旋转喷头的喷灌均匀度，包括圆周方向喷灌均匀度和半径方向喷灌均匀度2个方面。

①圆周方向喷灌均匀度。圆周方向喷灌均匀度受喷头旋转速度均匀度的影响。往复摆动式喷头的旋转运动是“加速-最大-减速-最小-停止-反向”的不断循环，其旋转速度是不断变化的，圆周方向的喷灌均匀度较低。“反冲转子旋转喷头”单向连续旋转，没有往复摆动循环，工作时喷头旋转速度保持不变，因而圆周方向的水量喷灌均匀度要高于摇臂冲击式及齿轮驱动往复摆动式喷头。

②半径方向喷灌均匀度。在工作压力和流量相同的情况下，喷头仰角的大小影响到射程的大小和喷洒水量的分布。本发明是多射线喷头，只要将各条喷水槽的仰角设置成大小不等，就可以显著提高半径方向的水量喷灌均匀度。可见，“反冲转子旋转喷头”的喷灌均匀度，无论在圆周方向还是半径方向，均要高于摇臂冲击式及齿轮驱动往复摆动式喷头。

(6)实现多功能化。转子喷水槽结构包含“槽数N、偏心距R、仰角α、截面积F”等4个要素，称为“反冲转子4要素”。本发明通过“反冲转子4要素”的排列组合，不仅可以控制喷头的转速，而且可以控制喷头的射程、流量、喷灌强度、喷灌均匀度、雾化程度等技术参数。可以像变戏法那样设计出不同系列的反冲转子旋转喷头产品，实现旋转喷头的多功能化。

例如：加大偏心距R获得高转速,适当减小喷水槽的截面积,并采用较高的工作压力,使喷出的水滴在离心力作用下雾化,可以制成“反冲转子雾化喷头”； 将喷水槽的仰角α反向设计，可制成“悬挂式反冲转子喷头”； 改变反冲转子的设计参数,以不同股数、不同射程、不同喷洒角度、不同仰角、不同旋转方向、不同转速的射线喷水或喷雾,产生奇特的动态景观效果,可以制成“反冲转子景观喷头”，等。

(7)抗堵塞。本发明雾化喷头的出水口面积可以超过现有微喷头及滴灌设备几十倍，加上转子工作时的伸缩、旋转，以及水流对转子开放式出水槽冲洗等动作，能够有效地避免喷头堵塞问题的产生。

(8)扩大使用范围。美国3大旋转喷头发明专利技术的使用范围仅限于园林灌溉，而本原创发明专利技术将使用范围扩大到农业大田、园林草坪、温室大棚、厂矿企业、商场宾馆、公共场所、私家庭院等处。

4 “反冲转子旋转喷头”与“传统反作用式喷头”的区别

“传统反作用式喷头”利用水舌离开喷嘴时对喷头的反作用力推动喷管旋转，其结构形式通常有以下几种：

(1)将喷管弯成一定的角度，使主喷嘴水舌的反作用力不通过喷头的垂直轴，从而形成一转动力矩带动喷管旋转。

(2)在喷管的左侧或右侧开小孔，小水舌朝与主喷管垂直方向喷出，带动喷管旋转。

(3)在喷嘴前装一挡片使水舌转弯，利用水舌偏转后的反作用力矩带动喷管旋转，等等。

“传统反作用式喷头”结构一般比较简单，共同的缺点是，如果作用力矩比较大，转动太快，射程就会大大降低。如果反作用力矩比较接近于喷头转动的阻力矩，工作就很不可靠，尤其是刚开始喷灌时难以起动。为了使转速不要太快，就要装置专门的限速器，但是限速器比较复杂，推广受到限制[7]。

“反冲转子旋转喷头”不仅依靠压力水沿偏离圆心的喷水槽向外喷出时产生的反冲力矩驱动转子旋转，而且利用喷水槽的“槽数N、偏心距R、仰角α、截面积F”4个要素控制喷头运动，改善喷头节水性能，实现多功能化，扩大使用范围，轻而易举地化解了“传统反作用式喷头”因限速器比较复杂，推广受到限制的难题。

由此可见，虽然“反冲转子旋转喷头”也属于反作用式喷头，但在结构特征、工作原理和使用范围上，与传统的“反作用式旋转喷头”截然不同，因而不能将它们混为一谈。

5 中美发明专利旋转喷头主要技术参数对比

以进水口直径3/4英寸作为比较的基础。进水口直径是指喷头进水管道的内径，确定喷头的过水能力和工作能力。因为美国2大专利旋转喷头的进水口直径均确定为3/4英寸，所以我们也选定进水口直径为3/4英寸的“反冲转子旋转喷头”进行比较。现将它们的主要技术参数列出如下。

(1)PGP Rotor喷头(US4568024；US4718605)。工作压力206～482 kPa，射程6.7～15.9 m，流量0.11～3.27 m3/h。

(2)MP Rotator喷头 (US6651905 B2)。工作压力175～375 kPa，射程2.5～9.1 m，流量0.04～0.96 m3/h。

(3)3/4英寸“反冲转子旋转喷头”(CN200910302282.X)。工作压力100～250 kPa，射程5～12 m，流量0.1～3.0 m3/h。

“反冲转子旋转喷头”可以采用1/4、1/2、3/4、1、2英寸等多种规格的进水口直径，制成不同功能、不同技术参数的喷头产品供用户选择使用，而这是上述美国2大专利旋转喷头不可能做到的。

6 “反冲转子旋转喷头”的竞争优势

运用“反冲转子旋转喷头”原创发明专利技术，可制成不同安装方式、不同功能、不同系列、不同规格的喷头，供广大用户选择使用，还可为特殊用户的需要量身定制。产业化后将在以下领域发挥竞争优势，克服现有喷灌、微灌、滴灌设备的诸多弊端，推动行业产品升级换代。

(1)走向广阔农田，成为大田节水灌溉的主力军。能耗低,可在自来水压下进行大田固定式、或移动式喷灌作业。抗风力强，克服了现有旋转喷头刮风时水点漂移,甚至无法喷灌的弊端。适用于我国西部地区“干旱、少雨、多风、蒸发量大”的环境，进行低压、低位、抗漂移、抗蒸发喷灌，对贯彻和落实西部大开发战略决策具有重大现实意义。

(2)走进园林草坪、城镇小区、宾馆商场、私人庭院等处，成为生态环境的美容师，为实施《国家新型城镇化规划(2014-2020年)》，改善环境质量，建设“蓝天常在、青山常在、绿水常在”的美丽中国贡献力量。只要通上自来水就能工作，无须安装水泵加压，可节省大量资金，有利于改变我国园林、草坪、小区采用人工浇灌“水漫金山”严重浪费水资源的现状。可采用埋藏式或直立式安装，能调节射程和喷灌角度，以满足喷灌区域形状多变要求，追求艺术效果和生态效益。选择喷头止溢功能,可防止斜坡、山丘地区阀门关闭后，管道内残流水回流，从低处喷头溢出浪费水资源，破坏绿化效果。选择喷头单独关闭功能，可防止阀门漏水造成水资源浪费。千姿百态的水花造型可装扮迷人的风景线，或营造烟雾缭绕的人间仙境，令人心旷神怡。细微雾粒中含有大量负离子，增加了空气含氧量，有益于人们身体健康。可用于宾馆商场、私家庭院、立体緑墙、屋顶花园、生态酒店等处，满足人们改善环境质量，欣赏优美水景的意愿。可以与定时器、电磁阀、控制器配合进行自动定时喷洒作业，或借助于互联网+，用手机进行远程智能控制，使主人离家无忧。

(3)走进茶林、果园、温室大棚，成为绿色农业的保护神,取代微喷头、滴灌设备进行喷雾加湿、喷药治虫、喷水施肥等作业，为石斛、天麻中药材、食用菌、花卉苗木、绿色蔬菜等经济作物工厂化栽培行业排忧解难，帮助农民走上脱贫致富的黄金路。具有抗堵塞功能，避开微喷头、滴灌等设备因出水孔小易堵塞的不治之症。可喷雾或喷毛毛雨，其水滴粗细可选择，粗可达毫米级，细可达微米级，以满足不同栽培作物的要求。喷洒角度可以选择，其喷洒范围可以超过同等压力微喷头10倍以上。消除了滴灌设备“盐分积累”和“水量分布不均”等缺陷对栽培作物造成的损害，有助于提高作物产量。

(4)走向环境治理第一线，成为防尘降温的好帮手，用于厂矿企业喷雾降尘、治理雾霾，或不适宜安装空调设备的露天作业场所、加油站、候车亭、动物园、旅游点等处防尘降温；也可用于鸡、鸭、猪、羊等禽畜养殖场所防尘降温、冲洗污物、喷药消毒，改善卫生环境，防止传染病产生；还可用于服务站冲洗汽车，或生产车间清洗零件，等。可在自来水压力下进行喷毛毛雨或喷雾作业，生产成本和使用成本远远低于现有高压喷雾或清洗设备。

水资源短缺和生态环境恶化是人类面临的共同危机，推行节水灌溉、改善生态环境，已成为世界各国政府和人民的必然选择。“反冲转子旋转喷头”2016年8月被“第十一届中国西安国际科学技术产业博览会暨高新技术成果交易会”授予“优秀科技成果奖”，经有关部门审定为《十三五重点领域科技成果》和《十三五重点领域扶持项目》，产业化后将结束我国旋转喷头落后国际先进水平几十年的历史，产生巨大的经济效益和社会效益。

[1] 莱芜市丰田节水灌溉器材有限公司，以节水灌溉技术创新守住水资源底线[EB/OL].[2014-01-14]. Http:∥www.lwftjs.com.

[2] 兰才有，冯大明. 从雨鸟园林灌溉喷头看我国的差距[J]. 节水灌溉，1998,(3).

[3] 黄科显，苗玉彬，满志恆，等. 基于黏性阻尼的埋藏式旋转喷头限速系统的研究[J].机械设计与制造，2007,(11).

[4] Hunter. 可调圆弧、可调流量喷头：美国，6651905 B2[P]. 2003-11-25.

[5] 严海军，刘竹青，王福星，等. 我国摇臂式喷头的研究与发展[J]. 中国农业大学学报，2007,12(1).

[6] 李久生，康国义，黄修桥，等. 喷灌系统关键设备研制与产业化进展[R]. 太原：2004年中国节水农业科技发展论坛，2004-11-17.

[7] 武明仁. 灌溉排水[M].北京：中国农业出版社，1994:78.

[8] 孙正国. 中国贡献----十三五重点领域科技成果汇编[M]. 北京：中国新闻联合出版社，2017:26-27.