圆形喷灌机喷头选型及配置

侯永胜，董晓丽，严海军，董云雷，高江永，蔡振华，史海玲，崔 康

(1.中国农业机械化科学研究院，北京100083； 2.北京机科国创轻量化科学研究院有限公司，北京100083；3.中国农业大学水利与土木工程学院，北京100083)

0 引言

圆形喷灌机(中心支轴式喷灌机)是喷洒支管固定在若干个塔架车上，并绕中心支轴旋转的一种喷灌机。作为一种典型的节水灌溉设备，具有喷洒质量好、工作效率高、劳动强度低、自动化程度高和操作方便等优点，被广泛应用于地块较大、技术和经济条件较好的大型农场。

圆形喷灌机最早出现于20世纪50年代，由美国人Frank Zybach发明，后经维蒙特(Valmont)等公司改进得以推向市场。到20世纪60年代，喷灌机得到初步应用，但全年产量只有50台。随着全球范围内节约水资源和农业自动化、集约化的发展，圆形喷灌机进入快速应用阶段，根据联合国粮农组织编写的《机械化喷灌溉》资料统计，1972年美国境内安装13 600台，1978年美国境内安装台数达到51 965台，在此期间，美国累计国外销售51 095台。预计到2027年，全世界圆形喷灌机产值将达到19亿美元。由于圆形喷灌机在灌溉和节水方面的多种优势，美国著名科技刊物《科学美国》曾称赞道：“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”[1]。

我国大型喷灌机技术的发展从1976年末开始，经历4个阶段：起步引进阶段、关键部件攻关阶段、完善提高和稳妥推广阶段、技术创新和产业化阶段。2009年以前，大型喷灌机市场需求量较小。从2010年开始，市场需求量呈快速增长趋势。截止到2018年底，全国大型喷灌机保有量超过1.6万台，累计灌溉覆盖面积超过48.67万hm2。

圆形喷灌机喷灌作业时，桁架输水管围绕固定中心支轴旋转，灌溉区域呈圆形或扇形，灌溉面积随机组有效长度的2次方关系增加，输水管内的压力随着机组有效长度的增加大幅度降低。圆形喷灌机机组喷灌强度沿着机组方向线性增加，因而机组末端喷灌强度超过土壤入渗率，严重时会出现地面径流(低压散水式喷头较为明显)，引起土壤破坏和肥料的分布不均。为了缓解此问题，圆形喷灌机工程设计时必须要重视喷头选型、喷头配置方式及其他多种因素，如作物种类、土壤类型、喷头类型及喷洒性能等。喷头类型及喷头配置方式对整个喷灌机组的系统设计、灌溉质量和运行管理等方面具有重要意义[2-3]。

围绕圆形喷灌机使用，从喷头类型发展演变、喷头结构及性能研究和喷头配置方式等多个方面，阐述其研究现状，并进行归纳总结。

1 喷头类型演变过程

灌溉用喷头的发明早于圆形喷灌机，由于圆形喷灌机对喷头的各种需求，使得喷头种类有了不断的发展和更新，经历了从单纯机械组合到有机整体的过程。

1933年摇臂式喷头问世，由Rainbird和Nelson公司生产，有力促进了当时农业灌溉技术的快速发展[4]。20世纪60年代中后期，出现了行走式喷灌机，并得到快速推广应用，其中以圆形喷灌机为主要代表，采用摇臂式喷头，工作压力在340 kPa左右，实际运行成本高，飘移严重。为了降低成本和减少飘逸，又研制出低仰角摇臂式喷头，工作压力170～270 kPa，缓解了上述问题，但是喷头流量受灌溉地形高低起伏影响严重。20世纪70年代，研制出的流量控制喷头和固定式压力调节器，解决了喷头流量受地形影响难题。20世纪70年代中期，为了降低机组运行能耗，研制出低压折射式喷头，工作压力≤200 kPa，同时，通过对喷嘴和折射盘的系列化、通用化设计，以适应不同作物及土壤需求。由于喷头工作压力降低，导致射程变短(如D3000系列喷头，流量7 m3/h，最大射程7 m)，喷头间距变密，喷灌强度增大，产生地表径流[5-6]。针对这一问题，先后出现两种解决方案：方案1，通过调整喷头配置方式，即通过增大喷头间距，降低喷灌强度，避免产生地表径流；方案2，通过设计新型喷头产品来实现，即通过水冲力和阻尼器使带有沟槽的喷盘以一定转速旋转，扩大喷洒面积，降低喷灌强度，如R3000系列喷头，流量7 m3/h，最大射程11 m，大大降低了机组的喷灌强度[7-9]。

灌溉使用的喷头分类有多种方法。

按驱动方式：摇臂(水平、垂直)式、球驱动式、齿轮驱动式、叶轮式和反冲阻尼式。

按工作压力等级：高压喷头(500～800 kPa)、中压喷头(200～500 kPa)、低压喷头(100～200 kPa)和微喷头(50～150 kPa)[4]。

根据作物高度情况和喷头射程需要，喷头安装有顶部倒喷式(图1a)和下垂式(图1b)两种方式。

按喷洒特征：散水式(折射式、缝隙式和离心式)和旋转式。根据目前圆形喷灌机喷头发展和应用特征，笔者建议当按照喷洒特征分类时，应新增旋转折射式类型。

根据喷头的喷洒特征、驱动方式和工作压力等参数，圆形喷灌机的喷头类型演变过程如表1所示[4]。

表1 圆形喷灌机喷头类型演变过程

2 喷头研究现状

综合圆形喷灌机工作原理，并考虑其末端喷灌强度较大的工作特点，国内外关于喷头的研究，主要集中在几何参数(进水口直径D、喷嘴直径d、喷射仰角α)和工作参数(喷头流量qp、喷头工作压力hp、喷头射程R)，而对水力性能参数[喷灌强度ρ、水滴打击强度(水滴直径、水量分布图或水量分布曲线)]的影响及喷洒漂移损失等方面研究较少。

圆形喷灌机常用喷头为旋转摇臂式(以下简称摇臂式)、散水式、旋转折射反冲阻尼式(以下简称旋转折射式)3大类。以下从这3类圆形喷灌机常用喷头入手，对喷头的研究现状进行分析和讨论。

数据来源：美国Nelson和 Senninger产品样本

2.1 摇臂式喷头

摇臂式喷头是指绕其铅垂轴旋转并将水洒布在圆形或扇形面积上的装置。它是在喷管上方的摇臂轴上，套装一个前端设有偏流板(挡水板)和导流板的摇臂，压力水从喷管的喷嘴中喷出时，经偏流板冲击导流板，使摇臂产生切向运动力绕悬臂回转一定角度，然后在扭力弹簧的作用下返回并撞击喷管，使喷管旋转一定角度，如此反复进行，喷头即可作全圆周转动。如在喷头上加设限位装置和换向机构，使喷管在转动一定角度后换向转动，即可进行扇形喷灌。

摇臂式喷头研究方法通常为试验方法、流动与结构数值计算方法。研究内容主要集中在喷头的喷洒特性、射程、喷嘴形成水滴、水量和水滴直径的预测，以及影响因素等方面。

2.1.1射程

喷头射程影响灌溉面积、喷灌效率、喷灌强度等，是圆形喷灌机系统设计中重要指标，直接影响系统中喷头数量。从20世纪20年代开始，国内外学者分析了影响喷头射程的因素，并提出许多种喷头射程的经验公式，BEZDEK J C等[10]提出了喷头射程与工作压力和喷嘴直径的关系。于浙民[11]在PY2型系列喷头射程试验的基础上用曲线拟合方法，得出了旋转式喷头射程公式。李久生等[12]用水滴运动方程确定水滴落地时的速度，计算了单位质量水滴沿径向不同位置处的动能和总动能。徐红等[13]利用ZY系列喷头测量了在不同工作压力下水滴直径的室内试验，结果表明，采用水重加权平均法计算水滴平均直径更符合实际；水滴直径沿射程方向呈现较好的指数函数分布；在距离喷头同一位置处，平均水滴直径随喷头工作压力的升高而减小；随着喷头工作压力的升高，产生小水滴的频率增大。FRISO D等[14]提出了射程与喷嘴直径、喷嘴压力、喷头高度、喷头仰角(<30度)呈同向关系，并回归出2个公式。

同时，还有其他用于估算旋转式喷头射程的经验公式，如卡瓦扎公式、常文海公式、冯传达公式和加维林公式。蔡振华[5]用射程R、喷嘴直径d和喷头工作压力hp回归出折射式喷头的射程计算公式。

另外，喷头安装高度越高，则射程就越大。但安装高度受作物高度和冠层的影响。

综合上述情况可知，喷头射程计算公式主要来源于3种途径：经验、试验数据回归和水滴运动方程求解。目前，在工程应用上以试验数据回归(经验也属于数据回归的另一种形式)应用较多。随着计算机技术的不断发展，喷头数值模拟技术也成为研究热点之一，对水滴运动方程求解研究也逐渐细致深入。

2.1.2喷嘴直径、工作压力对水滴直径和水量分布的影响

喷头喷洒水水滴直径的大小与喷头水量分布、喷灌效果等均有重要关系。研究表明，喷嘴直径与水滴直径成正比关系，水滴较大时，水流从喷盘实际射出仰角比理论值偏大，相反则偏小[15]。当初速度相等时，大水水滴比小水水滴具有更多动能，运动距离更远[16]。在工作压力偏高和喷嘴偏小情况下，会产生小水水滴，使水量集中在喷头附近，增大喷头附近喷灌强度，引起地面径流、增大系统运行能耗及漂移损失。

工作压力较高时产生小水水滴。在工作压力偏低和喷嘴偏大情况下，会产生大水水滴，水量集中在离喷头较远一些区域，易产生地面径流。当压力和喷嘴直径同时增大时，水量集中分布在喷头附近，但平均水滴直径偏小，喷洒半径偏大[17-18]。

水滴的惯性与直径是立方的函数关系，空气阻力与水滴直径是平方的函数(重叠面积)，小水滴比大水滴的运动速度慢，动能小，在相同条件下，运动距离较短。所以，喷头射程与水滴直径成同向增减关系，但应工作在推荐的范围，否则会导致喷头的水量分布变差。因为，控制水流扩散有2个因素，分别是水流自身的变化和空气阻力(克服水表面张力)。喷射速度对于产生破坏水滴所必须的空气阻力是至关重要的。旋转较快的喷头具有较大角速度，使得水流更好破碎。反之，水流的破碎主要是速度变化和空气阻力来控制，旋转较慢时，喷洒半径较远[19]。BAUTISTA-CAPETILLO C等[20]提出水滴动能随喷头距离增长而增长，随压力增长而下降，并用试验回归了喷头在200、300和400 kPa压力下，水滴与在射程方上的距离之间成指数关系增长的数学公式。

研究人员对喷头的研究长期致力于喷嘴直径、工作压力对水滴直径和水量分布的影响。工作压力对水量分布的影响研究是工作压力对水滴直径研究的另外一种表现形式，目前仍以试验定性研究为主。

除了以上2个主要研究方面外，其他研究工作还包括喷头新结构、喷灌均匀度的可视化、内部流场数值模拟、摇臂碰撞过程数值模拟、流道曲面建模和喷头内部曲面逆向重构等方面。朱兴业等[21]和刘俊萍等[22]针对喷头在低压条件下工作时水力性能较差的问题，提出采用异形喷嘴(喷嘴开槽)降低水滴打击强度并改善喷洒均匀性的方法。袁寿其等[23]提出基于MATLAB的喷头水量分布数据处理方法，通过将喷头径向水量分布数据转换为网格型数据，再进行插值叠加求出各网格点总降水深，求出不同组合间距系数下的喷头组合均匀系数，实现计算结果可视化。严海军等[24]和韩文霆等[25]利用三维设计软件建模，应用Fluent中模拟内流道流场，分析了喷头主副喷嘴的流量、入口压力与出口平均速度等参数的关系。徐琳等[26]利用三维光学扫描仪获取数据点云，采用弦偏差采样法将点云数据精简后，选择非均匀有理B样条模型分别按照点—线—面的顺序对喷嘴内部曲面进行重构。还有学者针对导型喷嘴和方形喷洒域进行了相关研究[27-30]。

这些研究对喷头的设计、特性分析、选用及产业化等具有重要指导意义。

2.2 散水式喷头(固定散水式喷头)

散水式喷头是指喷头喷出的水沿径向向外同时散开，湿润面积为圆形或扇形。常用折射式喷头，其工作原理为水流由喷嘴垂直射出后遇到折射锥盘(又称折射盘、折射板)阻挡，形成薄水层沿四周射出，在空气阻力作用下裂散为小水滴降落到地面。

折射式喷头研究主要集中在喷嘴流量系数折射盘表面形状对喷洒的影响和喷嘴出口至折射盘距离长短对盘表面压力影响等方面。王新坤等[31]和朱兴业等[32]提出的全射流喷头相关理论一定程度上可支持折射盘的水力性能设计，杨雯等[33-34]和张以升[35]分析了喷头水力结构对喷头水力性能的影响。

2.2.1喷嘴流量系数

喷嘴结构包括喷嘴进出口直径、喷嘴长度和喷嘴内缩角。对于任何内缩角喷嘴，流量与压力都可以写成指数关系。喷嘴流量系数和射程随内缩角增大而减小，在超过60时尤为明显；当内缩角取30时，射程较大，且水量分布较为理想。流量系数对射程影响较大。在其他条件相同情况下，喷嘴流量系数越小，则射程越近。同时，随着内缩角增大，喷盘旋转速度相应下降[36]。

可以通过合理确定喷嘴几何参数，结合流体力学知识获得合理的流量系数[36]。金宏智[37]对ZY1和ZY2喷头的流量系数进行研究，并根据喷嘴出流特性推导出适合于ZY系列喷头的流量系数计算公式。严海军[36]推导出圆锥形喷嘴流量系数的计算公式，并进行了试验研究，得出流量系数随着锥角的增加而逐渐减小的结论。以上研究有利于我国圆型喷灌机喷嘴系列化的研发。

2.2.2折射盘结构

折射盘结构对喷头水量分布具有重要影响。目前，折射盘有光滑、中槽和粗槽3种，并配以不同仰角，形成不同用途的喷盘。其结构与喷洒效果如图2所示。

图2 折射式锥盘结构及喷洒效果

光滑槽面产生的水滴小，易受风影响，产生漂移损失。中槽多数是固定式喷头，使水沿沟槽约束方向射出，较光滑面有更大的动能，所以折射较远，抗风能力较强。盘上仰角对灌水均匀性有很大影响，仰角大，则灌水均匀性好，反之，则差，同时喷头的抗风能力变差[38-39]。因为喷盘不能旋转，通常折射盘水槽具有相同的仰角，以保证各个径向的水量分布一致性。

WU Di等[40]通过对灭火喷头分析研究，提出从喷嘴射流冲击折射盘后水流分成4个区，应用自由表面边界层和波色散理论开发出雾化模型，用于预测水滴的最初及任意时刻直径大小和概率分布情况。但其局限性在于此理论针对的是对无槽光面折射盘。

而圆形喷灌机机组所用散水式喷头盘表面结构比较复杂，目前尚无公开资料对其结构进行详细设计说明和理论分析。可以利用曲面的逆向重构技术对现有产品喷盘进行三维建模和射流数值模拟。关于射流冲击盘动力学的数值模拟，还未曾见相关文献。

2.2.3喷嘴出口至折射盘距离对盘表面压力的影响

水从喷嘴以射流形式冲击到盘表面，在表面产生压强，压强大小受喷盘至喷嘴出口距离影响，存在最小值。AHMED A等[41]通过CFD对最小值进行求解，发现当喷嘴出口至喷盘锥顶距离为喷嘴直径1.4倍时，所受冲击压力最小。因此，在保证喷头水量分布要求条件下，研究射流冲击喷盘时所形成的压力分布，对于优化喷盘结构、选择材料和降低生产制造成本具有重要意义。目前，相关研究还停留在CFD模拟阶段，缺乏试验验证。

散水式喷头对射程的研究主要是喷嘴流量系数，工程试验表明，研究内容相对成熟、可靠。国外有少量对于折射盘结构、射程和水量分布的研究，主要对现有不同折射盘结构的定性试验研究，流体在喷盘表面的动力学研究尚属空白。

2.3 旋转折射式喷头

旋转折射式喷头是在散水式喷头工作原理基础上发展形成的。它是指具有可旋转的折射盘(又称折射板)，水流喷洒形状为全圆或扇形面积。喷盘分光滑和沟槽2种，沟槽又分凹状、凸状和平板状3种，如图3～4所示。该喷头主要部件包括接头、喷嘴、喷头支架、低速旋转喷盘(折射盘)和阻尼器，如图5所示。水流从喷嘴喷出后，集中成一束喷射到旋转喷盘的流道内，水流经过弯曲流道的折射后按一定的仰角喷出，同时喷射出的射流对低速旋转喷盘形成一个反驱动力矩，在阻尼器的粘滞阻力矩共同作用下，喷射出水流随着旋转喷盘作低速平稳旋转。而撞击在沟槽喷盘时，因沟槽数目和深度不同，水流喷洒形状不同，如图6所示。同时，通过对喷嘴和喷盘系列化、通用化设计，以适应各种作物及土壤需求，并采用颜色区分出适用范围。

图3 i-Wob喷盘表面形状(Senninger公司)

图4 R3000喷盘表面形状(Nelson公司)

1.G3/4”接头 2.喷嘴 3.喷头支架 4.低速旋转喷盘(折射盘) 5.喷盘帽 6.阻尼器

图6 R3000旋转折射式喷头喷洒现场

旋转折射式喷头研究主要集中在折射盘表面结构、旋转速度对水量分布影响。严海军等[42]、高江永等[43]和赵伟霞等[44]分析了转速和喷头水力结构对喷头水力性能的影响。

2.3.1折射盘结构

相对于散水式喷头，旋转折射式喷头可能具有不同的流道(出水槽)截面形状，基本结构如图7a所示，并且各个流道具有不同仰角(如图7b和图7c所示)，以满足喷头的不同水量分布要求或特殊功能需求。

以图7折射盘为例，折射盘围绕中心部共分布8个流道(含4种不同类型流道，每种2个)。盘的上表面整体呈圆锥形，使流道获得尽量大的垂直方向分量。不同类型流道的曲面形状不完全相同，并承担不同的功能。水流从一个固定的喷嘴流出后撞击散水盘的中心部，8个流道将水流分成8股支流。范围流道的主要功能是增加水的通过性能，并获得理想的性能参数及水量分布特性。驱动流道的曲面保证从中心垂直下落的水流驱动折射盘按顺时针方向旋转；U型流道用于集中水流，形成较大的动量，排开作物冠层的遮挡。制动流道用于降低盘的旋转速度，并抵消部分驱动流道产生的驱动力，保证折射盘在一定水量冲击范围内，其旋转速度相对稳定。

1.散水盘的中心部 2.范围流道 3.驱动流道 4.U型流道 5.制动流道

根据质点抛物线运动方程和破碎与雾化模型可知，喷头水量分布与从喷盘流道末端射流的初始速度密切相关[45-47]。可以通过设定各个流道的预期速度，然后利用水泵叶片设计原理来设计各个流道，实现预期速度分布方法。

2.3.2折射盘旋转速度对水量分布的影响

刘中善等[48]试验结果表明，折射盘转速对水量分布有较大影响。当折射盘超过一定临界转速后，转动角速度会破坏正常射流，射程变短。稳定的旋转速度对水量分布也有很大的影响，低转速喷头水量分布更趋近于三角形[49]。R3000喷头采用阻尼脂产生阻尼力矩来平衡水射流对折射盘的驱动转矩，保证喷头在10 r/min范围内运行[50]。

有学者对R3000(试验转速10 r/min)和i-Wob(试验转速100～600 r/min)的射程和水滴大小进行试验[51-52]。结果表明，水滴直径与射程的平均动能和喷嘴压力的平方具有相关性，喷盘旋转快慢对平均动能的影响较小。快速旋转喷头的局部喷灌强度较小，约20 mm/h，且连续性强，与自然降雨强度相类似；而慢速旋转喷头的雨量空间分布不连续，局部喷灌强度较大，约200 mm/h，且有间断。因此，可以根据折射盘旋转速度要求，来进行阻尼器的设计。

旋转折射式喷头与散水式喷头的水力性能有较大区别，可以借助于旋转流体机械相关理论进行分析。叶片制作可以参考水泵叶片设计方法。通过理论与实践相结合的方式，建立一套旋转折射式喷头的设计方法。

2.4 喷头试验

喷头特性的研究主要以试验为主。喷头试验可以分为单喷头试验和机组试验。目前，圆形喷灌机及喷头试验主要依据以下标准：JB/T 6280—2013《圆形(中心支轴式)和平移式喷灌机》、GB/T 19797—2012《农业灌溉设备 中心支轴式和平移式喷灌机 水量分布均匀度的测定》、GB/T 18687—2012《农业灌溉设备 非旋转式喷头技术要求和试验方法》、JB/T 7867—2012《农业灌溉设备 旋转式喷头》、GB/T 22999—2008《旋转式喷头》。

在单喷头试验时，主要是对喷头的水量分布曲线的测定，对机组主要是对水量分布均匀度测定。

目前，国内喷头水量分布曲线通常采用雨量筒按照标准所要求的排列形式来收集各个位置的水量，并进行测量，测量方式包括量杯式、翻斗式雨量筒式和电子称式雨量筒式。其中，采用翻斗式雨量筒式和电子称式易实现计算机自动采集测试系统。

2.5 其他方面

圆形喷灌机除了用于喷水灌溉外，还可以同时施肥，实现水肥一体化，具有省肥节水、省工省力、降低湿度、减轻病害和增产高效等优点。另外，圆形喷灌机还可以用于污水灌溉和植保喷药。根据水质和机组用途不同，对喷头的水力性能也有所不同。受圆形喷灌机工作原理限制，其配套喷头流量由中心支轴处向末端按一定规律递增，才能满足灌溉或植保作业要求。

对于用于水肥一体化喷头，流量范围为0.1～20.0 m3/h。根据作物各个生长期对灌水量不同，基于系统流量，通过调整机组的行走速度来提高灌溉效率和肥料的利用率。对于喷洒粪液进行施肥的喷头，需要加大喷头流道，以增强喷头的污物通过能力。植保喷药时，要求喷头具有较好的雾化指标。现有植保机械喷头多为一条支管上均布若干参数相同的喷头，通过行走机械背负载药箱沿直线行进作业。与灌溉作业喷头相比，喷头流量较小，流道较窄，喷头规格数量较少，且没有形成系列化，因此还不能与现有圆形喷灌机作业模式相配套，有待进一步深入研究。

3 喷头配置方式现状

3.1 圆形喷灌机喷头配置特殊性

由于圆形喷灌机喷头沿中心支轴向末端，所控制面积呈线性关系增加，要求喷头流量依次增加，并且水量分布合理。因此，需要对喷头配置进行优化计算，使机组具有合适的喷灌强度、较高的喷洒均匀度、合理的地面打击强度。同时，特别注意避免机组末端产生地面径流[53-55]。

在相同喷嘴直径和喷头间距条件下，通常折射旋转式喷头的组合均匀性要优于散水式喷头。试验证明，旋转折射式喷头R3000较折射式喷头D3000喷洒均匀系数能高出5%左右。另外，选择一些新型喷头也可提高喷灌均匀性，如R2000WF，在相同工作压力、组合形式及间距条件下，与传统摇臂式喷头相比，喷头具有更高的喷灌均匀性，更适合于低压条件下工作[56]。

机组末端喷灌强度大于土壤入渗率时易产生地面径流。因此，需要结合各种具体土壤和植被条件确定相应喷头允许喷灌强度。

所谓允许喷灌强度是指小于等于在一定喷水量所需喷洒历时末土壤入渗速度的喷灌强度。当用允许喷灌强度喷灌时，土壤结构基本上不遭到破坏，喷洒的水量能近乎全部渗入土中，土壤表面不产生水洼或径流。一般理论认为，喷灌设计时，其喷灌强度应小于土壤的最大入渗速率，以避免造成土壤结构破坏和地表积水或径流。不同土壤的入渗速率不同，所以在选用喷头之前先要根据圆形喷灌机的使用环境做土壤类型的鉴定。根据土壤的入渗速率曲线来选择喷头类型[15]。为了比较喷灌强度和土壤入渗速率的差距，将入渗速率曲线和喷灌强度曲线(阴影等腰三角形的两条边)放在同一个坐标内，如图8所示。

图8 砂土入渗率与喷头喷灌强度对比

图8中阴影三角形所包围的面积表示单次灌水量。喷灌强度曲线(阴影三角形等腰边)高于土壤入渗速率曲线表示可能产生径流。要保证机组的喷灌强度曲线，基本在所要灌溉土壤的入渗曲线以下或附近，才能保证灌溉过程不发生径流，引起土壤的板结。需要根据各种土壤和作物的需求来开发多种喷灌强度的喷头以满足需要。

需要合理布置机组主输水管路上的喷头间距，并在满足喷灌强度、喷洒均匀度前提下，选择较经济的喷头。

3.2 圆形喷灌机常用3种喷头配置方式

机组主输水管路配置喷头主要有3种方式，如图9所示[5]。

图9 机组主输水管路喷头配置方法

(1)等间距、不等流量配置。

主输水管路喷头配置间距相等，间距视具体喷头而定。第N个喷头所控制灌溉面积与第N+1个喷头所控制灌溉面积之比为N∶(N+1)。那么从出水量上来讲，第N个喷头是第1个喷头的N倍。相应的喷嘴直径需要N种规格。但考虑到实际加工能力和使用过程堵塞的影响，往往对最小喷嘴直径有下限。另外，从水力性能讲，喷嘴规格越多，机组的喷嘴均匀系数越高，从生产使用实践讲，喷嘴规格越少越有利于组织管理。因此，需要综合考虑，如美国Nelson公司提出36种喷嘴直径规格。

选型配置时，应根据相关喷头配置数学模型计算出喷嘴理论直径，从现有喷嘴直径的数据库中选取，是目前使用最普遍的方法[42-43]。

(2)不等间距、等流量配置。

主输水管路配置完全相同的喷头。越靠近中心支轴，喷头间距越大；沿主输水管路越往外侧，喷头间距逐渐缩小。任意喷头的间距和该喷头至中心支轴的距离成反比，即该喷头间距与该喷头至中心支轴距离的乘积是常数。

这种配置方法最大的优点是喷头规格少，安装方便，但喷头间距不等，造成喷头座加工非常困难，不利于输水管的通用性和互换性，对机组长度和流量变化的适应性也较差。

(3)分段等间距、不等流量配置。

将主输水管路分成3～4段，每段内的喷头等间距配置，喷头的流量配置不同。每段内的喷头配置近似于第1种方法。靠近中心支轴处的喷头间距越大。

目前，机组最常用配置方法是第1种。在此基础上，可以将折射式喷头D3000和旋转式喷头R3000混合分段使用，如靠近中心支轴部分使用D3000，靠近末端部分使用R3000，通过利用计算机优化调整，使机组满足喷洒均匀性和喷灌强度条件下，尽量使用价格便宜的D3000，以降低机组的成本。

如图10所示，当按图10a的形式进行喷头布置，当机组系统长度>415 m时，很可能在喷头3和4处出现喷灌强度仍然大于土壤入渗率，因此造成地面径流。当图10a喷头3和4改进为图10b中布置，在输水管两侧垂直方向各增加2个流量相对小的喷头，即喷头5、6和7、8，可以有效克服地面径流问题。

图10 末端喷头降低喷灌强度的布置方式

3.3 喷头配置模型及软件

目前，国内外关于喷头配置主要采用面积法原理，以保证灌水均匀度为约束条件，进行喷头配置，通过控制机组运行速度来控制灌水深度。国外各公司开发了基于自身喷头产品的喷头配置软件，如Nelson的CPNozzle软件。

仪修堂等[57]提出了圆形喷灌机在喷头等间距布置时的配置数学模型及相关软件，软件通过设定末端喷头流量和工作压力条件下，通过计算各段水力损失优化出一组有序喷头排列组合。但水力损失计算中未考虑喷头下垂管部分，在一定程度上降低了配置精度。

严海军等[58-59]提出了增加喷头下垂部分水力损失计算的喷头配置模型，开发出基于D3000单喷头水量分布曲线的喷头配置软件，软件还增加了机组水力性能预测功能。田间试验结果表明，预测值与实测值具有相同的趋势。

建立和完善各类喷头在各种工作条件的单喷头水量分布曲线数据库，才能精确配置喷头和预测机组性能。

4 结论

随着土地流转进程的加快，大型农场所占比例不断攀升。整机长度超过400 m的圆形喷灌机所占比例逐渐增加，圆形喷灌机喷头选型及配置方式越来越受到学者和农牧民用户的重视与关注，对此进行了综述分析，并得到以下结论。

(1)总结了圆形喷灌机喷头类型演化发展的主要过程与发展趋势。机组喷头从20世纪60年代的中压摇臂式喷头发展为低压折射式，并朝着低压反冲阻尼旋转式喷头发展。喷头工作压力整体呈下降趋势，并且还会进一步下降。另外，开发适合特定场合、具有特殊性能的喷头是其发展的另一趋势。

(2)旋转折射式喷头的需求量逐年增加，但国内外相关的研究报道很少，亟待展开该类喷头的研究和国产化，以满足日益增长的规模化农业对喷灌机的市场需求。研究方向应从喷头工作参数(工作压力、喷嘴直径)、折射盘结构、锥盘旋转速度等方面开展喷洒水滴产生的水动力学特征入手，构建完善的水力设计方法，保证喷洒特性。对圆形喷灌机配套植保喷药喷头的研究尚属空白，有待深入研究，具有广泛的市场前景。

(3)喷头配置方式对于机组整体水力性能具有重要影响，在进行机组选择和设计中应加强对各种喷头的混合使用和扩大末端喷头间距方面进行更深入细致的研究。完善现有喷头的单喷头水量分布曲线数据库建立，为合理配置喷头提供必要条件。