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第三章喷灌设备结构与设计第一节喷头第二节微喷头与滴头第三节管材与管件第四节控制/量测/安全设备第五节水泵1.1喷头的综述一、喷头发展史国外1933年，发明了第一只摇臂式喷头20世纪50年代，发明叶轮式喷头20世纪60年代末，发明垂直摇臂式喷头20世纪70年代，我国发明全射流喷头20世纪90年代初，出现双导流器垂直摇臂式喷头20世纪90年代末，出现喷头—阀门一体的喷头、阻尼喷头21世纪初，出现可调仰角喷头、微电子控制角度的喷头一、喷头发展史国内1954年，我国第一套引进苏联的喷灌系统在城郊蔬菜基地建成50~60年代，引进仿制阶段70年代初，研制创新阶段70年代中期~80年代中期，系列化、标准化攻关阶段，成立联合设计组、制定技术规范、试验标准2001年~，在国家“863”项目、国家自然科学基金项目等资助下，进一步研究、开发与推广工作二、国内喷头发展现状产品种类少，规格单一，性能可靠性差，没有形成系列化、成套化。对喷头的设计理论还不够成熟，研发力度不够，技术转化能力弱，只有少数研究单位孤兵作战，企业几乎缺乏研究人员。企业追求利润，竞相仿制、缺乏性能测试环节，造成喷头性能达不到设计要求，影响喷灌系统的灌水质量和使用寿命。与国外相比：二、国外喷头发展现状喷头种类多、规格齐全，与喷灌系统（喷灌机组）配套的喷头齐全，性能参数覆盖范围广。建立专门的研究机构，研发力量主要以企业为主体，建有先进的性能测试技术与装置，企业每年投入稳定的研究经费，不断研发新产品进入市场。采用先进的制造技术、测试技术，应用新材料、新工艺、新设计分析方法等研发新喷头。三、喷头发展趋势朝“低压、节能”方向发展新材料的应用多功能、多用途、新结构的喷头发展新的设计理论、分析手段、试验方法的应用拓展新的应用领域喷头应用管道式喷灌系统喷头应用喷灌机组喷头应用条播圆形播密植播喷灌机组喷头应用喷灌机组喷头应用草坪喷灌喷头应用草坪喷灌喷头应用高尔夫球场喷灌喷头应用防霜冻喷灌喷头应用除尘作业1.2喷头分类及其特点一、按工作压力和射程分类低压喷头、近射程喷头：H=10~20m、R=5~15m中压喷头、中射程喷头：H=20~40m、R=15~30m高压喷头、远射程喷头：H=40~80m、R=30~75m、甚至超过100m喷头漫射式喷头（固定式）射流式喷头（旋转式）孔管式喷头（固定式）折射式喷头缝隙式喷头离心式喷头摇臂式喷头（撞击式）反作用式喷头叶轮式喷头（蜗轮蜗杆式）垂直摆臂式喷头全射流式喷头单列单向喷头多列多向喷头喷头二、按结构形式和喷洒特征分类1.3摇臂式喷头结构与工作原理常见摇臂式喷头PY1、PY2系列常见摇臂式喷头ZY1、ZY2系列常见摇臂式喷头出口挡水板顶部安置折射板特殊部件喷嘴出口处安装夹板，增加雾化性能，但减少了射程。特殊部件导流器分体式低仰角、极低仰角喷头特殊部件特殊部件喷嘴安装有可变形弹性垫，用于调节流量特殊结构特殊结构材料工程塑料锌基合金铸铝黄铜结构特点单向双喷嘴喷头双向双喷嘴喷头分为单嘴、双向双嘴、单向双嘴和三嘴等形式结构组成过水流道、旋转密封机构、驱动机构、换向机构偏流板导流板摇臂摇臂弹簧换向机构防砂弹簧喷体/喷管结构组成驱动机构组成摇臂、摇臂轴、摇臂弹簧、弹簧座等分类悬臂梁式桥架式（框架式）驱动机构摇臂套装在摇臂轴上，摇臂轴固定在喷管或喷体的上方，摇臂弹簧一端插入摇臂框架，一端插入弹簧座。可调整旋转弹簧的张开角度改变弹力。摇臂由摇臂体、摇臂轴衬和导水器组成，主要是驱动喷头旋转。导水器由偏流板和导流板组成，个别在两者之间安置连接托板（多用小喷头）桥架式（框架式）驱动机构悬臂梁式驱动机构换向机构又叫扇形机构，包括换向器、限位装置、反转部件三部分；作用：使喷头在规定角度范围内作往返扇形喷洒；换向器：双稳态突变挡销机构，包括突变挡销，传动弹簧，拨杆和限位挡杆等组成；传动弹簧：由拨杆和限位挡杆等组成。换向机构突变挡销在某一个稳定位置时，突变挡销卧下，摇臂能正常摆开，正向旋转；在另一个稳定位置时，突变挡销跳起，摇臂不能正常摆开，反向旋转；实际上是具有限位装置的双摇杆机构。换向机构分类转钩式由挂钩、扭簧、拨杆、凸块组成；转块式由转块、轴、扭簧、拨杆和销组成；卧钩式由卧钩、卧钩轴、拨杆、拨杆、扭簧等组成；挺杆式由挺杆、杆座、拨块轴、拨杆、拨杆轴、扭簧组成；摆块式由摆块、摆块轴、限位块、扭簧、拨杆和拨杆轴组成。换向机构分类按轴的数量分同轴式异轴式按轴的布置方位分立轴斜轴卧轴转钩式换向机构转块式换向机构卧钩式换向机构挺杆式换向机构摆块式换向机构限位装置卡簧式限位环螺柱式滑环式卡簧式限位环用普通弹簧钢丝(或钢片)制成，靠弹力固定在空心轴套上，通常一长一短两臂；限位卡簧共两根，上下相对方向装置，工作时扇形中心角应位于长臂之间；结构最简单，可调角度简单，但必须注意开口大小，装配前需有一个预紧力。螺柱式在空心轴套外镶一套圈（用静配合），或直接在空心轴套上铸出凸台，每隔一定角度打一螺孔，用两根螺柱作为限位销，限制拨杆；结构简单，工作可靠，但不能任意调节扇形角度。滑环式在空心轴套外面套上两个滑环，每个滑环上有一个攻穿的螺孔，分别用两个螺钉定位并做限位销；也用一个滑环按螺柱式每隔一定角度设一通孔并攻丝，用两个螺丝定位并兼做限位销；工作可靠，结构简单。旋转密封机构作用保证喷头工作时既能绕竖管转动，又不漏水。分类端面密封径向密封端面密封端面密封原理：喷头工作时靠水流作用力使空心轴端面压紧各垫圈的摩擦面，喷头工作时由防砂弹簧胀紧，防止水流和泥砂外漏。组成：由空心轴、空心轴套、橡胶垫圈、减磨密封垫圈、防砂弹簧等组成。三片式二片式端面密封三片式由橡胶垫圈、聚四氯乙烯（减磨垫圈）、橡胶垫圈组成；多用于塑料喷头和金属中小喷头。二片式橡胶垫圈和聚四氯乙烯组成；多用于金属大喷头。在一些中压和高压喷头中，在空心轴与空心轴套接合的端面设置滚珠轴承，用来减少摩擦阻力矩，此时常采用径向密封。径向密封径向密封V型胶圈一面与空心轴压紧，水压越高，V型胶圈与空心轴套和空心轴两壁面贴合越紧，达到密封目的。旋转密封机构设计端面密封材质的选择轴与轴套间的止水靠1~2层橡胶垫圈，轴与喷体间的密封靠O型密封橡胶圈，减少摩擦阻力靠减磨密封垫圈。O型密封胶圈和垫圈要求遇水不能膨胀，而且有一定的要求，一般选择硬质耐油橡胶，如“橡胶I-2”制作。减磨密封垫圈用静动摩擦系数很小且接近的材质，如聚四氟乙烯、青铜等。聚四氟乙烯的摩擦系数极低，仅0.04；几乎不吸水（吸水率0.005%），非常适合于运动速度较低的喷头工作。旋转密封机构设计防砂弹簧因聚四氟乙烯的硬度较低，当有杂质（尤其中砂粒）进入滑动面之间时，磨损更严重。结构上采用防砂弹簧或V型胶圈。其作用是使摩擦面经常保持贴合状态，并补偿摩擦面磨损后产生的间隙。防砂弹簧的设计要点：弹力（最小负荷）=喷头上部重量（去掉空心轴套）一般应考虑减磨垫圈磨损了3mm后能承受的负荷。工作原理摇臂式喷头的转动是靠摇臂敲击喷管（喷体）来实现的。全圆喷洒包括脱水阶段外摆阶段回摆阶段入水阶段撞击阶段扇形喷洒除上述五阶段外，还有快速反转阶段。高速摄影摇臂受水运动过程(4000张/秒)工作原理自由运动状态入水开始工作原理入水过程撞击阶段脱水阶段偏流板对水流偏挡作用工作原理脱水阶段射流偏流板导流板水舌转向60º~120º导流器获得动能摇臂外摆扭簧扭转获得扭力矩摇臂获得旋转角速度工作原理外摆阶段（减速阶段）惯性力矩使摇臂张角达到最大摇臂获得最大扭力矩，弹簧能最大、角速度为零惯性力矩=弹簧扭力矩+摩擦阻力矩工作原理回摆阶段弹簧最大扭力矩，使摇臂回摆势能转为动能角速度增大，速度越来越大工作原理入水阶段（切入射流阶段）摇臂切入射流偏流板受水改变水流方向导水板部分正负功抵消偏流板处于射流正中时，偏流板获得最大动能工作原理撞击阶段（碰撞阶段）惯性力偏流板切向附加力摇臂达到Wmax，撞击喷管使喷头转动3º~5º在摩擦阻力矩作用下，喷头暂时停止运动工作原理扇形喷洒换向器突起构件限制摇臂大幅度摆动，撞击在第一阶段末发生，能量在摇臂后部反转钩和换向器的突起构件之间传递。反转过程中，快速进行、射程近，补充喷头近处的水量。过水流道设计空心轴喷体喷管稳流器喷嘴空心轴：内径空心轴既是流道的一部分，又是喷头的旋转轴，设计时要注重两方面：提高流道通过性能、降低机械摩擦阻力；内径D由喷头的设计流量和经济流速决定；D值应尽可能取大些，但应符合国标；为减少水流阻力，可将空心轴设计成倒角。空心轴：长度其上端用螺纹和喷体（弯头）相连，并承受水压对喷头的上托力，喷头侧向喷水，空心轴上、下各受有方向相反的力，形成倾复力矩；当水压一定时，Rx·Ly=const、Rx·Ly=N1·L1;摩擦阻力F=N1·f，适当增加L1，可降低N1和F。空心轴：壁厚和材质在喷头结构紧凑的前提下，空心轴壁厚应具有足够强度，一般取3~4mm；材质应考虑防锈蚀和耐磨，一般用黄铜和不锈钢制作，且表面应加防锈蚀措施，如镀铬或镍磷镀等。喷体：水流流态当水流沿曲线管道运动时，因离心力作用，弯道外壁处的压力比内壁大，而相反内壁处的流速却高于外壁。因压力差，沿侧壁产生次生流，水流由内壁向外壁横流，在喷体中形成了螺旋前进的涡流。因涡流区在喷管内存在，缩小了水流断面，加剧了流速的不均匀分布，紊流损失加大。喷体：喷体转弯半径增加喷体转弯半径能够减少水流的阻力系数；转弯半径等于流道直径1~1.5倍比较合适；PY系列摇臂喷头的喷体相对弯径（喷体转弯半径与流道直径之比）为1~1.3。喷体：仰角一般用21º~40º，树下采用7º~14º；试验得到，当32º时，射流式喷头的射程最远。喷体喷体内腔断面形状多为圆形，表面粗糙度越低越好；在中高压喷头的喷体中，设置隔流板，对提高射程是有效的，但不适合于小喷头。喷管喷体和稳流器的作用是将喷体转弯后被干扰的水流改造成平顺的水流，降低紊流程度，以断面流速比较均匀的形式进入喷嘴，使喷头能获得比较理想的射程；喷管的设计主要是选择适宜的喷管形式、直径，确定喷管的长度和锥度；喷管应与喷体、喷嘴、摇臂轴等零件的连接型式。喷管：形式直管稳流—锥管过渡—喷嘴出流渐缩管稳流—喷嘴出流直管稳流—喷嘴出流喷管：长度指与喷体连接处断面至喷嘴入口断面之间的连接长度。射程随喷管相对长度增加而增加；远射程喷头，喷管长度可适当大些，采用7~8D内径；对中近射程喷头来说，采用5~6D内径。喷管：锥角锥角应适中，过大往往产生涡流，过小锥管长度过大，一般以12º~13º合适。稳流器作用是增加横向水流碰壁机会，使横向水流尺寸尽快消失；各部分水流横向尺寸减少，雷诺数降低，水流尽量接近层流，提高射程；稳流器的设计要求：形式最适宜长度安放位置稳流器稳流器喷嘴作用是最大限度地将水流压能转变为动能，且使水流具有较低的紊流程度不再产生横向水流，提高喷头射程，是影响喷灌质量和喷头水力性能的重要部件。结构形式圆锥形喷嘴流线形喷嘴流线圆锥形喷嘴圆锥形喷嘴结构简单、加工方便主要参数：喷嘴直径d喷嘴圆柱形长度l内腔锥角θ流线形喷嘴水流平顺、减少水流冲击、可适当提高射程8%~12%；加工麻烦。流线形喷嘴异形喷嘴非圆形断面形状方形三角形双锥形菱形双矩形末端最大水滴直径小，雾化效果好，但射程略有减少。在保持末端水滴直径和喷洒均匀系数相同条件下需要的工作压力较圆形喷嘴少，具有节能优势。喷嘴设计喷嘴直径Cp换算系数；Pd为雾化指标；ρ为喷灌强度喷嘴收缩断面直径41000π2pQdgHz(1016sin)2cdd.22023dp.PdC喷嘴设计内腔锥角θ列别捷夫：60º~100º伊沙耶夫：40º~50º国内PY系列：40º摇臂的正转运动过程非自由运动状态在摇臂的