中心支轴式喷灌机(Center pivot irrigation system),也称时针式喷灌机，是将装有喷头的管道支撑在可自动行走的支架上，围绕备有供水系统的中心点边旋转边喷灌的大型喷灌机。

节 喷灌机优缺点及使用条件

中心支轴式喷灌机与其他喷灌设备和喷灌系统相比，中心支轴式喷灌机主要有以下优缺点。

一、优点

1、中心支轴式喷灌机是迄今为止自动化程度 高的喷灌设备，可节约大量劳动力。

2、中心支轴式喷灌机机组进水口位于中心支座下部，由于中心支座是固定的，所以供水系统非常简单。

3、导向和同步控制系统仅与固定的中心支座有关，运行可靠，管理简单。

4、完成一次灌水循环（旋转一圈）后，机组停留在起始位置，以备下一次灌水作业。

5、可及时、精确地控制灌水量，管理方便，灌溉水利用率高。

6、中心支轴式喷灌机能提高化肥和农药的利用效率。

7、灌水作业灵活性高，有利于编制切实可行的用电计划。

对于所有的灌溉设备，为了降低单位灌溉面积的投资，都应设法利用 小的设备投入，灌溉尽可能达的灌溉面积。采用中心支轴式喷灌机时，由于设备造价与机组长度成正比，而它所灌溉的面积与机组长度的平方成正比，因此灌溉面积应是一个尽可能大的圆形。

二、缺点

1、如果不采用地角装置，中心支轴式喷灌机所灌溉地块的圆形轮廓线外面留下了大约20%的为灌溉面积，如果采用地角装置，会显著增加设备造价和复杂性。

2、所灌溉圆形面积外圆周处的灌溉强度非常高。如果不采取相应措施，通常会产生地表径流。档采用摇臂式喷头时，该值通常大于100mm/h；采用射程较小的散射喷头时，改值通常大于150mm/h。

3、位了降低或排除高喷灌强度产生的地表径流问题，机会都必须采用“潜水勤灌”的灌水模式。在极端情况下，为了避免出现地表径流，甚至需要将中心支轴式喷灌机旋转一圈所需的时间设置为不到一天，由此一来，会增加政法损失和机组维护费用，并可能降低作物产量。

4、由于机组长度没增加一端，都会使灌溉面积增加一个相同宽度的同心圆条带，所以必须将大量的灌溉水输送到机组的远端。因此，与其他灌溉设备（系统）相比，桁架输水支管的沿程水头损失较大。

5、在坡地里，桁架输出支管中的压力降随所处位置的高度变化而幻化。如果不采用压力调节器或流量调节器，喷头流量会发生很大变化，使机组喷洒均匀性明显降低。

6、从经济角度考虑，中心支轴式喷灌机通常应灌溉较大的地块。如果灌溉小地块，采用中心支轴式喷灌机可能不经济。

三、适用条件

中心支轴式喷灌机几乎适用于灌溉各种质地的土壤，以及各种大田作物、蔬菜、经济作物和牧草等。我国西北、东北、华北各地和广东、广西、云贵高原等地的广大农牧业区，凡土地连片，作物种类统一、地面上吴电杆、排水沟等障碍物均可使用。

章 中心支轴式喷灌机基本知识

节 喷灌机工作原理和组成

中心支轴式喷灌机由中心支座、塔架车、喷洒桁架、末端悬臂和电控同步系统等部分组成。装有喷头的若干跨桁架，支承在若干个塔架车上。桁架之间通过柔性接头连接，以适应坡地等作业。每个塔架上配有1KM左右的电机作为行走动力，配套动力可用电网和柴油发电机组，还配有专门安全可靠的电控同步系统，用于启闭塔架车上的电机。具有过雨量保护和故障自动报警功能。 晚出的塔架车先启动，根据工况，逐个启动相邻的塔架车。所有的塔架车就一个跟一个的运转起来，绕着中心支轴旋转，从而实现圆形面积的自动喷洒作业。

中心支轴式喷灌机的组成如图2.1所示。从图中可看出，典型配置的中心支轴式喷灌机主要由中心支座、桁架、塔架车、末端悬臂、控制系统和灌水器等6大部分组成。此外，有时中心支轴式喷灌机还配备末端喷枪或地角装置。

一、中心支座

中心支座是喷灌机的回转中心，也是出水口，它的外部是一个由立柱、横梁和底板组成的宝塔形框架，中间部分是转动套和支轴弯管。转动套的上部置定在框架上，下部与水源相连。支轴弯管的竖直部分位于转动套内，可在其中自由转动;另一端与手跨桁架输水支管以球铰连接，以适应手跨桁架因地形变化在沿垂方向产生的上下位移。底板用地角螺栓固定在混泥土基础上以保持稳定。主控制箱通畅安装在中心支座的框架上。转动套上设有定点停机装置。集电环、照明灯和压力表等安装在支轴弯管的水平管上。

二、桁架

桁架主要由输水支管、三角形弦架和拉筋等组成。桁架分 跨、中间跨和末跨三种，分别安装在机组的不同部位，各跨之间的查遍不大。为了适应级组长度方向的地形变化，保证喷灌机行走的同步性，各跨桁架之间采用球铰连接，其输水支管采用柔性接头或橡胶套筒连接。桁架跨距（长度）通常为30~60m， 常用的桁架跨距为40~50m。输水支管公称直径通常为100~250mm， 常用的输水支管公称直径为168（165）mm。

由于各跨桁架之间采用柔性连接，所以中心支轴式喷灌机在机组长度方向课适应坡度达30%（16.7°）的地块。在田间垄沟比较浅的条件下，大部分典型配置记性在机组行走方向课适应坡度达20%（11.3°）的地块。但是，实践经验证明，档垄沟深度大于0.15m时，机组可能年以在坡度大于15%（8.5°）的坡地里行走。对于输水支管直径大、桁架跨距长的机组， 适应坡度可能还要稍微小一些。特别说明一点，那种认为中心支轴式喷灌机只适用于平地的观点是错误的。可以这样说，只要能够采用大中型农业机械耕种的地块，就可以采用中心支轴式喷灌机进行灌溉作业。

桁架下部拉筋与地面之间的垂直距离称为地隙高度，一般为2~4m,也有高达5m以上的。地隙高度根据所灌溉的作物高度和机组长度方向的地块平整度确定。需要指出的是，如果灌溉的作物为马铃薯、牧草、小麦等矮秆作物，且地块在机组长度方向比较平整，应选择较小的地隙高度，以提高机组的稳定性。

三、塔架车

塔架车由立柱、横梁和地梁组成的A字构架以及动力机、传动装置和橡胶车轮组成。A字型构架的上部与桁架项链；下部的地梁两端各安装一个车轮减速器，并连接橡胶车轮。动力机安装在地梁中间，通过传动装置将动力传递给车轮，浦东塔架车向前行走。传动装置包括两级减速器和中间的万向节。动力机可以使电动机、汽油机或水马达等， 常用的是电动机。当动力机为电动机时，常将其与一级减速器制成一体，所以也称电机减速器；而车轮相连的减速器则称为车轮减速减速器或二级减速器。一级减速器可以是齿轮减速器，也可以是涡轮减速器；但二级减速器必须是涡轮减速器，因为它需要具有自锁功能，否则当车轮位于斜坡时会向下坡方向滚动。

1、驱动电动机功率

塔架车驱动电动机功率大小与一级减速器类型、桁架输水支管直径、桁架跨距以及灌溉田块的图纸、地垄高度和坡度大小有关。对于一级减速器为蜗轮减速器的机组，由于传动效率较低，电动机功率通常为1.1~1.5kw;对于一级减速器为齿轮减速器的机组，由于传动效率较高，电动机功率通常为0.55~0.75kw。

2、喷灌机没旋转一圈所需的 短时间

中心支轴式喷灌机每旋转一圈所需的 短时间根据下式计算：

T＝2πL/（60πnD/i)

将式2-1化简得：

T＝L/（30nD/i)

式中     T---中心支轴式喷灌机每旋转一圈所需的 短时间，h;

L--中心支座到末端塔架车之间的距离，m;

n--动力机转速，r/min;

D--车轮外径，m；

i--两级减速器的总速比，无量纲。

列如，一台配置8跨50m桁架的中心支轴式喷灌机，则中心支座到末端塔架车之间的距离为50×8＝400m;配套动力机为电动机，额定转速为1450r/min；车轮外径为1.28m;两级减速器的总速比为2500。

将上述数据代入式2--2，得T＝18h，即该机组每旋转一圈所需的 短时间为18小时。

大多数制造厂生产的典型配置中心支轴式喷灌机每旋转一圈所需的 短时间都略小于24h.如果需要，可通过选配较大或较小速比的减速器，来改变中心支轴式喷灌机没旋转一圈所需的 短时间，通过调整安装在主控制箱内的百分率计时器，可以降低末端塔架车的行走速度，加大每旋转一圈所需的时间，这一点将在后面介绍。

四、悬臂

悬臂由输水支管、三角支架和钢丝绳组成。悬臂输水支管采用法兰与末跨桁架输水支管的尾端相连，其公称直径通常比桁架输水支管小，长度一般不大于20m。三角支架和钢丝绳的作用是支撑、稳固悬臂输水支管。

悬臂有两个作用，一是以较小的设备成本增加机组长度，扩大灌溉控制面积；二是通过调整其长度，来满足各种地块对机组长度的需求。

五、控制系统

控制系统由主控制箱、集电环、塔架盒、定点停机装置和电缆等组成，这些组成部件互相配合，可实现中心支轴式喷灌机同步正反向运行、行走速度调整、运行监测、安全保护、故障报警等功能。

1、主控制箱

主控制箱安装在中心支座上，是喷灌机的中枢控制，所以也称中枢控制箱或中控箱。喷灌机的所有控制功能都要通过主控制箱接收信号、进行处理并发出指令来实现。

主控制箱的主要功能如下:

(1)经由集电环向各塔架盒供电，再由塔架盒根据各塔架车所在位置决定是否向电动机供电，以保证各桁架之间的同步性，使喷灌机正向或反向运行。

(2)通过安装在主控制箱面板上的百分率计时器，调整末端塔架车在1min内的走、停时间比例，达到调节喷灌机行走速度，控制灌水量（灌水深度）、满足作物用水需求的目的。例如，将百分率计时器调节为70%，则表示在一分钟内的前70%，即42s时间里，末端塔架车连续行走；在接下来的30%，即18s时间里，末端塔架车停止。

(3)通过安装在主控制箱内的电压表、电流表、温度计等，监测机组运行状况。喷灌机运行中，当电压、电流或环境温度超过设定值时，发出报警信号。

(4)接收定点停机装置发出的信号，使喷灌机停留在预定位置，并使供水水泵停止运水。

(5)当末端塔架车车轮打滑或受阻不能前行达到设定时限、任意俩跨桁架之间的夹角过大（例如超过1°）或供水泵停止运行，并显示发生故障的塔架车位置。

2、集电环

集电环安装在中心支座上，其内装有相互绝缘的铜环以及与铜环华东接触的碳刷。铜环固定不动，碳刷随喷灌机转动。集电环的作用是，当各跨桁架围绕中心支座作旋转运动时，防止安装在中心支座上的主控制箱和各塔架盒之间的连接电缆缠绕在中心支座上，保证各条电气线路畅通。

3、塔架盒

塔架盒安装在各塔架车的上部，其背部安装有同步控制角调节装置、运行微动开关、安全微动开关、交流接触器、热继电器和一套塔架车故障信号发生器。

同步控制角调节装置由调节杆和凸轮机构组成。同步控制角一般调节为不大于1°。当某一塔架车俩侧桁架之间的夹角达到该角度时，运行微动开关常开触点闭合，通过交流接触器接通电动机的电源，该塔架车开始行走。当该塔架车俩侧的桁架成一直线时，运行微动开关常开触点断开，电动机的电源被切断，塔架车停止行走。各个塔架车均按此调整并运行，就保证了喷灌机的同步性。

热继电器的作用是，当某一塔架车的电动机过载时切断电源，防止该电动机因过载而损坏。近年来，由于电机减速器本身已经具备过载自动保护功能，塔架盒内通常已不再安装热继电器。

塔架车故障信号发生器与安全微动开关的常开触点相连。当发生事故时，安全微动开关常开触点闭合，信号发生器向主控制箱发送故障所在的塔架车信号。

次末端跨塔架盒里除安装有上述电气元件外，还装有一个时间继电器，当末端塔架车车轮打滑或受阻不能前行达到设定时 ，时间继电器常闭触点断开，通过交流接触器使喷灌机和供水水泵停止运行。

六、喷水器

在灌溉行业里，灌水器是喷头、滴头、微喷头、涌水头等田间配水装置的总称。适用于中心支轴式喷灌机配套的灌水器主要是摇臂式喷头和散射式喷头。

1、摇臂式喷头

摇臂式喷头的规格型号很多，用于于中心支轴式喷灌机配套的主要是小型摇臂式喷头。摇臂式喷头都安装在桁架输水支管的上部，喷射出的水流射向与水平面成一定夹角（喷头喷射仰角）的空中。

与散射式喷头相比，摇臂式喷头的 优点是射程远。这一点对于坡地或入渗速度低的密实土壤特别重要，因为射程越大意味着单位面积上的受水量越小，即喷灌机强度越小。摇臂式喷头有俩个缺点，一是工作压力高，供水水泵运行费用高；二是喷射高度大，蒸移损失大。为了降低喷射高度，已有厂家研制出低仰角摇臂式喷头。

大多数摇臂式喷头的喷嘴都是直锥形。当机组压力变化时，装有流量调节喷嘴的喷头流量基本上保持不变。当灌溉地块的高程较大，或供水水源不止一个用户，供水压力可能会波动时，应考虑采用这种喷头（喷嘴）。

2、散射式喷头

目前，国内外已有许多种适用于中心支轴式喷灌机配套的散射式喷头。散射式喷头通常采用悬吊软管安装在桁架拉筋的下面，有的甚至伸到作物的冠层里。

散射式喷头的优缺点正好与摇臂式喷头相反。存在的问题一是喷灌强度大，容易产生径流；而是射程小，喷头布置间距小，需要的喷头数量多。

目前，国内外的中心支轴式喷灌机大部分都采用美国盛传的喷射式喷头。需要提醒一点，美国散射式喷头的喷嘴尺寸通常采用2种表示方式，即通常以1/64或1/128英寸单位，并且表示喷嘴尺寸为10/64英寸（4.00mm），也可能为10/128英寸（2.00）mm。

七、末端喷枪

末端喷枪安装在悬挂的尾端。所谓末端喷枪，实际上就是一只中射程旋转式喷头。中心支轴式喷灌机桁架和悬臂段大都采用散射式喷头，机组末端的压力很低，因此需要在末端喷枪上游安装一台增压泵，才能满足中远射程旋转式喷头工作压力的需求。

安装末端喷枪有三个作用。一是增加机组灌溉半径，扩大灌溉控制面积，末端喷枪在机组运行过程中一直运行，机组的灌溉面积是一个半径增大的圆形。二是末端喷枪仅在正方形地块的四个角附近运行，以弥补本来未浇灌到的区域，三是当田间靠近机组末端有电杆、树木等障碍物时，可躲避障碍物。

八、地角装置

地角装置也成角臂、地角臂装置或地角臂系统。所谓的地角装置，可认为是在中心支轴是喷灌机基本桁架末端增加了一组柔性桁架，同时悬臂也转移到了该柔性桁架的末端。

该装置于1973年首先由美国研制并应用。有了地角装置，中心支轴式喷灌机机会可灌溉任何形状的地块，特别是正方形地块。地角装置的长度又长又短，一般情况下，典型配置（约400m场，灌溉控制面积750亩）中心支轴式喷灌机的地角装置可增加灌溉面积100~135亩。

地角装置的出现，客服了中心支轴式喷灌机只能灌溉圆形面积的缺陷，是一件令人高兴的事。但也必须意识到，地角装置的行走和喷水控制系统很复杂，造价也比较高，目前在我国还不宜推广应用。据一位美国同行介绍，对一台约400m长的典型配置中心支轴式喷灌机，地角装置的价格约为典型装置的2/3；美国目前有三个州采用带地角装置的中心支轴是喷灌机比较多，但其使用量也仅占10%左右。

节 喷灌机的喷头布置

设计中心支轴式喷灌机灌溉项目时应考虑的主要因素一是正确选择喷头组合。喷头的间距以及类型或尺寸是两个主要变量。

灌溉的目标是尽可能提供 均匀的水量分布。中心支轴式喷灌机远端桁架的覆盖面积比近端桁架大。因此，喷嘴的密度和尺寸应沿着输水支管从中心支轴向远端逐渐增加。

大多数中心支轴式喷灌机所用的喷嘴都具有固定尺寸的出水孔（安装在输水支管的特定位置），并根据喷嘴所在的位置压力的大小喷洒除一定的水量。在中心支轴式喷灌机上，由于靠近中心支座处的覆盖面积相对小，只需很小的水量，所以喷嘴尺寸也非常小。在许多情况下，由于所需的灌水强度大小，所以不可能制造出既能满足适当水量，又不能发生堵塞的喷嘴。因此， 跨桁架有时可能会因喷嘴尺寸太大而出现过量灌水。这其中的一部分可通过加大喷头间距的方式得到补偿。但是喷头必须足够密，以获得良好的交叉重叠。

在中心支轴式喷灌机的远端桁架中，所需的水量增加，喷头的喷嘴需要加大，以满足水量增加的需要。某些情况下，特别是机组相当长，或机组流量特别大的时候， 尺寸的喷嘴也不符合要求。在这种情况下，可能必须在出水口上加一个三通，安装俩个喷嘴。其他可能的解决方式是减小喷头间距、降低机组流量或增加压力。

中心支轴式喷灌机 常用的三种喷头间距组合方式如下：

（1）统一喷头间距。机组输水支管上喷头之间采用3~12m的任一相同间距，喷头的流量随着它们与中心支轴之间距离的增加成正比例增加，喷头的湿润直径也随之增加，但不与流量成正比。湿润直径为喷头射程的2倍。

（2）喷头间距分段相同。机组输水支管分成3个或4个区段，各个区段采用不同的喷头间距，靠近中心支撑处的间距 。

（3）喷头流量基本相同，变化很小。这就要求靠近中心支轴处的喷头间距大约为12m，并在输水支管末端减小为大约1.5m。输水支管上的喷头间距与该处喷头到中心支轴的径向距离成反比，所以间距与径向距离的乘积为常数。

采用统一喷头间距的形式 常用。因这种方式，制造简单，田间安装方便。但是，采用统一喷头间距时，如果间距很大，需要高工作压力的大尺寸喷头喷嘴能耗费用较高。另外，当灌溉没有作物覆盖的脆弱土壤时，大尺寸喷头喷嘴产生的水滴可能会引起地表板结，从而降低土壤入渗能力，加大地表径流。

为了避免大尺寸喷嘴引起的上述问题，常常采用喷头间距分段相同的布置方式。通常采用的方法是：靠近中心支座的三分之一输水支管采用12m喷头间距，中间的三分之一采用6m，远端的三分之一采用3m。采取这种布置方式，整个输水支管上可以采用相同的3m出水孔间距，不适用的出水孔可用堵头堵上。例如，靠近中心支轴的三分之一输水直观上，每四个出水孔安装一个喷头；中间的三分之一，隔一个出水孔安装一个喷头；远端的三分之一，每个出水孔都安装喷头。

设备运行轨迹为圆形，设备中心支架固定在地块 ，装有电机和轮胎的机身相互连接，绕着中心点旋转。水流从中心店经过机身上均匀分布的喷头对地面进行喷灌，适合农场或大面积地块的喷灌。