灌溉管路用快速連接件產(chǎn)品的研制及其水力性能

鄧 忠，馮俊杰，翟國(guó)亮，宗 潔，張文正

(中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所，河南新鄉(xiāng) 453003)

灌溉管路用快速連接件產(chǎn)品的研制及其水力性能

鄧 忠，馮俊杰，翟國(guó)亮，宗 潔，張文正

(中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所，河南新鄉(xiāng) 453003)

在現(xiàn)有各類連接件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一種灌溉管路用快速連接件產(chǎn)品，該產(chǎn)品整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，操作簡(jiǎn)單方便，具有快速組裝與拆卸的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了插入自動(dòng)通水、拔移自動(dòng)斷水的功能。分析快速連接件產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)組成和工作原理，并進(jìn)行水力性能測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明:快速連接件產(chǎn)品具有過(guò)水流量穩(wěn)定、局部水頭損失小、插拔靈活性強(qiáng)、密封性能優(yōu)等特點(diǎn)，能起到降低系統(tǒng)投資和提高工作效率的作用，適用于移動(dòng)灌溉和抗旱灌溉工程。

微灌系統(tǒng);快速連接件產(chǎn)品;移動(dòng)灌溉;抗旱灌溉;水力性能

根據(jù)灌溉系統(tǒng)管路形式的不同，灌溉系統(tǒng)通常分固定式和移動(dòng)式兩種［1-2］，不同形式的灌溉系統(tǒng)投資和管網(wǎng)利用率相差很大。固定式灌溉系統(tǒng)管網(wǎng)全部在田間固定鋪設(shè)，灌溉時(shí)不需移動(dòng)，特點(diǎn)是施工和操作方便，但不利于田間機(jī)械化作業(yè)，且設(shè)備易老化和損壞，工程投資約為15000元/hm2［3-5］。移動(dòng)式灌溉系統(tǒng)的干管、支管和毛管均可在田間移動(dòng)，灌溉完一塊地后可移動(dòng)到另一塊地繼續(xù)灌溉，大幅度提高了灌溉系統(tǒng)的使用率［6］，克服了固定式灌溉系統(tǒng)不利于田間作業(yè)和工程建設(shè)投資高的缺點(diǎn)，平均投資約為3000元/hm2，較固定式灌溉系統(tǒng)節(jié)省投資75%左右［7-8］。隨著我國(guó)旱情的日益嚴(yán)峻，操作簡(jiǎn)便、實(shí)用性強(qiáng)、可移動(dòng)的抗旱機(jī)具和產(chǎn)品亟待研發(fā)和推廣應(yīng)用，以增強(qiáng)我國(guó)應(yīng)對(duì)突發(fā)性旱情的快速處理能力?？焖龠B接件產(chǎn)品是實(shí)現(xiàn)灌溉系統(tǒng)管路快速拆卸、移動(dòng)和安裝的重要零部件，其具有廣闊的應(yīng)用前景［9］。

1 快速連接件產(chǎn)品的研制

1.1 設(shè)計(jì)原則

在借鑒工業(yè)用鋼制氣動(dòng)連接接頭、供水行業(yè)用自動(dòng)取水口和各種用途的快速連接管件產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上［10-11］，設(shè)計(jì)出既具有快速連接和拆卸特點(diǎn)，又具有良好止水和通水效果的產(chǎn)品。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，不需要關(guān)閉上游閥門(mén)，僅通過(guò)產(chǎn)品部件的快速插拔即可實(shí)現(xiàn)毛管的輪灌，體現(xiàn)出移動(dòng)灌溉或抗旱灌溉系統(tǒng)投資低廉和節(jié)水節(jié)能的優(yōu)勢(shì)［12-13］。

1.2 結(jié)構(gòu)組成

快速連接件產(chǎn)品主要由4個(gè)部件組成，分別是左接頭、活動(dòng)芯、中間體和右接頭，各部件材質(zhì)采用工程塑料 ABS，密封配件采用橡膠圈，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 快速連接件產(chǎn)品整體及各組成部件

1.3 工作原理

當(dāng)需要通水時(shí)，把右接頭的凹槽端與中間體的凸牙端直插相連，右接頭推動(dòng)活動(dòng)芯向左接頭端移動(dòng)，直到活動(dòng)芯的左肋接觸到左接頭的內(nèi)腔面，此時(shí)內(nèi)部水流通道打通，上游來(lái)水從活動(dòng)芯的肋間空隙經(jīng)過(guò)，從左流向右，并從右接頭流到下游管路，實(shí)現(xiàn)了插入自動(dòng)通水的功能(圖2)。當(dāng)需要斷水時(shí)，把右接頭倒轉(zhuǎn)，并從中間體的端口拔出，此時(shí)活動(dòng)芯底面受到較大的上游水壓推動(dòng)，活動(dòng)芯沿中間體內(nèi)腔向右移動(dòng)，直到活動(dòng)芯上的密封圈與中間體內(nèi)腔表面相接觸并將其壓緊，此時(shí)內(nèi)部水流通道被隔斷，起到切斷水流的作用，從而實(shí)現(xiàn)了拔移自動(dòng)斷水的功能(圖3)。因此，該產(chǎn)品既可作為管路連接件使用，又可作為堵頭使用。

圖2 插入自動(dòng)通水工作原理示意圖

2 快速連接件產(chǎn)品的水力性能

為檢驗(yàn)快速連接件產(chǎn)品的水力性能，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行過(guò)流能力與水頭損失試驗(yàn)以及插拔靈活性和密封性試驗(yàn)［14］。

圖3 拔移自動(dòng)斷水工作原理示意圖

2.1 過(guò)流能力與水頭損失試驗(yàn)

任意選擇3個(gè)快速連接件產(chǎn)品，分別編為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)，進(jìn)行不同供水壓力條件下的過(guò)流能力試驗(yàn)?？焖龠B接件產(chǎn)品的首端連接供水毛管，尾端自由出流，在20～200 kPa的范圍內(nèi)設(shè)計(jì)8個(gè)供水壓力水平，逐漸升壓，待壓力平穩(wěn)后用50 L的塑料容器收集2min內(nèi)的出水量，分別稱其質(zhì)量，計(jì)算其均值。

為研究過(guò)水流量引起的水頭損失，進(jìn)行不同過(guò)水流量下的水頭損失試驗(yàn)。將快速連接件產(chǎn)品的首、尾端連接供水毛管，在快速連接件產(chǎn)品尾端的毛管上安裝滴頭，封堵毛管末端，通過(guò)安裝不同數(shù)量的滴水器來(lái)控制快速連接件產(chǎn)品的過(guò)水流量，同時(shí)讀取快速連接件產(chǎn)品兩端的壓力值，從而分析過(guò)水流量與水頭損失間的關(guān)系?？焖龠B接件產(chǎn)品在不同供水壓力條件下的壓力與流量測(cè)試數(shù)據(jù)及壓差與流量測(cè)試數(shù)據(jù)分別見(jiàn)表1、表2。

表1 快速連接件產(chǎn)品的壓力與流量測(cè)試數(shù)據(jù)

表2 快速連接件產(chǎn)品的壓差與流量測(cè)試數(shù)據(jù)

圖4 供水壓力-流量關(guān)系曲線

圖5 壓差-流量關(guān)系曲線

分別以供水壓力或首尾壓差為橫坐標(biāo)，流量為縱坐標(biāo)，繪出快速連接件產(chǎn)品的供水壓力-流量關(guān)系曲線和壓差-流量關(guān)系曲線，分別見(jiàn)圖4和圖5。從圖4和圖5可以看出，快速連接件產(chǎn)品的過(guò)水流量隨供水壓力的增大而增大(R2=0.995 9)，兩端的壓差(水頭損失)也隨過(guò)水流量的增大而增大(R2=0.9784)，均呈顯著的正相關(guān)關(guān)系。但是通過(guò)擬合曲線也可以看出，過(guò)水流量隨供水壓力的增大趨勢(shì)較過(guò)水流量隨壓差的增大趨勢(shì)明顯。試驗(yàn)結(jié)果表明:①快速連接件產(chǎn)品即使在低壓(或無(wú)壓)水頭下，初始最小過(guò)水流量也較大;②雖然快速連接件產(chǎn)品的過(guò)水流量隨供水壓力增大而增大，但流量的變化率小于供水壓力的變化率，說(shuō)明快速連接件產(chǎn)品的過(guò)水流量相對(duì)較穩(wěn)定，隨供水壓力變化而變化的趨勢(shì)不明顯;③快速連接件產(chǎn)品在通水過(guò)程中產(chǎn)生的局部水頭損失較小，當(dāng)過(guò)水流量小于0.15 m3/h時(shí)，其水頭損失幾乎為零，僅當(dāng)流量大于0.15 m3/h時(shí)才有水頭損失，并隨著過(guò)水流量的增大而增大，過(guò)水流量和水頭損失之間的變化趨勢(shì)基本相同。

2.2 插拔靈活性和密封性試驗(yàn)

插拔靈活性是指快速連接件產(chǎn)品的左接頭部分(由左接頭、活動(dòng)芯和中間體組裝而成)與右接頭在相互承插組合和拔移分離時(shí)的難易程度。這兩個(gè)組成部分僅通過(guò)對(duì)接—承插—旋轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)—拔移—分離的操作過(guò)程就可快速裝配和拆卸，具有插接自動(dòng)連通和拔移自動(dòng)閉合兩種工作狀態(tài)。試驗(yàn)對(duì)若干個(gè)快速連接件產(chǎn)品進(jìn)行多次插拔，計(jì)算整個(gè)過(guò)程的所用時(shí)間。

對(duì)快速連接件產(chǎn)品進(jìn)行多次插拔試驗(yàn)，平均每分鐘能插接10個(gè)或拔移12個(gè)，即單個(gè)快速連接件產(chǎn)品從開(kāi)始插接到裝配完成平均約需6 s，從開(kāi)始拔移到分離完成平均約需5 s，說(shuō)明該產(chǎn)品在使用過(guò)程中插拔靈活性強(qiáng)，具有操作方便、簡(jiǎn)單快速的特點(diǎn)。

密封性試驗(yàn)是在快速連接件產(chǎn)品多次插拔之后進(jìn)行，將快速連接件產(chǎn)品兩端分別連接供水毛管，按水流方向分別在插接自動(dòng)連通和拔移自動(dòng)閉合兩種工作狀態(tài)下測(cè)試組合部件在不同供水壓力(10～350kPa)時(shí)的滲滴水量，每一壓力水平持續(xù)保壓3 min，如有滲滴水，測(cè)其水量并記錄該壓力值。兩種工作狀態(tài)下快速連接件產(chǎn)品的滲滴水量試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 兩種工作狀態(tài)下快速連接件產(chǎn)品的滲滴水量

從表3可以看出，在插接自動(dòng)連通狀態(tài)下，當(dāng)試驗(yàn)的供水壓力低于50 kPa時(shí)，快速連接件產(chǎn)品均無(wú)滲水或滴水現(xiàn)象，只有當(dāng)供水壓力超過(guò)100 kPa時(shí)才開(kāi)始有少量的滲滴水，隨著供水壓力的增加，快速連接件產(chǎn)品的滲滴水量緩慢增大，但最大值不超過(guò)80 mL/h，這與目前滴灌系統(tǒng)中單個(gè)灌水器的滴水流量(一般在1000 mL/h以上)相比，其滲滴水量可以忽略不計(jì)。在拔移自動(dòng)閉合狀態(tài)下，其密封性與插接自動(dòng)連通狀態(tài)下相反，當(dāng)供水壓力在50 kPa以下時(shí)，快速連接件產(chǎn)品有少量的滴水，滲滴水量隨著供水壓力的增大逐漸減小，當(dāng)供水壓力超過(guò)50 kPa甚至達(dá)到200kPa時(shí)，快速連接件產(chǎn)品無(wú)任何滲滴水量，說(shuō)明只要供水壓力大于50 kPa，快速連接件產(chǎn)品可達(dá)到完全密封，表明快速連接件產(chǎn)品具有較好的密封性能，基本達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)要求。試驗(yàn)中出現(xiàn)的滲滴水現(xiàn)象，特別是拔移自動(dòng)閉合狀態(tài)下的滲滴水量，可能是由快速連接件產(chǎn)品內(nèi)部彈性密封圈與快速連接件產(chǎn)品殼體間配合精度不高引起的，需從模具結(jié)構(gòu)、加工工藝和材料等多方面進(jìn)行優(yōu)化和完善，提高各部件間的配合精度，以達(dá)到理想的密封效果［14］。

3 結(jié)語(yǔ)

快速連接件產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，通過(guò)簡(jiǎn)單的插拔接頭就可實(shí)現(xiàn)插入自動(dòng)通水和拔移自動(dòng)斷水的功能，具有快速組裝和拆卸的特點(diǎn)，在移動(dòng)灌溉或抗旱灌溉工程中可體現(xiàn)出系統(tǒng)投資低廉和節(jié)水節(jié)能的優(yōu)勢(shì)?？焖龠B接件產(chǎn)品裝配簡(jiǎn)單，插拔靈活方便，內(nèi)部過(guò)水?dāng)嗝孑^大，過(guò)水流量穩(wěn)定，密封性能強(qiáng)，具有較好的水力性能。快速連接件產(chǎn)品在應(yīng)用過(guò)程中還存在一些問(wèn)題，如整體外觀、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其與各部件間配合程度和防堵措施等還不夠完善，需從模具結(jié)構(gòu)、加工工藝等方面加以改進(jìn)和優(yōu)化，進(jìn)一步提高快速連接件產(chǎn)品的整體性能。

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Design of a rapid connection part used in irrigation pipes and its hydraulic performance

DENG Zhong，F(xiàn)ENG Junjie，ZHAI Guoliang，ZONG Jie，ZHANG Wengzheng(Farmland Irrigation Research Institute，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Xinxiang453003，China)

On the basis of research on several kinds of existing connection parts，a new kind of rapid connection part was designed for irrigation pipes.The new connection part is of reasonable structure，has a simple and convenient operation procedure，and can be quickly assembled and disassembled.Assemble it water will flow automaticly;disassemble it water will be cut off automaticly.The working principle and the structure of the connection part were described.In order to analyze its hydraculic performance，tests were performed.Tests results show that the flow discharge is stable，the local water head loss is small，the operation procedure is convenient，and the sealing performance is good.Hence，it can be used in a mobile irrigation system，with the benefits of reducing investment and improving efficiency of the irrigation system.

micro-irrigation system;rapid connection part;movable irrigation;anti-drought irrigation;hydraulic performance

S277.9+9

B

1006-7647(2013)01-0070-04

10.3880/j.issn.1006-7647.2013.01.016

農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201203031);農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化資金(2011GB23320014)

鄧忠(1976—)，男，甘肅武威人，助理研究員，主要從事節(jié)水灌溉技術(shù)研究。Email:dengzhong1976@126.com

2012-03-20 編輯:駱超)