低壓管道灌溉系統(tǒng)中專用水力驅(qū)動控制閥的研究與應(yīng)用

張利萍 謝海峰

摘 要：本篇文章對一種低壓管道灌溉專用水驅(qū)動控制閥的研發(fā)和使用狀況進(jìn)行了說明，這種控制閥能夠?qū)⑦@一系統(tǒng)中的水壓作為原始動力，從而產(chǎn)生驅(qū)動的效果，然后達(dá)到控制閥門開關(guān)的效果。在實(shí)際使用過程中處在農(nóng)田深處等位置保留其原本配備的動力基礎(chǔ)條件不變的情況下，這一控制閥裝置可以在管道灌溉系統(tǒng)運(yùn)送水的自動控制環(huán)節(jié)中發(fā)揮重要的效果，故此種水力驅(qū)動控制閥有很好的應(yīng)用價(jià)值和推廣的空間。

關(guān)鍵詞：低壓管道;灌溉系統(tǒng);水力驅(qū)動控制閥;研究;應(yīng)用

中圖分類號：S277.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）12-0055-02

0 引言

不同種類的管道灌溉系統(tǒng)里，給排水中的閥門可以有效控制上下級管道里的輸配水，水栓則多被用于田地及灌水溝中從管道中獲得灌溉用水的情況。不論是這些控制閥門還是水栓，其工作中開啟及關(guān)閉都是通過人工進(jìn)行，人為的操作控制來進(jìn)行灌溉水的控制。從提高灌溉效率和節(jié)水農(nóng)業(yè)的角度來說，需要能夠自動控制的閥門及出水栓來對作物施以分類別的個(gè)性化灌溉配置工作，此時(shí)灌溉管道中水壓很低的情況成為設(shè)置驅(qū)動閥門的主要技術(shù)難點(diǎn)。

1 水力驅(qū)動控制閥研究

1.1 背景說明

為了能夠促進(jìn)節(jié)水農(nóng)業(yè)及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，對于可以自動控制閥門、出水栓的探究和研發(fā)工作迫在眉睫。這類可自動控制的閥門及水栓可以滿足依照農(nóng)作物種類的不同來進(jìn)行定額灌溉、依照水源的使用和管理進(jìn)行智能計(jì)費(fèi)模式的灌溉、依照精確灌溉需求的定量水灌溉、依照灌溉時(shí)間及其他需求所設(shè)定的分輪灌溉等。因?yàn)椴糠制杼锎嬖谥y門安裝情況匱乏、開關(guān)開關(guān)動力條件難以滿足的問題，若在其附近布置專門供電線纜及太陽能轉(zhuǎn)換供電裝置，雖然實(shí)現(xiàn)了對閥門或者水栓的供電需求，但同時(shí)提高了灌溉項(xiàng)目的修建開銷和后續(xù)的維護(hù)成本[1]。若是能夠運(yùn)用灌溉管道內(nèi)部自帶的水壓力來滿足閥門及出水栓的開關(guān)工作，是最高效和低成本的閥門及出水栓項(xiàng)目建設(shè)的選擇方式。這種選擇中最突出的一點(diǎn)就為管該管道中的水壓通常很低，僅有一點(diǎn)五至十米水頭壓力，如此低的水頭壓力應(yīng)該怎樣實(shí)現(xiàn)對于閥門及出水栓的驅(qū)動效果仍是這一領(lǐng)域中的技術(shù)難題，本文就是對這一水力驅(qū)動控制閥進(jìn)行探究及分析。同時(shí)本文所提及設(shè)計(jì)的水力驅(qū)動控制閥目前已經(jīng)被研發(fā)制作出來，獲得了國家相關(guān)專利并投入使用，有了進(jìn)一步的應(yīng)用，在山東省內(nèi)多個(gè)省市，如：棗莊市、日照市、臨沂市、東營市、德州市等的市區(qū)及周邊縣城都有著廣泛應(yīng)用，這一系統(tǒng)在地水壓灌溉自動控制部分的使用效果收獲了廣泛的肯定和很高的評價(jià)。

1.2 結(jié)構(gòu)及原理

水力驅(qū)動控制閥裝置的設(shè)計(jì)過程首先需要涉及如下方面：假設(shè)有符合國標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的法蘭接口是常規(guī)閥體的圓形進(jìn)出口，這些法蘭接口的型號為：DN80、DN100等，這些接口適宜滿足上下環(huán)節(jié)中設(shè)備及管道的連接工作。為了能夠?qū)⑺^的損失降低，我們采用加長閥體內(nèi)部流經(jīng)通道更寬更長[2]。同時(shí)閥體的公稱壓力依據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)被頂?shù)膬煞N級別PN10及PN16來涉及，閥體還有閥蓋使用的材料是灰口鑄鐵，閥腔內(nèi)部膜片使用到的材料是熱壓橡膠模具，閥門的復(fù)位彈簧使用到的材料是304不銹鋼[3]。如圖1所示。

依據(jù)上述需要考慮的內(nèi)容及所選的原材料來設(shè)計(jì)和規(guī)劃水力驅(qū)動控制閥，其構(gòu)成情況具體為：1-上蓋、2-闊上口閥體、3-彈性膜片、4-蓋板、5-連桿、61/62-導(dǎo)流管道、7-三通閥等部分構(gòu)成。具體的工作原理為閥體在在其中受到力的作用而產(chǎn)生的從下到上及從上到下的位移中產(chǎn)生的水壓差，將這一部分的水壓差作為驅(qū)動力來對2中的3及4產(chǎn)生力的作用，從而使得3和4能夠垂直及上下位移，這樣就可以達(dá)到閥門自動開關(guān)的效果了。

圖1中力的作用分別為：F11-自重、F12-上部腔內(nèi)水壓力、F22/F13-中部腔內(nèi)水壓力、F21-下部腔內(nèi)水壓力。F11加F12加F13是方向?yàn)樨Q直向下的關(guān)閉力，F(xiàn)22加F21是方向?yàn)樨Q直向上的開啟力。這幾個(gè)力主要作用于3、4、5之上。具體的作用過程可以概括為：61發(fā)揮作用導(dǎo)通的過程中62就關(guān)閉了，此時(shí)上部腔體處于沖水的狀態(tài)，同時(shí)上部腔體內(nèi)部的水壓和管道上游相同，同樣地，中部腔內(nèi)的水壓與管道下游的水壓一樣，那么合力F11+12+13就大于合力F22+21，這就使得閥門為緊閉的狀態(tài);若62發(fā)揮作用，那么61就處于關(guān)閉的狀態(tài)，此時(shí)上部腔內(nèi)的水壓與管道下游的壓力相當(dāng)，中部腔內(nèi)的水壓依然和管道下游的壓力一樣，這個(gè)時(shí)候合力F11+12+13就小于合力F22+21，閥門就可以實(shí)現(xiàn)開啟的效果。這一水動力驅(qū)動閥設(shè)計(jì)與研發(fā)最大的亮點(diǎn)及革新之處即為水閥的設(shè)計(jì)構(gòu)思，這種設(shè)計(jì)方案可以使得管道上游水頭壓力小于一點(diǎn)五米的情況下仍然保證管道可以實(shí)現(xiàn)水壓驅(qū)使閥門的開關(guān)，并且靈敏程度很高。

1.3 研究過程

這一水力驅(qū)動控制閥系統(tǒng)自兩千零九年就開始著手研發(fā)了，具體的研究過程可以被概述為這幾個(gè)階段：第一步是通過調(diào)查和記錄理清給排水行業(yè)中閥體的參數(shù)，并對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的進(jìn)一步分析和力學(xué)參數(shù)數(shù)據(jù)的計(jì)算和比對;第二部是通過相關(guān)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)軟件對閥體的結(jié)構(gòu)模型及建模模擬，并對得到的結(jié)果進(jìn)行分析和進(jìn)一步調(diào)整;第三步則為規(guī)劃和開模，通過制作鋁制的閥門模具，在通過使用原材料鑄造毛胚、加工并組裝和對閥體的密閉性和壓力測試等一系列工序保證閥體的各方面參數(shù)符合預(yù)先設(shè)計(jì)的方案;第四部為當(dāng)閥門置于一點(diǎn)五米的持續(xù)水頭環(huán)境中，經(jīng)行開關(guān)靈敏度試驗(yàn)，以及在閥門關(guān)閉后進(jìn)行水密性試驗(yàn)及管道的過水性質(zhì)檢測;最后一步是得到了第三步和第四步中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及參數(shù)，對這一部分中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較并提出調(diào)整方案規(guī)劃，從而得到最終版本的水力控制閥設(shè)計(jì)方案[4]。如圖2所示即為水力驅(qū)動控制閥模具的鋁制模具設(shè)計(jì)示例圖，可以從不同角度看出水力驅(qū)動控制閥設(shè)計(jì)的有關(guān)參數(shù)和需求。目前這一水力驅(qū)動控制閥已經(jīng)獲得了國家專利，獲得專利的具體日期是二零一三年的三月份，截至目前已經(jīng)超過六年了。在這六年的時(shí)間中這一水力驅(qū)動控制閥不僅上市投入了批量生產(chǎn)加工，而且在山東省內(nèi)多個(gè)省市的低壓水灌溉控制領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用，其生產(chǎn)規(guī)格滿足多種規(guī)格的法蘭接口，包含DN65＼DN80＼DN100等，如圖3所示符合某種法蘭接口標(biāo)準(zhǔn)的水力驅(qū)動控制閥實(shí)際產(chǎn)品圖片。

2 應(yīng)用

上文所述水力驅(qū)動控制閥已于二零一三年獲得國家專利并上市生產(chǎn)。這一控制閥的研發(fā)和投入使用對管道灌溉需求領(lǐng)域的輸送灌溉水控制工作有著非常重要的作用。在不使用如電力或預(yù)置太陽能板等其他能源供應(yīng)的搶礦下就可以達(dá)到灌溉的目的，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)自主控制閥門開關(guān)、實(shí)時(shí)智能計(jì)費(fèi)灌溉模式、精準(zhǔn)位置灌溉模式、遠(yuǎn)程操作控制灌溉模式等，極大提升了灌溉操作的管理能力。這一系統(tǒng)從二零一三年三月研發(fā)成功后被很多地區(qū)和部分項(xiàng)目引入并投入應(yīng)用：如二零一二年四月中旬在山東省南部的棗莊的二零一一年小農(nóng)水項(xiàng)目中就發(fā)揮了重要作用，這一項(xiàng)目位于薛城區(qū)，具體應(yīng)用方案是在低壓灌溉的十二個(gè)支管都預(yù)裝了上文所述的水力驅(qū)動控制閥，截至目前仍在在這一地區(qū)的灌溉控制中發(fā)揮作用;在二零一三年的四月中山東省東南部的日照也使用了這一設(shè)計(jì)，在東港區(qū)的二零一二年小農(nóng)水項(xiàng)目里于某水庫低壓灌溉所布施的灌溉管網(wǎng)中安裝了三十多部水里驅(qū)動控制閥，其灌溉的效果非常好。這一設(shè)計(jì)在二零一四、二零一五、二零一六等年份都在山東省中不同的縣、市被應(yīng)用，水力驅(qū)動控制閥的應(yīng)用效果在這些地區(qū)都受到了廣泛地好評。

3 結(jié)語

最近幾年，山東省有多個(gè)小型農(nóng)田水利重點(diǎn)縣建設(shè)工作順利開展，在這些小型農(nóng)田水利建設(shè)項(xiàng)目的具體過程見證了該項(xiàng)技術(shù)的迅速發(fā)展情況。水里驅(qū)動控制閥能夠是專門為了在低壓管道灌溉系統(tǒng)運(yùn)送水自我調(diào)控狀況中沒有專門的控制閥來研發(fā)的，這滿足了小型農(nóng)田水利建設(shè)項(xiàng)目中對先進(jìn)科學(xué)技術(shù)及作業(yè)設(shè)備的需求。通過這些年對于這一領(lǐng)域中的研究顯示水力驅(qū)動控制閥有著廣闊的適用范圍和很好的推廣空間，力驅(qū)動控制閥已經(jīng)在應(yīng)用方面有了一些明顯的成果。

參考文獻(xiàn)

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