灌溉流量自調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計與性能分析

張曉斌，馮俊杰，劉 楊，韓啟彪，婁 和，王 明

(1.運城學(xué)院，山西 運城 044000; 2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所/河南省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點實驗室/農(nóng)業(yè)部節(jié)水灌溉工程重點實驗室，河南 新鄉(xiāng) 453002; 3. 河南威盛電氣有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453000)

0 引 言

精準灌溉、自動灌溉、智慧灌溉等應(yīng)用是先進節(jié)水灌溉技術(shù)發(fā)展的重要方向[1]，其中：精準灌溉技術(shù)依據(jù)土壤墑情、作物類型、作物生長過程的耗水特點等實際需求，通過人工或自動監(jiān)測手段、數(shù)據(jù)計算、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)认冗M技術(shù)，采用最優(yōu)的灌溉設(shè)施和灌溉施肥制度，從灌水施肥的數(shù)量、時間等方面，實現(xiàn)水肥的精準控制、達到作物高產(chǎn)和優(yōu)質(zhì)高效的灌溉應(yīng)用新模式[2-5]。它系統(tǒng)地考慮了農(nóng)作物、土壤墑情、氣候等多方位因素，能夠較好地根據(jù)作物的需求精確控制灌溉水肥的總量、時間及其在田塊內(nèi)的實際分布情況，與傳統(tǒng)節(jié)水灌溉相比，更有節(jié)水、節(jié)能、優(yōu)產(chǎn)、提質(zhì)、增效的潛力[6,7]。

灌水定額、灌水時間、灌水周期和灌溉定額等參數(shù)是灌溉制度的重要技術(shù)指標，但現(xiàn)有的滴灌、蓄水灌、根灌和微噴灌、噴灌以及現(xiàn)代地面灌等多種灌溉技術(shù)在實際應(yīng)用過程中，都是按照理論計算或“人為主觀”經(jīng)驗總結(jié)的灌溉施肥量和實施時間，通過人工或自動控制器等對系統(tǒng)管路各類閥門設(shè)備的開啟、關(guān)閉狀態(tài)和末級灌水器的額定流量等進行有效控制，以適時、適量的水肥用量進行灌溉、施肥，從而實現(xiàn)理論的精準控制[8]。但目前真正從作物需水角度進行精準控制的閥門尚報道較少，灌溉管網(wǎng)輸水流量的及時、自動、精確供給也是對閥門功能發(fā)展提出的新要求。因此，針對各級輸配水管網(wǎng)的控制閥和毛管的灌水器等關(guān)鍵設(shè)備，有必要先從各級輸配水管網(wǎng)的流量控制閥角度，研制開發(fā)灌溉輸水管流量自調(diào)節(jié)閥新型產(chǎn)品，通過有效監(jiān)測和控制土壤、作物的需水量、實際灌水量，以有效解決因灌水不足或灌水過度而脅迫作物生長的問題，從而為作物提供最優(yōu)的灌水施肥量、實現(xiàn)真正的精準灌溉應(yīng)用水平提供技術(shù)支撐[9-11]。

1 流量自調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)功能設(shè)計

1.1 功能設(shè)計

針對灌溉輸水管流量調(diào)節(jié)閥的應(yīng)用方式、運行環(huán)境和達到精準灌溉效果的實際需求，研發(fā)的新型流量自調(diào)節(jié)閥產(chǎn)品是在常規(guī)閥門僅有開、關(guān)的全開度啟閉功能基礎(chǔ)上，增添了土壤墑情監(jiān)測感應(yīng)和在全開、全關(guān)之間任意開度調(diào)節(jié)的新型復(fù)合功能，屬于節(jié)流閥產(chǎn)品[12-16]。

1.2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

在現(xiàn)有的手動閥門、水動閥門和電動閥門等常規(guī)閥門設(shè)備的結(jié)構(gòu)、工作原理和應(yīng)用功能的基礎(chǔ)上，利用土壤負壓這一天然能量為調(diào)節(jié)機構(gòu)的控制動力，灌溉輸水管流量自調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要由閥門體、感應(yīng)體共兩部分組成，如圖1。其中：閥門體由閥蓋、橡膠膜、彈簧、閥桿、閥片、上閥體、下閥體和感應(yīng)體組成，上閥體包括儲水腔體和閥體連接部，儲水腔體上設(shè)置有閥體接頭，閥體連接部內(nèi)設(shè)置有閥桿腔，下閥體內(nèi)設(shè)置有與閥片相對應(yīng)的閥片密封機構(gòu)，閥片設(shè)置在下閥體內(nèi)，橡膠膜、彈簧、閥桿和閥片安裝在一起，彈簧初始狀態(tài)下，閥片將下閥體密封，閥蓋與上閥體安裝在一起，將橡膠膜固定，上閥體和下閥體安裝在一起。感應(yīng)體由陶土頭、有機玻璃管、密封塞和微管組成，通過與閥體接頭連接，可以采集、傳遞土壤的干旱情況[17-19]。

1-感應(yīng)體；2-主微管；3-次微管；4-密閉接頭；5-上閥體；6-下閥體

閥蓋、橡膠膜、彈簧、閥桿、閥片、上閥體、下閥體和感應(yīng)體以及微管等各部件的組合，形成完整的灌溉流量自調(diào)節(jié)閥門，如圖2。灌溉輸水管流量自調(diào)節(jié)閥的應(yīng)用有效改變了目前滴灌裝置僅以“計劃被動”的輸水灌溉模式，解決部分自動滴灌裝置采用吸水膨脹橡膠作為動力源，易導(dǎo)致灌溉反應(yīng)滯后、不能及時反應(yīng)墑情、及時實施灌溉的實際問題，真正實現(xiàn)依照擬灌溉地塊的實際旱情而“主動自我調(diào)節(jié)”輸水管供應(yīng)流量的預(yù)期目標，并達到適量供水、高效用水、精準灌溉和節(jié)約運行能耗、提高灌溉自動化等應(yīng)用效果。

1.3 工作原理

灌溉輸水管流量自調(diào)節(jié)閥具有通水、斷水兩個工作模式，其中：通水有全通水和部分通水，初始狀態(tài)為斷水，具體工作原理如圖3。通過陶土頭實時感知土壤的墑情，利用土壤負壓為主要控制動力，通過土壤負壓使密閉空間壓力變化，進而達到控制閥門開閉的作用。當感應(yīng)體采集和傳遞土壤旱情信息后，通過微管以準確地感知地塊的實際土壤水分含量、真實地反映維持作物正常生長的土壤缺水狀況；上閥體和閥桿等控制機構(gòu)是調(diào)節(jié)閥門過水斷面大小的關(guān)鍵組件，它根據(jù)感應(yīng)體采集和傳遞的土壤實際水分狀況信號，通過其自身體積的被動縮小或增大復(fù)原，以有效控制閥門內(nèi)部水流的實際過過水斷面面積，達到調(diào)節(jié)過水流量的應(yīng)用功能；下閥體是管路輸水的過水通道，保證灌溉水流的順利通過和輸送。

當流量自調(diào)節(jié)閥的控制體受土壤旱情狀況而被動變化時，調(diào)節(jié)閥將處于通水(流量大或流量小)模式，開始實施控制灌溉，并通過所在毛管的灌水器進行精準灌溉，灌水過程中，控制體根據(jù)監(jiān)測的土壤實際水分狀況而逐漸復(fù)原變形，當灌水一段時間后，土壤水分狀況達到田間持水量時，控制體將復(fù)原到初始位置，又回到初始的斷水模式。具體的工作過程如此往復(fù)循環(huán)，通水、斷水模式相互切換。

圖3 灌溉輸水管流量自調(diào)節(jié)閥的工作原理圖

實際應(yīng)用中，先在由橡膠膜、儲水腔體和感應(yīng)體組成的密閉空間內(nèi)預(yù)充滿水。把灌溉輸水管流量自調(diào)節(jié)閥與灌溉管網(wǎng)配套應(yīng)用，當土壤含水量較低、出現(xiàn)旱情時，通過感應(yīng)體的準確采集、有效感知其控制地塊的實際土壤水分狀況和作物生長所需土壤旱情信息，使灌溉系統(tǒng)管網(wǎng)能夠根據(jù)田間的實際需水要求而啟動閥門開閉，自動控制其輸水狀態(tài)、調(diào)整其輸水能力，反應(yīng)快捷，控制精確，有效地避免了滴灌的延后，通過控制范圍內(nèi)各條末級管路的灌水器均勻配水，實現(xiàn)高效、精準的灌溉效果，達到節(jié)水、節(jié)能、省工和降耗等目的，有利于進一步提高科技真正服務(wù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力、應(yīng)用水平，促進現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的快速、可持續(xù)發(fā)展。

1.4 設(shè)計指標

灌溉流量自調(diào)節(jié)閥的各組成部件所用的材料和產(chǎn)品的設(shè)計指標參數(shù)如表1。

表1 灌溉流量自調(diào)節(jié)閥的設(shè)計指標

2 樣品試制與試驗設(shè)計

2.1 樣品試制

按照上述結(jié)構(gòu)設(shè)計，運用AutoCAD軟件繪制流量自調(diào)節(jié)閥各組件的模型三維視圖和整體裝配圖，并選用硅膠材料，添加橡膠助劑和骨架材料等，經(jīng)過塑煉，密煉、混煉、壓延、壓出、硫化、注壓成型等階段，加工制作了50、60、70邵爾硬度的彈性膜片。又選取有機玻璃等材料，在數(shù)控加工中心機床精密制作了上閥體、下閥體、閥蓋等，用304不銹鋼制作閥門體的閥片。通過對彈性膜片和上閥體、下閥體、閥蓋的扣緊壓配合，組裝為流量自調(diào)節(jié)閥的閥門體。

研制成型流量自調(diào)節(jié)閥產(chǎn)品的進出水口規(guī)格為DN25，根據(jù)不同的土壤類型，分別選配邵爾硬度50邵氏A、60邵氏A、70邵氏A的彈性膜片進行裝配成型，達到不同的流量調(diào)節(jié)效果，實現(xiàn)對各類型土壤和作物進行合理供水、精準自動灌溉的應(yīng)用功能。結(jié)合流量自調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)，從前期試驗得出硬度為60邵氏A的彈性體變形量較為適宜，其壓力～形變量的關(guān)系比較符合閥體內(nèi)部的空間尺寸，通過彈性膜片與閥體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的相互配合，達到較好的通水、斷水等效果。

2.2 試驗設(shè)計

(1)試驗?zāi)康摹Ｔ诓煌┧畨毫?、模擬土壤負壓共同作用下，分別測試閥門的實時過水流量、流量變化范圍、流量調(diào)節(jié)時間等技術(shù)指標，分析其流量自調(diào)節(jié)效果、調(diào)配精度和控制靈敏度等產(chǎn)品性能和應(yīng)用效果，為流量自調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、材料配方調(diào)整、提高性能穩(wěn)定和產(chǎn)品定型生產(chǎn)等提供技術(shù)依據(jù)。

(2)試驗方案。以配備硬度為60邵氏A的彈性體、試制成型的流量自調(diào)節(jié)閥樣品(DN25)為研究對象，并任選取3個樣品進行測試，每個試驗樣品的測試數(shù)據(jù)均重復(fù)3次。采用室內(nèi)試驗的方式，把選定的測試樣品安裝在微灌過濾器實驗室的水力性能試驗臺上，在100～300 kPa的供水壓力條件下，進行輸水流量的調(diào)節(jié)精度、控制靈敏度和應(yīng)用功耗等性能測試，以直觀可視化的方式進行流量自調(diào)節(jié)閥的工作壓力、過水流量變化、調(diào)配精度和控制靈敏度等技術(shù)指標測試與數(shù)據(jù)分析[20]。

根據(jù)流量自調(diào)節(jié)閥產(chǎn)品的設(shè)計功能和試驗?zāi)康?，結(jié)合微灌過濾器實驗室的微灌設(shè)備水力試驗平臺，在變頻供水、壓力調(diào)節(jié)、流量測算和自動計時等原有試驗條件的基礎(chǔ)上，增設(shè)模擬土壤負壓的試驗裝置，優(yōu)化設(shè)計了流量自調(diào)節(jié)閥性能測試的專門試驗裝置，如圖4所示。

1-水泵；2-供水管；3-變頻控制器；4-壓力表；5-流量自調(diào)節(jié)閥試驗樣品；6-PU軟管；7-精密流量計；8-負壓吸氣泵；9-回水管路

3 結(jié)果與分析

3.1 過水流量試驗

按照規(guī)范和試驗方案，在試驗設(shè)計的100～300 kPa額定供水壓力范圍內(nèi)，以50 kPa的等壓變化幅度，各選取一個試驗壓力點，在不同的供水壓力條件下，分別進行試驗樣品的過水流量測試。試驗共設(shè)置了5個不同的試驗供水壓力點，在模擬土壤負壓裝置的作用下，進行了閥門不同開度時的過水流量測試。通過對試驗數(shù)據(jù)的回歸分析，繪制得出DN25流量自調(diào)節(jié)閥樣品在不同開度時的供水壓力～流量關(guān)系曲線，如圖5。

從圖5中分析得到，流量自調(diào)節(jié)閥的特定結(jié)構(gòu)設(shè)計，首先保持了常規(guī)流量控制閥具有完全通水、完全斷水的基本功能，并增添了閥門調(diào)節(jié)任意開度的新功能，在保證管路正常輸水的同時，根據(jù)作物需水特點、總需水量、水源供水量、工作時長和管理模式等實際情況，達到輸水流量的任意調(diào)節(jié)，在節(jié)水、節(jié)能、節(jié)勞、節(jié)資等方面均具有合理化、人性化和高效率化的管理優(yōu)勢。

圖5 流量自調(diào)節(jié)閥DN25在不同開度條件的壓力～流量關(guān)系曲線

3.2 流量調(diào)節(jié)精度

此指標主要是分析滴灌精量調(diào)配水設(shè)備在不同供水壓力、閥門開度條件下的流量自調(diào)節(jié)精準度。試驗在額定設(shè)計供水壓力范圍內(nèi)，分別選取100、200、300 kPa共3個測試點，進行實測流量，并與理論計算值進行對比，根據(jù)其差值大小，得出DN25流量自調(diào)節(jié)閥樣品的調(diào)節(jié)精度。相關(guān)試驗數(shù)據(jù)如表2。

表2 不同供水壓力、閥門開度條件下的流量自調(diào)節(jié)精準度表

從表2看出，在任意供水壓力下， DN25流量自調(diào)節(jié)閥樣品在各個閥門開度時實測流量數(shù)量與理論設(shè)計相差較小，樣品的調(diào)節(jié)精準度均在81%以上，特別是在閥門開度大于50%時，樣品的流量自調(diào)節(jié)精準度在95%以上，整體調(diào)節(jié)精準度較高。

3.3 控制靈敏度

此指標主要是測試樣品的任意調(diào)節(jié)開度的時間響應(yīng)程度，以分析樣品對于不同調(diào)節(jié)開度的靈活性。試驗的DN25流量自調(diào)節(jié)閥樣品在不同供水壓力、閥門開度條件下的控制響應(yīng)時間試驗數(shù)據(jù)如表3。

從表3分析得出：DN25流量自調(diào)節(jié)閥樣品在設(shè)定的5個不同開度內(nèi)，隨著閥門開度的逐漸減小，其響應(yīng)時間越短、控制靈敏度越高。相鄰不同開度之間的切換響應(yīng)時間均較短、控制靈活度較高，平均在2 s的時間內(nèi)即可完成相鄰閥門開度之間的切換，其中在75%開度向50%開度切換過程中，響應(yīng)時間要大于2 s。整體上，閥門的切換時間與實際供水壓力有關(guān)，供水壓力越大，相鄰開度之間的切換時間就稍有延長，但仍在3 s即可完成相鄰開度間的有效切換，具有較高的控制靈敏度。

4 結(jié) 論

(1)灌溉輸水管流量自調(diào)節(jié)閥把信息采集、傳遞和流量控制等技術(shù)集成一體，是灌溉輸水管網(wǎng)用的新型多功能閥門產(chǎn)品，具有土壤實際水分信息采集、流量控制和壓力調(diào)節(jié)等復(fù)合應(yīng)用功能。通過感應(yīng)體、控制件等關(guān)鍵組件的相互組合，能夠任意調(diào)節(jié)閥門的開度，根據(jù)實時感知到的土壤水分狀況，不斷有效調(diào)整過水斷面的大小，以維持閥體內(nèi)部過水結(jié)構(gòu)的通、斷狀態(tài)。

表3 不同供水壓力、閥門開度條件下的流量自調(diào)節(jié)閥控制響應(yīng)時間表

(2)已加工試制完成的流量自調(diào)節(jié)閥樣品(DN25)的開度調(diào)節(jié)范圍為0～100%，在100～300 kPa供水壓力條件下，其實測流量在0～4.33 m3/h范圍內(nèi)變化，與設(shè)計額定流量相比相差較小，且整體調(diào)節(jié)精準度高達81.5%～99.5%。

(3)試驗流量自調(diào)節(jié)閥樣品的控制靈敏度較高，在100～300 kPa的不同供水壓力下，其閥片動作的響應(yīng)時間隨著閥門開度的逐漸增大而延長，閥門開度從0到100%的響應(yīng)時間短，其最長響應(yīng)時間僅不足3 s，能夠較好地實現(xiàn)節(jié)水灌溉的精準控制。