孫超+劉淵+高昌珍

摘 要：虹吸式時(shí)間調(diào)節(jié)控制器是通過(guò)利用調(diào)節(jié)浮子室的進(jìn)水流量與虹吸管排水流量來(lái)實(shí)現(xiàn)虹吸間歇定時(shí)排水，在波涌閥中起到水力自動(dòng)調(diào)節(jié)作用的裝置。根據(jù)自制波涌閥的過(guò)水特點(diǎn)以及灌溉需要，通過(guò)分析周期供水時(shí)間、進(jìn)水流量以及排水流量三者建立數(shù)學(xué)模型，確定虹吸式時(shí)間調(diào)節(jié)控制器的各參數(shù)，并對(duì)該裝置進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)分析。經(jīng)試驗(yàn)證明各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)滿足灌溉要求，該虹吸式時(shí)間調(diào)節(jié)控制器也可為其他波涌閥的設(shè)計(jì)作參考。

關(guān)鍵詞：波涌閥；虹吸；水力自動(dòng)調(diào)節(jié)

中圖分類號(hào)：S274.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2015.10.006

Abstract： Siphon type adjustment controller is through the use of time to adjust float chamber inlet flow and to implement the siphon drainage discharge siphon intermittent drainage regularly. It has the function of hydraulic automatic control device in the wave surge valve. Based on the characteristics of homemade wave surge valve of water and irrigations need， by analyzing the cycle time of water supply， mathematical model is set up.It can determine the siphon time to adjust the parameters of the controller and analyze stepless regulation and the device. After the experiment has proved that the design rod structure satisfies the requirement of irrigation and the siphon time adjusting controller can also be used for other wave surge valve design for reference.

Key words： wave surge valve； siphon； hydraulic automatic adjustment

波涌灌是一種比較新興的灌溉方式，它采用低水頭流量快速推進(jìn)，間歇性地向溝、畦放水[1]。因其與連續(xù)灌水相比具有灌水均勻、省水省時(shí)、深層滲漏小等優(yōu)點(diǎn)被認(rèn)為是地面灌溉技術(shù)的一大突破[2]。然而針對(duì)在丘陵山區(qū)機(jī)修梯田地，旱井集蓄的雨水量少，灌水定額在很大程度上受到限制，尤其是位于黃土高原上大量集雨節(jié)灌的機(jī)修梯田地，以往的波涌閥因造價(jià)高，技術(shù)復(fù)雜等原因在生產(chǎn)實(shí)踐上受到限制。

因此，本研究結(jié)合當(dāng)?shù)毓嗨攸c(diǎn)，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型分析設(shè)計(jì)了一種虹吸式時(shí)間調(diào)節(jié)控制器，這種小型的波涌灌溉設(shè)備具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，它的研發(fā)可以進(jìn)一步促進(jìn)波涌灌水技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

1 虹吸式時(shí)間調(diào)節(jié)控制器主體設(shè)計(jì)

虹吸式時(shí)間調(diào)節(jié)器由穩(wěn)流機(jī)構(gòu)與虹吸機(jī)構(gòu)組成。穩(wěn)流機(jī)構(gòu)與虹吸機(jī)構(gòu)共同完成波涌閥的時(shí)間調(diào)控。穩(wěn)流機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)使流入浮子室的水流為恒定流，以使虹吸機(jī)構(gòu)能準(zhǔn)確控制浮子的升降。虹吸機(jī)構(gòu)的功用是在穩(wěn)流機(jī)構(gòu)所提供的恒定流下，通過(guò)調(diào)控浮子的升降行程時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)閥片的定時(shí)轉(zhuǎn)換。

2 穩(wěn)流機(jī)構(gòu)的分析設(shè)計(jì)

穩(wěn)流機(jī)構(gòu)主要由水箱、浮球閥、濾管組成，其中浮球閥由小浮球、塑料桿、帶凸臺(tái)的橡膠膜片、入水管、出水管組成，穩(wěn)流機(jī)構(gòu)的作用是為虹吸機(jī)構(gòu)提供恒定流（圖1）。

穩(wěn)流機(jī)構(gòu)的原理是根據(jù)水力學(xué)中的歐拉法（Euler），在水箱的下側(cè)開(kāi)一小孔，如果水箱內(nèi)的水不斷得到補(bǔ)充而使水位保持恒定不變時(shí)（不隨時(shí)間而變化），從孔口射出的水流的所有運(yùn)動(dòng)要素都不會(huì)隨時(shí)間而改變，即孔口流出的水流為恒定流[3]。

3 虹吸機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

虹吸機(jī)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)由浮子、浮子室、虹吸管、抽氣管、抽氣輔助管、虹吸破壞管、排水器組成。其工作原理是利用抽氣管中快速流動(dòng)的水將虹吸管道中的空氣帶走，使虹吸管道內(nèi)形成一定的真空度，在管道內(nèi)外大氣壓差的作用下，浮子室中的水進(jìn)入虹吸管道后排入排水器中。虹吸管中的水流速度可以通過(guò)閥片調(diào)節(jié)，能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)自動(dòng)停止排水，如圖1所示。

4 虹吸式時(shí)間調(diào)節(jié)控制器各參數(shù)的分析

虹吸機(jī)構(gòu)各參數(shù)是以設(shè)計(jì)排水流量和排水周期兩個(gè)參數(shù)為根據(jù)來(lái)確定大小的。

排水周期由進(jìn)水階段、抽氣階段、虹吸管排水階段組成。進(jìn)水階段是浮子從浮子室底部上升到抽氣管開(kāi)始抽氣所需的時(shí)間；抽氣階段是從抽氣管開(kāi)始抽氣到抽氣結(jié)束；虹吸管排水階段是浮子從最高位置下降到最低位置時(shí)間。

（1）進(jìn)水時(shí)間。

在供水階段找出浮子室的進(jìn)水流量與t1、t2的關(guān)系和在停水階段找出浮子室的進(jìn)水流量、虹吸管排水流量與t3的關(guān)系，建立起周期供水時(shí)間或周期停水時(shí)間、浮子室進(jìn)水流量與虹吸管排水流量之間的數(shù)學(xué)模型，以實(shí)現(xiàn)調(diào)控浮子室進(jìn)水流量與虹吸管排水流量，就可在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)周期供水時(shí)間和周期停水時(shí)間的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。本試驗(yàn)中循環(huán)率取1/2，因而周期供水時(shí)間等于周期停水時(shí)間，即：，同理：

（20）

式中：T—周期供水時(shí)間或周期停水時(shí)間，s；Q虹—t3時(shí)間內(nèi)虹吸管排水的平均流量，m3·s-1；Q進(jìn)—浮子室的進(jìn)水流量，m3·s-1。

由（20）式可以建立起周期供水時(shí)間或周期停水時(shí)間、虹吸管的排水流量與浮子室的進(jìn)水流量之間的數(shù)學(xué)模型，如（21）式：

（21）

式中：T—周期供水時(shí)間或周期停水時(shí)間，s；Q虹—t3時(shí)間內(nèi)虹吸管的平均排水流量，m3·s-1；Q進(jìn)-浮子室的進(jìn)水流量，m3·s-1；s-浮子室橫截面積，m2；s1-抽氣管橫截面積，m2；v—浮子室中液面上升的速度，m·s-1；s2-虹吸管橫截面積，m2；h3—浮子室內(nèi)t3時(shí)刻下降的水位高度即虹吸管在浮子室中的垂直高度，mm；h4—浮子室底與排水器中水位的距離，mm；h1—抽氣管在浮子室內(nèi)的高度，mm；

6 波涌灌溉灌水參數(shù)的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)

山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院高昌珍教授等專家對(duì)丘陵山區(qū)旱井集雨灌溉的特點(diǎn)分析[4]，以及對(duì)丘陵山區(qū)短溝畦、小定額灌水地塊上所進(jìn)行的波涌灌溉試驗(yàn)結(jié)果[5]表明，在丘陵山區(qū)小定額地塊上進(jìn)行波涌灌溉的灌水周期一般設(shè)在15～45 min之間，以此為依據(jù)，在15～45 min之間，建立起周期供水時(shí)間或周期停水時(shí)間、浮子室進(jìn)水流量Q進(jìn)與虹吸管排水流量Q虹之間的數(shù)學(xué)模型，對(duì)Q虹和Q進(jìn)進(jìn)行最優(yōu)組合，達(dá)到周期供水時(shí)間與周期停水時(shí)間準(zhǔn)確無(wú)誤，實(shí)現(xiàn)波涌灌溉設(shè)備的高靈敏度。

由（22）可知，在確定的周期供水時(shí)間內(nèi)或周期停水時(shí)間內(nèi)，虹吸管排水流量與浮子室的進(jìn)水流量成一次線性關(guān)系，虹吸管排水流量隨浮子室的進(jìn)水流量而變化。在每次波涌設(shè)備應(yīng)用時(shí)，周期供水時(shí)間或周期停水時(shí)間是確定的，浮子室的進(jìn)水流量每取一定值，虹吸管排水流量有唯一值與之相對(duì)應(yīng)。即通過(guò)調(diào)節(jié)穩(wěn)流機(jī)構(gòu)排入浮子室的進(jìn)水流量，同時(shí)按照（22）式所建立的數(shù)學(xué)模型調(diào)節(jié)虹吸管的排水流量，便可在之間實(shí)現(xiàn)周期供水時(shí)間或周期停水時(shí)間的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。

7 虹吸式時(shí)間調(diào)節(jié)控制器的優(yōu)點(diǎn)

（1）裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定，大大節(jié)約了成本，易于普及。

（2）整套裝置無(wú)需外部動(dòng)力可以自行運(yùn)轉(zhuǎn)，操作簡(jiǎn)單易行，更加節(jié)能環(huán)保。

（3）可實(shí)現(xiàn)波涌灌溉參數(shù)的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，裝置靈敏度更高。

8 結(jié) 語(yǔ)

本次設(shè)計(jì)試驗(yàn)的虹吸式時(shí)間調(diào)節(jié)控制器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低成本、經(jīng)濟(jì)節(jié)能等方面優(yōu)點(diǎn)。但是此結(jié)果是基于數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)分析得到的，其各方面性能還有待在試驗(yàn)中進(jìn)一步證明和改善。

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