劉洪辰，王 帥，梁 昭，朱 飛，劉之廣，劉文龍，王春堂

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院，山東 泰安 271018；2. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)土肥資源高效利用國家工程實(shí)驗(yàn)室，山東 泰安 271018；3. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，山東 泰安 271018；4.臨沂市水利局，山東 臨沂 276000；5. 養(yǎng)分資源高效開發(fā)與綜合利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，金正大生態(tài)工程集團(tuán)股份有限公司，山東 臨沭 276700)

0 引 言

我國是一個(gè)干旱缺水嚴(yán)重的國家，而且水資源利用效率較低，其中農(nóng)業(yè)灌溉用水占用了我國淡水資源總量的60%左右。目前我國的農(nóng)業(yè)灌溉面臨著用水量大、灌溉制度不合理、水資源浪費(fèi)、農(nóng)業(yè)面源污染嚴(yán)重等問題。黨中央國務(wù)院明確提出要大力發(fā)展節(jié)水灌溉技術(shù)。波涌灌溉是采用間歇交替方式向畦田或灌水溝放水的一種新型節(jié)水灌溉方法，具有節(jié)水、節(jié)能、保肥、水流推進(jìn)速度快和灌水質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，是緩解上述問題的有效途徑之一。

波涌灌溉有著多年的研究歷史，1979年美國的Stringham和Keller提出了波涌灌這一概念并進(jìn)行室內(nèi)研究，我國于1981年引入這項(xiàng)技術(shù)并加以研究。在我國北方廣大地區(qū)，地面灌溉仍然占據(jù)著主流的地位，波涌灌溉作為一種新型的灌溉方式，具有極大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，但由于灌溉設(shè)備的缺乏導(dǎo)致波涌灌溉無法進(jìn)行大面積推廣應(yīng)用。

為了節(jié)約水資源，發(fā)展農(nóng)業(yè)高效用水，提高灌溉效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，促進(jìn)農(nóng)業(yè)灌溉的自動(dòng)化，研制了雙浮球式水力自動(dòng)波涌灌溉設(shè)備。該設(shè)備構(gòu)造簡單，檢修方便，對(duì)水質(zhì)沒有要求，利用雙浮球機(jī)械裝置和水力相配合來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，節(jié)約能源，可應(yīng)用于渠灌和低壓管灌地區(qū)，適用范圍廣泛。

1 設(shè)備的構(gòu)成

雙浮球式水力自動(dòng)波涌灌溉設(shè)備示意圖見圖1、圖2。

1-底板；2-箱體；3-第一固定板；4-第一圓桿；5-第一活動(dòng)板；6-第一拉繩；7-第一漂浮球；8-出水口；9-第二固定板；10-第一固定塊；11-第一彈簧；12-銷釘；13-第一定滑輪；14-第二拉繩；15-第二漂浮球；16-側(cè)板；17-第三固定板；18-第四固定板；19-第二固定塊；20-第二彈簧；21-插銷；22-第二定滑輪；23-第三定滑輪；24-第三拉繩；25-導(dǎo)向桿；26-第二活動(dòng)板；27-盲孔；28-半圓塊；29-第二圓桿；30-連接桿圖1 雙浮球式水力自動(dòng)波涌灌溉設(shè)備示意

圖2 支撐板示意

底板的上表面固定連接有箱體，底板與箱體組成一個(gè)水箱，底板上設(shè)有出水口，出水口上可活動(dòng)的安裝有第一活動(dòng)板，第一活動(dòng)板通過第一固定板和第一圓桿活動(dòng)的連接在地板上，第一活動(dòng)板在打開或關(guān)閉過程中，以第一圓桿為中心軸做圓周運(yùn)動(dòng)。第一拉繩的一端固定在第一活動(dòng)板上，另一端連接有第一漂浮球，第一活動(dòng)板左側(cè)的底板上同時(shí)設(shè)有第一固定塊和第二固定板，第二固定板的右側(cè)面連接有第一彈簧，第一彈簧另一端連接可以活動(dòng)的銷釘。銷釘?shù)膱A周面與第一活動(dòng)板的上表面滑動(dòng)連接，第二固定板的左側(cè)的底板上設(shè)有第一定滑輪，第二拉繩纏繞在第一定滑輪上，第二拉繩的一端固定連接有第二漂浮球，另一端穿過第二固定板和第一彈簧并與銷釘?shù)淖蠖斯潭ㄟB接。

底板的下表面固定連接有側(cè)板，側(cè)板的底部與底板平行固定連接有第三固定板，第三固定板的上表面固定連接有第四固定板和第二固定塊，第四固定板的右側(cè)面連接第二彈簧，第二彈簧的另一端與插銷的左端連接，插銷右端可活動(dòng)地穿過第二固定塊后與第二活動(dòng)板左側(cè)接觸，側(cè)板的外側(cè)面固定連接有第二定滑輪，箱體的左側(cè)頂部固定連接有第三定滑輪，第一定滑輪、第二定滑輪和第三定滑輪位于同一豎立平面內(nèi)，第三拉繩的一端依次纏繞穿過第二定滑輪和第三定滑輪后連接第二漂浮球的頂部，第三拉繩的另一端穿過側(cè)板和第四固定板和彈簧后與插銷的左端連接。

第三固定板上表面垂直固定有兩個(gè)導(dǎo)向桿，第二活動(dòng)板底部設(shè)有與導(dǎo)向桿配合使用的盲孔，導(dǎo)向桿可活動(dòng)套接在盲孔內(nèi)，導(dǎo)向桿用于限制第二活動(dòng)板只能沿著導(dǎo)向桿上下運(yùn)動(dòng)，第二活動(dòng)板的頂部對(duì)稱設(shè)有兩個(gè)半圓塊，第二圓桿兩端分別鉸接在半圓塊上，第二圓桿中部可活動(dòng)的連接連接桿底部，連接桿的頂部與第一活動(dòng)板的下表面固定連接，兩個(gè)半圓塊與第二圓桿形成一個(gè)鉸接座，第一活動(dòng)板和第二活動(dòng)板通過鉸接座鉸接。當(dāng)?shù)谝换顒?dòng)板將出水口密封時(shí)(即關(guān)閉狀態(tài)時(shí))，第一彈簧處于原始狀態(tài)，第二彈簧處于壓縮狀態(tài)。如此對(duì)設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)間歇性放水，達(dá)到波涌灌溉的灌溉效果。

2 設(shè)備的原理

如圖1所示，底板1的下表面固定連接有側(cè)板16，側(cè)板16的底部固定連接有第三固定板17，第三固定板17的上表面固定連接有第四固定板18和第二固定塊19，第四固定板18的一側(cè)面固定連接有第二彈簧20，第一活動(dòng)板5為關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，第一彈簧11處于原始狀態(tài)，第二彈簧20處于壓縮狀態(tài)。水位上升時(shí)，第一彈簧11被壓縮將銷釘12向左拉動(dòng)，第一活動(dòng)板5打開，此時(shí)第二彈簧20張開，將插銷21推入第二活動(dòng)板26的底部，第二彈簧20遠(yuǎn)離第四固定板18的一端與插銷21的一端固定連接，插銷21活動(dòng)連接在第二固定塊19一側(cè)面開設(shè)的通槽內(nèi)，側(cè)板16的一側(cè)面固定連接有第二定滑輪22，箱體2的頂部固定連接有第三定滑輪23，第二定滑輪22和第三定滑輪23的表面均纏繞有第三拉繩24，第三拉繩24的一端與第二漂浮球15的表面固定連接，另一端穿過側(cè)板16和第四固定板18并與插銷21的一端固定連接，且第三拉繩24位于第二彈簧20的內(nèi)部，水位下降到水箱的二分之一后，第二漂浮球15下降，第二漂浮球15向下運(yùn)動(dòng)拉動(dòng)第三拉繩24并壓縮第二彈簧20，使得第二活動(dòng)板26下降，第一活動(dòng)板5在水壓的作用下關(guān)閉，第三固定板17的上表面固定連接有導(dǎo)向桿25，導(dǎo)向桿25活動(dòng)連接在第二活動(dòng)板26底部開設(shè)的盲孔27的內(nèi)部，通過設(shè)置導(dǎo)向桿25使得第二活動(dòng)板26只能沿著導(dǎo)向桿25上下運(yùn)動(dòng)，且第二活動(dòng)板26位于第二固定塊19的一側(cè)，第二活動(dòng)板26的頂部固定連接有半圓塊28，半圓塊28的一側(cè)面固定連接有第二圓桿29，半圓塊28的數(shù)量為兩個(gè)，且兩個(gè)半圓塊28與第二圓桿29形成一個(gè)鉸接座，由于第一活動(dòng)板5在打開關(guān)閉過程中，以第一圓桿4為中心軸做圓周運(yùn)動(dòng)，且第二活動(dòng)板26只能沿著豎直方向運(yùn)動(dòng)，所以第一活動(dòng)板5和第二活動(dòng)板26必須為鉸接，第二圓桿29活動(dòng)連接在連接桿30表面開設(shè)的圓孔內(nèi)，連接桿30的頂部與第一活動(dòng)板5的下表面固定連接，第一活動(dòng)板5開啟后，第二彈簧20張開將插銷21推入第二活動(dòng)板26的底部，使第一活動(dòng)板5不至于在水流的作用下關(guān)閉，水位下降到水箱的二分之一后，第二漂浮球15下降，第二漂浮球15向下運(yùn)動(dòng)拉動(dòng)第三拉繩24并壓縮第二彈簧20，使得第二活動(dòng)板26下降，第一活動(dòng)板5在水壓的作用下關(guān)閉。

使用時(shí)，當(dāng)水箱里的水位上升時(shí)，第一漂浮球7受到浮力，但由于銷釘12的作用第一活動(dòng)板5沒有被向上抬起，第二漂浮球15繼續(xù)上升，當(dāng)?shù)诙∏?5上升到較高的高度時(shí)拉動(dòng)第一彈簧11，第一彈簧11將銷釘12拉進(jìn)第一固定塊10一側(cè)面開設(shè)的穿孔內(nèi)，此時(shí)第一活動(dòng)板5在第一漂浮球7浮力的作用下打開，第一活動(dòng)板5開啟后，第二彈簧20張開將插銷21推入第二活動(dòng)板26的底部，使第一活動(dòng)板5不至于在水流的作用下關(guān)閉，水位下降到水箱的二分之一后，第二漂浮球15下降，第二漂浮球15向下運(yùn)動(dòng)拉動(dòng)第三拉繩24并壓縮第二彈簧20，使得第二活動(dòng)板26下降，第一活動(dòng)板5在水壓的作用下關(guān)閉，一個(gè)放水周期完成，整個(gè)過程無需人工操作，方便簡單。這樣通過水箱中的水位不斷的上升和下降的過程，水箱中的水間歇性的流入灌溉田地，實(shí)現(xiàn)了水力自動(dòng)波涌流灌溉。

3 設(shè)備核心構(gòu)件的設(shè)計(jì)

3.1 浮球的設(shè)計(jì)

如圖所示，浮球7的設(shè)計(jì)需要根據(jù)第一活動(dòng)板打開所需要的浮力來確定，裝置所需升力的決定因素主要有：活動(dòng)板的自重、水壓力。因此所需要浮球體積的計(jì)算公式為：

式中：V1為浮球7的體積；M為第一活動(dòng)板的重量；γ為水的重度；h為水箱中水位的高度。

浮球15的設(shè)計(jì)是根據(jù)彈簧11的彈性力來確定的，浮球15上升時(shí)應(yīng)產(chǎn)生足夠大的浮力來拉動(dòng)彈簧11，使其壓縮并將銷釘12拉入銷釘槽內(nèi)，因此其計(jì)算公式為：

V2≥F/γ

式中：V2為浮球15的體積；F為彈簧11所具備的彈性力；γ為水的重度。

3.2 出水口活動(dòng)板的設(shè)計(jì)

出水口活動(dòng)板與支板通過銷釘相連接，二者共同工作。當(dāng)水箱中的水位上升時(shí)，出水口活動(dòng)板在浮球的作用之下打開，支板底部支撐在彈出的銷釘上，保證活動(dòng)板不在水壓力的作用下關(guān)閉。此時(shí)應(yīng)保證：

FN>Gw+Fn

式中：FN為支板的支撐力；Gw為水的重力；Fn為水流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力。

3.3 上下兩排銷釘?shù)脑O(shè)計(jì)

(1)第一排銷釘?shù)脑O(shè)計(jì)。第一排銷釘位于水箱底部，其作用在于當(dāng)水箱中的水位逐漸上升時(shí)浮球7產(chǎn)生的浮力不能夠?qū)⒒顒?dòng)板拉開，使水箱中可以蓄滿一個(gè)灌水周期所需要的全部水量。因此在選擇第一排銷釘?shù)牟牧弦约霸O(shè)計(jì)尺寸時(shí)應(yīng)滿足如下條件：

M1≥KF浮

式中：M1為第一排銷釘斷面所受的剪力；F浮為浮球?qū)顒?dòng)板的浮力；K為銷釘設(shè)計(jì)采用的安全系數(shù)。

(2)第二排銷釘?shù)脑O(shè)計(jì)。第二排銷釘位于支撐板的左側(cè)，當(dāng)支撐板未被拉起時(shí)，銷釘被支撐板擋在彈簧槽內(nèi)，當(dāng)上部水箱中的水位上升時(shí)，此時(shí)支撐板連同活動(dòng)板一起上升，銷釘在彈簧槽內(nèi)彈簧的作用下彈出，支撐板支撐在銷釘上，直到完成一個(gè)放水周期，浮球15將彈簧連同銷釘一起拉進(jìn)彈簧槽內(nèi)，支撐板帶動(dòng)活動(dòng)板落下。為了完成放水過程，第二排銷釘?shù)脑O(shè)計(jì)應(yīng)該滿足如下條件：

M2≥KFN

式中：M2為第二排銷釘斷面所受的剪力；FN為支撐板對(duì)銷釘?shù)淖饔昧Γ籏為銷釘設(shè)計(jì)采用的安全系數(shù)。

4 設(shè)備創(chuàng)新及優(yōu)勢

(1)該設(shè)備適用于渠道灌溉和低壓管道輸水灌溉，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性較強(qiáng)，設(shè)備中的裝置對(duì)水質(zhì)沒有要求，能夠適應(yīng)引黃灌區(qū)灌溉水泥沙含量較多的客觀條件。

(2)該設(shè)備采用雙浮球式水力自動(dòng)控制裝置，充分利用水體浮力和浮球自重的作用來控制設(shè)備的運(yùn)行和停止，完全采用水力，具有省時(shí)省力、節(jié)約能耗的特點(diǎn)。

(3)通過水箱中水位的上升來調(diào)節(jié)出水口活動(dòng)板的開度，進(jìn)而調(diào)節(jié)排出灌溉水的流量，能夠滿足生產(chǎn)實(shí)踐中灌溉的不同需求。

(4)通過雙浮球和上下兩排銷釘來完成間歇灌溉，能夠達(dá)到波涌流灌溉所需要的放水效果，并且能夠?qū)崿F(xiàn)灌溉自動(dòng)化，節(jié)約灌溉水資源。

5 應(yīng)用前景

(1)雙浮球式水力自動(dòng)波涌灌溉設(shè)備利用水的浮力實(shí)現(xiàn)了波涌灌溉，較傳統(tǒng)灌溉縮短了輪灌周期，提高了灌溉質(zhì)量，節(jié)省了用水量，減少了肥料隨水流失，降低了農(nóng)田面源污染和附近水體的富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)。符合國家大力發(fā)展節(jié)水灌溉的政策，滿足農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展需求，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

(2)設(shè)備與同類產(chǎn)品相比，對(duì)輸水來源無特殊要求，可廣泛應(yīng)用于低壓管道輸水和渠道灌溉，同時(shí)結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低廉，有利于推廣。

(3)利用雙浮球式機(jī)械單元，完善了周期性放水系統(tǒng)，形成了一套比較完善的水力自動(dòng)波涌灌溉設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)間歇灌溉，具有很強(qiáng)的實(shí)用性和適應(yīng)性，有利于在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。

因此，該設(shè)備及配套技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。

6 結(jié) 語

該設(shè)備是一種波涌灌溉出水裝置，底板的上表面固定連接有箱體、第一固定板，第一固定板的一側(cè)面固定連接有第一圓桿，第一圓桿套接在第一活動(dòng)板正面開設(shè)的通孔內(nèi)，第一活動(dòng)板的表面固定連接有第一拉繩，且第一拉繩的一端固定連接有第一漂浮球。通過設(shè)置第一活動(dòng)板、第一漂浮球、第二漂浮球、第一彈簧和銷釘，第一活動(dòng)板在第一漂浮球浮力的作用下打開，水位下降到水箱的1/2后，第一活動(dòng)板在水壓的作用下關(guān)閉，一個(gè)放水周期完成。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮第一彈簧和銷釘?shù)姆冷P問題，可采用硬度較高的有機(jī)玻璃進(jìn)行制作。

設(shè)備運(yùn)行的整個(gè)過程無需人工操作，方便簡單，解決了波涌灌溉作為一種間歇供水灌溉方式，人工操作時(shí)常常有很多不便之處，費(fèi)工費(fèi)時(shí)，不利于推廣應(yīng)用等問題。設(shè)備完全采用水力自動(dòng)機(jī)械裝置，通過水力來控制設(shè)備的運(yùn)行，充分節(jié)水節(jié)能，同時(shí)設(shè)備構(gòu)造簡易，維修方便，制作、檢修、運(yùn)行成本均比較低，適合目前我國農(nóng)村的經(jīng)濟(jì)發(fā)展現(xiàn)狀，便于在廣大農(nóng)村的推廣應(yīng)用。

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