盛祥民，崔春亮，陳志卿，雷建花，崔 瑞，賽衣旦

(1.新疆水利水電科學(xué)研究院，烏魯木齊 830049；2.新疆農(nóng)業(yè)節(jié)水工程技術(shù)研究中心，烏魯木齊 830049)

新疆是典型的干旱綠洲灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)，建設(shè)節(jié)水型農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。全疆2015年已發(fā)展農(nóng)業(yè)高效節(jié)水灌溉面積343 萬hm，其中地方農(nóng)業(yè)高效節(jié)水面積241.87 萬hm，微灌作物種類、微灌形式、微灌面積均處于全國領(lǐng)先地位。但是，現(xiàn)有的微灌方式中的自動(dòng)化灌溉較少，在灌溉勞動(dòng)力投入方面成本過高[1]。隨著科技的進(jìn)步、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，以及水資源的短缺、勞動(dòng)力成本的升高，開發(fā)和應(yīng)用自動(dòng)化灌溉是社會(huì)的必然選擇[2]。隨著滴灌技術(shù)的發(fā)展，目前小流量大管徑的輪灌制度正在逐步推廣開來，而電磁閥作為自動(dòng)化灌溉中的一項(xiàng)關(guān)鍵設(shè)備，卻成為適用于小流量大管徑滴灌工程的自動(dòng)化灌溉的瓶頸。國內(nèi)對(duì)電磁閥的研究較多[1,3,4]，而對(duì)隔膜的研究較少且不涉及農(nóng)業(yè)灌溉方面，如龔亞琴、張國明，針對(duì)密封難和操作扭矩大的問題，對(duì)直通式隔膜閥的密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和原因的分析，并提出了解決方案[5]。王軍民等介紹隔膜閥膜片的研制情況及其配方設(shè)計(jì)特點(diǎn)和生產(chǎn)工藝要點(diǎn)[6]。目前國內(nèi)能夠應(yīng)用于農(nóng)業(yè)自動(dòng)化灌溉的塑料材質(zhì)的直流脈沖電磁閥主要為DN75和DN90兩種口徑，而到目前為止，國內(nèi)能夠應(yīng)用于農(nóng)用節(jié)水灌溉的DN110、DN125大口徑塑料直流脈沖電磁閥尚未報(bào)道。

基于上述情況，新疆水利水電科學(xué)研究院開展了大口徑電磁閥的研制。本文主要是進(jìn)行DN110直流脈沖電磁閥的隔膜深度偏差對(duì)產(chǎn)品水力性能的影響分析，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的節(jié)水灌溉技術(shù)提供一種適于我國國情，同時(shí)擁有自主技術(shù)的關(guān)鍵性控制設(shè)備[1]。同時(shí)，以期推動(dòng)低壓灌溉工程技術(shù)的發(fā)展，為新疆的高效節(jié)水的發(fā)展提供支撐基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)儀器設(shè)備主要是電磁閥壓力-流量檢測(cè)臺(tái)和待檢電磁閥及隔膜，試驗(yàn)儀器設(shè)備包括：離心泵1臺(tái)、變頻器1臺(tái)、閘閥1臺(tái)、逆止閥1臺(tái)、電磁流量計(jì)1臺(tái)、壓力表2塊、PLC控制操作臺(tái)1套；待檢的新疆水利水電科學(xué)研究院自主開發(fā)的DN110直流脈沖電磁閥1套，9個(gè)電磁閥隔膜，電磁閥隔膜深度區(qū)間為33.2～34.1 mm。新疆水利水電科學(xué)研究院研究開發(fā)的DN110直流脈沖電磁閥的設(shè)計(jì)工作流量為100 m3/h，設(shè)計(jì)工作流量條件下的電磁閥工作水頭損失為3 m，電磁閥的設(shè)計(jì)隔膜深度為33.5 mm。其試驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。

圖1 電磁閥檢測(cè)試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Test layout of the solenoid valve

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在新疆農(nóng)業(yè)節(jié)水工程技術(shù)研究中心節(jié)水產(chǎn)品檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。將電磁閥隔膜裝入待檢電磁閥內(nèi)，連接待檢電磁閥，開啟電磁閥壓力-流量檢測(cè)臺(tái)，進(jìn)行60～140 m3/h流量條件下的閥門前后壓力測(cè)試并記錄數(shù)據(jù)，并重復(fù)測(cè)試3次，然后更換電磁閥隔膜，重復(fù)上述操作直至完成9個(gè)電磁閥隔膜的測(cè)試工作結(jié)束，測(cè)試試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案見表1。

2 不同隔膜深度條件下電磁閥的性能對(duì)比分析

2.1 電磁閥的水力性能對(duì)比

2017年12月，針對(duì)9個(gè)不同深度的電磁閥隔膜進(jìn)行了水力性能試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析計(jì)算，得出了9個(gè)隔膜深度條件下的電磁閥的水頭損失擬合曲線(見表2)。同時(shí)還繪制水頭損失ΔH與流量Q的關(guān)系曲線，見圖2。

表1 測(cè)試試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案Tab.1 Test design of the experiment

表2 不同隔膜深度的電磁閥水力性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)表Tab.2 Test data of hydraulic performance about different depth of the solenoid valve

圖2 電磁閥的流量與水頭損失曲線Fig.2 Flow and head loss curve of the solenoid valve

由表2數(shù)據(jù)結(jié)合圖2可以看出，9個(gè)不同隔膜深度條件下的電磁閥相對(duì)于100 m3/h的設(shè)計(jì)流量對(duì)應(yīng)的水頭損失變化較小，而60、140 m3/h時(shí)的水頭損失相對(duì)變化較大。電磁閥流量為60 m3/h時(shí)，電磁閥的水頭損失由高到低對(duì)應(yīng)的隔膜深度依次為33.4、34、33.7、34.1、33.3、33.35、33.6、33.5、33.2 mm，電磁閥的最大水頭損失差為0.5 m。電磁閥流量為140 m3/h時(shí)，電磁閥的水頭損失由高到低對(duì)應(yīng)的隔膜深度依次為33.6、33.3、33.35、33.5、34.1、33.2、34、33.4、33.7 mm，電磁閥的最大水頭損失差為0.97 m。當(dāng)電磁閥的流量為100 m3/h時(shí)，對(duì)應(yīng)水力性能最好的兩個(gè)電磁閥隔膜深度分別為33.2和33.7 mm，對(duì)應(yīng)水力性能最差的兩個(gè)電磁閥隔膜深度分別為33.4和34 mm，電磁閥的最大水頭損失差為0.3 m。當(dāng)電磁閥的流量為60～100 m3/h時(shí)，對(duì)應(yīng)水力性能最好的兩個(gè)電磁閥隔膜深度分別為33.2和33.5 mm，對(duì)應(yīng)水力性能最差的兩個(gè)電磁閥隔膜深度分別為33.4和34 mm。當(dāng)電磁閥的流量為100～140 m3/h時(shí)，對(duì)應(yīng)水力性能最好的兩個(gè)電磁閥隔膜深度分別為33.7和33.4 mm，對(duì)應(yīng)水力性能最差的兩個(gè)電磁閥隔膜深度分別為33.6和33.3 mm。

綜合表2的數(shù)據(jù)和圖2的曲線，當(dāng)電磁閥的流量同時(shí)需要滿足60～140 m3/h整個(gè)流量區(qū)間時(shí)，水力性能相對(duì)較好的隔膜深度為34.1和33.35 mm。

2.2 最小開啟壓力測(cè)試結(jié)果與分析

2017年12月，針對(duì)9個(gè)不同深度的電磁閥隔膜進(jìn)行了最小開啟壓力測(cè)試試驗(yàn)，測(cè)得試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析計(jì)算，得出了9個(gè)隔膜深度條件下的電磁閥的開啟壓力擬合曲線方程(見表3)。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，隔膜深度為33.5 mm的設(shè)計(jì)深度條件下的最小開啟壓力為1.67 m，隔膜深度為34.1和33.2 mm的最小開啟壓力分別為1.10和1.23 m，隔膜深度為33.7和34 mm的最小開啟壓力分別為5.40和3.57 m。低壓開啟的隔膜深度和高壓開啟的隔膜深度都是有大深度和小深度的數(shù)據(jù)，這和圖3的關(guān)系曲線是一致的。

表3 不同隔膜深度的電磁閥最小開啟壓力試驗(yàn)數(shù)據(jù)表Tab.3 Test data of the minimum working pressure about different forms of the solenoid valve

圖3 電磁閥隔膜深度與最小開啟壓力的關(guān)系曲線Fig.3 The minimum working pressure and minimum opening pressure curve of the solenoid valve

3 結(jié) 論

(1)電磁閥設(shè)計(jì)流量為60、100和140m3/h時(shí)，對(duì)應(yīng)電磁閥的最大水頭損失差為0.5、0.3和0.97m。說明不同隔膜深度條件下的電磁閥相對(duì)于100m3/h的設(shè)計(jì)流量對(duì)應(yīng)的水頭損失變化較小，即電磁閥隔膜的深度偏差對(duì)電磁閥的設(shè)計(jì)流量不會(huì)造成影響。同時(shí)，由于電磁閥的流量和水頭損失呈線性關(guān)系，說明隔膜深度偏差在60～100m3/h設(shè)計(jì)流量條件下電磁閥的水力性能影響相對(duì)于100～140m3/h設(shè)計(jì)流量條件下電磁閥的水力性能的影響較小。

(2)當(dāng)電磁閥的流量為60～100m3/h時(shí)，對(duì)應(yīng)水力性能最好的兩個(gè)電磁閥隔膜深度分別為33.2和33.5mm，對(duì)應(yīng)水力性能最差的兩個(gè)電磁閥隔膜深度分別為33.4和34mm。當(dāng)電磁閥的流量為100～140m3/h時(shí)，對(duì)應(yīng)水力性能最好的兩個(gè)電磁閥隔膜深度分別為33.7和33.4mm，對(duì)應(yīng)水力性能最差的兩個(gè)電磁閥隔膜深度分別為33.6和33.3mm。當(dāng)電磁閥的流量同時(shí)需要滿足60～140m3/h整個(gè)流量區(qū)間時(shí)，水力性能相對(duì)較好的隔膜深度為34.1和33.35mm。說明隔膜的深度偏差與電磁閥的流量之間呈現(xiàn)的關(guān)系不明顯，即說明隔膜的深度偏差對(duì)于電磁閥的流量的影響比較隨機(jī)，而造成這種影響隨機(jī)的主要原因是加工的過程中存在一定的加工工藝偏差。

(3)隔膜深度為34.1和33.2mm的最小開啟壓力分別為1.1和1.2m，隔膜深度為33.7和34mm的最小開啟壓力分別為5.4和3.6 m。說明隔膜深度對(duì)開啟壓力的影響不大，即隔膜深度的大小不會(huì)影響電磁閥的開啟壓力，而主要影響開啟壓力大小的因素應(yīng)是隔膜材料在加工過程中的配料與加工工藝[3]。

綜上所述，隔膜深度制造偏差對(duì)電磁閥的設(shè)計(jì)流量條件下的水頭損失影響不大。同時(shí)，在全球低碳減排的大趨勢(shì)下，節(jié)水灌溉工程的系統(tǒng)壓力也向低壓、低能耗方向發(fā)展，傳統(tǒng)進(jìn)口直流脈沖電磁閥的最小工作壓力在0.1 MPa以上，而本次自主研發(fā)的直流脈沖電磁閥充分考慮了低壓灌溉系統(tǒng)，直接將電磁閥的最小工作壓力降低到0.012～0.054 MPa區(qū)間，大大降低了電磁閥的開啟工作壓力，降低了節(jié)水灌溉系統(tǒng)的首部工作壓力和加壓系統(tǒng)的電機(jī)功率，有利于進(jìn)一步推動(dòng)低壓節(jié)水灌溉技術(shù)的發(fā)展，即實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排，又減少了農(nóng)民的資金投入。