孫曉杰

(山東德州市水利局河道工程管理處，山東 德州 253000)

1 概述

傳統(tǒng)滴灌帶由于具有薄、軟等特性，灌水器多采用折射型流道消能，滴水灌溉的形式，這對水質(zhì)提出了更高的要求[1]。在滴灌系統(tǒng)中，堵塞主要分為物理堵塞、生物堵塞和化學(xué)堵塞。物理堵塞通常是指由于過濾不凈，細(xì)小顆粒流入流道造成流水不暢甚至無法滴水的現(xiàn)象。生物堵塞分為兩種，一種是由于作物根系的向水性，根部生長個(gè)別根系直接插入出水孔造成灌水器無法正常工作；二是水中的微生物在受到升溫等現(xiàn)象的影響，發(fā)生繁殖，生成絮狀粘滑的物質(zhì)，直接堵塞與灌水器流道，無法灌水?；瘜W(xué)堵塞通常是指由于水中的鐵錳等離子超標(biāo)，與空氣中的氧接觸后，迅速發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成三氧化二鐵、二氧化錳等固體，固化凝結(jié)在流道里或出水孔處，造成灌水器堵塞[1]。物理堵塞可以通過提高過濾設(shè)備的過濾效果來減緩或者消除堵塞；生物堵塞可以通過在灌溉系統(tǒng)中加入適當(dāng)和適量的藥劑除草劑予以緩解和消除；但化學(xué)堵塞始終是困擾研究人員的主要難題。

2 吸力式微潤灌水器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)形式

突破傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念和思路，對灌水器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究，化繁為簡，利用灌水器導(dǎo)水芯的毛細(xì)浸潤作用進(jìn)行導(dǎo)水，先后研究設(shè)計(jì)開發(fā)出“串聯(lián)直通Ⅰ型”、“串聯(lián)直通型Ⅱ”和管上式吸力式微潤灌水器三代產(chǎn)品[2]，并配套開發(fā)出了相應(yīng)配件。如圖1—2所示。

圖1 “串聯(lián)直通Ⅱ型”吸力式微潤灌水器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 “串聯(lián)直通Ⅱ型”吸力式微潤灌水器設(shè)計(jì)圖

灌水器的材質(zhì)組成為90%的低壓聚乙烯和10%的高壓聚丙烯。其結(jié)構(gòu)主要由導(dǎo)水芯、緩沖腔、接口管組成，導(dǎo)水芯是毛管中水向土壤供給的通道，其導(dǎo)水性能直接決定灌水器性能的好壞[3]。導(dǎo)水芯的直徑約為3.0mm，長度為4～6cm，導(dǎo)水孔的直徑為2.0mm。

為方便導(dǎo)水芯穿引，在“串聯(lián)直通Ⅱ型”吸力式微潤灌水器出水孔的垂直方向設(shè)計(jì)加裝了2個(gè)定位塊。為加大水道過流面積，設(shè)計(jì)了水道緩沖腔，以彌補(bǔ)由于導(dǎo)水芯阻擋水流行進(jìn)方向而造成的局部水頭損失[4]?？紤]到灌水器模具開發(fā)，課題組將“串聯(lián)直通Ⅱ型”吸力式微潤灌水器進(jìn)行了分體設(shè)計(jì)。

由于灌水器的特殊結(jié)構(gòu)，對于根系和土壤負(fù)壓等引起的物理堵塞及化學(xué)因素造成的堵塞，均可通過提拉導(dǎo)水芯來清除。

2.2 導(dǎo)水芯研發(fā)

導(dǎo)水芯是毛管中水向土壤供給的通道，其導(dǎo)水性能直接決定灌水器性能的好壞。同時(shí)開始進(jìn)行吸力式微潤灌水器的研發(fā)工作，先后完成了導(dǎo)水芯水平浸潤試驗(yàn)、垂直浸潤試驗(yàn)、有土壓力下的導(dǎo)水能力試驗(yàn)[4]并在山東德州大棚進(jìn)行了吸力式微潤灌水器初期產(chǎn)品應(yīng)用效果試驗(yàn)。

氨綸低彈絲48h水平浸潤長度為215cm，垂直浸潤高度為26.5cm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他材料，表現(xiàn)了其良好的導(dǎo)水性能，見表1—2。課題組最終選定了導(dǎo)水芯的材料——氨綸低彈絲。確定導(dǎo)水芯的材

表1 導(dǎo)水芯水平浸潤試驗(yàn) 單位：cm

表2 導(dǎo)水芯垂直浸潤試驗(yàn) 單位：cm

質(zhì)后，課題組著手導(dǎo)水芯形式的研究，先后開發(fā)研制出氨綸低彈絲三股導(dǎo)水芯、氨綸低彈絲四股導(dǎo)水芯、氨綸低彈絲六股導(dǎo)水芯和氨綸低彈絲八股導(dǎo)水芯[5]。經(jīng)過試驗(yàn)，尤以氨綸低彈絲三股導(dǎo)水芯的水力性能表現(xiàn)最佳。

2.3 導(dǎo)水芯穿引機(jī)研發(fā)

微潤灌溉技術(shù)概念的提出是新型微灌設(shè)備的理論基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)水芯與吸力式微潤灌水器的自動化穿引，是產(chǎn)品能否研發(fā)成功的關(guān)鍵[6]。針對吸力式微潤灌水器的幾何特征和理化性質(zhì)，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，采用振動篩自動排序和牽引梭穿導(dǎo)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)吸力式微潤灌水器導(dǎo)水芯的自動化穿引，并根據(jù)穿導(dǎo)過程研制出了吸力式微潤灌水器導(dǎo)水芯自動穿引機(jī)。

2.3.1導(dǎo)水芯穿引機(jī)工作原理

導(dǎo)水芯穿引機(jī)工作原理是將放置在振動排序裝置中無規(guī)則的吸力式微潤灌水器通過振動排序，規(guī)則有序的進(jìn)入到穿引梭槽內(nèi)，通過穿引系統(tǒng)的牽引梭將導(dǎo)水芯自動牽引并穿過灌水器，在經(jīng)過切割裝置，自動將導(dǎo)水芯按照設(shè)定的長度進(jìn)行切割，形成一個(gè)完整的吸力式微潤灌水器[7]。

2.3.2導(dǎo)水芯穿引機(jī)結(jié)構(gòu)組成

導(dǎo)水芯穿引機(jī)由機(jī)械結(jié)構(gòu)部分和電器部分組成，按功能可分為灌水器排序裝置和導(dǎo)水芯分割裝置。機(jī)械結(jié)構(gòu)部分包括固定支撐裝置、牽引裝置、定向裝置、穿引梭固定裝置和導(dǎo)水芯分割裝置組成。

2.3.2.1 細(xì)部結(jié)構(gòu)功能用途

電器部分。調(diào)速電機(jī)主要根據(jù)料斗灌水器的多少，調(diào)整振動頻率和灌水器排序速度。振動排序裝置通過一定的振動頻率，將合格的吸力式微潤灌水器通過螺旋槽有序的進(jìn)入到穿引梭；將不合格的產(chǎn)品直接分離出去[8]。電器箱內(nèi)裝有繼電器、開關(guān)、控制器等電器元件，電器箱面板設(shè)置控溫調(diào)節(jié)顯示、電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)顯示、開關(guān)等，直觀并易于操作。

機(jī)械部分有以下部分組成。

(1)機(jī)臺：本機(jī)臺采用板金結(jié)構(gòu)，兩側(cè)開門，外形尺寸1800mm×500mm×800mm(長×寬×高)，機(jī)臺平穩(wěn)、美觀且內(nèi)部空間大，利于電機(jī)散熱。

(2)固定支撐裝置由支撐箱、牽引裝置固定支架、定向裝置支架和穿引梭固定支架組成，如圖3所示。

圖3 固定支撐裝置示意圖

(3)牽引裝置主要牽引導(dǎo)軌、卡夾、穿引槽和動力輪構(gòu)成。牽引導(dǎo)軌通過定向裝置穿過灌水器的出水孔，再通過卡夾經(jīng)動力輪驅(qū)動，將導(dǎo)水芯穿過灌水器。

(4)定向裝置是確保牽引導(dǎo)軌與灌水器出水孔同心的定位定向裝置，主要通過固定支架固定在支撐箱上。

(5)穿引梭固定裝置由前位支架和后位支架組成，通過支架固定穿引梭，確保牽引導(dǎo)軌準(zhǔn)確穿過灌水器的出水孔。

(6)導(dǎo)水芯分割裝置由調(diào)距定位栓和分切刀組成。調(diào)節(jié)定位栓將距離調(diào)整到適宜位置，確保灌水器穿引導(dǎo)水芯后滿足單側(cè)導(dǎo)水芯的長度為3cm；當(dāng)牽引機(jī)達(dá)到設(shè)定位置，分切刀將導(dǎo)水芯切斷，完成導(dǎo)水芯的穿引。

2.3.2.2 導(dǎo)水芯穿引機(jī)產(chǎn)品指標(biāo)

導(dǎo)水芯穿引機(jī)的工作電壓為220v，功率為1.5kw，工作效率為1800個(gè)/h，導(dǎo)水芯長度誤差±2.0mm。

3 吸力式微潤灌水器生產(chǎn)工藝

吸力式微潤灌水器的生產(chǎn)主要分為灌水器注塑成型和導(dǎo)水芯穿導(dǎo)分切兩個(gè)階段。

3.1 吸力式微潤灌水器注塑成型

3.1.1原材料

吸力式微潤灌水器的原材料包括約90%的低壓聚乙烯、10%的高壓聚丙烯聚乙烯PE、少量的抗氧化劑及紫外線吸收劑。這種材料組成可減少灌水器脫模后的收縮度，還可以有效防止老化。

3.1.2注塑過程

根據(jù)生產(chǎn)需要，此次開發(fā)的模具為滑動脫模16腔注塑模具，模具核心部分采用45#鋼，模具可反復(fù)使用10萬次。具體生產(chǎn)過程將原材料(聚乙烯、聚丙烯、抗氧化劑及紫外線吸收劑)放入儲料斗內(nèi)，通過電機(jī)振動，將原材料輸入到注塑機(jī)內(nèi)，將原材料加熱塑化，待原材料呈熔融狀態(tài)后，通過導(dǎo)管輸入到模具內(nèi)，經(jīng)過模具注塑定型，自動脫模，形成灌水器主體[8]。吸力式微潤灌水器注塑過程如圖4所示。

圖4 吸力式微潤灌水器注塑成型流程示意圖

3.1.3注塑質(zhì)量控制

吸力式微潤灌水器高10.0mm，出水孔直徑為2.0mm，具體尺寸如圖5—7所示，誤差控制范圍為0.02mm；輸出速度240模/h，誤差控制范圍為10模/h；抗氧化劑及紫外線吸收劑占原材料的含量為3%～5%。

圖5 吸力式微潤灌水器外觀尺寸圖

圖6 吸力式微潤灌水器俯視圖

圖7 吸力式微潤灌水器A-A剖面圖

3.2 吸力式微潤灌水器導(dǎo)水芯分切

3.2.1導(dǎo)水芯分切過程

吸力式微潤灌水器導(dǎo)水芯的分切過程是將放置在振動排序裝置中無規(guī)則的吸力式微潤灌水器通過振動排序，規(guī)則有序的進(jìn)入到穿引梭槽內(nèi)，通過穿引系統(tǒng)的牽引梭將導(dǎo)水芯自動牽引并穿過灌水器，在經(jīng)過切割裝置，自動將導(dǎo)水芯按照設(shè)定的長度進(jìn)行切割，形成一個(gè)完整的吸力式微潤灌水器[9]。

3.2.2導(dǎo)水芯分切質(zhì)量控制

吸力式微潤灌水器導(dǎo)水芯分切效率為1800個(gè)/h，導(dǎo)水芯長度分切誤差為±2.0mm，誤切率低于1%，設(shè)備運(yùn)行可靠，精度達(dá)到產(chǎn)品使用的要求。

4 測試結(jié)果

4.1 微潤灌水器制造偏差

4.1.1恒壓條件下微潤灌水器流量變異系數(shù)

如圖8所示，顯示了在0.02MPa工作壓力下隨機(jī)取樣的新型微濕灌溉系統(tǒng)中的吸入式微濕灌溉器的出流情況，流量從6.7～7.2L·h-1不等，根據(jù)方差分析結(jié)果，隨機(jī)樣本之間的流量無顯著性差異，流量變化系數(shù)在1.7%～7.0%之間變化，平均值為5%，參照農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)備相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，滴灌滴頭流量變化系數(shù)不大于7%，也就是說，新型吸微濕滴灌機(jī)的制造偏差與滴灌機(jī)相似，符合農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)備的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)[9]。

圖8 制造偏差對微潤灌水器流量的影響

4.1.2灌水時(shí)間對變異系數(shù)的影響

灌水器流量隨灌溉時(shí)間的變化系數(shù)如圖9所示，從圖中可以看出，在不同的工作壓力下，灌水器的流量變異系數(shù)隨灌溉時(shí)間的增加而增大。

圖9 灌水時(shí)間對微潤灌水器流量變異系數(shù)的影響

運(yùn)行前4天，流量變化系數(shù)仍接近滴灌滴頭流量變化系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，但運(yùn)行4天后，流量變化系數(shù)高于滴灌滴頭流量變化系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，原因是在運(yùn)行初期，流量較大，隨著灌水器工作時(shí)間的增加，導(dǎo)水芯的芯部長期浸水膨脹，導(dǎo)水芯在導(dǎo)水過程中有輕微膨脹，形態(tài)發(fā)生變化，或由導(dǎo)水芯吸附的小顆粒引起的堵塞，會改變流量大小，導(dǎo)致流量變化系數(shù)增加[9]，因此，從流量變化系數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，應(yīng)在4天內(nèi)控制一次連續(xù)灌溉的灌水器的使用。

4.2 微潤灌水器壓力流量關(guān)系

滴頭流量與工作壓力的關(guān)系是反映射極自由流出量的重要水力特性指標(biāo)[9]。如圖10所示給出了不同工作壓力下吸微濕灌溉機(jī)的平均流量。

圖10 壓力流量關(guān)系

從圖10可以看出，隨著壓力的增加，灌水器的平均流量增加，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的壓力值和流量值進(jìn)行回歸分析。

q=kHx=130.15H0.84

(1)

式中，q—平均流量,L·h-1；k—流量系數(shù)；H—工作壓力,m；x—流態(tài)指數(shù)。

由公式(1)可知，流量系數(shù)為130.15，流態(tài)指數(shù)為0.84，流態(tài)指數(shù)大于0.5是指灌水器內(nèi)的水流流型是光滑的或半湍流的[9]，壓力的變化對流量有很大的影響。

5 結(jié)語

吸力式微潤灌水器的研發(fā)和推廣使用，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了灌溉節(jié)水節(jié)能、提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)、促進(jìn)了農(nóng)民的增產(chǎn)增收[10]；同時(shí)，也將為諸如遼寧省、內(nèi)蒙古自治區(qū)、黑龍江省、吉林省大面積實(shí)施的“節(jié)水增糧行動”提供一種新的節(jié)水措施，為推動節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了有力的技術(shù)支撐。