張利萍 謝海峰

摘 要：本篇文章對(duì)一種低壓管道灌溉專用水驅(qū)動(dòng)控制閥的研發(fā)和使用狀況進(jìn)行了說明，這種控制閥能夠?qū)⑦@一系統(tǒng)中的水壓作為原始動(dòng)力，從而產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)的效果，然后達(dá)到控制閥門開關(guān)的效果。在實(shí)際使用過程中處在農(nóng)田深處等位置保留其原本配備的動(dòng)力基礎(chǔ)條件不變的情況下，這一控制閥裝置可以在管道灌溉系統(tǒng)運(yùn)送水的自動(dòng)控制環(huán)節(jié)中發(fā)揮重要的效果，故此種水力驅(qū)動(dòng)控制閥有很好的應(yīng)用價(jià)值和推廣的空間。

關(guān)鍵詞：低壓管道;灌溉系統(tǒng);水力驅(qū)動(dòng)控制閥;研究;應(yīng)用

中圖分類號(hào)：S277.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）12-0055-02

0 引言

不同種類的管道灌溉系統(tǒng)里，給排水中的閥門可以有效控制上下級(jí)管道里的輸配水，水栓則多被用于田地及灌水溝中從管道中獲得灌溉用水的情況。不論是這些控制閥門還是水栓，其工作中開啟及關(guān)閉都是通過人工進(jìn)行，人為的操作控制來(lái)進(jìn)行灌溉水的控制。從提高灌溉效率和節(jié)水農(nóng)業(yè)的角度來(lái)說，需要能夠自動(dòng)控制的閥門及出水栓來(lái)對(duì)作物施以分類別的個(gè)性化灌溉配置工作，此時(shí)灌溉管道中水壓很低的情況成為設(shè)置驅(qū)動(dòng)閥門的主要技術(shù)難點(diǎn)。

1 水力驅(qū)動(dòng)控制閥研究

1.1 背景說明

為了能夠促進(jìn)節(jié)水農(nóng)業(yè)及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于可以自動(dòng)控制閥門、出水栓的探究和研發(fā)工作迫在眉睫。這類可自動(dòng)控制的閥門及水栓可以滿足依照農(nóng)作物種類的不同來(lái)進(jìn)行定額灌溉、依照水源的使用和管理進(jìn)行智能計(jì)費(fèi)模式的灌溉、依照精確灌溉需求的定量水灌溉、依照灌溉時(shí)間及其他需求所設(shè)定的分輪灌溉等。因?yàn)椴糠制杼锎嬖谥y門安裝情況匱乏、開關(guān)開關(guān)動(dòng)力條件難以滿足的問題，若在其附近布置專門供電線纜及太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換供電裝置，雖然實(shí)現(xiàn)了對(duì)閥門或者水栓的供電需求，但同時(shí)提高了灌溉項(xiàng)目的修建開銷和后續(xù)的維護(hù)成本[1]。若是能夠運(yùn)用灌溉管道內(nèi)部自帶的水壓力來(lái)滿足閥門及出水栓的開關(guān)工作，是最高效和低成本的閥門及出水栓項(xiàng)目建設(shè)的選擇方式。這種選擇中最突出的一點(diǎn)就為管該管道中的水壓通常很低，僅有一點(diǎn)五至十米水頭壓力，如此低的水頭壓力應(yīng)該怎樣實(shí)現(xiàn)對(duì)于閥門及出水栓的驅(qū)動(dòng)效果仍是這一領(lǐng)域中的技術(shù)難題，本文就是對(duì)這一水力驅(qū)動(dòng)控制閥進(jìn)行探究及分析。同時(shí)本文所提及設(shè)計(jì)的水力驅(qū)動(dòng)控制閥目前已經(jīng)被研發(fā)制作出來(lái)，獲得了國(guó)家相關(guān)專利并投入使用，有了進(jìn)一步的應(yīng)用，在山東省內(nèi)多個(gè)省市，如：棗莊市、日照市、臨沂市、東營(yíng)市、德州市等的市區(qū)及周邊縣城都有著廣泛應(yīng)用，這一系統(tǒng)在地水壓灌溉自動(dòng)控制部分的使用效果收獲了廣泛的肯定和很高的評(píng)價(jià)。

1.2 結(jié)構(gòu)及原理

水力驅(qū)動(dòng)控制閥裝置的設(shè)計(jì)過程首先需要涉及如下方面：假設(shè)有符合國(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的法蘭接口是常規(guī)閥體的圓形進(jìn)出口，這些法蘭接口的型號(hào)為：DN80、DN100等，這些接口適宜滿足上下環(huán)節(jié)中設(shè)備及管道的連接工作。為了能夠?qū)⑺^的損失降低，我們采用加長(zhǎng)閥體內(nèi)部流經(jīng)通道更寬更長(zhǎng)[2]。同時(shí)閥體的公稱壓力依據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)被頂?shù)膬煞N級(jí)別PN10及PN16來(lái)涉及，閥體還有閥蓋使用的材料是灰口鑄鐵，閥腔內(nèi)部膜片使用到的材料是熱壓橡膠模具，閥門的復(fù)位彈簧使用到的材料是304不銹鋼[3]。如圖1所示。

依據(jù)上述需要考慮的內(nèi)容及所選的原材料來(lái)設(shè)計(jì)和規(guī)劃水力驅(qū)動(dòng)控制閥，其構(gòu)成情況具體為：1-上蓋、2-闊上口閥體、3-彈性膜片、4-蓋板、5-連桿、61/62-導(dǎo)流管道、7-三通閥等部分構(gòu)成。具體的工作原理為閥體在在其中受到力的作用而產(chǎn)生的從下到上及從上到下的位移中產(chǎn)生的水壓差，將這一部分的水壓差作為驅(qū)動(dòng)力來(lái)對(duì)2中的3及4產(chǎn)生力的作用，從而使得3和4能夠垂直及上下位移，這樣就可以達(dá)到閥門自動(dòng)開關(guān)的效果了。

圖1中力的作用分別為：F11-自重、F12-上部腔內(nèi)水壓力、F22/F13-中部腔內(nèi)水壓力、F21-下部腔內(nèi)水壓力。F11加F12加F13是方向?yàn)樨Q直向下的關(guān)閉力，F(xiàn)22加F21是方向?yàn)樨Q直向上的開啟力。這幾個(gè)力主要作用于3、4、5之上。具體的作用過程可以概括為：61發(fā)揮作用導(dǎo)通的過程中62就關(guān)閉了，此時(shí)上部腔體處于沖水的狀態(tài)，同時(shí)上部腔體內(nèi)部的水壓和管道上游相同，同樣地，中部腔內(nèi)的水壓與管道下游的水壓一樣，那么合力F11+12+13就大于合力F22+21，這就使得閥門為緊閉的狀態(tài);若62發(fā)揮作用，那么61就處于關(guān)閉的狀態(tài)，此時(shí)上部腔內(nèi)的水壓與管道下游的壓力相當(dāng)，中部腔內(nèi)的水壓依然和管道下游的壓力一樣，這個(gè)時(shí)候合力F11+12+13就小于合力F22+21，閥門就可以實(shí)現(xiàn)開啟的效果。這一水動(dòng)力驅(qū)動(dòng)閥設(shè)計(jì)與研發(fā)最大的亮點(diǎn)及革新之處即為水閥的設(shè)計(jì)構(gòu)思，這種設(shè)計(jì)方案可以使得管道上游水頭壓力小于一點(diǎn)五米的情況下仍然保證管道可以實(shí)現(xiàn)水壓驅(qū)使閥門的開關(guān)，并且靈敏程度很高。

1.3 研究過程

這一水力驅(qū)動(dòng)控制閥系統(tǒng)自兩千零九年就開始著手研發(fā)了，具體的研究過程可以被概述為這幾個(gè)階段：第一步是通過調(diào)查和記錄理清給排水行業(yè)中閥體的參數(shù)，并對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的進(jìn)一步分析和力學(xué)參數(shù)數(shù)據(jù)的計(jì)算和比對(duì);第二部是通過相關(guān)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)軟件對(duì)閥體的結(jié)構(gòu)模型及建模模擬，并對(duì)得到的結(jié)果進(jìn)行分析和進(jìn)一步調(diào)整;第三步則為規(guī)劃和開模，通過制作鋁制的閥門模具，在通過使用原材料鑄造毛胚、加工并組裝和對(duì)閥體的密閉性和壓力測(cè)試等一系列工序保證閥體的各方面參數(shù)符合預(yù)先設(shè)計(jì)的方案;第四部為當(dāng)閥門置于一點(diǎn)五米的持續(xù)水頭環(huán)境中，經(jīng)行開關(guān)靈敏度試驗(yàn)，以及在閥門關(guān)閉后進(jìn)行水密性試驗(yàn)及管道的過水性質(zhì)檢測(cè);最后一步是得到了第三步和第四步中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及參數(shù)，對(duì)這一部分中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較并提出調(diào)整方案規(guī)劃，從而得到最終版本的水力控制閥設(shè)計(jì)方案[4]。如圖2所示即為水力驅(qū)動(dòng)控制閥模具的鋁制模具設(shè)計(jì)示例圖，可以從不同角度看出水力驅(qū)動(dòng)控制閥設(shè)計(jì)的有關(guān)參數(shù)和需求。目前這一水力驅(qū)動(dòng)控制閥已經(jīng)獲得了國(guó)家專利，獲得專利的具體日期是二零一三年的三月份，截至目前已經(jīng)超過六年了。在這六年的時(shí)間中這一水力驅(qū)動(dòng)控制閥不僅上市投入了批量生產(chǎn)加工，而且在山東省內(nèi)多個(gè)省市的低壓水灌溉控制領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用，其生產(chǎn)規(guī)格滿足多種規(guī)格的法蘭接口，包含DN65＼DN80＼DN100等，如圖3所示符合某種法蘭接口標(biāo)準(zhǔn)的水力驅(qū)動(dòng)控制閥實(shí)際產(chǎn)品圖片。

2 應(yīng)用

上文所述水力驅(qū)動(dòng)控制閥已于二零一三年獲得國(guó)家專利并上市生產(chǎn)。這一控制閥的研發(fā)和投入使用對(duì)管道灌溉需求領(lǐng)域的輸送灌溉水控制工作有著非常重要的作用。在不使用如電力或預(yù)置太陽(yáng)能板等其他能源供應(yīng)的搶礦下就可以達(dá)到灌溉的目的，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)自主控制閥門開關(guān)、實(shí)時(shí)智能計(jì)費(fèi)灌溉模式、精準(zhǔn)位置灌溉模式、遠(yuǎn)程操作控制灌溉模式等，極大提升了灌溉操作的管理能力。這一系統(tǒng)從二零一三年三月研發(fā)成功后被很多地區(qū)和部分項(xiàng)目引入并投入應(yīng)用：如二零一二年四月中旬在山東省南部的棗莊的二零一一年小農(nóng)水項(xiàng)目中就發(fā)揮了重要作用，這一項(xiàng)目位于薛城區(qū)，具體應(yīng)用方案是在低壓灌溉的十二個(gè)支管都預(yù)裝了上文所述的水力驅(qū)動(dòng)控制閥，截至目前仍在在這一地區(qū)的灌溉控制中發(fā)揮作用;在二零一三年的四月中山東省東南部的日照也使用了這一設(shè)計(jì)，在東港區(qū)的二零一二年小農(nóng)水項(xiàng)目里于某水庫(kù)低壓灌溉所布施的灌溉管網(wǎng)中安裝了三十多部水里驅(qū)動(dòng)控制閥，其灌溉的效果非常好。這一設(shè)計(jì)在二零一四、二零一五、二零一六等年份都在山東省中不同的縣、市被應(yīng)用，水力驅(qū)動(dòng)控制閥的應(yīng)用效果在這些地區(qū)都受到了廣泛地好評(píng)。

3 結(jié)語(yǔ)

最近幾年，山東省有多個(gè)小型農(nóng)田水利重點(diǎn)縣建設(shè)工作順利開展，在這些小型農(nóng)田水利建設(shè)項(xiàng)目的具體過程見證了該項(xiàng)技術(shù)的迅速發(fā)展情況。水里驅(qū)動(dòng)控制閥能夠是專門為了在低壓管道灌溉系統(tǒng)運(yùn)送水自我調(diào)控狀況中沒有專門的控制閥來(lái)研發(fā)的，這滿足了小型農(nóng)田水利建設(shè)項(xiàng)目中對(duì)先進(jìn)科學(xué)技術(shù)及作業(yè)設(shè)備的需求。通過這些年對(duì)于這一領(lǐng)域中的研究顯示水力驅(qū)動(dòng)控制閥有著廣闊的適用范圍和很好的推廣空間，力驅(qū)動(dòng)控制閥已經(jīng)在應(yīng)用方面有了一些明顯的成果。

參考文獻(xiàn)

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