低壓管道灌溉系統中專用水力驅動控制閥的研究與應用

張利萍 謝海峰

摘 要：本篇文章對一種低壓管道灌溉專用水驅動控制閥的研發和使用狀況進行了說明，這種控制閥能夠將這一系統中的水壓作為原始動力，從而產生驅動的效果，然后達到控制閥門開關的效果。在實際使用過程中處在農田深處等位置保留其原本配備的動力基礎條件不變的情況下，這一控制閥裝置可以在管道灌溉系統運送水的自動控制環節中發揮重要的效果，故此種水力驅動控制閥有很好的應用價值和推廣的空間。

關鍵詞：低壓管道;灌溉系統;水力驅動控制閥;研究;應用

中圖分類號：S277.9 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）12-0055-02

0 引言

不同種類的管道灌溉系統里，給排水中的閥門可以有效控制上下級管道里的輸配水，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，其工作中開啟及關閉都是通過人工進行，人為的操作控制來進行灌溉水的控制。從提高灌溉效率和節水農業的角度來說，需要能夠自動控制的閥門及出水栓來對作物施以分類別的個性化灌溉配置工作，此時灌溉管道中水壓很低的情況成為設置驅動閥門的主要技術難點。

1 水力驅動控制閥研究

1.1 背景說明

為了能夠促進節水農業及相關技術的發展，對于可以自動控制閥門、出水栓的探究和研發工作迫在眉睫。這類可自動控制的閥門及水栓可以滿足依照農作物種類的不同來進行定額灌溉、依照水源的使用和管理進行智能計費模式的灌溉、依照精確灌溉需求的定量水灌溉、依照灌溉時間及其他需求所設定的分輪灌溉等。因為部分畦田存在著閥門安裝情況匱乏、開關開關動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能轉換供電裝置，雖然實現了對閥門或者水栓的供電需求，但同時提高了灌溉項目的修建開銷和后續的維護成本[1]。若是能夠運用灌溉管道內部自帶的水壓力來滿足閥門及出水栓的開關工作，是最高效和低成本的閥門及出水栓項目建設的選擇方式。這種選擇中最突出的一點就為管該管道中的水壓通常很低，僅有一點五至十米水頭壓力，如此低的水頭壓力應該怎樣實現對于閥門及出水栓的驅動效果仍是這一領域中的技術難題，本文就是對這一水力驅動控制閥進行探究及分析。同時本文所提及設計的水力驅動控制閥目前已經被研發制作出來，獲得了國家相關專利并投入使用，有了進一步的應用，在山東省內多個省市，如：棗莊市、日照市、臨沂市、東營市、德州市等的市區及周邊縣城都有著廣泛應用，這一系統在地水壓灌溉自動控制部分的使用效果收獲了廣泛的肯定和很高的評價。

1.2 結構及原理

水力驅動控制閥裝置的設計過程首先需要涉及如下方面：假設有符合國標標準的法蘭接口是常規閥體的圓形進出口，這些法蘭接口的型號為：DN80、DN100等，這些接口適宜滿足上下環節中設備及管道的連接工作。為了能夠將水頭的損失降低，我們采用加長閥體內部流經通道更寬更長[2]。同時閥體的公稱壓力依據國際標準被頂的兩種級別PN10及PN16來涉及，閥體還有閥蓋使用的材料是灰口鑄鐵，閥腔內部膜片使用到的材料是熱壓橡膠模具，閥門的復位彈簧使用到的材料是304不銹鋼[3]。如圖1所示。

依據上述需要考慮的內容及所選的原材料來設計和規劃水力驅動控制閥，其構成情況具體為：1-上蓋、2-闊上口閥體、3-彈性膜片、4-蓋板、5-連桿、61/62-導流管道、7-三通閥等部分構成。具體的工作原理為閥體在在其中受到力的作用而產生的從下到上及從上到下的位移中產生的水壓差，將這一部分的水壓差作為驅動力來對2中的3及4產生力的作用，從而使得3和4能夠垂直及上下位移，這樣就可以達到閥門自動開關的效果了。

圖1中力的作用分別為：F11-自重、F12-上部腔內水壓力、F22/F13-中部腔內水壓力、F21-下部腔內水壓力。F11加F12加F13是方向為豎直向下的關閉力，F22加F21是方向為豎直向上的開啟力。這幾個力主要作用于3、4、5之上。具體的作用過程可以概括為：61發揮作用導通的過程中62就關閉了，此時上部腔體處于沖水的狀態，同時上部腔體內部的水壓和管道上游相同，同樣地，中部腔內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;若62發揮作用，那么61就處于關閉的狀態，此時上部腔內的水壓與管道下游的壓力相當，中部腔內的水壓依然和管道下游的壓力一樣，這個時候合力F11+12+13就小于合力F22+21，閥門就可以實現開啟的效果。這一水動力驅動閥設計與研發最大的亮點及革新之處即為水閥的設計構思，這種設計方案可以使得管道上游水頭壓力小于一點五米的情況下仍然保證管道可以實現水壓驅使閥門的開關，并且靈敏程度很高。

1.3 研究過程

這一水力驅動控制閥系統自兩千零九年就開始著手研發了，具體的研究過程可以被概述為這幾個階段：第一步是通過調查和記錄理清給排水行業中閥體的參數，并對其進行結構上的進一步分析和力學參數數據的計算和比對;第二部是通過相關計算機設計軟件對閥體的結構模型及建模模擬，并對得到的結果進行分析和進一步調整;第三步則為規劃和開模，通過制作鋁制的閥門模具，在通過使用原材料鑄造毛胚、加工并組裝和對閥體的密閉性和壓力測試等一系列工序保證閥體的各方面參數符合預先設計的方案;第四部為當閥門置于一點五米的持續水頭環境中，經行開關靈敏度試驗，以及在閥門關閉后進行水密性試驗及管道的過水性質檢測;最后一步是得到了第三步和第四步中的試驗數據及參數，對這一部分中的數據進行分析比較并提出調整方案規劃，從而得到最終版本的水力控制閥設計方案[4]。如圖2所示即為水力驅動控制閥模具的鋁制模具設計示例圖，可以從不同角度看出水力驅動控制閥設計的有關參數和需求。目前這一水力驅動控制閥已經獲得了國家專利，獲得專利的具體日期是二零一三年的三月份，截至目前已經超過六年了。在這六年的時間中這一水力驅動控制閥不僅上市投入了批量生產加工，而且在山東省內多個省市的低壓水灌溉控制領域有了廣泛的應用，其生產規格滿足多種規格的法蘭接口，包含DN65＼DN80＼DN100等，如圖3所示符合某種法蘭接口標準的水力驅動控制閥實際產品圖片。

2 應用

上文所述水力驅動控制閥已于二零一三年獲得國家專利并上市生產。這一控制閥的研發和投入使用對管道灌溉需求領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置太陽能板等其他能源供應的搶礦下就可以達到灌溉的目的，同時還能實現自主控制閥門開關、實時智能計費灌溉模式、精準位置灌溉模式、遠程操作控制灌溉模式等，極大提升了灌溉操作的管理能力。這一系統從二零一三年三月研發成功后被很多地區和部分項目引入并投入應用：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水項目中就發揮了重要作用，這一項目位于薛城區，具體應用方案是在低壓灌溉的十二個支管都預裝了上文所述的水力驅動控制閥，截至目前仍在在這一地區的灌溉控制中發揮作用;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計，在東港區的二零一二年小農水項目里于某水庫低壓灌溉所布施的灌溉管網中安裝了三十多部水里驅動控制閥，其灌溉的效果非常好。這一設計在二零一四、二零一五、二零一六等年份都在山東省中不同的縣、市被應用，水力驅動控制閥的應用效果在這些地區都受到了廣泛地好評。

3 結語

最近幾年，山東省有多個小型農田水利重點縣建設工作順利開展，在這些小型農田水利建設項目的具體過程見證了該項技術的迅速發展情況。水里驅動控制閥能夠是專門為了在低壓管道灌溉系統運送水自我調控狀況中沒有專門的控制閥來研發的，這滿足了小型農田水利建設項目中對先進科學技術及作業設備的需求。通過這些年對于這一領域中的研究顯示水力驅動控制閥有著廣闊的適用范圍和很好的推廣空間，力驅動控制閥已經在應用方面有了一些明顯的成果。

參考文獻

[1] 魏志堅，姚東，謝思思，etal.景洪水力式升船機水力驅動系統設計[J].水運工程，2017（10）：09.

[2] 冉啟華，傅旭東，王光謙.水力驅動作用下的地貌演變數值模擬Ⅱ.模型應用[J].應用基礎與工程科學學報，2008（4）：486-503.

[3] 任福深，陳素麗，楊萍萍，etal.壓差驅動往復式水力增壓泵研究與應用[J].石油礦場機械，2015（9）：18-21.

[4] 譚奇峰，高金良，刁美玲，etal.給水管網壓力驅動水力模型構建及降漏應用[J].中國給水排水，2016，32（15）：66-70.