淺述灌溉設備中的工業設計

王 喆 李 悅

（1.天津機電職業技術學院，中國 天津300131；2.國網 天津東麗供電公司，中國 天津300000）

我國溫室大棚灌溉系統現在還處于初級發展階段，主要部件品種少，系統的成套性還較差，質量不穩定，隨著溫室大棚種植面積的增加，現在問題突出的顯現出來。

溫室節水灌溉是一個系統工程， 涉及的專業和領域比較多，單獨研制或生產某一個部件，都不能完全發揮系統的綜合效益。 因此結合我國的國情，開發成套、適用、可靠、先進的溫室灌溉系統是我國今后節水灌溉設備發展的主要方向。

在溫室農業生產中， 合理灌溉技術的核心是控制灌水的均勻度，以適量的水進行適時灌溉，既能滿足作物對水的需要，又不至于造成溫室土壤含水量過多和空氣濕度過大， 引起作物發生各種霉病。 為達此目的，必須深入研究作物生長過程的需水信息和環境因素，利用計算機控制灌水時間和灌水量，達到適時、適量、按需灌水，按照作物生長過程對水、肥、藥、環境等的需要，開發適合不同溫室大棚作物需要的設備，以滿足設施農業發展的需求。

在溫室成套灌溉設備的開發與技術方面，需要解決的關鍵技術問題還很多，在工業設計方面，設計出適合不同作物需要的滴管帶、微噴頭，不同形式的過濾器，灌溉專用控制閥、施肥泵、壓力調節器、各種管路連接件、自動控制系統及相應軟件等。 這些技術和設備在我國還處于研究和待開發階段，不能滿足溫室灌溉的需要。 目前，市場應用的溫室灌溉關鍵設備，基本上都是引進國外的產品，而且增長速度較快。引進設備價格昂貴，有些產品也不適合我們的國情。因此，加速適合我國溫室成套設備的開發和研制，替代進口產品，是現階段緊迫的任務。

通過對大棚灌溉實際使用中現存主要問題的分析，主要從以下幾個方面進行改進：

1）向著多品種，成套性發展———成套性差、品種少。 滴灌管和滴灌帶屬于輸水管和灌水器合二為一的節水灌溉設備，其最大的優點是運輸和安裝使用都很方便， 滴灌帶大部分都采用薄壁塑料管，在管壁上打孔作為滴頭，由于打孔的技術落后，很難使孔位均勻，所以灌水的均勻度較差。 滴灌管由于滴頭生產工藝復雜，技術精度要求較高，國內還沒有生產滴灌管的專用設備，現在市場上使用的滴灌管主要是引進以色列技術和設備生產的，產品的價格較高，品種較少，遠遠滿足不了生產的需要。 國內設備生產的滴灌管主要是管口式滴頭，存在的主要問題是產品質量不穩定、滴頭堵塞、灌水均勻度差和塑料易老化等。 因此，我們在設計時先向著孔位均勻方面改進，用三維造型機試制的滴灌管運行效果良好，但由于成本原因難以批量投入生產。

2）微噴頭的設計———微噴頭是溫室大棚灌溉、調節室內濕度、滿足作物生產所需環境的重要部件。 我國自己設計的產品只有折射式微噴頭一種，國外已有上百種適合不同作物環境需要的系列微噴頭，選擇使用非常方便，我國生產的微噴頭產品與國外相比相差甚遠，主要是材質、工藝問題還沒有解決，使用壽命還不足300h，遠低于我國行業標準規定的1500h 的要求。 耐久性、制造均勻度、噴灑性能等主要指標均達不到行業標準的規定，品種和規格太少，不能滿足當前溫室大棚灌溉的需要，現在用的大部分為引進產品，造價高，在使用過程中要調整管道球閥的開啟度，并做標記，對系統進行調壓，以防壓力過大，沖爆滴灌帶。 很難大量推廣。

3）過濾器的功能創新設計——過濾器是清除水中可能造成滴頭和微噴口堵塞的物質，保證系統正常運行。 現在大棚灌溉中因過濾器而引起灌溉系統工作不正常的現象很普遍。 主要原因是過濾器的生產落后。 篩網式過濾器一旦堵塞，很難沖洗徹底，時間長了就會造成系統過水不暢，用戶往往因此撤除濾網，從而造成滴頭或噴嘴堵塞，使系統不能工作，就某種程度來說，也影響了設備的推廣應用，因此在創新設計方面結合現有凈水器發展趨勢及功能，緩解沖洗不暢，改善過水水流狀況。

4）施肥器的設計改進——施肥器的功能是把液體肥和水混合送到作物周圍，使作物很快吸收，達到增產和節約肥料的效果。 我國溫室大棚灌溉大部分都沒有使用施肥器，即使使用，也只用一種壓差式施肥罐，施肥量很不均勻。 雖然，近幾年有些廠也生產了文丘里式、射流式施肥器，但均沒有形成生產能力，造成市場上沒有選擇施肥器的余地，因而影響了施肥器的正常應用，進而降低了溫室大棚的實際生產效能。

5）自動控制灌溉系統，除個別引進國外成套設備以外，國內還沒有成型的產品， 生產中使用的基本上還是用手來操作閥門的設備。 為了使灌溉均勻，國外一般在溫室灌溉系統中都裝有壓力調節器，國內這方面還屬空白。 另外，各種電、液控制閥，灌溉系統的連接附件、水源部分的閥、管道泵、壓力罐等均屬代用產品。 整個系統的配套性較差，有些系統也只能是對付著使用。

在發展溫室大棚種植中再用傳統的畦灌方法， 不但是對水資源的浪費，對提高作物的產量和品質也是無益的，所以今后溫室大棚的灌溉方式，主要是大力發展節水型灌溉，逐步向適時、適量、按需灌溉方向發展，這是今后節水灌溉設備開發和研制的重要方面。

為了實現現代化節水灌溉， 微噴灌自控系統的設計無疑解決了這個問題，根據作物的生產期只要控制好時間、水量和反饋就能夠制定好灌水計劃，實現真正的無人作業。 將土壤溫濕度，空氣溫濕度等環境數據進行現場自動采集，輸入計算機，形成原始數據庫，建立最優控制方案。 根據監控中心發出的命令，通過變頻器改變電機轉速，調節管道壓力，控制水泵及各個電磁閥等灌溉設備的正常運行，滿足良好的人機界面要求，協調各部分工作，整個系統的工作主要由控制機和變頻器兩部分完成，其中變頻器主要用于控制水泵電機的旋轉，工控機主要用來采集土壤氣象等指標，按照設定的程序，控制各地塊中電磁閥的開啟， 并通過變頻器控制電機的運行狀態，協調整個系統的工作。

因為本人水平有限， 設計中存在一定的問題。 譬如系統抗干擾能力差，且沒有實現自動復位。 由于使用的是單片機作為核心的控制元件，配合其它器件，使本溫度控制系統具有功能強、性能可靠、電路簡單、成本低的特點，加上經過優化的程序，使其有很高的智能化水平，能夠應用于實際。 但是新型的微噴頭和過濾器在實際使用中成本略高，為了保證精度，還不能實現批量生產。

我國是農業大國， 滿足人口的吃飯問題是國家的第一要務。 為實現可持續發展，設計出適合國情的輕小型低壓噴灌機組，達到人、機、物的協調統一才能將設備應用于實際生產，強化工業設計意識，提升工業設計水準，讓工業設計在我國能夠真正深入的發展。