低壓管道灌溉系統中專用水力驅動控制閥的研究與應用

樊銘京,吳德華,王愛軍,陳祥磊,馬樹升*

1.山東農業大學 水土學院,山東 泰安 271018

2.山東省膠東調水工程牟平管理站,山東 牟平 264100

3.日照市東港區水利局,山東 日照 276800

低壓管道灌溉系統中專用水力驅動控制閥的研究與應用

樊銘京1,吳德華2,王愛軍1,陳祥磊3,馬樹升1*

1.山東農業大學 水土學院,山東 泰安 271018

2.山東省膠東調水工程牟平管理站,山東 牟平 264100

3.日照市東港區水利局,山東 日照 276800

本文開發了一種低壓管灌專用水力驅動控制閥，它以低水壓管道灌溉系統中的水壓作為驅動力，實現對閥門的開啟或關閉。在農田深處不增配動力條件下，該設備在管道灌溉系統輸配水自動控制中不可或缺，有很好的推廣應用前景。

低水壓管道;灌溉;水力驅動控制閥

在各類管道灌溉系統中，上下級管道的輸配水控制多是借用給水排水領域常用的閥門進行控制；在畦田或灌水溝首部從管道中取水灌溉則采用出水栓進行控制[1]。目前這些閥門或出水栓的開啟或關閉全部為人工手動控制。

從發展高效節水農業和技術進步的要求，急需開發適于管道灌溉的可自動控制的閥門、出水栓，以實現按作物種類要求實施定額灌溉、按水資源管理要求采取預收水費灌溉、按精準灌溉要求進行計量灌溉、按分組輪灌要求進行輪灌等[2]。而地處農田深處缺少閥門、出水栓自動開啟或關閉的動力條件。專門敷設電纜供電或采用太陽能電池供電，又增加了工程投資和管理成本。而借助于灌溉管道內的水壓力來開啟或關閉閥門、出水栓就成為一種理想的選擇。

問題是灌溉管道內的水壓力較低，一般只有1.5～10 m的水頭壓力，利用這么低的水頭壓力來驅動閥門、出水栓的開啟或關閉，目前還沒有相應的技術和設備[3]，這正是進行本水力驅動控制閥研究的意義所在。

1 水力驅動控制閥研究

對水力驅動控制閥總體研究設計上考慮如下要求，設有一般常規閥體的圓形進口和出口，符合國標規定的標準法蘭接口如：DN80DN100DN125…DN300等法蘭接口，以便安裝時與上下游設備或管道的連接；將整個閥體加長使內腔流道擴寬擴長以減少水頭損失；對閥體公稱壓力按照國標2個級別PN10和PN16進行設計制作；整個閥體及閥蓋采用灰口鑄鐵材質鑄造；閥腔內的膜片采用優質橡膠用模具熱壓成型制作；復位彈簧采用304不銹鋼材質加工制作等。

1.1 水力驅動控制閥結構與原理按上述要求研究設計的水力驅動控制閥，其結構圖如圖1所示：主要由傘形上蓋1、擴上口閥體2、大直徑彈性膜片3、擋水活塞蓋板4、豎向連桿5、導流管6、先導三通閥7等主要部件組成。其工作原理是以閥體上下游水壓差為動力，通過推動閥體腔內的大直徑彈性膜片和擋水活塞板使其垂直向上或向下運動以實現閥門的開啟或關閉。

圖1 水力驅動控制閥結構與原理示意圖Fig.1 The structure and principle of liquamatic control valve

在大直徑彈性膜片、擋水活塞蓋板和豎向連桿上，主要作用力為：自重F11、上腔水壓力F12、中腔水壓力F22和F13、下腔水壓力F21。其中：F11+F12+F13為鉛直向下的關閥力，F22+F21為鉛直向上的開閥力。具體的運動方式是：（1）當導流管61導通時導流管62關閉，上腔處于沖水狀態且壓力與上游相同、中腔壓力與下游相同，此時F11+F12+F13＞F22+F21，閥門處于關閉狀態；（2）當導流管62導通時導流管61關閉，上腔處于排水狀態且壓力與下游相同、中腔壓力仍與下游相同，此時F11+F12+F13＜F22+F21，閥門處于開啟狀態。

該水力驅動控制閥的創新點在于其結構構思設計上，確保在上游管道水頭壓力低至1.5米時，仍可利用該管道水壓靈敏地關閉閥門或開啟閥門。

1.2 水力驅動控制閥研發過程

水力驅動控制閥的研發始于2009年，經歷了如下幾個研究步驟：開始主要是對給排水領域使用的閥體進行了解調研、進行結構分析論證和水力學計算論證等工作；再是進行閥體結構設計和計算機動畫模擬，分析論證和討論修改等；第三步是設計制作鋁質模具、用灰口鑄鐵鑄造閥體毛胚、機床加工組裝、閥體水密性測試和壓力測試；第四步是在1.5米恒水頭條件下，進行閥門開啟或關閉靈敏程度測試、關閥密閉性測試和過水能力測試；最后是總結第三、第四步測試記錄，綜合分析提出改進完善方案，最后確定水力控制閥的定型樣式。

圖2是DN300型水力驅動控制閥模具圖。

圖2 DN300型水力驅動控制閥模具圖Fig.2 The mold of liquamatic control valve of model DN300

該水力驅動控制閥于2013年3月獲國家專利，專利號為：ZL 2012 2 0481207.1。目前該水力驅動控制閥已進行了批量生產，規格范圍由DN65、DN80、DN100、DN125、DN150、DN200、DN250、DN300。圖3是DN125型水力驅動控制閥照片。

圖3 DN125型水力驅動閥實物照片Fig.3 The material object of liquamatic control valve of model DN125

2 水力驅動控制閥應用

該水力驅動控制閥的研制成功，對于管道灌溉系統的輸配水自動控制意義重大。可在無新動力供應條件下實現定額灌溉自動控制、預收水費灌溉自動控制、精準灌溉自動控制、遙控灌溉自動控制等，大幅提升了灌溉管理水平。

該水力驅動控制閥自2012年3月研制出品，先后在如下地區和項目中得到應用：2012年4月在棗莊市薛城區2011年度小農水項目中，在低壓管灌的12條支管分別裝了12臺DN80的水力驅動控制閥，一直正常使用至今；2013年4月在日照市東港區2012年度小農水項目中，在四畝地水庫低壓管灌的管網上，裝置了30余臺DN200、DN250、DN300規格不等的水力驅動控制閥，應用情況良好，管網與水力驅動控制閥布置見圖4；2014、2015、2016年先后在臨沂市沂水縣、東營市河口區及利津縣、德州市陵城區有較多應用，使用效果得到普遍肯定和贊同。

圖4 管網與水力驅動控制閥布置圖Fig.4 The arrangement of pipe network and liquamatic control valve

3 結語

筆者近幾年持續參與了部分山東省廣泛開展的小型農田水利重點縣建設項目，實踐和見證了這項事業的快速發展。也深刻認識到該行業對先進及可靠技術設備的迫切需求。水力驅動控制閥就是針對低壓管道灌溉系統輸配水自動控制時，缺少專用控制閥而進行研究開發的。經過近幾年的研究及應用已取得一定成效，也展示出該水力驅動控制閥較好的推廣應用前景。

[1]馬騰遠,馬樹升,張玉賓.低水壓水力驅動灌溉控制專用裝置:中國,CN201220481207.1[P].2013-03-06

[2]樊銘京,謝清華,宋玉娟,等.作物智能化精準灌溉監測控制技術應用研究[J].山東農業大學學報:自然科學版,2012,43(2):299-303

[3]華東水利學院.水力學[M].北京:科學出版社,1979

Study and Application of Specialized Liquamatic Control Valve in Low-pressure Pipeline Irrigation System

FANMing-jing1,WU De-hua2,WANGAi-jun1,CHEN Xiang-lei3,MAShu-sheng1*
1.College of Water Conservancy and Civil Engineering/Shandong Agricultural University,Tai’an 271018,China
2.Muping Management Station of Shandong Provincial Jiaodong Water Division Project,Muping 264100,China
3.Donggang District Water Conservancy Bureau of Rizhao City,Rizhao 276800,China

In this paper,a specialized liquamatic control valve in low-pressure pipeline irrigation system is studied and developed,which utilizes the water pressure in low-pressure pipeline irrigation system as the driven force to achieve controlling of turning on or turning off the valve.It is an indispensable technical equipment for auto-control water transmission and division in low-pressure pipeline irrigation system,in the condition of not increasing power in the remote farmland,which has a promising prospect for application and promotion.

Low-pressure pipeline;irrigation;liquamatic control valve

S776.24+5

:A

:1000-2324(2017)02-0226-03

10.3969/j.issn.1000-2324.2017.02.013

2016-10-11

:2016-11-10

樊銘京(1963-),女,高級實驗師.主要從事水利、土木類專業實驗教學及科研工作.

*通訊作者:Author for correspondence.E-mail:mashusheng8836@163.com