隔膜深度偏差对电磁阀的水力性能影响分析

盛祥民，崔春亮，陈志卿，雷建花，崔 瑞，赛衣旦

(1.新疆水利水电科学研究院，乌鲁木齐 830049；2.新疆农业节水工程技术研究中心，乌鲁木齐 830049)

新疆是典型的干旱绿洲灌溉农业区，建设节水型农业是农业可持续发展的关键。全疆2015年已发展农业高效节水灌溉面积343 万hm，其中地方农业高效节水面积241.87 万hm，微灌作物种类、微灌形式、微灌面积均处于全国领先地位。但是，现有的微灌方式中的自动化灌溉较少，在灌溉劳动力投入方面成本过高[1]。随着科技的进步、现代农业的发展，以及水资源的短缺、劳动力成本的升高，开发和应用自动化灌溉是社会的必然选择[2]。随着滴灌技术的发展，目前小流量大管径的轮灌制度正在逐步推广开来，而电磁阀作为自动化灌溉中的一项关键设备，却成为适用于小流量大管径滴灌工程的自动化灌溉的瓶颈。国内对电磁阀的研究较多[1,3,4]，而对隔膜的研究较少且不涉及农业灌溉方面，如龚亚琴、张国明，针对密封难和操作扭矩大的问题，对直通式隔膜阀的密封结构进行了结构特点和原因的分析，并提出了解决方案[5]。王军民等介绍隔膜阀膜片的研制情况及其配方设计特点和生产工艺要点[6]。目前国内能够应用于农业自动化灌溉的塑料材质的直流脉冲电磁阀主要为DN75和DN90两种口径，而到目前为止，国内能够应用于农用节水灌溉的DN110、DN125大口径塑料直流脉冲电磁阀尚未报道。

基于上述情况，新疆水利水电科学研究院开展了大口径电磁阀的研制。本文主要是进行DN110直流脉冲电磁阀的隔膜深度偏差对产品水力性能的影响分析，为实现自动化的节水灌溉技术提供一种适于我国国情，同时拥有自主技术的关键性控制设备[1]。同时，以期推动低压灌溉工程技术的发展，为新疆的高效节水的发展提供支撑基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验仪器设备主要是电磁阀压力-流量检测台和待检电磁阀及隔膜，试验仪器设备包括：离心泵1台、变频器1台、闸阀1台、逆止阀1台、电磁流量计1台、压力表2块、PLC控制操作台1套；待检的新疆水利水电科学研究院自主开发的DN110直流脉冲电磁阀1套，9个电磁阀隔膜，电磁阀隔膜深度区间为33.2～34.1 mm。新疆水利水电科学研究院研究开发的DN110直流脉冲电磁阀的设计工作流量为100 m3/h，设计工作流量条件下的电磁阀工作水头损失为3 m，电磁阀的设计隔膜深度为33.5 mm。其试验装置示意图如图1所示。

图1 电磁阀检测试验装置示意图Fig.1 Test layout of the solenoid valve

1.2 试验方法

试验在新疆农业节水工程技术研究中心节水产品检测实验室进行。将电磁阀隔膜装入待检电磁阀内，连接待检电磁阀，开启电磁阀压力-流量检测台，进行60～140 m3/h流量条件下的阀门前后压力测试并记录数据，并重复测试3次，然后更换电磁阀隔膜，重复上述操作直至完成9个电磁阀隔膜的测试工作结束，测试试验设计方案见表1。

2 不同隔膜深度条件下电磁阀的性能对比分析

2.1 电磁阀的水力性能对比

2017年12月，针对9个不同深度的电磁阀隔膜进行了水力性能试验，并根据试验数据进行回归分析计算，得出了9个隔膜深度条件下的电磁阀的水头损失拟合曲线(见表2)。同时还绘制水头损失ΔH与流量Q的关系曲线，见图2。

表1 测试试验设计方案Tab.1 Test design of the experiment

表2 不同隔膜深度的电磁阀水力性能试验数据表Tab.2 Test data of hydraulic performance about different depth of the solenoid valve

图2 电磁阀的流量与水头损失曲线Fig.2 Flow and head loss curve of the solenoid valve

由表2数据结合图2可以看出，9个不同隔膜深度条件下的电磁阀相对于100 m3/h的设计流量对应的水头损失变化较小，而60、140 m3/h时的水头损失相对变化较大。电磁阀流量为60 m3/h时，电磁阀的水头损失由高到低对应的隔膜深度依次为33.4、34、33.7、34.1、33.3、33.35、33.6、33.5、33.2 mm，电磁阀的最大水头损失差为0.5 m。电磁阀流量为140 m3/h时，电磁阀的水头损失由高到低对应的隔膜深度依次为33.6、33.3、33.35、33.5、34.1、33.2、34、33.4、33.7 mm，电磁阀的最大水头损失差为0.97 m。当电磁阀的流量为100 m3/h时，对应水力性能最好的两个电磁阀隔膜深度分别为33.2和33.7 mm，对应水力性能最差的两个电磁阀隔膜深度分别为33.4和34 mm，电磁阀的最大水头损失差为0.3 m。当电磁阀的流量为60～100 m3/h时，对应水力性能最好的两个电磁阀隔膜深度分别为33.2和33.5 mm，对应水力性能最差的两个电磁阀隔膜深度分别为33.4和34 mm。当电磁阀的流量为100～140 m3/h时，对应水力性能最好的两个电磁阀隔膜深度分别为33.7和33.4 mm，对应水力性能最差的两个电磁阀隔膜深度分别为33.6和33.3 mm。

综合表2的数据和图2的曲线，当电磁阀的流量同时需要满足60～140 m3/h整个流量区间时，水力性能相对较好的隔膜深度为34.1和33.35 mm。

2.2 最小开启压力测试结果与分析

2017年12月，针对9个不同深度的电磁阀隔膜进行了最小开启压力测试试验，测得试验数据见表3。并根据试验数据进行回归分析计算，得出了9个隔膜深度条件下的电磁阀的开启压力拟合曲线方程(见表3)。

根据试验数据发现，隔膜深度为33.5 mm的设计深度条件下的最小开启压力为1.67 m，隔膜深度为34.1和33.2 mm的最小开启压力分别为1.10和1.23 m，隔膜深度为33.7和34 mm的最小开启压力分别为5.40和3.57 m。低压开启的隔膜深度和高压开启的隔膜深度都是有大深度和小深度的数据，这和图3的关系曲线是一致的。

表3 不同隔膜深度的电磁阀最小开启压力试验数据表Tab.3 Test data of the minimum working pressure about different forms of the solenoid valve

图3 电磁阀隔膜深度与最小开启压力的关系曲线Fig.3 The minimum working pressure and minimum opening pressure curve of the solenoid valve

3 结 论

(1)电磁阀设计流量为60、100和140m3/h时，对应电磁阀的最大水头损失差为0.5、0.3和0.97m。说明不同隔膜深度条件下的电磁阀相对于100m3/h的设计流量对应的水头损失变化较小，即电磁阀隔膜的深度偏差对电磁阀的设计流量不会造成影响。同时，由于电磁阀的流量和水头损失呈线性关系，说明隔膜深度偏差在60～100m3/h设计流量条件下电磁阀的水力性能影响相对于100～140m3/h设计流量条件下电磁阀的水力性能的影响较小。

(2)当电磁阀的流量为60～100m3/h时，对应水力性能最好的两个电磁阀隔膜深度分别为33.2和33.5mm，对应水力性能最差的两个电磁阀隔膜深度分别为33.4和34mm。当电磁阀的流量为100～140m3/h时，对应水力性能最好的两个电磁阀隔膜深度分别为33.7和33.4mm，对应水力性能最差的两个电磁阀隔膜深度分别为33.6和33.3mm。当电磁阀的流量同时需要满足60～140m3/h整个流量区间时，水力性能相对较好的隔膜深度为34.1和33.35mm。说明隔膜的深度偏差与电磁阀的流量之间呈现的关系不明显，即说明隔膜的深度偏差对于电磁阀的流量的影响比较随机，而造成这种影响随机的主要原因是加工的过程中存在一定的加工工艺偏差。

(3)隔膜深度为34.1和33.2mm的最小开启压力分别为1.1和1.2m，隔膜深度为33.7和34mm的最小开启压力分别为5.4和3.6 m。说明隔膜深度对开启压力的影响不大，即隔膜深度的大小不会影响电磁阀的开启压力，而主要影响开启压力大小的因素应是隔膜材料在加工过程中的配料与加工工艺[3]。

综上所述，隔膜深度制造偏差对电磁阀的设计流量条件下的水头损失影响不大。同时，在全球低碳减排的大趋势下，节水灌溉工程的系统压力也向低压、低能耗方向发展，传统进口直流脉冲电磁阀的最小工作压力在0.1 MPa以上，而本次自主研发的直流脉冲电磁阀充分考虑了低压灌溉系统，直接将电磁阀的最小工作压力降低到0.012～0.054 MPa区间，大大降低了电磁阀的开启工作压力，降低了节水灌溉系统的首部工作压力和加压系统的电机功率，有利于进一步推动低压节水灌溉技术的发展，即实现了节能减排，又减少了农民的资金投入。