吸力式微润灌水器工艺测试探析

2019-08-08孙晓杰

水利技术监督 2019年4期

孙晓杰

(山东德州市水利局河道工程管理处，山东德州 253000)

1 概述

传统滴灌带由于具有薄、软等特性，灌水器多采用折射型流道消能，滴水灌溉的形式，这对水质提出了更高的要求[1]。在滴灌系统中，堵塞主要分为物理堵塞、生物堵塞和化学堵塞。物理堵塞通常是指由于过滤不净，细小颗粒流入流道造成流水不畅甚至无法滴水的现象。生物堵塞分为两种，一种是由于作物根系的向水性，根部生长个别根系直接插入出水孔造成灌水器无法正常工作；二是水中的微生物在受到升温等现象的影响，发生繁殖，生成絮状粘滑的物质，直接堵塞与灌水器流道，无法灌水。化学堵塞通常是指由于水中的铁锰等离子超标，与空气中的氧接触后，迅速发生化学反应，生成三氧化二铁、二氧化锰等固体，固化凝结在流道里或出水孔处，造成灌水器堵塞[1]。物理堵塞可以通过提高过滤设备的过滤效果来减缓或者消除堵塞；生物堵塞可以通过在灌溉系统中加入适当和适量的药剂除草剂予以缓解和消除；但化学堵塞始终是困扰研究人员的主要难题。

2 吸力式微润灌水器结构设计

2.1 结构形式

突破传统的设计理念和思路，对灌水器的结构进行深入研究，化繁为简，利用灌水器导水芯的毛细浸润作用进行导水，先后研究设计开发出“串联直通Ⅰ型”、“串联直通型Ⅱ”和管上式吸力式微润灌水器三代产品[2]，并配套开发出了相应配件。如图1—2所示。

图1 “串联直通Ⅱ型”吸力式微润灌水器结构示意图

图2 “串联直通Ⅱ型”吸力式微润灌水器设计图

灌水器的材质组成为90%的低压聚乙烯和10%的高压聚丙烯。其结构主要由导水芯、缓冲腔、接口管组成，导水芯是毛管中水向土壤供给的通道，其导水性能直接决定灌水器性能的好坏[3]。导水芯的直径约为3.0mm，长度为4～6cm，导水孔的直径为2.0mm。

为方便导水芯穿引，在“串联直通Ⅱ型”吸力式微润灌水器出水孔的垂直方向设计加装了2个定位块。为加大水道过流面积，设计了水道缓冲腔，以弥补由于导水芯阻挡水流行进方向而造成的局部水头损失[4]。考虑到灌水器模具开发，课题组将“串联直通Ⅱ型”吸力式微润灌水器进行了分体设计。

由于灌水器的特殊结构，对于根系和土壤负压等引起的物理堵塞及化学因素造成的堵塞，均可通过提拉导水芯来清除。

2.2 导水芯研发

导水芯是毛管中水向土壤供给的通道，其导水性能直接决定灌水器性能的好坏。同时开始进行吸力式微润灌水器的研发工作，先后完成了导水芯水平浸润试验、垂直浸润试验、有土压力下的导水能力试验[4]并在山东德州大棚进行了吸力式微润灌水器初期产品应用效果试验。

氨纶低弹丝48h水平浸润长度为215cm，垂直浸润高度为26.5cm，远远高于其他材料，表现了其良好的导水性能，见表1—2。课题组最终选定了导水芯的材料——氨纶低弹丝。确定导水芯的材

表1 导水芯水平浸润试验单位：cm

表2 导水芯垂直浸润试验单位：cm

质后，课题组着手导水芯形式的研究，先后开发研制出氨纶低弹丝三股导水芯、氨纶低弹丝四股导水芯、氨纶低弹丝六股导水芯和氨纶低弹丝八股导水芯[5]。经过试验，尤以氨纶低弹丝三股导水芯的水力性能表现最佳。

2.3 导水芯穿引机研发

微润灌溉技术概念的提出是新型微灌设备的理论基础，实现导水芯与吸力式微润灌水器的自动化穿引，是产品能否研发成功的关键[6]。针对吸力式微润灌水器的几何特征和理化性质，经过反复试验，采用振动筛自动排序和牵引梭穿导技术，实现吸力式微润灌水器导水芯的自动化穿引，并根据穿导过程研制出了吸力式微润灌水器导水芯自动穿引机。

2.3.1导水芯穿引机工作原理

导水芯穿引机工作原理是将放置在振动排序装置中无规则的吸力式微润灌水器通过振动排序，规则有序的进入到穿引梭槽内，通过穿引系统的牵引梭将导水芯自动牵引并穿过灌水器，在经过切割装置，自动将导水芯按照设定的长度进行切割，形成一个完整的吸力式微润灌水器[7]。

2.3.2导水芯穿引机结构组成

导水芯穿引机由机械结构部分和电器部分组成，按功能可分为灌水器排序装置和导水芯分割装置。机械结构部分包括固定支撑装置、牵引装置、定向装置、穿引梭固定装置和导水芯分割装置组成。

2.3.2.1 细部结构功能用途

电器部分。调速电机主要根据料斗灌水器的多少，调整振动频率和灌水器排序速度。振动排序装置通过一定的振动频率，将合格的吸力式微润灌水器通过螺旋槽有序的进入到穿引梭；将不合格的产品直接分离出去[8]。电器箱内装有继电器、开关、控制器等电器元件，电器箱面板设置控温调节显示、电机转速调节显示、开关等，直观并易于操作。

机械部分有以下部分组成。

(1)机台：本机台采用板金结构，两侧开门，外形尺寸1800mm×500mm×800mm(长×宽×高)，机台平稳、美观且内部空间大，利于电机散热。

(2)固定支撑装置由支撑箱、牵引装置固定支架、定向装置支架和穿引梭固定支架组成，如图3所示。

图3 固定支撑装置示意图

(3)牵引装置主要牵引导轨、卡夹、穿引槽和动力轮构成。牵引导轨通过定向装置穿过灌水器的出水孔，再通过卡夹经动力轮驱动，将导水芯穿过灌水器。

(4)定向装置是确保牵引导轨与灌水器出水孔同心的定位定向装置，主要通过固定支架固定在支撑箱上。

(5)穿引梭固定装置由前位支架和后位支架组成，通过支架固定穿引梭，确保牵引导轨准确穿过灌水器的出水孔。

(6)导水芯分割装置由调距定位栓和分切刀组成。调节定位栓将距离调整到适宜位置，确保灌水器穿引导水芯后满足单侧导水芯的长度为3cm；当牵引机达到设定位置，分切刀将导水芯切断，完成导水芯的穿引。

2.3.2.2 导水芯穿引机产品指标

导水芯穿引机的工作电压为220v，功率为1.5kw，工作效率为1800个/h，导水芯长度误差±2.0mm。

3 吸力式微润灌水器生产工艺

吸力式微润灌水器的生产主要分为灌水器注塑成型和导水芯穿导分切两个阶段。

3.1 吸力式微润灌水器注塑成型

3.1.1原材料

吸力式微润灌水器的原材料包括约90%的低压聚乙烯、10%的高压聚丙烯聚乙烯PE、少量的抗氧化剂及紫外线吸收剂。这种材料组成可减少灌水器脱模后的收缩度，还可以有效防止老化。

3.1.2注塑过程

根据生产需要，此次开发的模具为滑动脱模16腔注塑模具，模具核心部分采用45#钢，模具可反复使用10万次。具体生产过程将原材料(聚乙烯、聚丙烯、抗氧化剂及紫外线吸收剂)放入储料斗内，通过电机振动，将原材料输入到注塑机内，将原材料加热塑化，待原材料呈熔融状态后，通过导管输入到模具内，经过模具注塑定型，自动脱模，形成灌水器主体[8]。吸力式微润灌水器注塑过程如图4所示。

图4 吸力式微润灌水器注塑成型流程示意图

3.1.3注塑质量控制

吸力式微润灌水器高10.0mm，出水孔直径为2.0mm，具体尺寸如图5—7所示，误差控制范围为0.02mm；输出速度240模/h，误差控制范围为10模/h；抗氧化剂及紫外线吸收剂占原材料的含量为3%～5%。

图5 吸力式微润灌水器外观尺寸图

图6 吸力式微润灌水器俯视图

图7 吸力式微润灌水器A-A剖面图

3.2 吸力式微润灌水器导水芯分切

3.2.1导水芯分切过程

吸力式微润灌水器导水芯的分切过程是将放置在振动排序装置中无规则的吸力式微润灌水器通过振动排序，规则有序的进入到穿引梭槽内，通过穿引系统的牵引梭将导水芯自动牵引并穿过灌水器，在经过切割装置，自动将导水芯按照设定的长度进行切割，形成一个完整的吸力式微润灌水器[9]。

3.2.2导水芯分切质量控制

吸力式微润灌水器导水芯分切效率为1800个/h，导水芯长度分切误差为±2.0mm，误切率低于1%，设备运行可靠，精度达到产品使用的要求。

4 测试结果

4.1 微润灌水器制造偏差

4.1.1恒压条件下微润灌水器流量变异系数

如图8所示，显示了在0.02MPa工作压力下随机取样的新型微湿灌溉系统中的吸入式微湿灌溉器的出流情况，流量从6.7～7.2L·h-1不等，根据方差分析结果，随机样本之间的流量无显著性差异，流量变化系数在1.7%～7.0%之间变化，平均值为5%，参照农业灌溉设备相关标准，滴灌滴头流量变化系数不大于7%，也就是说，新型吸微湿滴灌机的制造偏差与滴灌机相似，符合农业灌溉设备的生产标准[9]。

图8 制造偏差对微润灌水器流量的影响

4.1.2灌水时间对变异系数的影响

灌水器流量随灌溉时间的变化系数如图9所示，从图中可以看出，在不同的工作压力下，灌水器的流量变异系数随灌溉时间的增加而增大。

图9 灌水时间对微润灌水器流量变异系数的影响

运行前4天，流量变化系数仍接近滴灌滴头流量变化系数标准，但运行4天后，流量变化系数高于滴灌滴头流量变化系数标准，原因是在运行初期，流量较大，随着灌水器工作时间的增加，导水芯的芯部长期浸水膨胀，导水芯在导水过程中有轻微膨胀，形态发生变化，或由导水芯吸附的小颗粒引起的堵塞，会改变流量大小，导致流量变化系数增加[9]，因此，从流量变化系数的试验结果可以看出，应在4天内控制一次连续灌溉的灌水器的使用。