低压管道灌溉系统中专用水力驱动控制阀的研究与应用

张利萍 谢海峰

摘 要：本篇文章对一种低压管道灌溉专用水驱动控制阀的研发和使用状况进行了说明，这种控制阀能够将这一系统中的水压作为原始动力，从而产生驱动的效果，然后达到控制阀门开关的效果。在实际使用过程中处在农田深处等位置保留其原本配备的动力基础条件不变的情况下，这一控制阀装置可以在管道灌溉系统运送水的自动控制环节中发挥重要的效果，故此种水力驱动控制阀有很好的应用价值和推广的空间。

关键词：低压管道;灌溉系统;水力驱动控制阀;研究;应用

中图分类号：S277.9 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）12-0055-02

0 引言

不同种类的管道灌溉系统里，给排水中的阀门可以有效控制上下级管道里的输配水，水栓则多被用于田地及灌水沟中从管道中获得灌溉用水的情况。不论是这些控制阀门还是水栓，其工作中开启及关闭都是通过人工进行，人为的操作控制来进行灌溉水的控制。从提高灌溉效率和节水农业的角度来说，需要能够自动控制的阀门及出水栓来对作物施以分类别的个性化灌溉配置工作，此时灌溉管道中水压很低的情况成为设置驱动阀门的主要技术难点。

1 水力驱动控制阀研究

1.1 背景说明

为了能够促进节水农业及相关技术的发展，对于可以自动控制阀门、出水栓的探究和研发工作迫在眉睫。这类可自动控制的阀门及水栓可以满足依照农作物种类的不同来进行定额灌溉、依照水源的使用和管理进行智能计费模式的灌溉、依照精确灌溉需求的定量水灌溉、依照灌溉时间及其他需求所设定的分轮灌溉等。因为部分畦田存在着阀门安装情况匮乏、开关开关动力条件难以满足的问题，若在其附近布置专门供电线缆及太阳能转换供电装置，虽然实现了对阀门或者水栓的供电需求，但同时提高了灌溉项目的修建开销和后续的维护成本[1]。若是能够运用灌溉管道内部自带的水压力来满足阀门及出水栓的开关工作，是最高效和低成本的阀门及出水栓项目建设的选择方式。这种选择中最突出的一点就为管该管道中的水压通常很低，仅有一点五至十米水头压力，如此低的水头压力应该怎样实现对于阀门及出水栓的驱动效果仍是这一领域中的技术难题，本文就是对这一水力驱动控制阀进行探究及分析。同时本文所提及设计的水力驱动控制阀目前已经被研发制作出来，获得了国家相关专利并投入使用，有了进一步的应用，在山东省内多个省市，如：枣庄市、日照市、临沂市、东营市、德州市等的市区及周边县城都有着广泛应用，這一系统在地水压灌溉自动控制部分的使用效果收获了广泛的肯定和很高的评价。

1.2 结构及原理

水力驱动控制阀装置的设计过程首先需要涉及如下方面：假设有符合国标标准的法兰接口是常规阀体的圆形进出口，这些法兰接口的型号为：DN80、DN100等，这些接口适宜满足上下环节中设备及管道的连接工作。为了能够将水头的损失降低，我们采用加长阀体内部流经通道更宽更长[2]。同时阀体的公称压力依据国际标准被顶的两种级别PN10及PN16来涉及，阀体还有阀盖使用的材料是灰口铸铁，阀腔内部膜片使用到的材料是热压橡胶模具，阀门的复位弹簧使用到的材料是304不锈钢[3]。如图1所示。

依据上述需要考虑的内容及所选的原材料来设计和规划水力驱动控制阀，其构成情况具体为：1-上盖、2-阔上口阀体、3-弹性膜片、4-盖板、5-连杆、61/62-导流管道、7-三通阀等部分构成。具体的工作原理为阀体在在其中受到力的作用而产生的从下到上及从上到下的位移中产生的水压差，将这一部分的水压差作为驱动力来对2中的3及4产生力的作用，从而使得3和4能够垂直及上下位移，这样就可以达到阀门自动开关的效果了。

图1中力的作用分别为：F11-自重、F12-上部腔内水压力、F22/F13-中部腔内水压力、F21-下部腔内水压力。F11加F12加F13是方向为竖直向下的关闭力，F22加F21是方向为竖直向上的开启力。这几个力主要作用于3、4、5之上。具体的作用过程可以概括为：61发挥作用导通的过程中62就关闭了，此时上部腔体处于冲水的状态，同时上部腔体内部的水压和管道上游相同，同样地，中部腔内的水压与管道下游的水压一样，那么合力F11+12+13就大于合力F22+21，这就使得阀门为紧闭的状态;若62发挥作用，那么61就处于关闭的状态，此时上部腔内的水压与管道下游的压力相当，中部腔内的水压依然和管道下游的压力一样，这个时候合力F11+12+13就小于合力F22+21，阀门就可以实现开启的效果。这一水动力驱动阀设计与研发最大的亮点及革新之处即为水阀的设计构思，这种设计方案可以使得管道上游水头压力小于一点五米的情况下仍然保证管道可以实现水压驱使阀门的开关，并且灵敏程度很高。

1.3 研究过程

这一水力驱动控制阀系统自两千零九年就开始着手研发了，具体的研究过程可以被概述为这几个阶段：第一步是通过调查和记录理清给排水行业中阀体的参数，并对其进行结构上的进一步分析和力学参数数据的计算和比对;第二部是通过相关计算机设计软件对阀体的结构模型及建模模拟，并对得到的结果进行分析和进一步调整;第三步则为规划和开模，通过制作铝制的阀门模具，在通过使用原材料铸造毛胚、加工并组装和对阀体的密闭性和压力测试等一系列工序保证阀体的各方面参数符合预先设计的方案;第四部为当阀门置于一点五米的持续水头环境中，经行开关灵敏度试验，以及在阀门关闭后进行水密性试验及管道的过水性质检测;最后一步是得到了第三步和第四步中的试验数据及参数，对这一部分中的数据进行分析比较并提出调整方案规划，从而得到最终版本的水力控制阀设计方案[4]。如图2所示即为水力驱动控制阀模具的铝制模具设计示例图，可以从不同角度看出水力驱动控制阀设计的有关参数和需求。目前这一水力驱动控制阀已经获得了国家专利，获得专利的具体日期是二零一三年的三月份，截至目前已经超过六年了。在这六年的时间中这一水力驱动控制阀不仅上市投入了批量生产加工，而且在山东省内多个省市的低压水灌溉控制领域有了广泛的应用，其生产规格满足多种规格的法兰接口，包含DN65＼DN80＼DN100等，如图3所示符合某种法兰接口标准的水力驱动控制阀实际产品图片。

2 应用

上文所述水力驱动控制阀已于二零一三年获得国家专利并上市生产。这一控制阀的研发和投入使用对管道灌溉需求领域的输送灌溉水控制工作有着非常重要的作用。在不使用如电力或预置太阳能板等其他能源供应的抢矿下就可以达到灌溉的目的，同时还能实现自主控制阀门开关、实时智能计费灌溉模式、精准位置灌溉模式、远程操作控制灌溉模式等，极大提升了灌溉操作的管理能力。这一系统从二零一三年三月研发成功后被很多地区和部分项目引入并投入应用：如二零一二年四月中旬在山东省南部的枣庄的二零一一年小农水项目中就发挥了重要作用，这一项目位于薛城区，具体应用方案是在低压灌溉的十二个支管都预装了上文所述的水力驱动控制阀，截至目前仍在在这一地区的灌溉控制中发挥作用;在二零一三年的四月中山东省东南部的日照也使用了这一设计，在东港区的二零一二年小农水项目里于某水库低压灌溉所布施的灌溉管网中安装了三十多部水里驱动控制阀，其灌溉的效果非常好。這一设计在二零一四、二零一五、二零一六等年份都在山东省中不同的县、市被应用，水力驱动控制阀的应用效果在这些地区都受到了广泛地好评。

3 结语

最近几年，山东省有多个小型农田水利重点县建设工作顺利开展，在这些小型农田水利建设项目的具体过程见证了该项技术的迅速发展情况。水里驱动控制阀能够是专门为了在低压管道灌溉系统运送水自我调控状况中没有专门的控制阀来研发的，这满足了小型农田水利建设项目中对先进科学技术及作业设备的需求。通过这些年对于这一领域中的研究显示水力驱动控制阀有着广阔的适用范围和很好的推广空间，力驱动控制阀已经在应用方面有了一些明显的成果。

参考文献

[1] 魏志坚，姚东，谢思思，etal.景洪水力式升船机水力驱动系统设计[J].水运工程，2017（10）：09.

[2] 冉启华，傅旭东，王光谦.水力驱动作用下的地貌演变数值模拟Ⅱ.模型应用[J].应用基础与工程科学学报，2008（4）：486-503.

[3] 任福深，陈素丽，杨萍萍，etal.压差驱动往复式水力增压泵研究与应用[J].石油矿场机械，2015（9）：18-21.

[4] 谭奇峰，高金良，刁美玲，etal.给水管网压力驱动水力模型构建及降漏应用[J].中国给水排水，2016，32（15）：66-70.