浅述灌溉设备中的工业设计

王 喆 李 悦

（1.天津机电职业技术学院，中国 天津300131；2.国网 天津东丽供电公司，中国 天津300000）

我国温室大棚灌溉系统现在还处于初级发展阶段，主要部件品种少，系统的成套性还较差，质量不稳定，随着温室大棚种植面积的增加，现在问题突出的显现出来。

温室节水灌溉是一个系统工程， 涉及的专业和领域比较多，单独研制或生产某一个部件，都不能完全发挥系统的综合效益。 因此结合我国的国情，开发成套、适用、可靠、先进的温室灌溉系统是我国今后节水灌溉设备发展的主要方向。

在温室农业生产中， 合理灌溉技术的核心是控制灌水的均匀度，以适量的水进行适时灌溉，既能满足作物对水的需要，又不至于造成温室土壤含水量过多和空气湿度过大， 引起作物发生各种霉病。 为达此目的，必须深入研究作物生长过程的需水信息和环境因素，利用计算机控制灌水时间和灌水量，达到适时、适量、按需灌水，按照作物生长过程对水、肥、药、环境等的需要，开发适合不同温室大棚作物需要的设备，以满足设施农业发展的需求。

在温室成套灌溉设备的开发与技术方面，需要解决的关键技术问题还很多，在工业设计方面，设计出适合不同作物需要的滴管带、微喷头，不同形式的过滤器，灌溉专用控制阀、施肥泵、压力调节器、各种管路连接件、自动控制系统及相应软件等。 这些技术和设备在我国还处于研究和待开发阶段，不能满足温室灌溉的需要。 目前，市场应用的温室灌溉关键设备，基本上都是引进国外的产品，而且增长速度较快。引进设备价格昂贵，有些产品也不适合我们的国情。因此，加速适合我国温室成套设备的开发和研制，替代进口产品，是现阶段紧迫的任务。

通过对大棚灌溉实际使用中现存主要问题的分析，主要从以下几个方面进行改进：

1）向着多品种，成套性发展———成套性差、品种少。 滴灌管和滴灌带属于输水管和灌水器合二为一的节水灌溉设备，其最大的优点是运输和安装使用都很方便， 滴灌带大部分都采用薄壁塑料管，在管壁上打孔作为滴头，由于打孔的技术落后，很难使孔位均匀，所以灌水的均匀度较差。 滴灌管由于滴头生产工艺复杂，技术精度要求较高，国内还没有生产滴灌管的专用设备，现在市场上使用的滴灌管主要是引进以色列技术和设备生产的，产品的价格较高，品种较少，远远满足不了生产的需要。 国内设备生产的滴灌管主要是管口式滴头，存在的主要问题是产品质量不稳定、滴头堵塞、灌水均匀度差和塑料易老化等。 因此，我们在设计时先向着孔位均匀方面改进，用三维造型机试制的滴灌管运行效果良好，但由于成本原因难以批量投入生产。

2）微喷头的设计———微喷头是温室大棚灌溉、调节室内湿度、满足作物生产所需环境的重要部件。 我国自己设计的产品只有折射式微喷头一种，国外已有上百种适合不同作物环境需要的系列微喷头，选择使用非常方便，我国生产的微喷头产品与国外相比相差甚远，主要是材质、工艺问题还没有解决，使用寿命还不足300h，远低于我国行业标准规定的1500h 的要求。 耐久性、制造均匀度、喷洒性能等主要指标均达不到行业标准的规定，品种和规格太少，不能满足当前温室大棚灌溉的需要，现在用的大部分为引进产品，造价高，在使用过程中要调整管道球阀的开启度，并做标记，对系统进行调压，以防压力过大，冲爆滴灌带。 很难大量推广。

3）过滤器的功能创新设计——过滤器是清除水中可能造成滴头和微喷口堵塞的物质，保证系统正常运行。 现在大棚灌溉中因过滤器而引起灌溉系统工作不正常的现象很普遍。 主要原因是过滤器的生产落后。 筛网式过滤器一旦堵塞，很难冲洗彻底，时间长了就会造成系统过水不畅，用户往往因此撤除滤网，从而造成滴头或喷嘴堵塞，使系统不能工作，就某种程度来说，也影响了设备的推广应用，因此在创新设计方面结合现有净水器发展趋势及功能，缓解冲洗不畅，改善过水水流状况。

4）施肥器的设计改进——施肥器的功能是把液体肥和水混合送到作物周围，使作物很快吸收，达到增产和节约肥料的效果。 我国温室大棚灌溉大部分都没有使用施肥器，即使使用，也只用一种压差式施肥罐，施肥量很不均匀。 虽然，近几年有些厂也生产了文丘里式、射流式施肥器，但均没有形成生产能力，造成市场上没有选择施肥器的余地，因而影响了施肥器的正常应用，进而降低了温室大棚的实际生产效能。

5）自动控制灌溉系统，除个别引进国外成套设备以外，国内还没有成型的产品， 生产中使用的基本上还是用手来操作阀门的设备。 为了使灌溉均匀，国外一般在温室灌溉系统中都装有压力调节器，国内这方面还属空白。 另外，各种电、液控制阀，灌溉系统的连接附件、水源部分的阀、管道泵、压力罐等均属代用产品。 整个系统的配套性较差，有些系统也只能是对付着使用。

在发展温室大棚种植中再用传统的畦灌方法， 不但是对水资源的浪费，对提高作物的产量和品质也是无益的，所以今后温室大棚的灌溉方式，主要是大力发展节水型灌溉，逐步向适时、适量、按需灌溉方向发展，这是今后节水灌溉设备开发和研制的重要方面。

为了实现现代化节水灌溉， 微喷灌自控系统的设计无疑解决了这个问题，根据作物的生产期只要控制好时间、水量和反馈就能够制定好灌水计划，实现真正的无人作业。 将土壤温湿度，空气温湿度等环境数据进行现场自动采集，输入计算机，形成原始数据库，建立最优控制方案。 根据监控中心发出的命令，通过变频器改变电机转速，调节管道压力，控制水泵及各个电磁阀等灌溉设备的正常运行，满足良好的人机界面要求，协调各部分工作，整个系统的工作主要由控制机和变频器两部分完成，其中变频器主要用于控制水泵电机的旋转，工控机主要用来采集土壤气象等指标，按照设定的程序，控制各地块中电磁阀的开启， 并通过变频器控制电机的运行状态，协调整个系统的工作。

因为本人水平有限， 设计中存在一定的问题。 譬如系统抗干扰能力差，且没有实现自动复位。 由于使用的是单片机作为核心的控制元件，配合其它器件，使本温度控制系统具有功能强、性能可靠、电路简单、成本低的特点，加上经过优化的程序，使其有很高的智能化水平，能够应用于实际。 但是新型的微喷头和过滤器在实际使用中成本略高，为了保证精度，还不能实现批量生产。

我国是农业大国， 满足人口的吃饭问题是国家的第一要务。 为实现可持续发展，设计出适合国情的轻小型低压喷灌机组，达到人、机、物的协调统一才能将设备应用于实际生产，强化工业设计意识，提升工业设计水准，让工业设计在我国能够真正深入的发展。