灌溉阀在应用中存在的问题及优化设计

袁颖华，顾晓峰，孙颖奇，魏韶辉，苑宝玉，华 涛

(1.南瑞集团公司(国网电力科学研究院)，南京 211000；2.江苏省太湖水利规划设计研究院有限公司，江苏 苏州 215128)

目前我国水资源短缺与水资源浪费并存的现象十分严重，特别是农业用水，由于灌溉方式的不合理，造成了水资源浪费严重、灌溉水利用率低下，加剧了水资源短缺的现状，为了实现水资源的科学管理，缓解资源供需矛盾，具有节水、高效的自动化精准灌溉系统，如滴灌系统、微灌系统、喷灌系统以及渗灌系统等，得到了非常广泛的应用[1,2]。在这类灌溉系统中，灌溉水通过输配水管网直接输送至农作物处，最大限度地降低了灌溉水在输送过程中的损耗，实现了对灌溉用水的精确定量控制，显著提高了灌溉效率，是现代化农业灌溉技术的一个重要发展方向[3]。

灌溉阀作为自动化精准灌溉系统的主要控制设备，对整个灌溉系统的准确、可靠运行起到了关键作用。国外的灌溉阀产品经过多年的发展已逐步趋于成熟系列化，占据了国内市场很高份额，但由于受到国内灌区特殊自然气候土地资源农业经济状况等因素，灌溉阀工作不稳定，不能很好地适用于国内灌区的灌溉系统中，导致自动化精准灌溉无法大面积推广。国内同类产品在实际工程使用中也同样存在运行不可靠的问题。本文通过对目前灌区灌溉系统中灌溉阀存在问题的分析与研究，提出了结构优化设计方案，解决了现有产品的相关缺点，实现了产品的可靠运行。

1 灌溉阀现存问题分析及结构优化

灌溉阀是自动化灌溉系统的终端设备，直接控制着输配水管网的通断以及调节灌溉水的压力、流量。根据市场调研及新疆地区一些灌区自动化工程运行反馈情况可知，目前在灌溉系统中应用的灌溉阀主要存在低压无法开启、电磁头工作不稳定及无法及时反馈阀门工作状态这3个问题，本节通过对这3个问题的原因进行分析与研究，并以此理论分析为依据，对灌溉阀的结构进行了相应的优化设计，从而解决了现有产品的相关缺点。

1.1 灌溉阀低压无法开启问题

常用的灌溉阀主要是隔膜阀，其需要管线压力满足一定开启压力才能完成阀门开启动作。采用管道系统模拟软件对某一智能化棉花膜下滴灌系统进行建模及分析计算后发现，靠近于总干渠的灌溉阀工作正常，而远离总干渠的灌溉阀却逐渐发生故障，直至彻底失灵，如图1所示。而造成这一问题的原因主要是不合理的管网设计和不严谨的轮灌制度，使得距离较远RTU节点的水力特性经过输水管网损失后，无法满足灌溉阀的运行要求。因此灌溉阀需要具有良好的低压开启性能，才能在管网压力较低时实现稳定工作。

图1 智能化棉花膜下滴灌系统田间布设结构示意图

为了满足低压开启的性能要求，首先想到从阀门结构入手，通过对多种控制阀结构进行对比分析，选择合适的阀门结构。为此对隔膜水力阀、PVC球阀、笼式控制阀及轴流式控制阀等各类控制阀结构进行了对比分析，结果发现，虽然PVC球阀、笼式控制阀和轴流式控制阀这3种结构均不需要借助管线压力动作，但PVC球阀结构复杂、功耗较高，笼式控制阀和轴流式控制阀则成本高昂，均不满足农业灌溉系统低成本、低功耗的设计要求，故阀门结构仍选择了成本低廉、技术成熟的隔膜阀。通过性能试验，从众多隔膜阀结构种类中选择了外流道、单腔倾斜式、带复位弹簧、环形密封且具有优异低压开启性能的隔膜阀结构，最小开启压力为0.02 MPa。

1.2 电磁头工作不稳定问题

灌溉用隔膜阀采用先导式控制模式，通过对一个液体压力控制回路施加控制来实现整个阀门的启闭控制，如图2所示，其控制回路主要由先导孔、过滤网[1]、橡胶管(流道)、导阀[2](电磁头)、排水孔等几部分组成。电磁头作为液体压力控制回路的重要部件，控制着整个回路的通断。但其在灌区系统使用过程中，易出现不动作，甚至失效等情况，从而无法完成隔膜阀的正常启闭。

图2 隔膜阀液体压力控制回路示意图

通过对灌溉阀上常用的两位三通直流脉冲电磁头[4](见图3)的结构分析可知，其最大的缺点在于存在有浸没于液体中的金属元件，如衔铁、复位弹簧等。灌溉系统通常需要进行水肥一体化运作，灌溉水中会含有各种化肥成分，酸碱度变化比较大，会在金属元件表面发生化学反应或者淤积水垢，由于电磁头自身的流道狭窄，轻微的积垢与堵塞都会引起故障，从而导致整个电磁头的动作失灵。

图3 二位三通直流脉冲电磁头

为了解决常用的直流脉冲电磁头在使用中发生的堵塞问题，目前可用的方法是将电磁头中的金属元件与灌溉水完全隔离开来，采用介质隔离电磁头结构，如图4所示[5]。图4中1、2、3为电磁头的3个连接接头，2号和3号连接接头上盖有一弹性膜片，膜片连接至一个摇杆机构上，衔铁连接至摇杆的一端。弹性膜片将整个液体回路与衔铁、弹簧等金属元件隔离，保证电磁头在正常动作时不会使金属元件接触液体，从而解决了由于灌溉水中杂质导致的电磁头动作失效，极大地提高了灌溉阀在水肥一体化工作中的可靠性。

1.3 无法反馈阀门工作状态问题

目前灌溉系统中使用的灌溉阀无法实现阀门状态反馈检测，动作指令发布后，控制中心无法获知灌溉阀是否准确地执行相应的动作，若灌溉阀由于阀门堵塞、压力不足而发生故障时，控制中心也无法获知故障阀的准确位置，管理人员需要到灌区内对各个灌溉阀进行逐个排查，而灌溉系统其布设范围较大，通常需要覆盖方圆几百米的田间区域，因此大大降低了自动化精准灌溉系统的实用性，费工费时，运行维护成本高。

图4 二位三通摇杆机构介质隔离电磁头结构示意图

针对这一技术的需求，专门设计了一种光电传感器式阀门状态反馈装置，通过选用反射式光电传感器作为检测元件来反馈阀门开度信息，其结构如图5(a)所示，反射式光电位移传感器固定于阀杆上，隔膜动作带动阀杆运动，使得光电传感器的安装平面到反射平面之间的间距随之变化，而使得接收光电流发生相应变化，光电流的变化转换为输出电压的变化，以实现阀门工作状态的反馈，工作原理如图5(b)所示[6]。

图5 光电式阀门状态反馈装置

1.4 优化后的灌溉阀

根据对灌溉阀在应用中存在问题的分析与研究，经过结构优化设计后，形成的灌溉阀结构如图6所示，其阀门结构采用了具有优异的低压开启特性的隔膜阀，能在管线水压较低的情况下实现灌溉阀的稳定工作，导阀选用了介质隔膜直流脉冲电磁头，避免堵塞，从而解决了电磁头动作失效的问题，同时设计了一种光电传感器式阀门状态反馈装置，可实时检测灌溉阀工作状态，为灌溉阀的正常运行提供了可靠保证。优化设计后的灌溉阀中涉及的各零部件均为市面上成熟产品，价格便宜，且结构简单、易于加工，安装、维护方便，特别适用于农业自动化灌溉系统中。

图6 灌溉阀

2 性能试验与分析

为了验证研制的灌溉阀在实际工况条件下的性能表现，本文参照阀门压力试验的相关标准搭建了如图7所示的性能试验装置[6,7]。试验平台主要由空气压缩机、减压阀、压力表、法兰适配件等部件组成。通过该套试验装置模拟了灌溉阀在实际管线压力情况下的动作情况，对灌溉阀进行了最小开启压力试验、阀门密封性试验、光电式状态反馈装置密封性试验及响应可靠性试验，试验介质为空气，通过调节减压阀可以获得0～0.8 MPa的稳定试验压力，压力表精度等级为1.6级，最小刻度为0.01 MPa，得到如表1～表4所示记录的测试数据。

图7 灌溉阀性能试验示意图

表1 灌溉阀最小开启压力试验数据

由表1～表4的试验数据可知，灌溉阀的最小开启压力为0.02 MPa，即当灌溉系统的管线压力大于0.02 MPa时，该灌溉阀可正常工作，且该阀在关阀状态下，试验水槽中无气泡产生，故其具有良好的密封性能。而光电式阀门状态反馈装置则能准确地反映出阀门全开、中间及全关各个状态，其反馈信号最小响应压力为0.03 MPa，反馈逻辑如表5所示，且装置密封良好，无明显肥皂泡产生，阀杆动作正常，无卡死等现象。

表2 灌溉阀阀门密封性能试验数据

表3 灌溉阀阀门状态反馈响应性能试验数据

表4 灌溉阀阀门状态反馈装置密封性能试验数据

表5 状态反馈逻辑

为了验证改进后的灌溉阀在实际灌溉系统中的性能表现，将其应用于甘肃玉门智慧农业自动化灌溉工程项目中，监测结果发现其运行状况良好，电磁头无堵塞而失效现象，且阀门状态反馈装置能准确地反映出阀门全开、中间及全关各个状态，阀杆动作正常，无卡死，与同类产品相比，其工作稳定性及实用性都有了较大的提高。

3 结 语

本文通过对目前灌区自动化灌溉系统中灌溉阀存在问题的分析与研究，总结了现有产品的不足，提出了相应的结构优化设计方案，并进行了实验验证与工程试用。结果表明，改进后的灌溉阀能较好地适用于国内自动化灌溉系统的运行工况，保证灌溉系统的运行可靠性，显著提高了灌区自动化节水灌溉技术水平。

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[1] 侯存峰. 基于物联网技术的节水灌溉控制系统[D].重庆:西南大学, 2012.

[2] 吴文荣, 丁培峰,忻龙祚，等. 我国节水灌溉技术的现状及发展趋势[J].节水灌溉, 2008,(4):50-54.

[3] 孙颖奇, 袁颖华, 吴秋明,等. 低功耗智能灌溉控制阀的研究[C]∥ 大数据时代的信息化建设——2015，2015.

[4] 3/2 Direct Acting Solenoid Valve[EB/OL]. http:∥www.rotexindia.com/Solenoid_Valves.html, 2014-04-09.

[5] Series 385 16mm Rocker Isolation Valve[EB/OL]. http:∥www.ascovalve.com/Applications/Products/IsolationValves.aspx, 2014-04-09.

[6] 袁颖华, 孙颖奇, 苑宝玉,等. 一种用于灌溉隔膜阀的阀门状态反馈装置的设计与实现[J].中国农村水利水电, 2016,(11):130-132.

[7] GB/T 13927-2008, 工业阀门 压力试验[S].

[8] JB/T 10674-2006, 水力控制阀[S].