灌溉流量自调节阀的结构设计与性能分析

张晓斌，冯俊杰，刘 杨，韩启彪，娄 和，王 明

(1.运城学院，山西 运城 044000; 2.中国农业科学院农田灌溉研究所/河南省节水农业重点实验室/农业部节水灌溉工程重点实验室，河南 新乡 453002; 3. 河南威盛电气有限公司，河南 新乡 453000)

0 引 言

精准灌溉、自动灌溉、智慧灌溉等应用是先进节水灌溉技术发展的重要方向[1]，其中：精准灌溉技术依据土壤墒情、作物类型、作物生长过程的耗水特点等实际需求，通过人工或自动监测手段、数据计算、网络传输等先进技术，采用最优的灌溉设施和灌溉施肥制度，从灌水施肥的数量、时间等方面，实现水肥的精准控制、达到作物高产和优质高效的灌溉应用新模式[2-5]。它系统地考虑了农作物、土壤墒情、气候等多方位因素，能够较好地根据作物的需求精确控制灌溉水肥的总量、时间及其在田块内的实际分布情况，与传统节水灌溉相比，更有节水、节能、优产、提质、增效的潜力[6,7]。

灌水定额、灌水时间、灌水周期和灌溉定额等参数是灌溉制度的重要技术指标，但现有的滴灌、蓄水灌、根灌和微喷灌、喷灌以及现代地面灌等多种灌溉技术在实际应用过程中，都是按照理论计算或“人为主观”经验总结的灌溉施肥量和实施时间，通过人工或自动控制器等对系统管路各类阀门设备的开启、关闭状态和末级灌水器的额定流量等进行有效控制，以适时、适量的水肥用量进行灌溉、施肥，从而实现理论的精准控制[8]。但目前真正从作物需水角度进行精准控制的阀门尚报道较少，灌溉管网输水流量的及时、自动、精确供给也是对阀门功能发展提出的新要求。因此，针对各级输配水管网的控制阀和毛管的灌水器等关键设备，有必要先从各级输配水管网的流量控制阀角度，研制开发灌溉输水管流量自调节阀新型产品，通过有效监测和控制土壤、作物的需水量、实际灌水量，以有效解决因灌水不足或灌水过度而胁迫作物生长的问题，从而为作物提供最优的灌水施肥量、实现真正的精准灌溉应用水平提供技术支撑[9-11]。

1 流量自调节阀的结构功能设计

1.1 功能设计

针对灌溉输水管流量调节阀的应用方式、运行环境和达到精准灌溉效果的实际需求，研发的新型流量自调节阀产品是在常规阀门仅有开、关的全开度启闭功能基础上，增添了土壤墒情监测感应和在全开、全关之间任意开度调节的新型复合功能，属于节流阀产品[12-16]。

1.2 产品结构

在现有的手动阀门、水动阀门和电动阀门等常规阀门设备的结构、工作原理和应用功能的基础上，利用土壤负压这一天然能量为调节机构的控制动力，灌溉输水管流量自调节阀的结构设计主要由阀门体、感应体共两部分组成，如图1。其中：阀门体由阀盖、橡胶膜、弹簧、阀杆、阀片、上阀体、下阀体和感应体组成，上阀体包括储水腔体和阀体连接部，储水腔体上设置有阀体接头，阀体连接部内设置有阀杆腔，下阀体内设置有与阀片相对应的阀片密封机构，阀片设置在下阀体内，橡胶膜、弹簧、阀杆和阀片安装在一起，弹簧初始状态下，阀片将下阀体密封，阀盖与上阀体安装在一起，将橡胶膜固定，上阀体和下阀体安装在一起。感应体由陶土头、有机玻璃管、密封塞和微管组成，通过与阀体接头连接，可以采集、传递土壤的干旱情况[17-19]。

1-感应体；2-主微管；3-次微管；4-密闭接头；5-上阀体；6-下阀体

阀盖、橡胶膜、弹簧、阀杆、阀片、上阀体、下阀体和感应体以及微管等各部件的组合，形成完整的灌溉流量自调节阀门，如图2。灌溉输水管流量自调节阀的应用有效改变了目前滴灌装置仅以“计划被动”的输水灌溉模式，解决部分自动滴灌装置采用吸水膨胀橡胶作为动力源，易导致灌溉反应滞后、不能及时反应墒情、及时实施灌溉的实际问题，真正实现依照拟灌溉地块的实际旱情而“主动自我调节”输水管供应流量的预期目标，并达到适量供水、高效用水、精准灌溉和节约运行能耗、提高灌溉自动化等应用效果。

1.3 工作原理

灌溉输水管流量自调节阀具有通水、断水两个工作模式，其中：通水有全通水和部分通水，初始状态为断水，具体工作原理如图3。通过陶土头实时感知土壤的墒情，利用土壤负压为主要控制动力，通过土壤负压使密闭空间压力变化，进而达到控制阀门开闭的作用。当感应体采集和传递土壤旱情信息后，通过微管以准确地感知地块的实际土壤水分含量、真实地反映维持作物正常生长的土壤缺水状况；上阀体和阀杆等控制机构是调节阀门过水断面大小的关键组件，它根据感应体采集和传递的土壤实际水分状况信号，通过其自身体积的被动缩小或增大复原，以有效控制阀门内部水流的实际过过水断面面积，达到调节过水流量的应用功能；下阀体是管路输水的过水通道，保证灌溉水流的顺利通过和输送。

当流量自调节阀的控制体受土壤旱情状况而被动变化时，调节阀将处于通水(流量大或流量小)模式，开始实施控制灌溉，并通过所在毛管的灌水器进行精准灌溉，灌水过程中，控制体根据监测的土壤实际水分状况而逐渐复原变形，当灌水一段时间后，土壤水分状况达到田间持水量时，控制体将复原到初始位置，又回到初始的断水模式。具体的工作过程如此往复循环，通水、断水模式相互切换。

图3 灌溉输水管流量自调节阀的工作原理图

实际应用中，先在由橡胶膜、储水腔体和感应体组成的密闭空间内预充满水。把灌溉输水管流量自调节阀与灌溉管网配套应用，当土壤含水量较低、出现旱情时，通过感应体的准确采集、有效感知其控制地块的实际土壤水分状况和作物生长所需土壤旱情信息，使灌溉系统管网能够根据田间的实际需水要求而启动阀门开闭，自动控制其输水状态、调整其输水能力，反应快捷，控制精确，有效地避免了滴灌的延后，通过控制范围内各条末级管路的灌水器均匀配水，实现高效、精准的灌溉效果，达到节水、节能、省工和降耗等目的，有利于进一步提高科技真正服务农业生产能力、应用水平，促进现代农业的快速、可持续发展。

1.4 设计指标

灌溉流量自调节阀的各组成部件所用的材料和产品的设计指标参数如表1。

表1 灌溉流量自调节阀的设计指标

2 样品试制与试验设计

2.1 样品试制

按照上述结构设计，运用AutoCAD软件绘制流量自调节阀各组件的模型三维视图和整体装配图，并选用硅胶材料，添加橡胶助剂和骨架材料等，经过塑炼，密炼、混炼、压延、压出、硫化、注压成型等阶段，加工制作了50、60、70邵尔硬度的弹性膜片。又选取有机玻璃等材料，在数控加工中心机床精密制作了上阀体、下阀体、阀盖等，用304不锈钢制作阀门体的阀片。通过对弹性膜片和上阀体、下阀体、阀盖的扣紧压配合，组装为流量自调节阀的阀门体。

研制成型流量自调节阀产品的进出水口规格为DN25，根据不同的土壤类型，分别选配邵尔硬度50邵氏A、60邵氏A、70邵氏A的弹性膜片进行装配成型，达到不同的流量调节效果，实现对各类型土壤和作物进行合理供水、精准自动灌溉的应用功能。结合流量自调节阀的结构，从前期试验得出硬度为60邵氏A的弹性体变形量较为适宜，其压力～形变量的关系比较符合阀体内部的空间尺寸，通过弹性膜片与阀体内部结构的相互配合，达到较好的通水、断水等效果。

2.2 试验设计

(1)试验目的。在不同供水压力、模拟土壤负压共同作用下，分别测试阀门的实时过水流量、流量变化范围、流量调节时间等技术指标，分析其流量自调节效果、调配精度和控制灵敏度等产品性能和应用效果，为流量自调节阀的结构优化、材料配方调整、提高性能稳定和产品定型生产等提供技术依据。

(2)试验方案。以配备硬度为60邵氏A的弹性体、试制成型的流量自调节阀样品(DN25)为研究对象，并任选取3个样品进行测试，每个试验样品的测试数据均重复3次。采用室内试验的方式，把选定的测试样品安装在微灌过滤器实验室的水力性能试验台上，在100～300 kPa的供水压力条件下，进行输水流量的调节精度、控制灵敏度和应用功耗等性能测试，以直观可视化的方式进行流量自调节阀的工作压力、过水流量变化、调配精度和控制灵敏度等技术指标测试与数据分析[20]。

根据流量自调节阀产品的设计功能和试验目的，结合微灌过滤器实验室的微灌设备水力试验平台，在变频供水、压力调节、流量测算和自动计时等原有试验条件的基础上，增设模拟土壤负压的试验装置，优化设计了流量自调节阀性能测试的专门试验装置，如图4所示。

1-水泵；2-供水管；3-变频控制器；4-压力表；5-流量自调节阀试验样品；6-PU软管；7-精密流量计；8-负压吸气泵；9-回水管路

3 结果与分析

3.1 过水流量试验

按照规范和试验方案，在试验设计的100～300 kPa额定供水压力范围内，以50 kPa的等压变化幅度，各选取一个试验压力点，在不同的供水压力条件下，分别进行试验样品的过水流量测试。试验共设置了5个不同的试验供水压力点，在模拟土壤负压装置的作用下，进行了阀门不同开度时的过水流量测试。通过对试验数据的回归分析，绘制得出DN25流量自调节阀样品在不同开度时的供水压力～流量关系曲线，如图5。

从图5中分析得到，流量自调节阀的特定结构设计，首先保持了常规流量控制阀具有完全通水、完全断水的基本功能，并增添了阀门调节任意开度的新功能，在保证管路正常输水的同时，根据作物需水特点、总需水量、水源供水量、工作时长和管理模式等实际情况，达到输水流量的任意调节，在节水、节能、节劳、节资等方面均具有合理化、人性化和高效率化的管理优势。

图5 流量自调节阀DN25在不同开度条件的压力～流量关系曲线

3.2 流量调节精度

此指标主要是分析滴灌精量调配水设备在不同供水压力、阀门开度条件下的流量自调节精准度。试验在额定设计供水压力范围内，分别选取100、200、300 kPa共3个测试点，进行实测流量，并与理论计算值进行对比，根据其差值大小，得出DN25流量自调节阀样品的调节精度。相关试验数据如表2。

表2 不同供水压力、阀门开度条件下的流量自调节精准度表

从表2看出，在任意供水压力下， DN25流量自调节阀样品在各个阀门开度时实测流量数量与理论设计相差较小，样品的调节精准度均在81%以上，特别是在阀门开度大于50%时，样品的流量自调节精准度在95%以上，整体调节精准度较高。

3.3 控制灵敏度

此指标主要是测试样品的任意调节开度的时间响应程度，以分析样品对于不同调节开度的灵活性。试验的DN25流量自调节阀样品在不同供水压力、阀门开度条件下的控制响应时间试验数据如表3。

从表3分析得出：DN25流量自调节阀样品在设定的5个不同开度内，随着阀门开度的逐渐减小，其响应时间越短、控制灵敏度越高。相邻不同开度之间的切换响应时间均较短、控制灵活度较高，平均在2 s的时间内即可完成相邻阀门开度之间的切换，其中在75%开度向50%开度切换过程中，响应时间要大于2 s。整体上，阀门的切换时间与实际供水压力有关，供水压力越大，相邻开度之间的切换时间就稍有延长，但仍在3 s即可完成相邻开度间的有效切换，具有较高的控制灵敏度。

4 结 论

(1)灌溉输水管流量自调节阀把信息采集、传递和流量控制等技术集成一体，是灌溉输水管网用的新型多功能阀门产品，具有土壤实际水分信息采集、流量控制和压力调节等复合应用功能。通过感应体、控制件等关键组件的相互组合，能够任意调节阀门的开度，根据实时感知到的土壤水分状况，不断有效调整过水断面的大小，以维持阀体内部过水结构的通、断状态。

表3 不同供水压力、阀门开度条件下的流量自调节阀控制响应时间表

(2)已加工试制完成的流量自调节阀样品(DN25)的开度调节范围为0～100%，在100～300 kPa供水压力条件下，其实测流量在0～4.33 m3/h范围内变化，与设计额定流量相比相差较小，且整体调节精准度高达81.5%～99.5%。

(3)试验流量自调节阀样品的控制灵敏度较高，在100～300 kPa的不同供水压力下，其阀片动作的响应时间随着阀门开度的逐渐增大而延长，阀门开度从0到100%的响应时间短，其最长响应时间仅不足3 s，能够较好地实现节水灌溉的精准控制。