孫曉杰

(山東德州市水利局河道工程管理處，山東 德州 253000)

1 概述

傳統(tǒng)滴灌帶由于具有薄、軟等特性，灌水器多采用折射型流道消能，滴水灌溉的形式，這對水質(zhì)提出了更高的要求[1]。在滴灌系統(tǒng)中，堵塞主要分為物理堵塞、生物堵塞和化學堵塞。物理堵塞通常是指由于過濾不凈，細小顆粒流入流道造成流水不暢甚至無法滴水的現(xiàn)象。生物堵塞分為兩種，一種是由于作物根系的向水性，根部生長個別根系直接插入出水孔造成灌水器無法正常工作；二是水中的微生物在受到升溫等現(xiàn)象的影響，發(fā)生繁殖，生成絮狀粘滑的物質(zhì)，直接堵塞與灌水器流道，無法灌水?；瘜W堵塞通常是指由于水中的鐵錳等離子超標，與空氣中的氧接觸后，迅速發(fā)生化學反應，生成三氧化二鐵、二氧化錳等固體，固化凝結(jié)在流道里或出水孔處，造成灌水器堵塞[1]。物理堵塞可以通過提高過濾設(shè)備的過濾效果來減緩或者消除堵塞；生物堵塞可以通過在灌溉系統(tǒng)中加入適當和適量的藥劑除草劑予以緩解和消除；但化學堵塞始終是困擾研究人員的主要難題。

2 吸力式微潤灌水器結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)形式

突破傳統(tǒng)的設(shè)計理念和思路，對灌水器的結(jié)構(gòu)進行深入研究，化繁為簡，利用灌水器導水芯的毛細浸潤作用進行導水，先后研究設(shè)計開發(fā)出“串聯(lián)直通Ⅰ型”、“串聯(lián)直通型Ⅱ”和管上式吸力式微潤灌水器三代產(chǎn)品[2]，并配套開發(fā)出了相應配件。如圖1—2所示。

圖1 “串聯(lián)直通Ⅱ型”吸力式微潤灌水器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 “串聯(lián)直通Ⅱ型”吸力式微潤灌水器設(shè)計圖

灌水器的材質(zhì)組成為90%的低壓聚乙烯和10%的高壓聚丙烯。其結(jié)構(gòu)主要由導水芯、緩沖腔、接口管組成，導水芯是毛管中水向土壤供給的通道，其導水性能直接決定灌水器性能的好壞[3]。導水芯的直徑約為3.0mm，長度為4～6cm，導水孔的直徑為2.0mm。

為方便導水芯穿引，在“串聯(lián)直通Ⅱ型”吸力式微潤灌水器出水孔的垂直方向設(shè)計加裝了2個定位塊。為加大水道過流面積，設(shè)計了水道緩沖腔，以彌補由于導水芯阻擋水流行進方向而造成的局部水頭損失[4]?？紤]到灌水器模具開發(fā)，課題組將“串聯(lián)直通Ⅱ型”吸力式微潤灌水器進行了分體設(shè)計。

由于灌水器的特殊結(jié)構(gòu)，對于根系和土壤負壓等引起的物理堵塞及化學因素造成的堵塞，均可通過提拉導水芯來清除。

2.2 導水芯研發(fā)

導水芯是毛管中水向土壤供給的通道，其導水性能直接決定灌水器性能的好壞。同時開始進行吸力式微潤灌水器的研發(fā)工作，先后完成了導水芯水平浸潤試驗、垂直浸潤試驗、有土壓力下的導水能力試驗[4]并在山東德州大棚進行了吸力式微潤灌水器初期產(chǎn)品應用效果試驗。

氨綸低彈絲48h水平浸潤長度為215cm，垂直浸潤高度為26.5cm，遠遠高于其他材料，表現(xiàn)了其良好的導水性能，見表1—2。課題組最終選定了導水芯的材料——氨綸低彈絲。確定導水芯的材

表1 導水芯水平浸潤試驗 單位：cm

表2 導水芯垂直浸潤試驗 單位：cm

質(zhì)后，課題組著手導水芯形式的研究，先后開發(fā)研制出氨綸低彈絲三股導水芯、氨綸低彈絲四股導水芯、氨綸低彈絲六股導水芯和氨綸低彈絲八股導水芯[5]。經(jīng)過試驗，尤以氨綸低彈絲三股導水芯的水力性能表現(xiàn)最佳。

2.3 導水芯穿引機研發(fā)

微潤灌溉技術(shù)概念的提出是新型微灌設(shè)備的理論基礎(chǔ)，實現(xiàn)導水芯與吸力式微潤灌水器的自動化穿引，是產(chǎn)品能否研發(fā)成功的關(guān)鍵[6]。針對吸力式微潤灌水器的幾何特征和理化性質(zhì)，經(jīng)過反復試驗，采用振動篩自動排序和牽引梭穿導技術(shù)，實現(xiàn)吸力式微潤灌水器導水芯的自動化穿引，并根據(jù)穿導過程研制出了吸力式微潤灌水器導水芯自動穿引機。

2.3.1導水芯穿引機工作原理

導水芯穿引機工作原理是將放置在振動排序裝置中無規(guī)則的吸力式微潤灌水器通過振動排序，規(guī)則有序的進入到穿引梭槽內(nèi)，通過穿引系統(tǒng)的牽引梭將導水芯自動牽引并穿過灌水器，在經(jīng)過切割裝置，自動將導水芯按照設(shè)定的長度進行切割，形成一個完整的吸力式微潤灌水器[7]。

2.3.2導水芯穿引機結(jié)構(gòu)組成

導水芯穿引機由機械結(jié)構(gòu)部分和電器部分組成，按功能可分為灌水器排序裝置和導水芯分割裝置。機械結(jié)構(gòu)部分包括固定支撐裝置、牽引裝置、定向裝置、穿引梭固定裝置和導水芯分割裝置組成。

2.3.2.1 細部結(jié)構(gòu)功能用途

電器部分。調(diào)速電機主要根據(jù)料斗灌水器的多少，調(diào)整振動頻率和灌水器排序速度。振動排序裝置通過一定的振動頻率，將合格的吸力式微潤灌水器通過螺旋槽有序的進入到穿引梭；將不合格的產(chǎn)品直接分離出去[8]。電器箱內(nèi)裝有繼電器、開關(guān)、控制器等電器元件，電器箱面板設(shè)置控溫調(diào)節(jié)顯示、電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)顯示、開關(guān)等，直觀并易于操作。

機械部分有以下部分組成。

(1)機臺：本機臺采用板金結(jié)構(gòu)，兩側(cè)開門，外形尺寸1800mm×500mm×800mm(長×寬×高)，機臺平穩(wěn)、美觀且內(nèi)部空間大，利于電機散熱。

(2)固定支撐裝置由支撐箱、牽引裝置固定支架、定向裝置支架和穿引梭固定支架組成，如圖3所示。

圖3 固定支撐裝置示意圖

(3)牽引裝置主要牽引導軌、卡夾、穿引槽和動力輪構(gòu)成。牽引導軌通過定向裝置穿過灌水器的出水孔，再通過卡夾經(jīng)動力輪驅(qū)動，將導水芯穿過灌水器。

(4)定向裝置是確保牽引導軌與灌水器出水孔同心的定位定向裝置，主要通過固定支架固定在支撐箱上。

(5)穿引梭固定裝置由前位支架和后位支架組成，通過支架固定穿引梭，確保牽引導軌準確穿過灌水器的出水孔。

(6)導水芯分割裝置由調(diào)距定位栓和分切刀組成。調(diào)節(jié)定位栓將距離調(diào)整到適宜位置，確保灌水器穿引導水芯后滿足單側(cè)導水芯的長度為3cm；當牽引機達到設(shè)定位置，分切刀將導水芯切斷，完成導水芯的穿引。

2.3.2.2 導水芯穿引機產(chǎn)品指標

導水芯穿引機的工作電壓為220v，功率為1.5kw，工作效率為1800個/h，導水芯長度誤差±2.0mm。

3 吸力式微潤灌水器生產(chǎn)工藝

吸力式微潤灌水器的生產(chǎn)主要分為灌水器注塑成型和導水芯穿導分切兩個階段。

3.1 吸力式微潤灌水器注塑成型

3.1.1原材料

吸力式微潤灌水器的原材料包括約90%的低壓聚乙烯、10%的高壓聚丙烯聚乙烯PE、少量的抗氧化劑及紫外線吸收劑。這種材料組成可減少灌水器脫模后的收縮度，還可以有效防止老化。

3.1.2注塑過程

根據(jù)生產(chǎn)需要，此次開發(fā)的模具為滑動脫模16腔注塑模具，模具核心部分采用45#鋼，模具可反復使用10萬次。具體生產(chǎn)過程將原材料(聚乙烯、聚丙烯、抗氧化劑及紫外線吸收劑)放入儲料斗內(nèi)，通過電機振動，將原材料輸入到注塑機內(nèi)，將原材料加熱塑化，待原材料呈熔融狀態(tài)后，通過導管輸入到模具內(nèi)，經(jīng)過模具注塑定型，自動脫模，形成灌水器主體[8]。吸力式微潤灌水器注塑過程如圖4所示。

圖4 吸力式微潤灌水器注塑成型流程示意圖

3.1.3注塑質(zhì)量控制

吸力式微潤灌水器高10.0mm，出水孔直徑為2.0mm，具體尺寸如圖5—7所示，誤差控制范圍為0.02mm；輸出速度240模/h，誤差控制范圍為10模/h；抗氧化劑及紫外線吸收劑占原材料的含量為3%～5%。

圖5 吸力式微潤灌水器外觀尺寸圖

圖6 吸力式微潤灌水器俯視圖

圖7 吸力式微潤灌水器A-A剖面圖

3.2 吸力式微潤灌水器導水芯分切

3.2.1導水芯分切過程

吸力式微潤灌水器導水芯的分切過程是將放置在振動排序裝置中無規(guī)則的吸力式微潤灌水器通過振動排序，規(guī)則有序的進入到穿引梭槽內(nèi)，通過穿引系統(tǒng)的牽引梭將導水芯自動牽引并穿過灌水器，在經(jīng)過切割裝置，自動將導水芯按照設(shè)定的長度進行切割，形成一個完整的吸力式微潤灌水器[9]。

3.2.2導水芯分切質(zhì)量控制

吸力式微潤灌水器導水芯分切效率為1800個/h，導水芯長度分切誤差為±2.0mm，誤切率低于1%，設(shè)備運行可靠，精度達到產(chǎn)品使用的要求。

4 測試結(jié)果

4.1 微潤灌水器制造偏差

4.1.1恒壓條件下微潤灌水器流量變異系數(shù)

如圖8所示，顯示了在0.02MPa工作壓力下隨機取樣的新型微濕灌溉系統(tǒng)中的吸入式微濕灌溉器的出流情況，流量從6.7～7.2L·h-1不等，根據(jù)方差分析結(jié)果，隨機樣本之間的流量無顯著性差異，流量變化系數(shù)在1.7%～7.0%之間變化，平均值為5%，參照農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)備相關(guān)標準，滴灌滴頭流量變化系數(shù)不大于7%，也就是說，新型吸微濕滴灌機的制造偏差與滴灌機相似，符合農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)備的生產(chǎn)標準[9]。

圖8 制造偏差對微潤灌水器流量的影響

4.1.2灌水時間對變異系數(shù)的影響

灌水器流量隨灌溉時間的變化系數(shù)如圖9所示，從圖中可以看出，在不同的工作壓力下，灌水器的流量變異系數(shù)隨灌溉時間的增加而增大。

圖9 灌水時間對微潤灌水器流量變異系數(shù)的影響

運行前4天，流量變化系數(shù)仍接近滴灌滴頭流量變化系數(shù)標準，但運行4天后，流量變化系數(shù)高于滴灌滴頭流量變化系數(shù)標準，原因是在運行初期，流量較大，隨著灌水器工作時間的增加，導水芯的芯部長期浸水膨脹，導水芯在導水過程中有輕微膨脹，形態(tài)發(fā)生變化，或由導水芯吸附的小顆粒引起的堵塞，會改變流量大小，導致流量變化系數(shù)增加[9]，因此，從流量變化系數(shù)的試驗結(jié)果可以看出，應在4天內(nèi)控制一次連續(xù)灌溉的灌水器的使用。

4.2 微潤灌水器壓力流量關(guān)系

滴頭流量與工作壓力的關(guān)系是反映射極自由流出量的重要水力特性指標[9]。如圖10所示給出了不同工作壓力下吸微濕灌溉機的平均流量。

圖10 壓力流量關(guān)系

從圖10可以看出，隨著壓力的增加，灌水器的平均流量增加，并根據(jù)實驗得到的壓力值和流量值進行回歸分析。

q=kHx=130.15H0.84

(1)

式中，q—平均流量,L·h-1；k—流量系數(shù)；H—工作壓力,m；x—流態(tài)指數(shù)。

由公式(1)可知，流量系數(shù)為130.15，流態(tài)指數(shù)為0.84，流態(tài)指數(shù)大于0.5是指灌水器內(nèi)的水流流型是光滑的或半湍流的[9]，壓力的變化對流量有很大的影響。

5 結(jié)語

吸力式微潤灌水器的研發(fā)和推廣使用，進一步實現(xiàn)了灌溉節(jié)水節(jié)能、提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)、促進了農(nóng)民的增產(chǎn)增收[10]；同時，也將為諸如遼寧省、內(nèi)蒙古自治區(qū)、黑龍江省、吉林省大面積實施的“節(jié)水增糧行動”提供一種新的節(jié)水措施，為推動節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了有力的技術(shù)支撐。