鄧 忠，馮俊杰，翟國亮，宗 潔，張文正

(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所，河南新鄉(xiāng) 453003)

灌溉管路用快速連接件產(chǎn)品的研制及其水力性能

鄧 忠，馮俊杰，翟國亮，宗 潔，張文正

(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所，河南新鄉(xiāng) 453003)

在現(xiàn)有各類連接件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計出一種灌溉管路用快速連接件產(chǎn)品，該產(chǎn)品整體結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，操作簡單方便，具有快速組裝與拆卸的特點，實現(xiàn)了插入自動通水、拔移自動斷水的功能。分析快速連接件產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)組成和工作原理，并進行水力性能測試。測試結(jié)果表明:快速連接件產(chǎn)品具有過水流量穩(wěn)定、局部水頭損失小、插拔靈活性強、密封性能優(yōu)等特點，能起到降低系統(tǒng)投資和提高工作效率的作用，適用于移動灌溉和抗旱灌溉工程。

微灌系統(tǒng);快速連接件產(chǎn)品;移動灌溉;抗旱灌溉;水力性能

根據(jù)灌溉系統(tǒng)管路形式的不同，灌溉系統(tǒng)通常分固定式和移動式兩種［1-2］，不同形式的灌溉系統(tǒng)投資和管網(wǎng)利用率相差很大。固定式灌溉系統(tǒng)管網(wǎng)全部在田間固定鋪設(shè)，灌溉時不需移動，特點是施工和操作方便，但不利于田間機械化作業(yè)，且設(shè)備易老化和損壞，工程投資約為15000元/hm2［3-5］。移動式灌溉系統(tǒng)的干管、支管和毛管均可在田間移動，灌溉完一塊地后可移動到另一塊地繼續(xù)灌溉，大幅度提高了灌溉系統(tǒng)的使用率［6］，克服了固定式灌溉系統(tǒng)不利于田間作業(yè)和工程建設(shè)投資高的缺點，平均投資約為3000元/hm2，較固定式灌溉系統(tǒng)節(jié)省投資75%左右［7-8］。隨著我國旱情的日益嚴峻，操作簡便、實用性強、可移動的抗旱機具和產(chǎn)品亟待研發(fā)和推廣應(yīng)用，以增強我國應(yīng)對突發(fā)性旱情的快速處理能力?？焖龠B接件產(chǎn)品是實現(xiàn)灌溉系統(tǒng)管路快速拆卸、移動和安裝的重要零部件，其具有廣闊的應(yīng)用前景［9］。

1 快速連接件產(chǎn)品的研制

1.1 設(shè)計原則

在借鑒工業(yè)用鋼制氣動連接接頭、供水行業(yè)用自動取水口和各種用途的快速連接管件產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上［10-11］，設(shè)計出既具有快速連接和拆卸特點，又具有良好止水和通水效果的產(chǎn)品。在系統(tǒng)運行過程中，不需要關(guān)閉上游閥門，僅通過產(chǎn)品部件的快速插拔即可實現(xiàn)毛管的輪灌，體現(xiàn)出移動灌溉或抗旱灌溉系統(tǒng)投資低廉和節(jié)水節(jié)能的優(yōu)勢［12-13］。

1.2 結(jié)構(gòu)組成

快速連接件產(chǎn)品主要由4個部件組成，分別是左接頭、活動芯、中間體和右接頭，各部件材質(zhì)采用工程塑料 ABS，密封配件采用橡膠圈，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 快速連接件產(chǎn)品整體及各組成部件

1.3 工作原理

當(dāng)需要通水時，把右接頭的凹槽端與中間體的凸牙端直插相連，右接頭推動活動芯向左接頭端移動，直到活動芯的左肋接觸到左接頭的內(nèi)腔面，此時內(nèi)部水流通道打通，上游來水從活動芯的肋間空隙經(jīng)過，從左流向右，并從右接頭流到下游管路，實現(xiàn)了插入自動通水的功能(圖2)。當(dāng)需要斷水時，把右接頭倒轉(zhuǎn)，并從中間體的端口拔出，此時活動芯底面受到較大的上游水壓推動，活動芯沿中間體內(nèi)腔向右移動，直到活動芯上的密封圈與中間體內(nèi)腔表面相接觸并將其壓緊，此時內(nèi)部水流通道被隔斷，起到切斷水流的作用，從而實現(xiàn)了拔移自動斷水的功能(圖3)。因此，該產(chǎn)品既可作為管路連接件使用，又可作為堵頭使用。

圖2 插入自動通水工作原理示意圖

2 快速連接件產(chǎn)品的水力性能

為檢驗快速連接件產(chǎn)品的水力性能，對產(chǎn)品進行過流能力與水頭損失試驗以及插拔靈活性和密封性試驗［14］。

圖3 拔移自動斷水工作原理示意圖

2.1 過流能力與水頭損失試驗

任意選擇3個快速連接件產(chǎn)品，分別編為1號、2號、3號，進行不同供水壓力條件下的過流能力試驗。快速連接件產(chǎn)品的首端連接供水毛管，尾端自由出流，在20～200 kPa的范圍內(nèi)設(shè)計8個供水壓力水平，逐漸升壓，待壓力平穩(wěn)后用50 L的塑料容器收集2min內(nèi)的出水量，分別稱其質(zhì)量，計算其均值。

為研究過水流量引起的水頭損失，進行不同過水流量下的水頭損失試驗。將快速連接件產(chǎn)品的首、尾端連接供水毛管，在快速連接件產(chǎn)品尾端的毛管上安裝滴頭，封堵毛管末端，通過安裝不同數(shù)量的滴水器來控制快速連接件產(chǎn)品的過水流量，同時讀取快速連接件產(chǎn)品兩端的壓力值，從而分析過水流量與水頭損失間的關(guān)系。快速連接件產(chǎn)品在不同供水壓力條件下的壓力與流量測試數(shù)據(jù)及壓差與流量測試數(shù)據(jù)分別見表1、表2。

表1 快速連接件產(chǎn)品的壓力與流量測試數(shù)據(jù)

表2 快速連接件產(chǎn)品的壓差與流量測試數(shù)據(jù)

圖4 供水壓力-流量關(guān)系曲線

圖5 壓差-流量關(guān)系曲線

分別以供水壓力或首尾壓差為橫坐標，流量為縱坐標，繪出快速連接件產(chǎn)品的供水壓力-流量關(guān)系曲線和壓差-流量關(guān)系曲線，分別見圖4和圖5。從圖4和圖5可以看出，快速連接件產(chǎn)品的過水流量隨供水壓力的增大而增大(R2=0.995 9)，兩端的壓差(水頭損失)也隨過水流量的增大而增大(R2=0.9784)，均呈顯著的正相關(guān)關(guān)系。但是通過擬合曲線也可以看出，過水流量隨供水壓力的增大趨勢較過水流量隨壓差的增大趨勢明顯。試驗結(jié)果表明:①快速連接件產(chǎn)品即使在低壓(或無壓)水頭下，初始最小過水流量也較大;②雖然快速連接件產(chǎn)品的過水流量隨供水壓力增大而增大，但流量的變化率小于供水壓力的變化率，說明快速連接件產(chǎn)品的過水流量相對較穩(wěn)定，隨供水壓力變化而變化的趨勢不明顯;③快速連接件產(chǎn)品在通水過程中產(chǎn)生的局部水頭損失較小，當(dāng)過水流量小于0.15 m3/h時，其水頭損失幾乎為零，僅當(dāng)流量大于0.15 m3/h時才有水頭損失，并隨著過水流量的增大而增大，過水流量和水頭損失之間的變化趨勢基本相同。

2.2 插拔靈活性和密封性試驗

插拔靈活性是指快速連接件產(chǎn)品的左接頭部分(由左接頭、活動芯和中間體組裝而成)與右接頭在相互承插組合和拔移分離時的難易程度。這兩個組成部分僅通過對接—承插—旋轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)—拔移—分離的操作過程就可快速裝配和拆卸，具有插接自動連通和拔移自動閉合兩種工作狀態(tài)。試驗對若干個快速連接件產(chǎn)品進行多次插拔，計算整個過程的所用時間。

對快速連接件產(chǎn)品進行多次插拔試驗，平均每分鐘能插接10個或拔移12個，即單個快速連接件產(chǎn)品從開始插接到裝配完成平均約需6 s，從開始拔移到分離完成平均約需5 s，說明該產(chǎn)品在使用過程中插拔靈活性強，具有操作方便、簡單快速的特點。

密封性試驗是在快速連接件產(chǎn)品多次插拔之后進行，將快速連接件產(chǎn)品兩端分別連接供水毛管，按水流方向分別在插接自動連通和拔移自動閉合兩種工作狀態(tài)下測試組合部件在不同供水壓力(10～350kPa)時的滲滴水量，每一壓力水平持續(xù)保壓3 min，如有滲滴水，測其水量并記錄該壓力值。兩種工作狀態(tài)下快速連接件產(chǎn)品的滲滴水量試驗數(shù)據(jù)見表3。

表3 兩種工作狀態(tài)下快速連接件產(chǎn)品的滲滴水量

從表3可以看出，在插接自動連通狀態(tài)下，當(dāng)試驗的供水壓力低于50 kPa時，快速連接件產(chǎn)品均無滲水或滴水現(xiàn)象，只有當(dāng)供水壓力超過100 kPa時才開始有少量的滲滴水，隨著供水壓力的增加，快速連接件產(chǎn)品的滲滴水量緩慢增大，但最大值不超過80 mL/h，這與目前滴灌系統(tǒng)中單個灌水器的滴水流量(一般在1000 mL/h以上)相比，其滲滴水量可以忽略不計。在拔移自動閉合狀態(tài)下，其密封性與插接自動連通狀態(tài)下相反，當(dāng)供水壓力在50 kPa以下時，快速連接件產(chǎn)品有少量的滴水，滲滴水量隨著供水壓力的增大逐漸減小，當(dāng)供水壓力超過50 kPa甚至達到200kPa時，快速連接件產(chǎn)品無任何滲滴水量，說明只要供水壓力大于50 kPa，快速連接件產(chǎn)品可達到完全密封，表明快速連接件產(chǎn)品具有較好的密封性能，基本達到了預(yù)期設(shè)計要求。試驗中出現(xiàn)的滲滴水現(xiàn)象，特別是拔移自動閉合狀態(tài)下的滲滴水量，可能是由快速連接件產(chǎn)品內(nèi)部彈性密封圈與快速連接件產(chǎn)品殼體間配合精度不高引起的，需從模具結(jié)構(gòu)、加工工藝和材料等多方面進行優(yōu)化和完善，提高各部件間的配合精度，以達到理想的密封效果［14］。

3 結(jié)語

快速連接件產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，通過簡單的插拔接頭就可實現(xiàn)插入自動通水和拔移自動斷水的功能，具有快速組裝和拆卸的特點，在移動灌溉或抗旱灌溉工程中可體現(xiàn)出系統(tǒng)投資低廉和節(jié)水節(jié)能的優(yōu)勢?？焖龠B接件產(chǎn)品裝配簡單，插拔靈活方便，內(nèi)部過水?dāng)嗝孑^大，過水流量穩(wěn)定，密封性能強，具有較好的水力性能?？焖龠B接件產(chǎn)品在應(yīng)用過程中還存在一些問題，如整體外觀、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其與各部件間配合程度和防堵措施等還不夠完善，需從模具結(jié)構(gòu)、加工工藝等方面加以改進和優(yōu)化，進一步提高快速連接件產(chǎn)品的整體性能。

［1］付琳，董文楚，鄭耀泉.微灌工程技術(shù)指南［M］.北京:水利電力出版社，1987.

［2］段巍巍.半固定式移動灌溉技術(shù)在振安區(qū)節(jié)水灌溉工程中的應(yīng)用［J］.東北水利水電，2009(8):46-48.(DUAN Weiwei.Application ofsemi-fixed moving irrigation technique in water-saving irrigation project for Zhen'an area［J］.Water Resources ＆ Hydropower of Northeast，2009(8):46-48.(in Chinese))

［3］買衛(wèi)星.首部移動式滴灌系統(tǒng)的研制及運行分析［J］.農(nóng)業(yè)機械，2006(5):143.(MAI Weixing.Development of head-control mobile dripping irrigation system and its operation system［J］.Farm Machinery，2006(5):143.(in Chinese))

［4］趙亞麗，王長余.移動式滴灌在齊齊哈爾市抗旱灌溉中的應(yīng)用與推廣［J］.黑龍江水利科技，2010，38(3):220-221.(ZHAO Yali，WANG Changyu.Application and popularization of mobile dripping irrigation in anti-drought irrigation of Qiqihar City［J］.Heilongjiang Science and Technology of Water Conservanay，2010，38(3):220-221.(in Chinese))

［5］夏春華，方部玲，金永奎.節(jié)水灌溉系統(tǒng)自動控制的研究應(yīng)用［J］.農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息，2004(12):18-20.(XIA Chunhua，F(xiàn)ANG Buling，JIN Yongkui.Application and research of auto-control in micro-irrigation［J］.Agriculture Network Information，2004(12):18-20.(in Chinese))

［6］羅健恩，田潤青，趙東輝.寧夏南部窖水區(qū)移動式滴灌應(yīng)用技術(shù)［J］.人民黃河，2001，23(1):27-28.(LUO Jianen， TIAN Runqing， ZHAO Donghui.Practical techniques of mobile dripping irrigation in water collecting cellar area［J］.Yellow River，2001，23(1):27-28.(in Chinese))

［7］馮俊杰，翟國亮，仵峰，等.可移動地下滴灌裝置的研制開發(fā)［J］.中國農(nóng)村水利水電，2007(11):34-36.(FENG Junjie，ZHAI Guoliang，WU Feng，et al.The study and development on a device of removable subsurface dripirrigation［J］.China Rural Water and Hydropower，2007(11):34-36.(in Chinese))

［8］林書竹，常桂峰，任廣云，等.旱地農(nóng)業(yè)區(qū)膜囊水袋抗旱灌溉技術(shù)及效益［J］.水利水電科技進展，2003，23(5):51-53.(LINShuzhu，CHANGGuifeng，REN Guangyun，etal.Watersack droughtresisting and irrigation technique for drylands and its benefit［J］.Advances in Science and Technology of Water Resources，2003，23(5):51-53.(in Chinese))

［9］馮俊杰，翟國亮，鄧忠，等.灌溉管路聯(lián)接件:中國，200720187715.8［P］.2008-10-08.

［10］胡鎚淼.氣動接頭:中國，301289473S［P］.2010-07-21.

［11］李良福.國外可拆卸靜聯(lián)接件用接觸密封［J］.流體傳動與控制，2006，16(3):41-43.(LI Liangfu.Some static seals of connecting flange in foreign country［J］.Fluid Power Transmission and Control，2006，16(3):41-43.(in Chinese))

［12］牛文全，吳普特，范興科.低壓滴灌系統(tǒng)研究［J］.節(jié)水灌溉，2005(2):29-30.(NIU Wenquan，WU Pute，F(xiàn)AN Xingke.Study on lower-pressure drip irrigation system［J］.WaterSavingIrrigation，2005(2):29-30.(in Chinese))

［13］馮俊杰.移動地下滴灌系統(tǒng)研究及配套產(chǎn)品開發(fā)［D］.西安:西安理工大學(xué)，2008.

［14］NFEN 12734—2000 移動灌溉供水的快速聯(lián)結(jié)管技術(shù)特性和試驗［S］.

Design of a rapid connection part used in irrigation pipes and its hydraulic performance

DENG Zhong，F(xiàn)ENG Junjie，ZHAI Guoliang，ZONG Jie，ZHANG Wengzheng(Farmland Irrigation Research Institute，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Xinxiang453003，China)

On the basis of research on several kinds of existing connection parts，a new kind of rapid connection part was designed for irrigation pipes.The new connection part is of reasonable structure，has a simple and convenient operation procedure，and can be quickly assembled and disassembled.Assemble it water will flow automaticly;disassemble it water will be cut off automaticly.The working principle and the structure of the connection part were described.In order to analyze its hydraculic performance，tests were performed.Tests results show that the flow discharge is stable，the local water head loss is small，the operation procedure is convenient，and the sealing performance is good.Hence，it can be used in a mobile irrigation system，with the benefits of reducing investment and improving efficiency of the irrigation system.

micro-irrigation system;rapid connection part;movable irrigation;anti-drought irrigation;hydraulic performance

S277.9+9

B

1006-7647(2013)01-0070-04

10.3880/j.issn.1006-7647.2013.01.016

農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)科研專項(201203031);農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化資金(2011GB23320014)

鄧忠(1976—)，男，甘肅武威人，助理研究員，主要從事節(jié)水灌溉技術(shù)研究。Email:dengzhong1976@126.com

2012-03-20 編輯:駱超)