波涌灌溉换向阀的设计研究与流场探析

波涌灌溉换向阀的设计研究与流场探析

丁少华1 ,何家震2, ,陆达丰3

浙江蓝圣智能装备有限公司   311411

摘要：波涌灌溉换向阀是波涌灌溉的关键设备，从具体构成上来看，这类设备的结构十分复杂、体积庞大。为了能够更好的发挥出波涌换向阀的应用作用，文章在阐述波涌灌溉内涵和换向阀工作原理的基础上，就波涌灌溉换向阀的具体设计应用问题进行探究，现将具体情况汇报如下。

关键词：波涌阀；灌溉；波涌灌溉；设计

波涌灌溉技术是上个世纪七十年代末期发展起来的地面灌水技术形式，波涌灌溉系统具体由水源、波涌阀、自动控制器、田间输配水管道共同组成。结合我国多样化的灌溉地形特点，依托水力学的基本原理，有学者研发了波涌灌溉核心设备——波涌阀。在将波涌灌溉换向阀应用到田间灌溉中我们发现，设备本身多样化的性能参数能够满足不同地区灌溉设备的应用要求，设备本身显示出较强的实际应用性和安全可靠性。

一、波涌灌溉的基本内涵

波涌灌溉是一种常见的农田节水灌溉技术，是在先进科学技术发展支持下出现的一种新型地面灌水方法。波涌灌溉使用了间歇供水方式，会向沟渠中释放足够的水，在这个过程中会根据农田的长度来具体细分为多个灌溉阶段。和传统意义上的连续灌溉相比，这种灌溉方式下的水利不是一次性进入到田地的，是多阶段进入到田地中的。

波涌灌溉技术在应用的过程中会牵扯到周期性放水时间、水流循环率、单宽放水流量等。其中，循环率是反映停水时间长短的一个参数，是周期性放水时间和周期时间的一个比值。灌溉水的周期是n，具体是指完成一次波涌灌溉全过程的循环次数。周期放水时间是指每个周期的灌水时间。单沟或者单宽放水流量是单位时间范围内通过田地的单宽流量数值。

波涌灌溉设计工作是在田间工程宽度、长度、坡度确定情况下，以灌水定额为基础，对单沟或者单宽流量、周期性放水时间、循环率、周期数的一种组合。

二、波涌换向阀的工作原理

波涌换向阀被人们专门应用在波涌灌溉机械设备上，具体是利用浮子室中浮子升降所产生的动力，经过双弹簧机构传动到阀轴上，从而在一定时间范围来改变阀片的位置，使得阀片能够旋转到一定角度，最终达到改变水流方向的目的。

三、波涌灌溉的研究理论进展分析

（一）技术要素。

①周期数。在田畦较长的时候，灌溉周期数可以适当的增加，反之亦然。在田畦的是长度超过200m的时候，可以将灌溉周期设定为三个周期到四个周期。在田畦的长度低于200m的时候，可以将灌溉周期设定为两个周期到三个周期。②循环率。循环率的大小和波涌灌溉设备的使用存在密切的关联，一般情况下，循环率参数为二分之一、三分之一、四分之一。在具体设计的时候需要在保证表面致密层达到规范要求的情况下尽可能的取循环率的最大数值。③放水时间。波涌灌溉总灌水时间的确定要参考田间条件下的连续灌溉水数量，并将灌溉时间控制在半个小时到一个小时之间。④单沟或者单宽的流量。入畦单宽流量需要充分考虑到水源出水情况和水源的控制面积。⑤综合。为了使得波涌灌溉水额达到最大的状态，可实施灌溉操作的时候可以适当的采取措施减少灌溉水的流量。在田畦不断加长的情况下，为了能够达到理想的灌溉水效果，可以适当的增加放水时间和周期数。

（二）田间适应性

通过对作物种植田间情况的观察和一系列室内模拟参数分析发现，中性土和砂土是十分适合用在波涌灌溉技术中的，但是不适合波涌灌。同时，通过一系列的试验分析我们还会发现粉壤土也十分适合应在波纹灌溉汇总，沙土和粘性土不适合应在波纹灌溉中。

（三）地面水流动模型和土壤渗漏模型

在灌溉领域最早被人们提及的是水量平衡模型，但是伴随技术的发展，这类应用模型逐渐被淘汰。后来出现的线性零惯性星模型能够同时模拟连续沟灌、波涌沟灌水力学现象。

（四）浑水波涌灌溉

第一，节水机理。水体中的泥沙在致密层的形成中起着十分重要的作用，在泥沙的作用下会使得田面的糙率和渗漏属性能够朝着有力的方向发展，从而使得波涌节水能够达到一种理想的效果。第二，减渗性。在浑水间歇渗漏的条件下， 土壤的渗漏能力会随着时间的推移不断减少。在停水的一瞬间会增大。第三，致密层。相对清水间歇入渗的特点，浑水间歇入渗能够随着时间的变化而变化，在时间过去之后会形成致密层，致密层的形成时间在缩短之后会产生渗水性更好的微小土壤。第四，技术要素。在试验条件确定的情况下，浑水波涌畦灌的理想周期为三周，理想循环率为三分之一。在既定好的实验条件下，浑水之间的理想渗漏率周期在三十分钟到四十分钟，最优化的循环率为三分之一。

四、波涌灌溉换向阀的设计

（一）阀体的结构参数

1、装配参数

为了能够降低灌溉成本消耗，结合铸造和加工精准度要求以及加工难易程度，将阀腔设计为圆柱形状，在阀腔内部上下表面、侧面设置两组密封条，将密封条和阀片连接在一起形成密封水流。在具体设计的过程中，为了能够去提升密封效果，可以将密封条截面设计为直角梯形。阀体由上盖、中间部分和下盖三个部分共同组成。为了能够达到理想的水流密封效果，要将插入圆台的部分和中间部分密切接触。

2、结构参数

为了能够使波涌设备符合灌水沟长度要求，可以将每公顷的灌水定额设定为270立方米到450立方米。为了能够保证灌溉的充分，在实施灌溉操作的时候需要正确确定波涌阀出水口的截面大小，结合单个波涌阀最大过流量和对应的控制灌溉面积来评估波涌阀门出口截面面积。

（二）阀片和轴结构参数

阀腔内部直径为12mm的轴会和阀腔连接成一个长宽分别为126mm和122mm 的中心对称矩形阀片。在阀片的周围会分布比较多的止水效果良好的橡胶密封材料。在准备好材料之后需要使用恰当的力量将密封材料固定在安装螺钉的阀片末端。在具体实施操作的过程中，密封材料会被紧紧的压实在阀腔内部截面密封条的斜面上，通过这样的设置能够阻碍水流通过。在阀腔的内部，对称分布在波涌阀入口两边密封环的夹角为80度，阀片在这个范围内摆动，并和密封环形成一个密封水流。

（三）配套零部件结构参数的确定

轴的两边需要使用止水效果良好的密封件实施密封处理，按照波涌阀阀片轴的结构大小来选择对应的橡胶密封圈。整个密封圈设置具有良好的密封属性，能够满足其在水中运转的要求。轴的末端使用直径为12mm，外径为16mm的铜合金轴套设备，配合使用耐水性良好的润滑脂，经过实际应用研究发现，这样的设置使得密封圈显示出良好的密封性能，能够充分满足其在水中的运转需要。

（四）测试结果

文章所设计的波涌阀使用单阀叶结构和圆柱型内腔，通过这样的设置一方面能够减少阀体的体积，使得波涌阀的结构变得紧凑、密实、适应性强；另外一个方面，波涌阀的选择和设定会使得产品铸造和加工精度进一步得到提升。波涌阀田间实际测量技术的性能指标如表一所示。

表一：波涌阀田间试验测试技术性能指标

结束语

综上所述，文章所研究的波涌换向阀阀体使用了轴向剖分的方式，在具体划分的过程中保证了分离的精准度。换向阀体使用了分开铸造的方式，在具体加工操作的时候简化了各个零部件加工操作流程，也使得阀体的整体结构紧凑、稳定，适合在我国大部分的地区推广使用，具有十分重要的现代化推广传播意义。

参考文献：

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