CN110235748A - 一种精量灌溉管路压力调节保护装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种精量灌溉管路压力调节保护装置，包括阀门进口管道、节流腔、压力调节箱、管道输出管路、单向阀、复位弹簧以及节流孔板；阀门进口管道上设泄流孔，泄流孔通过管道输出管路连通压力调节箱的输入侧，管道输出管路上设置有单向阀；节流腔设置在阀门进口管道上，节流腔为一个封闭的腔体，节流腔的下半部开设有通流孔，通流孔与阀门进口管道的内圈重合；节流腔内设置节流孔板，复位弹簧设置在节流腔顶部内壁与节流孔板顶端之间；压力调节箱的输出侧通过操作输入管路与节流腔进水口连通；能够转移灌溉配管网中阀门管路水锤冲击，并能够控制进入阀体管路水体的流量，防止水锤冲击的持续产生，实现阀门管路压力调节和保护。

Description

一种精量灌溉管路压力调节保护装置

技术领域

本发明属于农业灌溉装备领域，具体涉及一种精量灌溉管路压力调节保护装置，适用于灌溉面积较大、多个取水用户、各用户取水随机的灌溉配水阀门管路。

背景技术

我国是一个农业大国，农业用水量占总用水量的80％，其中农业用水量的绝大多数用于作物的灌溉，但是我们国家的灌溉设备，与发达国家相比差距较大。水资源短缺，严重影响了当地工业、农业的健康发展，也给当地城市生活用水安全产生了影响。近年来随着国民经济和社会的发展，灌溉水资源优化配置与调控的总体发展趋势是：由单水源、单用水部门发展到复杂的多水源、多用水部门；配置内容由单纯的水量配置发展到水量、水质统一调配；配置目标由单目标发展到多目标；由于灌区水资源下垫面与边界条件以及农业用水系统的复杂性，如何将不确定的灌区供、需水量、水管理政策、作物生长特性和经济参数等来优化配置的计算结果，用于指导灌区的实际配水还是比较困难的。

目前在灌溉配水系统中，根据地形、田块、单元、土壤质地、作物种植方式、水源特点等基本情况，设计管道系统的埋设深度、长度、灌区面积等，灌水方式可采用管道灌溉、喷灌、微喷灌、泵加压滴灌、重力滴灌、渗灌、小管出流等。对于单用户的灌区管网设计较为简单且比较成熟，但对于复杂地形的多用户灌区配水输水管路的设计和规划，缺乏相应的理论指导和生产实践，使得多用户随机配水灌区的管路设计方法不明，且管路配水的决策和控制方法不明，影响多用户灌区的优化配水；阀门是灌溉配水过程中的关键部件，由于灌区管网设计大多依据灌区的地势和用户数，特别是山地丘陵灌区管网的布置是不规则的，且多用户的配水的随机性和不确定性，需要灌溉输水管路中的阀体频繁开启和关闭，从而造成管路中关键部件的水锤效应，在多用户配水管路中水锤效应的研究尚不明确需要进一步深入研究，从而保证多用户灌区输水管路的安全性。

目前，涉及阀门管路水锤消减的相关专利有：长距离大流量输水系统过渡过程的阀门关闭优化控制方法(2017100763425)，该方法建立了长距离大流量输水工程水力过渡过程仿真模型，同时采用试算法寻求可行域区间，从而采用优化区间搜索法得到最优可行域，但该方法针对的是大流量单用户的配水系统，对于多用户配水管路阀体水锤冲击的消减作用尚不明确；一种缓速型电动阀门的控制方法及其控制装置(2012102812885)，该装置通过在控制箱内加装了一个脉动时间继电器来达到调节电动阀门电机转速和开关过程运行时间的目的，从而达到防止水锤现象的产生，该方法能够避免电动阀门的烧毁，但对于多用户灌溉系统来说，灌溉配水系统变化的随机性比较大，对于缓速型调节的电动阀门不能够快速响应水锤冲击；变频式智能型阀门电动装置(2007100725415)，该装置主要采用变频驱动模块来实现异步电动机的驱动来调节阀门关闭的速度，虽然该装置能够有效的消除“水锤”现象，对于多用户复杂的配水系统而言，该变频式智能型阀门从检测到水锤冲击从而实现变频控制这一过程的自适应性较差，同时该装置结构复杂且成本较高，我国农民的生产投入能力有限，采用该装置增加农业生产负担。鉴于此，本发明提供一种精量灌溉管路压力调节保护装置。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种水力式阀门管道压力调节保护装置，该装置能够满足不同尺寸的灌溉配管网阀门的水锤冲击，并能够有效的缓解水锤冲击，保障灌溉配水管网关键部件的安全，提高灌溉配水系统的稳定性，特别适用于多用户的随机灌溉配水的管网工况。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是，一种精量灌溉管路压力调节保护装置，包括阀门进口管道、节流腔、压力调节箱、管道输出管路、单向阀、复位弹簧以及节流孔板；其中，阀门进口管道上开设泄流孔，泄流孔通过管道输出管路连通压力调节箱的输入侧，管道输出管路上设置有单向阀，单向阀的安装方向使得水流向压力调节箱；

节流腔设置在阀门进口管道上，节流腔为一个封闭的腔体，节流腔通过其下半部与阀门进口管道连接，节流腔的下半部开设有通流孔，所述通流孔与阀门进口管道的内圈重合；

节流腔内设置节流孔板，复位弹簧设置在节流腔顶部内壁与节流孔板顶端之间；节流腔的顶部开设进水口，压力调节箱的输出侧通过操作输入管路与所述进水口连通。

压力调节箱的输入侧设置有水锤冲击叶轮和霍尔转速传感器，霍尔转速传感器设置在水锤冲击叶轮的转轴上；压力调节箱上还设置有控制器；压力调节箱的输出侧设置有离心式泵和增压腔，离心式泵的出水口设置在增压腔中，离心式泵的入水口设置在压力调节箱的内腔；霍尔转速传感器连接控制器的输入端，离心式泵的控制端连接控制器的输出端；所述增压腔底部开口连通节流腔。

压力调节箱输出侧与输入侧之间设置有两级隔板，从所述输入侧到输出侧两级隔板的高度逐渐减小。

增压腔下方设置有调节挡板，调节挡板能在平行于压力调节箱底面的方向往复移动。

控制器采用51系列、stm32或arduino系列单片机。

节流孔板上端设有弹簧支座，弹簧支座上面设有伸缩杆，复位弹簧一端安装在弹簧支座上部，另一端安装在节流腔的顶部，伸缩杆的顶端连接节流腔顶部。

节流孔板下部为半圆形板，所述半圆形板的半径与节流内腔底部的圆形腔体的半径相同，节流孔板上部为矩形板，所述矩形板的宽度与节流内腔上部矩形部分的宽度相同，节流孔板的厚度与节流内腔的厚度相同；节流孔板能在节流内腔中上下滑动，节流孔板下部开设有水流通道，水流通道贯穿与节流孔板，节流孔板的总高度小于阀门进口管道的内径。

节流孔板的底部设置有橡胶垫，所述橡胶垫的长度不小于阀门进口管道内圈周长的一半，橡胶垫的宽度大于节流孔板的厚度。

压力调节箱的顶部设置有安全阀，压力调节箱的顶部开设维护孔，所述维护孔设置有堵板。

节流腔与阀体之间的阀门进口管道上设置有压力表。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明设置单向阀来响应阀体管路水锤的冲击，设置了压力调节箱来吸收水锤冲击产生的高压水体，能够将阀体附近管道高压流体进行转移，高压流体同时还能从压力调节箱进入节流腔，推动节流腔中的节流孔板下移，减小阀门进口管道中的水流量以及水流压力，及时保护灌溉输水管路；该装置对水锤冲击的响应和调节可以根据具体的工况来调节和设定，能够满足多用户随机灌溉配水的实际工况要求，装置的适用性较高。

进一步的，压力调节箱中设置水锤冲击叶轮和霍尔转速传感器能有效监测水锤反应的剧烈程度，同时控制器根据水锤冲击叶轮的转速，需要时开启离心式泵，通过向节流腔中增压，加快节流孔板下移并保持节流状态，降低流向阀体的流量，避免水锤冲击持续；能够适应于不同管道和阀体的水锤冲击，能够提高灌溉系统的可靠性和稳定性，从而提高农业灌溉管理水平。

进一步的，压力调节箱输出侧与输入侧之间设置有两级隔板，两级隔板起到稳流作用。

进一步的，增压腔下方设置有调节挡板，调节挡板能在平行于压力调节箱底面的方向往复移动，调节挡板能改变增压腔的流量输出。

进一步的，控制器采用成熟的单片机型号，使用方便，而且容易控制成本。

进一步的，复位弹簧中设置伸缩杆，伸缩杆具有导向作用能使弹簧在工作状态下保持平直状态，提高复位弹簧的可靠性。

进一步的，节流孔板上开设水流通道，节流孔板向下移动过程中逐渐减小水流量，节流孔板的高度小于阀门进口管道的内径使得进入节流腔的水能进入阀门进口管道中，实现水锤冲击发生之后整个装置快速平衡。

进一步的，压力调节箱的顶部设置有安全阀，防止压力调节箱中压力出现意外情况损坏设备。

进一步的，压力调节箱的顶部开设维护孔，使用一段时间后能从维护孔对压力调节箱内进行清洗和维护。

进一步的，节流腔与阀体之间的阀门进口管道上设置有压力表能读取不同程度水锤冲击发生时管道中的瞬时压力，有助于优化本装置的设计参数。

附图说明

图1是本发明装置的总体结构示意图；

图2是本发明节流腔局部剖视示意图；

图3是本发明节流孔板结构示意图；

图4是本发明节流孔板与节流腔安装结构示意图；

图5是本发明伸缩杆伸长状态结构示意图；

图6是本发明橡胶垫受压状态示意图；

图7是本发明节流孔板调压状态示意图；

图8是本发明阀门进口管道正常输水状态示意图；

图9是本发明阀门进口管道上所设部件外部结构示意图；

图10是本发明压力调节箱外部结构示意图；

图11是本发明压力调节箱局部剖视可见输出侧内部示意图；

图12是本发明压力调节箱局部剖视可见输入侧内部示意图；

图13是本发明压力调节箱局部剖视可见增压腔结构示意图；

附图中：1-阀门进口管道，2-节流腔，3-调节挡板，4-离心泵，5-压力调节箱，6-安全阀，7-霍尔转速传感器，8-控制器，9-压力表，10-管道输出管路，11-单向阀，12-阀体，13-阀门出口管路，14-操作输入管路，15-节流内腔，16-伸缩杆，17-复位弹簧，18-节流孔板，19-弹簧支座，20-水流通道，21-橡胶垫，22-操作输出孔，23-调节输入孔，24-两级隔板，25-水锤冲击叶轮，26-增压腔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步说明，但本发明的内容并不限于所述范围。

如图1～图4所示，一种精量灌溉管路压力调节保护装置，包括阀门进口管道1、节流腔2、压力调节箱5、管道输出管路10、单向阀11、复位弹簧17以及节流孔板18；其中，阀门进口管道1上开设泄流孔，泄流孔通过管道输出管路10连通压力调节箱5的输入侧，管道输出管路10上设置有单向阀11，单向阀11的安装方向使得水流向压力调节箱5；

节流腔2设置在阀门进口管道1上，节流腔2为一个封闭的腔体，节流腔2通过其下半部与阀门进口管道1连接，节流腔2的下半部开设有通流孔，所述通流孔与阀门进口管道1的内圈重合；

节流腔2内设置节流孔板18，复位弹簧17设置在节流腔2顶部内壁与节流孔板18顶端之间；节流腔2的顶部开设进水口，压力调节箱5的输出侧通过操作输入管路14与所述进水口连通。

如图2、图4、图9以及图10所示，节流腔2内部为节流内腔15，节流腔2的顶部开设进水口，压力调节箱5出水侧的底部开设出水口，所述出水口与节流腔2的顶部的进水口之间通过操作输入管路14连接，节流内腔15通过操作输入管路14与压力调节箱5连通，压力调节箱5通过管道输出管路10与阀门进口管道1连通，单向阀11安装在管道输出管路10上，单向阀11的安装方向使得流体从阀门进口管道1流向压力调节箱5，节流腔2与管道输出管路10之间的阀门进口管道1上设置压力表9，阀体12一侧与阀门进口管道1相连，阀体12另一侧与阀体出口管道13相连；

如图3～图7所示，节流孔板18下部为半圆形板，所述半圆形板的半径与节流内腔15底部的圆形腔体的半径一致，节流孔板18上部为矩形板，所述矩形板的宽度与节流内腔15上部的矩形腔体宽度相同，节流孔板18的厚度与节流内腔15的厚度相同；节流孔板18能在节流内腔15中上下滑动，节流孔板18下部圆形部分开设有的水流通道20，水流通道20贯穿与节流孔板18，水流通道20在节流孔板18上所占的圆形部分的直径与阀门进口管道1的内腔截面直径相同；节流孔板18的底部设置橡胶垫21，橡胶垫21为半环形体，所述半环形体的直径与阀门进口管道1的内腔直径相同，环形体的弧长的圆心角为180°，其宽度比节流孔板18厚度大3～5cm。

如图10～13所示，压力调节箱5输出侧的底部通过操作输出孔22与操作输入管路14相连，压力调节箱5的输入侧底部通过调节输入孔23连接管道输出管路10，压力调节箱5的顶部设有安全阀6，压力调节箱5的输出侧设有离心式泵4和增压腔26，离心式泵4的出水口设置在增压腔中，离心式泵4的入水口设置在压力调节箱5的内腔；霍尔转速传感器7的输入端连接水锤冲击叶轮25的转轴，压力调节箱5上设置有控制器8和压力表，控制器8的输出部连接离心式泵4，控制器8的输入部连接压力表，霍尔转速传感器7的输出端连接控制器8，增压腔26下部设有均流板，所述均流板下部设有调节挡板3；所述均流板上设有均匀分布的贯穿孔，调节挡板3为一矩形板，调节挡板3紧贴压力调节箱5的底面，调节挡板3往复移动能够改变压力调节箱5的输出流量；具体的，压力调节箱5的底板上设置有滑动槽，调节挡板3设置在滑动槽中；霍尔转速传感器7监测水锤冲击叶轮25转速来反映水锤冲击大小，控制器8控制离心式泵4的运转；控制器8采用51系列、stm32或arduino系列单片机。

压力调节箱5输出侧与输入侧之间设置有两级隔板24，从所述输入侧到输出侧两级隔板24的高度逐渐减小，两级隔板24为垂直于压力调节箱5底面的矩形板，两级隔板24中较高的隔板高度低于压力调节箱5内腔高度，两级隔板24将压力调节箱5内部分成3个连通的腔室。

压力调节箱5的顶部开设维护孔，所述维护孔采用矩形，所述维护孔上设置有与其配合的堵板，所述矩形板铰接在维护孔上，堵板与维护孔边缘设置有密封条。

本发明一种精量灌溉管路压力调节保护装置的工作原理是：在多用户随机配水灌溉中，由于不同用户的取水时间和用水时间比较随机，所以导致灌溉配水管网的阀门的开启和关闭是随机的，所以阀门的关闭和开启容易造成水锤冲击，由于阀门的关闭导致阀体一侧管路流体流速瞬间变为零，但后方的流体速度仍不变所以在阀体位置产生了水锤冲击产生了水波，由于水波的传递是沿着流体运动的相反方向，所以径向安装在管路上的安全阀门对水波的响应较慢，从而不能够及时的进行管路保护。

在本发明中，当阀体12快速关闭的过程中，流体流向阀体12的一侧流体速度瞬间减小而压力骤增导致阀门进口管道1中的瞬间增大，瞬间增大的压力通过管道输出管路10传递到单向阀11，持续增大的压力大于单向阀11的预紧力，单向阀11的阀门打开从而使得高压流体通过单向阀11进入到压力调节箱5内部，进入到压力调节箱5输入侧内部的流体作用在水锤冲击叶轮25上，，同时霍尔传感器将转速信号传递给控制器8。高压流体通过管道输出管路10进入到压力调节箱5内部的一个腔室。

随着进入压力调节箱5的流体增多，压力调节箱5内部的流体高于两级隔板24的高度时，流体向压力调节箱5输出侧流动，依次进入压力调节箱5内部的每一个腔室，两级隔板24能够将进入压力调节箱5内部的高压流体进行稳流，最后进入压力调节箱5输出侧增压腔26所在腔室；水锤冲击叶轮25的转速能够表征阀体管道中水锤冲击的压力，转速越快说明水锤冲击的力越大，此时控制器8将接收水锤冲击叶轮25传递的转速信号识别，从而决定是否控制离心式泵4的运转。

参考图4和图7初始状态下，由于复位弹簧17的拉力作用节流孔板18的保持在底端高于阀门进口管道1内壁的顶部，阀门进口管道1内部的流体不受节流孔板18的阻挡全部流向阀体12的前端管路中；离心式泵4运转时能够将压力调节箱5输出侧的流体加压，所述加压后的流体经操作输入管路14进入到节流腔2的内部，并作用在节流孔板18的顶部，当作用在节流孔板18上部的压力大于复位弹簧17的拉力，加压后的流体提供的压力推动节流孔板18向下运动，阀门进口管道1与节流孔板18由开始没有重合逐渐重合，阀门进口管道1与节流孔板18逐渐重合的过程中节流孔板18上的流体水流通道20可以流过水体，但流体的通流面积变小从而使得进入阀体12前端的流体流量变小，降低持续不断的流体进入产生持续冲击，减小了水锤冲击对阀体12及阀体附近管路的破坏；在节流孔板18下降的过程中，节流孔板18向橡胶垫21施加压力，橡胶垫21也向下运动，直到橡胶垫21与阀门进口管道1的下半部的内壁贴合后，节流孔板18及橡胶垫21的向下运动停止。

在实际的工况中，控制器8根据水锤冲击叶轮25的转速变化来控制离心式泵4的运转，根据实际要求，调节操作手柄3进入增压腔26内部的深度，改变均流板的通流面积，从而调节节流孔板18的下降速度，即水锤冲击的响应速度；压力调节箱5上部的安全阀6用于保护压力调节箱5的稳定。

上面结合附图对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (10)

1.一种精量灌溉管路压力调节保护装置，其特征在于，包括阀门进口管道(1)、节流腔(2)、压力调节箱(5)、管道输出管路(10)、单向阀(11)、复位弹簧(17)以及节流孔板(18)；其中，阀门进口管道(1)上开设泄流孔，泄流孔通过管道输出管路(10)连通压力调节箱(5)的输入侧，管道输出管路(10)上设置有单向阀(11)，单向阀(11)的安装方向使得水流向压力调节箱(5)；

节流腔(2)设置在阀门进口管道(1)上，节流腔(2)为一个封闭的腔体，节流腔(2)通过其下半部与阀门进口管道(1)连接，节流腔(2)的下半部开设有通流孔，所述通流孔与阀门进口管道(1)的内圈重合；

节流腔(2)内设置节流孔板(18)，复位弹簧(17)设置在节流腔(2)顶部内壁与节流孔板(18)顶端之间；节流腔(2)的顶部开设进水口，压力调节箱(5)的输出侧通过操作输入管路(14)与所述进水口连通。

2.根据权利要求1所述的精量灌溉管路压力调节保护装置，其特征在于，压力调节箱(5)的输入侧设置有水锤冲击叶轮(25)和霍尔转速传感器(7)，霍尔转速传感器(7)设置在水锤冲击叶轮(25)的转轴上；压力调节箱(5)上还设置有控制器(8)；压力调节箱(5)的输出侧设置有离心式泵(4)和增压腔，离心式泵(4)的出水口设置在增压腔中，离心式泵(4)的入水口设置在压力调节箱(5)的内腔；霍尔转速传感器(7)连接控制器(8)的输入端，离心式泵(4)的控制端连接控制器(8)的输出端；所述增压腔底部开口连通节流腔(2)。

3.根据权利要求2所述的精量灌溉管路压力调节保护装置，其特征在于，压力调节箱(5)输出侧与输入侧之间设置有两级隔板(24)，从所述输入侧到输出侧两级隔板(24)的高度逐渐减小。

4.根据权利要求2所述的精量灌溉管路压力调节保护装置，其特征在于，增压腔(26)下方设置有调节挡板(3)，调节挡板(3)能在平行于压力调节箱(5)底面的方向往复移动。

5.根据权利要求2所述的精量灌溉管路压力调节保护装置，其特征在于，控制器(8)采用51系列、stm32或arduino系列单片机。

6.根据权利要求1所述的精量灌溉管路压力调节保护装置，其特征在于，节流孔板(18)上端设有弹簧支座(19)，弹簧支座(19)上面设有伸缩杆(16)，复位弹簧(17)一端安装在弹簧支座(19)上部，另一端安装在节流腔(12)的顶部，伸缩杆(16)的顶端连接节流腔(2)顶部。

7.根据权利要求1所述的精量灌溉管路压力调节保护装置，其特征在于，节流孔板(18)下部为半圆形板，所述半圆形板的半径与节流内腔(15)底部的圆形腔体的半径相同，节流孔板(18)上部为矩形板，所述矩形板的宽度与节流内腔(15)上部矩形部分的宽度相同，节流孔板(18)的厚度与节流内腔(15)的厚度相同；节流孔板(18)能在节流内腔(15)中上下滑动，节流孔板(18)下部开设有水流通道(20)，水流通道(20)贯穿与节流孔板(18)，节流孔板(18)的总高度小于阀门进口管道(1)的内径。

8.根据权利要求7所述的精量灌溉管路压力调节保护装置，其特征在于，节流孔板(18)的底部设置有橡胶垫(21)，所述橡胶垫(21)的长度不小于阀门进口管道(1)内圈周长的一半，橡胶垫(21)的宽度大于节流孔板(18)的厚度。

9.根据权利要求7所述的精量灌溉管路压力调节保护装置，其特征在于，压力调节箱(5)的顶部设置有安全阀(6)，压力调节箱(5)的顶部开设维护孔，所述维护孔设置有堵板。

10.根据权利要求7所述的精量灌溉管路压力调节保护装置，其特征在于，节流腔(2)与阀体(12)之间的阀门进口管道(1)上设置有压力表(9)。