溫國(guó)慶，張 瑞，洪志陽(yáng)，張?jiān)讫?/p>

（吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，吉林 吉林132101）

1 防堵滴頭裝置設(shè)計(jì)背景

1.1 水資源背景

中國(guó)的水資源總量相對(duì)較為豐富，在世界各國(guó)水資源占有總量中排行第六位。但是人口基數(shù)龐大，人均占有量少（僅有2300m3），不足世界人均占有量的1/4。水資源主要通過(guò)降水進(jìn)行補(bǔ)給，多分布于長(zhǎng)江流域，導(dǎo)致水源分布不均的現(xiàn)象。隨著近些年工業(yè)的高速發(fā)展，很多水資源污染嚴(yán)重，水質(zhì)惡化，淡水可用量逐漸減少。人們的節(jié)水意識(shí)普遍較低，盡管通過(guò)有關(guān)政府部門(mén)的干預(yù)（對(duì)浪費(fèi)水資源的行為進(jìn)行遏制或處罰，實(shí)施階梯水價(jià)管理制度和行業(yè)用水收費(fèi)制度），但是近些年來(lái)城市和農(nóng)村用水浪費(fèi)的現(xiàn)象依然十分嚴(yán)重。

中國(guó)在高效利用現(xiàn)有水資源方面仍有很大的潛力。在一些水資源嚴(yán)重短缺的地區(qū)，由于水資源分布不均、人為管理不善、灌溉技術(shù)落后等原因，同樣存在著灌溉水資源的浪費(fèi)。許多灌區(qū)灌溉定額過(guò)大，渠道水利用率低，區(qū)間回水利用不足，未推廣一些先進(jìn)的節(jié)水增產(chǎn)灌溉技術(shù)和現(xiàn)代管理方法。從部分地區(qū)推廣節(jié)水灌溉的結(jié)果來(lái)看，采用先進(jìn)的灌溉技術(shù)和管理方法，節(jié)水效果顯著。滴灌比地面常規(guī)灌溉方式可以節(jié)約水40%～50%。因此，通過(guò)合理利用現(xiàn)有的灌溉水資源，以及進(jìn)行技術(shù)的推廣和科學(xué)的管理，中國(guó)在農(nóng)業(yè)節(jié)水方面，潛力是非常巨大的。通過(guò)各種工程、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等手段，使現(xiàn)有灌溉水源利用率提高20%～30%，一些地區(qū)水資源短缺的問(wèn)題將得到極大緩解，將對(duì)整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出重大貢獻(xiàn)。因此，將農(nóng)業(yè)節(jié)水作為一項(xiàng)基本國(guó)策并長(zhǎng)期堅(jiān)持是十分必要的。節(jié)約水資源，走可持續(xù)發(fā)展道路，是解決中國(guó)水資源短缺的必然選擇。

1.2 農(nóng)業(yè)背景

面對(duì)龐大的人口基數(shù)，中國(guó)對(duì)農(nóng)業(yè)的要求也日益提高。目前中國(guó)主要的灌溉技術(shù)有滴灌、噴灌、漫灌等。灌溉用水是各個(gè)用水行業(yè)之中需水量最大的一類(lèi)，灌溉巨額的耗水量是導(dǎo)致中國(guó)水資源短缺現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因，而實(shí)現(xiàn)節(jié)水的有效方法除了可以提高全民的節(jié)水意識(shí)的方法外，還可以建立完善的工程手段（工程手段主要是指在田地里修建必要的節(jié)水水利工程，主要包括水渠的輸水節(jié)水工程和田間節(jié)水工程。這兩項(xiàng)節(jié)水工程主要包括防止渠道的滲漏，管路輸水過(guò)程中的水力損失，通過(guò)節(jié)水灌溉的手段例如噴灌、微灌等節(jié)水灌溉項(xiàng)目[1]）。在完善工程手段的過(guò)程中可以通過(guò)改進(jìn)現(xiàn)存的灌溉設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)約水源的目的，而對(duì)灌區(qū)內(nèi)的灌溉設(shè)備改進(jìn)的重點(diǎn)就是對(duì)現(xiàn)有的大型灌區(qū)渠道進(jìn)行修復(fù)加固，提高防滲性能，同時(shí)對(duì)灌區(qū)建筑物進(jìn)行維護(hù)和完善[2]。再者就是采用現(xiàn)代化的節(jié)水灌溉裝置替換傳統(tǒng)的漫灌設(shè)備，并且還需要合理的考慮設(shè)備的布置和排列問(wèn)題，都有利于實(shí)現(xiàn)節(jié)水的目標(biāo)。

1.3 技術(shù)背景

中國(guó)滴灌技術(shù)的發(fā)展歷程主要分為引進(jìn)國(guó)外灌溉產(chǎn)品、產(chǎn)品模仿和自主研發(fā)3個(gè)階段[3]，由于滴灌比其他灌溉技術(shù)具有更優(yōu)良的農(nóng)業(yè)節(jié)水增產(chǎn)效果，因此受到世界各國(guó)干旱地區(qū)的重視。中國(guó)從1975年開(kāi)始發(fā)展滴灌技術(shù)，并于1976年將滴灌研究列為中國(guó)重點(diǎn)項(xiàng)目之一。此后中國(guó)通過(guò)滴灌設(shè)備的制造與研制開(kāi)發(fā)，使滴灌設(shè)備技術(shù)達(dá)到了一個(gè)全新的高度，但中國(guó)與進(jìn)口生產(chǎn)的滴灌設(shè)備的質(zhì)量仍存在一定的差距。

自以色列發(fā)明滴灌技術(shù)以來(lái)，90%以上的節(jié)水率使其成為高效利用灌溉水最有效的技術(shù)。滴灌可以減少蒸發(fā)損失，節(jié)約水資源，這對(duì)于解決中國(guó)耕地面積大但水源匱乏的問(wèn)題具有重大意義[4]。而滴頭在滴灌中的作用不言而喻。通過(guò)不完全統(tǒng)計(jì)，目前中國(guó)生產(chǎn)制作的滴頭大部分不具有防堵的功能，在節(jié)水方面也存在缺陷，市場(chǎng)上的防負(fù)壓壓力補(bǔ)償形式的滴頭[5]在設(shè)計(jì)上相對(duì)比較完美，但是忽略了滴頭老化的情況。在防堵措施的設(shè)計(jì)上，大部分滴頭均采用波動(dòng)防堵或者拆卸清理的方式，本文所涉及的滴頭防堵清理方式是在各種滴頭波動(dòng)和拆卸清理方式的基礎(chǔ)上利用水壓力差沖刷，同時(shí)可以保證滴頭在使用過(guò)程中出水的穩(wěn)定。滴頭是保障滴灌系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)節(jié)約水源，提高水資源利用率的一個(gè)重要的不可缺少的部分。本文介紹的滴頭主要從3個(gè)方面來(lái)保證滴頭的穩(wěn)定運(yùn)行，以達(dá)到節(jié)約成本，經(jīng)濟(jì)實(shí)用的目標(biāo)。

2 節(jié)水防堵滴頭裝置總體設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)

節(jié)水防堵滴頭的設(shè)計(jì)主要包括以下3個(gè)方面：消能曲線(xiàn)流道、空腔儲(chǔ)水結(jié)構(gòu)[3]、壓差防堵結(jié)構(gòu)。每個(gè)部分都可以起到不同的作用。其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 節(jié)水防堵滴頭示意圖

2.2 工作過(guò)程

本設(shè)計(jì)滴頭進(jìn)水口與輸水管道相連接，當(dāng)輸水管道放水時(shí)，水流從輸水管道由進(jìn)水口進(jìn)入滴頭，通過(guò)曲線(xiàn)消能流道進(jìn)行消能（此時(shí)水流在曲線(xiàn)流道里呈螺旋狀前進(jìn)）。水在水泵的作用下進(jìn)入灌溉管道，存在一定的水壓力，水流在壓力作用下進(jìn)入滴頭，在曲線(xiàn)流道內(nèi)充分消能，平穩(wěn)地到達(dá)出水口，起到穩(wěn)定出水的效果。同時(shí)可避免水流直接沖擊活塞，延長(zhǎng)活塞的使用壽命。

滴頭與輸水管道通過(guò)卡槽卡在管道上的連接孔中。滴頭的卡槽在長(zhǎng)時(shí)間工作下易產(chǎn)生老化或在水壓下與管道孔口產(chǎn)生縫隙，水從縫隙中漏出造成水資源的浪費(fèi)。而本文設(shè)計(jì)的滴頭可使水流在進(jìn)入消能曲線(xiàn)流道的過(guò)程中通過(guò)曲線(xiàn)壁上的逆止閥進(jìn)入儲(chǔ)水空腔中，水可在儲(chǔ)水腔體中積累，當(dāng)卡槽和孔口之間出現(xiàn)縫隙時(shí)，可通過(guò)逆止閥儲(chǔ)水腔體中補(bǔ)充水量，使腔體鼓脹起到填補(bǔ)縫隙的作用，以防止滴頭與灌水管道連接處漏水，以達(dá)到節(jié)水的效果。當(dāng)停止供水時(shí)，儲(chǔ)水空腔中的水在逆止閥的作用下可以繼續(xù)留在腔體中[6]。

水流在通過(guò)曲線(xiàn)通道后進(jìn)入出水口。正常情況下水可從出水口兩端的縫隙中流出，進(jìn)入土壤。彈性體由鉚釘狀結(jié)構(gòu)和彈簧組成，彈簧采用不易銹蝕的剛性材料，彈性適中，在滴頭發(fā)生堵塞時(shí)，由于出水口堵塞，空腔聚集水量不斷增大且壓力逐漸增大，可以推動(dòng)鉚釘狀結(jié)構(gòu)的錨頭帶動(dòng)出水口處的釘狀物抽動(dòng)以疏通出水口。此外，當(dāng)堵塞嚴(yán)重時(shí)也可以人為推動(dòng)出水口處的釘頭帶動(dòng)活塞，活塞向上推動(dòng)，出水口上側(cè)儲(chǔ)水空間變小，水壓變大，松開(kāi)活塞時(shí)出水口處由于水壓增大，可在短時(shí)內(nèi)噴出水流水，可起到?jīng)_刷出口，打通堵塞的效果。同時(shí)本設(shè)計(jì)滴頭其下部結(jié)構(gòu)采用螺紋連接，如彈性體出現(xiàn)故障，也可以擰開(kāi)出水口端，對(duì)其進(jìn)行維護(hù)，在很大程度上提高了滴頭使用壽命。

2.3 3D打印技術(shù)滴頭制作的實(shí)現(xiàn)

3D打印技術(shù)已廣泛應(yīng)用于制造業(yè)如人工血管、口腔、無(wú)人機(jī)等[7-8]，Revit建模常用在水利工程圖中，其圖面受人為因素影響很少，采用Revit可以避免對(duì)構(gòu)造和CAD繪圖的理解不深刻從而造成平面圖很多地方產(chǎn)生錯(cuò)誤的問(wèn)題。Revit的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是聯(lián)動(dòng)功能十分強(qiáng)大，可以一處修改，處處更新，剖、平、立面、明細(xì)表雙向關(guān)聯(lián)，可以自動(dòng)避免產(chǎn)生低級(jí)的錯(cuò)誤，且精度高。本文將嘗試應(yīng)用Revit軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)滴頭三維實(shí)體模型的建模，其步驟大致如下：首先打開(kāi)Revit軟件，新建族，采用公制常規(guī)模型，該模型為圓形節(jié)水滴頭，在正視圖采用旋轉(zhuǎn)命令，按照所需尺寸將族模塊完成。該模型建立4個(gè)族，各部分構(gòu)件如圖2所示，最后在構(gòu)造樣板中將4個(gè)族拼接在一起構(gòu)成滴頭三維實(shí)體圖，如圖3所示。

圖2 節(jié)水防堵滴頭三維構(gòu)件圖

圖3 滴頭三維實(shí)體圖

應(yīng)用Revit對(duì)滴頭外殼進(jìn)行三維實(shí)體構(gòu)建后，由于Revit無(wú)法直接轉(zhuǎn)化成可以用于3D打印的STL格式，因此首先將模型先保存為DWG的格式，并將文件在AutoCAD中打開(kāi)創(chuàng)建STL文件。使用分層軟件，按照所需精度，按照要求對(duì)結(jié)構(gòu)模型的STL格式的文件進(jìn)行切片處理，將得到的切片數(shù)據(jù)載入加工設(shè)備的控制系統(tǒng)。本滴頭3D打印制備使用的設(shè)備打印技術(shù)核心為熔融堆積成型（FDM）。三維建模主要材料為聚丙烯，聚丙烯材料在高溫下融化成半液態(tài)，通過(guò)可在X—Y方向上移動(dòng)的噴嘴噴出，形成零件的斷面薄層，固化一層原料被之后，工作臺(tái)上移一個(gè)層厚的距離高度，新的聚丙烯材料覆蓋到下一層的表面，新的表層由于高溫的影響粘合在前一層上，如此多次，最終排列形成立體實(shí)物。FDM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可以高效率利用原材料，三維建模成型精度高，精度可達(dá)±0.1mm、模型表面光滑，可以制造出精細(xì)度特別好、復(fù)雜度特別高的零件。

3 節(jié)水防堵滴頭裝置在滴灌中的優(yōu)勢(shì)

滴灌技術(shù)相較于其他灌溉手段來(lái)說(shuō)優(yōu)勢(shì)更加的明顯，主要表現(xiàn)在實(shí)施過(guò)程中操作相對(duì)簡(jiǎn)單，并且可以達(dá)到節(jié)約資源的目的。滴灌技術(shù)的節(jié)水能力一般能達(dá)到60%以上[9]。滴灌技術(shù)水分吸收如此之高是由于在輸水過(guò)程中避免了水的損失和滲漏，地表部分始終保持濕潤(rùn)，防止地下水的超量補(bǔ)給，減少土地鹽堿化發(fā)生的概率，有效地減少了地表水分的蒸發(fā)[10]。同時(shí)，滴灌技術(shù)潤(rùn)濕的土壤范圍有限，不會(huì)在地表發(fā)生徑流，在節(jié)約水資源的同時(shí)還可以防止雜草的生長(zhǎng)，保證作物能夠充分地利用土壤肥力。土壤濕度較低同樣可以抑制病蟲(chóng)的出現(xiàn)，可相對(duì)減少農(nóng)藥的使用，保證作物質(zhì)量[11]。該滴頭通過(guò)消能結(jié)構(gòu)，空腔節(jié)水結(jié)構(gòu)和防堵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可使滴灌的優(yōu)勢(shì)更加明顯，有效解決了當(dāng)前滴頭出水不均勻和不出水的問(wèn)題，且本文闡述的滴頭其材料除彈性活塞中需要很小的不易銹蝕的剛性彈簧外，其他材料都是低成本的塑料型材，因此成本較低廉。

4 結(jié)語(yǔ)

農(nóng)業(yè)是一個(gè)國(guó)家生存發(fā)展的前提，本文所提出的節(jié)水防堵滴頭自身具備有消能、節(jié)水、防堵的效果，可以很好地適應(yīng)當(dāng)下中國(guó)農(nóng)業(yè)及水資源的現(xiàn)狀，在實(shí)際應(yīng)用中具有易安裝、易維護(hù)、成本低、適范圍廣的特點(diǎn)，可以應(yīng)用在大棚、林地、綠地、山地等不同環(huán)境中。同時(shí)可以適應(yīng)當(dāng)今社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展的政策，踐行綠水青山就是金山銀山的生態(tài)理念。適應(yīng)中國(guó)水資源不足的現(xiàn)狀，在農(nóng)業(yè)發(fā)展的同時(shí)做到節(jié)約水資源、保護(hù)生態(tài)。未來(lái)將在此滴頭快速制作成型技術(shù)上做進(jìn)一步研究。