一種測流用圓頭量水柱夾持裝置的設計與實現(xiàn)

牛國旭 鄭煊倫 李俊杰

(溫州市農(nóng)業(yè)科學研究院 浙江 溫州 325006)

一、前言

隨著社會的發(fā)展，在水稻和小麥等大面積種植的農(nóng)作物灌溉方面，管理方便并且投資成本低的U形渠道成為農(nóng)業(yè)灌溉用水的主要輸送形式。U型渠大規(guī)模推廣使用的同時，能夠有效確保田間灌溉質量的灌區(qū)量水技術儼然成為一個基礎的、關鍵性的問題。它對于搞好灌區(qū)的經(jīng)營治理、提高灌區(qū)的經(jīng)濟效益、實現(xiàn)按量收費、發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)具有重要意義。

據(jù)了解，已有的量水設施大多是在矩形渠道、梯形渠道的基礎上開發(fā)完成的，由于渠道斷面結構大多不同，這些量水設施在應用于U形斷面渠道量水時往往存在安裝困難、測流誤差大、甚至水流條件不滿足量測要求的現(xiàn)象。隨著農(nóng)渠及田間工程改造的推進，量水柱由于結構簡單、經(jīng)濟、便于修建、抗淤堵能力強、自由出流時測流精度較高，成為了與U形渠道相配套的量水設施。

但目前大多學者將研究的重點多放在如何找到一種最優(yōu)斷面的量水柱，而鮮有人研究如何將已經(jīng)研制出的量水柱應用在實際中，這也直接影響到量水柱的推廣應用?，F(xiàn)急需一種固定裝置，包括支撐結構和設置在上述支撐結構上的夾持裝置，量水柱安裝在所述夾持裝置上，并采用一些手段將整個裝置固定在U形渠兩岸。

二、量水柱固定裝置研制案例

(一)U形渠道圓頭量水柱測流原理

在U形渠道軸線適當位置處垂直安裝圓頭量水柱，柱前上游渠道中水流為緩流，當水流通過柱體時在其喉口處形成局部收縮，受到側收縮的影響，過流斷面形成足夠的水面降落，水流流速增加，勢能與動能發(fā)生轉換，并在喉口附近產(chǎn)生臨界流，隨后進入急流狀態(tài)，與下游水流銜接。因此，下游水流在相當長的一段水深范圍內(nèi)不會影響上游水流。故而，流量與上游堰頂水頭可構成穩(wěn)定單一的關系。根據(jù)能量守恒原理，即可得到過槽流量。

(二)前人研究案例

西北農(nóng)林科技大學王玉寶等人自主研發(fā)了一套U形渠道流量測量裝置。該裝置包括內(nèi)部裝有柱體的測量筒，且在量水柱兩側設置兩板。兩板在保證形成臨界流的同時，還可以有效縮減量水柱體積，使得柱內(nèi)水深與駐點水深相等，測量柱內(nèi)水深即可獲得駐點水深。此種方法雖然提高了測量精度，但需要破壞U形渠底進而預埋混凝土固定塊，這也使得此方法固定量水柱效率低下且會造成資源的一定浪費，因此很難實現(xiàn)對此法的推廣。

(三)本人研制固定裝置案例

對于小尺寸U型渠進行量水柱測量比較方便，但對于大尺寸U型渠的測量僅靠人力扶持量水柱測量困難重重。針對此種情況，現(xiàn)研制一種測流用量水柱夾持裝置，如圖1、圖2所示，此裝置包括夾持結構和設置在所述夾持結構上的桿件結構。具體形式如下：

圖1 夾持裝置立體圖

圖2 斜撐桿件局部圖

上圖中，1為U型渠、2為支撐塊、3為斜撐桿外桿、301為斜撐桿內(nèi)桿、303為緊固螺絲、4為鎖緊螺栓、5為水平支撐粗桿、6為水平支撐粗桿調(diào)節(jié)器、7為水平支撐細桿、8水平支撐細桿調(diào)節(jié)器、9為圓頭量水柱、10為卡箍金屬片。

1.固定裝置材料與設計

其中，水平支撐粗(細)桿選用不銹鋼鋼管材料。其中水平支撐細桿選用壁厚為1.5mm、直徑為3cm的鋼管，水平支撐粗桿選用壁厚為3mm、直徑為5cm的鋼管。圓頭量水柱9為聚氯乙烯制作的空心薄壁圓柱體。

2.固定裝置使用方法

使用固定裝置前將圓頭量水柱9緊固在兩個對稱布置的卡箍金屬片10中，預估U型渠的寬度并將其垂直放置在水渠軸線處，根據(jù)水渠寬度調(diào)整斜撐桿3和水平支撐桿5的長度。其中對斜撐桿而言，因其為不同直徑桿嵌套，所以只需要對內(nèi)桿301通過伸縮便可調(diào)整其長度,待長度確定以后使用彈簧凸起302將外桿3進行固定。對水平支撐桿5和7而言，只可以進行小幅度的調(diào)整。分別轉動水平支撐桿5和7外端進而帶動內(nèi)端在調(diào)節(jié)器6和8中旋轉，實現(xiàn)水平支撐桿總體長度與U形渠寬的匹配。待所有構件調(diào)整完畢以后,放入水渠中，此時只需通過擰緊緊固螺絲303使得整個裝置保持沿水渠軸線對稱放置。待一切就緒以后，只需用腳力下壓夾持裝置便可以實現(xiàn)量水柱的固定。

其中水平支撐桿5和7的局部圖如圖1所示，由圖可知水平桿的端部裝有一段螺紋鋼管，而調(diào)節(jié)器內(nèi)部又自帶內(nèi)螺紋，兩個構件進而可實現(xiàn)螺紋聯(lián)接。使用過程中，調(diào)節(jié)器6和8可通過螺紋配合實現(xiàn)對水平支撐桿長度的調(diào)整使得夾持裝置可隨時與U型渠的寬度保持一致?？ü拷饘倨?0為圓弧形，為了使其和量水柱受力更充分，需將其弧度曲率半徑與圓頭量水柱橫截面圓相當。

(四)優(yōu)點

具有重量輕、結構簡單的特點，方便調(diào)節(jié)，堅固耐用，穩(wěn)定性好，節(jié)省時間和資源。零部件安裝、調(diào)整、拆卸方便。

三、總結

本文在充分利用U形渠獨有的外觀基礎上研制了此種固定裝置，解決了體型中等以上U形渠量水柱測流難、固定裝置笨重等遺留問題，為量水柱的進一步推廣應用提供了參考。