防堵污水滴水灌溉的滴头的设计

1. 问题描述

污水的重复利用对解决水资源短缺及其污染问题具有重要的意义。由于滴灌具有节省用水的优点，因而成为一种重要的灌溉方式，也是污水灌溉领域中的重点发展方向。目前，滴头产品的流道大多采用迷宫形结构，其具有很好的消能效果，但是由于流道截面较小以及水中含有杂质，迷宫式滴头普遍存在堵塞的问题。

解决滴头堵塞问题的主要手段是加强水质的净化和过滤，如在滴管内设置海绵状材料，其具有很好的抗堵效果，但是长时间使用容易被水中微小的杂质堵塞，需要定期更换，降低了使用方便性。同时，加强水质净化和过滤会增加灌溉成本，对于污水灌溉来说，尤其显得不适用。

为了解决滴头封堵问题，孙宏等人设计了一种滴头结构，这种滴头采用预沉腔与迷宫流道上下组合的结构形式，灌溉用水先进入预沉腔，水中的杂质在预沉腔中逐渐沉降，降低了封堵的概率。但预沉腔下部与消能腔连通，水流必须从沉降的杂质表面流过，仍会有一部分杂质被带进迷宫流道，堵塞滴头（其内部流道如图7−10所示）。因此，设计出一种消能效果好，沉降效率高的装置对污水的循环利用具有重大意义。

2. 基于基元模型的矛盾分析

装置最终期望的目标为过滤后的污水杂质含量低，而现有的装置沉降效率不佳。这是一个不相容问题，用过滤后的污水物元M1表示目标；用预沉腔物元M2表示条件。即

M1= (过滤后的污水，杂质含量，低) =(Om1,cm1,vm1)

M2= (预沉腔，沉降效率，差) =(Om2,cm2,vm2)

图7−10 防堵滴头流道结构图

1—预沉流道；2—进水；3—环状三角流道；4—出水

则该不相容问题模型为：

问题=目标×条件=(过滤后的污水，杂质含量，低)×(预沉腔，沉降效率，差)

即

P=G∗L=M1↑M2= (Om1,cm1,vm1)∗(Om2,cm2,vm2)

污水经过滤最终流进消能腔的过程可用一系列事元A来表示。由事元的蕴含规则可知

A 1⇐A2⇐A3

该设计过滤性能不佳的主要原因是排水管安置在预沉腔的下部，过滤后的污水流进消能腔时，会导致固体颗粒随水流的运动而被带入消能腔。假设排水管用物元M3来表示，即

可做一变换

其中，

这样过滤后的水流经上部流进消能腔，就保证了被沉降到预沉腔下部的杂质不会受水流的影响而被带入消能腔，从而提高了沉降的效率。

但同时由于消能腔位置的变化（可靠性提高了），会增加排水管长度，使水受到的沿程阻力增大，装置的适应性降低。该冲突可用TRIZ冲突矩形工具求解。

将该冲突采用标准参数描述。待改善的参数为：可靠性（NO.27）；导致恶化的参数为：适应性（NO.35）。

3. 基于TRIZ创新原理的可行解预测

查询经典的TRIZ矛盾矩阵表，得到推荐的发明原理为：#13反向作用原理；#35状态变化原理；#8质量补偿原理；#24中介物原理。这些发明的具体内容如下。

反向作用原理#13 a. 不实现技术条件规定的作用而实现相反的作用；b. 使物体或外部介质的活动部分成为不动的，而使不动的成为可动的；c. 将物体颠倒。

状态变化原理#35 改变物体的物理/化学状态、浓度/密度、柔性、温度。

质量补偿原理#8 a. 将物体与具有上升力的另一物体结合以抵消其质量；b. 将物体与介质（最好是气动力和液动力）相互作用以抵消其质量。

中介物原理#24 a. 利用可以迁移或有传送作用的中间物体；b. 把另一个（易分开的）物体暂时附加给某一物体。

根据上述原理得到启示：将消能腔布置在预沉腔的上部，考虑能否依靠水与环境的相互作用来补偿其重力，以达到运输的目的；能否使用一中介物来替代排水管，进而对机构进行简化。

4. 可行解的基元变换

根据TRIZ原理解的提示，现考虑能否依靠环境因素替代排水管，以实现水的输运。排水管的主要功能是运输水，但由于其长度增加，增加了水的沿程阻力，对水也起到一定的消能作用。因此，考虑将排水管与消能腔合并，进而可以删减排水管。即做删减变换T1，使

其中， ；M0=(原装置，C，V)。

删减排水管后，只需考虑如何将预沉腔与消能腔联通即可。这里对前面的预沉腔物元M2进行重建，即

根据物元的发散性（一征多值），可以对预沉腔边壁的高度进行发散，有：

M2−|{M21,M22}

这样，适当增加预沉腔边壁的高度后，过滤后的污水就可以依靠其自身的压力作用而上升。此时，预沉腔边壁可视为一中介物起到隔离消能腔的作用。考虑到结构的紧凑性，可以将带迷宫形流道的消能腔环形均布在预沉腔的四周，使污水中的杂质沉降后直接流经消能腔消能后排出。

同时，为了防止消能腔内迷宫形流道的堵塞，可以利用TRIZ分离原理对消能腔结构进行优化，从而可以提高系统的可分性，便于堵塞时及时拆卸清理。

5. 最终方案

最终设计的灌水器滴头的原理图如图7−11所示。该滴头具有同轴设置的圆柱形的外腔体1和内腔体2，其中，外腔体1上部设有进水管5，该水管下端套设有缓冲头6；内腔体2下部的外壁径向延伸有托板2−1，下端设有集污盖7；外腔体1内壁上设有矩形内齿4，内腔体2外壁上设有矩形外齿3，该矩形外齿3或矩形内齿4中至少有一个齿的上下两端分别与端板1−1和托板2−1紧密接触，其余的矩形外齿3和矩形内齿4中相邻两齿，一个上部设有缺口，另一个下部设有缺口，该缺口与矩形外齿3和矩形内齿4侧面之间的间隙形成迷宫形流道11。

由于盲孔6−2的作用，水流在从进水口流出时，会受到其阻挡作用，使水流具有一个向上运动的速度，从而间接增加了固体颗粒沉降的时间。在水进入出水孔9之前，固体颗粒会在其自身重力的作用下沉降，最终落至集污盖7中，以实现对污水的过滤。过滤的污水经齿间间隙消能后，由滴水孔排出。

图7−11 灌水器滴头的设计原理图

1—外腔体；1−1—顶部端板；1−2—法兰；2—内腔体；2−1—托板；2−2—圆锥管体；2−3—圆柱管体； 3—矩形外齿；4—矩形内齿；5—进水管；6—缓冲头；6−1—输水孔；6−2—盲板；7—集污盖； 8—螺栓；9—出水孔；10—滴水孔；11—迷宫流道