简要信息

【获奖类型】应用一等奖

【任务来源】水利部“948”技术创新与转化项目

【课题编号】节010522；节 010539；节010925；节010950

【课题起止时间】2001年5月～2010年10月

【完成单位】中国水利水电科学研究院   国家节水灌溉北京工程技术研究中心   青岛新大成塑料机械有限公司

【主要完成人】高占义、杨继富、徐志昂、龚时宏、许 迪、江荣冷、李成秀、李祥林、余根坚、孙文海

立项背景

水资源短缺已成为制约我国农业和国民经济发展的重要因素。节水灌溉是解决水资源短缺、发展现代农业的一项根本性措施。滴灌是目前世界上最先进、高效的节水灌溉技术。随着农业干旱缺水问题的加剧和生产结构调整，各地经济作物、果园及大棚、温室等保护地面积快速发展，滴灌技术需求不断增加。特别是西北地区，节水灌溉已成为改善生态环境、发展经济的必由之路，滴灌成为首选节水灌溉技术。如新疆，2000年以来，在大力发展果树、葡萄和瓜果滴灌的同时，棉花、蕃茄等大田作物的膜下滴灌每年以几十万亩的速度发展，带动了西北、华北及全国滴灌面积的大幅增加。据水利部权威专家预测，2010～2015年期间每年滴灌面积增加100万亩，到2015年全国微灌面积达到1500万亩。

全国滴灌面积的迅速发展对滴灌产品需求剧增，而滴灌管（带）以内镶片式滴灌管性价比较优，已有国内专业生产企业产品供不应求，以色列、美国、澳大利亚等国滴灌公司纷纷打入国内市场。与此同时，国内其它行业的一些大公司包括一些上市公司也看好滴灌市场，纷纷投资购买和定购瑞士SWISSCAB公司、意大利AIT公司及韩国瑞元公司制造的内镶片式滴灌管生产线。据不完全统计，到2000年进口的内镶片式滴灌管生产线近20条。由于进口生产线价格高昂，每条生产线80~100万美元，再加上国内配套设施，总投资达到1000万人民币。数额巨大的设备投资加重了企业负担，增加了生产成本和农民负担，也阻碍着我国滴灌技术的普及和节水灌溉事业的发展。为打破国际垄断、降低售价，从2001年开始，我院在水利部“948”项目和科技部科研院所技术开发研究专项的支持下，通过引进国外关键技术设备与自主开发相结合，完成了该生产线的国产化研制，正常生产速度达到100～120m/min，总体性能达到国际先进水平。该生产线定价280～320万元，仅为同类进口设备的1/2～1/3，具有良好的市场竞争能力。

在此基础上，2005～2010年，通过水利部948技术创新与转化项目和科技部农业科技成果转化的支持，进一步完善和熟化关键技术及设备，并与青岛新大成塑料机械有限公司合作开发了经济型内镶片式滴灌管生产线，正常生产速度80-100m/min，每条生产线售价150万元左右，性价比进一步提高，实现了定型生产和市场销售。

详细科学技术内容

1、生产线组成及关键设备

内镶片式滴灌管生产线是集机（械）、光、电、自动控制技术及塑料成型工艺于一体的高新技术设备，技术含量高，由17部分组成，集成难度大。

关键设备开发及功能如下：

（1）滴头筛选排料装置。该装置将进入装置内杂乱堆积的滴头，按正、反面、前后顺序等要求进行自动筛选与有序排列。凡不符合排列要求的滴头自动剔除，并返回，重新筛选、排列。该装置的启动或停止由检测滴头输送量的光电传感器控制。经消化吸收进口设备，形成双筛选排料器并联，根据轨道上滴头的数量，自动组合运行，筛选排料速度达到640～700个/min。

（2）挤出机。用于快速、高精度挤出薄壁塑料滴灌管，并与滴灌灌水器（滴头）组合形成内镶薄壁式滴灌产品。主要技术性能：实现计算机监控；挤出机与检测系统形成闭环式控制；温控精度达到±1℃；在空载或负载状态下，挤出机均无异常，无噪音和振动，传动精度稳定；螺杆经渗氮处理并配有屏障式螺杆，能保证从开机到任何工作条件下的高输出量及塑性材料的混料高均匀性。挤出管壁均匀的管坯，在管材壁厚0.18mm，生产速度120mm/min时稳定生产。

（3）电机及变频器。为保证生产线技术先进和运行稳定，除打孔电机采用国内高速电机外，其余全部采用德国和日本进口设备。

（4）滴头输送装置。用于将排列的滴头送入粘贴机构。目前国内外有螺杆输送及气动输送二种形式。前者是一种“硬输送”方式，结构及控制相对比较复杂，输送速度相对较低；后者是一种“软输送”方式，有利于系统的调节和控制及高速生产。因此，从输送速度、系统控制、系统连接等方面考虑，设计上采用气动输送，同时在功能设计上采用了故障时快速自动退回及手动退回。该装置由电机、减速机、汽缸、传感器、齿形带及其带轮、压缩空气系统、输送槽等组成。

（5）管子挤出装置。该装置由加热机构及机头组成。挤出机将加热熔化的塑料挤出，通过机头形成一定厚度的空心塑管。在管子挤出螺杆设计上，采用屏障式螺杆，将塑料的固相和熔融相分开，防止固体颗粒进入熔融螺槽；在屏障式设计中，固相螺槽在底部是封闭的，这样熔体可流经剪切螺棱和整个熔体，改善了从机筒到固化段的热传导。在机头设计方面，采用了非完全等流程设计思路，大大简化了机头结构，在保证滴灌管壁厚均匀的前提下，降低了挤出机的挤出压力。与引进生产线的75挤出机（N=74.5kW）相比，配套功率降低了14.1%。在加热机构的设计上，采用了高热效率材料及保温材料，4个加热区功率共16kW，比引进生产线加热功率17.7kW降低了9.6%。

（6）滴头自动粘贴机构。该粘贴机构由粘贴杆、粘贴轮、电机等组成。根据设定滴头间距，使滴头与管子内壁牢固粘贴。

（7）真空定径装置及冷却水槽。真空定径装置由真空水槽、真空定径套、真空泵、水泵等组成。当处于热态、未定径的管子进入真空定径槽后，真空负压将管子吸附在真空套上，通过真空槽内的冷水喷雾及冷却水槽完成冷却定型。设计上真空水槽和冷却水槽采用不锈钢板，焊缝经喷砂处理，保证连接平整、光滑。

（8）导向及牵引机构。该机构在牵引管子的同时，将管子在冷却过程中产生的扭转予以较正，以便后续的自动打孔机钻头能准确瞄准滴头出水口的位置实施打孔。为避免在导向过程中损伤滴灌管表面和滴头变形，要求该机构必须摩擦力小，而且全过程滚动导向。同时利用电脉冲信号精确地测量出牵引机所牵引的管子长度。为便于系统的稳定运行，设计上采用二级牵引。

（9）电子-机械打孔机构。当管子内的滴头进入打孔机导向架的某一固定位置时，自动打孔机内的电感传感器发出电讯号，指令打孔机打孔。目前有二种打孔方式，即激光打孔和机械打孔。前者以SWISSCAB生产线为代表，其最大的制约因素在于难以适应高速及厚壁管打孔，打孔频率随着管壁厚度的增加而迅速下降。机械打孔频率可不受管壁厚度的影响，但非旋转方式仍不适应厚壁管，同时考虑到单刀的使用寿命有限，需经常停机更换刀具，影响生产线生产效率等。为此设计上采用旋转式多刀（4把刀）方案，能够准确检测打孔位置，高质量打孔，打孔速度600个/分钟以上。

（10）自动卷管机（带自动切断机构）。将完成滴头粘贴和打孔后的滴灌管卷绕成整齐的圆卷。为使卷管整齐并有固定的宽度、厚度，要求在卷绕过程中张力保持一致，在设计上配置相应管子张力自动控制机构和纵向往复排列机构。此外，当管子长度达到要求后，卷绕机上的计数器发出指令，切断机构自动切断管子。本卷绕机为双盘式，两卷盘能快速自动转换，实现卷绕过程全自动化。

（11）电器控制系统。针对目前生产线缺乏在线监测系统，难以把握不合格产品质量（打孔位置、是否打透等）的问题，该电器控制系统采用主控工业计算机一台，控制整条生产线的自动运转，包括控制各执行机构电机（挤出机；滴头加料、输送、推入；管子定径、冷却、打孔、牵引、卷绕等）、变频调速控制、点位定位控制，各辅助机构（补水、喷干、切断、提升机构）的启停，监控、检测、调整、测量的光电传感器、张力传感器、液位传感器、远程真空表、自动测长机等设备安装在生产线相应的部分，随时向主控计算机提供当前生产线的准确状态。同时采用高速摄像装置一套、从控计算机一台，监控打孔状态及加工的精确度，与主控计算机进行实时信息交换。

（12）水系统。由不锈钢制储水箱、潜水泵、水冷却设备、精密过滤器、加压泵、全自动软化器、加热器、流量计及闸阀等组成。用于持续不断地为冷却水槽提供一定温度、一定压力的冷却水，为真空定径机构提供稳定的热水。

（13）压缩空气系统。由空压机、储气罐、油水分离器、冷干机、精密过滤器、干燥机等组成，为系统稳定提供空气源。

（14）滴头研制。在进水方式、流道等方面进行了改进。采用侧向12个带过滤功能的进水口，同时对齿间距、齿锥角、齿重合度、流道长度等进行优化，提高了流道中流体运动的紊动性，提高了滴头的抗堵塞性能。经水利部节水灌溉设备检测中心检测，流量偏差系数Cv=1.25%，达到国际A类产品标准。

2、主要研发成果和技术性能指标

根据水利部国科司主持的成果鉴定，该生产线国产化研制的主要成果和技术性能指标如下：

（1）通过关键设备的引进及国产配套开发，实现了高速生产，生产速度达150m/min以上；

（2）引进和配套开发的滴头筛选排料器，实行双筛选排料器并联，根据轨道上滴头的数量，自动组合运行，筛选排料总速度达到640～700个/min；

（3）引进挤出机，并设计配套加热机构及挤出机头，包括在机头设计时，采用了非完全等流程设计思路，简化机头结构及采用高热效率材料及保温材料等，在保证滴灌管壁厚均匀的前提下，大大降低了挤出机所需的挤出压力，与引进生产线的75挤出机相比，挤出配套功率降低了14.1%。加热机构功率降低了9.6%；

（4）在国内首次实现了高速生产线在线监测，高速成像监控检测设备，既能实时监控打孔的精确程度，又能随机观察当前孔的（放大）影像，并可打印不合格的打孔数量及所在位置，从而解决了在线监测产品质量的问题；

（5）采用旋转式多刀（4把刀）机械打孔方案，较好地解决了激光打孔频率受管壁厚度的影响及非旋转式机械打孔不适应厚壁管、生产效率较低等问题，使受打孔装置制约的生产线连续工作时间大大增加，打孔速度700次/min以上；

（6）灌水器采用侧向多个带过滤功能的进水口，同时，对齿间距、齿锥角、齿重合度、流道长度等进行优化，提高流道中流体运动的紊动性，从而提高滴头的抗堵塞性能及流量均匀性，流量偏差系数Cv=1.25%，达到国际A类产品标准，流态指数达0.4443，接近国际同类产品最小值；

（7）生产的滴灌管全部指标达到GB/T17188-1997和SL/T67.2-94要求。

上述成果和创新，构建起了经济内镶式滴灌管生产线技术，与引进同类生产线相比，价格降低60%以上。

3、经济型内镶片式滴灌管生产线产业化

在上述成果的基础上，2005～2010年，通过水利部948技术创新与转化项目和科技部农业科技成果转化的支持，进一步完善和熟化关键技术及设备。全面掌握了内镶片式滴灌管生产线的生产工艺，研发了具有自主知识产权的新型打孔装置，使用简便，稳定性好；开发了滴头筛选排料器和挤出机，实现了国产化；该生产线生产的滴灌管达到国家A类产品的性能指标。

与青岛新大成塑料机械有限公司合作开发的经济型内镶片式滴灌管生产线，实现定型生产和产业化，正常生产速度80～100m/min，每条生产线售价150万元左右。与国内外同类生产线相比，性价比高，竞争优势明显，具有良好的推广应用前景性。

?            发明及创新点

（1）通过关键设备引进与自主开发相结合，实现了内镶片式滴灌管生产线的国产化，最高生产速度150m/min，正常生产速度100～120m/min，填补国内空白，总体技术性能达到国际先进水平。

（2）全面掌握了该生产线的关键技术与设备制造技术，打破了国外技术垄断。其中包括①自主研发的多钻头高速旋转打孔装置和单钻头高速旋转打孔装置，都具有刀头自转功能且在打孔的瞬间与滴灌管生产时的运动方向和速度同步运动，获得国家发明专利2项；②自主研发的高速成像监控检测技术，实现了滴灌管高速生产的在线监测，保证产品质量，获得国家实用新型专利1项。

（3）挤出机机头采用螺旋直角型，流道采用塑化性能好，出料均匀，降低了挤出机的挤出压力。与引进生产线的75挤出机（N=74.5kW）相比，配套功率降低了14.1%；在加热机构的设计上，采用了高热效率材料及保温材料，4个加热区功率共16kW，比引进生产线加热功率17.7kW降低了9.6%，节能增效显著。

成果应用情况及社会经济效益

（1）成果应用与经济效益

该成果形成的滴灌生产线成套设备及其制造技术，已实现入股和市场销售。即2008年我院以内镶片式滴灌管生产线成套设备及其制造技术，价值900万元入股甘肃大禹节水股份有限公司，促进了该公司技术水平提高、生产规模扩大和创业板上市，我院从中获得技术和资产大幅升值。此外，我院与青岛新大成公司合作开发的经济型内镶片式滴灌管生产线，已对外销售。共计获得直接经济效益（净利润）9511万元，计算依据如下：

①入股大禹公司900万元，折合257万股，2009年底配股后为514万股。按我院一年锁定期结束后的首个交易日（2010年11月1日）的收盘价每股17.8元计算，计9141万元（含社保基金转持部分）。

②大禹公司2008～2010年三年合计净利润为7355万元，按我院占该公司总股本3.68%计算，计270万元。

③与青岛新大成公司合作开发的经济型内镶片式滴灌管生产线，已销售4条，每条售价120万元，净利润25万元计算，合计净利100万元。

（2）社会效益

由于该成果的完成，打破了国际垄断，大幅度降低了内镶片式滴灌管生产线的售价，减轻了滴灌管生产企业的负担，进而降低了生产成本和售价，减轻了农民购买滴灌管产品的负担；促进了我国滴灌技术的普及和节水灌溉事业的发展，取得了显著的节水增产效果，实现农民增收，社会效益十分显著。

成果转化、推广或产业化方面还需帮助解决的问题

在推广应用中需不断提高设备性能。

内镶片式滴灌管生产线