聶月霞，張學雙，馮厚軍

（大禹節(jié)水集團股份有限公司，甘肅 酒泉 735000）

1 關鍵技術方案與設計思路

1.1 研究方法

對微噴頭幾何參數(shù)和旋轉(zhuǎn)體的結構進行深入的分析，依靠三維實體模型繪制軟件Pro/Engineer，設計一種新型的反對稱旋轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)式微噴頭。利用三維模擬軟件進行產(chǎn)品流量性能模擬，充分發(fā)揮3D打印快速成型技術優(yōu)點，將計算機三維模型快速轉(zhuǎn)化為實體模型，并通過試驗測試來確定最終的設計模型。

依托產(chǎn)品設計模型，針對旋轉(zhuǎn)式微噴頭不同部件結構設計、材料及功能要求，組合開發(fā)一模多腔冷流道和半熱流道注塑模具，使模具制造成本得到優(yōu)化，旋轉(zhuǎn)式微噴頭各部件生產(chǎn)更穩(wěn)定、生產(chǎn)效率更高、制造成本更低。

通過對高寒荒漠區(qū)年均氣溫及光照強度的分析，選擇ABS+PC塑料合金為旋轉(zhuǎn)式微噴頭材料主體，添加集炭黑、抗氧劑、光穩(wěn)定劑等，通過大量試驗確定配方工藝。并對普通注塑機結構及生產(chǎn)性能進行研究，設計出一套適合上述旋轉(zhuǎn)式微噴頭各部件的生產(chǎn)工藝技術路線及配套工藝參數(shù)。

1.2 關鍵技術措施

文章主要研究基于Pro/Engineer平臺的微噴灌設備的研制和開發(fā)。Pro/Engineer作為當今世界機械CAD/CAE/CAM領域的新標準而得到業(yè)界的認可和推廣，是最常用的產(chǎn)品設計軟件之一，在國內(nèi)產(chǎn)品設計行業(yè)非常重要。對旋轉(zhuǎn)式微噴頭設計的產(chǎn)品三維模型，采用先進的快速成型技術實現(xiàn)產(chǎn)品模型向?qū)嶓w的快速轉(zhuǎn)換。依托產(chǎn)品快速開發(fā)成型的技術，不僅能制作出任意形狀和復雜程度的產(chǎn)品，同時將傳統(tǒng)的開發(fā)周期由4～5個月縮短到3～5 d，成本由上萬元降到2 000元以下，在CAD技術的支持下可完成微噴頭設計知識積累，獲得具有自主設計管件產(chǎn)品的能力。

1.3 微噴頭流量模擬

Fluent是目前應用廣泛的計算流體力學軟件，可形象地體現(xiàn)流體在噴頭中的流動情景，且方便結構尺寸的改變優(yōu)化。在Fluent軟件中，設置進口（Pressure-inlet）壓力為微噴頭工作額定壓力0.2 MPa，出口處（Pressure-outlet）壓力值為0 MPa，即大氣自由出流，邊界條件設置為理想壁面，運用K-ξ紊流模型模擬。項目研究過程中，基于設計結構，對旋轉(zhuǎn)式微噴頭選擇噴嘴內(nèi)徑為 0.8 mm、1.0 mm、1.2 mm、1.5 mm、1.8 mm，進口工作壓力 0.1 MPa、0.15 MPa、0.2 MPa、0.25 MPa、0.3 MPa，共計30個點進行了流量模擬分析。根據(jù)實際需求，設計噴嘴參數(shù)d內(nèi)徑=1.2 mm，設計工作壓力為PN=0.2 MPa，設定湍流強度（Turberlance Indesity）=3%，設定進口水力直徑（Hydualic Diameter）=6 mm，設定出口水力直徑（Hydualic Diameter）=2.2 mm。

流量（Mass Flow Rate）=0.019 7×3 600 kg/s=70.92 L/h。

2 微噴頭產(chǎn)品性能測試

根據(jù)西部牧區(qū)試驗基地種植物的需水特點，及灌溉給水情況，選擇噴嘴直徑1.2 mm進行開模，并生產(chǎn)首批試驗樣品，并對產(chǎn)品的流量均勻性進行檢測。

2.1 流量均勻性試驗結果

依據(jù)《中華人民共和國水利行業(yè)標準》（SL/T 67.3-1994微灌灌水器-微噴頭）的技術指標要求及試驗方法對微噴頭的流量均勻性進行檢測，并選取國內(nèi)廠商A和B進行比較，測試微噴頭樣品噴嘴直徑為1.2 mm，額定流量為70 L/h。檢測結果如表1所示。

表1 流量均勻性檢測結果Tab.1 Flow uniformity test results

由表1可見，國內(nèi)廠商A的產(chǎn)品流量偏大，相對流量偏差超過標準要求的7%以內(nèi)；廠商B的產(chǎn)品流量符合標準要求，但其制造偏差大，表明其產(chǎn)品生產(chǎn)穩(wěn)定性和質(zhì)量控制能力較低；本課題的產(chǎn)品相對流量偏差和制造偏差均在7%以內(nèi)，且數(shù)值較小，表明本課題產(chǎn)品生產(chǎn)穩(wěn)定，模具、材料、配方、工藝等影響產(chǎn)品制造偏差大小的因素質(zhì)量管控嚴格，能夠保證產(chǎn)品的灌水均勻度。

2.2 壓力和流量關系試驗結果

依據(jù)《中華人民共和國水利行業(yè)標準》（SL/T 67.3-1994微灌灌水器-微噴頭）的技術指標要求及試驗方法對微噴頭的壓力和流量關系進行檢測并選取國內(nèi)廠商A和B進行比較，測試微噴頭樣品噴嘴直徑為1.2 mm，額定流量為70 L/h。結果表明：一般情況下，灌水器的出水流量隨工作壓力大小而變化，因此要求灌水器要有一定的調(diào)節(jié)能力，使得在壓力變化時引起的流量變化較小，本課題產(chǎn)品的流態(tài)指數(shù)為0.44，符合國家標準，同時是三家廠商中的最小的，表明本課題微噴頭產(chǎn)品對壓力變化的敏感程度最小，是非壓力補償式調(diào)節(jié)功能較好的一類。

2.3 耐久性試驗結果

依據(jù)《中華人民共和國水利行業(yè)標準》（SL/T67.3-1994微灌灌水器-微噴頭）和《中華人民共和國國家標準》（GB/T 16422.2）對微噴頭的耐久性進行檢測，并選取國內(nèi)廠商A和B進行比較，檢測結果如表2所示。

產(chǎn)品的耐久性主要取決于材料的耐久性，由表三可以看出，本課題的微噴頭產(chǎn)品的耐久性經(jīng)過300 h的加速老化后，其連續(xù)工作時間仍然能夠達到1 500 h以上，遠超國內(nèi)廠商A和廠商B的同類產(chǎn)品，表明本課題產(chǎn)品在高寒荒漠區(qū)的光照強、輻射高的氣候條件下耐老化性能更優(yōu)。

表2 耐久性檢測結果Tab.2 durability test results

2.4 耐寒性試驗結果

微噴頭的耐寒性主要取決于材料的耐寒性，依據(jù)《中華人民共和國國家標準》（GB/T 5470-2008低溫脆化試驗測試方法）進行，并選取聚甲醛和ABS材料進行比較，檢測結果如表3所示。

表3 耐寒性檢測結果Tab.3 Test resultsof cold resistance

由測試結果來看，使用PC改性ABS的ABS/PC塑料合金的脆化溫度遠遠低于ABS的脆化溫度，表明其耐寒性遠超過純粹ABS材料的耐寒性，能夠滿足高寒荒漠區(qū)氣候條件下的使用。

3 結論

本課題通過對微噴頭旋轉(zhuǎn)體結構及作用原理的研究分析，設計了一種反對稱結構的雙流道旋轉(zhuǎn)體，該技術產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)及推廣應用，可促進和帶動節(jié)水灌溉技術向優(yōu)質(zhì)、高效、經(jīng)濟、適用、環(huán)保的技術產(chǎn)品方向發(fā)展，縮短或接近甚至超過國外先進技術水平，推動我國節(jié)水灌溉產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在農(nóng)業(yè)灌溉方面，提高了水資源的利用率；同時，降低了灌溉系統(tǒng)的維護成本，在增加農(nóng)民收入促進區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展等方面將發(fā)揮積極的促進和帶動作用。