一体化压力补偿式滴头设计与性能测试

摘要

滴灌，作为一种局部精准灌水方式，具有节水节肥的特点。根据流量对工作压力的适应能力，滴头可以分为压力补偿式滴头和一般滴头，压力补偿式滴头在较大的工作压力变化范围内可以实现流量基本稳定，适应范围更广。目前，国内外常见的压力补偿式滴头多为硅胶片类滴头，该种滴头结构复杂、研发周期长、回收难度大。为了克服硅胶片类压力补偿式滴头“回收难”等问题，本研究以热塑性弹性体（TPE）代替硅橡胶材料，以一种一体化压力补偿式滴头结构设计为出发点，选取不同的滴头迷宫流道结构参数并建立正交试验，借助数值模拟计算软件ANSYS15.0对不同参数组合的滴头进行仿真计算，通过对计算结果的选择与优化，设计出一款一体化压力补偿式滴头。利用双色模注塑机进行滴头试制，分别对滴头的水力性能、抗堵塞性能进行测试；同时，为了探究弹性补偿片对滴头水力性能的影响，通过老化等试验研究了弹性片力学性能对滴头水力性能的影响，初步表明了弹性片力学拉伸指标与滴头水力性能之间的关系。主要结论如下： （1）开发了一种一体化压力补偿式滴头的设计方法。根据一体化压力补偿式滴头设计方法与设计要求，建立可变流道结构参数不同组合的正交试验并通过Fluent对不同结构的一体化压力补偿式滴头模型进行仿真计算，确定可变迷宫流道参数组合为齿尖角34°，流道宽度4mm，流道深度0.4mm，流道单元数12个的结构尺寸。对补偿元件—弹性片进行力学分析，建立了弹性片所受压差与弹性片硬度的关系，根据仿真计算结果确定弹性片的硬度为35～55HA。 （2）一体化压力补偿式滴头补偿性能优良，性价比高。对弹性片硬度为30、40HA的一体化压力补偿式滴头进行产品试制并进行水力性能测试，结果表明，弹性片为30HA时，滴头流态指数为0.07，远小于压力补偿式滴头要求值0.2，补偿性能优良；起调压力为35kPa，补偿区间在35kPa～300kPa之间，能够适用于山区丘陵等地势起伏较大的西北干旱、半干旱地区；设计滴头采用一体化结构，结构简单，设计流程简便，减少了模具使用数量，量产时单个滴头成本在0.05～0.1元，是传统“三件式”滴头成本的15%～35%，生产效率提升50%～150%。 （3）一体化压力补偿式滴头抗堵塞性能良好。与两款一般贴片式滴头相比，在试验灌水的泥沙含量为1.0g/L，灌水压力为50kPa时，尽管一体化压力补偿式滴头具有最小的流道结构尺寸及过水断面，在20次灌水后A30滴头仍然有较好抗堵塞性能；在灌水压力为100kPa时，A30滴头堵塞情况与流道过水断面面积相当的B滴头基本一致。 （4）当浑水泥沙含量不小于1.0g/L时，滴头有较好的抗堵塞性能。由于滴头流道结构的可变性，当浑水泥沙含量为0.5、0.75g/L时，25次灌水后滴头平均相对流量为80%，大于75%，说明未发生严重堵塞；而当泥沙浓度为1.00g/L时，滴头相对流量在第4次灌水后突然下降到80%以下，个别滴头出现完全堵塞的情况。不同灌水压力对滴头堵塞试验中，灌水压力越小，滴头的抗堵塞性能越好，因此对于流道结构较小的一体化压力补偿式滴头，得益于其较小的起调压力及良好的补偿性能，可以考虑通过降低系统灌水压力的方式减缓滴头的堵塞情况。 （5）建立了弹性片的拉伸指标与滴头水力性能之间的关系。高频次灌水的滴头弹性片耐屈挠试验中，滴头流量会随着灌水次数的增加呈先减小后稳定的趋势。通过对不同灌水次数后的TPE弹性片拉伸试验表明，拉伸指标中扯断永久变形量对滴头流量有显著影响（P<0.05），且呈负相关关系，即扯断永久变形量越大，滴头流量越小；大气暴露试验后的材料拉伸试验表明，TPE补偿元件老化后，材料的拉伸断裂伸长率对滴头流量、流量系数、及补偿区间影响显著（P<0.05），呈负相关关系，与起调压力及流态指数呈正相关关系（P<0.05）。

目录

声明

第一章 绪论

1.1研究背景

1.2研究目的及意义

1.3研究进展

1.3.1滴头设计

1.3.2补偿元件材料对滴头水力性能的影响

1.3.3流道结构对滴头水力性能的影响

1.3.4水质对滴头堵塞的影响

1.3.5工作水压对滴头水力性能及抗堵塞能力的影响

1.4存在问题

1.5研究内容

1.5.1一体化压力补偿式滴头结构设计

1.5.2一体化压力补偿式滴头抗堵塞性能试验

1.5.3老化对滴头水力性能的影响

1.6技术路线

第二章 一体化压力补偿式滴头结构设计与水力性能测试

2.1.1滴头结构

2.1.2滴头工作原理

2.1.3滴头设计要求

2.2一体式压力补偿式滴头设计方法

2.2.1弹性片力学分析

2.2.2△P值范围的确定

2.2.3迷宫流道结构与参数

2.3.1弹性体变形基本假设

2.3.2控制方程与模型处理

2.3.3数值模拟计算结果

2.4.1试验材料与装置

2.4.2试验方法与评价指标

2.4.3结果分析

2.5小结

第三章 一体化压力补偿式滴头抗堵塞性能测试

3.1材料与方法

3.1.1试验材料

3.1.2试验方法

3.1.3评价指标

3.2一体化压力补偿式滴头与一般滴头的抗堵塞对比试验

3.3.1泥沙含量对滴头流量的影响

3.3.2泥沙含量对滴头流量变差系数的影响

3.4工作水压对一体化压力补偿式滴头堵塞的影响

3.4.1工作水压对滴头相对流量的影响

3.4.2工作水压对滴头流量变差系数的影响

3.5小结

第四章 老化对一体化压力补偿式滴头的影响与分析

4.1材料与方法

4.1.1试验材料与方法

4.1.2评价指标

4.2.1滴头流量

4.2.2滴头流量偏差系数

4.2.3TPE物理性能对水力性能的影响

4.3自然老化对滴头水力性能的影响

4.3.1老化对滴头压力-流量曲线的影响

4.3.2老化对滴头流量变差系数的影响

4.3.3 TPE物理性能对水力性能的影响

4.4小结

第五章 结论与展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

致谢

个人简历