一种用于高寒荒漠区的非对称旋转微喷头的设计方法

聂月霞，张学双，冯厚军

（大禹节水集团股份有限公司，甘肃 酒泉 735000）

1 关键技术方案与设计思路

1.1 研究方法

对微喷头几何参数和旋转体的结构进行深入的分析，依靠三维实体模型绘制软件Pro/Engineer，设计一种新型的反对称旋转体旋转式微喷头。利用三维模拟软件进行产品流量性能模拟，充分发挥3D打印快速成型技术优点，将计算机三维模型快速转化为实体模型，并通过试验测试来确定最终的设计模型。

依托产品设计模型，针对旋转式微喷头不同部件结构设计、材料及功能要求，组合开发一模多腔冷流道和半热流道注塑模具，使模具制造成本得到优化，旋转式微喷头各部件生产更稳定、生产效率更高、制造成本更低。

通过对高寒荒漠区年均气温及光照强度的分析，选择ABS+PC塑料合金为旋转式微喷头材料主体，添加集炭黑、抗氧剂、光稳定剂等，通过大量试验确定配方工艺。并对普通注塑机结构及生产性能进行研究，设计出一套适合上述旋转式微喷头各部件的生产工艺技术路线及配套工艺参数。

1.2 关键技术措施

文章主要研究基于Pro/Engineer平台的微喷灌设备的研制和开发。Pro/Engineer作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，是最常用的产品设计软件之一，在国内产品设计行业非常重要。对旋转式微喷头设计的产品三维模型，采用先进的快速成型技术实现产品模型向实体的快速转换。依托产品快速开发成型的技术，不仅能制作出任意形状和复杂程度的产品，同时将传统的开发周期由4～5个月缩短到3～5 d，成本由上万元降到2 000元以下，在CAD技术的支持下可完成微喷头设计知识积累，获得具有自主设计管件产品的能力。

1.3 微喷头流量模拟

Fluent是目前应用广泛的计算流体力学软件，可形象地体现流体在喷头中的流动情景，且方便结构尺寸的改变优化。在Fluent软件中，设置进口（Pressure-inlet）压力为微喷头工作额定压力0.2 MPa，出口处（Pressure-outlet）压力值为0 MPa，即大气自由出流，边界条件设置为理想壁面，运用K-ξ紊流模型模拟。项目研究过程中，基于设计结构，对旋转式微喷头选择喷嘴内径为 0.8 mm、1.0 mm、1.2 mm、1.5 mm、1.8 mm，进口工作压力 0.1 MPa、0.15 MPa、0.2 MPa、0.25 MPa、0.3 MPa，共计30个点进行了流量模拟分析。根据实际需求，设计喷嘴参数d内径=1.2 mm，设计工作压力为PN=0.2 MPa，设定湍流强度（Turberlance Indesity）=3%，设定进口水力直径（Hydualic Diameter）=6 mm，设定出口水力直径（Hydualic Diameter）=2.2 mm。

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

2 微喷头产品性能测试

根据西部牧区试验基地种植物的需水特点，及灌溉给水情况，选择喷嘴直径1.2 mm进行开模，并生产首批试验样品，并对产品的流量均匀性进行检测。

2.1 流量均匀性试验结果

依据《中华人民共和国水利行业标准》（SL/T 67.3-1994微灌灌水器-微喷头）的技术指标要求及试验方法对微喷头的流量均匀性进行检测，并选取国内厂商A和B进行比较，测试微喷头样品喷嘴直径为1.2 mm，额定流量为70 L/h。检测结果如表1所示。

表1 流量均匀性检测结果Tab.1 Flow uniformity test results

由表1可见，国内厂商A的产品流量偏大，相对流量偏差超过标准要求的7%以内；厂商B的产品流量符合标准要求，但其制造偏差大，表明其产品生产稳定性和质量控制能力较低；本课题的产品相对流量偏差和制造偏差均在7%以内，且数值较小，表明本课题产品生产稳定，模具、材料、配方、工艺等影响产品制造偏差大小的因素质量管控严格，能够保证产品的灌水均匀度。

2.2 压力和流量关系试验结果

依据《中华人民共和国水利行业标准》（SL/T 67.3-1994微灌灌水器-微喷头）的技术指标要求及试验方法对微喷头的压力和流量关系进行检测并选取国内厂商A和B进行比较，测试微喷头样品喷嘴直径为1.2 mm，额定流量为70 L/h。结果表明：一般情况下，灌水器的出水流量随工作压力大小而变化，因此要求灌水器要有一定的调节能力，使得在压力变化时引起的流量变化较小，本课题产品的流态指数为0.44，符合国家标准，同时是三家厂商中的最小的，表明本课题微喷头产品对压力变化的敏感程度最小，是非压力补偿式调节功能较好的一类。

2.3 耐久性试验结果

依据《中华人民共和国水利行业标准》（SL/T67.3-1994微灌灌水器-微喷头）和《中华人民共和国国家标准》（GB/T 16422.2）对微喷头的耐久性进行检测，并选取国内厂商A和B进行比较，检测结果如表2所示。

产品的耐久性主要取决于材料的耐久性，由表三可以看出，本课题的微喷头产品的耐久性经过300 h的加速老化后，其连续工作时间仍然能够达到1 500 h以上，远超国内厂商A和厂商B的同类产品，表明本课题产品在高寒荒漠区的光照强、辐射高的气候条件下耐老化性能更优。

表2 耐久性检测结果Tab.2 durability test results

2.4 耐寒性试验结果

微喷头的耐寒性主要取决于材料的耐寒性，依据《中华人民共和国国家标准》（GB/T 5470-2008低温脆化试验测试方法）进行，并选取聚甲醛和ABS材料进行比较，检测结果如表3所示。

表3 耐寒性检测结果Tab.3 Test resultsof cold resistance

由测试结果来看，使用PC改性ABS的ABS/PC塑料合金的脆化温度远远低于ABS的脆化温度，表明其耐寒性远超过纯粹ABS材料的耐寒性，能够满足高寒荒漠区气候条件下的使用。

3 结论

本课题通过对微喷头旋转体结构及作用原理的研究分析，设计了一种反对称结构的双流道旋转体，该技术产品的产业化生产及推广应用，可促进和带动节水灌溉技术向优质、高效、经济、适用、环保的技术产品方向发展，缩短或接近甚至超过国外先进技术水平，推动我国节水灌溉产业的发展。在农业灌溉方面，提高了水资源的利用率；同时，降低了灌溉系统的维护成本，在增加农民收入促进区域经济发展等方面将发挥积极的促进和带动作用。