一體化壓力補償式熱塑性彈性材質滴頭設計與試驗

楊小坤，牛文全,2※ ，張 亮

（1.西北農林科技大學水利與建筑工程學院，楊凌712100；2.西北農林科技大學水土保持研究所，楊凌712100；

3.山東春雨節(jié)水灌溉設備有限公司，濟南271100）

0 引 言1

滴頭和過濾器是滴灌工程2個核心裝置，性能優(yōu)良的過濾器可以使進入管網系統(tǒng)的水質合格，防止滴頭堵塞，保證滴灌系統(tǒng)的正常運行[1]，好的滴頭可以使灌溉水均勻地滴入灌溉區(qū)域，且具有較高的抗堵塞能力[2-3]。目前，根據流量對工作水壓的適應能力，滴頭可以分為壓力補償式滴頭和一般滴頭。壓力補償式滴頭在較大的工作水壓變化范圍內可以實現(xiàn)流量基本穩(wěn)定，因此，壓力補償?shù)晤^適應范圍更廣[4-5]，在干旱缺水的丘陵山區(qū)地區(qū)的山坡地或起伏較大的田間進行滴灌時，壓力補償式滴頭具有更好的適應性和灌水均勻度[6-8]。據調查，對于壓力補償式滴頭在結構優(yōu)化設計、材料選擇和產業(yè)化穩(wěn)定生產控制技術等方面，中國節(jié)水灌溉企業(yè)還沒有完全掌握，不具備完全的自主設計和生產能力。中國亟待攻克壓力補償式滴頭的設計和產業(yè)化生產的控制技術[9]。

為了探明壓力補償式滴頭結構參數(shù)與性能之間的關系，探索壓力補償式滴頭的設計方法，中國節(jié)水灌溉科技人員開展了大量的研究[10-16]，為建立壓力補償式滴頭結構設計方法奠定了良好的基礎。但上述研究均是基于三件式結構滴頭，即滴頭均由基底、硅膠片和蓋扣組成。目前，市場上使用的壓力補償式滴頭基本為國外進口產品，這些產品生產過程復雜，需要多副模具，生產成本高，周期長[16]，產品質量控制困難。同時，由于含有硅膠補償片，致使壓力補償式滴頭和滴灌帶回收利用難度更大，回收成本更高，閑置在田間的廢舊滴灌帶不僅造成浪費，也會造成土壤環(huán)境污染[17]。因此，研制性能更優(yōu)良、便于回收利用的滴灌產品與設備，對推廣中國的滴灌技術具有重要意義[18-19]。

王棟[20]基于具有彈性的聚氨酯材料提出了一款扁平式壓力補償?shù)晤^的設計方法，該滴頭摒棄了硅橡膠材料作為補償元件，試圖通過改變彈性片覆蓋流道的長度達到調節(jié)流量的目的，但該設計仍采用了基片、彈性膜片、蓋扣三件式結構，并沒有簡化生產工藝，目前也未見類似產品面世。魏正英等[16]提出了一體式壓力補償圓柱式滴頭的設計構想，雖然簡化了彈性膜片固定裝置，但仍需要硅橡膠等材料作為補償元件進行二次組裝，且在滴頭回收時需要分揀出該硅橡膠材料，增加人工成本等。綜上所述，中國壓力補償式滴頭的研究與生產仍是以國外常見的傳統(tǒng)產品為主，主要包括管上式、內鑲圓柱式和貼片式，且所用彈性材料都是以硅橡膠為主，并沒有一款真正的自主研發(fā)的創(chuàng)新性產品。

為此，牛文全等[21-22]提出了一種一體化的壓力補償式滴頭設計方法并給出了該滴頭的生產工藝技術，該滴頭采用熱塑性彈性材料（thermoplastic elastomer， TPE）代替硅橡膠材料實現(xiàn)補償效果，生產工藝簡單，彈性材料可完全回收利用，生產成本明顯降低。TPE，是指在常溫下顯示橡膠狀彈性、高溫下能夠塑化成型的一類新型高分子材料，因其既具有橡膠的彈性，又具有塑料的易加工性，已被廣泛應用于各大領域，同時被用于塑料改性劑以提高塑料的抗沖擊能力[23]。為了驗證該滴頭成型技術的可行性以及一體化壓力補償式滴頭的基本性能，本文研究了TPE流道結構參數(shù)對滴頭基本性能的影響，并測試了該結構滴頭的抗堵塞性能，以期為該結構滴頭的優(yōu)化和推廣應用提供依據。

1 一體化壓力補償式TPE 滴頭設計

1.1 技術要求

研制一種經濟環(huán)保、成型工藝簡單、水力性能及抗堵塞性能優(yōu)良的一體化壓力補償式滴頭。利用TPE代替?zhèn)鹘y(tǒng)硅橡膠彈性片，實現(xiàn)降低回收利用成本的目的，摒棄傳統(tǒng)三件式結構，全部采用塑料一次性注塑成型滴頭。要求滴頭有良好的水力性能和抗堵塞性能，流量在1.5～2.0 L/h之間，流態(tài)指數(shù)≤0.1，起調壓力≤40 kPa，補償區(qū)間最大值≥250 kPa[24]，流量補償效果不差于國外常見滴頭，抗堵塞性能不差于一般貼片式滴頭。

1.2 基本結構與工作原理

滴頭主要由固定流道與可變形流道2個部分組成。其中，固定流道采用低密度聚乙烯（low density polyethylene，LDPE）材料注塑而成，可變形流道由TPE材料注塑而成。選用雙色注塑機，先注塑產生固定流道部分，再用TPE材料注塑成型變形流道結構部分組合成型，結構見圖1。

水流從進水口進入固定迷宮流道，經過第1次消能后進入可變迷宮流道；由水力學能量守恒定理知，經過消能后的水流流速減緩，水流壓強降低，從而與圖1b中彈性片一側的水流形成壓差，在壓差的作用下彈性片發(fā)生變形，彈性片向彈性齒方向靠近，可變迷宮流道過水斷面面積減小。在可變迷宮流道內，水流進行第2次消能，流速進一步減小，并在彈性體變形與流體壓強耦合作用下，水流最終達到穩(wěn)定狀態(tài)。當毛管水流壓力較小時，迷宮流道內水流流速較小，彈性體變形較小，可變迷宮流道過水斷面較大；反之，過水斷面較??；由Q=S·V（Q為流量，m3/s；S為過水斷面面積，m2；V為水流流速，m/s）知，滴頭出水口流量能達到流量保持不變或變化量較小的補償效果。在可變流道內，當灌水壓強小于一定值時，滴頭內的TPE彈性片脫離迷宮流道，此時過水斷面增大，附著在齒間、彈性片表面的沙?？梢暂p易地被水流帶走，因此該滴頭還具有一定的沖洗功能，可以減緩滴頭堵塞的問題。

圖1 一體化壓力補償?shù)晤^結構 Fig.1 Structure diagram of integrated pressure-compensating emitter

2 關鍵結構參數(shù)設計

2.1 彈性片力學分析

水流進入可變流道后，部分水流從彈性齒組成的迷宮流道通過，另一部分從彈性齒面與彈性片圍成的五邊形(圖2a 虛線部分)流道通過。補償效果發(fā)生時，彈性片兩側的壓力差F 使得彈性片發(fā)生一定變形，進而通過改變迷宮流道過水斷面的方法達到流量平衡的效果[25]，補償區(qū)迷宮流道結構剖面圖如圖2 所示。下面對彈性片變形過程進行受力分析。

圖2 可變流道剖面及彈性片變形示意圖 Fig.2 Variable channel section and structure diagram of deformation of elastic diaphragm

彈性片發(fā)生變形時形成凸起（圖2b），從材料力學來講，是彈性片受到了軸向拉伸的作用，設該軸向拉力為N，并選取彈性片的一半進行受力分析。

由弧長公式得：

流量穩(wěn)定時，彈性片基本處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)，由ΣY=0，即彈性片在Y 軸方向所受合力為0，得到：

式中f 為彈性片在流道中的長度，mm。

由材料力學知：

式中m 為彈性片的厚度，mm；E 為彈性片的彈性模量，MPa。

由幾何關系，得彈性片凸起高度：

式中h 為彈性片變形后凸起的高度，mm。

同時，橡膠彈性模量和硬度之間存在如下關系[26]：

式中Ha為邵氏硬度，HA。

聯(lián)立式（1）～（5）得：

當流道結構尺寸確定后，最大要求工作壓強下△P 就可以確定，由于彈性片凸起后的最大高度hmax≈c，分別代入式（7）和式（8）即可求得E 值，再代入式（6），進而確定彈性片的硬度。

△P 值的范圍確定：彈性片兩邊的壓強差值△P 的大小不僅與工作壓強有關，還與流道結構有關。由水力學知，固定迷宮流道消能效果越好，△P 的值越大，同時可變流道調節(jié)流量的作用就會越小甚至消失，因此有必要控制固定迷宮流道與可變迷宮流道的比例。本文通過數(shù)值模擬的方法確定△P。

2.2 迷宮流道結構與參數(shù)

滴頭流道結構不僅與滴頭的水力性能有關[11,27]，還對滴頭的抗堵塞性能起決定性作用[12,28]。以Netfim、Plastro等產品鋸齒型滴頭流道結構為參考，通過數(shù)值模擬的方法對滴頭水力性能進行CFD 模擬計算[29-30]，篩選較優(yōu)的參數(shù)組合作為滴頭的設計依據。為了減少流道中死角、低流速區(qū)等易產生泥沙停滯區(qū)域，對齒尖進行了倒圓角處理[31-32]。迷宮流道結構的主要參數(shù)如圖3 所示。

圖3 迷宮流道結構示意圖 Fig.3 Structure diagram of labyrinth channel

1） 固定流道結構參數(shù)

本滴頭通過可變迷宮流道結構過水斷面的變化實現(xiàn)流量穩(wěn)定的效果，固定迷宮流道的主要作用是穩(wěn)定初始流量、保證在低壓條件下滴頭也能保持水流形態(tài)為紊流。因此，根據經驗直接設定固定迷宮流道的尺寸，其中，齒尖角為30°，齒寬0.6 mm，齒間距1.5 mm，流道深度0.9 mm，齒尖進行倒圓角處理，流道中心的齒尖倒圓角半徑為0.1 mm，邊壁的齒尖倒圓角半徑為0.3 mm，齒尖參差量為0，流道單元個數(shù)為4。

2） 可變流道結構參數(shù)設計

滴頭通過改變彈性片與可變迷宮流道間的過水斷面面積進行流量調節(jié)，因此可變迷宮流道的結構尺寸對滴頭的水力性能起決定性作用。對于迷宮流道，本設計固定1 個單元長度為1.1 mm，當齒夾角α 及其所對應的流道寬度w 確定時，該流道的結構就已確定，因此選取齒夾角、流道寬度、流道深度、單元數(shù)為試驗因素，每個試驗因素取3 個水平，如表1 所示。根據選定的模擬試驗因素和水平，采用正交試驗設計，選取正交試驗表L9（34）。同時根據固定迷宮流道尺寸的規(guī)格，設定彈性片與邊壁彈性齒間的距離a 為0.3 mm，彈性片寬度b 為3 mm，且為了使彈性片能夠充分變形，彈性齒形狀呈中間窄兩邊寬形狀，c 為0.9 mm，見圖2；流道中心的齒尖倒圓角半徑為0.1 mm，邊壁的齒尖倒圓角半徑為0.2 mm。

表1 正交試驗因素與水平表 Table 1 Factors and levels of orthogonal experimental design

2.3 CFD 計算過程及結果

滴頭流量受流道最小過水斷面尺寸影響較大，且補償式滴頭在工作時補償片的具體運動形式不明確[15]，為了得到設計流量所對應的流道結構，令250 kPa 時彈性片基本貼附在迷宮流道上，此時水流僅從迷宮流道通過，并假設100、150 kPa 時彈性片的變形情況，簡化后的可變迷宮流道過水截面結構如圖4 陰影部分所示。

圖4 不同壓力下彈性片變形簡化示意圖 Fig.4 Simplified diagram of deformation of elastic diaphragm for different pressures

本文采用ANSYS15.0 數(shù)值模擬軟件，模型網格尺寸為0.2 mm，網格單元數(shù)量為9.9～16.5 萬個，計算選用k-e 湍流模型?？勺兞鞯澜Y構CFD 數(shù)值模擬計算結果如表2 所示。由計算結果可以看出，滴頭N4、N5、N7 在250 kPa 時滴頭流量分別為2.1、1.6 和1.7 L/h，接近流量為1.5～2.0 L/h 的設計要求。根據三者的流量變化幅度及本文設計流量要求，選取N5 滴頭結構參數(shù)作為滴頭尺寸設計依據，考慮到彈性片可能完全貼附流道壁面時的流量情況以及結合N4、N5流道單元數(shù)，將兩者可變迷宮流道單元數(shù)取均值，調整為12個。最終可變流道結構尺寸：齒尖角34°，流道寬度0.4 mm，流道深度0.4 mm，流道單元數(shù)12 個。

彈性片的尺寸及彈性（或硬度）對滴頭的補償性能起到關鍵作用，為了確定合適的彈性片尺寸及物理性能，需要確定彈性片的使用條件，圖5 為計算過程中不同結構尺寸條件下部分滴頭的計算壓強云圖。在進水口壓強為250 kPa，彈性片貼附在彈性齒上時，彈性片兩側的壓強△P 為 70～150 kPa，擬選用的彈性片厚度為 0.5 mm，當流道結果尺寸確定后，據式（6）～式（8）可得出，彈性片的硬度為26～44 HA。

表2 正交試驗設計與數(shù)值模擬計算結果 Table 2 Orthogonal experimental design and results of numerical simulation

圖5 不同流道結構尺寸時各滴頭的壓力云圖 Fig.5 Pressure nephogram of emitters with different structure size

3 滴頭測試內容與方法

3.1 測試材料與測試裝置

為了驗證設計滴頭補償效果及小流道結構尺寸下滴頭的堵塞情況，選取TPE 硬度分別為30 和40 HA，結構完全相同的一體化壓力補償式滴頭2 種（分別記為A30和A40，由山東春雨節(jié)水灌溉設備有限公司代生產加工）進行水力性能和抗堵塞試驗，滴頭樣式如圖6 所示。其中，可變流道結構參數(shù)：齒間距1.1 mm，齒尖角34°，流道寬度0.4 mm，流道深度為0.4 mm 可變流道單元數(shù)12 個；彈性片寬度3.5 mm，厚度0.5 mm，彈性齒與彈性 片之間距離0.3 mm。同時選取2 種流量相當?shù)膲毫ρa償?shù)晤^（一種為國外滴頭Corona-2L，記為Corona，另外一種為國內楊凌錦川管業(yè)有限公司生產滴頭，記為JC）進行水力性能對比試驗；選取2 種一般貼片式迷宮流道滴頭（分別記為滴頭B 和滴頭C）進行3 種滴頭抗堵塞性能的對比試驗。抗堵塞試驗所用的泥沙選自渭河灘地淤泥，去雜質、風干研磨后過0.1 mm 篩網，取小于0.1 mm粒徑的土樣作為試驗材料，過篩后的泥沙級配（質量分數(shù)）：0～0.002（13.24%），＞0.002～0.005（3.61%），＞0.005～0.01（4.85%），＞0.01～0.02（11.98%），＞0.02～0.05（41.4%）和＞0.05～0.1 mm（24.92%）。試驗用水為楊凌自來水，測試水溫平均為29.5 ℃。

試驗裝置參照《農業(yè)灌溉設備－灌水器－技術規(guī)范和試驗方法》[33]組裝，主要由水沙混合桶（高0.55 m、直徑0.6 m）、水泵（上海哈單機電有限公司-DBZ 單相自吸泵，最高揚程60 m）、攪拌機（擺線針輪減速攪拌機，轉速1 390 r/min）、壓力表（上海自動化儀表股份有限公司，精密度0.25 級）等組成，如圖7 所示。

圖6 一體化壓力補償?shù)晤^成品試樣 Fig.6 Integrated pressure-compensating emitter samples

圖7 水力性能測試平臺 Fig.7 Diagram of hydraulic performance test bed

3.2 測試方法

試驗前將水壓分別調至最小、最大壓強并保壓5 min，測試過程以20 kPa 為極差從20 kPa 測試壓強開始測量，至260 kPa 測試壓強結束。每次壓強穩(wěn)定后，將量筒放至各滴頭下，單個水頭測試時間5 min，重復2 次，2 次質量誤差小于2%并取平均值作為滴頭的流量。

采用周期性間歇渾水滴灌試驗法測試滴頭抗堵塞性能，試驗選用粒徑小于0.1 mm 的泥沙。在100 kPa 測試壓強下，先測定清水條件下的滴頭平均流量Q0，再分別對泥沙濃度為0.50、0.75 和1.00 g/L 的3 種水質進行滴頭抗堵塞測試。每次灌水時間30 min，間歇30 min，共25次灌水，每條毛管含7 枚滴頭，設3 條毛管為重復。每次灌水結束后，記錄各滴頭流量并取平均流量記為Qi，取Qr=Qi/Q0為該次灌水的相對平均流量，另采用每次灌水時各滴頭流量的變差系數(shù)Cv（表征滴頭流量灌水均性，%）對滴頭的抗堵塞性能進行評價。

4 結果與分析

4.1 滴頭的補償性能

圖8 為A30、A40 及其他滴頭壓力—流量實測曲線。各曲線均在40～60 kPa 區(qū)間存在拐點，其中JC 滴頭在灌水壓強小于40 kPa 時無流量，對實測數(shù)據進行曲線擬合，得到各滴頭的擬合Q—H 曲線，見圖8。

圖8 不同滴頭水力性能測試曲線 Fig.8 Curve of hydraulic performance of different emitters

4.2 抗堵塞性能

4.2.1 泥沙濃度對一體化滴頭抗堵塞性能的影響

從圖9 可以看出，在壓力補償區(qū)間，滴頭Qr隨著灌水次數(shù)的增加呈下降趨勢，滴頭Cv呈上升趨勢，與其他類型滴頭堵塞情況一致。當泥沙濃度較高時，滴頭的Qr和Cv都出現(xiàn)了突然減小或增大，說明滴頭堵塞程度并不一定是一直加重，而是具有一定的波動性與隨機性，這得益于一體化壓力補償?shù)晤^的特殊結構。當泥沙濃度為0.50、0.75 g/L 時，Qr在第25 次灌水時下降到75%，Cv在第22 次灌水后大于20%，該一體化壓力補償?shù)晤^有效灌水次數(shù)達到22 次以上，抗堵塞性能良好。

壓力補償式滴頭的水力性能評價指標包括起調壓力、流態(tài)指數(shù)、補償區(qū)間等，補償區(qū)間范圍按標壓 （100 kPa）下流量的15%偏差確定，各指標如表3 所示。A30、A40 滴頭在100 kPa 時流量均為2.4 L/h，流量系數(shù)分別為2.25 和1.79，起調壓力在34～35 kPa；流態(tài)指數(shù)分別為0.07 和0.13，符合行業(yè)標準[24]小于0.2 的要求，性能優(yōu)良；補償區(qū)間分別為35～300 及34～250 kPa，補償范圍大于150 kPa。Corona 滴頭起調壓力為49 kPa，流態(tài)指數(shù)0.02；JC 滴頭起調壓力為52 kPa，流態(tài)指數(shù)0.12，由此看出，國內壓力補償式滴頭性能距離國際水平仍有差距。對比分析知，當彈性片硬度為30 HA 時，滴頭流態(tài)指數(shù)為0.07＜0.2，補償區(qū)間最大壓力265 kPa＞150 kPa，滿足行業(yè)標準[24]要求，故該一體化壓力補償?shù)晤^設計及功能屬于恒流灌水器-壓力補償式滴頭范疇。

圖9 泥沙濃度對滴頭流量的影響 Fig.9 Influence of sediment concentrations on flow rate of emitter

表3 不同滴頭水力性能測試結果 Table 3 Results of hydraulic performance of different emitters

4.2.2 不同類型滴頭抗堵塞性能對比

采用2 種一般貼片滴頭B 和C 與一體化壓力補償?shù)晤^（記為A）進行對比，3 種滴頭主要參數(shù)如表4 所示，分別在50、100 kPa 測試壓力下對滴頭進行短周期堵塞試驗，泥沙濃度為1.00 g/L。

由圖10 可知，50、100 kPa 工作壓力下，3 種滴頭的Qr都隨著灌水次數(shù)的增加而減小。當系統(tǒng)壓力為50 kPa，15 次灌水后，A、B、C 滴頭的相對流量分別下降至93.1%、54.2%、81.8%，滴頭的抗堵塞性能為A＞C＞B；當壓力為100 kPa 時，滴頭的抗堵塞性能為C＞B≥A。對于流道結構不可變的非補償式滴頭，其抗堵塞性能與流道最小斷面尺寸有關[13,34-35]，一般而言，流道結構斷面尺寸越大，相同情況下發(fā)生堵塞的程度的概率越小，因此對于B、C 滴頭，C 的抗堵塞性能優(yōu)于B。在100 kPa工作壓力下，A 滴頭可變形流道過水斷面大幅度減小，導致泥沙迅速淤積，致使滴頭較快地出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象；但在50 kPa 工作壓力時，彈性片變化較小，流道結構相對較大，且每次管網系統(tǒng)開啟或關閉時，通過彈性片的震動，可以排出附著、停留的泥沙而達到減緩滴頭堵塞情況。

表4 3 種滴頭主要結構參數(shù) Table 4 Main structure parameters of 3 different emitters

圖10 不同滴頭堵塞情況 Fig.10 Clogging of different emitters

與傳統(tǒng)硫化橡膠相比，TPE 的生產不需硫化、成型加工簡單，生產流程短、節(jié)約能耗、效率高10 倍以上，被人們稱為繼天然橡膠、合成橡膠后的第三代橡膠[36]。設計滴頭采用一體化結構，精簡了結構設計，減少了模具使用數(shù)量，量產時單個滴頭成本在0.05～0.1 元，是傳統(tǒng)“三件式”滴頭成本的15%～35%，生產效率提升50%～150%。設計滴頭采用TPE 作為壓力補償元件，屬于國內首例產品。由于補償效果發(fā)生時彈性片處于波動或震動狀態(tài)，為了真實地觀測滴頭的補償狀態(tài)情況以及彈性結構對泥沙顆粒的響應，建議采用數(shù)字式粒子圖像測速儀（digital particle Image velocimetry，DPIV）與平面激光誘導熒光技術相結合的方式觀測滴頭內部的水沙流動情況。

5 結 論

1）基于壓力補償式滴頭補償原理，借助計算力體力學仿真軟件設計了一體化壓力補償式滴頭，滴頭流態(tài)指數(shù)為0.07，補償區(qū)間為35～300 kPa，起調壓力35 kPa， 水力性能指標滿足壓力補償式滴頭設計要求。

2）與流道結構相似的一般貼片式滴頭相比，在低壓灌水壓力時，滴頭A 的抗堵塞性能優(yōu)于滴頭B、C，且滴頭具有一定自沖洗功能，能夠減緩滴頭堵塞問題。

3）滴頭采用一體化設計，生產工藝簡單，降低了生產成本，且材料可完全回收利用，該產品的研制有助于中國節(jié)水灌溉滴灌技術的推廣。