一种流延式薄壁滴灌带流道的设计及成型方法技术

本发明专利技术公开了一种流延式薄壁滴灌带流道的设计及成型方法，包括构建双层不对称流道结构及结构参数控制阈值及最优值的确定、进行双层不对称结构进水口与出水口设计、提出与双层不对称结构相匹配的成型轮加工方法及流延式滴灌带成型工艺优化方法、进行流延式滴灌带的材料改性与合理配方的设计；上述流延式滴灌带的定型生产等流程。通过本发明专利技术的方法，有效解决了因设计理论缺失导致产品开发周期长、成本高及适配性差等问题；解决了因滴灌带变形大、流道堵塞而产生的进出水不稳定问题，同时降低了生产难度；有效提升了加工精度，实现了快速、精准生产；使得管壁减薄至0.125mm，成本大大降低。

Design and forming method of tape casting thin wall drip irrigation belt runner

The invention discloses a design and forming method of the flow channel of a thin wall drip irrigation belt, which includes the construction of double deck asymmetrical channel structure and the determination of the control threshold and optimal value of structural parameters, the design of double asymmetric structure intake and outlet, and the processing method and flow of the forming wheel matching the double asymmetrical structure. The molding process optimization method of the extended drip irrigation belt, the material modification and the rational formulation of the dripping drip irrigation belt, the process of the finalized production of the dripping drip irrigation belt. Through the method of the invention, the problem of long development cycle, high cost and poor compatibility caused by the lack of design theory is effectively solved, and the instability of the water import and export caused by the large deformation of the drip irrigation belt and the clogging of the flow channel is solved, and the difficulty of production is reduced, the processing precision is effectively improved and the precision of the production is improved quickly and accurately. Production, so that the tube wall thinning to 0.125mm, the cost is greatly reduced.

【技术实现步骤摘要】
一种流延式薄壁滴灌带流道的设计及成型方法
本专利技术属于农业节水灌溉
，具体地，涉及一种关于灌水器产品的流延式薄壁滴灌带流道的设计及成型方法。
技术介绍
滴灌是目前最节水的高效灌溉技术之一，应用前景广阔，已成为现代农业实现节水、高效生产的重要途径。但是全球范围内滴灌所占比例并不高，主要原因在于滴灌系统成本高昂，对于产出效益较低的农业而言是极大的挑战。灌水器是滴灌系统用量最大的部分，绝大多数还需要每年更换，使用成本居高不下。现有技术已从多途径努力去研发新型灌水器产品，大幅降低灌水器成本。目前已成功利用吸附成型工艺开发了一次性薄壁单翼迷宫灌水器产品，有效降低了系统投资。事实上，因为吸附成型工艺所限和灌水器设计理论的缺失，使得单翼迷宫灌水器产品消能流道设计简单(通常为矩形)，导致灌水器产品的水力性能和抗堵塞性能较差，进而造成使用后残留在灌水器产品内部的泥沙颗粒等堵塞物质较多，极大地影响了灌水器产品回收再利用的产品加工性能和可再生利用价值。现有技术中，专利号：ZL201130033265.9公开了一种流涎式滴灌带产品，通过成型轮真空吸附作用及卷边装置卷边可将管壁叠加内外两层的结构形式，使其在水压达到1.5倍工作压力及以上时，导致两层管壁的间隙打开，对流道中堵塞的杂质进行清洗。上述流延式滴灌带产品价格可以降到0.15元/m左右，仅比单翼迷宫薄壁滴灌带产品价格高0.02-0.04元/m，与片式灌水器(一般在0.2元/m以上)、圆柱灌水器(一般在0.8元/m)、压力补偿灌水器(高达2元/m)比较而言具有明显的价格优势，而性能明显高于单翼迷宫产品。但由于采用的是吸附成型工艺，导致部分复杂的结构难以加工，例如：在吸附成型过程中齿尖部位会形成圆角，而齿尖部位又是消能的主要结构，从而引起水力性能与抗堵塞性能降低，明显要劣于片式、圆柱等灌水器产品。流延式薄壁滴灌带产品的研发为我们实现大幅降低系统成本、维持水力性能和抗堵塞性能提供了一条有效途径，但如何实现流延式滴灌带产品的最优化设计、生产达到设计的产品是目前急需解决的问题。更为重要的是，因为材料配方所限，在对目前生产的流延式滴灌带的测试过程中发现，由于滴灌带材料变形较大，在压力大时流道甚至被拉平而导致出流减缓，出现在0.11MPa前流量随着压力增加而增大，在0.11MPa后流量出现反而下降的趋势，在0.16MPa时甚至出现不出流的情况，且并未体现出补偿作用与自清洗功能。消能流道是灌水器最为核心的部位，部分学者开始探索利用基于计算流体动力学手段去进行灌水器结构优化设计。申请公布号：CN106096179A公开了一种滴灌灌水器流道结构设计方法及其分形流道灌水器产品，针对片式灌水器产品提出了一种完善的解决方案，为借助调控内部流动特性去开发水力特性与抗堵塞性能皆优的产品提供了一种思路。但根据该方法设计的产品对于制造加工精度要求高，无法用于简易的吸附成型加工工艺，因此研发一种适宜流延式薄壁滴灌带产品的流道设计方法与成型工艺是目前急需解决的问题。为此，本专利技术提出一种流延式薄壁滴灌带流道的设计及成型方法，建立了以调控灌水器内部多相耦合流动为目标、基于计算流体力学(ComputationalFluidDynamics，CFD)模拟技术的流延式滴灌带流道设计方法，提出了适宜流延式滴灌带的双层不对称流道构型、最优的流道结构参数及进水口、出水口结构优化形式，同时确定了产品制造相配套的吸附成型工艺和成型轮，以及提供了适宜的流延式薄壁滴灌带增韧减薄方法与材料改性配方。
技术实现思路
针对现有技术不足，本专利技术提供了一种流延式薄壁滴灌带流道设计及成型方法，所述方法包括以下流程：1、构建双层不对称流道结构及其结构参数控制阈值和最优值的确定；2、进行双层不对称结构进水口与出水口设计；3、提出与双层不对称流道相匹配的成型轮加工方法及流延式滴灌带成型工艺优化方法；4、进行流延式滴灌带的材料改性与合理配方的设计；5、实现上述流延式滴灌带的定型生产；其中，流程1包括模型模拟与求解、构建最优流道构型、确定流道结构参数的控制阈值及其最优值；流程2包括自清洗进水口和防负吸出水口的设计；流程3包括成型轮结构改进及其凹槽流道结构参数计算、凹槽流道真空吸附点位置的确定。进一步地，所述流程1的所述构建最优流道构型，包括对流道构型的齿尖和其他的结构突变部位进行圆弧优化；所述构建最优流道构型还包括构建双层不对称流道结构形式，即将上述经过圆弧优化的流道构型通过数值模拟方法进行模拟，对比湍流分布并计算平均湍动能，选择整体湍流区域与平均湍动能最大的流道构型，并将完全相同的两个所述最优流道构型构建为上下结构并左右对齐，前后分别偏移1/4-1/2的流道宽度。进一步地，所述流程1的所述确定流道结构参数的控制阈值及其最优值，包括采用数值模拟方法进行对比，选取剪切流道内壁剪切力均处于堵塞物质生长最不适宜剪切力区间即0-0.2Pa∪0.4Pa-∞内、其湍流强度较大的单元段参数为最优流道结构参数，得出齿高H为1.3-1.6mm，齿角θ为50°-60°，相邻齿距S为1.8-2.1mm，流道宽度d为0.8-1.2mm，流道长度L为27.5-42.5mm，流道深度w为0-1mm，齿尖左圆弧半径R0、齿尖右圆弧半径R1和齿根圆弧半径R2均为不小于0.2mm。进一步地，所述齿高H为1.3mm，齿角θ为60°，相邻齿距S为1.8mm，流道宽度d为0.8mm，流道长度L为34.5mm，流道深度w低于0.8mm，齿尖左圆弧半径R0为0.4mm，齿尖右圆弧半径R1为0.2mm，齿根圆弧半径R2为0.4mm。进一步地，所述流程2的所述形成自清洗进水口，包括形成双层不对称结构进水口，其偏移方向及距离与流道部分保持一致，并保证每个进水口的宽度小于流道宽度而高度相同，且进水口的边壁处不进行热封。进一步地，所述流程2的所述形成防负吸出水口，包括在出水口处形成尺寸突变结构，使得出水断面面积突然增大，从而减少负压作用引起的堵塞情况的发生。进一步地，所述流程3的所述成型轮结构改进，包括在成型轮主流道对应的边侧部分增加与主流道相同的流道成型凹槽并调整真空度，保证成型时在流道对应的一侧边壁同步形成相同流道；所述流程3的所述成型轮凹槽流道结构参数计算，包括构建成型轮上凹槽流道结构尺寸，其中，成型轮流道直线段结构尺寸计算公式为：L1＝L2±2B式中，L1为成型轮直线段结构尺寸，L2为流道直线段结构尺寸，B为滴灌带壁厚；成型轮流道圆弧段结构尺寸计算公式为：式中，R3为成型轮圆弧段结构尺寸，R4为流道圆弧段结构尺寸，B为滴灌带壁厚。进一步地，所述流程3的所述凹槽流道真空吸附点位置的确定，包括将真空吸附点设于湍流强度较大部位，即针对齿尖部位左右两侧圆弧半径不相同，在左右两侧圆弧圆心处布置真空吸附孔，通过不对称的吸附作用保证其齿尖成型精度，同时为了保证齿根圆弧的成型精度，将吸附孔圆心向齿根圆弧圆心处靠拢。进一步地，所述流程4的所述进行流延式滴灌带的材料改性与合理配方的设计，包括在材料中加入增韧母粒POE以增强韧性，在材料中加入抗UV剂以提高抗老化能力，加入相容剂以提高材料的均匀性、可加工性。进一步地，所述相容剂为马来酸酐接枝。本专利技术可以有效解决以下技术问题，具有以下有益效果：1)利用CFD分本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种流延式薄壁滴灌带流道的设计及成型方法，其特征在于，所述方法包括以下流程：流程1：构建双层不对称流道结构及其结构参数控制阈值和最优值的确定；流程2：进行双层不对称结构进水口与出水口设计；流程3：提出与双层不对称流道相匹配的成型轮加工方法及流延式滴灌带成型工艺优化方法；流程4：进行流延式滴灌带的材料改性与合理配方的设计；流程5：实现上述流延式滴灌带的定型生产；其中，流程1包括模型模拟与求解、构建最优流道构型、确定流道结构参数的控制阈值及其最优值；流程2包括自清洗进水口和防负吸出水口的设计；流程3包括成型轮结构改进及其凹槽流道结构参数计算、凹槽流道真空吸附点位置的确定。

【技术特征摘要】
1.一种流延式薄壁滴灌带流道的设计及成型方法，其特征在于，所述方法包括以下流程：流程1：构建双层不对称流道结构及其结构参数控制阈值和最优值的确定；流程2：进行双层不对称结构进水口与出水口设计；流程3：提出与双层不对称流道相匹配的成型轮加工方法及流延式滴灌带成型工艺优化方法；流程4：进行流延式滴灌带的材料改性与合理配方的设计；流程5：实现上述流延式滴灌带的定型生产；其中，流程1包括模型模拟与求解、构建最优流道构型、确定流道结构参数的控制阈值及其最优值；流程2包括自清洗进水口和防负吸出水口的设计；流程3包括成型轮结构改进及其凹槽流道结构参数计算、凹槽流道真空吸附点位置的确定。2.根据权利要求1所述的设计及成型方法，其特征在于，所述流程1的所述构建最优流道构型，包括对流道构型的齿尖和其他的结构突变部位进行圆弧优化；所述构建最优流道构型还包括构建双层不对称流道结构形式，即将上述经过圆弧优化的流道构型通过数值模拟方法进行模拟，对比湍流分布并计算平均湍动能，选择整体湍流区域与平均湍动能最大的流道构型，并将完全相同的两个所述最优流道构型构建为上下结构并左右对齐，前后分别偏移1/4-1/2的流道宽度。3.根据权利要求1或2所述的设计及成型方法，其特征在于，所述流程1的所述确定流道结构参数的控制阈值及其最优值，包括采用数值模拟方法进行对比，选取剪切流道内壁剪切力均处于堵塞物质生长最不适宜剪切力区间即0-0.2Pa∪0.4Pa-∞内、其湍流强度较大的单元段参数为最优流道结构参数，得出齿高H为1.3-1.6mm，齿角θ为50°-60°，相邻齿距S为1.8-2.1mm，流道宽度d为0.8-1.2mm，流道长度L为27.5-42.5mm，流道深度w为0-1mm，齿尖左圆弧半径R0、齿尖右圆弧半径R1和齿根圆弧半径R2均为不小于0.2mm。4.根据权利要求3所述的设计及成型方法，其特征在于，所述齿高H为1.3mm，齿角θ为60°，相邻齿距S为1.8mm，流道宽度d为0.8mm，流道长度L为34.5m...

【专利技术属性】
技术研发人员：李云开，侯鹏，冯吉，王志富，
申请(专利权)人：中国农业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11