專利名稱：節水灌水器一體化快速開發的方法
技術領域：
本發明屬于機械制造領域，特別涉及一種應用于農業節水灌溉設備中的節水灌水器一體化快速開發的方法。
背景技術：
節水灌水器是安裝在滴灌系統田間的末級管道上，根據作物對于水分的需要，將輸水管道輸送來的壓力水按照作物生長所需要的水分和養料，以較小的流量均勻緩慢而又準確地直接輸送到作物根部附近的土壤中，是滴灌系統中的關鍵部件。節水灌水器的開發要根據農作物需水和水質環境等設計灌水器，然后還需要開模具，做出樣件來進行壓力-流量實驗，驗證灌水器設計的合理性。一個產品的定型，需要若干次反復修改。這一過程周期長、費用高(尤其在模具加工階段)，制約了新產品的開發。目前國內微灌灌水器的研制還采用傳統的開發路線設計要求→灌水器圖紙→模具設計→模具加工→注塑實驗→修改→定型，這樣的生產流程單循環時間為3～5月，成本為4～5萬元，并且如果試驗發現零件性能不行，得從模具修改開始，甚至模具還有報廢的風險，成本很高。周期過長的問題嚴重的制約了系列化滴灌產品的自主開發。
發明內容
本發明的目的在提供一種設計周期短、成本低的節水灌水器一體化快速開發的方法。
為達到上述目的，本發明采用的方法為首先根據設計流量、工作壓力和流體力學水頭損失公式hw=Σi=1mhfi+Σk=1nhζk]]>計算灌水器流道的理論參數即截面形狀、長度，進行迷宮型流道的初步設計，式中hfi為第i段的沿程損失；hζk為第k局部損失；m為管道等截面的段數；n為管道局部損失的個數；其中沿程損失hfi與長度成正比，對于層流情況hf=λ1·l4R·V22g]]>對于紊流情況hf=λ2·l4R·V22g]]>其中V=qA,λ1=64Re,Re=4VRv,λ2=0.11(Δ4R+68Re)0.25]]>λ為沿程阻力系數；v為流體的運動粘性系數；A為流道截面積；V為截面平均流速；l為滴管流道長度；g為重力加速度；q為流量；Re為雷諾數；局部損失hζ=ζ·v22g]]>ζ為局部損失系數對于矩形截面形狀的灌水器流道，矩形流道中流動特征尺寸取水力半徑R，它為流體截面積和濕周即流體與固體邊界接觸部分的周長的比值，若長和寬分另為a和b，則R=a.b2(a+b)]]>對于非奇特形截面管一般指方形、橢圓形、三角形以及類似形狀，沿程損失和局部損失仍可用流體力學水頭損失公式hw=Σi=1mhfi+Σk=1nhζk]]>來計算；根據流道的理論參數將灌水器流道的長、寬、高設為參數化變量，形成灌水器參數化結構，在灌水器CAD模型上確定其分型線和分型面，用實體造型軟件Pro-E首先生成外圓管，再用“Feature-Create-Cut-Extrude、Solid”命令沿著分型方向即開模方向切透形成圓管兩側的迷宮槽，然后在圓管內生成內圓管，同理在內管兩側也應用“Cut”命令，沿開模方向切出進水過濾柵格，最后用“Feature-Create-Solid-Protrusion-Revolve、Solid”在內圓管圓周上作出滴管兩端的隔水區和出水區凸緣；在灌水器三維實體CAD模型外設計一外管，將灌水器與外管設計為一體，即將灌水器直接嵌、貼在外管內壁上，形成灌水器與外管一體化的設計；應用快速成形制造出灌水器一體化實驗原型，將灌水器一體化實驗原型與輸水管連接，直接接入流量實驗臺進行實驗，通過實驗數據對灌水器的結構設計進行修正，即對參數化變量長、寬、高進行修正，以實現灌水器流道的快速驗證和灌水器結構的快速定型。
由于本發明將快速成形制造應用于節水灌水器開發中，根據灌水器的結構特點，將灌水器外管與灌水器一體化成型，制作出灌水器一體化快速實驗原型，直接接入管路進行灌水器水力性能實驗，形成節水灌水器一體化快速開發的方法，無需加工灌水器模具就可實現灌水器的快速定型。
圖1是本發明的流程圖；圖2是本發明迷宮型滴管流產的結構圖，其中圖2(a)是滴管流道形式圖，圖2(b)是滴管上流道排布展開圖；圖3是本發明面向工藝的滴管結構設計圖，其中圖3(a)是無法開模的結構圖，圖3(b)是便于開模的結構圖；圖4是本發明滴管CAD實體模型圖；圖5是本發明滴片CAD實體模型圖；圖6是本發明一體化實驗灌水器三維實體CAD模型圖，其中圖6(a)是滴管一體化CAD膜型圖，圖6(b)是滴片一體化CAD模型圖；圖7是本發明灌水器原型的一體化制作流程圖；
圖8是本發明灌水器及其一體化灌水器實驗原型圖，其中圖8(a)是滴管原型圖，圖8(b)是滴管一體化實驗原型圖，圖8(c)是滴片原型圖，圖8(d)是滴片一體化實驗原型圖；圖9是本發明灌水器水力性能實驗臺，其中圖9(a)是實驗臺一體化灌水器連接布局圖，圖9(b)是滴管上流道排布展開圖；圖10是本發明典型的灌水器CAD設計模型和一體化原型及其水力性能曲線，圖10(a)是管上式灌水器，圖10(b)是圓弧迷宮滴片，圖10(c)是抗堵迷宮流道滴片，其中橫坐標為壓力，縱坐標為流量。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明的結構原理和工作原理作進一步的詳細說明。
參見圖1，本發明首先根據設計流量和工作壓力，應用流體力學原理計算流道的理論參數即截面形狀、長度，進行迷宮型流道的初步設計；根據流道的理論參數將滴管流道的長、寬、高和圓角設計為參數化，形成灌水器參數化結構設計，在滴管CAD模型上確定其分型線和分型面，用實體造型軟件Pro-E首先生成外徑為m、內徑為n的圓管，再用“Feature-Create-Cut-Extrude、Solid”命令沿著分型方向即開模方向切透形成圓管兩側的迷宮槽，然后在圓管內生成外徑為m1、內徑為n1的內圓管，同理在內管兩側也應用“Cut”命令，沿開模方向切出進水過濾柵格，最后用“Feature-Create-Solid-Protrusion-Revolve、Solid”在內圓管圓周上作出滴管兩端高h的隔水區和出水區凸緣；在灌水器三維實體CAD模型外設計一外管，將灌水器與外管設計為一體，即將灌水器直接嵌、貼在外管內壁上，形成灌水器與外管一體化的設計；應用快速成形制造出灌水器一體化實驗原型，將灌水器一體化實驗原型與輸水管連接，直接接入流量實驗臺進行實驗，通過實驗數據對灌水器的結構設計進行修正，以實現灌水器流道的快速驗證和灌水器結構的快速定型。
灌水器結構設計灌水器的結構設計直接影響到滴灌系統工作是否可靠及灌水質量的好壞，迷宮流道灌水器具有優越的灌水性能，其工作原理是利用復雜的流道邊界形成水頭損失而消能，降低灌水器流量對壓力的敏感性(減少水壓波動對灌水器流量大小的影響)。壓力水流進入灌水器后，經過灌水器消能，以穩定、均勻的低流量滴入土壤，保證水肥在管路的各給水部位(水壓不同)有相近的流量，使得整個灌溉地域有均勻的水分布。灌水器的基本要求是出水量小、均勻而穩定，抗堵塞性能好，結構簡單，價格低廉。滴灌工作水頭(水壓)一般為5-15m，過水流道直徑一般在0.3-2.0mm之間，出水流量在2-200L/h之間變化。
迷宮型灌水器流道設計理論依據迷宮流道是目前使用的灌水器流道形式中性能最優越的流道形式，它通過復雜的流道邊界使其中的水流紊亂以達到穩定水壓和消能的目的，從而達到減小流態指數，以減小流量對壓力的敏感性，提高灌水均勻度，這樣也可大大減小流道長度，降低灌水器制造成本。在簡化灌水器結構的基礎上減小流態指數是國內外滴灌設計者的共同目標。流道邊界越復雜，消能越充分，流態指數越小，當然盡管迷宮流道邊界十分復雜，但都是由直線和圓弧組成，這些流道邊界的復雜程度總是有限的，因為所使用的是歐氏幾何中的曲線作為流道的邊界，所得到的流道邊界總是分段連續可導的，這使其中的水流紊亂的能力也是有限的，通常迷宮流道的流態指數都在0.45以上。不過流道邊界復雜性受到加工制造技術的約束，因為制造難度大成本就會增加。
由于流道入口處壓力較大，為了實現小流量控制，要求流道對水體的粘滯阻力能夠將該壓力下的流量降低到符合設計要求。影響流道粘滯阻力的因素主要有流道的截面形狀、長度以及流道的走向形狀。另外在設計流道時，應使流道形狀光順并考慮模具的加工工藝，消除流道連接處的結構尖角和突然拐彎，以避免出現局部旋渦區，因旋渦區速度極低而形成流動滯止區，這會造成水中固態顆粒沉積，并引起微生物的滋長而堵死流道。按照流體力學原理，其中的流體水屬于粘性不可壓縮連續流體，可根據設計流量和工作壓力，應用流體力學原理計算流道的理論參數(截面形狀、長度)，進行迷宮型流道的初步設計。
滴灌灌水器的水頭損失是由流道管壁的粘滯阻力和流道的局部阻力引起的，根據水頭損失的疊加原理，總的水頭損失為hw=Σi=1mhfi+Σk=1nhζk---(1)]]>式中hfi為第i段的沿程損失；hζk為第k局部損失；m為管道等截面的段數；n為管道局部損失的個數。
灌水器流道截面形狀為矩形，屬非圓截面管，矩形流道中流動特征尺寸取水力半徑R，它為流體截面積和濕周(流體與固體邊界接觸部分的周長)的比值，對于矩形截面，若長和寬分別為a和b，則R=a.b2(a+b)---(2)]]>對于非奇特形截面管(一般指方形、橢圓形、三角形以及類似形狀)，沿程損失和局部損失仍可用hw=Σi=1mhfi+Σk=1nhζk]]>公式來計算，只要將公式中的管徑d用4R來替代即可。
(1)沿程損失沿程損失是流道壁面的摩擦阻力而引起的能量損失，與長度成正比。
對于層流情況hf=λ1·l4R·V22g---(3)]]>對于紊流情況hf=λ2·l4R·V22g---(4)]]>
其中V=qA,λ1=64Re,Re=4VRv,λ2=0.11(Δ4R+68Re)0.25]]>式中λ為沿程阻力系數；v為流體的運動粘性系數；A為流道截面積；V為截面平均流速；l為滴管流道長度；g為重力加速度；q為流量；Re為雷諾數，它決定流體的流態，流態分為層流和紊流(湍流)，通常工程上中認為Re＜Rec＝2100時，流體為層流；Re＞Rec＝2100時，流體為紊流。其中Rec為下臨界雷諾數。
(2)局部損失局部損失是流道中的流體流經局部障礙(管接頭、彎頭、閘閥及管頸突變處)時，由于邊界形狀急劇變化，流體微團發生碰撞，產生旋渦等引起能量的損失。
hζ=ζ·v22g---(5)]]>ζ為局部損失系數(與流道尺寸有關)。
流量一定時，根據實際情況先確定截面形狀，再計算長度，也可以根據長度決定截面形狀。在此以迷宮型內鑲管式灌水器(簡稱滴管)為例進行設計和實驗分析。
迷宮型灌水器流道結構設計流道流體理論計算可確定流道的理論參數，也為灌水器CAD結構設計提供了依據。迷宮型內鑲管式灌水器(簡稱滴管)設計條件為額定壓力Pn＝100Kpa，灌水器設計流量q＝4L/h。
經計算迷宮流道在滴管圓周可布置8～9排，考慮到每排接頭形成彎頭造成的壓力損失，迷宮流道布置8排，每排6個迷宮單元，這樣迷宮流道單元數為48個，每排流道用圓弧過渡連接起來，避免突然拐角和尖角設計，以消除流道中的流動滯止區，形成圓弧型迷宮流道設計形式如圖2(a)所示。
迷宮型灌水器一體化CAD設計因為灌水器迷宮流道的復雜結構的精細度要求，開模具進行實驗非常復雜耗時。為了使設計的灌水器結構盡快定型，考慮到灌水器的結構和實際使用特點，將快速成形技術(RP&M)應用于滴灌灌水器的開發中，創新地提出“一體化”灌水器的思想，將灌水器外管與灌水器一體化成型，形成灌水器一體化實驗原型，可直接接入水流量實驗臺進行實驗，無需開模具而實現灌水器的快速定型。這樣在迷宮灌水器CAD時，就將其與外管形成一體化CAD模型，用于快速成形制作“一體化”灌水器。
節水灌水器CAD結構設計參閱國內外已有的迷宮型灌水器結構和其流道排布形式，并參考國內已有的內鑲灌水器與外管一體化裝配生產線對灌水器結構參數的要求，進行灌水器總體結構設計，此迷宮型內鑲滴管結構設計展開圖，如圖2(b)所示。
考慮到實際使用環境的復雜性，計算出的流道參數可能會需要修改，因此CAD設計采用參數化的結構形式。將流道截面的幾何形狀參數(如高度、寬度、傾角等)和走向形狀參數作為可變的參數，可以根據隨后的試驗結果來修改這些參數得到合理的CAD模型，而不必由于試驗結果不理想而重新構建CAD模型。軟件在此使用基于特征的參數化三維CAD實體造型軟件PRO-E來構建迷宮型滴管CAD模型，便于將來通過實驗進行灌水器CAD模型的重新修改。
灌水器的設計必需充分考慮灌水器模具制造與開模的結構工藝性，一般灌水器的設計是通過平面圖展開設計流道或網柵，三維設計時，將平面展開圖通過三維回卷的的設計方式轉化為三維結構，這樣的結構在理論上是合理的，但是在實際模具開模時，因為流道的側面為指向滴管圓心的徑向表面，上下兩體的模具結構無法實現開模，發生干涉現象，模具結構必需為沿徑向的多模腔組合，開模時需要多個側向抽芯機構的脫模運動，大大增加了制造成本，甚至無法實現(圖3a)。
為了便于模具的分型與開模，進行面向制造工藝的滴管CAD設計，結構如圖3(b)所示。其設計步驟如下首先在滴管CAD模型上確定其分型線和分型面。用實體造型軟件Pro-E首先生成外徑16mm、內徑14mm的圓管，再用“Feature-Create-Cut-Extrude、Solid”命令沿著分型方向即開模方向切透形成圓管兩側的迷宮槽，然后在圓管內生成外徑14mm、內徑12.8mm的內圓管，同理在內管兩側也應用“Cut”命令，沿開模方向切出進水過濾柵格，最后用“Feature-Create-Solid-Protrusion-Revolve、Solid”在內圓管圓周上作出滴管兩端高1mm的隔水區和出水區凸緣。這樣用此滴管CAD模型制作的RP原型制作快速模具時，就可順利開模和取出RP原型(圖3b)。這樣在滴管注塑模具設計時，便于實現上下兩體的模具結構，有利于開模。在此將滴管流道的尺寸長、寬、高和圓角設計為參數化，形成灌水器參數化結構設計方案。滴管實體CAD模型如圖4所示。同理片式灌水器(滴片)實體CAD模型如圖5所示。
節水灌水器流道和結構設計完成后，就要進行灌水器水流量實驗，以檢驗設計是否符合灌水器國標要求。進行灌水器水流量實驗時，加工出的灌水器必須在滴灌帶生產線上將其壓入滴灌帶中。傳統的方法仍是開鋼模具，加工樣件，灌水實驗測試并返修模具的老套路，而先進的快速成形技術為此提供了新的途徑。
參見附圖4、5，本發明充分考慮滴灌實驗的易操作和可行性，結合灌水器的結構特點，首次提出“一體化”灌水器的創新思想，直接在灌水器三維實體CAD模型外設計一外管，將灌水器與外管設計為一體，即將灌水器直接嵌(貼)在外管內壁上，形成灌水器與外管一體化的設計方案(圖6)。應用快速成形制造技術(圖7)，制作出灌水器一體化實驗原型(圖8)。通過灌水器流道成形精度測試和統計分析，基于RP技術的一體化灌水器原型滿足所要求的制造精度范圍，證明快速成形技術可以用于灌水器開發中。
這樣就形成了灌水器一體化快速成形方法，可將灌水器一體化實驗原型與輸水管連接，直接接入流量實驗臺(圖9)進行實驗。通過實驗數據對灌水器產品的結構設計進行修正，以實現灌水器流道的快速驗證和灌水器結構的快速定型。
根據節水灌水器一體化快速開發方法，可完成各種典型的灌水器CAD設計和一體化快速原型的制作及流量性能實驗。典型的灌水器CAD模型和其一體化原型及其水力性能曲線如下圖10所示。
由于本發明根據灌水器的結構特點，提出“一體化”灌水器的思想，將灌水器外管與灌水器一體化成型，制作出灌水器一體化快速實驗原型，直接接入管路進行灌水器水力性能實驗，形成節水灌水器一體化快速開發方法，無需加工灌水器模具就可實現灌水器的快速定型。
此項方法以流體力學計算、一體化快速成形為核心，形成產品開發過程的閉環控制，從而大大縮短了產品的設計開發周期，并提供了灌水器產品的設計驗證平臺，快速成形技術的應用可解決灌水器微細結構的設計制造瓶頸問題，使設計水平大大提高。
應用節水灌水器的快速開發方法，可完成任意形狀和復雜程度的滴灌灌水器的快速開發，可將傳統的開發周期由3～5個月縮短到3～5天，而成本由5萬元左右降低到2千元以下。節水灌水器快速開發方法使我國具有節水產品自主設計能力，可快速開發出適合我國國情的具有自主知識產權的各類灌水器，支持我國節水農業的跨越式發展。
權利要求
1.一種節水灌水器一體化快速開發的方法，其特征在于1)首先根據設計流量、工作壓力和流體力學水頭損失公式hw=Σi=1mhfi+Σk=1nhζk]]>計算灌水器流道的理論參數即截面形狀、長度，進行迷宮型流道的初步設計，式中hfi為第i段的沿程損失；hζk為第k局部損失；m為管道等截面的段數；n為管道局部損失的個數；其中沿程損失hfi與長度成正比，對于層流情況hf=λ1·l4R·V22g]]>對于紊流情況hf=λ2·l4R·V22g]]>其中V=qA,]]>λ1=64Re,]]>Re=4VRv,]]>λ2=0.11(Δ4R+68Re)0.25]]>λ為沿程阻力系數；V為流體的運動粘性系數；A為流道截面積；V為截面平均流速；l為滴管流道長度；g為重力加速度；q為流量；Re為雷諾數；局部損失hζ=ζ·v22g]]>ζ為局部損失系數對于矩形截面形狀的灌水器流道，矩形流道中流動特征尺寸取水力半徑R，它為流體截面積和濕周即流體與固體邊界接觸部分的周長的比值，若長和寬分別為a和b，則R=a·b2(a+b)]]>對于非奇特形截面管一般指方形、橢圓形、三角形以及類似形狀，沿程損失和局部損失仍可用流體力學水頭損失公式hw=Σi=1mhfi+Σk=1nhζk]]>來計算；2)根據流道的理論參數將灌水器流道的長、寬、高設為參數化變量，形成灌水器參數化結構，在灌水器CAD模型上確定其分型線和分型面，用實體造型軟件Pro-E首先生成外圓管，再用“Feature-Create-Cut-Extrude、Solid”命令沿著分型方向即開模方向切透形成圓管兩側的迷宮槽，然后在圓管內生成內圓管，同理在內管兩側也應用“Cut”命令，沿開模方向切出進水過濾柵格，最后用“Feature-Create-Solid-Protrusion-Revolve、Solid”在內圓管圓周上作出滴管兩端的隔水區和出水區凸緣；3)在灌水器三維實體CAD模型外設計一外管，將灌水器與外管設計為一體，即將灌水器直接嵌、貼在外管內壁上，形成灌水器與外管一體化的設計；4)應用快速成形制造出灌水器一體化實驗原型，將灌水器一體化實驗原型與輸水管連接，直接接入流量實驗臺進行實驗，通過實驗數據對灌水器的結構設計進行修正，即對參數化變量長、寬、高進行修正，以實現灌水器流道的快速驗證和灌水器結構的快速定型。
全文摘要
本發明公開了一種節水灌水器一體化快速開發的方法，將快速成形制造技術應用于節水灌水器開發中。根據灌水器的結構特點，提出“一體化”灌水器的設計，將灌水器外管與灌水器一體化成型，制作出灌水器一體化快速實驗原型，直接接入管路進行灌水器水力性能實驗，形成節水灌水器一體化快速開發的方法，無需加工灌水器模具就可實現灌水器的快速定型。
文檔編號A01G25/02GK1561686SQ20041002602
公開日2005年1月12日 申請日期2004年4月8日 優先權日2004年4月8日
發明者盧秉恒, 魏正英, 趙萬華, 唐一平 申請人:西安交通大學