離心泵仿生減阻增效涂層的涂覆工藝參數(shù)優(yōu)化

田麗梅，張吉祥，梁 穎，姚廣海，商延賡

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離心泵仿生減阻增效涂層的涂覆工藝參數(shù)優(yōu)化

田麗梅1，張吉祥1，梁 穎2，姚廣海2，商延賡1※

（1. 吉林大學(xué)工程仿生教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130022； 2. 長(zhǎng)春瑞泰博爾克科技有限公司，長(zhǎng)春 130507）

仿生減阻功能表面應(yīng)用于離心式水泵關(guān)鍵零部件的過(guò)流部位，可顯著提升水泵效率。仿生減阻增效功能表面以海豚皮膚為仿生原形，包含剛性基底和涂層2部分，一般由高黏性聚氨酯在剛性基底表面澆注生成功能表面涂層。涂層厚度對(duì)泵效率影響最為顯著，由于聚氨酯高黏性特征和傳統(tǒng)涂覆工藝技術(shù)的限制，很難在葉輪復(fù)雜流道表面實(shí)現(xiàn)高效、高質(zhì)的涂覆。針對(duì)上述難題，該文利用自制旋轉(zhuǎn)涂覆設(shè)備，通過(guò)對(duì)聚氨酯材料的澆注溫度、設(shè)備旋轉(zhuǎn)速度、涂覆持續(xù)時(shí)間的優(yōu)化控制涂層厚度，建立擬合方程并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，以200QJ50-26水泵葉輪為載體，影響功能表面涂層厚度的主次因素依次為設(shè)備旋轉(zhuǎn)速度、澆注溫度、涂覆持續(xù)時(shí)間。通過(guò)擬合方程預(yù)測(cè)出葉輪流道內(nèi)表面涂層厚度為0.5 mm時(shí)的最佳涂覆參數(shù)組合：涂覆時(shí)間53.7 s、旋轉(zhuǎn)速度401 rad/min、澆注溫度90.1 ℃。涂覆試驗(yàn)檢驗(yàn)結(jié)果表明，利用上述優(yōu)化工藝參數(shù)控制的功能表面涂層厚度與擬合方程計(jì)算厚度相比，誤差小于5%，計(jì)算結(jié)果可靠。研究結(jié)果可為離心泵仿生減阻增效功能表面面層材料涂覆的工程化施工提供參考。

泵；仿生；減阻；彈性涂層；擬合方程

0 引 言

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展離不開(kāi)高效節(jié)能灌溉產(chǎn)品—水泵。中國(guó)泵類(lèi)產(chǎn)品效能低下，與國(guó)外水泵相比，平均效率低3%～5%，整個(gè)泵站系統(tǒng)效率則低約20%[1-2]。海豚的實(shí)際游動(dòng)速度與其自身所能提供的能量之間具有相當(dāng)大的差距[3]，大量的研究結(jié)果表明，海豚皮膚的柔順性是其實(shí)現(xiàn)快速游動(dòng)的主要原因之一[4-6]。針對(duì)其皮膚的柔順性減阻機(jī)制，眾多學(xué)者通過(guò)模擬的方法進(jìn)行了相應(yīng)的研究[7-8]。除了柔順性減阻機(jī)制外，海豚皮膚特殊的結(jié)構(gòu)對(duì)減阻特性也具有較大影響。海豚皮膚是由彈性十足的光滑角質(zhì)層表皮及具有一定硬度的棱紋狀真皮層互相嵌連組成，當(dāng)海豚高速游動(dòng)時(shí)，角質(zhì)層和真皮層耦合在一起，形成宏觀上的棱紋狀結(jié)構(gòu)（ridges），這就是海豚減阻的另外一種原因[9-10]。受海豚皮膚表皮層和真皮層結(jié)構(gòu)耦合作用的啟發(fā)，吉林大學(xué)設(shè)計(jì)了仿海豚皮膚耦合功能表面[11]。水泵增效節(jié)能技術(shù)有多種，利用高黏彈性聚氨酯為涂覆材料結(jié)合葉輪一次鑄造成型方法，設(shè)計(jì)仿海豚皮膚結(jié)構(gòu)的耦合仿生功能表面，并將其應(yīng)用到泵類(lèi)產(chǎn)品的過(guò)流部件上，可在不改變泵原有結(jié)構(gòu)和不增加其他部件的條件下大幅提升泵效率，是一種高效、綠色的水泵節(jié)能技術(shù)[12-16]。但由于離心泵葉輪復(fù)雜的流道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，傳統(tǒng)的聚氨酯噴涂技術(shù)并不適用于在離心泵葉輪流道涂覆耦合仿生功能表面面層材料的涂覆加工。

針對(duì)上述研究現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)了一種針對(duì)離心泵葉輪復(fù)雜流道表面進(jìn)行耦合仿生功能表面涂層涂覆的專(zhuān)用設(shè)備，并采用正交試驗(yàn)的方法探索聚氨酯材料熔融狀態(tài)下的澆注溫度、設(shè)備旋轉(zhuǎn)速度、涂覆持續(xù)時(shí)間和涂層厚度之間的關(guān)系，以期為上述材料的工程應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 仿生減阻增效功能表面在泵類(lèi)產(chǎn)品上的應(yīng)用

仿生學(xué)是利用自然生物系統(tǒng)構(gòu)造和生命活動(dòng)過(guò)程作為技術(shù)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的依據(jù)，有意識(shí)地進(jìn)行模仿和復(fù)制[17]的學(xué)科。生物經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年的進(jìn)化，優(yōu)化出各種各樣的形態(tài)、構(gòu)形、結(jié)構(gòu)和材料等，展現(xiàn)出多種多樣的功能特性，成為對(duì)生存環(huán)境具有最佳適應(yīng)性和高度協(xié)調(diào)性的系統(tǒng)。生物適應(yīng)其生境所呈現(xiàn)的各種功能，不僅僅是單一因素的作用，而是互相依存、互相影響的多個(gè)因素通過(guò)適當(dāng)?shù)臋C(jī)制耦合、協(xié)調(diào)作用的結(jié)果，亦即生物的不同形態(tài)和結(jié)構(gòu)等因素通過(guò)彼此之間的耦合作用而達(dá)到生物功能的最優(yōu)化、對(duì)環(huán)境適應(yīng)的最佳化和生物能量消耗的最低化。生物通過(guò)2個(gè)或2個(gè)以上不同因素的耦合作用有效實(shí)現(xiàn)生物的各種功能特性，充分展現(xiàn)其對(duì)生境的最佳適應(yīng)性，這種生物耦合現(xiàn)象是生物界普遍存在的。因此，學(xué)習(xí)和模擬生物這種耦合機(jī)制的多元仿生稱(chēng)為耦合仿生[18]。海豚皮膚的減阻機(jī)制是生物二元耦合作用的典型代表，根據(jù)仿生學(xué)相似原理，基于海豚特殊的皮膚結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)如圖1所示的仿生減阻增效功能表面。

圖1 仿生原型及耦合仿生功能表面結(jié)構(gòu)示意圖

在將仿海豚皮膚耦合功能表面應(yīng)用到離心水泵葉輪的過(guò)程中，基底結(jié)構(gòu)（葉輪）采用一次鑄造成型方法[19]直接將仿生形態(tài)鑄造在葉輪復(fù)雜流道表面上（如圖2a）；采用彈性模量較低的澆注型聚氨酯材料（polyurethane，PU）在葉輪流道內(nèi)表面澆注形成仿生減阻增效功能表面涂層，如圖2b。

具有耦合仿生功能表面的葉輪在工作時(shí)，通過(guò)功能表面涂層的彈性變形，實(shí)現(xiàn)對(duì)流體介質(zhì)的順應(yīng)性，從而動(dòng)態(tài)控制流體介質(zhì)，達(dá)到增效減阻目的。研究表明，耦合仿生功能表面通過(guò)涂層與基底仿生結(jié)構(gòu)的耦合變形，使實(shí)際流固接觸面下移，邊界層內(nèi)部的速度梯度降低，從而減小流體葉輪流道壁面間的摩擦阻力，避免了流固接觸面能量的過(guò)分交換而帶來(lái)的能量損失，特別是葉輪進(jìn)、出口撞擊引起的能量損失，達(dá)到降低離心泵水力損失，實(shí)現(xiàn)增效的目的。其中，PU涂層厚度會(huì)影響其與基底結(jié)構(gòu)的耦合能力，對(duì)于減阻增效效果影響顯著，根據(jù)田麗梅等研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)耦合仿生功能表面的涂層厚度為0.5 mm時(shí)對(duì)200QJ50-26型離心式水泵的增效結(jié)果最為顯著[20]。然而，由于離心泵葉輪流道的復(fù)雜性，很難將高黏性的PU材料高效、均勻、穩(wěn)定地在葉輪內(nèi)表面進(jìn)行涂覆，更不用說(shuō)控制其有效厚度了，這嚴(yán)重降低了耦合仿生功能表面增效減阻的效果，從而阻礙了耦合仿生功能表面在離心式水泵上的推廣應(yīng)用。因此，如何將高黏性PU材料成功涂覆到葉輪流道表面，以更好地發(fā)揮功能表面減阻增效的作用具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

注：L與H分別為耦合仿生功能表面剛性基底棱紋結(jié)構(gòu)的寬度及高度，mm，D為棱紋之間的距離，mm。 Note: L and H refer to width and depth of ridge structure in rigid substrate for bionic coupling functional surface, mm; and D is distance between each ridge structure, mm.

1.2 涂覆設(shè)備

聚氨酯預(yù)聚體法是將低聚物聚酯或聚醚多元醇與異氰酸酯在一定條件下合成預(yù)聚體，再與擴(kuò)連劑、交聯(lián)劑反應(yīng)制得聚氨酯制品[21]的方法?；诜磻?yīng)注射成型技術(shù)[22]進(jìn)行噴涂是生產(chǎn)PU涂層的最主要方法之一，它是將預(yù)聚體和擴(kuò)鏈劑、交聯(lián)劑溶液通過(guò)專(zhuān)用設(shè)備混合發(fā)生反應(yīng)，以空氣壓力為動(dòng)力使其液滴霧化，經(jīng)噴嘴高速?lài)娚湓谠嚰砻嫔系囊环N快速成型工藝。雖然噴涂技術(shù)具有反應(yīng)和固化速度快、施工工藝簡(jiǎn)單、效率高等優(yōu)點(diǎn)[23]，但是傳統(tǒng)的噴涂機(jī)械設(shè)備成本較高、不易清洗和維護(hù)保養(yǎng)，且由于噴涂機(jī)的噴槍嘴的結(jié)構(gòu)限制，對(duì)于復(fù)雜曲面和封閉的腔體難以施工，因此不適用于離心泵葉輪流道表面面層涂覆。

為此，基于葉輪結(jié)構(gòu)和離心泵工作原理，本文利用旋轉(zhuǎn)離心涂覆的方法，設(shè)計(jì)并制作了一套對(duì)葉輪內(nèi)表面進(jìn)行均勻涂覆高黏性涂層的涂覆設(shè)備，包括離心旋涂機(jī)和非涂覆部位防護(hù)罩2部分。離心旋涂機(jī)主要由支架、可調(diào)速驅(qū)動(dòng)電機(jī)、傳動(dòng)軸等組成，支架尺寸為600 mm×800 mm×1 500 mm，可對(duì)多數(shù)常見(jiàn)型號(hào)的葉輪進(jìn)行涂覆，可調(diào)速驅(qū)動(dòng)電機(jī)型號(hào)為5IK600RGU-CF，額定功率600 W，轉(zhuǎn)速0～520 rad/min，如圖3a所示（已申請(qǐng)國(guó)家專(zhuān)利并獲得授權(quán)，專(zhuān)利號(hào)：201720585965.0）。進(jìn)行涂覆時(shí)先將葉輪的出水口6用膠帶封閉，并將葉輪套裝在傳動(dòng)軸的下半部，用量杯將預(yù)先攪拌均勻且經(jīng)抽真空后的PU材料從葉輪4的入水口5緩慢注入葉輪中，使之充滿葉輪流道腔內(nèi)部；然后除去封口膠帶，啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)將多余PU材料從葉輪4的出水口6甩出，殘余在流道內(nèi)表面的PU材料固化成為涂層。

涂覆過(guò)程中葉輪的流道腔內(nèi)多余的PU材料經(jīng)由出葉輪水口6離心流出時(shí)，會(huì)污染葉輪非涂覆表面（如上下蓋板、前后口環(huán)等），對(duì)后續(xù)機(jī)加工產(chǎn)生影響，而且會(huì)影響葉輪的動(dòng)平衡，甚至降低離心泵的使用效率；為此，本文設(shè)計(jì)并制作了非涂覆部位防護(hù)罩以對(duì)非涂覆面加以保護(hù)（已申請(qǐng)國(guó)家專(zhuān)利并獲得公開(kāi)，申請(qǐng)?zhí)枺?01810491459.4），如圖3b所示。

1.可調(diào)速驅(qū)動(dòng)電機(jī) 2.支架 3.傳動(dòng)軸 4.離心泵葉輪 5.葉輪入水口 6.葉輪出水口 7.底座 8.前口環(huán)防護(hù)裝置 9.后口環(huán)防護(hù)裝置

1.3 涂覆試驗(yàn)

1.3.1 試驗(yàn)因素及水平確定

根據(jù)前期研究結(jié)果，旋涂裝置的離心力和PU材料的黏性都會(huì)對(duì)涂層厚度產(chǎn)生較大影響。

黏度是PU預(yù)聚體成型的重要參數(shù)，由于預(yù)聚體分子鏈段較長(zhǎng)，彼此之間通過(guò)纏繞、網(wǎng)絡(luò)貫穿等方式緊密相連，同時(shí)預(yù)聚體中存在的大量極性基團(tuán)會(huì)與長(zhǎng)鏈中的氫原子形成氫鍵，進(jìn)一步增大了預(yù)聚體的黏度。溫度的升高會(huì)提高預(yù)聚體的動(dòng)能，有助于打破氫鍵及分子的物理交聯(lián)，加速分子間流動(dòng)，使預(yù)聚體黏度減小。

代青華等[26]以4，4’-二苯基甲烷二異氰酸酯（MDI）和聚醚多元醇 PTMG1000為原料，在80 ℃條件下反應(yīng)2 h 制備了不同異氰酸酯基含量的聚氨酯預(yù)聚體，通過(guò)對(duì)異氰酸酯基含量、溫度和制備方法對(duì)預(yù)聚體黏度的影響規(guī)律進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)預(yù)聚體黏度主要與溫度和異氰酸酯基含量有關(guān)，預(yù)聚體的黏度隨溫度的升高呈指數(shù)降低，異氰酸酯基含量越高黏度越低。

由圖4可知，聚合物的黏度和溫度大致呈線性關(guān)系，且本文所使用的聚氨酯預(yù)聚體在—NCO含量不變的情況下，其黏度僅與溫度相關(guān)。由于不同溫度下黏度難以實(shí)時(shí)測(cè)定，因此本文選取溫度代替黏度作為試驗(yàn)因素。通常情況下制作彈性體的PU預(yù)聚體澆注溫度為80 ℃，在本試驗(yàn)中選取80、90和100 ℃作為澆注溫度的3個(gè)試驗(yàn)水平。

1.醋酸纖維 2.聚苯乙烯 3.有機(jī)玻璃 4.聚碳酸酯 5.聚乙烯 6.聚甲醛

在涂覆過(guò)程中，涂覆設(shè)備對(duì)葉輪流道內(nèi)的PU材料施以離心力，外力的增大會(huì)抵消分子鏈沿與外力相反方向的熱運(yùn)動(dòng)，提高分子鏈段沿外力方向向前躍遷的幾率，使分子鏈的重心發(fā)生前移，因此隨著旋轉(zhuǎn)速度的增加，在一定時(shí)間內(nèi)有更多PU材料從葉輪流道內(nèi)向外流出，即涂層厚度隨著旋轉(zhuǎn)速度的增大會(huì)明顯減小。

根據(jù)離心旋涂裝置驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率情況，選取200、350和500 rad/min為旋轉(zhuǎn)速度的3個(gè)試驗(yàn)水平。

聚氨酯預(yù)聚體的釜中壽命泛指預(yù)聚體和擴(kuò)鏈劑充分混合到澆注成的可操作時(shí)間，反應(yīng)了聚氨酯的固化速度。釜中壽命越長(zhǎng)，聚氨酯的反應(yīng)速率越慢，越有利于加工過(guò)程的控制以及一些大型、薄層、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的澆鑄件成型。圖5為低游離預(yù)聚體與常規(guī)預(yù)聚體及擴(kuò)鏈劑（莫卡）混合后黏度隨時(shí)間的變化曲線[27]。

若涂覆持續(xù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，大量預(yù)聚體和擴(kuò)鏈劑混合物被離心旋涂機(jī)甩出，最終所得涂層較薄，從而失去減阻增效作用；若涂覆持續(xù)時(shí)間太短，則會(huì)造成聚氨酯材料在葉輪流道內(nèi)部堆積，進(jìn)而阻塞流道；根據(jù)以往實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，本試驗(yàn)中選取30、60和90 s作為涂覆持續(xù)時(shí)間的3個(gè)水平，由圖5可知，無(wú)論是常規(guī)預(yù)聚體還是低游離態(tài)預(yù)聚體，PU預(yù)聚體和擴(kuò)鏈劑莫卡混合之后的2～3 min內(nèi)，混合溶液的黏度沒(méi)有發(fā)生顯著改變，在此時(shí)間段內(nèi)預(yù)聚體和擴(kuò)鏈劑沒(méi)有發(fā)生充分化學(xué)反應(yīng)，可以用預(yù)聚體的黏度來(lái)表示混合溶液的黏度。

圖5 不同PU預(yù)聚體與擴(kuò)鏈劑混合后的黏度-時(shí)間曲線

1.3.2 正交組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)?zāi)康氖峭ㄟ^(guò)正交組合試驗(yàn)的方法，尋求影響涂層厚度的主次因素、各試驗(yàn)因素的優(yōu)水平和試驗(yàn)范圍內(nèi)的最優(yōu)組合。

根據(jù)Design-Expert 軟件中的Box-Behnken Design 組合設(shè)計(jì)原理，以葉輪流道內(nèi)涂層厚度作為試驗(yàn)指標(biāo)，設(shè)計(jì)了3因素3水平的正交組合試驗(yàn)，試驗(yàn)總次數(shù)為17，其中的 12 組作為析因點(diǎn)，5組作為0點(diǎn)，0點(diǎn)試驗(yàn)重復(fù)多次以估計(jì)試驗(yàn)誤差[28-29]。因素水平編碼見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)因素水平表

1.3.3 試驗(yàn)材料與方法

選擇吉林市奧吉通泵業(yè)有限公司生產(chǎn)的200QJ50-26型離心式水泵葉輪作為試驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行涂覆試驗(yàn)，水泵的額定流量為50 m3/h，額定揚(yáng)程為26 m。彈性材料由濟(jì)寧宏明化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為KH1135的PU預(yù)聚體與的莫卡固化劑按照質(zhì)量比為100∶10.5的方式分別加熱混合而成，其硬度值為邵氏A85。具體步驟如下：1）抽真空。將PU混合液置于真空器中抽真空；2）涂覆。將葉輪標(biāo)號(hào)，并安裝在離心旋涂機(jī)上，按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)的因素水平進(jìn)行旋轉(zhuǎn)涂覆，直至混合液凝固生成涂層；3）首次硫化。將葉輪置于120 ℃硫化機(jī)中進(jìn)行首次硫化，時(shí)間15 min；4）二次硫化。溫度為100 ℃，硫化時(shí)間8 h。涂層的性能穩(wěn)定后使用PD-151型游標(biāo)卡尺測(cè)量厚度。試驗(yàn)前對(duì)葉輪進(jìn)行噴砂處理，對(duì)工件表面進(jìn)行清潔并使其獲得一定的粗糙度，以增加涂層和葉輪表面的附著能力；用游標(biāo)卡尺測(cè)量葉輪6個(gè)流道出口寬度，取平均值記作涂覆前流道寬度l；涂覆完成并且涂層固化后再次用游標(biāo)卡尺測(cè)量葉輪6個(gè)流道出口寬度，取平均值記作涂覆后流道寬度l。葉輪流道出口寬度測(cè)量如圖6所示。

1.葉輪出水口處上下蓋板 2.游標(biāo)卡尺

根據(jù)測(cè)量的葉輪流道出口涂覆前后的寬度計(jì)算涂層厚度：

每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值，結(jié)果見(jiàn)表2：

表2 試驗(yàn)方案與結(jié)果

注：表示涂層厚度，mm；1、2、3表示各因素水平。

Note:is coating thickness, mm;1、2、3meams levels of the factors.

由表2可知，不同試驗(yàn)得出的涂層厚度在0.42～1.10 mm之間，涂層厚度隨試驗(yàn)因素水平增高而減小；試驗(yàn)3的0水平試驗(yàn)與其他0水平試驗(yàn)厚度差距較大，這與離心泵葉輪本身有關(guān)，由于試驗(yàn)所用葉輪由普通砂型鑄造生產(chǎn)，葉輪個(gè)體之間存在較大差異所致。

1.3.4 試驗(yàn)結(jié)果方差分析

對(duì)表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多元回歸擬合，得到涂層厚度對(duì)編碼自變量的二次多元回歸方程為：

表 3 方差分析

1.3.5 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)擬合方程，利用Design-Expert軟件分析旋轉(zhuǎn)速度、澆注溫度和涂覆持續(xù)時(shí)間3個(gè)影響因素對(duì)涂層厚度的影響，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，涂層厚度隨著旋轉(zhuǎn)速度的增加而顯著減小。在275～500 rad/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，涂層厚度降低趨勢(shì)變緩，分析原因如下：PU預(yù)聚體在葉輪流道內(nèi)的流動(dòng)屬于拉伸流動(dòng)[30]，一般的支化聚合物拉伸黏度隨拉伸應(yīng)力的增加而增大，在轉(zhuǎn)速高于275 rad/min時(shí)，PU預(yù)聚體的拉伸黏度增大導(dǎo)致厚度降低變緩。涂層厚度隨著澆注溫度的升高而減小。涂層厚度隨著涂覆持續(xù)時(shí)間增大而減小，當(dāng)時(shí)間增加到60 s之后涂層厚度不再發(fā)生顯著變化，分析原因如下：1）實(shí)際涂覆過(guò)程中，PU預(yù)聚體材料在60 s時(shí)間之內(nèi)大部分已經(jīng)流出葉輪流道，剩余附著在葉輪蓋板上的少量預(yù)聚體，質(zhì)量較小，受到的離心力較小，不足以抵消高分子熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的內(nèi)摩擦阻力；2）由表3可知，涂覆持續(xù)時(shí)間和澆注溫度之間存在交互作用，隨著涂覆時(shí)間增大，PU預(yù)聚體材料溫度降低，從而黏度增大，因此涂層厚度不再隨時(shí)間發(fā)生顯著變化。

a. 澆注溫度為90 ℃時(shí)涂層厚度和旋轉(zhuǎn)速度的關(guān)系a. Relationship between coating thickness and rotation speed when pouring temperature is 90 ℃b. 涂覆持續(xù)時(shí)間為60 s時(shí)涂層厚度和旋轉(zhuǎn)速度的關(guān)系b. Relationship between coating thickness and rotation speed when coating duration is 60 sc. 涂覆持續(xù)時(shí)間為60 s時(shí)涂層厚度和澆注溫度的關(guān)系c. Relationship between coating thickness and pouring temperature when coating duration is 60 s

d. 旋轉(zhuǎn)速度為350 rad·min-1時(shí)涂層厚度和澆注溫度的關(guān)系d. Relationship between coating thickness and pouring temperature when rotation speed is 350 rad·min-1e. 旋轉(zhuǎn)速度為350 rad·min-1時(shí)涂層厚度和涂覆持續(xù)時(shí)間的關(guān)系e. Relationship between coating thickness and coating duration when rotation speed is 350 rad·min-1f. 澆注溫度為90 ℃時(shí)涂層厚度和涂覆持續(xù)時(shí)間的關(guān)系f. Relationship between coating thickness and coating duration when pouring temperature is 90 ℃

2 驗(yàn)證試驗(yàn)

2.1 主要試驗(yàn)儀器與數(shù)據(jù)采集

試驗(yàn)的主要設(shè)備有XBH9060A型噴砂機(jī)、LD-1200WX5-230L型空氣壓縮機(jī)、DHG-9055A型真空干燥箱、PD-151型游標(biāo)卡尺、自制旋轉(zhuǎn)涂覆機(jī)、電子天平等。試驗(yàn)所使用的葉輪型號(hào)為200QJ50-26，涂層材料為濟(jì)寧宏明化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)的PU預(yù)聚體，型號(hào)為KH1135、山東佰仟化工有限公司生產(chǎn)的莫卡。試驗(yàn)步驟和厚度測(cè)量方法同前文。

2.2 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證前文回歸方程是否準(zhǔn)確，在前文正交試驗(yàn)各因素水平范圍內(nèi)隨機(jī)選取因素水平組合進(jìn)行葉輪涂覆驗(yàn)證試驗(yàn)，將所選取的因素水平代入擬合方程計(jì)算涂層厚度，并與實(shí)際涂覆試驗(yàn)后的涂層厚度進(jìn)行對(duì)比。為了消除試驗(yàn)產(chǎn)生的隨機(jī)誤差，在正交試驗(yàn)各涂覆參數(shù)設(shè)計(jì)的因素水平范圍內(nèi)隨機(jī)選取9組因素水平組合進(jìn)行試驗(yàn)。與0水平參數(shù)設(shè)置相比，涂覆持續(xù)時(shí)間越短越有利于加快涂覆速度，提高生產(chǎn)效率；旋轉(zhuǎn)速度高則可以有效避免聚氨酯材料在葉輪流道內(nèi)部堆積，更容易形成平整光滑的涂層；澆注溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致PU預(yù)聚體揮發(fā)進(jìn)而對(duì)施工人員造成身體傷害，溫度低則造成材料黏度增大不利于涂覆加工。綜合考慮涂覆效果和生產(chǎn)效率，選取涂覆持續(xù)時(shí)間低于0水平、旋轉(zhuǎn)速度高于0水平、澆注溫度接近0水平的參數(shù)利用Design-Expert軟件預(yù)測(cè)出葉輪流道內(nèi)涂層厚度為0.5 mm的最優(yōu)涂覆工藝參數(shù)組合，即7～9組試驗(yàn)的參數(shù)設(shè)置。試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的誤差計(jì)算如式（4）所示。

由表4可知，試驗(yàn)誤差均在±5%的范圍內(nèi)，說(shuō)明式 （4）的擬合方程可信度較高。獲得0.5 mm最佳減阻增效涂層厚度的最優(yōu)涂覆工藝參數(shù)為涂覆時(shí)間53.7 s、旋轉(zhuǎn)速度401 rad/min、澆注溫度90.1 ℃。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證所得涂層的厚度，隨機(jī)選取涂覆完成后的葉輪沿其中軸線剖切，通過(guò)體視顯微鏡觀察涂覆效果并測(cè)量涂層厚度，如圖8所示。

圖8 體視顯微鏡觀測(cè)涂層

圖8中，下蓋板和葉片處涂層厚度分別為461和596m，涂層厚度實(shí)測(cè)誤差處于表4的測(cè)量結(jié)果范圍內(nèi)。葉片處涂層厚度稍大，分析其原因?yàn)樵谕繉拥墓袒^(guò)程中，未完全固化聚氨酯材料仍有流動(dòng)性，在葉片曲面上發(fā)生流淌堆積所致。整體涂層完整光滑，沒(méi)有明顯的材料堆積現(xiàn)象，涂覆效果滿足加工要求。

3 結(jié) 論

本文通過(guò)自制涂覆設(shè)備，以高黏性聚氨酯作為仿生減阻增效功能涂層材料，進(jìn)行離心泵葉輪過(guò)流部位表面減阻增效涂層的涂覆工藝參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)，主要結(jié)論如下：

1）利用聚氨酯澆注溫度、自制涂覆設(shè)備的旋轉(zhuǎn)速度、涂覆持續(xù)時(shí)間等參數(shù)控制涂層厚度是可行且準(zhǔn)確的；

2）以200QJ50-26型離心泵葉輪作為試驗(yàn)對(duì)象，采用正交組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)涂覆工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果表明：影響涂層厚度的主次因素依次是旋轉(zhuǎn)速度、澆注溫度、涂覆持續(xù)時(shí)間；

3）通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果擬合得出涂覆工藝參數(shù)的二次多元回歸方程，并通過(guò)驗(yàn)證試驗(yàn)驗(yàn)證了擬合方程的準(zhǔn)確性，其誤差范圍小于5%，結(jié)果可信。200QJ50-26型離心泵葉輪最佳涂層厚度0.5 mm的涂覆工藝參數(shù)優(yōu)化結(jié)果為：涂覆時(shí)間53.7 s、旋轉(zhuǎn)速度401 rad/min、澆注溫度90.1 ℃。

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Optimization of coating process parameters for bionic drag reduction and efficiency increasing coating of centrifugal pumps

Tian Limei1, Zhang Jixiang1, Liang Ying2, Yao Guanghai2, Shang Yangeng1※

(1.,,,130022,; 2.,,130507,)

Bionics is based on the structure of natural biological system and the process of life activities as the basis of technological innovation and design, and consciously imitates and replicates it. Through the coupling of 2 or more different factors, organisms can effectively realize various functional characteristics of organisms and fully display their best adaptability to habitats，this phenomenon of biological coupling is ubiquitous in the biological world. The multi-bionics of learning and simulating the coupling mechanism of organisms is called coupling bionics. The drag reduction mechanism of dolphin skin is a typical representative of the bio-binary coupling. Dolphin skin is composed of smooth elastic keraphyllous epidermis and hard dermis, which are intertwined with each other. The coupling effect of the 2 parts is one of the main reasons why dolphins can swim fast. According to the principle of bionic similarity, Jilin University has designed a coupling functional surface which imitates the skin structure of dolphins, and applied it to the surface of the key parts (centrifugal impeller) of centrifugal pump, which can significantly improve the pump efficiency. The specific method is to directly cast the ribbed structure similar to the dolphin skin dermis on the upper and lower cover plate of impeller by one-step casting technology, and then coat the cover plate with high viscous polyurethane as the surface material. The ribbed structure at the bottom and the polyurethane coating on the surface constitute a coupling bionic functional surface. The thickness parameters of surface material coating have the greatest influence on the efficiency of coatings， and polyurethane is the main material for coating, but because of the complicated and twisted space structure of the inner passage of centrifugal pump impeller, the high viscosity characteristics of polyurethane and the limitation of traditional coating technology, it is difficult to achieve high efficiency and high quality coating on the surface of complex impeller inner runners with coupling bionic functional surface layer materials. and it is difficult to control the thickness of the coating. In order to solve the above problems, a self-made rotating coating equipment by means of centrifugal force was introduced in this paper, using which, the coating thickness could be controlled by pouring temperature, rotating speed, coating time and other parameters. According to the combination design principle of Box-Behnken Design in Design-Expert software, taking the coating thickness of impeller runner as test index, a 3 factors and 3 levels orthogonal combination experiment was designed, the above parameters were optimized and the quadratic fitting equation was established. The test results showed that the main and secondary factors affecting the coating thickness were rotating speed of equipment, pouring temperature and coating duration. The comparative coating tests were carried out on the impeller of 200QJ50-26 centrifugal pump, the results showed that the errors between tested coating thickness controlled by coating parameters and calculated value of quadratic fitting equation was less than 5%, the results were credible. According to the previous research results, when the coating thickness is 0.5 mm, the drag reduction and efficiency increasing of 200QJ50-26 centrifugal pump is the best. The test results showed that the optimum coating parameters for 200 QJ50-26 centrifugal pump to obtain the optimum coating thickness of 0.5 mm were as follows: coating duration was 53.7 s, rotating speed was 401 rad/min, pouring temperature was 90.1℃. The research can provide a reference for the engineering construction of the coupling functional surface on the centrifugal pump.

pumps; bionics; drag reduction; elastic coating; fitting equation

2018-09-25

2019-01-04

長(zhǎng)春市科技創(chuàng)新“雙十工程”重大科技攻關(guān)項(xiàng)目（3D517BP12466）；吉林省省校共建計(jì)劃專(zhuān)項(xiàng)產(chǎn)業(yè)化示范類(lèi)項(xiàng)目（SXGJSF2017）；

田麗梅，教授，博士，主要從事功能表面仿生設(shè)計(jì)研究。Email：lmtian@jlu.edu.cn

商延賡，高級(jí)工程師，博士，主要從事仿生功能表面材料設(shè)計(jì)研究。Email：shangyangeng@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.06.006

TH3

A

1002-6819(2019)-06-0047-08

田麗梅，張吉祥，梁 穎，姚廣海，商延賡. 離心泵仿生減阻增效涂層的涂覆工藝參數(shù)優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(6)：47－54. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.06.006 http://www.tcsae.org

Tian Limei, Zhang Jixiang, Liang Ying,Yao Guanghai, Shang Yangeng. Optimization of coating process parameters for bionic drag reduction and efficiency increasing coating of centrifugal pumps[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(6): 47－54. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.06.006 http://www.tcsae.org