地下滴灌專用連接管件優(yōu)化設計

文/王浩宇 戰(zhàn)國隆 王強學 賈子莉

地下滴灌是最高效的節(jié)水灌溉技術之一，但目前國內(nèi)外對地下滴灌系統(tǒng)中專用管件研究較少。常規(guī)管件在使用過程中存在滴灌管壁厚、適用范圍窄、管件易老化、可靠性差等問題，且滴灌管內(nèi)壓力升降及熱脹冷縮容易導致連接處漏水、滲水嚴重或連接脫落等，嚴重影響了地下滴灌管網(wǎng)的可靠性。因此，研發(fā)具有良好密封性和優(yōu)異可靠性的地下滴灌專用連接管件，有利于地下滴灌技術的推廣和應用。

一、地下滴灌專用連接管件優(yōu)化設計

對市場已有滴灌管連接管件的結構、性能對比分析的基礎上，將地下滴灌專用連接管件設計為有倒刺連接桿和卡扣壓環(huán)兩部件組成，設計了管件螺桿及螺紋連接結構，利用Solid Works對連接管件的倒刺連桿和卡扣壓環(huán)進行網(wǎng)格劃分和受力分析，優(yōu)化確定了管件連接桿的長度、倒刺數(shù)量以及卡扣壓環(huán)斜齒的弧形嚙合數(shù)量、壓緊板厚度、裝配槽長度等結構參數(shù)。專用管件結構設計如圖1所示。

利用三維建模軟件SolidWorks的Simulation模塊建立卡扣壓環(huán)結構模型，通過有限元方法進行結構優(yōu)化設計、理論分析和數(shù)值模擬。以管件的密封性和可靠性為目標，對卡扣壓環(huán)的半徑、齒高等特性參數(shù)進行可視化分析（如圖2～圖5），確定了產(chǎn)品結構。通過網(wǎng)格劃分及有限元應力分析，對卡扣壓環(huán)在安裝過程中出現(xiàn)的壓緊環(huán)變形問題做以預判，對卡扣壓環(huán)上應力集中處結構進行優(yōu)化，確定了嚙合牙型、角度、齒間距、齒高、壓環(huán)整體厚度等參數(shù)。

通過結構設計及有限元分析，確定了地下滴灌專用管件的三維模型結構，采用3D快速成型技術實現(xiàn)產(chǎn)品模型向?qū)嶓w的快速轉(zhuǎn)換。以實驗樣件性能測試數(shù)據(jù)為依據(jù)，最終確定卡扣壓環(huán)的產(chǎn)品模型結構，如圖6所示。

>圖1 地埋連接管件（上）、倒刺桿（中）、卡扣壓環(huán)（下）示意圖

>圖2 卡扣壓環(huán)網(wǎng)格劃分

> 圖3 卡扣壓環(huán)靜應力分析-靜態(tài)位移圖

> 圖4 卡扣壓環(huán)靜應力分析-應力

> 圖5 卡扣壓環(huán)靜應力分析-靜態(tài)應變

> 圖6 卡扣壓環(huán)開發(fā)模型

> 圖7 卡扣壓環(huán)生產(chǎn)工藝流程

經(jīng)過理論分析和實驗測試，確定了三角形斜齒嚙合齒型的最優(yōu)設計參數(shù)，即斜齒角度36.5°，齒高1.25mm，牙間距1.04mm，嚙合齒數(shù)11對。

二、地下滴灌專用連接管件生產(chǎn)

1.生產(chǎn)工藝

根據(jù)常見熱塑性塑料性能對比(原料注塑時流動性要好)，結合地下滴灌專用連接管件在使用過程中對材料的柔韌性、硬度、承壓內(nèi)沖擊能力及尺寸穩(wěn)定性的要求，選取ABS（Acryliontrile-Butadiene-Styrene）樹脂為原料，采用微孔注塑工藝進行管件生產(chǎn)，可在保證滴灌管件密封性和可靠性的基礎上降低管件的生產(chǎn)成本。地下滴灌專用連接管件生產(chǎn)工藝流程如圖7所示。

2.性能測試

按照GB/T 19812.3-2008規(guī)定的實驗方法對管件連接滴灌（管）帶的內(nèi)壓密封靜液壓進行測試，在0.20MPa下，在常溫環(huán)境中保持60min，滴灌（管）帶與管件密封連接處無破裂。對管件與滴灌（管）帶連接的耐拉拔性能進行試驗，0.2～0.8mm壁厚滴灌（管）帶在載荷130N、180N拉力下保持15min，滴灌（管）帶與管件連接處無松動、無脫開。因此，符合滴灌（管）帶連接使用的相關要求。

三、結 論

地下滴灌專用管件的嚙合齒型、角度、齒間距、齒高、壓環(huán)整體厚度等關鍵參數(shù)進行優(yōu)化設計，確定了三角形斜齒嚙合齒型的最優(yōu)設計參數(shù)。采用微孔注塑成型技術進行生產(chǎn)，研制出由兩三段倒刺的連接桿和壓環(huán)卡扣組成的地下滴灌專用連接管件。經(jīng)驗證測試，滿足地下滴灌使用要求。