CN108268734B

CN108268734B - 一种流延式薄壁滴灌带流道的设计及成型方法

Info

Publication number: CN108268734B
Application number: CN201810082341.6A
Authority: CN
Inventors: 李云开; 侯鹏; 冯吉; 王志富
Original assignee: China Agricultural University
Current assignee: Beijing Dixin Technology Co ltd
Priority date: 2018-01-29
Filing date: 2018-01-29
Publication date: 2021-06-04
Anticipated expiration: 2038-01-29
Also published as: CN108268734A

Abstract

本发明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。

Description

一种流延式薄壁滴灌带流道的设计及成型方法

技术领域

本发明属于农业节水灌溉技术领域，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。

背景技术

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，本发明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(Computational Fluid Dynamics，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。

发明内容

针对现有技术不足，本发明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。

本发明可以有效解决以下技术问题，具有以下有益效果：

1)利用CFD分析技术手段，建立了一种以调控流延式滴灌带流道内部固-液-气多场流动为目标的流道设计方法，确定了流延式滴灌带产品吸附成型工艺对流道结构设计参数的控制阈值，解决了流延式滴灌带流道设计理论缺失而带来的产品开发周期长、成本高以及流道设计方法与吸附成型工艺适配性问题；

2)提出了一种适宜流延式滴灌带产品的双层不对称迷宫流道结构，通过多工况模拟分析逐步寻优，明确了流道最优的结构参数，开发了上下双层结构的自清洗进水口与出流面积增大的防负压出水口，有效解决了滴灌带变形大、内壁拉伸增长部分在水流压力作用下堵塞上层流道而产生的出流不稳定、进水不稳定问题，不对称流道结构也降低了生产难度；

3)构建了一种适宜双层不对称流道流延式薄壁滴灌带产品加工的吸附成型工艺改进方法，确定了具有双排凹槽结构的成型轮及其流道凹槽加工方法，提出了成型轮吸附点位优化布置形式，有效提升了吸附成型工艺对迷宫流道的加工精度，解决了具有一定复杂程度的迷宫流道吸附成型加工问题，实现了快速、精准生产；

4)提出了一种适宜流延式薄壁滴灌带低变形、管壁增韧减薄工艺和材料配方，在传统滴灌带的材料配方中添加增韧减薄母料(POE)、相容剂(马来酸酐接枝)和抗氧化剂(抗UV剂)实现了滴灌带韧性、可加工性、均匀性及抗老化能力的协同增强，解决了流延式滴灌带产品流道进口大变形而产生的堵塞问题，并使得管壁减薄至0.125mm，成本降低至0.15元/m。

附图说明

图1为本发明的一种流延式薄壁滴灌带流道的设计及成型方法的整体流程图；

图2为本发明的一种流延式薄壁滴灌带流道的循环逐级优化设计方法流程图；

图3为本发明的一种流延式薄壁滴灌带流道的不同流道构型的湍流强度示意图，其中(a)为梯形流道、(b)为三角形流道、(c)为矩形流道，(d)为齿形流道，(e)为倒齿形流道；

图4为本发明的一种流延式薄壁滴灌带流道的齿形流道改进后几何参数示意图；

图5为本发明的具有双层不对称流道的流延式薄壁滴灌带的结构示意图，其中(a)为俯视图、(b)为左视图、(c)为正视图；

图6为本发明的具有双层不对称流道的流延式薄壁滴灌带的不对称进水口的结构示意图，其中(a)为俯视图、(b)为左视图、(c)为正视图；

图7为本发明的具有双层不对称流道的流延式薄壁滴灌带的防负压出水口的结构示意图，其中(a)为俯视图、(b)为左视图、(c)为正视图；

图8为本发明的一种流延式薄壁滴灌带流道的成型方法所用成型轮的结构示意图，其中(a)为俯视图、(b)为左视图、(c)为正视图；

图9为本发明的一种流延式薄壁滴灌带流道的真空吸附点布置图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例以及方位性的词语均是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

基于目前国内外流延滴灌带流道设计理论及生产工艺缺失的现状，本发明提出了一种流延式薄壁滴灌带流道的设计及成型方法，推动了国内外流延滴灌带的设计开发。

如图1所示，本发明提出了一种流延式薄壁滴灌带流道的设计及成型方法，该方法主要包括以下流程：

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；

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。

下面将对上述各流程分别进行详细描述，其中，

流程1如图2所示，主要包括以下步骤：

1)模型模拟与求解方法

模型模拟与求解方法主要包括三维建模、网格划分、数值模拟三步，首先通过三维建模软件实现结构建模；其次将建立的模型进行网格划分；最后将划分好的网格导入数值模拟软件中实现结构内部可视化分析。具体方法如下：

三维建模：采用UG、solidworks等软件进行结构建模，通过草图绘制、拉伸、布尔等命令的反复使用可以实现各种结构的三维造型。另外，考虑到吸附成型工艺的制造误差，在各个结构突变部位采用圆角命令进行不同圆角尺寸的构建。

网格划分：将构建好的结构导入ICEM-CFD(integrated computer engineeringand manufacturing code for computational fluid dynamics)中进行流道部分的网格划分，出于对计算精度与计算时间的综合考虑，流道流体部分网格最大尺寸选择为0.1-0.4mm，进水口、出水口网格最大尺寸选择为0.05-0.2mm。

数值模拟：将建立好的网格导入到FLUENT软件中对流道内部实现可视化模拟分析，并确定模拟过程中的最优参数。通过对目前应用最为广泛Standard k-ε模型、RNG k-ε模型和LES模型进行固-液-气三相流动模拟，并与粒子图像测速技术得到的实测结果进行对比，发现最优湍流模型为RNG k-ε模型，故本发明后续均采用RNG k-ε湍流模型进行固-液-气三相流动模拟。

另外，采用的其他参数主要有：数值计算采用有限体积法离散控制方程；对流项等各参数的离散均采用二阶迎风格式；速度和压力的耦合采用SIMPLE算法求解；在流道构型与最优结构参数的选择中，进口均设置为压力入口(0.1-0.2MPa)，出口均设置为压力出口(0MPa)。

2)构建最优流道构型

首先，基于片式灌水器流道结构吸附成型工艺的成型误差，对流道构型进行圆弧优化，通过CFD模拟方法确定该工艺下的最优流道构型。通过对多组流道单元结构的测量，发现结构突变位置均会产生圆角，其中齿尖部位吸附误差较大，其形成的圆角半径均值在0.2mm左右。但由于齿尖部位为主要消能部位，仍需保证其生产精度。故本发明提出在齿尖部位左右不对称位置设置两个吸附孔，即齿尖部位左右圆弧半径不同，通过不对称的吸附作用可较大程度地提高齿尖的制造精度。由于吸附孔半径不小于0.2mm，齿尖部位圆弧半径不应小于0.2mm；对于其他的结构突变部位，圆弧半径大于0.2mm时，吸附成型误差较小，故选择0.3-0.5mm圆弧半径对其他的结构突变部位进行优化。

其次，以上述最优流道构型为基础，构建双层不对称流道结构形式。将上述圆弧优化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为最优流道构型。将完全相同的两个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。保证重叠部分比例，从而确保正常工作状态与自清洗状态下流道的出水稳定性。

3)确定流道结构参数的控制阈值及其最优值

在实现上述双层不对称结构流道构建后，采用步骤1)模型模拟与求解方法，进一步确定流道结构参数的控制阈值及最优值。

以圆弧优化齿形流道为例，其结构参数有S：相邻齿距，θ：角度，d：流道宽度，L：流道长度，H：齿高，R₀：齿尖左圆弧半径，R₁：齿尖右圆弧半径，R₂：齿根圆弧半径，w：流道深度等9个。目前应用最为广泛的齿形流道k的预报模型为：

其中，参照片式齿形流道结构单元控制阈值：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。对于齿尖、齿根圆弧半径而言，为了保证齿尖的成型精度，并且考虑到真空吸附孔的半径一般为0.18-0.23mm，齿尖圆弧半径应选择不小于0.2mm，而齿根圆弧半径由于吸附成型工艺限制，半径不小于0.2mm。

由于流道结构参数的改变对于灌水器水力性能参数x的变化影响较小，但会对灌水器抗堵塞性能产生显著影响，所以以灌水器流道内壁流动剪切力均不处于堵塞物质生长最适宜剪切力区间(0.2-0.4Pa)为控制目标，采用CFD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(0-0.2Pa∪0.4Pa-∞)内并其湍流强度较大的单元段参数为最优流道结构参数。通过CFD进行流量的模拟验证直至流量满足设计要求，若多组数据流量满足要求，则同样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(0-0.2Pa∪0.4Pa-∞)内并其湍流强度较大的单元段参数为最优结构参数。

确定最优流道结构参数后，采用CFD模拟的方法进行流量校核，若流量偏差处于5％范围内，则选择接受，如流量偏差超过5％，则重新进行流道结构参数确定。

流程2主要包括以下内容：

1)形成自清洗进水口

在流延式薄壁滴灌带常规的直条式进水口的基础上，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。进水口的边壁处不进行热封，从而形成自清洗进水口。

经过上述处理后，滴灌带外边壁与内边壁在进水口处为可分离的两层。在水压变化的情况下，内边壁可以起到一定的压力补偿作用，一定程度上调节出流流量；当水压达到1.5倍工作压力及以上时，两层管壁的间隙打开，对流道中堵塞的杂质进行清洗，从而实现流延式薄壁滴灌带具有压力补偿及自清洗作用。

2)形成防负吸出水口

现有流延式薄壁滴灌带的出水口一般为直条式，位于滴灌带侧边，使用过程中水压变化时，易产生负压作用导致尘土颗粒倒吸入流道内造成滴灌带的堵塞，从而影响灌水均匀性。

为了避免这种问题的发生，本发明提出了防负吸出水口的设计，即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滴灌带堵塞情况的发生。

流程3主要包括以下内容：

1)成型轮结构改进及其凹槽流道结构参数计算

成型轮结构改进：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，可保证成型时在流道对应的一侧边壁同步形成相同流道。

流道凹槽加工方法：为了实现精准生产，需要针对优化后的流道结构，构建成型轮上凹槽流道结构尺寸。通过对滴灌带与成型轮流道的多次重复精确测量对比，建立了基于滴灌带流道的成型轮凹槽流道构建模型。

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：

2)凹槽流道真空吸附点位置的确定

尚未冷却的片状膜片通过成型轮凹槽流道时，真空泵提供真空度并真空吸气孔进行真空吸附，根据需要调节真空度，从而保证迷宫成型饱满。从中我们可以看出，吸附点的位置对迷宫成型影响极大。因此提出真空吸附点设于湍流强度较大部位的布置方法。

由于齿尖部位为主要消能位置，应优先保证其成型精度。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；为了保证齿根圆弧的成型精度，尽量将吸附孔圆心向齿根圆弧圆心处靠拢。对其真空吸附点未知的改进，能够减小流道对成型工艺的精度要求，增强了其消能作用。

3)其他结构改进

首先，在成型牵引机处增加装置，以保证本发明的流延式薄壁滴灌带的精准成型及进水稳定。在叠边热封装置前增加运送流道，确保叠边中心线位置，从而保证其上下流道具有1/4-1/2流道宽度的位置偏移量；其次，在裁边装置后增加热卷边装置，利用热作用保证其内侧流道边壁边缘始终保持内卷曲状态，从而保证该流延滴灌带进水口始终保持张开状态，避免因水头压力过大导致的出水口自封闭。

4)流延式滴灌带成型工艺优化

为了实现本发明的具有双层不对称流道的流延式薄壁滴灌带的生产，还研发了专用的生产工艺。其具体过程为：

滴灌带的母料通过挤出机加热挤出后形成片式膜片，并在牵引作用下进入成型轮，成型轮上加工有两道对应的迷宫流道凹槽，凹槽底部有真空吸气孔，还没有完全冷却的膜胚被真空吸附在成型轮上形成对应的迷宫流道、进水口和出水口。成型轮内部通冷却循环水，迷宫吸好后在成型轮上同时冷却，保证带迷宫的片材完全冷却成型。成型轮冷却后，片材经过裁边回收系统，解决片材在高速生产中出现的宽度波动问题，其后通过流延裁边装置后新增的侧向热卷边装置，使窝在内测的滴灌带热封外部分保持卷曲状态，通过折边装置将带迷宫的片材折成管状，此时流道结构即为双层不对称结构，再经热封后，滴灌带已经成型，进行收卷即可。

流程4主要包括以下内容：

传统的流延式薄壁滴灌带主要有四种材料，分别为：线性低密度聚乙烯(LLDPE，乙烯与α-烯烃的共聚物)，重量百分比为87.5％-89.5％；抗老剂(滴灌带专用防老化稳定剂)，重量百分比2.0％；塑料耐寒柔软剂(苯乙烯类三元共聚物改性剂)，重量百分比为1.0％；黑色母料，重量百分比3.0％。但此种材料配方下的滴灌带材料变形大，在压力达到1.5倍工作压力时，甚至不能保证出流，故需增强其材料的韧性、强度。又因为滴灌带边壁较薄，使用过程中极易被氧化从而导致使用年限较低，并且考虑到在材料配方中增加了诸多新型材料，则滴灌带生产均匀性在一定程度上会降低，故需在其中加入抗氧化剂及相容剂。

以此为基础，本发明提出了新型的滴灌带材料。

韧性的增强：在材料中加入增韧母粒POE，POE塑料是采用茂金属催化剂的乙烯和辛烯实现原位聚合的热塑性弹性体，其特点是：1)辛烯的柔软链卷曲结构和结晶的乙烯链作为物理交联点，使它既有优异的韧性又有良好的加工性；2)POE塑料分子结构中没有不饱和双键，具有优良的耐老化性能；3)POE塑料分子量分布窄，具有较好的流动性，与聚烯烃相容性好；4)良好的流动性可改善填料的分散效果，同时也可提高制品的熔接痕强度。随着POE塑料含量的增加，体系的冲击强度和断裂伸长率有很大的提高。可见，POE塑料对PP,PE有优良的增韧作用，与PE、活性碳酸钙有较好的相容性。这是因为POE塑料的分子量分布窄，分子结构中侧辛基长于侧乙基，在分子结构中可形成联结点，在各成分之间起到联结、缓冲作用，使体系在受到冲击时起分散、缓冲冲击能的作用，减少银纹因受力发展成裂纹的机会，从而提高了体系的冲击强度。当体系受到张力时，由于这些联结点所形成的网络状结构可以发生较大的形变，所以，体系的断裂伸长率有显著的增加。

抗老化能力的提高：在材料中加入抗UV剂，抗UV剂的加入可防止聚合物在加工过程中降解，并防止制成品在使用中氧化。并且特定的用途需要特殊的添加剂配方，例如与电线、电缆用途相关的铜抑制剂。并且通过添加抗UV添加剂，可以提供优良的耐气候性和抗紫外线(或日光)，从根本上提高PE管的使用寿命。

材料均匀性、可加工性的提高：为了使增加的材料均匀的掺入制作滴灌带的母料中，提高复合材料的相容性，并且改善加工流变性，故需在材料中加入相容剂。相容剂又称增容剂，是指借助于分子间的键合力，促使不相容的两种聚合物结合在一体，进而得到稳定的共混物的助剂，这里是指高分子增容剂。

本发明采用相容剂为马来酸酐接枝。马来酸酐接枝相容剂通过引入强极性反应性基团，使材料具有高的极性和反应性，是一种高分子界面偶联剂、相容剂、分散促进剂。可以提高滴灌带韧性及机械轻度等特性。并且可改善无机填料与有机树脂相容性，提高产品的拉伸、冲击强度，实现高填充，减少树脂用量，改善加工流变性，提高表面光洁度。

流程5主要包括以下内容：

综合流程1至4所得到的结果进行灌水器三维定型，开发高精度模具，最终依据用户应用需求，选定滴灌管材料、壁厚等关键参数，实现灌水器新产品的产业化。

下面以优选实施例为例，对本发明进行更加详细的说明。

实施例应用本发明的一种流延式滴灌带流道的设计及成型方法，生产流量为3L/h的具有具有双层不对称流道的流延式薄壁滴灌带。具体流程如下：

1、双层不对称流道结构设计与参数确定

1)流道构型选择

本实施例中，通过CFD模拟方法对进行圆弧优化后的梯形、三角形、矩形、齿形和倒梯形等五种结构形式进行模拟，模拟结果如图3所示。

在梯形、三角形流道的齿尖角部位，倒梯形流道的各流道边壁拐角位置均存在明显的湍流强度较低区域，泥沙容易在这些位置沉积，引发灌水器堵塞。通过模拟实验可知，所有流道构型中齿形流道抗堵塞能力相对较高。优化后的齿形流道湍流强度最高且无湍流强度极大的边角区域。因此选择齿形流道作为吸附成型工艺下的最优流道构型。

2)面向流量的单元结构参数的确定

本实施例中，采用的圆弧优化齿形流道构型可由齿形流道通过圆角优化演变而来，其结构参数如图4所示。其中S：相邻齿距，θ：齿角，H：齿高等3种结构参数均可参照片式齿形流道结构单元最优设计，即齿高H为1.3mm，齿角θ为60°，相邻齿距S为1.8mm。为了实现3L/h流量的设计，通过模拟对比，最终选择流道宽度d为0.8mm，流道长度L为34.5mm，流道深度w应低于0.8mm。

确定了以上结构参数后，还需确定齿尖和齿根圆弧半径等结构参数。其中，齿尖右圆弧半径R₁选取0.2mm，齿尖左圆弧半径R₀选取0.3mm和0.4mm，齿根圆弧半径R₂选取0.3mm、0.4mm和0.5mm进行对比。考虑到漩涡发展的对称性，对流道单元的齿尖迎水区与齿根背水区、齿尖背水区与齿根迎水区采用对称设计。最终发现R₀＝0.4mm、R₂＝0.4mm时，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内，漩涡发展更充分、湍流强度更高，因此选定R₀＝0.4mm、R₂ 0.4mm为圆弧最佳优化尺寸。

最后经过流量验证，满足要求。经过结构参数优化后的流道结构尺寸如图5所示。

2、进水口和出水口设计

本实施例中，进水口采用双层不对称的结构形式，其单条进水口宽度为0.6mm，高度为0.8mm，其结构尺寸如图6所示。通过在出水口处增加防负压结构形成，突变前尺寸为0.8×0.8mm，突变后尺寸为1.0×1.0mm，其结构尺寸如图7所示。

3、成型轮结构改进及其凹槽流道结构参数计算

1)开发成型轮及其凹槽流道结构参数计算方法

本实施例中，选取滴灌带壁厚为0.15mm，根据成型轮流道直线段结构尺寸计算公式进行成型轮流道尺寸确定，即齿高H为1.45mm，齿角θ为60°，相邻齿距S为2.1mm，圆弧半径为0.55mm，流道宽度d为1.1mm，流道长度L为34.5mm，流道深度d为0.95mm。改进后的成型轮尺寸结构如图8所示。

2)凹槽流道真空吸附点未知的确定

通过不同形式的对比，最后形成齿尖左右圆弧处两侧不对称布置真空吸附孔，齿根圆弧圆心处布置真空吸附孔的布置方式如图9所示，其中真空吸附孔半径为0.2mm。

4、材料改性与合理配方设计

为了实现流延式薄壁滴灌带低变形、增韧减薄等功能，在传统滴灌带的材料配方中添加增韧减薄母料(POE)、相容剂(马来酸酐接枝)和抗氧化剂(抗UV剂)，改进后的材料配方为：双峰高密度聚乙烯聚乙烯(DGDB2480H)，重量百分比为87.5％-89.5％，增韧减薄母料(POE)，重量百分比4.5％-5.5％，相容剂(马来酸酐接枝)，重量百分比0.5％，抗氧化剂(抗UV剂)，重量百分比2.0％-3％，黑色母料，重量百分比3.0％。

5、定型生产

综合以上所得到的流延滴灌带结构构型、几何参数与边界优化形式，进行滴灌带三维定型，最终依据用户应用需求，开发高精度模具，选定滴灌带材料、壁厚等关键参数，实现滴灌带的产业化。

最后需要指出的是：尽管上述通过举例说明，已经描述了本发明最佳的具体实施方式，本发明的保护范围并不仅限于上述说明，本领域一般技术人员可以理解的是，在不背离本发明所教导的实质和精髓的前提下，任何修改和变化都落入本发明的保护范围。

Claims

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；

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；

所述流程2的形成自清洗进水口，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；

所述流程2的形成防负吸出水口，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；

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

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；

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。

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2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34.5mm，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。

4.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。

5.根据权利要求4所述的设计及成型方法，其特征在于，所述相容剂为马来酸酐接枝。