地下滴灌专用连接管件优化设计

文/王浩宇 战国隆 王强学 贾子莉

地下滴灌是最高效的节水灌溉技术之一，但目前国内外对地下滴灌系统中专用管件研究较少。常规管件在使用过程中存在滴灌管壁厚、适用范围窄、管件易老化、可靠性差等问题，且滴灌管内压力升降及热胀冷缩容易导致连接处漏水、渗水严重或连接脱落等，严重影响了地下滴灌管网的可靠性。因此，研发具有良好密封性和优异可靠性的地下滴灌专用连接管件，有利于地下滴灌技术的推广和应用。

一、地下滴灌专用连接管件优化设计

对市场已有滴灌管连接管件的结构、性能对比分析的基础上，将地下滴灌专用连接管件设计为有倒刺连接杆和卡扣压环两部件组成，设计了管件螺杆及螺纹连接结构，利用Solid Works对连接管件的倒刺连杆和卡扣压环进行网格划分和受力分析，优化确定了管件连接杆的长度、倒刺数量以及卡扣压环斜齿的弧形啮合数量、压紧板厚度、装配槽长度等结构参数。专用管件结构设计如图1所示。

利用三维建模软件SolidWorks的Simulation模块建立卡扣压环结构模型，通过有限元方法进行结构优化设计、理论分析和数值模拟。以管件的密封性和可靠性为目标，对卡扣压环的半径、齿高等特性参数进行可视化分析（如图2～图5），确定了产品结构。通过网格划分及有限元应力分析，对卡扣压环在安装过程中出现的压紧环变形问题做以预判，对卡扣压环上应力集中处结构进行优化，确定了啮合牙型、角度、齿间距、齿高、压环整体厚度等参数。

通过结构设计及有限元分析，确定了地下滴灌专用管件的三维模型结构，采用3D快速成型技术实现产品模型向实体的快速转换。以实验样件性能测试数据为依据，最终确定卡扣压环的产品模型结构，如图6所示。

>图1 地埋连接管件（上）、倒刺杆（中）、卡扣压环（下）示意图

>图2 卡扣压环网格划分

> 图3 卡扣压环静应力分析-静态位移图

> 图4 卡扣压环静应力分析-应力

> 图5 卡扣压环静应力分析-静态应变

> 图6 卡扣压环开发模型

> 图7 卡扣压环生产工艺流程

经过理论分析和实验测试，确定了三角形斜齿啮合齿型的最优设计参数，即斜齿角度36.5°，齿高1.25mm，牙间距1.04mm，啮合齿数11对。

二、地下滴灌专用连接管件生产

1.生产工艺

根据常见热塑性塑料性能对比(原料注塑时流动性要好)，结合地下滴灌专用连接管件在使用过程中对材料的柔韧性、硬度、承压内冲击能力及尺寸稳定性的要求，选取ABS（Acryliontrile-Butadiene-Styrene）树脂为原料，采用微孔注塑工艺进行管件生产，可在保证滴灌管件密封性和可靠性的基础上降低管件的生产成本。地下滴灌专用连接管件生产工艺流程如图7所示。

2.性能测试

按照GB/T 19812.3-2008规定的实验方法对管件连接滴灌（管）带的内压密封静液压进行测试，在0.20MPa下，在常温环境中保持60min，滴灌（管）带与管件密封连接处无破裂。对管件与滴灌（管）带连接的耐拉拔性能进行试验，0.2～0.8mm壁厚滴灌（管）带在载荷130N、180N拉力下保持15min，滴灌（管）带与管件连接处无松动、无脱开。因此，符合滴灌（管）带连接使用的相关要求。

三、结 论

地下滴灌专用管件的啮合齿型、角度、齿间距、齿高、压环整体厚度等关键参数进行优化设计，确定了三角形斜齿啮合齿型的最优设计参数。采用微孔注塑成型技术进行生产，研制出由两三段倒刺的连接杆和压环卡扣组成的地下滴灌专用连接管件。经验证测试，满足地下滴灌使用要求。