摘要：针对内镶柱式压力补偿滴头特殊的三件式装配结构和其上复杂迷宫型流道，应用快速成形制造技术(RP&M)，将压力补偿式滴头的设计思想快速转换为滴头原型件进行滴头结构设计验证，再利用快速模具技术(RT)制作滴头快速硅胶软模，可快速注塑出滴头塑件，装配后直接上生产线制作滴灌管用以现场实验，从而完成压力补偿式滴头的快速定型。
关键词：压力补偿式滴头 快速成形制造技术(RP&M) 快速模具技术(RT)
前言
目前，世界微灌滴头研究的发展趋势主要有两个方面，一是开发抗堵性能优异的滴头；二是开发各种压力补偿式滴头，提高系统的灌水均匀性。压力补偿滴头对各种复杂地形适应性强，同一支管可以布置的滴头数量可以大大增加，从而降低管路费用，并且对温度的变化不敏感，对微灌均匀度很有利。但压力补偿式滴头技术含量高，开发难度大，已成为各国滴灌设备生产厂商技术高低的主要标志之一。我国滴灌压力补偿滴头的研究相对滞后，仅有两种管上式压力补偿滴头，并且其技术较落后，产品性能也较差。压力补偿滴头的系统研究将有助于提高我国滴灌滴头的自主开发和生产水平，促进我国滴灌技术的健康发展。内镶柱式压力补偿滴头可与输水管合二为一形成滴灌带，同时兼具输送水和滴水功能，在实地生产中安装和使用都极为方便，因而成为现在滴头研制的热点。
一般对压力补偿滴头研制的技术流程主要为：设计要求—二维图纸设计—模具制造—滴头件装配—实验—定型，且从设计到定型要经过多次反复，设计开发周期长一般为4-5个月，成本很高。应用快速成型制造RP&M技术，快速研制出各类新型压力补偿滴头组件，装配后进行实验验证，可实现压力补偿滴头的快速定型，且大大降低成本并能尽快投入节水灌溉中。快速成型制造技术(Rapid prototyping & Manufacturing)无需刀具和繁琐的工艺就可快速由三维CAD数据直接成型出三维实体模型，通过快速成型技术在几小时内直接成型出压力补偿滴头样件(不需要模具)，装入调节膜片装配起来可以直接在管路上进行试验，可使压力补偿滴头实验分析周期缩短4/5以上，费用降低3/4以上。
1. 压力补偿滴头简介
压力补偿滴头的工作原理是在其中安装弹性膜片，当压力增加时弹性膜片挤压孔口或流道使其过水断面尺寸变小，从而达到调节流量的作用。理想的压力补偿滴头的流量指数等于0，也就是滴头的出流水量不受压力变化的影响。实际的压力补偿滴头的水力特性并非如此，补偿性能要复杂得多，并随补偿原理和结构而变。当压力大于最大工作压力P最大滴头不再具有补偿功能，在小于最小工作压力P最小时具有冲洗功能，其原理是此时流道或孔口的过水面积增大，流量增大可将堵塞物冲洗掉。
微灌滴头的压力-流量关系式： q=KHx
式中，q－滴头流量(L/h)；
K－流量系数(与几何尺寸有关)；
H－工作压力(ｍ)；
X－流态指数。
滴头流态指数X表示流量对压力发生的敏感程度，是压力流量关系曲线的坡度。流态指数Ｘ在水的均匀流应用中起主要作用，是一个非常重要的力学参数，当X→0时，qn值趋于与水压无关的固定值，因此得出压力补偿滴头的数学公式为 ，q为压力补偿滴头的“额定流量”。
2. 内镶柱式压力补偿滴头CAD/RP
2.1 内镶柱式压力补偿滴头CAD 针对设计流量qn=6L/h的内镶柱式压力补偿滴头，为保证压力补偿滴头在要求的压力范围内达到额定流量qn，提高滴头的抗堵塞性能且出水均匀稳定，尤其是低压时的水流量变化，除了在压力补偿滴头的入水口设计放置压力调节膜片的压力调节区外，在内镶滴管外圆周上再设计一组迷宫型缓水流道，使毛管中的水流由滴头栅格孔进入滴头后先进入迷宫型缓水流道中，水压和流速可显著降低和稳定后再进入压力调节区，使滴头尽快达到压力补偿状态，保证压力补偿滴头地出水均匀稳定。其设计如图1a，接着应用参数化特征造型软件Pro-Engineering对其进行三维CAD造型，此时为保证压力补偿滴头在注射成型后的可脱模性，首先在内镶圆管上确定出分型面，垂直分型面两侧为压力补偿滴头模具的侧向分型方向，沿着分型方向，在侧向分型面两侧，一边布置压力补偿区，一边布置迷宫型流道缓水区，所构建的内镶柱式压力补偿滴头的CAD模型如图1b。 
(a)内镶柱式压力补偿滴头设计图 (b)内镶柱式压力补偿滴头CAD模型
图1内镶柱式压力补偿滴头CAD
2.2 压力补偿滴头的快速成型(RP&M)
快速成形制造技术(RP&M)能把设计人员的图纸或CAD模型在几小时或几天内转化为现实可触摸的模型和样件，供模具用户和制造商进行沟通和确认。RP原型的使用可以避免对图纸信息理解的不一致性。而且可对产品设计模型进行评估、测试和修改，并可进行功能实验及装配实验，大大缩短新产品的开发研制周期、降低成本，使企业快速响应市场，提高其参与市场竞争的能力。
由于滴头圆周上排布着精细复杂的迷宫形流道，尺寸小且要求成型质量高，因为流道微小的尺寸变化，会引起滴头内流量、流态的较大变化，因此采用成形精度高、成型表面质量好且能制造形状特别复杂零件的光固化立体造型(SL)法，来进行压力补偿滴头原型件的制作。压力补偿滴头的快速成形制造过程如下：
压力补偿滴头CAD模型设计完成后，经过数据转换送入光固化快速成形系统中，成型出滴头组件原型如图2 所示。通过水流量实验数据对压力补偿式滴头三维结构设计进行修正，以实现压力补偿式滴头的快速定型。
图2 压力补偿滴头原型 (a)压力补偿滴头硅胶模具 (b) 压力补偿滴头实验样件
图3 压力补偿滴头RT
要进行压力补偿式滴头的现场滴水实验，就要在输水毛管生产线上，将装配好的压力补偿式滴头压入毛管中制成滴灌管，生产线上模口温度为107°C，且最后滴灌管还有一道打孔工序，打出滴水孔时滴头要承受很大的冲击力，而滴头快速原型是以光敏树脂材料制成，材料硬脆，70°C以上容易软化，实践证明，压入毛管中的25个滴头，一半以上软化变形，剩下的在打孔时就脆裂了。在此就要研究采用性能好的塑料进行实验，考虑到应用快速模具制造技术制作成本低、简单快捷的快速模具(Rapid Tooling)，成型出滴头塑件可用于实验室和现场实验。
3. 内镶柱式压力补偿滴头快速模具
(RT)制造 应用快速成型制造技术进行模具制造——快速模具制造(RT—Rapid Tooling)成为新产品开发重要手段, RT省去了既耗时又费成本的CNC加工，而仅通过与传统制造工艺相结合的方法即可方便快速地制造出模具，大大节省了模具制造时间，降低了模具制造成本。随着RP原型制作精度的提高，RT法已日臻成熟。其方法则根据零件的生产批量的大小而不同，常用的有：用RP原型制作硅橡胶模、树脂型复合制模、金属喷涂模等简易模具。
由于硅橡胶模具有良好的柔性和弹性, 能够制作结构复杂、花纹精细、无拔模斜度或倒拔模斜度以及具有深凹槽的零件，并且硅橡胶软质模具适用于批量不大的注塑件的生产，一般为 2 0～50件，非常适宜我们制作压力补偿滴头实验样件之用，且成本极低，只需1天就可制成硅胶模。在此利用压力补偿滴头RP原型制作硅橡胶模具，可不考虑增设拔模斜度，基本不会影响尺寸精度。室温硅橡胶有很好的切割性能，用薄刀片就可容易地将其切开，并且切面间非常贴和，因此用它来复制模具时，可以先不分上下模，整体浇注出软模后，再由预定分模面将其切开，取出压力补偿滴头RP原型, 得到上下两个压力补偿滴头硅橡胶母模，其制作过程为：
(1 )对 RP&M制作的滴头RP原型进行表面处理, 提高作为母模的原型表面质量;
(2 )在RP原型表面上涂洒脱模剂, 固定原型并放置型框;
(3)硅橡胶计量、真空脱泡后进行混合;
(4)浇注硅橡胶混合体得到硅橡胶模具;
(5)硅橡胶固化;
(6 )刀剖开模取出原型。
制成的压力补偿滴头硅橡胶模具如图3a。再用聚胺脂材料在ZK-400真空浇注成型机中浇注成型压力补偿滴头实验样件，如图3b所示。
4. 内镶柱式压力补偿滴头实验定型
为了检验压力补偿式滴头设计是否符合要求，就要进行滴头水流量实验进行验证。在此根据GB/T17187—1997进行实验室实验和现场实验，来测定滴头流量均匀性和流量-压力关系。此压力补偿式滴头的额定流量qn=6L/h。
实验室实验：就是将装配好的压力补偿式滴头实验样件装入φ20的热缩管内，在热风均匀吹热下将滴头包裹在其中，在相应的出水区打出φ1.0的出水孔，接入实验台如图4所示。  
图4 压力补偿滴头实验室实验 图5 压力补偿滴头实地实验及其滴灌管
现场实验：就是将压力补偿式滴头实验样件送入滴灌管生产线，制成与输水毛管一体的压力补偿式滴灌管如图5，进行现场实验。
4.1滴头流量均匀性实验
对25个试样进行流量实验。
a. 调节滴头入口水压3次至最大工作压力Pmax(115 KPa)，保压3min；
b. 调节滴头入口水压3次至最小工作压力Pmin(85 KPa)，保压3min；
c. 调节滴头入口水压3次至上述工作压力范围的中间值，保压60min；
d. 不改变入口压力即压力保持在调节范围的中值Pn，即使滴头入口压力等于额定压力Pn(100Kpa)，实验过程中压力变化不超过2%，保压时间3min，测量滴头流量，重复一次，两次测得水量之差小于2%，取其平均值并计算平均流量。
此压力补偿式滴头实验室滴水实验测得平均流量q=6.41L/h，滴头流量偏差C=6.8%；现场滴水实验测得平均流量q=5.86L/h，滴头流量偏差C=2.3%，流量均匀度符合国标要求。
4.2 流量和入口压力的关系
根据上述实验测定的流量，按流量从小到大的顺序给被试滴头编号，1号最小，25号最大，然后从中选出3，12，13，23号测定它们的出水流量和入口压力的关系。应在调节范围内通过增加和降低入口压力，使滴头在三个或更多个不同压力工况下实验，实验数据应在实验压力持续至少3min后读取，对每个滴头进行实验，记录水压、实验时间、滴头出水量。重复一次，两次测得水量之差不大于2%，取其平均值并计算流量(L/h)。计算每个压力值对应的平均流量q，绘制平均流量q和入口压力P的关系曲线，如图6、图7所示。
图6 压力补偿滴头实验室实验曲线 图7 压力补偿滴头现场实验曲线
根国家标准规定计算实验室实验的滴头流态指数m=0.005；现场滴水实验的滴头流态指数m=0.003，皆小于0.2，因此压力补偿式滴头的流态符合国标要求。
至于在实验室滴水实验测得平均流量大于现场实验的结果，分析其原因为：实验室实验镶滴头所用的热缩管包紧滴头没有生产线上毛管包裹得密实，形成的流道截面积稍大，因而流量较大，在此以现场实验数据为准。因而此种压力补偿式滴头的结构设计符合要求，滴头结构设计可以定型。
在此基础上，应用定型的压力补偿式滴头CAD数据可直接进行滴头钢模具的设计和电火化加工，这样可一次性成功地制造出压力补偿式滴头钢模具，基本没有修模量，用于滴头的批量生产，如图8为滴头的模腔，在注塑机上注射成型出的压力补偿式滴头如图9所示。 
图8 压力补偿滴头模具型腔 图9 压力补偿滴头
5. 结论
将RP&M技术用在压力补偿式滴头新产品的快速研制中，可快速成型出压力补偿式滴头原型件用于设计验证和确认；应用RT技术可快速制作出压力补偿式滴头快速简易模具使其快速定型；其研制周期短，成本低且以定型后滴头CAD数据驱动，可一次性成功地制造出压力补偿式滴头钢模具进行滴头的批量生产。
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