梯形流道灌水器流量定量设计研究

　　0　引言

　　以往人们对灌水器的开发或其水力性能(qV=kp ^x,其中,qV为流量,p为压力,k为流量系数,x为流态指数)的研究都按照常规方法进行,即结构设计-模具注塑-与外管装配-试验。整个过程周期长而且成本高,如果试验结果不符合设计要求,则需返回修改灌水器结构甚至模具。如果要研究流道结构各特征对灌水器流量的影响关系,则需进行大量的试验,相应要开发多套模具,成本更高,在研究上不具备可行性。

　　光固化成形技术(stereolithography,SL)[1]的出现大大简化了这一研究过程。魏正英等[2,3]、魏青松等[4]相继验证了此技术在灌水器快速开发及研究的可行性。一些学者利用SL的优势开展了进一步的研究,如魏正英等[5]分析了梯形流道灌水器流道宽度和流道单元数对水力性能的影响,并分别建立了qV与两因素的关系模型;Wei等[6]以涡体流道灌水器为研究对象,建立了k、x与流道截面积、锥腔进出口直径比和锥腔单元数之间的相互关系模型;张俊等[7]采用正交试验的方法建立了三角形流道的一些参数与qV之间的关系。此外,王建东等[8]采用注塑的灌水器作为研究对象,建立了qV与流道长度之间的数学关系。如果仅从结构的影响因素考虑,流道结构不同,其参数数量也就不同,然而在分析之前无法预知哪个因素对水力性能的影响最显著,因而如果选择的参数过少可能得不到全面的结论。本文则在前人研究的基础上,利用光固化成形技术和均匀设计试验方法的优势,取梯形流道灌水器的6个关键参数为因素,研究6个参数对k和x的影响,从而得出qV与6个参数的关系模型,为今后此类型灌水器流量的定量设计提供经验公式。

　　1试验研究方案

　　1.1试验的均匀设计

　　均匀设计在正交试验方法的基础上去掉了整齐可比的要求,改进了均匀分散的特点,使试验的安排更有代表性,可大大减少试验的次数,易于安排多因素多水平的试验[9]。　　以梯形流道灌水器为研究对象(图1),流道单元的结构如图2所示,取流道宽度W、锯齿宽度H、流道长度L、锯齿转角θ、流道深度D等5个结构参数和流道单元数N为关键参数(6个参数)。应用均匀设计的原理将以上6个参数作为因素,　每个因素取6个水平,考虑到试验的样本容量,让每个水平重复3次,选用均匀设计表U18(1811)来安排试验,试验方案如表1所示。

　　1.2试验件的快速成形制造

　　为便于进行灌水器的水力性能试验,采用三维CAD建模软件Pro/E将灌水器和外管设计成一体化结构,然后按照系统默认的弦高和角度把CAD模型转换成三角面片STL格式,采用RP-　　data软件进行分层后输入到SPS600B激光固化快速成形机中,制作出一体化的灌水器树脂原型件,每次耗时约12h,制作过程的工艺参数均已通过优化[10]。为检测灌水器流道的制作精度,在每次成形时附加制作5件灌水器单体(图1),对成形后的单体采用VH-8000光学显微系统进行结构尺寸测量,确保其尺寸偏差均控制在规定范围之内。