收稿日期： 2022-11-18； 修回日期： 2023-04-05； 網(wǎng)絡(luò)出版時間： 2024-06-24

網(wǎng)絡(luò)出版地址： https：//link.cnki.net/urlid/32.1814.TH.20240621.1315.024

基金項(xiàng)目： 河北省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（20327003D，21327002D）

第一作者簡介： 汪小珊（1994—），女，陜西安康人，博士研究生（wangxiaoshan1019@163.com），主要從事灌溉施肥設(shè)備及水動力學(xué)研究.

通信作者簡介： 嚴(yán)海軍（1974—），男，浙江寧波人，教授，博士生導(dǎo)師（yanhj@cau.edu.cn），主要從事節(jié)水灌溉技術(shù)與裝備研究.

摘要： 噴孔參數(shù)和流量是研究微噴帶水力性能的基礎(chǔ).為探究微噴帶噴孔結(jié)構(gòu)與噴灑特性，選取了國內(nèi)外2種激光打孔的加強(qiáng)壓邊型微噴帶，每組組孔包含12個噴孔，利用圖像處理進(jìn)行了噴孔參數(shù)測量與加工質(zhì)量評價，并進(jìn)行了噴孔流量試驗(yàn).結(jié)果表明，2種微噴帶從噴孔內(nèi)側(cè)和外側(cè)測得的面積誤差均小于10%；進(jìn)口微噴帶和國產(chǎn)微噴帶噴孔的平均圓度分別為0.82～0.88和0.82～0.91，進(jìn)口微噴帶不同組孔內(nèi)相同位置噴孔的圓度偏差系數(shù)低于0.040、流量偏差系數(shù)小于0.120，而國產(chǎn)微噴帶噴孔的圓度偏差系數(shù)和流量偏差系數(shù)的波動較大，其值分別為0.009～0.069和0.057～0.475.因此以噴孔面積和圓度為指標(biāo)，可對不同激光打孔的微噴帶噴孔進(jìn)行評價，當(dāng)噴孔面積的波動范圍和圓度偏差系數(shù)較小時，微噴帶不同組孔內(nèi)相同位置的噴孔流量差異性較小.

關(guān)鍵詞： 微噴帶；噴孔；圓度；偏差系數(shù)；評價指標(biāo)；激光打孔

中圖分類號： S275.5" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A" 文章編號： 1674-8530（2024）07-0749-08

DOI：10.3969/j.issn.1674-8530.22.0282開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

汪小珊，徐云成，周凌九，等.微噴帶激光打孔質(zhì)量評價及對噴孔流量的影響［J］.排灌機(jī)械工程學(xué)報，2024，42（7）：749-756.

WANG Xiaoshan，XU Yuncheng，ZHOU Lingjiu，et al. Quality evaluation of laser drilling of micro-sprinkling hose and its influence on orifice flow rate［J］.Journal of drainage and irrigation machinery engineering（JDIME），2024，42（7）：749-756.（in Chinese）

Quality evaluation of laser drilling of micro-sprinkling hose

and its influence on orifice flow rate

WANG Xiaoshan1，XU Yuncheng1，2，3，ZHOU Lingjiu1，2，TAN Haibin4，HUI Xin1，YAN Haijun1，2，3*

（1. College of Water Resources and Civil Engineering， China Agricultural University， Beijing 100083， China; 2. Research Center of Safety and Energy Saving Technology for Water Supply Network System， Beijing 100083， China; 3. Engineering Research Center for Agricultural Water-saving and Water Resources， Ministry of Education， Beijing 100083， China; 4. Hebei Science and Technology Innovation Service Center， Shijiazhuang， Hebei 050051， China）

Abstract： The structural parameters and flow rate of an individual orifice are important to the perfor-mance of a micro-sprinkling hose. To investigate orifice structure and spray characteristics of micro-sprinkling hoses， two kinds of strengthened edge rolling micro-sprinkling hoses using by laser drilling technique from domestic and abroad were selected. Each group of which has an orifice group of 12 orifices. The methods of orifice parameter measurement and machining quality evaluation were proposed based on image processing technology， and the test of orifice flow rate was carried out. The results indicate that the relative error of the orifice area measured from the inside and the outside is less than 10% for two micro-sprinkling hoses. Both the average roundness of individual orifices for the imported and domestic micro-sprinkling hoses ranges from 0.82 to 0.88， and from 0.82 to 0.91， respectively. The roundness deviation coefficient of the individual orifice at the same position of different samples is less than 0.040， and the flow rate deviation coefficient is less than 0.120 for the imported micro-sprinkling hose. Both the deviation coefficients for the roundness and orifice flow rate of the domestic micro-sprinkling hose display a remarkable difference among different samples， with values of 0.009 to 0.069 and 0.057 to 0.475， respectively. Therefore， the area and roundness can be used as indexes to evaluate the individual orifice of different laser drilling micro-sprinkling hoses. The difference of flow rate is small for the individual orifice at the same position in different orifice groups of the micro-sprinkling hose， when the fluctuation of orifice area and the deviation coefficient of roundness is relatively small.

Key words： micro-sprinkling hose;orifice;roundness;deviation coefficient;evaluation index;laser drilling

微噴帶通過在薄壁塑料軟管上布置噴孔實(shí)現(xiàn)噴灑灌溉，具有工作壓力低、抗堵塞能力強(qiáng)和投資成本低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于果園和大田作物灌溉［1-3］.目前市場上微噴帶根據(jù)管壁形式可以分為普通型、壓邊型和加強(qiáng)壓邊型［4］.普通型微噴帶的管壁無縫隙，多為斜3，5和7孔等；壓邊型［5］通過壓邊熱合設(shè)備使2片聚乙烯薄片融合一起；加強(qiáng)壓邊型是在壓邊型微噴帶的管壁沿縱向增加加強(qiáng)肋，使其適應(yīng)較高水頭的工作壓力，多為12孔.為了滿足長距離鋪設(shè)的灌溉需求，加強(qiáng)壓邊型微噴帶得到了廣泛應(yīng)用.

近年來微噴帶的水力特性［6-8］和噴灑特性［9-10］受到較多學(xué)者的關(guān)注.微噴帶是由多個小孔組成，噴孔的射流一般具有密實(shí)、破裂和分散霧化3個階段［11］，依次經(jīng)過孔口和空中，最終噴灑到地表［12］，其射流形態(tài)與噴孔結(jié)構(gòu)密切相關(guān).文獻(xiàn)［13-15］中研究了噴孔在地表上的水量分布及其影響因素，文獻(xiàn)［16-17］中研究了噴孔噴灑水滴在空中的分布規(guī)律，但缺乏對噴孔出流特性的分析.噴孔形狀與打孔方式密切相關(guān)，目前噴孔加工主要有機(jī)械打孔和激光打孔2種方式.不同的打孔方式會造成噴孔幾何參數(shù)的差異，最終影響微噴帶的水力特性和噴灑特性.文獻(xiàn)［18-19］通過改進(jìn)微噴帶激光打孔技術(shù)改善了噴孔加工質(zhì)量，從而提高了微噴帶的水力性能，但未開展多孔組合微噴帶的研究，也未對噴孔結(jié)構(gòu)的形變進(jìn)行分析.有學(xué)者［20-22］利用孔徑偏差、孔圓度、孔錐度和孔內(nèi)壁粗糙度等指標(biāo)評價噴孔打孔質(zhì)量，但部分指標(biāo)并不適合評價微噴帶的噴孔質(zhì)量.設(shè)計(jì)噴孔單斜布置的微噴帶產(chǎn)品時，各噴孔大小相同，可以將噴孔直徑作為主要結(jié)構(gòu)參數(shù)［17］，但對于噴孔大小不同且隨機(jī)布置的微噴帶是不適合的，因此需要建立此類微噴帶噴孔質(zhì)量評價的新指標(biāo).

為此，文中選擇市場上常見的2種激光打孔加強(qiáng)壓邊型微噴帶，利用圖像處理技術(shù)開展噴孔參數(shù)測量和加工質(zhì)量評價，分析微噴帶噴孔流量的變化.

1" 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1.1" 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用進(jìn)口和國產(chǎn)2種加強(qiáng)壓邊型微噴帶，由多個相同布置方式的組孔構(gòu)成，組孔內(nèi)12個隨機(jī)布置的噴孔均采用激光打孔，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，圖中D為微噴帶折疊后的內(nèi)徑，l為噴孔間距，L為組孔間距，ld為噴孔邊距.文中重點(diǎn)考慮打孔方式對噴孔結(jié)構(gòu)和流量的影響，因此盡可能選擇微噴帶內(nèi)徑、壁厚、組孔間距和噴孔間距等參數(shù)相同或接近，而噴孔邊距對噴孔的流量影響較小.微噴帶參數(shù)見表1，表中δ為壁厚.為方便對2種微噴帶進(jìn)行對比分析，將進(jìn)口微噴帶標(biāo)記為J、國產(chǎn)微噴帶標(biāo)記為C.對于隨機(jī)布置的噴孔，假定組孔內(nèi)首個噴孔位置后，其他噴孔順序及位置隨之相應(yīng)確定.

1.2" 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了精確捕捉噴孔形狀的圖像，采用影像測量儀（紹興騰博計(jì)量儀器有限公司，型號為VMS-2010）對噴孔進(jìn)行測量，用測量儀內(nèi)的CCD相機(jī)拍攝噴孔，分辨率為0.000 5 mm.每種微噴帶分別選取包含4組完整組孔的4段試樣，每段試樣長度約為2.4 m.選擇其中的試樣1將微噴帶沿兩側(cè)護(hù)翼剖開，利用影像測量儀分別從噴孔外側(cè)（由微噴帶外側(cè)朝向內(nèi)側(cè)）和內(nèi)側(cè)（由微噴帶內(nèi)側(cè)朝向外側(cè)）進(jìn)行影像觀測，對試樣2，3和4隨機(jī)選擇一個組孔進(jìn)行噴孔外側(cè)的影像觀測和噴孔流量試驗(yàn).

噴孔流量試驗(yàn)在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)大廳內(nèi)進(jìn)行，采用的試驗(yàn)裝置包括調(diào)壓閘閥、精密壓力表（量程0～0.6 MPa，精度為0.4級）和壓力調(diào)節(jié)器（美國Senninger公司）等，如圖2所示.試驗(yàn)水源為自來水，考慮到試驗(yàn)過程中水壓會有波動，在微噴帶試樣的進(jìn)口處安裝了預(yù)置壓力為41 kPa（6 psi）的壓力調(diào)節(jié)器，并使壓力表1處的壓力保持100 kPa左右，以確保試樣進(jìn)口壓力保持穩(wěn)定.試驗(yàn)采用質(zhì)量法測定每個噴孔流量，使用500 mL塑料小瓶開口對準(zhǔn)噴孔，收集噴孔射出的水流，再利用精度為0.01 g的電子秤測量小瓶收集的水的質(zhì)量，每次試驗(yàn)時間為60 s；對于不需要測試的噴孔，則使用PVC遮擋板遮蓋，如圖3所示.

1.3" 數(shù)據(jù)分析方法

對于噴孔隨機(jī)布置且大小不同的加強(qiáng)壓邊型微噴帶，不能將某個噴孔直徑作為所有噴孔結(jié)構(gòu)的量化參數(shù)，還需要采用其他定量的評價指標(biāo).因受到激光加工技術(shù)和微噴帶管壁厚度的影響，加工的噴孔形狀并非為標(biāo)準(zhǔn)圓形.對于任意形狀的噴孔，一般可用噴孔面積A表示噴孔大小，而用圓度f評價噴孔形狀.

圓度［23］的定義是通過最小二乘法對噴孔輪廓進(jìn)行圓擬合，尋找出最小二乘圓的圓心和半徑，將輪廓上的點(diǎn)與圓心之間距離的最大值、最小值之比作為圓度f，計(jì)算式為

Δ=min∑ni=1（Ri－R）2，（1）

f=RmaxRmin，（2）

式中：Δ為噴孔輪廓上所有點(diǎn)與最小二乘圓圓心距離的平方總和；Ri為最小二乘圓圓心到噴孔輪廓上點(diǎn)的距離，mm；R為最小二乘圓半徑，mm；n為噴孔輪廓上點(diǎn)的個數(shù)；Rmax，Rmin分別為最小二乘圓圓心到噴孔輪廓上點(diǎn)的最大、最小距離，mm.

圖4為提取的微噴帶噴孔影像和圓度計(jì)算過程，其中圖4a是通過影像儀從微噴帶外側(cè)向內(nèi)側(cè)觀察得到的圖像，圖4b是利用Python計(jì)算機(jī)編程語言進(jìn)行灰度和二值化處理，提取噴孔要素后得到的噴孔輪廓圖像，再通過影像儀自帶的校準(zhǔn)尺進(jìn)行實(shí)際尺寸的校準(zhǔn)，并利用Python語言計(jì)算得到黑色區(qū)域的面積，以此作為噴孔面積.在此基礎(chǔ)上，利用Python語言的opencv.cv2.findContours（） 函數(shù)識別出輪廓，并對輪廓點(diǎn)進(jìn)行最小二乘法圓擬合，計(jì)算圓心位置和半徑.圖4c為噴孔輪廓放大圖，其中紅色實(shí)心圓點(diǎn)為噴孔輪廓點(diǎn)，虛線為擬合后的最小二乘圓，圓中心的實(shí)心點(diǎn)為圓心.

為了表征微噴帶噴孔加工質(zhì)量，對不同組孔同一位置噴孔采用圓度偏差系數(shù)和流量偏差系數(shù)進(jìn)行評價.圓度偏差系數(shù)用于衡量各噴孔圓度的均勻性，其計(jì)算式為

Cvr=Srf，（3）

Sr=1m－1∑mi=1（fi－f）2，（4）

f=∑mi=1fim，（5）

式中：Cvr為噴孔圓度的偏差系數(shù)；Sr為圓度的標(biāo)準(zhǔn)差； f為試樣中各噴孔圓度的平均值；fi為每個試樣中各噴孔的圓度；m為試驗(yàn)中選取的微噴帶試樣數(shù).

流量偏差系數(shù)［5］用于衡量各噴孔流量的均勻性，亦可稱為制造偏差系數(shù)，其計(jì)算式為

Cvq=Sqq，（6）

Sq=1m－1∑mi=1（qi－q）2，（7）

q=∑mi=1qim，（8）

式中：Cvq為噴孔流量的偏差系數(shù)；Sq為流量的標(biāo)準(zhǔn)差，L/h；q為試樣中各噴孔流量的平均值，L/h；qi為每個試樣中各噴孔的流量，L/h.

為了探究打孔方向?qū)娍變?nèi)外側(cè)面積的影響，采用相對誤差描述噴孔內(nèi)側(cè)和外側(cè)面積的差異性，其計(jì)算式為

r=Aout－AinAout×100%，（9）

式中：r為相對誤差，%；Ain為噴孔內(nèi)側(cè)面積，mm2；Aout為噴孔外側(cè)面積，mm2.

2" 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1" 噴孔面積對比

微噴帶噴孔的打孔方式主要有機(jī)械打孔和激光打孔，機(jī)械打孔存在尖角、毛邊和毛刺，噴孔內(nèi)部輪廓形狀不規(guī)則，各噴孔之間的形狀差異性很大；而激光打孔通過激光能量燒穿噴孔周邊一定范圍的材料，毛刺少且孔壁光滑，噴孔的輪廓更趨近于圓形.表2分別為進(jìn)口、國產(chǎn)微噴帶內(nèi)外側(cè)噴孔面積，2種微噴帶分別從內(nèi)外觀測方向測得的噴孔面積誤差在10%范圍內(nèi).進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，進(jìn)口微噴帶產(chǎn)品外側(cè)的噴孔面積均大于內(nèi)側(cè)的面積，但國產(chǎn)微噴帶噴孔內(nèi)側(cè)輪廓受到重鑄層的影響，部分噴孔內(nèi)側(cè)面積大于外側(cè)面積.而對于外側(cè)成像不明顯的噴孔，例如噴孔J9和J12，可以采用內(nèi)側(cè)的噴孔面積進(jìn)行計(jì)算.

圖5為進(jìn)口和國產(chǎn)2種微噴帶試樣1的噴孔分別從內(nèi)側(cè)和外側(cè)拍攝的影像；為減少篇幅，以進(jìn)口微噴帶的第7個噴孔和國產(chǎn)微噴帶的第2個噴孔為例介紹.打孔是從微噴帶外側(cè)朝向內(nèi)側(cè)，打孔過程中激光能量使得聚乙烯材料灼燒、融化并堆積，在噴孔周圍形成不同程度的重鑄層.試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)進(jìn)口微噴帶噴孔的內(nèi)側(cè)和外側(cè)沒有出現(xiàn)明顯的堆積層，微噴帶表面和噴孔輪廓比較平整.而國產(chǎn)微噴帶噴孔內(nèi)側(cè)和外側(cè)的輪廓均出現(xiàn)明顯的重鑄層，噴孔內(nèi)側(cè)不光滑，表明進(jìn)口微噴帶的激光打孔質(zhì)量要優(yōu)于國產(chǎn)產(chǎn)品.微噴帶壁厚不足1 mm，激光打孔形成的噴孔流道具有一定錐度，使微噴帶內(nèi)側(cè)和外側(cè)的噴孔大小不同.在實(shí)際加工生產(chǎn)中，為使激光打孔的噴孔形狀接近于圓形、噴孔流道更光滑，減少噴孔輪廓重鑄層，需要根據(jù)不同的微噴帶材料和壁厚，探究激光溫度、功率以及打孔速度對噴孔形狀、大小、錐度和流道光滑度的影響，從而確定最佳的激光工作范圍，使噴孔的質(zhì)量得以改進(jìn).

圖6和7分別為同一比例尺下進(jìn)口和國產(chǎn)微噴帶試樣2—4噴孔的外側(cè)輪廓，進(jìn)口微噴帶和國產(chǎn)微噴帶噴孔的形狀都接近圓形.

注：噴孔J9和J12無法通過影像儀得到外側(cè)影像；每個噴孔從上至下分別是試樣2—4的噴孔外側(cè)輪廓

觀察同一個組孔內(nèi)的噴孔可以發(fā)現(xiàn)，進(jìn)口微噴帶第2、第7個噴孔的面積較大，其他噴孔的面積比較接近，不同試樣相同位置噴孔的大小也比較一致；而國產(chǎn)微噴帶不同試樣相同位置的噴孔大小差異較大，例如C3和C4的3個試樣噴孔面積較接近；而試樣4中C5的噴孔面積明顯小于其他2個試樣.

注：每個噴孔從上至下分別是試樣2—4的噴孔外側(cè)輪廓

圖8為進(jìn)口和國產(chǎn)微噴帶試樣2—4的噴孔外側(cè)面積.

其中進(jìn)口微噴帶噴孔外側(cè)面積為0.071～0.284 mm2，不同試樣相同位置噴孔面積的波動范圍為0～0.018 mm2.國產(chǎn)微噴帶噴孔外側(cè)面積為0.049～0.224 mm2，面積的波動范圍為0～0.070 mm2，表明國產(chǎn)微噴帶不同試樣相同位置噴孔面積的變化幅度很大.

國產(chǎn)微噴帶的噴孔是由單個激光束依次打孔，加工過程中激光溫度、功率以及打孔速度等容易出現(xiàn)波動，造成噴孔面積發(fā)生差異.

2.2" 噴孔圓度對比

一般認(rèn)為，計(jì)算的圓度f越接近1，表明噴孔的形狀越接近圓形.圖9為2種微噴帶試樣2—4噴孔的圓度，2種微噴帶噴孔的圓度都大于0.80.

表3為2種微噴帶噴孔圓度參數(shù)，表明進(jìn)口微噴帶的圓度平均值 f集中在0.82～0.88，而國產(chǎn)微噴帶的平均圓度為0.82～0.91，且大部分噴孔的平均圓度都大于0.85，說明2種微噴帶噴孔的形狀都比較接近圓形.

進(jìn)口微噴帶噴孔的圓度偏差系數(shù)Cvr均小于0.040，而國產(chǎn)微噴帶噴孔的Cvr為0.009～0.069，表明國產(chǎn)微噴帶不同組孔相同位置噴孔之間的圓度有一定差異.

國內(nèi)外微噴帶噴孔圓度偏差系數(shù)都小于0.070，但國產(chǎn)微噴帶不同組孔相同位置噴孔的面積差異較大.國產(chǎn)微噴帶的噴孔是由單個激光束依次打孔，激光溫度、功率以及打孔速度的不穩(wěn)定性都會造成這種差異；而進(jìn)口微噴帶可能采用多個激光束共同打孔，且每個激光束打孔時的穩(wěn)定性更好.由于受到微噴帶材料和激光打孔工藝的影響，微噴帶噴孔的流量會受到較大的影響.

2.3" 噴孔流量分析

圖10為2種微噴帶在試樣2—4中各隨機(jī)選擇一個組孔，分別測得12個噴孔的流量q.

結(jié)果表明，2種微噴帶噴孔的流量最大值接近.除了噴孔J2和J7，進(jìn)口微噴帶組孔中噴孔的流量都為1～3 L/h，而國產(chǎn)微噴帶噴孔流量為1～6 L/h.當(dāng)固定噴孔位置不變時，進(jìn)口微噴帶不同試樣之間噴孔流量近似相等，而國產(chǎn)微噴帶不同試樣之間的差異性較明顯，這與噴孔面積和圓度的規(guī)律是相似的，造成這種現(xiàn)象的原因可能是由噴孔的加工順序不同造成：進(jìn)口微噴帶是組孔內(nèi)12個噴孔同時加工而成，而國產(chǎn)微噴帶則是組孔內(nèi)12個噴孔依次加工.

表4為2種微噴帶一個組孔中12個噴孔的流量偏差系數(shù)Cvq，表中q為平均流量.由表可知，進(jìn)口微噴帶噴孔的Cvq均小于0.120，而國產(chǎn)微噴帶噴孔的Cvq為0.057～0.475，亦表明其不同組孔相同位置噴孔的流量差異大.后續(xù)研究中建議考慮微噴帶內(nèi)徑、壁厚、組孔間距以及噴孔間距等參數(shù)對噴孔流量的影響.

3" 結(jié)" 論

1） 噴孔面積和圓度可以量化噴孔的大小和形狀.進(jìn)口和國產(chǎn)2種加強(qiáng)壓邊型微噴帶分別由內(nèi)側(cè)和外側(cè)測得的噴孔面積相對誤差均小于10%.進(jìn)口微噴帶噴孔內(nèi)側(cè)更光滑，無明顯重鑄層，不同組孔相同位置噴孔的面積誤差小于國產(chǎn)微噴帶.

2） 進(jìn)口微噴帶和國產(chǎn)微噴帶噴孔的平均圓度分別為0.82～0.88和0.82～0.91.進(jìn)口微噴帶噴孔的圓度偏差系數(shù)均小于0.040，國產(chǎn)微噴帶噴孔的圓度偏差系數(shù)為0.009～0.069，表明國產(chǎn)微噴帶產(chǎn)品激光打孔質(zhì)量欠穩(wěn)定.

3） 進(jìn)口微噴帶組孔內(nèi)大部分噴孔流量較接近，在1～3 L/h內(nèi)變化，流量偏差系數(shù)都小于0.120，而國產(chǎn)微噴帶組孔內(nèi)噴孔的流量為1～6 L/h，流量偏差系數(shù)為0.057～0.475，表明進(jìn)口微噴帶不同組孔相同位置噴孔的流量差異性較小.

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（責(zé)任編輯" 張文濤）