水動比例施肥泵研究現(xiàn)狀及存在的問題

盧珍　周小波　李光輝　李玉玲　曾文明　阮紅麗

摘要 ? ?水動比例施肥泵作為一款性能優(yōu)越的高端施肥設(shè)備，在農(nóng)業(yè)水肥一體化灌溉系統(tǒng)中具有較好的應(yīng)用前景。本文總結(jié)了國內(nèi)外水動比例施肥泵的研究現(xiàn)狀，分析了國內(nèi)產(chǎn)品目前存在的問題，提出了水動比例施肥泵的發(fā)展方向，以期為后續(xù)研究工作提供參考。

關(guān)鍵詞 ? ?水動比例施肥泵;研究現(xiàn)狀;問題;發(fā)展方向

中圖分類號 ? ?TH38 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼 ? ?A

文章編號 ? 1007-5739（2019）19-0171-02 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）

Research ?Status ?and ?Problems ?of ?Hydrodynamic ?Proportional ?Fertilization ?Pump

LU Zhen ? ?ZHOU Xiao-bo ? ?LI Guang-hui ? ?LI Yu-ling ? ?ZENG Wen-ming ? ?RUAN Hong-li

（Sichuan Agricultural Machinery Research and Design Institute，Chengdu Sichuan 610066）

Abstract ? ?As a high-end fertilization equipment with superior performance，the hydrodynamic proportional fertilization pump has a good application prospect in the agricultural water and fertilizer integrated irrigation system.This paper summarized the research status of hydrodynamic proportional fertilization pumps at home and abroad，analyzed the current problems of domestic products，and proposed the development direction of hydrodynamic proportional fertilization pumps，in order to provide references for the subsequent research work.

Key words ? ?hydrodynamic proportional fertilization pump;research status;problem;development direction

水肥一體化技術(shù)是將施肥與灌溉同步進(jìn)行，適時(shí)、適量地將水分和養(yǎng)分輸送給作物，是實(shí)現(xiàn)水肥協(xié)同和高效利用的一項(xiàng)綜合水肥管理技術(shù)，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢[1]。施肥裝置是水肥一體化系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，目前常見的主要有壓差施肥罐、文丘里施肥器、施肥機(jī)和水動比例施肥泵等。其中，水動比例施肥泵是依靠管道系統(tǒng)自身水動力將肥液注入灌溉管道，具有施肥精度高、運(yùn)行穩(wěn)定、易于控制、安裝簡單等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，屬于一種高端施肥設(shè)備，已在設(shè)施農(nóng)業(yè)、園林、園藝等方面大量使用。

目前，國內(nèi)采用的水動比例施肥泵結(jié)構(gòu)多是仿制法國Dosatron、以色列MixRite等國外公司的產(chǎn)品，但性能不如國外產(chǎn)品，國外產(chǎn)品占據(jù)了我國市場的大部分份額。為促進(jìn)我國水動比例施肥泵技術(shù)的發(fā)展，本文總結(jié)了前人的相關(guān)研究成果，分析了其研究應(yīng)用趨勢，以期為水動比例施肥泵的進(jìn)一步研究和開發(fā)提供參考，從而促進(jìn)我國灌溉施肥裝置質(zhì)量的進(jìn)一步提高。

1 ? ?國外研究現(xiàn)狀

目前，國外水動比例施肥泵技術(shù)仍處于保密狀態(tài)，僅可從一些專利分析研究現(xiàn)狀。例如，Thierry等[3]發(fā)明了一種具有計(jì)量功能的往復(fù)式水力機(jī)械，通過主液體驅(qū)動主活塞的移動可實(shí)現(xiàn)向主液體中注入添加劑。Walton等[4]發(fā)明了一種外旁路型水力驅(qū)動比例注入泵，采用一次流體驅(qū)動往復(fù)活塞移動，實(shí)現(xiàn)向一次流體中加入預(yù)定數(shù)量的液體添加劑。Bron等[5]發(fā)明了一種內(nèi)部帶彈簧的可變量加藥活塞泵，通過改變2個(gè)部件之間的相對位置，并保持相同的活塞運(yùn)動，改變活塞的有效行程，從而改變劑量。Urrutia等[6]發(fā)明了一種包含彈性裝置、差動活塞和帶凸輪旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等組成的水動比例注入泵。從上述專利可以看出，水動比例施肥泵結(jié)構(gòu)組成大致相同，主要包括水力驅(qū)動端的主活塞、吸肥活塞以及彈簧換向裝置等。發(fā)明的初衷是用于添加比例精確的藥劑，隨著水肥一體化技術(shù)的發(fā)展以及施肥精度要求的不斷提高，其逐漸被使用到灌溉施肥系統(tǒng)。

目前，市場上常見的國外知名品牌有以色列MixRite、法國Dosatron等，其產(chǎn)品壓力低、精度高、壽命長、性能穩(wěn)，但是價(jià)格昂貴。這些公司實(shí)力強(qiáng)，在產(chǎn)品研發(fā)過程中持續(xù)地投入大量的人力和物力。以以色列泰芬公司（TEFEN）為例，它是以色列唯一生產(chǎn)比例施肥器的廠家，擁有40年的豐富經(jīng)驗(yàn)，MixRite是其先進(jìn)的核心產(chǎn)品之一，可滿足對液態(tài)介質(zhì)的均勻比例添加需求。

2 ? ?國內(nèi)研究現(xiàn)狀

2.1 ? ?結(jié)構(gòu)研發(fā)

我國在“九五”“十五”期間開始對水動比例施肥泵進(jìn)行研究。高本虎等[7]、徐茂云等[8]先后分別發(fā)明了活塞式水力驅(qū)動施肥泵。王建東等[9]針對“九五”期間所研制的水動施肥泵結(jié)構(gòu)上存在的問題，對其進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，試制了樣機(jī)并測定了其工作性能。結(jié)果表明，其滿足低壓微灌系統(tǒng)的施肥要求，但要實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化還存在一定的問題，與國外產(chǎn)品相比仍存在一定的差距，例如施肥比例不能調(diào)節(jié)，驅(qū)動水不能有效利用等。趙友俊[10]針對傳統(tǒng)活塞式水力驅(qū)動施肥泵不適合在大流量和高壓條件下使用的問題，對注肥泵的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，發(fā)明了一種水動比例注肥泵，并進(jìn)行了樣機(jī)性能試驗(yàn)，證明其性能穩(wěn)定、使用范圍更寬、性能更優(yōu)越，但到目前為止國產(chǎn)產(chǎn)品仍未形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的品牌。在對傳統(tǒng)型水動比例施肥泵進(jìn)行不斷創(chuàng)新和研究的同時(shí)，基于水動比例施肥泵的運(yùn)行原理，也有學(xué)者設(shè)計(jì)了新型水動注肥裝置。例如李百軍等[11]、唐曉群等[12]分別研制了結(jié)構(gòu)相似的簡易型水動施肥裝置;趙立新等[13]開發(fā)了操作水壓較小的施肥泵。

2.2 ? ?性能試驗(yàn)

在“十一五”之前國內(nèi)對水動比例施肥泵的研究主要集中在結(jié)構(gòu)研發(fā)，但國內(nèi)產(chǎn)品始終存在使用壽命短、吸肥精度低等問題。隨著水肥一體化灌溉系統(tǒng)智能化、信息化的發(fā)展以及施肥精度要求的不斷提高，部分學(xué)者開始采用性能試驗(yàn)的方法對水動比例施肥泵的性能開展研究。韓啟彪等[14]對國內(nèi)市場上常見的3種水力驅(qū)動比例式施肥泵進(jìn)行了性能試驗(yàn)，研究了施肥泵入口流量的影響因素。結(jié)果表明，入口流量主要受施肥管道兩端壓差的影響，同時(shí)通過分析施肥泵吸肥量的影響因素，發(fā)現(xiàn)入口流量是影響吸肥量的主要因素，并建立了施肥泵吸肥量的回歸模型，對吸肥量的估算提供了理論計(jì)算依據(jù)。楊大森等[15]針對國內(nèi)產(chǎn)品性能較差的問題，選擇了國內(nèi)外2種施肥泵，從施肥精度、進(jìn)出口壓差以及進(jìn)口流量3個(gè)方面開展試驗(yàn)研究。對比分析表明，施肥泵的進(jìn)口流量均隨進(jìn)出口壓差的增大而增大，但國外產(chǎn)品的進(jìn)口流量高于國內(nèi)產(chǎn)品，國外產(chǎn)品的施肥精度明顯高于國內(nèi)產(chǎn)品。在分析的基礎(chǔ)上也建立了施肥泵的吸肥量模型，為吸肥量的估算提供了一定的依據(jù)。吳錫凱等[16]通過開展水力驅(qū)動比例施肥泵性能影響因素試驗(yàn)研究，提出在實(shí)際使用中為了提高施肥精度，在運(yùn)行時(shí)應(yīng)避免將較大壓差與較小施肥比例配合以及較小壓差與較大施肥比例配合。

2.3 ? ?運(yùn)動機(jī)理研究

為了進(jìn)一步提高國內(nèi)產(chǎn)品質(zhì)量，并為比例注入施肥泵的設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)，部分學(xué)者開始注重水動比例施肥泵的運(yùn)行機(jī)理和性能參數(shù)的研究。楊大森[17]采用高速攝影技術(shù)拍攝了驅(qū)動活塞的運(yùn)動現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)在一個(gè)運(yùn)動周期過程中驅(qū)動活塞的速度隨時(shí)間的變化曲線近似呈現(xiàn)正弦變化，在不同壓差下呈現(xiàn)出壓差越大周期越短的相似規(guī)律;并分析了活塞運(yùn)動頻率對施肥泵水力性能的影響，發(fā)現(xiàn)進(jìn)口流量隨驅(qū)動活塞頻率的增大而增大，進(jìn)出口壓差過大會造成密封圈發(fā)生泄漏，使容積效率下降。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，CFD數(shù)值模擬技術(shù)已成為研究水動比例施肥泵內(nèi)部運(yùn)動機(jī)理的重要手段。駱志文[18]采用動網(wǎng)格技術(shù)研究了比例注入施肥泵關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對其水力性能的影響，獲得了平均流量與進(jìn)出口直徑、進(jìn)口腔直徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的相互關(guān)系，以及活塞運(yùn)動頻率隨著進(jìn)出口直徑和腔徑的變化規(guī)律。湯 ?攀等[19]也采用動網(wǎng)格技術(shù)，掌握了施肥泵在一個(gè)完整吸肥過程中的內(nèi)部流動規(guī)律，同時(shí)分析了活塞在上行和下行過程中的受力情況。

3 ? ?存在的問題

一是國內(nèi)產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)上主要仿制國外產(chǎn)品，尚未掌握其核心設(shè)計(jì)方法，加之沒有高度重視加工精度對產(chǎn)品質(zhì)量的影響，最終造成產(chǎn)品性能較差。二是雖然通過性能試驗(yàn)方法、理論研究方法和數(shù)值模擬方法掌握了一些關(guān)鍵參數(shù)之間的影響因素，但都是一些定性結(jié)論。并且，由于理論研究和數(shù)值模擬對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了部分簡化，結(jié)論與實(shí)際存在一定偏差，研究結(jié)果仍不能有效指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。三是缺乏集中的研究力量對水動比例注入施肥泵進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)攻克，未形成完整系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，無法形成自有知識品牌。

4 ? ?發(fā)展方向

隨著水肥一體化技術(shù)的不斷發(fā)展，對施肥精度的要求將不斷提高。水動比例施肥泵是一種應(yīng)用前景較好的高端施肥設(shè)備，我國科技工作者應(yīng)將其作為重點(diǎn)研究對象，集中力量攻克其關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)與水力性能之間的定量關(guān)系，實(shí)現(xiàn)從理論研究到形成完整設(shè)計(jì)方法的突破，從而有效指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)，最終形成自有知識品牌。

5 ? ?參考文獻(xiàn)

[1] 易文裕，程方平，熊昌國，等.農(nóng)業(yè)水肥一體化的發(fā)展現(xiàn)狀與對策分析[J].中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2017，38（10）：111-115.

[2] 李寒松，賈振超，張峰，等.國內(nèi)外水肥一體化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2018，56（6）：13-16.

[3] THIERRY，GAETAN，HIGHAM，et al.Reciprocating hydraulic machine，especially a motor，and dosing apparatus comprising such a motor：US，US7207260B2[P].2007-04-24.

[4] WALTON，F(xiàn)RANK A，WILLIAMS，et al.Piston sealing mechanism for liquid additive injection pump：US，US7131454B2[P].2006-11-07.

[5] BRON，DAN.Pump for variable dosing：US，4118152[P].1978-10-03.

[6] URRUTIA，STEPHANE.Reciprocating differential hydraulic machine，especially a differential hydraulic machine：US，US6684753B1[P].2004-02-03.

[7] 高本虎，吳勇.水力驅(qū)動施肥泵：中國，CN2425488Y[P].2001-04-04.

[8] 徐茂云，龔時(shí)宏，楊繼富，等.水力驅(qū)動活塞式施肥泵：中國，CN15458

32A[P].2004-04-04.

[9] 王建東，龔時(shí)宏，徐茂云，等.微灌用水動活塞式施肥泵研制[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)2006，22（6）：100-103.

[10] 趙友俊.水動比例注肥泵的研制[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備，2011（8）：48-50.

[11] 李百軍，王曉寧.水動施肥裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2002，23（2）：9-12.

[12] 唐曉群，陳楚珍.壓力管道灌溉系統(tǒng)中水動施肥裝置的開發(fā)[J].節(jié)水灌溉，2009（10）：23-24.

[13] 趙立新，鄭立允.水壓驅(qū)動施肥泵的開發(fā)研究[J].水泵技術(shù)，2002（6）：44-45.

[14] 韓啟彪，吳文勇，劉洪祿，等.三種水力驅(qū)動比例式施肥泵吸肥性能試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26（2）：43-47.

[15] 楊大森，李紅，駱志文.活塞式比例施肥器性能對比試驗(yàn)[J].節(jié)水灌溉，2015（11）：47-50.

[16] 吳錫凱，王文娥，胡笑濤，等.水力驅(qū)動式比例施肥器性能影響因素試驗(yàn)研究[J].中國農(nóng)村水利水電，2018（4）：6-9.

[17] 楊大森.水動比例注入泵運(yùn)動分析及性能優(yōu)化[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2016.

[18] 駱志文.水動比例注入泵性能參數(shù)研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2017.

[19] 湯攀，李紅，駱志文，等.比例施肥泵驅(qū)動活塞受力分析及內(nèi)部流動模擬與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33（23）：93-100.