閥門調(diào)節(jié)式比例施肥泵吸肥部件改進設(shè)計及試驗研究

張乾坤，李 紅，湯 攀，孫彩珍

(江蘇大學(xué) 流體機械工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

1 研究背景

隨著我國鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的全面實施和國家農(nóng)業(yè)節(jié)水行動、農(nóng)業(yè)綠色生產(chǎn)行動的穩(wěn)步推進，對高效節(jié)水灌溉裝備、水肥一體化裝備的要求也在不斷提高[1-3]。目前市場中存在著各式各樣的施肥裝備，按照其結(jié)構(gòu)、原理不同大致分為壓差式施肥罐、文丘里施肥器、智能施肥機、柱塞式注肥泵和水動式比例施肥泵，它們性能各異、既有優(yōu)勢也有不足。

比例施肥泵是一種性能優(yōu)良的施肥裝備，它不需要外加驅(qū)動設(shè)備，僅依靠來流水壓便能夠持續(xù)、精量地向主管路注入液體肥，實現(xiàn)管道內(nèi)水肥混合的作用[4-5]。近年來，我國許多專家、學(xué)者對比例施肥泵進行了相關(guān)研究[6-8]。楊大森等[9]對國內(nèi)外的同類型、同參數(shù)的比例施肥泵進行了對比試驗研究，并利用高速攝影技術(shù)分析了活塞運動規(guī)律。駱志文等[10]研究了比例施肥泵內(nèi)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過仿真模擬、試驗等多種方法開展了對比例施肥泵吸肥性能的影響，對施肥泵的改進設(shè)計提供了理論支持。湯攀等[11]通過理論分析研究了施肥泵的活塞運動機理，并采用流固耦合仿真技術(shù)研究了其運動規(guī)律。孫彩珍等[12]對閥門調(diào)節(jié)式比例施肥泵的施肥比例調(diào)節(jié)部件三通閥進行了理論及試驗研究，并提出了吸肥部分采用施肥罐的改進設(shè)計。吳錫凱等[13]進行了施肥泵應(yīng)用在地面膜下滴灌系統(tǒng)中的性能試驗研究，分析了施肥泵及滴灌帶的工作參數(shù)對施肥泵吸肥性能及滴灌帶肥液均勻度的影響。由此可以看出，以上研究多集中在比例施肥泵的原理及應(yīng)用研究，而對于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)改進設(shè)計、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新略顯不足。

比例施肥泵產(chǎn)品起源于國外，目前已經(jīng)實現(xiàn)批量生產(chǎn)。Bron[14]發(fā)明了一種可以依靠換向機構(gòu)進行行程調(diào)節(jié)的活塞式施肥泵；Thierry等[15]發(fā)明了一種來流驅(qū)動活塞運動進而實現(xiàn)加肥功能的水力驅(qū)動泵；Silva等[16]發(fā)明了一種原理和活塞泵相同的安裝在大型拖拉機上的施肥裝置，提高了肥料利用率。由于國外對此研究領(lǐng)先國內(nèi)，且施肥泵制造工藝要求較高，因此市場上所銷售的比例施肥泵多為進口產(chǎn)品，但由于價格昂貴而不能在國內(nèi)普及。

總而言之，施肥泵作為一款優(yōu)質(zhì)的施肥設(shè)備深受用戶喜愛，但現(xiàn)有研究中缺乏對施肥泵的有效改進方案，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜、價格昂貴，同時對于價格較為低廉的閥門調(diào)節(jié)式比例施肥泵的研究也較少。而閥門調(diào)節(jié)式比例施肥泵具有可依靠三通閥調(diào)節(jié)施肥比例、結(jié)構(gòu)較一般施肥泵更簡單、零部件更少的優(yōu)點，具有一定的研究意義，但同時也存在部分結(jié)構(gòu)不合理、應(yīng)用范圍較窄的缺點而急須改進。本文以減少施肥泵零部件、提高其應(yīng)用范圍為目的，對施肥泵的吸肥部件進行了改進設(shè)計，并為檢驗其施肥性能開展了與原產(chǎn)品的對比試驗研究。

2 閥門調(diào)節(jié)式比例施肥泵原理

閥門調(diào)節(jié)式比例施肥泵安裝在壓力管道中，主要依靠來流水壓驅(qū)動泵內(nèi)驅(qū)動活塞往返運動，帶動驅(qū)動活塞上的吸肥活塞進行強迫運動，并通過換向部件完成吸肥和混肥工作的轉(zhuǎn)換，從而將肥液吸入泵內(nèi)經(jīng)混合后排出到主管路中。圖1為閥門調(diào)節(jié)式比例施肥泵的結(jié)構(gòu)示意圖，按照機械結(jié)構(gòu)的不同功能劃分主要包括流量調(diào)節(jié)部件、驅(qū)動部件和吸肥部件[17]。其中流量調(diào)節(jié)部件包括進口螺紋管、三通閥、出口螺紋管；驅(qū)動部件包括驅(qū)動腔體，腔內(nèi)進出口管、換向機構(gòu)，驅(qū)動活塞；吸肥部件包括混肥腔體、吸肥活塞、吸肥腔體、下蓋板、單向閥、肥液瓶。重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有：三通閥角度α，驅(qū)動活塞/吸肥活塞行程L，施肥泵腔體內(nèi)徑D、吸肥活塞腔體內(nèi)徑d、泵內(nèi)進口管內(nèi)徑din、泵內(nèi)出口管外徑dout、扭簧彈性系數(shù)k、單向閥彈簧彈性系數(shù)k1、k2。

圖1 閥門調(diào)節(jié)式比例施肥泵結(jié)構(gòu)示意圖

閥門調(diào)節(jié)式比例施肥泵通過三通閥進行施肥比例調(diào)節(jié)，三通閥的手柄旋轉(zhuǎn)角度不同，施肥比例也不同。手柄位置與入口管平行時為灌水模式，來流不經(jīng)過施肥泵；手柄位置與入口管垂直時為灌水施肥模式，來流全部經(jīng)過施肥泵進行吸肥工作；手柄處于其他中間角度位置時三通閥將水分為兩部分，一部分進入施肥泵內(nèi)進行吸肥混肥工作后經(jīng)腔內(nèi)出口管流出，另一部分則直接由出口螺紋管流出。

3 吸肥部件改進設(shè)計及理論計算

3.1 混肥腔體改進設(shè)計

如圖1所示，由于原產(chǎn)品單次工作的吸肥量取決于肥液瓶內(nèi)肥液的多少，使用完一瓶后需再次更換肥液，較為繁瑣，因此原設(shè)計不適用于大面積的灌溉施肥操作。為擴大施肥泵單次工作的吸肥量，混肥腔體改進設(shè)計主要有兩部分，一是使用吸肥螺紋管取代肥液瓶吸肥流道，該設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單、易加工更換且可以實現(xiàn)吸肥的密封性，在其上可安裝塑料軟管作為吸肥流道；二是使用肥液桶取代肥液瓶，擴大吸肥量。圖2為混肥腔體改進設(shè)計圖。

圖2 施肥泵混肥腔體改進設(shè)計圖

3.2 出肥單向閥改進設(shè)計

圖3為原設(shè)計吸肥部件剖面圖。如圖3所示，原設(shè)計吸肥部件在吸肥過程中，主要是通過吸肥活塞上行產(chǎn)生真空后打開吸肥單向閥和關(guān)閉出肥單向閥來實現(xiàn)的，從而將肥液吸入到吸肥腔內(nèi)；在混肥過程中，吸肥活塞下行，從而使吸肥單向閥關(guān)閉，出肥單向閥打開，肥液排入到混肥腔內(nèi)，如此循環(huán)往復(fù)完成吸肥、混肥工作。出肥單向閥、混肥單向閥的結(jié)構(gòu)都是由彈簧、密封球體、密封圈和單向閥壓蓋組成的，依靠壓蓋內(nèi)的彈簧壓住球體控制通道關(guān)閉，當(dāng)通道內(nèi)側(cè)壓力大于外側(cè)時會壓縮彈簧從而打開通道。在吸肥和混肥過程中，兩個單向閥承擔(dān)著重要作用。而單向閥的設(shè)計原理必定會極其依賴于彈簧的性能優(yōu)劣，且彈簧的彈性系數(shù)極大地影響了施肥泵的啟動壓力和壓力損失等。因此若取消使用彈簧，改進該結(jié)構(gòu)將會增加施肥泵的使用壽命，極大減少零件個數(shù)和裝配難度。

圖3 原設(shè)計施肥泵吸肥部件剖面圖

出肥單向閥的改進設(shè)計三維圖如圖4所示，吸肥部件整體改進設(shè)計如圖5所示。其設(shè)計思路簡述如下：取消原出肥單向閥設(shè)計，對吸肥活塞桿裝配密封圈部件進行無接觸處理，即密封圈與活塞桿留有一定可以讓肥液流通的間隙，且密封圈可以沿著活塞桿長度方向來回移動一定距離。在密封圈來回移動的過程中，和活塞桿具有上、下兩個接觸面，下接觸面為密封面，上接觸面進行了開孔處理，為出流面。實際上在吸肥活塞桿上下運動時，密封圈和上下接觸面就形成了一個出肥單向閥。

圖4 出肥單向閥改進設(shè)計三維圖

圖5 吸肥部件改進設(shè)計剖面圖

3.3 施肥比例理論計算

施肥比例R是指施肥泵單位時間內(nèi)吸取肥液量與出口流量的比值，因此施肥比例實際上為單位周期吸肥量與出口水肥總量的比值。且由于三通閥的調(diào)節(jié)作用，該施肥泵的施肥比例是一個范圍，當(dāng)來流全部進入施肥泵內(nèi)進行吸肥、混肥工作時，此時的施肥比例最大。

每周期進入施肥泵內(nèi)的流量可以用流體體積來表示，其大小即為驅(qū)動活塞每周期運動所擠壓的流體體積：

(1)

式中：V1為驅(qū)動活塞每周期運動所擠壓的流體體積，m3；D為施肥泵腔體內(nèi)徑，m；L為驅(qū)動活塞行程，m。

施肥泵的單位周期吸肥量表示為：

(2)

式中：V2為施肥泵每周期吸肥量，m3；d為施肥泵吸肥腔體內(nèi)徑，m；L為吸肥活塞行程，m。

吸肥部件的吸肥比例為：

(3)

式中：R1為吸肥部件的吸肥比例，%。

三通閥的分流比γ定義為進入比例施肥泵的流量占入口總流量的比例，則施肥比例R為：

R=γ·R1

(4)

由原產(chǎn)品的相關(guān)參數(shù)d=6.1 mm、D=71.6 mm，可以得出γ=1時最大施肥比例Rmax=0.363%。本次試驗中由于原比例施肥泵的吸肥活塞直徑較小，考慮到快速成型加工制造的材料性能問題，因此改進設(shè)計后的吸肥活塞直徑為8 mm，因本次試驗主要進行改進設(shè)計的可行性探究，故對試驗結(jié)果沒有太大影響。由改進施肥泵的相關(guān)參數(shù):d=8 mm、D=71.6 mm可以得出，改進施肥泵最大施肥比例Rmax=0.62%。

由于本試驗中施肥泵的來流全部進入到泵體內(nèi)，因此此時的施肥比例R最大，即為吸肥部件的吸肥比例R1。

4 施肥泵性能試驗

4.1 試驗臺搭建

試驗地點在江蘇大學(xué)噴灌實驗室，搭建的試驗臺示意圖如圖6所示。在蓄水桶、肥液桶中注入一定量的水以備試驗使用，管路布置采用Φ25 mmPVC給水管，吸肥管為Φ8 mm塑料透明軟管。水泵用來供給管道流量和壓力；兩個球形閥(圖6中的標(biāo)號3和10)分別用于調(diào)節(jié)施肥泵進口流量和進出口壓差；智能渦輪流量計(0.5%級精度)用來測量入口流量大小；兩個壓力表(圖6中的標(biāo)號6和8，0.4%級精度)分別用于測量施肥泵進口壓力和出口壓力大小。

圖6 閥門調(diào)節(jié)式比例施肥泵試驗臺示意圖

4.2 試驗方案

為研究改進施肥泵與原產(chǎn)品的施肥性能差異，可以通過測量在不同進出口壓差下、一定時間內(nèi)的吸肥總量m和活塞周期運動次數(shù)，再依據(jù)測試數(shù)據(jù)間接計算得到施肥比例、每周期吸肥量等相關(guān)性能參數(shù)，試驗方案如下：

由于只進行施肥泵的性能試驗，不考慮三通閥帶來的影響，因此將三通閥調(diào)節(jié)至全開使得來流全部進入施肥泵內(nèi)進行吸肥混肥工作。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《農(nóng)業(yè)灌溉裝備 水動化肥-農(nóng)藥施肥泵》(GB/T 19792-012)[18]的指導(dǎo)意見，本試驗中使用清水代替化肥-農(nóng)藥進行試驗。試驗前，將裝有一定量水的肥液桶置于電子秤上，改進施肥泵安裝在試驗臺上，保持球形閥3、10全開。

試驗時開啟水泵，通過調(diào)節(jié)球形閥(圖6中的標(biāo)號3)，調(diào)節(jié)入口壓力，入口壓力P1從0.04～0.40 MPa變化，每次增高0.02 MPa。待入口壓力P1穩(wěn)定在設(shè)定的數(shù)值且吸肥穩(wěn)定時，開始計時和錄音，同時測量計時開始時裝有水的肥液桶質(zhì)量M1，記錄下設(shè)定入口壓力P1、入口流量Q1。每次測量時間T為3 min，待3 min后，立即停止計時，同時關(guān)閉球形閥，測量此時肥液桶的質(zhì)量M2。每個壓力條件下的試驗重復(fù)3次，試驗結(jié)果取平均值。

在3 min內(nèi)施肥泵吸入肥液的總量m可以通過兩次測量肥液桶的質(zhì)量差得到。每周期吸肥量可以通過在3 min內(nèi)施肥泵吸入肥液的總量m除以吸肥活塞的周期運動次數(shù)n得到。在試驗中，由于吸肥活塞和換向機構(gòu)的運動頻率相同，且施肥泵的換向機構(gòu)在換向時會發(fā)出脆響，因此可以測量一定時間內(nèi)的換向響聲得出換向的次數(shù)n。對脆響進行錄音數(shù)得換向部件在3 min中內(nèi)的換向次數(shù)n，可以得出吸肥活塞的周期運動總次數(shù)f。

為了進一步證實閥門調(diào)節(jié)式比例施肥泵是依靠水壓驅(qū)動的工作原理，即試驗中采用的自由出流試驗方式所得到的研究結(jié)果同樣也適用于壓力管道中，因此本文首先進行了保持在原產(chǎn)品入口流量壓力恒定，出口為自由出流和有壓出流的兩組試驗。試驗管路自由出流，即施肥泵出口流出的水流直接進入空氣中，因此施肥泵出口壓力與大氣壓相同，施肥泵進出口壓差即為施肥泵進口壓力。有壓出流的壓力大小主要通過調(diào)節(jié)末端球閥(圖6中的標(biāo)號10)的開度實現(xiàn)的。

4.3 結(jié)果與分析

4.3.1 自由出流與有壓出流對比試驗 在進行自由出流與有壓出流對比試驗時，由于球形閥調(diào)節(jié)整數(shù)壓力難度較大，因此以入口壓力依次增加的方式記錄有壓出流下的試驗數(shù)據(jù)，然后再根據(jù)進出口壓差的大小作為自由出流的前后壓差，即為自由出流時的入口壓力。表1和表2分別為有壓出流和自由出流條件下的原產(chǎn)品性能試驗數(shù)據(jù)。

表1 有壓出流下原產(chǎn)品性能試驗數(shù)據(jù)

表2 自由出流下原產(chǎn)品性能試驗數(shù)據(jù)

由于施肥泵與壓力有關(guān)的主要性能參數(shù)為施肥比例，其值大小可以通過每周期吸肥量V和活塞換向次數(shù)這兩個工作參數(shù)來間接表示。由表1和2數(shù)據(jù)對比得知，這兩個工作參數(shù)在不同出流工況下，當(dāng)進出口壓差相同時，其值大致相同，3 min內(nèi)總吸肥量M的大小也基本相同，由此可得出結(jié)論：閥門調(diào)節(jié)式比例施肥泵依靠進出口壓差進行工作，在出口為自由出流條件下不會影響施肥泵的施肥性能。

4.3.2 進出口壓差與進口流量的關(guān)系 通過調(diào)節(jié)施肥泵的進出口壓差測得進口流量的大小，繪制出原產(chǎn)品和改進施肥泵進出口壓差與進口流量的關(guān)系曲線如圖7所示。

由圖7可以看出，在一定進口流量下，來流提供給改進施肥泵的進口壓力(進出口壓差)比原產(chǎn)品略小約0.04 MPa，該差異表明改進施肥泵內(nèi)的水力損失略大于原產(chǎn)品，表現(xiàn)在進出口壓差相同時，改進施肥泵進口流量較大。產(chǎn)生該差異的主要原因一是吸肥腔體內(nèi)徑增大導(dǎo)致吸肥量增大，因此摩擦力也增大；二是快速成型的加工方式導(dǎo)致腔內(nèi)表面粗糙度較大，也增大了密封圈和吸肥腔體內(nèi)壁的摩擦力。從圖7中曲線形式來看，進口流量與進出口壓差的關(guān)系呈指數(shù)增長，這也是該施肥泵的主要特征之一。

4.3.3 進出口壓差與最大施肥比例的關(guān)系 根據(jù)公式(3)及試驗中測得的數(shù)據(jù)計算得到不同進出口壓差下最大施肥比例的大小，其二者的關(guān)系曲線如圖8所示。

由圖8可以看出，改進施肥泵的最大施肥比例曲線在進出口壓差大于0.10 MPa時，整體較為平穩(wěn)，因此表明改進設(shè)計工況良好，且壓力應(yīng)用范圍更大，可以穩(wěn)定運行到0.40 MPa以上。改進施肥泵保持較為穩(wěn)定的最大施肥比例，可達0.62%，略大于理論計算值，表明其性能更優(yōu)。同時圖8表明，該施肥泵的施肥比例在一定壓力適用范圍內(nèi)，入口流量、壓力對施肥泵的該性能沒有太大影響。因此從該性能參數(shù)來看，該改進設(shè)計是有效的。

4.3.4 進出口壓差與活塞周期運動總次數(shù)的關(guān)系 試驗中測得的在不同進出口壓差下，3min內(nèi)活塞周期運動總次數(shù)如圖9所示。

由圖9可以看出，3 min內(nèi)活塞周期運動總次數(shù)與進出口壓差呈指數(shù)增長關(guān)系，與圖7關(guān)系曲線趨勢相同，表明活塞周期運動總次數(shù)與進口流量有關(guān)，經(jīng)過計算也發(fā)現(xiàn)二者關(guān)系為線性關(guān)系。同時由圖9還可以看出，當(dāng)進出口壓差大于0.10 MPa時，在相同進出口壓差下，改進施肥泵活塞周期運動總次數(shù)要略大于原產(chǎn)品。該參數(shù)的增大在一定程度上會增加施肥比例，從而提高施肥泵的應(yīng)用范圍。

圖7 施肥泵進出口壓差與進口流量關(guān)系曲線 圖8 施肥泵進出口壓差與最大施肥比例關(guān)系曲線

圖9 施肥泵進出口壓差與活塞運動總次數(shù)關(guān)系曲線 圖10 施肥泵進出口壓差與每周期吸肥量關(guān)系曲線

4.3.5 進出口壓差與每周期吸水(肥)量的關(guān)系 通過試驗測得在不同進出口壓差下，3 min內(nèi)肥液桶的質(zhì)量差計算得到每周期吸肥量，繪制了進出口壓差與每周期吸肥量的關(guān)系曲線如圖10所示。

由圖10可以看出，原產(chǎn)品及改進施肥泵均可保持每周期吸水量的穩(wěn)定，改進施肥泵具有更大的每周期吸肥量，同時試驗中還觀察到在施肥泵工作時，吸肥透明塑料管內(nèi)吸入的水柱并無回流現(xiàn)象，因此表明混肥腔體、單向閥改進設(shè)計后的各種功能運行良好，不存在密封性差、排肥不充分等問題，且一定程度上增大了每周期吸肥量，從而增大施肥比例，擴大了施肥泵的應(yīng)用范圍。Li等[19]認為微灌系統(tǒng)中需要裝備注肥精度高、工作穩(wěn)定的注肥器，而改進的閥門調(diào)節(jié)式比例施肥泵可以滿足這一需求。

5 結(jié) 論

(1)本文介紹了閥門調(diào)節(jié)式比例施肥泵的工作原理及主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，并提出了一種吸肥部件改進方案，主要包括混肥腔體部件的設(shè)計和吸肥腔體吸肥單向閥設(shè)計，并對原產(chǎn)品及加工好的改進試驗泵進行性能進行對比試驗，試驗結(jié)果表明改進設(shè)計方案能提高施肥泵的施肥性能。

(2)閥門調(diào)節(jié)式比例施肥泵依靠管道內(nèi)的來流壓力驅(qū)動，其施肥性能與進口流量(進出口壓差)有關(guān)，與施肥泵出口壓力大小無關(guān)。

(3)當(dāng)來流全部經(jīng)過施肥泵時，改進施肥泵在進出口壓差為0.04～0.40 MPa范圍內(nèi)可以保持每周期吸肥量的高均勻性，最大施肥比例在進出口壓差為0.10～0.40 MPa范圍內(nèi)可以穩(wěn)定在0.62%左右，因此表明改進后的混肥腔體和單向閥運行良好，改進施肥泵性能更優(yōu)，改進設(shè)計具有可行性、高穩(wěn)定性，擴大了施肥泵的應(yīng)用范圍。