電動隔膜泵性能優化與試驗研究

戴菲菲 周永光 湯根法 王 斌

（1、臺州市產品質量安全檢測研究院，浙江 臺州 318000 2、臺州方圓質檢有限公司，浙江 臺州 318000 3、臺州信溢農業機械有限公司，浙江 臺州 318050）

隨著城鎮化建設的快速推進，農村勞動力大量向城市轉移，大量的農田、果園、園林等種植基地和家禽飼養基地都需要高效、省力、安全環保、使用成本低的植保機械來噴灑農藥或衛生消毒。便攜式電動噴霧器因為采用了蓄電池作電源，有輕松、省力、壓力高、泄漏少、使用成本低、持續工作時間長等特點而深受廣大用戶朋友的歡迎，特別是新冠疫情的爆發，噴霧器在其中發揮了不可或缺的作用[1-2]。

決定電動噴霧器品質和性能的關鍵部件是液泵和電池。電動隔膜泵因其結構簡單、工作壓力高、耐腐蝕、使用時間長而普遍用于電動噴霧器中。電動隔膜泵的性能參數通常根據電動噴霧器的使用壓力、噴頭噴霧量、電源電壓、使用時間等因素確定[3]。由于電動噴霧器存在著配用噴頭噴霧量的差異，電機性能的差異以及電池性能的差異，造成電動噴霧器的使用壓力和持續使用時間存在較大的不確定性[4-5]。因此需要對這些不確定因素進行系統分析和研究，尋找最佳解決方案。本文嘗試通過理論分析和大量的試驗數據揭示電動隔膜泵效率性能與電能消耗的變化關系，以及影響泵性能的主要因素進行較為深入的分析和研究。

1 電動隔膜泵的結構與原理

在隔膜泵工作中，電機驅動偏心輪和軸承旋轉推動活塞作往復運動，從而帶動隔膜運動，以完成吸排液過程。當電機驅動偏心輪和軸承旋轉推動活塞和隔膜由上止點向下止點運動時，隔膜與泵蓋之間的容腔逐漸增大而產生負壓，液流在外界大氣壓的作用下，打開水閥閥芯進入隔膜與泵蓋的容腔內；當電機驅動偏心輪和軸承旋轉推動活塞和隔膜由下止點開始上行時，泵蓋內的液體受活塞與隔膜的擠壓，進水閥關閉，泵蓋內液體被加壓，液體打開出水閥進入出水管路，活塞和隔膜行至上止點時，排液結束，出水閥關閉?；钊滦袝r又重復前一次循環過程。因電動隔膜泵大多為雙缸雙作用泵，即一缸吸液時另一缸為排液，使液體源源不斷地供給噴霧器噴霧。當關閉出水開關停止噴霧時，泵內的液流壓力隨即升高，當泵內液流大于壓力開關的調定壓力，液流頂開壓力開關的觸點而斷電，電機停止工作；當打開出水開關噴霧時，泵內的液流壓力隨即降低至正常工作壓力，壓力開關的觸點在彈簧力的作用下重新合上通電，電機啟動，泵正常工作。

由于該泵無調壓回流裝置，故泵的主要性能由泵的流量、噴頭噴霧量、泵的工作壓力和電流決定。當泵的流量確定后，泵的工作壓力由噴頭的噴霧量確定，噴頭噴霧量小則泵的工作壓力高，反之，噴頭噴霧量大則泵的工作壓力低。另外，當噴頭噴霧量確定后，泵的工作壓力與泵的流量有關，泵的流量大則泵的工作壓力高，反之，泵的流量小則泵的工作壓力低。而且泵的流量、噴頭噴霧量和泵的工作壓力將直接影響泵使用過程的電量消耗。因此，確定噴頭噴霧量與泵流量及泵工作壓力的合理匹配將直接影響電動噴霧器的使用性能和電瓶充滿電后的持續使用時間。

2 電動隔膜泵工作參數對性能的影響（性能試驗與研究）

2.1 電動隔膜泵的效率測試方法介紹

試驗介質采用常溫清水，將被測隔膜泵與測試設備連接。

隔膜泵在額定電壓下進行試驗，試驗壓力從0 開始，間隔一定壓力為測試工況點，一直測到額定工作壓力或工作壓力范圍的上限值。每一工況點應同時測定工作電壓U、工作電流I,出水壓力PM，流量Q。每次測試工況點應不少于5 點，重復三次。

隔膜泵泵效率計算公式如下所示：

式中：

η——泵效率；

N'——泵的輸出功率，單位為千瓦（kw）；

N——泵的輸入功率，單位為千瓦（kw）。

式中：

Qq——泵在額定電壓、各工況點壓力下的流量，單位為升每分鐘（L/min）；

γ——常溫清水時，γ=1。

P——全壓力，單位為兆帕（Mpa）。

式中：

PM——泵出水壓力，單位為兆帕（Mpa）；

PB——泵進水壓力，單位為兆帕（Mpa）。當進水壓力小于大氣壓時（真空情況），PB 取負值；當進水壓力大于大氣壓時（灌注情況），PB 取正值。

式中：

N——泵的輸入功率，單位為千瓦（kw）；

I——泵的實際電流，單位為安培（A）；

U——泵的額定電壓，單位為伏特（V）。

因采用標準單位不利于數據的比較，因此在接下來的分析將將壓力以及流量作以下換算：流量換算1 gpm=3.785 L/min ；壓力換算：14.5 PSI=1 bar=0.1 MPa。

2.2 電機性能對泵性能的影響

電機性能的變化對電動隔膜泵性能的影響至關重要，而電機效率和電機電流及轉速是影響泵性能的主要參數。電機電流越高，裝泵后工作電流越高,整機對電池的耗電量就越高，持續工作時間就越短。

為了提高電機端蓋的加工效率，減少勞動力，降低加工費用成本等問題，市面上經常使用的電機的端蓋一般使用沖壓工藝完成的[6]。雖然目前沖壓技術的精度已經相對高，但是還是存在加工精度不足的問題[7]。接下來通過兩端蓋精加工電機以及兩端蓋沖壓電機（電機其他零部件均相同）分別進行測試，其偏心輪采用0.71 偏心輪。

測試中端蓋沖壓的電機轉速僅能到達1465 r/min，而精加工電機轉速能夠達到2023 r/min。

從表1 以及表2 中可以看出，兩端蓋精加工的電機效率要遠遠高于沖壓工藝的電機，分析其原因主要是在于端蓋采用沖壓工藝的裝配成電機后，因其精度不高造成同軸性能較差，從而導致電機整體效率降低。

表1 兩端蓋精加工電機測試數據（0.71 偏心輪）

表2 兩端蓋沖壓電機測試數據（0.71 偏心輪）

另外從圖1 分析可得最佳工況點為（壓力與流量的交叉點）壓力36.3 PSI，流量0.259 grm，電流1.56A。而從圖2 分析可能最佳工況點為壓力35.1 PSI，流量0.19grm,電流1.26A。對比精加工以及沖壓工藝端蓋裝配的電機的最佳工況，可以看出壓力在35 PSI 左右是隔膜泵的最佳工況，而精加工的流量相比沖壓的提高了36%，泵的效率提高了約20%。從以上分析情況可以得出，電機兩端蓋精度的提高可以大大提高泵的效率，同時也對泵性能的改進提供了一種思路。

圖1 6V 兩端蓋精加工電機測試數據

圖2 6V 兩端蓋沖壓電機測試數據

2.3 閥片對泵性能的影響

閥片介紹：

隔膜泵的水閥主要由進水閥以及出水閥組成，目前應用在噴霧器上的水閥結構有單向閥結構以及閥片結構[8]。接下來分別對單向閥結構以及閥片結構進行測試，測試結果如表3、表4 所示。

表3 單向閥測試數據

表4 閥片結構水閥測試數據

從表3 以及表4 中可以看出，使用單向閥結構的效率要高于使用閥片結構水閥。

另外從圖3 分析可得最佳工況點為（壓力與流量的交叉點）壓力58PSI，流量0.439 grm，電流1.5A。而從圖4分析可能最佳工況點為壓力60 PSI，流量0.35grm,電流1.47A。對比單向閥以及閥片結構的最佳工況，可以看出壓力在60 PSI 左右是隔膜泵的最佳工況，而單向閥的流量相比閥片結構的提高了25%，泵的效率提高了約17%。從以上分析情況可以得出，單向閥結構相比閥片結構更能提高泵的效率。

圖3 單向閥測試數據

圖4 閥片結構測試數據

3 結論

本文通過理論分析以及試驗分析，找出影響隔膜泵性能的主要因素。試驗結果證明，使用端蓋精加工的流量相比沖壓的提高了36%，泵的效率提高了約20%。同時隔膜泵在噴霧器的應用場景中使用單向閥相比閥片結構的提高了25%，泵的效率提高了約17%。同時也給出了最佳工況的壓力、流量以及電流的參數匹配方案。