等截面雙作用柱塞泵結構設計

摘要：設計了一款應用在水肥一體化設備中的新型等截面雙作用桂塞泵，開展了不同柱塞行程比例（20%、40%、60%、80%和100%）和灌溉管道壓力（0.04、0.08、0.12、0.16和0.20 MPa）下柱塞泵工作流量變化試驗，分析行程比例、管道壓力與工作流量的響應關系，定量化研究薪式柱塞泵較傳統柱塞泵工作效率改進程度，并與傳統柱塞泵進行施肥效率、占用空間和質量等方面對比分析。新式柱塞泵可通過調節柱塞行程比例，使水肥一體化設備灌溉精準化。滿行程時，新式柱塞泵相較于傳統柱塞泵輸送相同流量的時間節約33%～38%；當管道壓力自0.04 MPa升至0.20 MPa時，新式柱塞泵較傳統柱塞泵機械效率提升約18%，施肥流量提升32%-45%；同傳統柱塞泵相比，新式柱塞泵結構合理，部件使用壽命長，縮小占用空間約60%，減小質量約62%，減少了加工與運輸成本。從機械效率、占用空間、質量綜合分析，新式柱塞泵性能優于傳統柱塞泵，為柱塞泵高效、輕量化發展提供一定參考。

關鍵詞：柱塞泵；水肥一體化；精準施肥；行程比例；管道壓力

中圈分類號：S220.5 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1795（2023）03-0092-05

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2023.03.016

0引言

農業用水量占全國總用水量62%以上，而農業灌溉水有效系數0.565，高效節水灌溉率約25%，遠低于國際先進水平。過度灌溉、施肥不僅會破壞水土環境，還會導致土壤板結，嚴重影響作物產量、質量。近年來，國家為緩解水資源短缺問題大力推廣水肥一體化技術。研究表明，水肥一體化技術能夠保證作物所需水分和養分得到精確適量供應，提高節水節肥效果，是實現農業水資源高效利用的重要環節。

施肥泵作為水肥一體化設備的重要部件，直接影響施肥性能。柱塞泵作為最早出現的泵類產品之一，具有平均流量恒定、自吸性能好、工作壽命長等特點，但它機械效率低、占用空間大、質量過大等問題仍未得到有效解決。從傳統柱塞泵的研究情況來看，單作用柱塞泵的吸人與泵送屬于獨立環節，吸液與排液的不連續直接導致流量的不連續。而雙作用柱塞泵是在單作用的基礎上進行改進，柱塞桿往復運動一個周期即可完成一次完整的進排液過程，使流量輸送更加穩定的同時提升了效率。徐威等設計的缸間齒輪聯動液壓發動機柱塞泵可以將指示功轉化為液體壓能，為緊湊柱塞泵結構提供了方案。吳非設計了一款作用在油田的雙缸往復泵，在換向結構上采用機械行程控制取代曲柄連桿結構，行程啟閉時的瞬時載荷變化代替擺動力作用，減少振動，延長零部件使用壽命。周江林等對雙作用液壓驅動往復泵進行了研究，發現液壓驅動往復泵吸液和排液的始末瞬間，受柱塞加減速影響，缸內壓力波動變化明顯，直接導致吸液和排液總管產生壓力波動，但柱塞往復運動的其余行程中壓力基本穩定。楊波等對液壓驅動往復泵的吸水性能進行了試驗研究，分析得出多個泵錯位換向完成不間斷供排水工作的可能性，并提出了改進往復泵持續供水的方法：在排水管道增設蓄能器，對換向瞬時進行補水補償，減小壓力波動；多水泵錯位換向；采用等截面結構設計水泵。上述傳統往復泵存在機械效率較低、空間占比大、質量過大等問題，在水肥一體設備技術應用中，影響灌溉施肥的整機效率和整體組裝及應用，為此，本研究設計一款新型等截面雙作用柱塞泵。

通過對傳統柱塞泵電機連接方式及工作腔、進出水肥流道結構的改進，設計了新型等截面雙作用柱塞泵，開展不同柱塞行程比例和灌溉管道壓力下柱塞泵工作流量變化試驗，分析行程比例、管道壓力與工作流量的響應關系，定量化研究新式柱塞泵工作效率改進程度。將新式柱塞泵與傳統型柱塞泵進行質量和體積對比，進一步說明，新式柱塞泵的優化效果。該設備的研發及推廣將有利于水肥一體化技術的發展和水肥一體化灌溉效率提升。