水动比例注入泵容积效率分析

骆志文，李 红，杨大森(江苏大学流体机械及工程技术研究中心,江苏 镇江 212013)

0 引 言

水动比例注入泵是一种依靠水力驱动实现定比抽药、抽肥的加药设备，其精度高、工作稳定、操作简便，在国内外应用广泛。在农业灌溉领域，比例注入泵主要应用于高精度施肥，可配合微灌、滴灌等节水灌溉技术发挥省肥、省力、省工的效果[1-3]。

目前国内对于水动比例注入泵的研究主要集中于水力性能试验及新型结构的研发[4-6]。韩启彪对国内3种比例注入泵进行了性能试验，提出了进口流量与压差、吸肥量与压差的回归模型[7]。杨大森对国内外比例注入泵进行了水力性能对比试验，总结了国内外产品的性能差异[8]。但以上性能研究均是测量段时间内比例注入泵的进口流量和累计吸肥量，忽视了水动比例注入泵周期运作的特性。而驱动腔、抽液腔的周期流量是影响混合精度的关键因素，两腔体容积效率是否满足设计要求直接影响其周期流量大小。因此本文以单个周期为基础，提出水动比例注入泵容积效率计算公式，分析比较两种国产比例注入泵和一种进口比例注入泵驱动腔和抽液腔容积效率与压差关系及其对精度性能的影响。

1 工作原理与容积效率

1.1 工作原理

比例注入泵内部驱动活塞受水压作用上下运动，换向机构通过导杆撞击上下壳体控制换向阀开闭，以改变活塞上下表面压力分布，变换活塞运动方向，实现往复运动。其工作过程分为上行阶段与下行阶段，上行阶段抽液腔单向阀打开，从储液桶中抽取母液；下行阶段抽液腔单向阀关闭，向驱动腔中注入母液。其内部结构如图1所示。

图1 水动比例注入泵内部结构图Fig.1 Structure schematic of proportional dosing pump

比例注入泵工作过程中，驱动腔和抽液腔会发生泄漏。驱动腔主要泄漏点为驱动活塞与上下壳体接触部分和换向阀处，在导杆撞击上下壳体以及换向阀切换时泄漏情况最为严重。抽液腔主要泄漏点为抽液活塞与抽液腔接触部分和单向阀处。抽液时，驱动腔水流进入抽液腔以及单向阀止回效果差都会使实际抽液量低于设计抽液量。

1.2 容积效率计算

比例注入泵通过抽液腔与驱动腔的容积比实现定比混合。理想工作状态下，比例注入泵的混合比例计算公式为：

(1)

式中：R为混合比例；Qc为该比例下抽液腔设计容积，L；Qd为驱动腔设计容积,L；d为抽液腔直径，mm；l为该比例下抽液活塞在抽液腔中行程，mm；D为驱动腔直径，mm；L为驱动活塞在驱动腔中行程，mm。

但实际工作中驱动腔和抽液腔都存在泄漏情况。驱动腔部分将水流压力能转变为活塞上下运动的机械能，属于液压马达，故其单周期内过水量大于设计容积；抽液腔部分靠驱动活塞带动抽液活塞上下运动进行抽液和输液，属于液压泵，故其抽液量小于设计容积。上述两因素致使实际混合比例偏离理想精度[9,10]，因此比例注入泵实际混合比例计算公式为：

(2)

驱动腔容积效率计算公式为：

(3)

抽液腔容积效率计算公式为：

(4)

式中：ηd为驱动腔容积效率；ηc为抽液腔容积效率；ΔQd为驱动腔周期泄漏量，L；ΔQc为抽液腔周期泄漏量，L。

2 试验方案与装置

2.1 试验装置

本实验采用嘉易通LX-4型、LX-2型和MixRite2502型(A型、B型和C型)水动比例注入泵进行试验，其主要参数见表1。

表1 水动比例注入泵主要参数Tab.1 Main data of proportional dosing pumps

试验在江苏大学喷灌实验室进行，进出口流量测量采用MIK-LDG型电磁流量计，压力测量采用0.4级精密压力表，储液桶贮存母液为施乐多大量元素水溶肥料稀释液。试验台示意图如图2所示，试验台如图3所示[11-13]。

1-入口控制阀；2-入口电磁流量计；3-主管道控制阀；4-出口电磁流量计；5-出口控制阀；6-出口压力表；7-水动比例注入泵；8-进口压力表；9-储液桶；10-高精度电子秤图2 比例注入泵性能测试试验台示意图Fig.2 Schematic diagram of test device for dosing pumps

图3 比例注入泵性能测试试验台Fig.3 Performance test device for dosing pumps

2.2 试验方案

根据各比例注入泵混合比例范围，LX-2型、MixRite2502比例注入泵混合比例设置为0.5%、1%、1.5%、2%，LX-4型混合比例设置为0.5%、1%、1.5%、2%、3%、4%。调节比例注入泵两端压差为0.02、0.04、0.06、0.08和0.1 MPa。

在各选定混合比例下，保持出口控制阀全开，进口控制阀打开，调节试验台主管道控制阀改变比例注入泵两端压差。待比例注入泵运行稳定后，记录各压差下入口电磁流量计读数、每5 min储液桶质量变化、每3 min活塞运动周期数，每组数据测量3次取平均值。通试验数据计算得到每周期比例注入泵驱动腔过水量和抽液腔抽肥量。

3 结果与分析

驱动腔和抽液腔容积效率是影响比例注入泵混合精度的主要因素。测量得到驱动活塞运动频率，将试验数据周期化，通过公式(3)和(4)计算并分析两腔体的容积效率与压差关系和比例失准原因。

3.1 活塞运动频率与压差

活塞运动频率是指比例注入泵工作时单位时间内驱动活塞完成往复运动的次数。同等压差下，活塞运动频率越高，比例注入泵药水混合效率越高，是评定比例注入泵性能的参数之一。由图4可看出，随着压差增大，3种注入泵的活塞运动频率都增大并趋于稳定。各压差下，C型注入泵的活塞运动频率都比A、B型注入泵高，A、B型注入泵几乎相同，国外比例注入泵可更高效地完成药水混合工作。这是由于A型和B型注入泵的驱动腔及换向机构结构相同，C型注入泵的活塞配合间隙更优。

图4 3种比例注入泵活塞运动频率与压差关系Fig.4 Relations between motion frequency of position and pressure difference of three dosing pumps

3.2 驱动腔容积效率与压差

驱动腔容积效率是驱动腔设计容积流量与实际流量之比，可由公式(3)计算得到，是驱动部分密封效果的重要体现，直接影响比例注入泵药水混合精度。从图5中看出，A、B、C型比例注入泵的驱动腔容积效率随着压差的增大而减小，C型注入泵减小速度较缓。相同压差下，C型注入泵的容积效率更高，且压差越大其优势越明显。还可看出，0.02～0.06 MPa时，B、C型注入泵驱动腔容积效率下降较缓，0.06 MPa后容积效率下降速度增大。说明国产比例注入泵驱动腔在高压差下泄漏严重，不利于比例注入泵进行高精度药水混合工作。

图5 驱动腔容积效率与压差关系Fig.5 Relations between volumetric efficiency of driven chamber and pressure difference

3.3 抽液腔容积效率与压差

抽液腔容积效率是抽液腔实际流量与设计容积流量之比，可由公式(4)计算得到，是影响比例注入泵药水混合精度的主要参数之一。图6反映了A、B、C三种比例注入泵4种精度、不同压差下抽液腔容积效率的变化。

图6 抽液腔容积效率与压差关系Fig.6 Relations between volumetric efficiency of suction chamber and pressure difference

可以发现，抽液腔容积效率基本不受压差影响。C型比例注入泵的容积效率一直稳定在95%以上。A型比例注入泵在其低比例区1%、2%容积效率较低，在其高比例区3%、4%容积效率稳定在90%以上。B型比例注入泵在其低比例区0.5%、1%容积效率偏低，在其高比例区1.5%、2%容积效率稳定在92%以上。与国外比例注入泵相比，国内产品抽液腔的泄漏量依然较大，致使其混合精度普遍较低。另外，在选用国内比例注入泵时，应尽量保证用户所需比例在该产品高比例区。

4 结 语

本文对3种水动比例注入泵进行了性能试验和容积效率分析，得出如下结论。

(1)提出了比例注入泵驱动腔、抽液腔的容积效率计算公式和实际混合比例计算公式。

(2)比例注入泵活塞运动频率随压差增大而增大并趋于平缓。同压差下，MixRite比例注入泵活塞运动频率更高，混合效率更高。

(3)驱动腔容积效率随压差增大而降低，国内比例注入泵驱动腔泄漏量在0.06 MPa后大幅度增加。抽液腔容积效率基本不受压差影响，MixRite比例注入泵稳定在95%以上，国内比例注入泵只在其高比例区具有较高的容积效率。

(4)比例注入泵混合精度受驱动腔与抽液腔容积效率两因素影响，高压差、低比例对精度性能影响较大，在设计、使用比例注入泵时需要注意与改进。

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[1] 袁寿其，李 红，王新坤．中国节水灌溉装备发展现状、问题、趋势与建议[J]．排灌机械工程学报，2015，33(1)：78-92．

[2] 韩启彪，冯绍元，黄修桥，等．我国节水灌溉施肥装置研究现状[J]．节水灌溉，2014，(12)：76-79．

[3] 时新宁，马 晖，王锦秀．以色列现代农业的命脉：节水灌溉与精准施肥[J]．宁夏科技，2002，(2)：17-18．

[4] 王新坤，夏立平，高世凯,等．施肥泵活塞关键结构参数对性能影响的数值模拟[J]．排灌机械工程学报，2014，3(1)：66-71．

[5] 王建东，龚时宏，徐茂云,等． 微灌用水动活塞式施肥泵研制[J]． 农业工程学报，2006．

[6] 赵立新，郑立允，连学文，等．水压驱动施肥泵的开发研究[J]．水泵技术，2002，(6)：44-45．

[7] 韩启彪，吴文勇，刘洪禄，等．三种水力驱动比例式施肥泵吸肥性能试验[J]．农业工程学报，2010，26(2)：43-47．

[8] 杨大森，李 红，骆志文．活塞式比例施肥器性能对比试验[J]．节水灌溉，2015，(11)：47-50．

[9] 陈定方，孔建益，杨家军，等．现代机械设计手册[M]．北京：机械工业出版社，2014．

[10] 刘素红，赵艳平．液压泵、液压马达容积效率检测方法的研究[J]．流体传动与控制，2009，(2)：15-17．

[11] 李久生，张建君，薛克宗．滴灌施肥灌溉原理与应用[M]．北京：中国农业科学技术出版社，2003．

[12] 孟一斌．微灌施肥装置水力性能研究[D]．北京：中国农业大学水利与土木工程学院，2006．

[13] GB/T19792-2005，农业灌溉设备 水动化肥-农药注入泵[S]．