水動比例注入泵容積效率分析

駱志文，李 紅，楊大森(江蘇大學流體機械及工程技術研究中心,江蘇 鎮江 212013)

0 引 言

水動比例注入泵是一種依靠水力驅動實現定比抽藥、抽肥的加藥設備，其精度高、工作穩定、操作簡便，在國內外應用廣泛。在農業灌溉領域，比例注入泵主要應用于高精度施肥，可配合微灌、滴灌等節水灌溉技術發揮省肥、省力、省工的效果[1-3]。

目前國內對于水動比例注入泵的研究主要集中于水力性能試驗及新型結構的研發[4-6]。韓啟彪對國內3種比例注入泵進行了性能試驗，提出了進口流量與壓差、吸肥量與壓差的回歸模型[7]。楊大森對國內外比例注入泵進行了水力性能對比試驗，總結了國內外產品的性能差異[8]。但以上性能研究均是測量段時間內比例注入泵的進口流量和累計吸肥量，忽視了水動比例注入泵周期運作的特性。而驅動腔、抽液腔的周期流量是影響混合精度的關鍵因素，兩腔體容積效率是否滿足設計要求直接影響其周期流量大小。因此本文以單個周期為基礎，提出水動比例注入泵容積效率計算公式，分析比較兩種國產比例注入泵和一種進口比例注入泵驅動腔和抽液腔容積效率與壓差關系及其對精度性能的影響。

1 工作原理與容積效率

1.1 工作原理

比例注入泵內部驅動活塞受水壓作用上下運動，換向機構通過導桿撞擊上下殼體控制換向閥開閉，以改變活塞上下表面壓力分布，變換活塞運動方向，實現往復運動。其工作過程分為上行階段與下行階段，上行階段抽液腔單向閥打開，從儲液桶中抽取母液；下行階段抽液腔單向閥關閉，向驅動腔中注入母液。其內部結構如圖1所示。

圖1 水動比例注入泵內部結構圖Fig.1 Structure schematic of proportional dosing pump

比例注入泵工作過程中，驅動腔和抽液腔會發生泄漏。驅動腔主要泄漏點為驅動活塞與上下殼體接觸部分和換向閥處，在導桿撞擊上下殼體以及換向閥切換時泄漏情況最為嚴重。抽液腔主要泄漏點為抽液活塞與抽液腔接觸部分和單向閥處。抽液時，驅動腔水流進入抽液腔以及單向閥止回效果差都會使實際抽液量低于設計抽液量。

1.2 容積效率計算

比例注入泵通過抽液腔與驅動腔的容積比實現定比混合。理想工作狀態下，比例注入泵的混合比例計算公式為：

(1)

式中：R為混合比例；Qc為該比例下抽液腔設計容積，L；Qd為驅動腔設計容積,L；d為抽液腔直徑，mm；l為該比例下抽液活塞在抽液腔中行程，mm；D為驅動腔直徑，mm；L為驅動活塞在驅動腔中行程，mm。

但實際工作中驅動腔和抽液腔都存在泄漏情況。驅動腔部分將水流壓力能轉變為活塞上下運動的機械能，屬于液壓馬達，故其單周期內過水量大于設計容積；抽液腔部分靠驅動活塞帶動抽液活塞上下運動進行抽液和輸液，屬于液壓泵，故其抽液量小于設計容積。上述兩因素致使實際混合比例偏離理想精度[9,10]，因此比例注入泵實際混合比例計算公式為：

(2)

驅動腔容積效率計算公式為：

(3)

抽液腔容積效率計算公式為：

(4)

式中：ηd為驅動腔容積效率；ηc為抽液腔容積效率；ΔQd為驅動腔周期泄漏量，L；ΔQc為抽液腔周期泄漏量，L。

2 試驗方案與裝置

2.1 試驗裝置

本實驗采用嘉易通LX-4型、LX-2型和MixRite2502型(A型、B型和C型)水動比例注入泵進行試驗，其主要參數見表1。

表1 水動比例注入泵主要參數Tab.1 Main data of proportional dosing pumps

試驗在江蘇大學噴灌實驗室進行，進出口流量測量采用MIK-LDG型電磁流量計，壓力測量采用0.4級精密壓力表，儲液桶貯存母液為施樂多大量元素水溶肥料稀釋液。試驗臺示意圖如圖2所示，試驗臺如圖3所示[11-13]。

1-入口控制閥；2-入口電磁流量計；3-主管道控制閥；4-出口電磁流量計；5-出口控制閥；6-出口壓力表；7-水動比例注入泵；8-進口壓力表；9-儲液桶；10-高精度電子秤圖2 比例注入泵性能測試試驗臺示意圖Fig.2 Schematic diagram of test device for dosing pumps

圖3 比例注入泵性能測試試驗臺Fig.3 Performance test device for dosing pumps

2.2 試驗方案

根據各比例注入泵混合比例范圍，LX-2型、MixRite2502比例注入泵混合比例設置為0.5%、1%、1.5%、2%，LX-4型混合比例設置為0.5%、1%、1.5%、2%、3%、4%。調節比例注入泵兩端壓差為0.02、0.04、0.06、0.08和0.1 MPa。

在各選定混合比例下，保持出口控制閥全開，進口控制閥打開，調節試驗臺主管道控制閥改變比例注入泵兩端壓差。待比例注入泵運行穩定后，記錄各壓差下入口電磁流量計讀數、每5 min儲液桶質量變化、每3 min活塞運動周期數，每組數據測量3次取平均值。通試驗數據計算得到每周期比例注入泵驅動腔過水量和抽液腔抽肥量。

3 結果與分析

驅動腔和抽液腔容積效率是影響比例注入泵混合精度的主要因素。測量得到驅動活塞運動頻率，將試驗數據周期化，通過公式(3)和(4)計算并分析兩腔體的容積效率與壓差關系和比例失準原因。

3.1 活塞運動頻率與壓差

活塞運動頻率是指比例注入泵工作時單位時間內驅動活塞完成往復運動的次數。同等壓差下，活塞運動頻率越高，比例注入泵藥水混合效率越高，是評定比例注入泵性能的參數之一。由圖4可看出，隨著壓差增大，3種注入泵的活塞運動頻率都增大并趨于穩定。各壓差下，C型注入泵的活塞運動頻率都比A、B型注入泵高，A、B型注入泵幾乎相同，國外比例注入泵可更高效地完成藥水混合工作。這是由于A型和B型注入泵的驅動腔及換向機構結構相同，C型注入泵的活塞配合間隙更優。

圖4 3種比例注入泵活塞運動頻率與壓差關系Fig.4 Relations between motion frequency of position and pressure difference of three dosing pumps

3.2 驅動腔容積效率與壓差

驅動腔容積效率是驅動腔設計容積流量與實際流量之比，可由公式(3)計算得到，是驅動部分密封效果的重要體現，直接影響比例注入泵藥水混合精度。從圖5中看出，A、B、C型比例注入泵的驅動腔容積效率隨著壓差的增大而減小，C型注入泵減小速度較緩。相同壓差下，C型注入泵的容積效率更高，且壓差越大其優勢越明顯。還可看出，0.02～0.06 MPa時，B、C型注入泵驅動腔容積效率下降較緩，0.06 MPa后容積效率下降速度增大。說明國產比例注入泵驅動腔在高壓差下泄漏嚴重，不利于比例注入泵進行高精度藥水混合工作。

圖5 驅動腔容積效率與壓差關系Fig.5 Relations between volumetric efficiency of driven chamber and pressure difference

3.3 抽液腔容積效率與壓差

抽液腔容積效率是抽液腔實際流量與設計容積流量之比，可由公式(4)計算得到，是影響比例注入泵藥水混合精度的主要參數之一。圖6反映了A、B、C三種比例注入泵4種精度、不同壓差下抽液腔容積效率的變化。

圖6 抽液腔容積效率與壓差關系Fig.6 Relations between volumetric efficiency of suction chamber and pressure difference

可以發現，抽液腔容積效率基本不受壓差影響。C型比例注入泵的容積效率一直穩定在95%以上。A型比例注入泵在其低比例區1%、2%容積效率較低，在其高比例區3%、4%容積效率穩定在90%以上。B型比例注入泵在其低比例區0.5%、1%容積效率偏低，在其高比例區1.5%、2%容積效率穩定在92%以上。與國外比例注入泵相比，國內產品抽液腔的泄漏量依然較大，致使其混合精度普遍較低。另外，在選用國內比例注入泵時，應盡量保證用戶所需比例在該產品高比例區。

4 結 語

本文對3種水動比例注入泵進行了性能試驗和容積效率分析，得出如下結論。

(1)提出了比例注入泵驅動腔、抽液腔的容積效率計算公式和實際混合比例計算公式。

(2)比例注入泵活塞運動頻率隨壓差增大而增大并趨于平緩。同壓差下，MixRite比例注入泵活塞運動頻率更高，混合效率更高。

(3)驅動腔容積效率隨壓差增大而降低，國內比例注入泵驅動腔泄漏量在0.06 MPa后大幅度增加。抽液腔容積效率基本不受壓差影響，MixRite比例注入泵穩定在95%以上，國內比例注入泵只在其高比例區具有較高的容積效率。

(4)比例注入泵混合精度受驅動腔與抽液腔容積效率兩因素影響，高壓差、低比例對精度性能影響較大，在設計、使用比例注入泵時需要注意與改進。

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