駱志文，李 紅，楊大森(江蘇大學(xué)流體機(jī)械及工程技術(shù)研究中心,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引 言

水動(dòng)比例注入泵是一種依靠水力驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)定比抽藥、抽肥的加藥設(shè)備，其精度高、工作穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)便，在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用廣泛。在農(nóng)業(yè)灌溉領(lǐng)域，比例注入泵主要應(yīng)用于高精度施肥，可配合微灌、滴灌等節(jié)水灌溉技術(shù)發(fā)揮省肥、省力、省工的效果[1-3]。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)于水動(dòng)比例注入泵的研究主要集中于水力性能試驗(yàn)及新型結(jié)構(gòu)的研發(fā)[4-6]。韓啟彪對(duì)國(guó)內(nèi)3種比例注入泵進(jìn)行了性能試驗(yàn)，提出了進(jìn)口流量與壓差、吸肥量與壓差的回歸模型[7]。楊大森對(duì)國(guó)內(nèi)外比例注入泵進(jìn)行了水力性能對(duì)比試驗(yàn)，總結(jié)了國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品的性能差異[8]。但以上性能研究均是測(cè)量段時(shí)間內(nèi)比例注入泵的進(jìn)口流量和累計(jì)吸肥量，忽視了水動(dòng)比例注入泵周期運(yùn)作的特性。而驅(qū)動(dòng)腔、抽液腔的周期流量是影響混合精度的關(guān)鍵因素，兩腔體容積效率是否滿足設(shè)計(jì)要求直接影響其周期流量大小。因此本文以單個(gè)周期為基礎(chǔ)，提出水動(dòng)比例注入泵容積效率計(jì)算公式，分析比較兩種國(guó)產(chǎn)比例注入泵和一種進(jìn)口比例注入泵驅(qū)動(dòng)腔和抽液腔容積效率與壓差關(guān)系及其對(duì)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(nèi)部驅(qū)動(dòng)活塞受水壓作用上下運(yùn)動(dòng)，換向機(jī)構(gòu)通過(guò)導(dǎo)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(yùn)動(dòng)方向，實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。其工作過(guò)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(chǔ)液桶中抽取母液；下行階段抽液腔單向閥關(guān)閉，向驅(qū)動(dòng)腔中注入母液。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 水動(dòng)比例注入泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure schematic of proportional dosing pump

比例注入泵工作過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)腔和抽液腔會(huì)發(fā)生泄漏。驅(qū)動(dòng)腔主要泄漏點(diǎn)為驅(qū)動(dòng)活塞與上下殼體接觸部分和換向閥處，在導(dǎo)桿撞擊上下殼體以及換向閥切換時(shí)泄漏情況最為嚴(yán)重。抽液腔主要泄漏點(diǎn)為抽液活塞與抽液腔接觸部分和單向閥處。抽液時(shí)，驅(qū)動(dòng)腔水流進(jìn)入抽液腔以及單向閥止回效果差都會(huì)使實(shí)際抽液量低于設(shè)計(jì)抽液量。

1.2 容積效率計(jì)算

比例注入泵通過(guò)抽液腔與驅(qū)動(dòng)腔的容積比實(shí)現(xiàn)定比混合。理想工作狀態(tài)下，比例注入泵的混合比例計(jì)算公式為：

(1)

式中：R為混合比例；Qc為該比例下抽液腔設(shè)計(jì)容積，L；Qd為驅(qū)動(dòng)腔設(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)腔直徑，mm；L為驅(qū)動(dòng)活塞在驅(qū)動(dòng)腔中行程，mm。

但實(shí)際工作中驅(qū)動(dòng)腔和抽液腔都存在泄漏情況。驅(qū)動(dòng)腔部分將水流壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)榛钊舷逻\(yùn)動(dòng)的機(jī)械能，屬于液壓馬達(dá)，故其單周期內(nèi)過(guò)水量大于設(shè)計(jì)容積；抽液腔部分靠驅(qū)動(dòng)活塞帶動(dòng)抽液活塞上下運(yùn)動(dòng)進(jìn)行抽液和輸液，屬于液壓泵，故其抽液量小于設(shè)計(jì)容積。上述兩因素致使實(shí)際混合比例偏離理想精度[9,10]，因此比例注入泵實(shí)際混合比例計(jì)算公式為：

(2)

驅(qū)動(dòng)腔容積效率計(jì)算公式為：

(3)

抽液腔容積效率計(jì)算公式為：

(4)

式中：ηd為驅(qū)動(dòng)腔容積效率；ηc為抽液腔容積效率；ΔQd為驅(qū)動(dòng)腔周期泄漏量，L；ΔQc為抽液腔周期泄漏量，L。

2 試驗(yàn)方案與裝置

2.1 試驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)采用嘉易通LX-4型、LX-2型和MixRite2502型(A型、B型和C型)水動(dòng)比例注入泵進(jìn)行試驗(yàn)，其主要參數(shù)見表1。

表1 水動(dòng)比例注入泵主要參數(shù)Tab.1 Main data of proportional dosing pumps

試驗(yàn)在江蘇大學(xué)噴灌實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，進(jìn)出口流量測(cè)量采用MIK-LDG型電磁流量計(jì)，壓力測(cè)量采用0.4級(jí)精密壓力表，儲(chǔ)液桶貯存母液為施樂多大量元素水溶肥料稀釋液。試驗(yàn)臺(tái)示意圖如圖2所示，試驗(yàn)臺(tái)如圖3所示[11-13]。

1-入口控制閥；2-入口電磁流量計(jì)；3-主管道控制閥；4-出口電磁流量計(jì)；5-出口控制閥；6-出口壓力表；7-水動(dòng)比例注入泵；8-進(jìn)口壓力表；9-儲(chǔ)液桶；10-高精度電子秤圖2 比例注入泵性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)示意圖Fig.2 Schematic diagram of test device for dosing pumps

圖3 比例注入泵性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)Fig.3 Performance test device for dosing pumps

2.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)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(shè)置為0.5%、1%、1.5%、2%，LX-4型混合比例設(shè)置為0.5%、1%、1.5%、2%、3%、4%。調(diào)節(jié)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(jìn)口控制閥打開，調(diào)節(jié)試驗(yàn)臺(tái)主管道控制閥改變比例注入泵兩端壓差。待比例注入泵運(yùn)行穩(wěn)定后，記錄各壓差下入口電磁流量計(jì)讀數(shù)、每5 min儲(chǔ)液桶質(zhì)量變化、每3 min活塞運(yùn)動(dòng)周期數(shù)，每組數(shù)據(jù)測(cè)量3次取平均值。通試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到每周期比例注入泵驅(qū)動(dòng)腔過(guò)水量和抽液腔抽肥量。

3 結(jié)果與分析

驅(qū)動(dòng)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(cè)量得到驅(qū)動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)頻率，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)周期化，通過(guò)公式(3)和(4)計(jì)算并分析兩腔體的容積效率與壓差關(guān)系和比例失準(zhǔn)原因。

3.1 活塞運(yùn)動(dòng)頻率與壓差

活塞運(yùn)動(dòng)頻率是指比例注入泵工作時(shí)單位時(shí)間內(nèi)驅(qū)動(dòng)活塞完成往復(fù)運(yùn)動(dòng)的次數(shù)。同等壓差下，活塞運(yùn)動(dòng)頻率越高，比例注入泵藥水混合效率越高，是評(píng)定比例注入泵性能的參數(shù)之一。由圖4可看出，隨著壓差增大，3種注入泵的活塞運(yùn)動(dòng)頻率都增大并趨于穩(wěn)定。各壓差下，C型注入泵的活塞運(yùn)動(dòng)頻率都比A、B型注入泵高，A、B型注入泵幾乎相同，國(guó)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(qū)動(dòng)腔及換向機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)相同，C型注入泵的活塞配合間隙更優(yōu)。

圖4 3種比例注入泵活塞運(yùn)動(dòng)頻率與壓差關(guān)系Fig.4 Relations between motion frequency of position and pressure difference of three dosing pumps

3.2 驅(qū)動(dòng)腔容積效率與壓差

驅(qū)動(dòng)腔容積效率是驅(qū)動(dòng)腔設(shè)計(jì)容積流量與實(shí)際流量之比，可由公式(3)計(jì)算得到，是驅(qū)動(dòng)部分密封效果的重要體現(xiàn)，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(qū)動(dòng)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(yōu)勢(shì)越明顯。還可看出，0.02～0.06 MPa時(shí)，B、C型注入泵驅(qū)動(dòng)腔容積效率下降較緩，0.06 MPa后容積效率下降速度增大。說(shuō)明國(guó)產(chǎn)比例注入泵驅(qū)動(dòng)腔在高壓差下泄漏嚴(yán)重，不利于比例注入泵進(jìn)行高精度藥水混合工作。

圖5 驅(qū)動(dòng)腔容積效率與壓差關(guān)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(shí)際流量與設(shè)計(jì)容積流量之比，可由公式(4)計(jì)算得到，是影響比例注入泵藥水混合精度的主要參數(shù)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(guān)系Fig.6 Relations between volumetric efficiency of suction chamber and pressure difference

可以發(fā)現(xiàn)，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(wěn)定在95%以上。A型比例注入泵在其低比例區(qū)1%、2%容積效率較低，在其高比例區(qū)3%、4%容積效率穩(wěn)定在90%以上。B型比例注入泵在其低比例區(qū)0.5%、1%容積效率偏低，在其高比例區(qū)1.5%、2%容積效率穩(wěn)定在92%以上。與國(guó)外比例注入泵相比，國(guó)內(nèi)產(chǎn)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(guó)內(nèi)比例注入泵時(shí)，應(yīng)盡量保證用戶所需比例在該產(chǎn)品高比例區(qū)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)3種水動(dòng)比例注入泵進(jìn)行了性能試驗(yàn)和容積效率分析，得出如下結(jié)論。

(1)提出了比例注入泵驅(qū)動(dòng)腔、抽液腔的容積效率計(jì)算公式和實(shí)際混合比例計(jì)算公式。

(2)比例注入泵活塞運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)頻率更高，混合效率更高。

(3)驅(qū)動(dòng)腔容積效率隨壓差增大而降低，國(guó)內(nèi)比例注入泵驅(qū)動(dòng)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(wěn)定在95%以上，國(guó)內(nèi)比例注入泵只在其高比例區(qū)具有較高的容積效率。

(4)比例注入泵混合精度受驅(qū)動(dòng)腔與抽液腔容積效率兩因素影響，高壓差、低比例對(duì)精度性能影響較大，在設(shè)計(jì)、使用比例注入泵時(shí)需要注意與改進(jìn)。

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