水動(dòng)比例施肥泵研究現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

盧珍　周小波　李光輝　李玉玲　曾文明　阮紅麗

摘要 ? ?水動(dòng)比例施肥泵作為一款性能優(yōu)越的高端施肥設(shè)備，在農(nóng)業(yè)水肥一體化灌溉系統(tǒng)中具有較好的應(yīng)用前景。本文總結(jié)了國(guó)內(nèi)外水動(dòng)比例施肥泵的研究現(xiàn)狀，分析了國(guó)內(nèi)產(chǎn)品目前存在的問(wèn)題，提出了水動(dòng)比例施肥泵的發(fā)展方向，以期為后續(xù)研究工作提供參考。

關(guān)鍵詞 ? ?水動(dòng)比例施肥泵;研究現(xiàn)狀;問(wèn)題;發(fā)展方向

中圖分類號(hào) ? ?TH38 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 ? ?A

文章編號(hào) ? 1007-5739（2019）19-0171-02 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）

Research ?Status ?and ?Problems ?of ?Hydrodynamic ?Proportional ?Fertilization ?Pump

LU Zhen ? ?ZHOU Xiao-bo ? ?LI Guang-hui ? ?LI Yu-ling ? ?ZENG Wen-ming ? ?RUAN Hong-li

（Sichuan Agricultural Machinery Research and Design Institute，Chengdu Sichuan 610066）

Abstract ? ?As a high-end fertilization equipment with superior performance，the hydrodynamic proportional fertilization pump has a good application prospect in the agricultural water and fertilizer integrated irrigation system.This paper summarized the research status of hydrodynamic proportional fertilization pumps at home and abroad，analyzed the current problems of domestic products，and proposed the development direction of hydrodynamic proportional fertilization pumps，in order to provide references for the subsequent research work.

Key words ? ?hydrodynamic proportional fertilization pump;research status;problem;development direction

水肥一體化技術(shù)是將施肥與灌溉同步進(jìn)行，適時(shí)、適量地將水分和養(yǎng)分輸送給作物，是實(shí)現(xiàn)水肥協(xié)同和高效利用的一項(xiàng)綜合水肥管理技術(shù)，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)[1]。施肥裝置是水肥一體化系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，目前常見(jiàn)的主要有壓差施肥罐、文丘里施肥器、施肥機(jī)和水動(dòng)比例施肥泵等。其中，水動(dòng)比例施肥泵是依靠管道系統(tǒng)自身水動(dòng)力將肥液注入灌溉管道，具有施肥精度高、運(yùn)行穩(wěn)定、易于控制、安裝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，屬于一種高端施肥設(shè)備，已在設(shè)施農(nóng)業(yè)、園林、園藝等方面大量使用。

目前，國(guó)內(nèi)采用的水動(dòng)比例施肥泵結(jié)構(gòu)多是仿制法國(guó)Dosatron、以色列MixRite等國(guó)外公司的產(chǎn)品，但性能不如國(guó)外產(chǎn)品，國(guó)外產(chǎn)品占據(jù)了我國(guó)市場(chǎng)的大部分份額。為促進(jìn)我國(guó)水動(dòng)比例施肥泵技術(shù)的發(fā)展，本文總結(jié)了前人的相關(guān)研究成果，分析了其研究應(yīng)用趨勢(shì)，以期為水動(dòng)比例施肥泵的進(jìn)一步研究和開(kāi)發(fā)提供參考，從而促進(jìn)我國(guó)灌溉施肥裝置質(zhì)量的進(jìn)一步提高。

1 ? ?國(guó)外研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)外水動(dòng)比例施肥泵技術(shù)仍處于保密狀態(tài)，僅可從一些專利分析研究現(xiàn)狀。例如，Thierry等[3]發(fā)明了一種具有計(jì)量功能的往復(fù)式水力機(jī)械，通過(guò)主液體驅(qū)動(dòng)主活塞的移動(dòng)可實(shí)現(xiàn)向主液體中注入添加劑。Walton等[4]發(fā)明了一種外旁路型水力驅(qū)動(dòng)比例注入泵，采用一次流體驅(qū)動(dòng)往復(fù)活塞移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)向一次流體中加入預(yù)定數(shù)量的液體添加劑。Bron等[5]發(fā)明了一種內(nèi)部帶彈簧的可變量加藥活塞泵，通過(guò)改變2個(gè)部件之間的相對(duì)位置，并保持相同的活塞運(yùn)動(dòng)，改變活塞的有效行程，從而改變劑量。Urrutia等[6]發(fā)明了一種包含彈性裝置、差動(dòng)活塞和帶凸輪旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等組成的水動(dòng)比例注入泵。從上述專利可以看出，水動(dòng)比例施肥泵結(jié)構(gòu)組成大致相同，主要包括水力驅(qū)動(dòng)端的主活塞、吸肥活塞以及彈簧換向裝置等。發(fā)明的初衷是用于添加比例精確的藥劑，隨著水肥一體化技術(shù)的發(fā)展以及施肥精度要求的不斷提高，其逐漸被使用到灌溉施肥系統(tǒng)。

目前，市場(chǎng)上常見(jiàn)的國(guó)外知名品牌有以色列MixRite、法國(guó)Dosatron等，其產(chǎn)品壓力低、精度高、壽命長(zhǎng)、性能穩(wěn)，但是價(jià)格昂貴。這些公司實(shí)力強(qiáng)，在產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中持續(xù)地投入大量的人力和物力。以以色列泰芬公司（TEFEN）為例，它是以色列唯一生產(chǎn)比例施肥器的廠家，擁有40年的豐富經(jīng)驗(yàn)，MixRite是其先進(jìn)的核心產(chǎn)品之一，可滿足對(duì)液態(tài)介質(zhì)的均勻比例添加需求。

2 ? ?國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

2.1 ? ?結(jié)構(gòu)研發(fā)

我國(guó)在“九五”“十五”期間開(kāi)始對(duì)水動(dòng)比例施肥泵進(jìn)行研究。高本虎等[7]、徐茂云等[8]先后分別發(fā)明了活塞式水力驅(qū)動(dòng)施肥泵。王建東等[9]針對(duì)“九五”期間所研制的水動(dòng)施肥泵結(jié)構(gòu)上存在的問(wèn)題，對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，試制了樣機(jī)并測(cè)定了其工作性能。結(jié)果表明，其滿足低壓微灌系統(tǒng)的施肥要求，但要實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化還存在一定的問(wèn)題，與國(guó)外產(chǎn)品相比仍存在一定的差距，例如施肥比例不能調(diào)節(jié)，驅(qū)動(dòng)水不能有效利用等。趙友俊[10]針對(duì)傳統(tǒng)活塞式水力驅(qū)動(dòng)施肥泵不適合在大流量和高壓條件下使用的問(wèn)題，對(duì)注肥泵的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，發(fā)明了一種水動(dòng)比例注肥泵，并進(jìn)行了樣機(jī)性能試驗(yàn)，證明其性能穩(wěn)定、使用范圍更寬、性能更優(yōu)越，但到目前為止國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品仍未形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的品牌。在對(duì)傳統(tǒng)型水動(dòng)比例施肥泵進(jìn)行不斷創(chuàng)新和研究的同時(shí)，基于水動(dòng)比例施肥泵的運(yùn)行原理，也有學(xué)者設(shè)計(jì)了新型水動(dòng)注肥裝置。例如李百軍等[11]、唐曉群等[12]分別研制了結(jié)構(gòu)相似的簡(jiǎn)易型水動(dòng)施肥裝置;趙立新等[13]開(kāi)發(fā)了操作水壓較小的施肥泵。

2.2 ? ?性能試驗(yàn)

在“十一五”之前國(guó)內(nèi)對(duì)水動(dòng)比例施肥泵的研究主要集中在結(jié)構(gòu)研發(fā)，但國(guó)內(nèi)產(chǎn)品始終存在使用壽命短、吸肥精度低等問(wèn)題。隨著水肥一體化灌溉系統(tǒng)智能化、信息化的發(fā)展以及施肥精度要求的不斷提高，部分學(xué)者開(kāi)始采用性能試驗(yàn)的方法對(duì)水動(dòng)比例施肥泵的性能開(kāi)展研究。韓啟彪等[14]對(duì)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上常見(jiàn)的3種水力驅(qū)動(dòng)比例式施肥泵進(jìn)行了性能試驗(yàn)，研究了施肥泵入口流量的影響因素。結(jié)果表明，入口流量主要受施肥管道兩端壓差的影響，同時(shí)通過(guò)分析施肥泵吸肥量的影響因素，發(fā)現(xiàn)入口流量是影響吸肥量的主要因素，并建立了施肥泵吸肥量的回歸模型，對(duì)吸肥量的估算提供了理論計(jì)算依據(jù)。楊大森等[15]針對(duì)國(guó)內(nèi)產(chǎn)品性能較差的問(wèn)題，選擇了國(guó)內(nèi)外2種施肥泵，從施肥精度、進(jìn)出口壓差以及進(jìn)口流量3個(gè)方面開(kāi)展試驗(yàn)研究。對(duì)比分析表明，施肥泵的進(jìn)口流量均隨進(jìn)出口壓差的增大而增大，但國(guó)外產(chǎn)品的進(jìn)口流量高于國(guó)內(nèi)產(chǎn)品，國(guó)外產(chǎn)品的施肥精度明顯高于國(guó)內(nèi)產(chǎn)品。在分析的基礎(chǔ)上也建立了施肥泵的吸肥量模型，為吸肥量的估算提供了一定的依據(jù)。吳錫凱等[16]通過(guò)開(kāi)展水力驅(qū)動(dòng)比例施肥泵性能影響因素試驗(yàn)研究，提出在實(shí)際使用中為了提高施肥精度，在運(yùn)行時(shí)應(yīng)避免將較大壓差與較小施肥比例配合以及較小壓差與較大施肥比例配合。

2.3 ? ?運(yùn)動(dòng)機(jī)理研究

為了進(jìn)一步提高國(guó)內(nèi)產(chǎn)品質(zhì)量，并為比例注入施肥泵的設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)，部分學(xué)者開(kāi)始注重水動(dòng)比例施肥泵的運(yùn)行機(jī)理和性能參數(shù)的研究。楊大森[17]采用高速攝影技術(shù)拍攝了驅(qū)動(dòng)活塞的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期過(guò)程中驅(qū)動(dòng)活塞的速度隨時(shí)間的變化曲線近似呈現(xiàn)正弦變化，在不同壓差下呈現(xiàn)出壓差越大周期越短的相似規(guī)律;并分析了活塞運(yùn)動(dòng)頻率對(duì)施肥泵水力性能的影響，發(fā)現(xiàn)進(jìn)口流量隨驅(qū)動(dòng)活塞頻率的增大而增大，進(jìn)出口壓差過(guò)大會(huì)造成密封圈發(fā)生泄漏，使容積效率下降。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，CFD數(shù)值模擬技術(shù)已成為研究水動(dòng)比例施肥泵內(nèi)部運(yùn)動(dòng)機(jī)理的重要手段。駱志文[18]采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)研究了比例注入施肥泵關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其水力性能的影響，獲得了平均流量與進(jìn)出口直徑、進(jìn)口腔直徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的相互關(guān)系，以及活塞運(yùn)動(dòng)頻率隨著進(jìn)出口直徑和腔徑的變化規(guī)律。湯 ?攀等[19]也采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，掌握了施肥泵在一個(gè)完整吸肥過(guò)程中的內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律，同時(shí)分析了活塞在上行和下行過(guò)程中的受力情況。

3 ? ?存在的問(wèn)題

一是國(guó)內(nèi)產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)上主要仿制國(guó)外產(chǎn)品，尚未掌握其核心設(shè)計(jì)方法，加之沒(méi)有高度重視加工精度對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響，最終造成產(chǎn)品性能較差。二是雖然通過(guò)性能試驗(yàn)方法、理論研究方法和數(shù)值模擬方法掌握了一些關(guān)鍵參數(shù)之間的影響因素，但都是一些定性結(jié)論。并且，由于理論研究和數(shù)值模擬對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了部分簡(jiǎn)化，結(jié)論與實(shí)際存在一定偏差，研究結(jié)果仍不能有效指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。三是缺乏集中的研究力量對(duì)水動(dòng)比例注入施肥泵進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)攻克，未形成完整系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，無(wú)法形成自有知識(shí)品牌。

4 ? ?發(fā)展方向

隨著水肥一體化技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)施肥精度的要求將不斷提高。水動(dòng)比例施肥泵是一種應(yīng)用前景較好的高端施肥設(shè)備，我國(guó)科技工作者應(yīng)將其作為重點(diǎn)研究對(duì)象，集中力量攻克其關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)與水力性能之間的定量關(guān)系，實(shí)現(xiàn)從理論研究到形成完整設(shè)計(jì)方法的突破，從而有效指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)，最終形成自有知識(shí)品牌。

5 ? ?參考文獻(xiàn)

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