等截面雙作用柱塞泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用在水肥一體化設(shè)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(yàn)，分析行程比例、管道壓力與工作流量的響應(yīng)關(guān)系，定量化研究薪式柱塞泵較傳統(tǒng)柱塞泵工作效率改進(jìn)程度，并與傳統(tǒng)柱塞泵進(jìn)行施肥效率、占用空間和質(zhì)量等方面對(duì)比分析。新式柱塞泵可通過調(diào)節(jié)柱塞行程比例，使水肥一體化設(shè)備灌溉精準(zhǔn)化。滿行程時(shí)，新式柱塞泵相較于傳統(tǒng)柱塞泵輸送相同流量的時(shí)間節(jié)約33%～38%；當(dāng)管道壓力自0.04 MPa升至0.20 MPa時(shí)，新式柱塞泵較傳統(tǒng)柱塞泵機(jī)械效率提升約18%，施肥流量提升32%-45%；同傳統(tǒng)柱塞泵相比，新式柱塞泵結(jié)構(gòu)合理，部件使用壽命長(zhǎng)，縮小占用空間約60%，減小質(zhì)量約62%，減少了加工與運(yùn)輸成本。從機(jī)械效率、占用空間、質(zhì)量綜合分析，新式柱塞泵性能優(yōu)于傳統(tǒng)柱塞泵，為柱塞泵高效、輕量化發(fā)展提供一定參考。

關(guān)鍵詞：柱塞泵；水肥一體化；精準(zhǔn)施肥；行程比例；管道壓力

中圈分類號(hào)：S220.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1795（2023）03-0092-05

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2023.03.016

0引言

農(nóng)業(yè)用水量占全國(guó)總用水量62%以上，而農(nóng)業(yè)灌溉水有效系數(shù)0.565，高效節(jié)水灌溉率約25%，遠(yuǎn)低于國(guó)際先進(jìn)水平。過度灌溉、施肥不僅會(huì)破壞水土環(huán)境，還會(huì)導(dǎo)致土壤板結(jié)，嚴(yán)重影響作物產(chǎn)量、質(zhì)量。近年來，國(guó)家為緩解水資源短缺問題大力推廣水肥一體化技術(shù)。研究表明，水肥一體化技術(shù)能夠保證作物所需水分和養(yǎng)分得到精確適量供應(yīng)，提高節(jié)水節(jié)肥效果，是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)水資源高效利用的重要環(huán)節(jié)。

施肥泵作為水肥一體化設(shè)備的重要部件，直接影響施肥性能。柱塞泵作為最早出現(xiàn)的泵類產(chǎn)品之一，具有平均流量恒定、自吸性能好、工作壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，但它機(jī)械效率低、占用空間大、質(zhì)量過大等問題仍未得到有效解決。從傳統(tǒng)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(dú)立環(huán)節(jié)，吸液與排液的不連續(xù)直接導(dǎo)致流量的不連續(xù)。而雙作用柱塞泵是在單作用的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，柱塞桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)一個(gè)周期即可完成一次完整的進(jìn)排液過程，使流量輸送更加穩(wěn)定的同時(shí)提升了效率。徐威等設(shè)計(jì)的缸間齒輪聯(lián)動(dòng)液壓發(fā)動(dòng)機(jī)柱塞泵可以將指示功轉(zhuǎn)化為液體壓能，為緊湊柱塞泵結(jié)構(gòu)提供了方案。吳非設(shè)計(jì)了一款作用在油田的雙缸往復(fù)泵，在換向結(jié)構(gòu)上采用機(jī)械行程控制取代曲柄連桿結(jié)構(gòu)，行程啟閉時(shí)的瞬時(shí)載荷變化代替擺動(dòng)力作用，減少振動(dòng)，延長(zhǎng)零部件使用壽命。周江林等對(duì)雙作用液壓驅(qū)動(dòng)往復(fù)泵進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)液壓驅(qū)動(dòng)往復(fù)泵吸液和排液的始末瞬間，受柱塞加減速影響，缸內(nèi)壓力波動(dòng)變化明顯，直接導(dǎo)致吸液和排液總管產(chǎn)生壓力波動(dòng)，但柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的其余行程中壓力基本穩(wěn)定。楊波等對(duì)液壓驅(qū)動(dòng)往復(fù)泵的吸水性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析得出多個(gè)泵錯(cuò)位換向完成不間斷供排水工作的可能性，并提出了改進(jìn)往復(fù)泵持續(xù)供水的方法：在排水管道增設(shè)蓄能器，對(duì)換向瞬時(shí)進(jìn)行補(bǔ)水補(bǔ)償，減小壓力波動(dòng)；多水泵錯(cuò)位換向；采用等截面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水泵。上述傳統(tǒng)往復(fù)泵存在機(jī)械效率較低、空間占比大、質(zhì)量過大等問題，在水肥一體設(shè)備技術(shù)應(yīng)用中，影響灌溉施肥的整機(jī)效率和整體組裝及應(yīng)用，為此，本研究設(shè)計(jì)一款新型等截面雙作用柱塞泵。

通過對(duì)傳統(tǒng)柱塞泵電機(jī)連接方式及工作腔、進(jìn)出水肥流道結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，設(shè)計(jì)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(yàn)，分析行程比例、管道壓力與工作流量的響應(yīng)關(guān)系，定量化研究新式柱塞泵工作效率改進(jìn)程度。將新式柱塞泵與傳統(tǒng)型柱塞泵進(jìn)行質(zhì)量和體積對(duì)比，進(jìn)一步說明，新式柱塞泵的優(yōu)化效果。該設(shè)備的研發(fā)及推廣將有利于水肥一體化技術(shù)的發(fā)展和水肥一體化灌溉效率提升。