微灌用水动活塞式施肥泵研制

第22卷第6期2006年6月农业工程学报Tr ansactions of the CSAE Vol.22　No.6Jun.　2006

微灌用水动活塞式施肥泵研制

王建东1,龚时宏1,徐茂云1,赵月芬2,刘中善2

(1.中国水利水电科学研究院水利研究所,北京100044;　2.中国农业大学水利与土木工程学院,北京100083)摘　要:灌溉施肥装置是实现农业灌水施肥自动化不可缺少的设备,施肥装置的研制也一直是灌溉施肥领域的一个热点。该文在综述微灌用施肥装置的类型以及国内外的研发现状基础上,重点介绍了研制开发的水动活塞式施肥泵结构、工作原理,并测定了其工作性能。结果表明:新开发的水动活塞式施肥泵具有启动工作压力低、吸肥效率较高等特点,具有较广阔的推广应用前景。

关键词:灌溉施肥;施肥装置;水动施肥泵

中图分类号:S 275.5;S224.2 文献标识码:A 文章编号:1002-6819(2006)06-0100-04

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,2006,22(6):100-103.

Wang Jiandong,Gong Shihong,Xu M aoyun,et al.Research and development of liquama tic piston fer tilizer pump for micr o -irr igation [J ].Tr ansa ctions of t he CSAE ,2006,22(6):100-103.(in Chinese with English abstr act )

收稿日期:2005-07-22　修订日期:2006-03-07基金项目:国家“863”计划专项(2002AA2Z409101)

作者简介:王建东(1978-),男,主要研究方向为喷微灌技术。北京中国水利水电科学研究院水利所,100044。Email :wangjd @iwhr .com

0　引　言

随着设施农业、环保业等新产业以及微灌技术的快速发展,灌溉施肥的重要性日益被人们所重视。实践证明,施肥与灌溉同步进行,已成为现代农业的一个重要特色,而专用的施肥装置对于准确控制施肥量、降低劳动强度以及实现灌溉施肥自动化等是不可缺少的设备[1,2]。

目前,微灌常用的施肥装置,按其工作原理可分为压差式、吸入式和注入式3种[3-7]。压差式施肥装置是在灌溉主管上并联储液罐,并在其两端造成压差,用进入储液罐的水将储液罐的原液压入灌溉水中,但压差式施肥装置存在的主要问题有:水肥混合比的调节较难,添加肥料次数频繁,劳动强度大,并且存在一定的水头损失。吸入式则利用文丘里管、阀门或皮托管等产生局部压差,将原液吸入灌溉水中,但这种施肥装置的调节压力范围有限,而且对主管流量的稳定性要求较高,系统压力损失大。注入式是利用外加压力或灌溉主管网系统的水压力驱动,将原液注入到灌溉主管中去。外加压注入式施肥装置,需安装外加注射泵,所以设备成本较高,且维修不便;另一种注入式施肥装置是依靠管网系统的水压力驱动,无须外加动力,将肥液从开敞式的肥料罐注入管网系统。包括活塞式水力驱动施肥泵和隔膜式水力驱动泵,其优点是可以控制施肥量和施肥时间,具有体积小、重量轻、使用方便、系统中无水头损失和运行费用低等优点。

国外设施农业发达国家如美国、日本、荷兰、以色列等所采用的施肥装置主要有泵注式、文丘里式、压差式、水驱动混合注入式等,且基本实现自动化[8]。以色列的

AMIAD 公司利用水力驱动施肥系统自动作业,无需电力,肥料浓度控制精确。法国生产的DOSAT ROM 肥料

农药混合器代表了当今国际领先水平[8]

,其特点是依靠水压驱动,可较好调节肥料或农药浓度,工作压力0.03～0.6MPa,可调整0.2%～10%的注入比例,较普通压差式施肥精度有很大提高[7]。在国内,一些专家学者在施肥装置的研究方面做了一些工作。侯素娟基于流体力学基本理论,对两段式文丘里泵施肥器的设计方法进行了探讨[9]。沈雪民等对100PS -1型文丘里压差式喷灌施肥装置的工作原理,水力学性能等做了试验研究[10]。李

百军等对并联文丘里管吸肥装置进行了研究[11]

。李凯等对不同混肥装置进行分析比较,建立了一套适用于智能温室的施肥灌溉自动控制技术[12]。李锐等对一种单片机实现自动灌溉和施肥的系统进行了试验研究[13]。朱志坚等研制了一种机械注入式施肥装置[14]。

在水压驱动施肥装置的研制方面,中国从“八五”开始研究水力驱动施肥泵(当时研制的是隔膜式施肥泵),但未获成功。在“九五”期间,中国水科院徐茂云、高本虎

等人对水动活塞式施肥泵进行了研究[8]

,但由于结构设计上存在的一些问题,其工作性能不是很稳定。郑立新等对国外进口的水压驱动施肥泵的特点及其在我国的应用前景做了一些简单的介绍[15]。李百军等研制了一种水动施肥装置,它利用施肥主管高压水的自身压力,推动泵缸活塞来回运动而把肥液注入到主管中[6]。该施肥装置所需的工作水压力取决于所选弹簧的刚度和初始压缩量,研制者没有对该施肥装置的工作水压力范围进行进一步的计算和研究,没有确定所需的启动工作压力。因此,在低压运行微灌系统中,有可能并不适用。“十五”期间,在国家“863”资金的支持下,中国水科院重新对水动活塞式施肥泵进行了设计和加工制造。

1　微灌用水动施肥泵的研制

1.1　水力驱动施肥泵结构设计

针对“九五”期间所研制的水动施肥泵结构设计上

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存在的问题,对其进行重新设计,新设计的水动式施肥泵由外壳、外壳端盖、活塞、密封圈、驱动活塞、驱动活塞套、驱动活塞定位销、驱动活塞动密封环、吸肥单向阀、注肥单向阀、压力水进水口、排水口、吸肥口、注肥口零件组成(施肥泵实物图1和结构剖面图2)

。

图1　水力驱动施肥泵实物图

F ig .1　Pictur e of liqua matic piston fer tilizer

pump

1.排水口

2.外壳端盖

3.驱动活塞动密封环　4、7、8.密封圈　5.外壳　6.压力水进水口　9.注肥单向阀　10.注肥口　11.吸　肥单向阀　12.吸肥口　13.活塞　1

4.驱动活塞定位销　1

5.驱　动活塞　1

6.驱动活塞套

图2　水力驱动施肥泵结构剖面图

Fig .2　Str ucture of liquamatic piston fertilizer pump

活塞13置于外壳5内,可在外壳内定位移动。驱动活塞套16与活塞13紧密配合,驱动活塞套上设置4个与驱动活塞轴向平行的凹槽,与驱动活塞紧密配合后形成封闭的流道,其中2个是工作水流入通道,另2个是弃水通道。活塞与外壳及端盖围成4个腔室:活塞、外壳及端盖之间为一个腔室,此腔在注肥行程和吸肥行程时压力交替变化;活塞的大端、中端和外壳之间形成一个腔室,此腔室内始终保持与输水管路相同的工作压力;活塞的小端与外壳及单向阀之间形成贮肥腔室,此腔室内压力随驱动活塞的行程变化而变化,有时负压(吸肥行程),有时正压(注肥行程);活塞的中端、小端与外壳共同围成一个空气腔室,此腔室通过设在外壳上的进排气口,使其压力始终保持与外界的大气压力一致。驱动活塞为中空的活塞杆(中空部分为弃水通道),其外侧设2个封水台,两封水台之间与驱动活塞套内侧形成工作水过水通道;其两端分别设有允许弃水通过的小孔。定位销

14的作用是为了防止驱动活塞左行时在活塞套内的位移过大而离开运行轨道。活动密封环3主要有3个作

用:一是阻止由外壳、端盖及活塞的大端所围成腔室内的水直接经后盖排出泵体;二是改变驱动活塞在驱动活塞套内的运动方向;三是降低驱动活塞与其他零件之间配合公差的要求。1.2　工作原理

水力驱动施肥泵的工作原理如图3所示。

图3　水力驱动施肥泵工作原理

F ig.3　Working mechanism of liquamat ic pist on fert ilizer pump

1)吸肥状态

工作压力水进入活塞1、2间的活塞腔12内,在活塞1、2的压力差作用下,活塞组件向图中左方运动。此时,吸肥单向阀被打开,肥料桶中的肥液被吸入活塞腔3内,活塞腔1内的上个吸注行程中所起作用的工作压力水通过排水孔被排出。

2)注肥状态

待活塞组件运动到图中左端时,设置于活塞组件内的换向机构开始运动,将与活塞腔1连通的排水孔关闭,并同时与工作压力水接通,在压差作用下,活塞组件向图中右方运动,此时,吸肥单向阀被关闭,注肥单向阀在肥液的压力下被打开,活塞腔3内的肥液被注入灌溉管网系统。当活塞组件运动到图中的右端时,活塞组件内的换向结构开始运动,将与活塞1连通的排水孔关闭,工作压力水又开始充满活塞腔12内,在活塞1、2的压差作用下,活塞组件向图中左方运动,重新进入吸肥状态,完成一个循环过程。由此循环往复,吸肥、注肥,单向阀交替被打开、关闭,自动进行肥液吸入和注出。

2　微灌用水动施肥泵的性能测定

按照水动施肥泵的实际运行条件,参考ISO13457:2000(Agricultur al irrigation equipment —Water -driven chemical injector pumps)测试技术规范,测定了水动施肥泵的工作性能参数(测试装置参见图4),其结果如下:

1)工作压力范围测定

本文研制的水动施肥泵不安装在灌溉系统的主管路上,具有驱动水进口、驱动水出口、化肥液进口和化肥液出口4个进出口。与灌溉系统的连接方式为并接式[16]。将水动施肥泵安装在试验装置上,使化肥储存罐的最高水面比水动注入泵的出口中心线低0.5m [16]。据测试,当水动注入泵的进口压力达到0.05MPa 时,施肥泵首次可发挥正常功能,将进口压力依次调到0.1、0.2、

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