水动比例施肥泵研究现状及存在的问题

卢珍　周小波　李光辉　李玉玲　曾文明　阮红丽

摘要    水动比例施肥泵作为一款性能优越的高端施肥设备，在农业水肥一体化灌溉系统中具有较好的应用前景。本文总结了国内外水动比例施肥泵的研究现状，分析了国内产品目前存在的问题，提出了水动比例施肥泵的发展方向，以期为后续研究工作提供参考。

关键词    水动比例施肥泵;研究現状;问题;发展方向

中图分类号    TH38        文献标识码    A

文章编号   1007-5739（2019）19-0171-02                                                                                     开放科学（资源服务）标识码（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

水肥一体化技术是将施肥与灌溉同步进行，适时、适量地将水分和养分输送给作物，是实现水肥协同和高效利用的一项综合水肥管理技术，是现代农业发展的必然趋势[1]。施肥装置是水肥一体化系统的关键组成部分，目前常见的主要有压差施肥罐、文丘里施肥器、施肥机和水动比例施肥泵等。其中，水动比例施肥泵是依靠管道系统自身水动力将肥液注入灌溉管道，具有施肥精度高、运行稳定、易于控制、安装简单等优点[1-2]，属于一种高端施肥设备，已在设施农业、园林、园艺等方面大量使用。

目前，国内采用的水动比例施肥泵结构多是仿制法国Dosatron、以色列MixRite等国外公司的产品，但性能不如国外产品，国外产品占据了我国市场的大部分份额。为促进我国水动比例施肥泵技术的发展，本文总结了前人的相关研究成果，分析了其研究应用趋势，以期为水动比例施肥泵的进一步研究和开发提供参考，从而促进我国灌溉施肥装置质量的进一步提高。

1    国外研究现状

目前，国外水动比例施肥泵技术仍处于保密状态，仅可从一些专利分析研究现状。例如，Thierry等[3]发明了一种具有计量功能的往复式水力机械，通过主液体驱动主活塞的移动可实现向主液体中注入添加剂。Walton等[4]发明了一种外旁路型水力驱动比例注入泵，采用一次流体驱动往复活塞移动，实现向一次流体中加入预定数量的液体添加剂。Bron等[5]发明了一种内部带弹簧的可变量加药活塞泵，通过改变2个部件之间的相对位置，并保持相同的活塞运动，改变活塞的有效行程，从而改变剂量。Urrutia等[6]发明了一种包含弹性装置、差动活塞和带凸轮旋转机构等组成的水动比例注入泵。从上述专利可以看出，水动比例施肥泵结构组成大致相同，主要包括水力驱动端的主活塞、吸肥活塞以及弹簧换向装置等。发明的初衷是用于添加比例精确的药剂，随着水肥一体化技术的发展以及施肥精度要求的不断提高，其逐渐被使用到灌溉施肥系统。

目前，市场上常见的国外知名品牌有以色列MixRite、法国Dosatron等，其产品压力低、精度高、寿命长、性能稳，但是价格昂贵。这些公司实力强，在产品研发过程中持续地投入大量的人力和物力。以以色列泰芬公司（TEFEN）为例，它是以色列唯一生产比例施肥器的厂家，拥有40年的丰富经验，MixRite是其先进的核心产品之一，可满足对液态介质的均匀比例添加需求。

2    国内研究现状

2.1    结构研发

我国在“九五”“十五”期间开始对水动比例施肥泵进行研究。高本虎等[7]、徐茂云等[8]先后分别发明了活塞式水力驱动施肥泵。王建东等[9]针对“九五”期间所研制的水动施肥泵结构上存在的问题，对其进行了改进设计，试制了样机并测定了其工作性能。结果表明，其满足低压微灌系统的施肥要求，但要实现国产化还存在一定的问题，与国外产品相比仍存在一定的差距，例如施肥比例不能调节，驱动水不能有效利用等。赵友俊[10]针对传统活塞式水力驱动施肥泵不适合在大流量和高压条件下使用的问题，对注肥泵的内部结构进行了重新设计，发明了一种水动比例注肥泵，并进行了样机性能试验，证明其性能稳定、使用范围更宽、性能更优越，但到目前为止国产产品仍未形成具有自主知识产权的品牌。在对传统型水动比例施肥泵進行不断创新和研究的同时，基于水动比例施肥泵的运行原理，也有学者设计了新型水动注肥装置。例如李百军等[11]、唐晓群等[12]分别研制了结构相似的简易型水动施肥装置;赵立新等[13]开发了操作水压较小的施肥泵。

2.2    性能试验

在“十一五”之前国内对水动比例施肥泵的研究主要集中在结构研发，但国内产品始终存在使用寿命短、吸肥精度低等问题。随着水肥一体化灌溉系统智能化、信息化的发展以及施肥精度要求的不断提高，部分学者开始采用性能试验的方法对水动比例施肥泵的性能开展研究。韩启彪等[14]对国内市场上常见的3种水力驱动比例式施肥泵进行了性能试验，研究了施肥泵入口流量的影响因素。结果表明，入口流量主要受施肥管道两端压差的影响，同时通过分析施肥泵吸肥量的影响因素，发现入口流量是影响吸肥量的主要因素，并建立了施肥泵吸肥量的回归模型，对吸肥量的估算提供了理论计算依据。杨大森等[15]针对国内产品性能较差的问题，选择了国内外2种施肥泵，从施肥精度、进出口压差以及进口流量3个方面开展试验研究。对比分析表明，施肥泵的进口流量均随进出口压差的增大而增大，但国外产品的进口流量高于国内产品，国外产品的施肥精度明显高于国内产品。在分析的基础上也建立了施肥泵的吸肥量模型，为吸肥量的估算提供了一定的依据。吴锡凯等[16]通过开展水力驱动比例施肥泵性能影响因素试验研究，提出在实际使用中为了提高施肥精度，在运行时应避免将较大压差与较小施肥比例配合以及较小压差与较大施肥比例配合。

2.3    运动机理研究

为了进一步提高国内产品质量，并为比例注入施肥泵的设计提供理论指导，部分学者开始注重水动比例施肥泵的运行机理和性能参数的研究。杨大森[17]采用高速摄影技术拍摄了驱动活塞的运动现象，发现在一个运动周期过程中驱动活塞的速度随时间的变化曲线近似呈现正弦变化，在不同压差下呈现出压差越大周期越短的相似规律;并分析了活塞运动频率对施肥泵水力性能的影响，发现进口流量随驱动活塞频率的增大而增大，进出口压差过大会造成密封圈发生泄漏，使容积效率下降。近年来，随着计算机技术的飞速发展，CFD数值模拟技术已成为研究水动比例施肥泵内部运动机理的重要手段。骆志文[18]采用动网格技术研究了比例注入施肥泵关键结构参数对其水力性能的影响，获得了平均流量与进出口直径、进口腔直径等结构参数之间的相互关系，以及活塞运动频率随着进出口直径和腔径的变化规律。汤  攀等[19]也采用动网格技术，掌握了施肥泵在一个完整吸肥过程中的内部流动规律，同时分析了活塞在上行和下行过程中的受力情况。

3    存在的问题

一是国内产品在结构上主要仿制国外产品，尚未掌握其核心设计方法，加之没有高度重视加工精度对产品质量的影响，最终造成产品性能较差。二是虽然通过性能试验方法、理论研究方法和数值模拟方法掌握了一些关键参数之间的影响因素，但都是一些定性结论。并且，由于理论研究和数值模拟对产品的结构进行了部分简化，结论与实际存在一定偏差，研究结果仍不能有效指导实际生产。三是缺乏集中的研究力量对水动比例注入施肥泵进行关键技术攻克，未形成完整系统的设计方法，无法形成自有知识品牌。

4    发展方向

随着水肥一体化技术的不断发展，对施肥精度的要求将不断提高。水动比例施肥泵是一种应用前景较好的高端施肥设备，我国科技工作者应将其作为重点研究对象，集中力量攻克其关键技术瓶颈，在现有研究的基础上进一步研究关键结构参数与水力性能之间的定量关系，实现从理论研究到形成完整设计方法的突破，从而有效指导实际生产，最终形成自有知识品牌。

5    参考文献

[1] 易文裕，程方平，熊昌国，等.农业水肥一体化的发展现状与对策分析[J].中国农机化学报，2017，38（10）：111-115.

[2] 李寒松，贾振超，张峰，等.国内外水肥一体化技术发展现状与趋势[J].农业装备与车辆工程，2018，56（6）：13-16.

[3] THIERRY，GAETAN，HIGHAM，et al.Reciprocating hydraulic machine，especially a motor，and dosing apparatus comprising such a motor：US，US7207260B2[P].2007-04-24.

[4] WALTON，FRANK A，WILLIAMS，et al.Piston sealing mechanism for liquid additive injection pump：US，US7131454B2[P].2006-11-07.

[5] BRON，DAN.Pump for variable dosing：US，4118152[P].1978-10-03.

[6] URRUTIA，STEPHANE.Reciprocating differential hydraulic machine，especially a differential hydraulic machine：US，US6684753B1[P].2004-02-03.

[7] 高本虎，吳勇.水力驱动施肥泵：中国，CN2425488Y[P].2001-04-04.

[8] 徐茂云，龚时宏，杨继富，等.水力驱动活塞式施肥泵：中国，CN15458

32A[P].2004-04-04.

[9] 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.

[10] 赵友俊.水动比例注肥泵的研制[J].现代农业装备，2011（8）：48-50.

[11] 李百军，王晓宁.水动施肥装置的设计与试验[J].江苏大学学报（自然科学版），2002，23（2）：9-12.

[12] 唐晓群，陈楚珍.压力管道灌溉系统中水动施肥装置的开发[J].节水灌溉，2009（10）：23-24.

[13] 赵立新，郑立允.水压驱动施肥泵的开发研究[J].水泵技术，2002（6）：44-45.

[14] 韩启彪，吴文勇，刘洪禄，等.三种水力驱动比例式施肥泵吸肥性能试验[J].农业工程学报，2010，26（2）：43-47.

[15] 杨大森，李红，骆志文.活塞式比例施肥器性能对比试验[J].节水灌溉，2015（11）：47-50.

[16] 吴锡凯，王文娥，胡笑涛，等.水力驱动式比例施肥器性能影响因素试验研究[J].中国农村水利水电，2018（4）：6-9.

[17] 杨大森.水动比例注入泵运动分析及性能优化[D].镇江：江苏大学，2016.

[18] 骆志文.水动比例注入泵性能参数研究[D].镇江：江苏大学，2017.

[19] 汤攀，李红，骆志文，等.比例施肥泵驱动活塞受力分析及内部流动模拟与试验[J].农业工程学报，2017，33（23）：93-100.