电动隔膜泵性能优化与试验研究

戴菲菲 周永光 汤根法 王 斌

（1、台州市产品质量安全检测研究院，浙江 台州 318000 2、台州方圆质检有限公司，浙江 台州 318000 3、台州信溢农业机械有限公司，浙江 台州 318050）

随着城镇化建设的快速推进，农村劳动力大量向城市转移，大量的农田、果园、园林等种植基地和家禽饲养基地都需要高效、省力、安全环保、使用成本低的植保机械来喷洒农药或卫生消毒。便携式电动喷雾器因为采用了蓄电池作电源，有轻松、省力、压力高、泄漏少、使用成本低、持续工作时间长等特点而深受广大用户朋友的欢迎，特别是新冠疫情的爆发，喷雾器在其中发挥了不可或缺的作用[1-2]。

决定电动喷雾器品质和性能的关键部件是液泵和电池。电动隔膜泵因其结构简单、工作压力高、耐腐蚀、使用时间长而普遍用于电动喷雾器中。电动隔膜泵的性能参数通常根据电动喷雾器的使用压力、喷头喷雾量、电源电压、使用时间等因素确定[3]。由于电动喷雾器存在着配用喷头喷雾量的差异，电机性能的差异以及电池性能的差异，造成电动喷雾器的使用压力和持续使用时间存在较大的不确定性[4-5]。因此需要对这些不确定因素进行系统分析和研究，寻找最佳解决方案。本文尝试通过理论分析和大量的试验数据揭示电动隔膜泵效率性能与电能消耗的变化关系，以及影响泵性能的主要因素进行较为深入的分析和研究。

1 电动隔膜泵的结构与原理

在隔膜泵工作中，电机驱动偏心轮和轴承旋转推动活塞作往复运动，从而带动隔膜运动，以完成吸排液过程。当电机驱动偏心轮和轴承旋转推动活塞和隔膜由上止点向下止点运动时，隔膜与泵盖之间的容腔逐渐增大而产生负压，液流在外界大气压的作用下，打开水阀阀芯进入隔膜与泵盖的容腔内；当电机驱动偏心轮和轴承旋转推动活塞和隔膜由下止点开始上行时，泵盖内的液体受活塞与隔膜的挤压，进水阀关闭，泵盖内液体被加压，液体打开出水阀进入出水管路，活塞和隔膜行至上止点时，排液结束，出水阀关闭。活塞下行时又重复前一次循环过程。因电动隔膜泵大多为双缸双作用泵，即一缸吸液时另一缸为排液，使液体源源不断地供给喷雾器喷雾。当关闭出水开关停止喷雾时，泵内的液流压力随即升高，当泵内液流大于压力开关的调定压力，液流顶开压力开关的触点而断电，电机停止工作；当打开出水开关喷雾时，泵内的液流压力随即降低至正常工作压力，压力开关的触点在弹簧力的作用下重新合上通电，电机启动，泵正常工作。

由于该泵无调压回流装置，故泵的主要性能由泵的流量、喷头喷雾量、泵的工作压力和电流决定。当泵的流量确定后，泵的工作压力由喷头的喷雾量确定，喷头喷雾量小则泵的工作压力高，反之，喷头喷雾量大则泵的工作压力低。另外，当喷头喷雾量确定后，泵的工作压力与泵的流量有关，泵的流量大则泵的工作压力高，反之，泵的流量小则泵的工作压力低。而且泵的流量、喷头喷雾量和泵的工作压力将直接影响泵使用过程的电量消耗。因此，确定喷头喷雾量与泵流量及泵工作压力的合理匹配将直接影响电动喷雾器的使用性能和电瓶充满电后的持续使用时间。

2 电动隔膜泵工作参数对性能的影响（性能试验与研究）

2.1 电动隔膜泵的效率测试方法介绍

试验介质采用常温清水，将被测隔膜泵与测试设备连接。

隔膜泵在额定电压下进行试验，试验压力从0 开始，间隔一定压力为测试工况点，一直测到额定工作压力或工作压力范围的上限值。每一工况点应同时测定工作电压U、工作电流I,出水压力PM，流量Q。每次测试工况点应不少于5 点，重复三次。

隔膜泵泵效率计算公式如下所示：

式中：

η——泵效率；

N'——泵的输出功率，单位为千瓦（kw）；

N——泵的输入功率，单位为千瓦（kw）。

式中：

Qq——泵在额定电压、各工况点压力下的流量，单位为升每分钟（L/min）；

γ——常温清水时，γ=1。

P——全压力，单位为兆帕（Mpa）。

式中：

PM——泵出水压力，单位为兆帕（Mpa）；

PB——泵进水压力，单位为兆帕（Mpa）。当进水压力小于大气压时（真空情况），PB 取负值；当进水压力大于大气压时（灌注情况），PB 取正值。

式中：

N——泵的输入功率，单位为千瓦（kw）；

I——泵的实际电流，单位为安培（A）；

U——泵的额定电压，单位为伏特（V）。

因采用标准单位不利于数据的比较，因此在接下来的分析将将压力以及流量作以下换算：流量换算1 gpm=3.785 L/min ；压力换算：14.5 PSI=1 bar=0.1 MPa。

2.2 电机性能对泵性能的影响

电机性能的变化对电动隔膜泵性能的影响至关重要，而电机效率和电机电流及转速是影响泵性能的主要参数。电机电流越高，装泵后工作电流越高,整机对电池的耗电量就越高，持续工作时间就越短。

为了提高电机端盖的加工效率，减少劳动力，降低加工费用成本等问题，市面上经常使用的电机的端盖一般使用冲压工艺完成的[6]。虽然目前冲压技术的精度已经相对高，但是还是存在加工精度不足的问题[7]。接下来通过两端盖精加工电机以及两端盖冲压电机（电机其他零部件均相同）分别进行测试，其偏心轮采用0.71 偏心轮。

测试中端盖冲压的电机转速仅能到达1465 r/min，而精加工电机转速能够达到2023 r/min。

从表1 以及表2 中可以看出，两端盖精加工的电机效率要远远高于冲压工艺的电机，分析其原因主要是在于端盖采用冲压工艺的装配成电机后，因其精度不高造成同轴性能较差，从而导致电机整体效率降低。

表1 两端盖精加工电机测试数据（0.71 偏心轮）

表2 两端盖冲压电机测试数据（0.71 偏心轮）

另外从图1 分析可得最佳工况点为（压力与流量的交叉点）压力36.3 PSI，流量0.259 grm，电流1.56A。而从图2 分析可能最佳工况点为压力35.1 PSI，流量0.19grm,电流1.26A。对比精加工以及冲压工艺端盖装配的电机的最佳工况，可以看出压力在35 PSI 左右是隔膜泵的最佳工况，而精加工的流量相比冲压的提高了36%，泵的效率提高了约20%。从以上分析情况可以得出，电机两端盖精度的提高可以大大提高泵的效率，同时也对泵性能的改进提供了一种思路。

图1 6V 两端盖精加工电机测试数据

图2 6V 两端盖冲压电机测试数据

2.3 阀片对泵性能的影响

阀片介绍：

隔膜泵的水阀主要由进水阀以及出水阀组成，目前应用在喷雾器上的水阀结构有单向阀结构以及阀片结构[8]。接下来分别对单向阀结构以及阀片结构进行测试，测试结果如表3、表4 所示。

表3 单向阀测试数据

表4 阀片结构水阀测试数据

从表3 以及表4 中可以看出，使用单向阀结构的效率要高于使用阀片结构水阀。

另外从图3 分析可得最佳工况点为（压力与流量的交叉点）压力58PSI，流量0.439 grm，电流1.5A。而从图4分析可能最佳工况点为压力60 PSI，流量0.35grm,电流1.47A。对比单向阀以及阀片结构的最佳工况，可以看出压力在60 PSI 左右是隔膜泵的最佳工况，而单向阀的流量相比阀片结构的提高了25%，泵的效率提高了约17%。从以上分析情况可以得出，单向阀结构相比阀片结构更能提高泵的效率。

图3 单向阀测试数据

图4 阀片结构测试数据

3 结论

本文通过理论分析以及试验分析，找出影响隔膜泵性能的主要因素。试验结果证明，使用端盖精加工的流量相比冲压的提高了36%，泵的效率提高了约20%。同时隔膜泵在喷雾器的应用场景中使用单向阀相比阀片结构的提高了25%，泵的效率提高了约17%。同时也给出了最佳工况的压力、流量以及电流的参数匹配方案。