劉俊萍，李吉鵬，史永杰，朱興業(yè)

（江蘇大學(xué)國(guó)家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，鎮(zhèn)江212013）

0 引 言

我國(guó)水資源嚴(yán)重短缺[1?3]，并且農(nóng)業(yè)化肥使用量居世界之最，占世界總量的1/3。然而，中國(guó)化肥利用率僅30%左右，比發(fā)達(dá)國(guó)家低20%[4，5]。為緩解我國(guó)水資源短缺和化肥利用率低的問(wèn)題，發(fā)展高精度水肥一體化灌溉裝備是有效途徑之一?，F(xiàn)有水肥一體化灌溉裝備主要有：壓差施肥罐、文丘里施肥器、自壓施肥、智能施肥機(jī)等[6?10]，文丘里施肥器和智能施肥機(jī)有較好的精度，主要應(yīng)用在溫室的等小面積灌溉，壓差施肥罐和自壓施肥設(shè)備主要應(yīng)用在大田噴滴灌，但施肥精度有待進(jìn)一步提高。

蠕動(dòng)泵作為容積式泵種，應(yīng)用在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域可較好的提高泵送流體精度。在國(guó)外研究中，Amornthammarong N[11]等人提出一種采用四通道道蠕動(dòng)泵，優(yōu)化了測(cè)定土壤和沉積物提取物中的磷的方法。Garcés?Ruiz Mónica[12]等人開(kāi)發(fā)了一種非破壞性耕作系統(tǒng)，利用蠕動(dòng)泵精確泵送營(yíng)養(yǎng)液，研究植物的動(dòng)態(tài)菌根和非菌根玉米幼苗對(duì)磷的吸收。國(guó)內(nèi)研究中，李君等[13]設(shè)計(jì)了一種采用蠕動(dòng)泵和靜態(tài)混合器進(jìn)行農(nóng)藥精量控制的實(shí)時(shí)混藥系統(tǒng)，提高了混藥的穩(wěn)定性。候加林等[14]設(shè)計(jì)了一種利用多種功能水進(jìn)行溫室灌溉的裝置，利用蠕動(dòng)泵的高精度特性制取定量微酸性電解水，加快化肥溶解。黃語(yǔ)燕等[15]設(shè)計(jì)了一種水肥一體化施肥系統(tǒng)，通過(guò)蠕動(dòng)泵吸取肥料母液，使肥液按設(shè)定比例與水混合成設(shè)置的濃度來(lái)實(shí)現(xiàn)水肥一體化自動(dòng)施肥。許銘鋆[16]在智能灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，采用蠕動(dòng)泵作為智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)的灌溉裝置。上述關(guān)于蠕動(dòng)泵在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的研究主要在小面積精準(zhǔn)灌溉施肥中，對(duì)于大田作物精準(zhǔn)灌溉施肥研究較少，因此對(duì)蠕動(dòng)泵在大田作物精準(zhǔn)灌溉施肥進(jìn)行研究，是緩解水資源短缺，提高化肥利用率的有效途徑之一。

因此，本文設(shè)計(jì)了一套適用于大田噴灌基于大流量蠕動(dòng)泵的可配肥注肥的水肥一體化裝備，針對(duì)蠕動(dòng)泵因局部回流現(xiàn)象影響水肥配比精度的問(wèn)題，對(duì)大流量蠕動(dòng)泵泵頭關(guān)鍵部位進(jìn)行優(yōu)化，研究輥?zhàn)訑?shù)對(duì)蠕動(dòng)泵性能的影響，為水肥一體化裝備優(yōu)化設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 水肥一體化裝置

本文設(shè)計(jì)了一種水肥一體化裝置，如圖1所示。

圖1 水肥一體化裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of water and fertilizer integration device

裝置主要包括配肥混肥系統(tǒng)和注肥系統(tǒng)兩個(gè)部分。其工作原理為：蠕動(dòng)泵正轉(zhuǎn)完成定比例配肥的輸送的過(guò)程，反轉(zhuǎn)完成向管路注肥的過(guò)程，期間泵正反轉(zhuǎn)由控制柜控制。

配肥混肥過(guò)程為分別開(kāi)通電磁閥A、B、C，通過(guò)控制蠕動(dòng)泵正轉(zhuǎn)將肥液桶A、B、C 中肥液定量泵送至混肥桶（通過(guò)控制電磁閥開(kāi)通時(shí)間確定泵送肥液量），攪拌器將三種混合的肥液攪拌均勻，完成不同肥液的定比例混肥。注肥過(guò)程控制蠕動(dòng)泵反轉(zhuǎn)，將混肥桶配比完成的混合肥液注入外接管路，其中調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速控制注肥流量。

1.2 試驗(yàn)設(shè)置

（1）結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。研究不同結(jié)構(gòu)工況下，對(duì)蠕動(dòng)泵流量大小、最大壓力和泵管溫度的影響，分析不同結(jié)構(gòu)下，對(duì)蠕動(dòng)泵回流程度的影響，為水肥一體化裝置中進(jìn)一步提高流量精度提供技術(shù)參考。

試驗(yàn)采用雙輥?zhàn)印⑷佔(zhàn)雍退妮佔(zhàn)颖妙^結(jié)構(gòu)，探究輥?zhàn)訑?shù)對(duì)蠕動(dòng)泵性能的影響。輥?zhàn)訑?shù)結(jié)構(gòu)如圖2所示。試驗(yàn)所用蠕動(dòng)泵泵管內(nèi)徑12 mm，泵殼圓周節(jié)圓直徑為144 mm。

圖2 不同輥?zhàn)訑?shù)結(jié)構(gòu)Fig.2 Different roller number structure

（2）測(cè)量方法。試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.3 physical diagram of the test system

流量采用定體積計(jì)時(shí)法測(cè)量試驗(yàn)，介質(zhì)為常溫清水，記錄蠕動(dòng)泵從量筒1（精度0.05 L）將5 L水泵送至量筒2所用時(shí)間，變壓器（精度0.1 V）以2 V為間隔調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，期間用轉(zhuǎn)速儀測(cè)量（VC6234P型，精確度0.05%+1）測(cè)量轉(zhuǎn)速。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)用一元線性回歸方程[17]分析得出轉(zhuǎn)速?流量關(guān)系。

測(cè)量壓力時(shí)，以蠕動(dòng)泵最大電壓36 V 的工況下工作，進(jìn)出口軟管插入水中，關(guān)閉閥門，記錄壓力表（YTN?60 型，精確度±1.6%）壓力波動(dòng)時(shí)最大值和最小值，同時(shí)測(cè)量蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速。根據(jù)轉(zhuǎn)速和不同輥?zhàn)訑?shù)繪制出壓力脈沖對(duì)比圖進(jìn)行分析。

測(cè)量泵管溫度時(shí)，以蠕動(dòng)泵最大電壓36 V 的工況下工作，以5 min為間隔時(shí)間，采用測(cè)溫儀（型號(hào)德力西DECTMM520 C，精度±2℃）測(cè)量泵管溫度直至溫度穩(wěn)定。上述測(cè)量每組數(shù)據(jù)測(cè)量3次，取平均值。

1.3 性能參數(shù)模型建立

（1）流量模型。蠕動(dòng)泵流量是評(píng)價(jià)該泵性能的重要參數(shù)。本文優(yōu)化了王道臣等人[18]的流量理論計(jì)算公式，考慮了輥?zhàn)訉?duì)泵管擠壓所占用體積對(duì)流量的影響，理論計(jì)算公式如下。

蠕動(dòng)泵輸入端轉(zhuǎn)動(dòng)一圈時(shí)輸出的排量，即：

（△=2.666 7×10?3L，由UG建模體測(cè)量所得）

則蠕動(dòng)泵的流量為：

式中：D為泵殼圓周節(jié)圓直徑，dm；d為泵管內(nèi)徑，dm；q為蠕動(dòng)泵的排量，L；z為蠕動(dòng)泵輥?zhàn)訑?shù)，個(gè)；△為一個(gè)輥?zhàn)訑D壓泵管所占體積，L；Q為蠕動(dòng)泵的流量，L/min；r為蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速，r/min。

實(shí)際流量計(jì)算公式：

式中：Q實(shí)為泵實(shí)際流量，L/min；V為體積，L；t0為蠕動(dòng)泵將量筒1液體泵送至量筒2所用時(shí)間，min。

蠕動(dòng)泵回流程度：

（2）壓力?脈沖模型。蠕動(dòng)泵傳輸流體產(chǎn)生周期性的蠕動(dòng)流，泵頭輥?zhàn)訑D壓泵管形成擾動(dòng)，形成周期性往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而在空間上形成液體輸送的周期脈沖。李寧等[17]用天平測(cè)量法和流量計(jì)測(cè)量方法對(duì)蠕動(dòng)泵泵管流量脈沖進(jìn)行了測(cè)試，均得出單峰值谷值的周期性波動(dòng)的圖形，泵管內(nèi)壓力均呈現(xiàn)單峰值谷值的周期性波動(dòng)。故本文對(duì)泵管內(nèi)壓力脈沖建立簡(jiǎn)化的正弦波模型，視圖化最大壓力試驗(yàn)結(jié)果，如圖4所示。

圖4 泵管內(nèi)壓力正弦波模型Fig.4 Pressure sine wave model in the pump tube

平均壓力：

壓力波動(dòng)幅值：

壓力波動(dòng)單位周期：

壓力數(shù)學(xué)表達(dá)式：

式中：m為試驗(yàn)測(cè)得泵管內(nèi)最小壓力，MPa；M為試驗(yàn)測(cè)得泵管內(nèi)最大壓力，MPa；a為泵管內(nèi)平均壓力，MPa；b為波動(dòng)幅值，MPa；T為單位周期，s；p為壓力，MPa；z為輥?zhàn)訑?shù)，個(gè)；t為蠕動(dòng)泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，s。

由公式（5）～（8）得：

由式（9）得，在簡(jiǎn)化的模型下，泵管壓力波動(dòng)周期與泵殼中輥?zhàn)訑?shù)、轉(zhuǎn)速相關(guān)。

2 結(jié)果與分析

2.1 蠕動(dòng)泵輥?zhàn)訑?shù)對(duì)流量的影響

根據(jù)上述試驗(yàn)方法，得出不同輥?zhàn)訑?shù)蠕動(dòng)泵實(shí)際流量與轉(zhuǎn)速關(guān)系如圖5所示。由圖5可知，3種結(jié)構(gòu)蠕動(dòng)泵流量均隨轉(zhuǎn)速增加而呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)的趨勢(shì)，并且最大值分別為12.33 L/min、14.75 L/min和16.07 L/min。

通過(guò)上述數(shù)據(jù)，采用一元線性回歸方程分析，得：

雙輥?zhàn)尤鋭?dòng)泵實(shí)際流量公式，

三輥?zhàn)尤鋭?dòng)泵實(shí)際流量公式，

四輥?zhàn)尤鋭?dòng)泵實(shí)際流量公式，

圖5 不同輥?zhàn)訑?shù)蠕動(dòng)泵實(shí)際流量與轉(zhuǎn)速關(guān)系Fig.5 Relationship between actual flow rate and speed of peristaltic pump with the same number of rollers

式中：Q二為雙輥?zhàn)尤鋭?dòng)泵實(shí)際流量，L/min；Q三為三輥?zhàn)尤鋭?dòng)泵實(shí)際流量，L/min；Q四為四輥?zhàn)尤鋭?dòng)泵實(shí)際流量，L/min；r為轉(zhuǎn)速，r/min

查F分布表α 數(shù)值，得出回歸方程公式（10）～（12）均在α=0.01水平上顯著，可信賴程度99%，為高度顯著。

上述試驗(yàn)結(jié)果顯示，蠕動(dòng)泵流量與轉(zhuǎn)速呈正比關(guān)系，是因?yàn)槿鋭?dòng)泵具有一般容積泵的特性，單股定體積的輸送流體，隨著轉(zhuǎn)速的增加，流量隨之增大。四棍子結(jié)構(gòu)蠕動(dòng)泵相比于雙輥?zhàn)咏Y(jié)構(gòu)，流量增大了28%，相比于三輥?zhàn)咏Y(jié)構(gòu)，流量增大了7%。其原因是四棍子結(jié)構(gòu)蠕動(dòng)泵相比于其他兩種結(jié)構(gòu)，流體在輸送過(guò)程中形成的水力損失最小，故流量最大。適度增加輥?zhàn)訑?shù)，在泵送流體的過(guò)程中，減小水力損失，增大流量。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，不同輥?zhàn)訑?shù)蠕動(dòng)泵試驗(yàn)流量與理論計(jì)算流量比值的關(guān)系如圖6所示，雙棍子、三輥?zhàn)雍退妮佔(zhàn)咏Y(jié)構(gòu)蠕動(dòng)泵實(shí)際流量與理論計(jì)算流量比值分別在54.45%、67.65%和76.41%左右波動(dòng)。

圖6 不同輥?zhàn)訑?shù)蠕動(dòng)泵試驗(yàn)流量與理論計(jì)算流量比值的關(guān)系Fig.6 Relationship between experimental flow rate and theoretical calculation flow ratio of peristaltic pump with different roller numbers

造成不同結(jié)構(gòu)蠕動(dòng)泵實(shí)際流量與理論計(jì)算流量比值不同，是因?yàn)椴煌Y(jié)構(gòu)的蠕動(dòng)泵泵送流體所形成的回流程度不同導(dǎo)致，根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果所示，四棍子結(jié)構(gòu)蠕動(dòng)泵回流程度為23%，四棍子結(jié)構(gòu)蠕動(dòng)泵回流程度為32%，四棍子結(jié)構(gòu)蠕動(dòng)泵回流程度為46%，其中回流是輥?zhàn)咏Y(jié)束擠壓泵管時(shí)，泵管彈性形變形成微小局部真空導(dǎo)致，輥?zhàn)訑?shù)增加，減緩了泵送流體過(guò)程中的回流程度，可增大蠕動(dòng)泵實(shí)際流量與理論計(jì)算流量比值。并且轉(zhuǎn)速在0～150 r/min范圍時(shí)，3種不同結(jié)構(gòu)蠕動(dòng)泵流量均出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況，分析其原因是由于轉(zhuǎn)速較慢，輥?zhàn)咏惶鏀D壓泵管頻率較低，回流程度最大，對(duì)蠕動(dòng)泵流量的影響最大，造成實(shí)際流量與理論計(jì)算流量比值波動(dòng)較大。

2.2 蠕動(dòng)泵輥?zhàn)訑?shù)對(duì)壓力脈沖的影響

根據(jù)上述試驗(yàn)方法，由簡(jiǎn)化模型公式（9），繪制出各輥?zhàn)訑?shù)蠕動(dòng)泵壓力函數(shù)對(duì)比圖，如圖7所示。

圖7 各輥?zhàn)訑?shù)蠕動(dòng)泵壓力函數(shù)對(duì)比圖Fig.7 Comparison of pressure function of peristaltic pump with different roller numbers

由圖7可知，雙輥?zhàn)印⑷佔(zhàn)雍退墓髯咏Y(jié)構(gòu)蠕動(dòng)泵壓力分別在0.135 MPa、0.210 MPa 和0.240 MPa 上下波動(dòng)，其中四棍子結(jié)構(gòu)蠕動(dòng)泵壓力脈沖振幅最小，周期最短。相比于雙輥?zhàn)雍腿佔(zhàn)尤鋭?dòng)泵壓力，四輥?zhàn)尤鋭?dòng)泵最大平均壓力分別提高了0.105 MPa 和0.030 MPa，以及對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象的觀察，四輥?zhàn)尤鋭?dòng)泵脈沖震動(dòng)程度小于其他兩種結(jié)構(gòu)。蠕動(dòng)泵的壓力波動(dòng)，是由于輥?zhàn)訑D壓泵管中流體至泵管出口時(shí)形成壓力峰值，輥?zhàn)咏惶鏀D壓時(shí)流體在泵管回流形成壓力谷值，故存在脈沖現(xiàn)象。四輥?zhàn)尤鋭?dòng)泵中單股流體擠壓至泵管出口周期減短，壓力峰值、壓力谷值均有所提高，并且壓力差降低，最終壓力平均值提高，脈沖振幅降低。

2.3 蠕動(dòng)泵輥?zhàn)訑?shù)對(duì)泵管溫度的影響

根據(jù)上述試驗(yàn)方法，得出不同結(jié)構(gòu)蠕動(dòng)泵泵管溫度隨工作時(shí)長(zhǎng)的變化規(guī)律，呈現(xiàn)對(duì)數(shù)函數(shù)型增長(zhǎng)的趨勢(shì)，不同結(jié)構(gòu)蠕動(dòng)泵泵管溫度對(duì)比如圖8所示。

泵管溫度是輥?zhàn)訑D壓泵管摩擦程度的間接體現(xiàn)，溫度越高說(shuō)明輥?zhàn)訉?duì)泵管的摩擦程度越劇烈，泵管磨損程度越高。在工作時(shí)間在0～10 min 范圍內(nèi)，泵管被輥?zhàn)佣ㄞD(zhuǎn)速周期性加壓而迅速升溫，之后逐漸趨于穩(wěn)定，溫度在一個(gè)定值左右波動(dòng)，達(dá)到溫度最大值，四棍子結(jié)構(gòu)、三輥?zhàn)咏Y(jié)構(gòu)和雙棍子結(jié)構(gòu)蠕動(dòng)泵達(dá)到的穩(wěn)定值分別為53℃、45℃和40℃。蠕動(dòng)泵在工作時(shí)，輥?zhàn)訑?shù)增加，對(duì)泵管擠壓次數(shù)增多，摩擦程度越大，產(chǎn)生熱量越多。

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了基于蠕動(dòng)泵的水肥一體化灌溉裝置，并構(gòu)建了蠕動(dòng)泵性能參數(shù)模型。分別采用蠕動(dòng)泵輥?zhàn)訑?shù)量為2、3 和4的不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：

圖8 不同結(jié)構(gòu)蠕動(dòng)泵泵管溫度對(duì)比圖Fig.8 Temperature comparison of peristaltic pump tubes with different structures

（1）四輥?zhàn)咏Y(jié)構(gòu)蠕動(dòng)泵輥?zhàn)有D(zhuǎn)交替擠壓泵管頻率高，流量最接近理論計(jì)算值，可有效增加水肥一體化配肥精度。四輥?zhàn)尤鋭?dòng)泵擠壓泵管周期短，脈沖振幅最低，壓力達(dá)到較高值。

（2）相比于其他兩種結(jié)構(gòu)，四輥?zhàn)咏Y(jié)構(gòu)流量分別增加了28%和7%?；亓鞒潭确謩e降低了23%和14%，最大壓力分別提高了0.105 MPa 和0.030 MPa。泵管最大溫度分別增加了13℃和8℃。