電動(dòng)隔膜泵性能優(yōu)化與試驗(yàn)研究

戴菲菲 周永光 湯根法 王 斌

（1、臺州市產(chǎn)品質(zhì)量安全檢測研究院，浙江 臺州 318000 2、臺州方圓質(zhì)檢有限公司，浙江 臺州 318000 3、臺州信溢農(nóng)業(yè)機(jī)械有限公司，浙江 臺州 318050）

隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)的快速推進(jìn)，農(nóng)村勞動(dòng)力大量向城市轉(zhuǎn)移，大量的農(nóng)田、果園、園林等種植基地和家禽飼養(yǎng)基地都需要高效、省力、安全環(huán)保、使用成本低的植保機(jī)械來噴灑農(nóng)藥或衛(wèi)生消毒。便攜式電動(dòng)噴霧器因?yàn)椴捎昧诵铍姵刈麟娫?，有輕松、省力、壓力高、泄漏少、使用成本低、持續(xù)工作時(shí)間長等特點(diǎn)而深受廣大用戶朋友的歡迎，特別是新冠疫情的爆發(fā)，噴霧器在其中發(fā)揮了不可或缺的作用[1-2]。

決定電動(dòng)噴霧器品質(zhì)和性能的關(guān)鍵部件是液泵和電池。電動(dòng)隔膜泵因其結(jié)構(gòu)簡單、工作壓力高、耐腐蝕、使用時(shí)間長而普遍用于電動(dòng)噴霧器中。電動(dòng)隔膜泵的性能參數(shù)通常根據(jù)電動(dòng)噴霧器的使用壓力、噴頭噴霧量、電源電壓、使用時(shí)間等因素確定[3]。由于電動(dòng)噴霧器存在著配用噴頭噴霧量的差異，電機(jī)性能的差異以及電池性能的差異，造成電動(dòng)噴霧器的使用壓力和持續(xù)使用時(shí)間存在較大的不確定性[4-5]。因此需要對這些不確定因素進(jìn)行系統(tǒng)分析和研究，尋找最佳解決方案。本文嘗試通過理論分析和大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)揭示電動(dòng)隔膜泵效率性能與電能消耗的變化關(guān)系，以及影響泵性能的主要因素進(jìn)行較為深入的分析和研究。

1 電動(dòng)隔膜泵的結(jié)構(gòu)與原理

在隔膜泵工作中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)偏心輪和軸承旋轉(zhuǎn)推動(dòng)活塞作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)隔膜運(yùn)動(dòng)，以完成吸排液過程。當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)偏心輪和軸承旋轉(zhuǎn)推動(dòng)活塞和隔膜由上止點(diǎn)向下止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，隔膜與泵蓋之間的容腔逐漸增大而產(chǎn)生負(fù)壓，液流在外界大氣壓的作用下，打開水閥閥芯進(jìn)入隔膜與泵蓋的容腔內(nèi)；當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)偏心輪和軸承旋轉(zhuǎn)推動(dòng)活塞和隔膜由下止點(diǎn)開始上行時(shí)，泵蓋內(nèi)的液體受活塞與隔膜的擠壓，進(jìn)水閥關(guān)閉，泵蓋內(nèi)液體被加壓，液體打開出水閥進(jìn)入出水管路，活塞和隔膜行至上止點(diǎn)時(shí)，排液結(jié)束，出水閥關(guān)閉。活塞下行時(shí)又重復(fù)前一次循環(huán)過程。因電動(dòng)隔膜泵大多為雙缸雙作用泵，即一缸吸液時(shí)另一缸為排液，使液體源源不斷地供給噴霧器噴霧。當(dāng)關(guān)閉出水開關(guān)停止噴霧時(shí)，泵內(nèi)的液流壓力隨即升高，當(dāng)泵內(nèi)液流大于壓力開關(guān)的調(diào)定壓力，液流頂開壓力開關(guān)的觸點(diǎn)而斷電，電機(jī)停止工作；當(dāng)打開出水開關(guān)噴霧時(shí)，泵內(nèi)的液流壓力隨即降低至正常工作壓力，壓力開關(guān)的觸點(diǎn)在彈簧力的作用下重新合上通電，電機(jī)啟動(dòng)，泵正常工作。

由于該泵無調(diào)壓回流裝置，故泵的主要性能由泵的流量、噴頭噴霧量、泵的工作壓力和電流決定。當(dāng)泵的流量確定后，泵的工作壓力由噴頭的噴霧量確定，噴頭噴霧量小則泵的工作壓力高，反之，噴頭噴霧量大則泵的工作壓力低。另外，當(dāng)噴頭噴霧量確定后，泵的工作壓力與泵的流量有關(guān)，泵的流量大則泵的工作壓力高，反之，泵的流量小則泵的工作壓力低。而且泵的流量、噴頭噴霧量和泵的工作壓力將直接影響泵使用過程的電量消耗。因此，確定噴頭噴霧量與泵流量及泵工作壓力的合理匹配將直接影響電動(dòng)噴霧器的使用性能和電瓶充滿電后的持續(xù)使用時(shí)間。

2 電動(dòng)隔膜泵工作參數(shù)對性能的影響（性能試驗(yàn)與研究）

2.1 電動(dòng)隔膜泵的效率測試方法介紹

試驗(yàn)介質(zhì)采用常溫清水，將被測隔膜泵與測試設(shè)備連接。

隔膜泵在額定電壓下進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力從0 開始，間隔一定壓力為測試工況點(diǎn)，一直測到額定工作壓力或工作壓力范圍的上限值。每一工況點(diǎn)應(yīng)同時(shí)測定工作電壓U、工作電流I,出水壓力PM，流量Q。每次測試工況點(diǎn)應(yīng)不少于5 點(diǎn)，重復(fù)三次。

隔膜泵泵效率計(jì)算公式如下所示：

式中：

η——泵效率；

N'——泵的輸出功率，單位為千瓦（kw）；

N——泵的輸入功率，單位為千瓦（kw）。

式中：

Qq——泵在額定電壓、各工況點(diǎn)壓力下的流量，單位為升每分鐘（L/min）；

γ——常溫清水時(shí)，γ=1。

P——全壓力，單位為兆帕（Mpa）。

式中：

PM——泵出水壓力，單位為兆帕（Mpa）；

PB——泵進(jìn)水壓力，單位為兆帕（Mpa）。當(dāng)進(jìn)水壓力小于大氣壓時(shí)（真空情況），PB 取負(fù)值；當(dāng)進(jìn)水壓力大于大氣壓時(shí)（灌注情況），PB 取正值。

式中：

N——泵的輸入功率，單位為千瓦（kw）；

I——泵的實(shí)際電流，單位為安培（A）；

U——泵的額定電壓，單位為伏特（V）。

因采用標(biāo)準(zhǔn)單位不利于數(shù)據(jù)的比較，因此在接下來的分析將將壓力以及流量作以下?lián)Q算：流量換算1 gpm=3.785 L/min ；壓力換算：14.5 PSI=1 bar=0.1 MPa。

2.2 電機(jī)性能對泵性能的影響

電機(jī)性能的變化對電動(dòng)隔膜泵性能的影響至關(guān)重要，而電機(jī)效率和電機(jī)電流及轉(zhuǎn)速是影響泵性能的主要參數(shù)。電機(jī)電流越高，裝泵后工作電流越高,整機(jī)對電池的耗電量就越高，持續(xù)工作時(shí)間就越短。

為了提高電機(jī)端蓋的加工效率，減少勞動(dòng)力，降低加工費(fèi)用成本等問題，市面上經(jīng)常使用的電機(jī)的端蓋一般使用沖壓工藝完成的[6]。雖然目前沖壓技術(shù)的精度已經(jīng)相對高，但是還是存在加工精度不足的問題[7]。接下來通過兩端蓋精加工電機(jī)以及兩端蓋沖壓電機(jī)（電機(jī)其他零部件均相同）分別進(jìn)行測試，其偏心輪采用0.71 偏心輪。

測試中端蓋沖壓的電機(jī)轉(zhuǎn)速僅能到達(dá)1465 r/min，而精加工電機(jī)轉(zhuǎn)速能夠達(dá)到2023 r/min。

從表1 以及表2 中可以看出，兩端蓋精加工的電機(jī)效率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于沖壓工藝的電機(jī)，分析其原因主要是在于端蓋采用沖壓工藝的裝配成電機(jī)后，因其精度不高造成同軸性能較差，從而導(dǎo)致電機(jī)整體效率降低。

表1 兩端蓋精加工電機(jī)測試數(shù)據(jù)（0.71 偏心輪）

表2 兩端蓋沖壓電機(jī)測試數(shù)據(jù)（0.71 偏心輪）

另外從圖1 分析可得最佳工況點(diǎn)為（壓力與流量的交叉點(diǎn)）壓力36.3 PSI，流量0.259 grm，電流1.56A。而從圖2 分析可能最佳工況點(diǎn)為壓力35.1 PSI，流量0.19grm,電流1.26A。對比精加工以及沖壓工藝端蓋裝配的電機(jī)的最佳工況，可以看出壓力在35 PSI 左右是隔膜泵的最佳工況，而精加工的流量相比沖壓的提高了36%，泵的效率提高了約20%。從以上分析情況可以得出，電機(jī)兩端蓋精度的提高可以大大提高泵的效率，同時(shí)也對泵性能的改進(jìn)提供了一種思路。

圖1 6V 兩端蓋精加工電機(jī)測試數(shù)據(jù)

圖2 6V 兩端蓋沖壓電機(jī)測試數(shù)據(jù)

2.3 閥片對泵性能的影響

閥片介紹：

隔膜泵的水閥主要由進(jìn)水閥以及出水閥組成，目前應(yīng)用在噴霧器上的水閥結(jié)構(gòu)有單向閥結(jié)構(gòu)以及閥片結(jié)構(gòu)[8]。接下來分別對單向閥結(jié)構(gòu)以及閥片結(jié)構(gòu)進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表3、表4 所示。

表3 單向閥測試數(shù)據(jù)

表4 閥片結(jié)構(gòu)水閥測試數(shù)據(jù)

從表3 以及表4 中可以看出，使用單向閥結(jié)構(gòu)的效率要高于使用閥片結(jié)構(gòu)水閥。

另外從圖3 分析可得最佳工況點(diǎn)為（壓力與流量的交叉點(diǎn)）壓力58PSI，流量0.439 grm，電流1.5A。而從圖4分析可能最佳工況點(diǎn)為壓力60 PSI，流量0.35grm,電流1.47A。對比單向閥以及閥片結(jié)構(gòu)的最佳工況，可以看出壓力在60 PSI 左右是隔膜泵的最佳工況，而單向閥的流量相比閥片結(jié)構(gòu)的提高了25%，泵的效率提高了約17%。從以上分析情況可以得出，單向閥結(jié)構(gòu)相比閥片結(jié)構(gòu)更能提高泵的效率。

圖3 單向閥測試數(shù)據(jù)

圖4 閥片結(jié)構(gòu)測試數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

本文通過理論分析以及試驗(yàn)分析，找出影響隔膜泵性能的主要因素。試驗(yàn)結(jié)果證明，使用端蓋精加工的流量相比沖壓的提高了36%，泵的效率提高了約20%。同時(shí)隔膜泵在噴霧器的應(yīng)用場景中使用單向閥相比閥片結(jié)構(gòu)的提高了25%，泵的效率提高了約17%。同時(shí)也給出了最佳工況的壓力、流量以及電流的參數(shù)匹配方案。