配肥注肥用蠕動泵滑靴結構優(yōu)化和性能試驗

摘要： 基于蠕動泵配肥注肥一體化裝置，針對蠕動泵在工作過程中由回流現(xiàn)象導致裝置配肥注肥精度降低的問題，對蠕動泵中滑靴結構進行優(yōu)化，并開展水力性能試驗，以揭示關鍵結構參數(shù)對配肥流量、泵管溫度、瞬時流量、回流系數(shù)的影響規(guī)律.研究結果表明：在相同蠕動泵轉速條件下，隨著滑靴半徑增大，配肥流量逐漸減小，而泵管溫度逐漸增大，在半徑為37.5 mm時達到最大值，為51.3 ℃，平均回流系數(shù)先減小再增大，在半徑為30.0 mm時達到最小值，為0.56；在相同滑靴半徑條件下，隨著蠕動泵轉速增大，配肥流量逐漸增大，瞬時流量呈先增大再減小的趨勢，泵管溫度先急劇上升，后趨于穩(wěn)定，而回流系數(shù)呈先減小后增大再減小的趨勢；采用綜合評分法和熵權法進行分析，獲得最優(yōu)滑靴半徑為30.0 mm，灌溉系統(tǒng)工作中蠕動泵轉速為30 r/min.研究結果可為水肥一體化裝置提高施肥精準性提供一定依據(jù).

關鍵詞： 蠕動泵；水肥一體化；水力性能；滑靴半徑；綜合評分法

中圖分類號： S275.5 文獻標志碼： A 文章編號： 1674-8530（2025）01-0024-07

DOI：10.3969/j.issn.1674-8530.22.0264

劉青松，劉俊萍，王鑫建，等. 配肥注肥用蠕動泵滑靴結構優(yōu)化和性能試驗［J］. 排灌機械工程學報，2025，43（1）：24-30.

LIU Qingsong， LIU Junping， WANG Xinjian，et al. Structure optimization and performance testing of slipper shoe of peristaltic pump for fertilizer dispensing and injection［J］. Journal of drainage and irrigation machinery engineering（JDIME）， 2025， 43（1）： 24-30. （in Chinese）

Structure optimization and performance testing of slipper shoe of

peristaltic pump for fertilizer dispensing and injection

LIU Qingsong， LIU Junping*， WANG Xinjian， WEN Xingbin

（National Research Center of Pumps， Jiangsu University， Zhenjiang， Jiangsu 212013， China）

Abstract： Based on the integrated device of peristaltic pump for preparing and injecting fertilizer， the problem of reduced precision in fertilizer dispensing and injection caused by reflux phenomenon during the operation of peristaltic pump was studied. The structure of slipper in peristaltic pump for the problem that the precision of fertilizer distribution and injection was carried out， the hydraulic performance was tested to reveal the influence law of key structural parameters on fertilizer distribution flow， pump pipe temperature， instantaneous flow and reverse flow coefficient. The results show that under the same pump speed conditions， with the increase of slipper radius， the flow rate of fertilizer distribution decreases gradually， while the temperature of pump tube gradually increases. At the radius of 37.5 mm， the maximum value of 51.3 ℃ is reached， and the average reverse flow coefficient decreases first and then increases， reaching a minimum value of 0.56 at a radius of 30.0 mm. Under the same slipper radius conditions， with the increase of the rotation speed， the fertilizer distribution mixing flow rate increases gradually， and the instantaneous flow rate shows a trend of first increasing and then decreasing. The temperature of the pump tube rises sharply at first and then tends to be stabilize， while the reverse flow coefficient shows a trend of first decreasing and then increasing and then decreasing. The optimal radius of slipper is calculated as 30.0 mm by means of comprehensive score method and entropy weight method. In the end， it is suggested that the 30 r/min speed of peristaltic pump should be set in irrigation system. The experimental results can provide ideas for the research on improving the precision of fertilization in the integrated device of water and fertilizer.

Key words： peristaltic pump;integration of water and fertilizer;hydraulic performance;slipper radius;comprehensive scoring method

水肥一體化技術可有效解決水資源短缺以及化肥利用率低等問題［1-2］.施肥裝置安裝在系統(tǒng)的首部或灌水器前端，其性能的優(yōu)劣直接影響灌溉與施肥的質量.目前常見的施肥裝置主要有文丘里施肥器、壓差施肥罐、智能水肥一體機以及比例施肥泵等［3-4］.文丘里施肥器與壓差施肥罐造價便宜、使用方便，但施肥精度較低；智能水肥一體機與比例施肥泵雖然施肥精準、施肥濃度可調(diào)，但智能水肥一體機結構較為復雜且維護不便，而比例施肥泵對水質的要求較高.文中采用蠕動泵作為施肥裝置，蠕動泵對水質要求不高，且肥液只與泵管接觸，可實現(xiàn)配肥注肥一體化等優(yōu)點.同時，蠕動泵維護方便、精度高，在水肥一體化應用領域具有良好的應用前景［5-6］.

蠕動泵在農(nóng)業(yè)領域已有諸多應用.FERRARI等［7］采用多通道蠕動泵為各個有機廢物衍生堆肥容器提供穩(wěn)定的氣流.MNICA等［8］開發(fā)了一種非破壞性耕作系統(tǒng)，利用蠕動泵精確輸送營養(yǎng)液，研究了植物的動態(tài)菌根和非菌根玉米幼苗對磷的吸收效果.XIE等［9］設計了一種將有機固體肥轉換為富含硝酸鹽液體肥的生物反應器，采用蠕動泵為反應器提供原料，并與水完成化學反應.黃語燕等［10］設計了一種水肥一體化施肥系統(tǒng)，通過蠕動泵吸取肥料，按設定比例將肥料與水混合實現(xiàn)水肥一體化.徐燦等［11］設計了一種水肥一體化裝備，采用蠕動泵將母液按照設定的混合比例注入灌溉管道，以實現(xiàn)水肥一體化自動施肥.孫竹等［12］設計了一種采用蠕動泵進行動態(tài)定比例混藥的系統(tǒng)，大大提高了混藥的穩(wěn)定性.上述研究中，蠕動泵主要實現(xiàn)單一注肥功能，而沒有考慮蠕動泵結構對配肥注肥精度的影響.

文中基于蠕動泵配肥注肥一體化裝置，針對蠕動泵在工作過程中由回流現(xiàn)象導致裝置配肥注肥精度降低的問題，對蠕動泵關鍵結構進行優(yōu)化，并開展水力性能試驗，以揭示關鍵結構參數(shù)對配肥流量、泵管溫度、瞬時流量、回流系數(shù)的影響規(guī)律，并獲得最優(yōu)結構參數(shù)值，為水肥一體化裝置提高施肥精準性研究提供思路.

1 材料與方法

1.1 新型水肥一體化裝置

新型水肥一體化裝置主要包括配肥混肥系統(tǒng)和注肥系統(tǒng)2個部分，如圖1所示.在配肥混肥系統(tǒng)中，分別開通電磁閥A，B，C，啟動蠕動泵正轉將肥液桶中肥液輸送至混肥桶中，其中通過控制電磁閥開通時間控制輸送肥液量，攪拌均勻完成定比例配肥.在注肥系統(tǒng)中，啟動蠕動泵反轉將混肥桶配比完成的混合液注入外接管路，完成水肥一體化噴灑.

蠕動泵主要分為滾輪式蠕動泵與滑靴式蠕動泵，其中滑靴式蠕動泵依靠滑靴擠壓軟管，滑靴和轉子之間連接牢靠，能承受較大的壓力，故滑靴式蠕動泵的出口壓力更高，更適用于水肥一體化系統(tǒng).文中選取的20型蠕動泵（泵管內(nèi)徑20 mm、外徑60 mm，最大揚程120 m），該蠕動泵主要由電動機、泵殼、轉子、滑靴、泵管等部件組成，如圖2所示.

泵管緊貼在泵殼上，滑靴固定在轉子上，在電動機帶動下旋轉擠壓泵管，泵管發(fā)生形變產(chǎn)生局部真空，將液體吸入泵管中完成輸送.當滑靴釋放泵管時，泵管恢復變形會使得部分液體回流至泵管的變形區(qū)域，液體回流將影響配肥注肥精度.

1.2 試驗設計與方法

1.2.1 蠕動泵結構方案

采用四滑靴結構蠕動泵進行試驗，四滑靴結構蠕動泵相比于其他結構的蠕動泵具有更大的流量和更小的回流［13］.文中對滑靴半徑進行優(yōu)化，考慮結構限制和滑靴半徑對泵管摩擦阻力的影響，設計滑靴半徑分別取R=27.5，30.0，32.5，35.0，37.5 mm，如圖3所示.

1.2.2 測量參數(shù)

為反映蠕動泵配肥注肥一體化裝置在工作過程中的精準性，試驗測量了配肥流量、泵管溫度、瞬時流量以及回流系數(shù)等參數(shù).試驗系統(tǒng)如圖4所示.

采用定時計體積法測量配肥流量.與其他輸送介質相比，肥液與常溫清水的黏度差別較小（肥液和常溫清水的黏度分別為2.20×10-3，1.01×10-3 Pa·s），文中以常溫清水作為輸送介質，蠕動泵運行穩(wěn)定后，記錄5 min將量杯1（精度0.1 L）泵送至量杯2的體積，電動機變頻器（精度0.1 Hz）以10.0 Hz為間隔調(diào)節(jié)直至頻率增大至90.0 Hz.同時，在試驗過程中采用轉速儀（AR非接觸式測速儀）測量轉速，每組測量3次，取平均值.

蠕動泵在90.0 Hz時的最大轉速下運行，以5 min為時間間隔，采用測溫儀（型號?，擜T-380，精度±2 ℃）測量泵管溫度直至穩(wěn)定，每組測量3次，取平均值.

蠕動泵在運行過程中存在脈動回流，使得蠕動泵管內(nèi)液體出現(xiàn)“傳輸-回流-傳輸”現(xiàn)象.采用稱重傳感器（大洋平膜盒式荷重傳感器DYMH-105）記錄蠕動泵出口液體的質量變化.電動機變頻器以10.0 Hz為間隔調(diào)節(jié)直至頻率增大至90.0 Hz，當蠕動泵運行穩(wěn)定后，測量出口液體質量，并通過計算機輸出質量隨時間變化的曲線.瞬時流量［14］為

Q=3 600m2-m1ρt，（1）

式中：Q為瞬時流量；m2為當前清水質量；m1為前1.0 s時的清水質量；ρ為清水密度；t為蠕動泵運行時間.

采用回流系數(shù)評價蠕動泵的回流程度，即

η=QhQs+Qh，（2）

式中：η為回流系數(shù)；Qh為蠕動泵運行中回流流量；Qs為蠕動泵實際流量.

2 結果與分析

2.1 滑靴半徑對配肥流量的影響

圖5為不同滑靴半徑R時蠕動泵配肥流量Q與轉速n的變化關系.

由圖5可以看出：當轉速為10 r/min時，不同滑靴半徑的蠕動泵配肥流量基本不變，說明在低轉速時，滑靴半徑對配肥流量的影響較??；從轉速20 r/min開始，蠕動泵配肥流量開始隨滑靴半徑的變化而變化，當滑靴半徑為27.5 mm時，配肥流量最大；當滑靴半徑為32.5 mm時，配肥流量的變化幅度為-7.80%～-4.10%；當滑靴半徑為37.5 mm時，配肥流量最小，配肥流量的變化幅度為-7.87%～0.90%.

由此可以看出，隨著滑靴半徑的增大，相同轉速時的配肥流量呈逐漸減小的變化趨勢.這可能是由于隨著滑靴半徑的增加，泵管受2個滑靴擠壓產(chǎn)生的液體體積逐漸減少.在任一滑靴結構下，配肥流量隨著轉速增大而增大.當轉速為50 r/min時，配肥流量的增大量最大，最大值為70.0～85.6 L/h.這可能是由于蠕動泵在轉速為50 r/min時的回流量較少，使得配肥流量的增大量較大.

2.2 滑靴半徑對泵管溫度的影響

泵管溫度反映了泵管受滑靴擠壓受損的程度，圖6為不同滑靴半徑時蠕動泵泵管溫度T隨時間t的變化關系.

由圖6可以看出：整體上，當滑靴半徑一定時，隨著時間的增加，泵管溫度呈逐漸增大的趨勢；在0～20 min時，滑靴擠壓泵管產(chǎn)生的熱量傳導在泵管上，使得泵管溫度在短時間內(nèi)迅速上升；在運行平穩(wěn)后，滑靴擠壓泵管產(chǎn)生熱量的速度與熱量向周圍環(huán)境傳遞的速度趨于平衡，使得泵管的溫度趨于穩(wěn)定；在轉速一定時，隨著滑靴半徑的增大，泵管的溫度逐漸增大，其中R=37.5 mm時泵管溫度達到最大值，為51.3 ℃.這可能是由于滑靴半徑增大導致泵管與滑靴的接觸面積增大，轉動阻力增大，泵管的磨損程度增大，產(chǎn)生的熱量增多.

2.3 滑靴半徑對回流系數(shù)的影響

受限于蠕動泵結構，蠕動泵在運行時產(chǎn)生回流現(xiàn)象，對配肥注肥精度造成影響.圖7為不同轉速下，不同滑靴半徑時蠕動泵的回流系數(shù)η.

由圖7可以看出：不同滑靴半徑時，蠕動泵回流系數(shù)均隨轉速增大呈先減小后增大再減小的趨勢，并在轉速為50 r/min時略有降低；在轉速為0～30 r/min時，提高轉速增大了滑靴擠壓軟管的頻率，使得回流量減少，回流系數(shù)降低，蠕動泵在轉速為30 r/min時回流系數(shù)最??；在轉速為30～70 r/min時，隨著轉速提高，滑靴離開泵管的速度增大，液體回流量增大，使得回流系數(shù)變大；隨著轉速的持續(xù)提高，在轉速為70～90 r/min時，回流系數(shù)開始下降，這主要是因為轉速過大，導致液體回流的時間過短，從而使得回流量減少.

圖8為不同滑靴半徑時蠕動泵的平均回流系數(shù)η曲線.

由圖8可以看出：隨著滑靴半徑增大，平均回流系數(shù)呈先減小后增大的趨勢，當滑靴半徑為37.5 mm時，平均回流系數(shù)最大，為0.70；當滑靴半徑為30.0 mm時，平均回流系數(shù)最小，為0.56.這可能是由于滑靴半徑變大時，泵管內(nèi)的接觸面積也隨之增大，泵管恢復變形時使得更多的液體回流至變形區(qū)域，導致回流量增加，回流系數(shù)增大.當滑靴半徑過小時，為了保證泵管完全閉合，泵管內(nèi)的接觸面積變小，使得泵管變形過大，從而回流量增加，回流系數(shù)增大.

2.4 轉速對瞬時流量的影響

圖9為滑靴半徑R=30.0 mm時，不同轉速下蠕動泵瞬時流量變化曲線，可以看出：轉速對蠕動泵瞬時流量有較大影響，在轉速為10 r/min時，瞬時流量的周期較長，單位時間內(nèi)回流的頻率也較高，這可能是由于蠕動泵具有容積泵的特性，轉速較低延長了泵送周期，滑靴釋放軟管的時間較短，導致單位時間內(nèi)流體回流的頻率也較高；在轉速大于20 r/min后，單位時間內(nèi)瞬時流量的變化也逐漸變大；隨著轉速持續(xù)增大，瞬時流量呈先增大后減小的變化趨勢，當轉速為70 r/min時，最大瞬時流量為100.7 L/h，隨后開始下降，下降幅度為29.7%～42.8%；在轉速為80～90 r/min時，單位時間內(nèi)雖然最大瞬時流量小于70 r/min時，但其累計流量高于70 r/min時的流量.

2.5 水力性能綜合評價

采用歸一化法對試驗數(shù)據(jù)進行標準化處理［15］，并對試驗結果采用綜合評分法進行分析選優(yōu)［16］.正向指標為

xij=yij-min yijmax yij-min yij，（3）

負向指標為

xij=max yij-yijmax yij-min yij，（4）

各項綜合評分為

Si=∑mi=1wjxij，（5）

以上式中：xij為數(shù)據(jù)標準化處理后的數(shù)值；xij為試驗數(shù)據(jù)；max yij為每個指標的最大值；min yij為每個指標的最小值；Si為綜合評價的綜合值；wj為各項指標的權重.

流量為正向指標，泵管溫度與回流系數(shù)為負向指標.選擇客觀性與適應性較強的熵權法進行權重賦值［17-18］，配肥流量、泵管溫度、平均回流系數(shù)的權重值分別為0.319，0.353，0.327.Si值越大，即表示綜合評分越高，結果越優(yōu).

將試驗數(shù)據(jù)與權重值分別代入式（3）—（5）進行計算，蠕動泵水力性能得到綜合評價的綜合值如表1所示.

由表1可以看出，滑靴半徑為27.5 mm時，綜合評分最高為0.90，滑靴半徑為30.0 mm時的綜合評分次之.雖然蠕動泵滑靴半徑為27.5 mm時的綜合評分最高，但是滑靴半徑過小，使得泵管變形過大，更易磨損，不利于蠕動泵長時間穩(wěn)定工作［19］.同時，與滑靴半徑為32.5 mm時相比，滑靴半徑為30.0 mm時蠕動泵平均回流系數(shù)更小，泵管溫度更低，磨損程度更低.

考慮綜合評分結果和水肥一體化系統(tǒng)實際應用中對精度要求較高［20］，蠕動泵的滑靴半徑優(yōu)先選擇為30.0 mm.一般作物肥液噴灑體積分數(shù)要求不超過0.3%，其中尿素為0.4%～0.6%.當水肥一體化流量為13～38 m3/h時，根據(jù)作物肥液體積分數(shù)要求，蠕動泵工作流量為39～228 L/h.

3 結 論

對蠕動泵滑靴結構進行優(yōu)化，在不同滑靴半徑及轉速下分別測量了蠕動泵的配肥流量、泵管溫度、瞬時流量和回流系數(shù)，并進行蠕動泵水力性能綜合評價，得到結論如下：

1） 在相同轉速下，隨著滑靴半徑增大，蠕動泵配肥流量逐漸減小，泵管溫度逐漸升高，在滑靴半徑為37.5 mm時達到最大值51.3 ℃，平均回流系數(shù)呈先減小后增大的變化趨勢，并在半徑為30.0 mm時達到最小值0.56.

2） 在相同滑靴半徑下，隨著轉速增大，蠕動泵最大瞬時流量呈先增大后減小的變化趨勢，回流系數(shù)呈先減小后增大再減小的趨勢，在轉速為50 r/min時略有降低，各蠕動泵結構在轉速為30 r/min時回流系數(shù)最小.

3） 采用綜合評分法對試驗數(shù)據(jù)進行評價，并綜合考慮實際運行時的配肥注肥精度以及泵管壽命，建議蠕動泵滑靴半徑優(yōu)先選擇為30.0 mm.

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（責任編輯 陳建華）

收稿日期： 2022-11-03； 修回日期： 2023-01-29； 網(wǎng)絡出版時間： 2025-01-07

網(wǎng)絡出版地址： https：//link.cnki.net/urlid/32.1814.th.20250106.1329.008

基金項目： 江蘇省重點研發(fā)計劃項目 （BE2021341）；江蘇大學農(nóng)業(yè)裝備學部科研項目（NZXB20210101）

第一作者簡介： 劉青松（1996—），男，吉林扶余人，碩士研究生（1061014554@qq.com），主要從事流體機械及排灌機械研究.

通信作者簡介： 劉俊萍（1982—），女，遼寧海城人，副研究員（liujp@ujs.edu.cn），主要從事流體機械及排灌機械研究.