尚懷元，董曉麗，侯永勝，董云雷，崔 康

(1.山西天海泵業(yè)有限公司，山西 運(yùn)城 044001； 2.北京機(jī)科國創(chuàng)輕量化科學(xué)研究院有限公司，北京 100083；3.中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，北京 100083)

0 引言

泵是把原動機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成所抽液體能量的機(jī)械，廣泛應(yīng)用于國民生產(chǎn)各個領(lǐng)域[1]。經(jīng)過70多年的發(fā)展，我國在農(nóng)用泵領(lǐng)域取得了巨大的進(jìn)步，基本覆蓋了灌溉、植保、施肥等作業(yè)領(lǐng)域，但與發(fā)達(dá)國家相比還有較大的差距，主要體現(xiàn)在產(chǎn)品可靠性差、產(chǎn)品規(guī)格少、集成控制功能不夠完善等方面。目前在我國農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，灌溉提水用泵保有量最多，水肥一體化用泵次之，植保用泵最少，本文介紹了這3個領(lǐng)域農(nóng)業(yè)用泵的發(fā)展情況及趨勢。

1 灌溉用泵

根據(jù)2019年全國水利發(fā)展統(tǒng)計年報的數(shù)據(jù)，全國已累計建成日取水≥20 m3的供水機(jī)電井或內(nèi)徑≥200 mm的灌溉機(jī)電井共511.7萬眼。全國建成各類裝機(jī)流量≥1 m3/s或裝機(jī)功率50 kW及以上的泵站96 830處，其中大型泵站383處，中型泵站4 330處，小型泵站92 117處。常用于農(nóng)田灌溉的水泵包括自吸泵、軸流泵、混流泵、斜流泵、貫流泵和潛水電泵等。

1.1 自吸泵

自吸泵是最早應(yīng)用于農(nóng)業(yè)灌溉的泵型。20世紀(jì)80年代，市場要求自吸泵質(zhì)量小、作業(yè)靈活、動力配套方便，因此生產(chǎn)企業(yè)選擇2.2～8.8 kW拖拉機(jī)或柴油機(jī)配套開發(fā)產(chǎn)品；2000年左右，為配套大噴槍的使用和移動作業(yè)需求，生產(chǎn)企業(yè)選擇18.4、29.4、47.8和58.8 kW拖拉機(jī)動力進(jìn)行配套產(chǎn)品開發(fā)。目前，已形成與汽油機(jī)、電動機(jī)、柴油機(jī)配套的農(nóng)業(yè)常用自吸泵系列產(chǎn)品(圖1a)。由于受用戶群體經(jīng)濟(jì)條件的限制，這些產(chǎn)品售價偏低、制造工藝落后、關(guān)鍵部件質(zhì)量較差，造成產(chǎn)品總體質(zhì)量落后。隨著國家“節(jié)水增糧”“高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)”等一系列農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)建設(shè)項目實施，以及農(nóng)田電網(wǎng)日益完善，與電動機(jī)配套、流量覆蓋面較寬的系列化立式自吸泵產(chǎn)品(圖1b)逐漸進(jìn)入農(nóng)田灌溉領(lǐng)域。自吸泵與立式自吸泵的主要參數(shù)如表1所示。自吸泵的優(yōu)點(diǎn)是省去每次啟泵灌水環(huán)節(jié)，缺點(diǎn)是比同類型的離心泵效率偏低，主要生產(chǎn)企業(yè)分布在江蘇、浙江等地。

圖1 自吸泵Fig.1 Self-priming pump

表1 自吸泵主要技術(shù)參數(shù)

1.2 長軸深井泵和井用潛水電泵

20世紀(jì)80年代，研制成功JC系列長軸深井泵(圖2a)，該類泵是以地面上的柴油機(jī)或電動機(jī)為動力源，經(jīng)變速箱變速、換向，驅(qū)動長軸帶動水泵旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)提水功能。長軸深井泵對井壁的直線度要求較高，主要用于提取≤150 m深的地下水。之后，隨著電機(jī)防漏電技術(shù)的不斷成熟，以及中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院對其水力模型和結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，井用潛水電泵(圖2b)及配套潛水電機(jī)研制成功。井用潛水電泵以流量大、揚(yáng)程高、效率高、傳動簡單、對井壁直線度要求低和易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，成功取代長軸深井泵，成為農(nóng)業(yè)灌溉提水的主力產(chǎn)品。

圖2 長軸深井泵和井用潛水電泵Fig.2 Long shaft deep well pump and submersible pump for well

井用潛水泵按部件材質(zhì)分為鑄鐵、不銹鋼兩種類型，不銹鋼多用于井徑<200 mm的產(chǎn)品。按潛水電機(jī)冷卻介質(zhì)分為充水式、充油式、屏蔽式和干式等，充水式潛水電機(jī)在農(nóng)業(yè)上應(yīng)用廣泛。目前，全國有近1 000家企業(yè)生產(chǎn)井用潛水電泵，年產(chǎn)量200萬～300萬臺，共計1 130個規(guī)格，機(jī)座號小到75 mm，大到1 000 mm，最高揚(yáng)程達(dá)1 000 m，最大流量達(dá)1 450 m3/h，還向海外大量出口。生產(chǎn)企業(yè)主要分布在浙江、遼寧、山東、山西和河北。

1.3 大中型泵站常用泵

泵站主要承擔(dān)提排與自排、提灌與自灌、提水與蓄水相結(jié)合的綜合灌排功能。泵站設(shè)計依據(jù)泵站設(shè)計規(guī)范(GB 50265)、泵站更新改造技術(shù)規(guī)范(GB/T 50510)、潛水泵站技術(shù)規(guī)范(SL 584)、小型排灌泵站更新改造技術(shù)規(guī)范(DB34/T 2389)開展相關(guān)設(shè)計規(guī)劃工作，所選擇水泵應(yīng)具有效率高、流量大、揚(yáng)程低等特點(diǎn)，常選擇混流泵和軸流泵，以及衍生出的其他泵型(圖3)。其中，混流泵采用雙吸結(jié)構(gòu)用于增大流量；采用中開形式，便于維護(hù)。另外，將混流泵和軸流泵與潛水電機(jī)相結(jié)合，形成用于河流、大壩提水的新產(chǎn)品，主要包括濕式全貫流潛水電泵和斜拉式雙速潛水電泵。

圖3 大中型泵站常用泵Fig.3 Common pumps in large and medium-sized pump stations

(1)濕式全貫流潛水電泵(圖4)，最大流量20 m3/s，最大揚(yáng)程15 m，在廣西和福建推廣應(yīng)用。

圖4 濕式全貫流潛水電泵Fig.4 Wet full tubular submersible pump

(2)斜拉式雙速潛水電泵(圖5)，由潛水電泵、井筒裝置、導(dǎo)流管、自動耦合裝置和車輪部件組成，載泵滑車通過斜坡軌道滑入水中，與出水管自動耦合、密封，實現(xiàn)快速供水，泵流量0.84～1.70 m3/s，揚(yáng)程13～37 m，轉(zhuǎn)速包括740和590 r/min兩種規(guī)格，配套功率300～600 kW，在內(nèi)蒙古巴彥淖爾河區(qū)古城鄉(xiāng)、陜西涇惠渠三原西郊水庫泵站推廣應(yīng)用[2]。

圖5 斜拉式雙速潛水電泵Fig.5 Cable stayed two speed submersible pump

這些新產(chǎn)品具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、建設(shè)工期短和投資小等優(yōu)點(diǎn)，成為近幾年泵站水泵選型的熱點(diǎn)。生產(chǎn)企業(yè)主要分布在江蘇、湖南、湖北、浙江和福建。大中型泵站常用泵主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 大中型泵站常用泵主要技術(shù)參數(shù)

1.4 一體化泵站

一體化泵站是將水泵、動力裝置、啟動柜、自耦裝置、閥門、攔污清污裝置、控制系統(tǒng)和服務(wù)平臺等，在出廠前全部或部分集成在底座平臺或容器內(nèi)，有效提高首部裝配精度及運(yùn)行可靠性，減少現(xiàn)場工作量，縮短施工工期。一體化離心泵站如圖6所示。圍繞一體化泵站，制定了一體化預(yù)制泵站(DB37/T 2855)、一體化智能泵站應(yīng)用技術(shù)規(guī)范(DB32/T 3390)、輸水用中小型一體化泵站(T/CAQI 57)等一系列標(biāo)準(zhǔn)。移動泵站是一體化泵站的一種類型，即將水泵、動力裝置、啟動柜等集成在一個具有移動功能的平臺上，實現(xiàn)移動作業(yè)的目的。農(nóng)用移動泵站分為以拖拉機(jī)為動力的移動泵站(圖7)和箱式移動泵站(圖8)兩種。對于地塊分散、水資源豐富地區(qū)，小型移動泵站結(jié)合定位、信息化、遠(yuǎn)程控制技術(shù)及灌溉制度，實現(xiàn)灌溉作業(yè)遠(yuǎn)程優(yōu)化調(diào)度，提高設(shè)備利用率，降低初期固定資產(chǎn)投資，提升應(yīng)對突發(fā)災(zāi)害中給排水需求的能力。

圖6 一體化離心泵站Fig.6 Integrated centrifugal pump station

圖7 以拖拉機(jī)為動力的移動泵站Fig.7 Mobile pump station powered by tractor

圖8 箱式移動泵站Fig.8 Box type mobile pump station

未來，隨著人力成本不斷上升，一體化泵站和移動泵站將在灌溉提水中發(fā)揮更大的作用。生產(chǎn)企業(yè)主要分布在江蘇、天津、湖南、山西和河北等地區(qū)。

1.5 小型潛水電泵

小型潛水電泵(圖9)主要指功率<22 kW，流量1.5～250 m3/h，揚(yáng)程3～130 m的潛水泵，具有質(zhì)量小、作業(yè)靈活等特點(diǎn)，主要用于地表微小規(guī)模提水，單獨(dú)使用或與移動平臺組成小型移動泵站。生產(chǎn)企業(yè)主要分布在浙江、廣東、遼寧、山東、山西和河北。

圖9 小型潛水泵Fig.9 Small submersible pump

1.6 水輪泵

水輪泵(圖10a)是利用高山地區(qū)水流水頭，通過轉(zhuǎn)輪將水流勢能轉(zhuǎn)換為動能，帶動水泵葉輪(圖10b)旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)山區(qū)提水灌溉的目的。近幾年，通過在轉(zhuǎn)輪軸上配套發(fā)電機(jī)組，實現(xiàn)灌溉和供電綜合利用功能，其應(yīng)用領(lǐng)域正向泵站、水壩和有高程差河流等場景拓展，并取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。以水頭4 m，流速>7 m/s，裝機(jī)功率200 kW水輪泵為例，原始投資160萬元，建成后年發(fā)電收益為320萬元；或可驅(qū)動水輪(流量0.4 m3/s，揚(yáng)程40 m)，滿足266.7 hm2(4 000畝)灌溉面積用水需求。水輪泵主要在湖南、廣西、江西和廣東等地推廣應(yīng)用。

圖10 水輪泵及其葉輪Fig.10 Turbine pump and Impeller

1.7 灌溉用泵研究方向

灌溉用泵將向大型化、高速化、機(jī)電一體化，以及泵產(chǎn)品成套化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化方向發(fā)展，不斷豐富品種、提高性能、延長壽命及提高可靠性。

2 植保用泵

統(tǒng)計顯示，2019年我國機(jī)動噴霧機(jī)保有量達(dá)621萬臺，其中自走式植保噴霧機(jī)僅21.82萬臺，超過9 500萬臺背負(fù)式噴霧器亟待更新。2020年，我國銷售植保噴霧機(jī)6.02萬臺、植保無人飛機(jī)1.53萬臺，無人機(jī)保有量達(dá)11萬臺左右。植保機(jī)械的發(fā)展，帶動植保用泵產(chǎn)業(yè)的提升。植保用泵一般分為兩類，一是電動背負(fù)式噴霧器和植保無人飛機(jī)用泵，二是自走式噴藥裝備用泵，其附加值較高。生產(chǎn)企業(yè)主要分布在浙江、福建和江蘇等地。植保用泵主要技術(shù)參數(shù)如表3所示。

表3 植保用泵主要技術(shù)參數(shù)

2.1 電動背負(fù)式噴霧器和植保無人飛機(jī)用泵

電動背負(fù)式噴霧器和植保無人飛機(jī)用泵要求質(zhì)量小、價格低、工作壓力高，采用蓄電池供電。這種泵通常為直流小型隔膜電泵(圖11)，電壓12 V，流量0.25～3.50 L/min，工作壓力0.5 MPa。泵體以工程塑料為主，核心工作部件為膜片，常用材料為特氟龍、山道橡膠和聚偏氟乙烯等，具有噪聲低、耐腐蝕、結(jié)構(gòu)簡單和允許干運(yùn)轉(zhuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。

圖11 直流小型隔膜電泵Fig.11 DC small diaphragm pump

2.2 自走式噴藥裝備用泵

自走式噴藥裝備用泵(圖12)要求作業(yè)效率高、工作壓力高，一般采用專用動力匹配驅(qū)動。通常采用多缸柱塞泵，以汽油機(jī)或拖拉機(jī)為動力，通過帶傳動，流量0～50 L/min，工作壓力≤5 MPa。泵體以不銹鋼、黃銅或工程塑料為主，臥式結(jié)構(gòu)。具有流量均勻、壓力脈動小、振動小和裝拆方便等優(yōu)點(diǎn)。

圖12 多缸柱塞植保泵Fig.12 Multi-cylinder plunger plant protection pump

2.3 植保用泵研究方向

背負(fù)式噴霧器及無人飛機(jī)用泵研究方向是進(jìn)一步提高材料耐磨性、產(chǎn)品可靠性和流量穩(wěn)定性；自走式噴藥機(jī)用泵研究方向是通過三維受力分析，進(jìn)一步提高柱塞耐磨性和密封性。

3 水肥一體化施肥用泵

水肥一體化技術(shù)是將灌溉與施肥融為一體的農(nóng)業(yè)新技術(shù)，具有肥效快、養(yǎng)分利用率高等優(yōu)點(diǎn)，施肥方式可分為按總量施肥和按比例施肥。按總量施肥裝置包括壓差式施肥罐、重力自壓式施肥裝置；按比例施肥裝置包括文丘里施肥器、注肥泵、全自動施肥機(jī)。其中，全自動施肥機(jī)配套施肥泵種類繁多，包括離心泵、潛水泵、隔膜泵、柱塞施肥泵、螺桿泵和比例施肥泵等。根據(jù)灌溉方式，水肥一體化作業(yè)分為兩大類：一是微灌系統(tǒng)多采用施肥機(jī)或離心泵；二是噴灌系統(tǒng)多采用柱塞式施肥泵和隔膜泵[3]。

目前，水肥一體化用泵尚無相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，主要是參考現(xiàn)行水泵標(biāo)準(zhǔn)體系。生產(chǎn)企業(yè)主要分布在內(nèi)蒙古、北京、天津、浙江和云南等地。水肥一體化用泵主要有3種應(yīng)用模式：泵前吸肥、比例施肥和定量供肥。

3.1 泵前吸肥

灌溉水泵工作時，在吸入口產(chǎn)生負(fù)壓，將水溶肥母液吸入葉輪內(nèi)進(jìn)行充分混合，通過管道輸送至作物指定部位，但準(zhǔn)確性稍差。常使用離心泵、井用潛水電泵和小型潛水電泵。

3.2 比例施肥

利用主管路或旁通管路水力驅(qū)動，將水溶肥母液按一定比例吸入進(jìn)行充分混合，通過管道輸送至作物指定部位，準(zhǔn)確性較高。常使用噴射泵、比例施肥泵。

3.3 定量供肥

根據(jù)泵工作原理不同，定量供肥分為有差定量供肥和無差定量供肥。

(1)有差定量供肥。按照系統(tǒng)流量和壓力條件，經(jīng)過水力計算，選擇離心泵將水溶肥母液按設(shè)定流量泵入管道，輸送至作物指定部位。受系統(tǒng)壓力變化，輸入母液流量較預(yù)期有一定波動。常使用離心泵、井用潛水電泵和小型潛水電泵。

(2)無差定量供肥。按照系統(tǒng)流量和壓力條件，經(jīng)過水力計算，采用容積泵將水溶肥母液按設(shè)定流量泵入管道，輸送至作物指定部位，泵入肥量不受系統(tǒng)壓力變化影響。常使用隔膜泵、柱塞泵和螺桿泵。

3.4 水肥一體化施肥用泵研究方向

水肥一體化施肥用泵將向系列化、效率和可靠性提升、防腐材料的造型等方面發(fā)展。

4 發(fā)展趨勢

隨著科技的不斷發(fā)展，農(nóng)業(yè)用泵和工業(yè)用泵之間不再存在明晰的界限。圍繞泵領(lǐng)域存在的可靠性差、壽命短、效率低、產(chǎn)品規(guī)格少和集成控制功能不完善等問題，主要開展以下研究。

(1)提高產(chǎn)品可靠性。目前，通過CFD對水泵進(jìn)行水動力學(xué)分析成為主要技術(shù)手段，通過商用泵水力設(shè)計軟件CFturbo和反問題設(shè)計思路開發(fā)的設(shè)計軟件TURBOdesign輔助設(shè)計，不斷優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)；探索軸用鉻等材料的應(yīng)用；引用自動化高精設(shè)備，提升加工制造工藝水平[4-6]。

(2)提高產(chǎn)品壽命。部分農(nóng)業(yè)灌溉用水含砂量大，尤其是引黃灌溉區(qū)域和地下淺水層。馬天兵等[7]研究表明，黃河流域某泵站通過葉輪涂層處理，壽命提高了3～4倍，但相關(guān)研究仍然不夠深入。另外，研究集成式泵前過濾裝置，也是提高泵使用壽命有效途徑之一。

(3)提高效率。汪雨露等[8]提出合理匹配葉輪出口和導(dǎo)葉進(jìn)口處流場，能夠拓寬高效區(qū)范圍；采用消失模、葉片涂層(如涂陶瓷)等新工藝，提高泵效率；通過引入磁流體鑄鋁工藝，降低定子和轉(zhuǎn)子的鑄鋁缺陷，提升電機(jī)效率；集成高效泵和電機(jī)產(chǎn)品，提高泵機(jī)組效率。

(4)拓展產(chǎn)品規(guī)格。面向植保和施肥需求，研究小流量高揚(yáng)程產(chǎn)品；面向土地流轉(zhuǎn)和規(guī)?；r(nóng)業(yè)，研究大流量低揚(yáng)程產(chǎn)品，如以大功率拖拉機(jī)為動力，開發(fā)配套的大流量自吸泵。

(5)集成智能控制系統(tǒng)。隨著電子信息技術(shù)的快速發(fā)展與應(yīng)用，傳統(tǒng)水泵正向智能水泵發(fā)展，通過集成智能終端，實現(xiàn)水泵運(yùn)行智慧監(jiān)控。

(6)向輕型化發(fā)展。大力研發(fā)高速泵，高速泵可使泵整體質(zhì)量減小1/3左右，同時提高作業(yè)的靈活性。

(7)向社會化生產(chǎn)發(fā)展。產(chǎn)品自制件由個體生產(chǎn)向社會化協(xié)作生產(chǎn)轉(zhuǎn)變，自制率由70%降至30%，生產(chǎn)成本降低的同時，產(chǎn)品質(zhì)量也得以提升。

5 結(jié)束語

農(nóng)業(yè)用泵是促進(jìn)作物健康生長的重要裝備支撐，對于保障我國糧食安全具有重要作用。農(nóng)業(yè)用泵主要應(yīng)用于灌溉、植保和施肥領(lǐng)域，產(chǎn)品品種多樣化。灌溉泵包括自吸泵、長軸深井泵、井用潛水電泵、軸流泵、混流泵、斜流泵、濕式全貫流潛水電泵、斜拉式雙速潛水電泵、一體化泵站、小型潛水泵和水輪泵等，并有相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)；植保泵包括直流小型隔膜電泵、多缸柱塞泵，并有相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)；水肥一體化施肥泵包括離心泵、潛水泵、隔膜泵、柱塞施肥泵、螺桿泵和比例施肥泵等，目前尚無相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。隨著科技的不斷發(fā)展，農(nóng)業(yè)用泵將向提高產(chǎn)品可靠性和產(chǎn)品壽命及效率、拓展產(chǎn)品規(guī)格、集成智能控制系統(tǒng)、輕型化和社會化生產(chǎn)方向發(fā)展。