施药系统中隔膜泵压力波动的研究

摘要

变量施药以提高农药利用率、降低农药残留对食品和环境污染为目的，是未来施药发展的方向。然而变量施药系统中隔膜泵的间歇性吸排液以及液压元件快速动作的特点，导致施药系统管路的压力波动范围较大，进而影响喷头的雾化特性以及喷施流量的控制精度。本文针对变量施药系统管路中压力脉动的主要来源——隔膜泵的波动特性展开研究，利用Workbench软件下的FSI模块对隔膜泵工作过程中内部流场的动态变化进行双向流固耦合仿真，实时监测隔膜泵出口压力值、稳压气室隔膜变形量，并在现有的PWM变量施药系统特性试验台上完成隔膜泵出口压力动态特性测试试验，验证仿真模型的准确性和仿真结果的可靠性。论文主要工作及结论如下： (1) 首先分类分析了国内外的研究现状。根据变量施药系统中存在较大压力波动以及往复式隔膜泵输出压力脉动的研究现状，提出了本文的研究内容。 （2）对ZMB240型活塞式隔膜泵工作原理、内部结构展开分析，在准确真实反映隔膜泵压力波动特点的基础上对隔膜泵采取上水速度入口简化，同时对喷雾系统中喷头、比例溢流阀等部件简化，最终得到隔膜泵三维CFD仿真的简化模型。 （3）基于Workbench下FSI流固耦合模块实现隔膜泵液体域、气体域和橡胶隔膜的三维双向流固耦合仿真，对流固耦合方法展开阐述，监测隔膜泵一个周期内的出口流量，与厂家提供数据对比，验证仿真模型的正确性。最后，分析不同稳压气室初始压力下一个周期内隔膜上、下表面承受应力和变形情况。发现，隔膜最大应力约为最小应力的 4 倍，隔膜上边缘为应力集中区域。进而对稳压气室隔膜设计提出建议。 (4) 在隔膜泵流固耦合分析的基础上，研究隔膜泵稳压气室存在对隔膜泵输出压力脉动的影响，建立简化的ZMB240型活塞式隔膜泵不带稳压气室的三维有限元分析模型，进行仿真分析，监测隔膜泵一个周期内的输出压力波动情况，并与带稳压气室隔膜泵在不同稳压气室初始压力工况下的结果比较。结果表明：隔膜泵稳压气室的存在能够降低隔膜泵输出压力脉动，但稳压气室的初始压力必须与隔膜泵的工作压力相匹配，才能达到良好的稳压效果，初始压力过高或过低 都会影响稳压气室稳压效果。 （5）利用隔膜泵CFD仿真简化模型研究隔膜泵稳压气室不同参数（容积、初始压力、隔膜弹性模量）和喷雾系统不同喷雾压力组合下对隔膜泵输出压力脉动的影响规律。结果表明：隔膜泵稳压气室隔膜弹性模量E=15MPa、气室容积V=320000mm3为最佳组合；膜泵输出压力波动大小与稳压气室的初始压力并非线性关系，存在一个使压力波动最小的最佳稳压气室初始压力,在喷雾压力为0.2、0.3、0.4、0.5MPa时最佳的稳压气室压力分别为0.2、0.3、0.4、0.5MPa。

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