尚怀元，董晓丽，侯永胜，董云雷，崔 康

(1.山西天海泵业有限公司，山西 运城 044001； 2.北京机科国创轻量化科学研究院有限公司，北京 100083；3.中国农业机械化科学研究院，北京 100083)

0 引言

泵是把原动机的机械能转换成所抽液体能量的机械，广泛应用于国民生产各个领域[1]。经过70多年的发展，我国在农用泵领域取得了巨大的进步，基本覆盖了灌溉、植保、施肥等作业领域，但与发达国家相比还有较大的差距，主要体现在产品可靠性差、产品规格少、集成控制功能不够完善等方面。目前在我国农业领域，灌溉提水用泵保有量最多，水肥一体化用泵次之，植保用泵最少，本文介绍了这3个领域农业用泵的发展情况及趋势。

1 灌溉用泵

根据2019年全国水利发展统计年报的数据，全国已累计建成日取水≥20 m3的供水机电井或内径≥200 mm的灌溉机电井共511.7万眼。全国建成各类装机流量≥1 m3/s或装机功率50 kW及以上的泵站96 830处，其中大型泵站383处，中型泵站4 330处，小型泵站92 117处。常用于农田灌溉的水泵包括自吸泵、轴流泵、混流泵、斜流泵、贯流泵和潜水电泵等。

1.1 自吸泵

自吸泵是最早应用于农业灌溉的泵型。20世纪80年代，市场要求自吸泵质量小、作业灵活、动力配套方便，因此生产企业选择2.2～8.8 kW拖拉机或柴油机配套开发产品；2000年左右，为配套大喷枪的使用和移动作业需求，生产企业选择18.4、29.4、47.8和58.8 kW拖拉机动力进行配套产品开发。目前，已形成与汽油机、电动机、柴油机配套的农业常用自吸泵系列产品(图1a)。由于受用户群体经济条件的限制，这些产品售价偏低、制造工艺落后、关键部件质量较差，造成产品总体质量落后。随着国家“节水增粮”“高标准农田建设”等一系列农业基础建设项目实施，以及农田电网日益完善，与电动机配套、流量覆盖面较宽的系列化立式自吸泵产品(图1b)逐渐进入农田灌溉领域。自吸泵与立式自吸泵的主要参数如表1所示。自吸泵的优点是省去每次启泵灌水环节，缺点是比同类型的离心泵效率偏低，主要生产企业分布在江苏、浙江等地。

图1 自吸泵Fig.1 Self-priming pump

表1 自吸泵主要技术参数

1.2 长轴深井泵和井用潜水电泵

20世纪80年代，研制成功JC系列长轴深井泵(图2a)，该类泵是以地面上的柴油机或电动机为动力源，经变速箱变速、换向，驱动长轴带动水泵旋转实现提水功能。长轴深井泵对井壁的直线度要求较高，主要用于提取≤150 m深的地下水。之后，随着电机防漏电技术的不断成熟，以及中国农业机械化科学研究院对其水力模型和结构进行优化，井用潜水电泵(图2b)及配套潜水电机研制成功。井用潜水电泵以流量大、扬程高、效率高、传动简单、对井壁直线度要求低和易于维护等优点，成功取代长轴深井泵，成为农业灌溉提水的主力产品。

图2 长轴深井泵和井用潜水电泵Fig.2 Long shaft deep well pump and submersible pump for well

井用潜水泵按部件材质分为铸铁、不锈钢两种类型，不锈钢多用于井径<200 mm的产品。按潜水电机冷却介质分为充水式、充油式、屏蔽式和干式等，充水式潜水电机在农业上应用广泛。目前，全国有近1 000家企业生产井用潜水电泵，年产量200万～300万台，共计1 130个规格，机座号小到75 mm，大到1 000 mm，最高扬程达1 000 m，最大流量达1 450 m3/h，还向海外大量出口。生产企业主要分布在浙江、辽宁、山东、山西和河北。

1.3 大中型泵站常用泵

泵站主要承担提排与自排、提灌与自灌、提水与蓄水相结合的综合灌排功能。泵站设计依据泵站设计规范(GB 50265)、泵站更新改造技术规范(GB/T 50510)、潜水泵站技术规范(SL 584)、小型排灌泵站更新改造技术规范(DB34/T 2389)开展相关设计规划工作，所选择水泵应具有效率高、流量大、扬程低等特点，常选择混流泵和轴流泵，以及衍生出的其他泵型(图3)。其中，混流泵采用双吸结构用于增大流量；采用中开形式，便于维护。另外，将混流泵和轴流泵与潜水电机相结合，形成用于河流、大坝提水的新产品，主要包括湿式全贯流潜水电泵和斜拉式双速潜水电泵。

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

(1)湿式全贯流潜水电泵(图4)，最大流量20 m3/s，最大扬程15 m，在广西和福建推广应用。

图4 湿式全贯流潜水电泵Fig.4 Wet full tubular submersible pump

(2)斜拉式双速潜水电泵(图5)，由潜水电泵、井筒装置、导流管、自动耦合装置和车轮部件组成，载泵滑车通过斜坡轨道滑入水中，与出水管自动耦合、密封，实现快速供水，泵流量0.84～1.70 m3/s，扬程13～37 m，转速包括740和590 r/min两种规格，配套功率300～600 kW，在内蒙古巴彦淖尔河区古城乡、陕西泾惠渠三原西郊水库泵站推广应用[2]。

图5 斜拉式双速潜水电泵Fig.5 Cable stayed two speed submersible pump

这些新产品具有结构简单、安装方便、建设工期短和投资小等优点，成为近几年泵站水泵选型的热点。生产企业主要分布在江苏、湖南、湖北、浙江和福建。大中型泵站常用泵主要技术参数如表2所示。

表2 大中型泵站常用泵主要技术参数

1.4 一体化泵站

一体化泵站是将水泵、动力装置、启动柜、自耦装置、阀门、拦污清污装置、控制系统和服务平台等，在出厂前全部或部分集成在底座平台或容器内，有效提高首部装配精度及运行可靠性，减少现场工作量，缩短施工工期。一体化离心泵站如图6所示。围绕一体化泵站，制定了一体化预制泵站(DB37/T 2855)、一体化智能泵站应用技术规范(DB32/T 3390)、输水用中小型一体化泵站(T/CAQI 57)等一系列标准。移动泵站是一体化泵站的一种类型，即将水泵、动力装置、启动柜等集成在一个具有移动功能的平台上，实现移动作业的目的。农用移动泵站分为以拖拉机为动力的移动泵站(图7)和箱式移动泵站(图8)两种。对于地块分散、水资源丰富地区，小型移动泵站结合定位、信息化、远程控制技术及灌溉制度，实现灌溉作业远程优化调度，提高设备利用率，降低初期固定资产投资，提升应对突发灾害中给排水需求的能力。

图6 一体化离心泵站Fig.6 Integrated centrifugal pump station

图7 以拖拉机为动力的移动泵站Fig.7 Mobile pump station powered by tractor

图8 箱式移动泵站Fig.8 Box type mobile pump station

未来，随着人力成本不断上升，一体化泵站和移动泵站将在灌溉提水中发挥更大的作用。生产企业主要分布在江苏、天津、湖南、山西和河北等地区。

1.5 小型潜水电泵

小型潜水电泵(图9)主要指功率<22 kW，流量1.5～250 m3/h，扬程3～130 m的潜水泵，具有质量小、作业灵活等特点，主要用于地表微小规模提水，单独使用或与移动平台组成小型移动泵站。生产企业主要分布在浙江、广东、辽宁、山东、山西和河北。

图9 小型潜水泵Fig.9 Small submersible pump

1.6 水轮泵

水轮泵(图10a)是利用高山地区水流水头，通过转轮将水流势能转换为动能，带动水泵叶轮(图10b)旋转，实现山区提水灌溉的目的。近几年，通过在转轮轴上配套发电机组，实现灌溉和供电综合利用功能，其应用领域正向泵站、水坝和有高程差河流等场景拓展，并取得了较好的经济效益。以水头4 m，流速>7 m/s，装机功率200 kW水轮泵为例，原始投资160万元，建成后年发电收益为320万元；或可驱动水轮(流量0.4 m3/s，扬程40 m)，满足266.7 hm2(4 000亩)灌溉面积用水需求。水轮泵主要在湖南、广西、江西和广东等地推广应用。

图10 水轮泵及其叶轮Fig.10 Turbine pump and Impeller

1.7 灌溉用泵研究方向

灌溉用泵将向大型化、高速化、机电一体化，以及泵产品成套化、标准化、系列化和通用化方向发展，不断丰富品种、提高性能、延长寿命及提高可靠性。

2 植保用泵

统计显示，2019年我国机动喷雾机保有量达621万台，其中自走式植保喷雾机仅21.82万台，超过9 500万台背负式喷雾器亟待更新。2020年，我国销售植保喷雾机6.02万台、植保无人飞机1.53万台，无人机保有量达11万台左右。植保机械的发展，带动植保用泵产业的提升。植保用泵一般分为两类，一是电动背负式喷雾器和植保无人飞机用泵，二是自走式喷药装备用泵，其附加值较高。生产企业主要分布在浙江、福建和江苏等地。植保用泵主要技术参数如表3所示。

表3 植保用泵主要技术参数

2.1 电动背负式喷雾器和植保无人飞机用泵

电动背负式喷雾器和植保无人飞机用泵要求质量小、价格低、工作压力高，采用蓄电池供电。这种泵通常为直流小型隔膜电泵(图11)，电压12 V，流量0.25～3.50 L/min，工作压力0.5 MPa。泵体以工程塑料为主，核心工作部件为膜片，常用材料为特氟龙、山道橡胶和聚偏氟乙烯等，具有噪声低、耐腐蚀、结构简单和允许干运转等优点。

图11 直流小型隔膜电泵Fig.11 DC small diaphragm pump

2.2 自走式喷药装备用泵

自走式喷药装备用泵(图12)要求作业效率高、工作压力高，一般采用专用动力匹配驱动。通常采用多缸柱塞泵，以汽油机或拖拉机为动力，通过带传动，流量0～50 L/min，工作压力≤5 MPa。泵体以不锈钢、黄铜或工程塑料为主，卧式结构。具有流量均匀、压力脉动小、振动小和装拆方便等优点。

图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

背负式喷雾器及无人飞机用泵研究方向是进一步提高材料耐磨性、产品可靠性和流量稳定性；自走式喷药机用泵研究方向是通过三维受力分析，进一步提高柱塞耐磨性和密封性。

3 水肥一体化施肥用泵

水肥一体化技术是将灌溉与施肥融为一体的农业新技术，具有肥效快、养分利用率高等优点，施肥方式可分为按总量施肥和按比例施肥。按总量施肥装置包括压差式施肥罐、重力自压式施肥装置；按比例施肥装置包括文丘里施肥器、注肥泵、全自动施肥机。其中，全自动施肥机配套施肥泵种类繁多，包括离心泵、潜水泵、隔膜泵、柱塞施肥泵、螺杆泵和比例施肥泵等。根据灌溉方式，水肥一体化作业分为两大类：一是微灌系统多采用施肥机或离心泵；二是喷灌系统多采用柱塞式施肥泵和隔膜泵[3]。

目前，水肥一体化用泵尚无相关标准，主要是参考现行水泵标准体系。生产企业主要分布在内蒙古、北京、天津、浙江和云南等地。水肥一体化用泵主要有3种应用模式：泵前吸肥、比例施肥和定量供肥。

3.1 泵前吸肥

灌溉水泵工作时，在吸入口产生负压，将水溶肥母液吸入叶轮内进行充分混合，通过管道输送至作物指定部位，但准确性稍差。常使用离心泵、井用潜水电泵和小型潜水电泵。

3.2 比例施肥

利用主管路或旁通管路水力驱动，将水溶肥母液按一定比例吸入进行充分混合，通过管道输送至作物指定部位，准确性较高。常使用喷射泵、比例施肥泵。

3.3 定量供肥

根据泵工作原理不同，定量供肥分为有差定量供肥和无差定量供肥。

(1)有差定量供肥。按照系统流量和压力条件，经过水力计算，选择离心泵将水溶肥母液按设定流量泵入管道，输送至作物指定部位。受系统压力变化，输入母液流量较预期有一定波动。常使用离心泵、井用潜水电泵和小型潜水电泵。

(2)无差定量供肥。按照系统流量和压力条件，经过水力计算，采用容积泵将水溶肥母液按设定流量泵入管道，输送至作物指定部位，泵入肥量不受系统压力变化影响。常使用隔膜泵、柱塞泵和螺杆泵。

3.4 水肥一体化施肥用泵研究方向

水肥一体化施肥用泵将向系列化、效率和可靠性提升、防腐材料的造型等方面发展。

4 发展趋势

随着科技的不断发展，农业用泵和工业用泵之间不再存在明晰的界限。围绕泵领域存在的可靠性差、寿命短、效率低、产品规格少和集成控制功能不完善等问题，主要开展以下研究。

(1)提高产品可靠性。目前，通过CFD对水泵进行水动力学分析成为主要技术手段，通过商用泵水力设计软件CFturbo和反问题设计思路开发的设计软件TURBOdesign辅助设计，不断优化产品结构；探索轴用铬等材料的应用；引用自动化高精设备，提升加工制造工艺水平[4-6]。

(2)提高产品寿命。部分农业灌溉用水含砂量大，尤其是引黄灌溉区域和地下浅水层。马天兵等[7]研究表明，黄河流域某泵站通过叶轮涂层处理，寿命提高了3～4倍，但相关研究仍然不够深入。另外，研究集成式泵前过滤装置，也是提高泵使用寿命有效途径之一。

(3)提高效率。汪雨露等[8]提出合理匹配叶轮出口和导叶进口处流场，能够拓宽高效区范围；采用消失模、叶片涂层(如涂陶瓷)等新工艺，提高泵效率；通过引入磁流体铸铝工艺，降低定子和转子的铸铝缺陷，提升电机效率；集成高效泵和电机产品，提高泵机组效率。

(4)拓展产品规格。面向植保和施肥需求，研究小流量高扬程产品；面向土地流转和规模化农业，研究大流量低扬程产品，如以大功率拖拉机为动力，开发配套的大流量自吸泵。

(5)集成智能控制系统。随着电子信息技术的快速发展与应用，传统水泵正向智能水泵发展，通过集成智能终端，实现水泵运行智慧监控。

(6)向轻型化发展。大力研发高速泵，高速泵可使泵整体质量减小1/3左右，同时提高作业的灵活性。

(7)向社会化生产发展。产品自制件由个体生产向社会化协作生产转变，自制率由70%降至30%，生产成本降低的同时，产品质量也得以提升。

5 结束语

农业用泵是促进作物健康生长的重要装备支撑，对于保障我国粮食安全具有重要作用。农业用泵主要应用于灌溉、植保和施肥领域，产品品种多样化。灌溉泵包括自吸泵、长轴深井泵、井用潜水电泵、轴流泵、混流泵、斜流泵、湿式全贯流潜水电泵、斜拉式双速潜水电泵、一体化泵站、小型潜水泵和水轮泵等，并有相关产品标准；植保泵包括直流小型隔膜电泵、多缸柱塞泵，并有相关产品标准；水肥一体化施肥泵包括离心泵、潜水泵、隔膜泵、柱塞施肥泵、螺杆泵和比例施肥泵等，目前尚无相关标准。随着科技的不断发展，农业用泵将向提高产品可靠性和产品寿命及效率、拓展产品规格、集成智能控制系统、轻型化和社会化生产方向发展。