無動力水肥一體化混合器的實(shí)驗(yàn)研究

朱驕陽， 李志新， 徐欣欣， 李夢杰， 張 靜

(沈陽化工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110142)

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無動力水肥一體化混合器的實(shí)驗(yàn)研究

朱驕陽， 李志新， 徐欣欣， 李夢杰， 張 靜

(沈陽化工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110142)

為了加快水肥一體化技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展，提高水稻生產(chǎn)中自動化、信息化水平，降低灌溉施肥技術(shù)的成本，設(shè)計(jì)一種新型的無動力水肥一體化混合器.給出該新型混合器整體結(jié)構(gòu)及其重要局部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案.在實(shí)驗(yàn)室條件下對該模型混合器進(jìn)行性能測試，分析影響混合器性能的主要因素及其它們之間的相互關(guān)系，以證明設(shè)計(jì)方案的可行性.最后，分析混合器的制造可操作性與使用前景，證明了無動力水肥一體化混合器在技術(shù)上、經(jīng)濟(jì)上的可行性.

無動力； 水肥一體化； 混合器設(shè)計(jì)

水肥一體化是借助壓力系統(tǒng)(或地形自然落差) ，將可溶性固體或液體肥料，按土壤養(yǎng)分含量和作物種類的需肥規(guī)律和特點(diǎn)，把水分、養(yǎng)分定時定量按比例直接提供給作物.與一般的水肥施用方法相比，水的利用率提高 40 %～60 %，肥料利用率提高30 %～50 %，對于規(guī)模種植十分有利[1].該技術(shù)在美國、加拿大、意大利、以色列等發(fā)達(dá)國家一直受到廣泛重視，尤其是以色列，其水肥一體化應(yīng)用比例達(dá)90 %以上[2].1988年意大利Jacucci等人研制HYDRA灌溉管理專家系統(tǒng)，系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)時監(jiān)測到的大田作物需水量情況，自動進(jìn)行灌溉施肥，及時提供作物的水、肥需求量，以滿足作物的生長需求.此后,以色列也開發(fā)出了現(xiàn)代診斷式控制器；美國 Trimble 公司應(yīng)用處方信息控制施肥技術(shù)開發(fā)了 AgGPS170 田間計(jì)算器[3].但是，從國外引進(jìn)設(shè)備不但價(jià)格昂貴，并且引進(jìn)設(shè)備在設(shè)計(jì)時沒有考慮我國特殊的自然氣候、土地資源、農(nóng)民經(jīng)濟(jì)狀況等因素，因而，國外引進(jìn)的灌溉控制系統(tǒng)在國內(nèi)應(yīng)用并不普及.我國水肥一體化技術(shù)發(fā)展最初是1974年從墨西哥引進(jìn)滴灌設(shè)備，而后40多年的時間里研究開發(fā)了大量施肥設(shè)備和灌溉技術(shù)[4].然而，國內(nèi)水肥一體化應(yīng)用管理水平較低，設(shè)備生產(chǎn)技術(shù)落后，針對性設(shè)備和產(chǎn)品的研究開發(fā)不足，相關(guān)設(shè)備應(yīng)用成本較高，且農(nóng)產(chǎn)品的價(jià)格偏低，阻礙了水肥一體化技術(shù)的推廣.在此背景下，本研究設(shè)計(jì)了一種新型的無動力水肥一體化混合器，利用水流動時的動力帶動化肥與水充分混合，輸送到農(nóng)作物根部土壤，達(dá)到水肥同時作用的目的.為了證實(shí)該混合器的有效性及設(shè)計(jì)計(jì)算方案的正確性，用縮小比例的模型進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn).

1 無動力水肥一體化混合器結(jié)構(gòu)及其工作原理

無動力水肥一體化混合器主要由內(nèi)滾筒、葉輪、軸承、網(wǎng)箱等部件組成，實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示.

無動力水肥一體化混合器是在無需發(fā)動機(jī)帶動的條件下，僅依靠溝渠灌溉水流動的動力，帶動葉輪轉(zhuǎn)動，使軸承、內(nèi)滾筒同時轉(zhuǎn)動，讓水流呈回轉(zhuǎn)式流動，從而使得加料時倒入的顆粒狀肥料能夠在葉輪的攪拌下，能充分地溶于水中，達(dá)到澆灌地所需濃度的加肥灌溉水的要求.將灌溉水在地頭順著壟溝一直灌溉到地尾，加肥灌溉水流經(jīng)之處都會在作物根部實(shí)現(xiàn)飽和灌溉，讓作物充分吸收所需要的養(yǎng)分，以滿足作物生長的需求.

1 內(nèi)滾筒 2 網(wǎng)箱 3 葉片 4 軸承 5 軸

2 無動力水肥一體化混合器的設(shè)計(jì)

2.1 混合器的設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)

主要技術(shù)指標(biāo)：

(1) 抗油污、泥沙、高溫環(huán)境，可工作于0～45 ℃；

(2) 使用方便快捷，操作簡單，結(jié)實(shí)耐用；

(3) 水流速度范圍較寬；

(4) 承載能力較大；

(5) 無需動力設(shè)備，能耗較低；

(6) 混合均勻程度高，無殘留顆粒.

2.2 內(nèi)滾筒轉(zhuǎn)速計(jì)算方法

具體計(jì)算公式如下：水動力參數(shù)計(jì)算依據(jù)質(zhì)點(diǎn)系動量定理，對葉輪的動量矩進(jìn)行分析，如圖2所示，得到葉輪的總動量矩為：

對內(nèi)滾筒的動量矩進(jìn)行分析，如圖3所示，得到內(nèi)滾筒的總動量矩為：

動量守恒:M=-M′

忽略摩擦的情況下，得出旋轉(zhuǎn)角加速為：

其中：υ水為水流速度；M為葉輪動量矩；ω為葉輪轉(zhuǎn)速；ρ水為水的密度；ρ化為化肥密度；M′為內(nèi)滾筒動量矩.

圖2 葉輪的動量矩分析

圖3 內(nèi)滾筒的動量矩分析

3 實(shí) 驗(yàn)

根據(jù)上述設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)了一個實(shí)驗(yàn)混合器.實(shí)驗(yàn)在自制模擬水渠中進(jìn)行.實(shí)驗(yàn)混合器裝置主要參數(shù)如下：葉輪寬度2.5 cm，滾筒直徑13 cm，軸承采用內(nèi)徑10 mm的封閉軸承.實(shí)驗(yàn)物料為顆粒復(fù)合肥和尿素混合物，配比為4∶1.

在實(shí)驗(yàn)過程中，采用下述方法測定功率消耗及肥料溶解程度.使用水泵輸送水，在實(shí)驗(yàn)過程中，通過不斷調(diào)節(jié)泵的功率和增減滾筒中肥料的質(zhì)量，匹配出最佳的運(yùn)行方案.

通過改變泵的功率，得到了水流速對轉(zhuǎn)速的影響分析曲線(見圖4)和載重量對轉(zhuǎn)速的影響分析曲線(見圖5).從圖4中可以看出：隨著流速的增加，轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)線性增長.從圖5中可以看出：隨著載重量的增加，轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)線性降低.

圖4 水流速度對轉(zhuǎn)速的影響分析曲線

圖5 載重量對轉(zhuǎn)速的影響分析曲線

4 結(jié)束語

與傳統(tǒng)的灌溉和施肥措施相比，水肥一體化技術(shù)優(yōu)勢顯著：省水、省肥、省時，降低農(nóng)業(yè)成本，降低病蟲害發(fā)生幾率，保證農(nóng)作物品質(zhì)和產(chǎn)量，減少環(huán)境污染，改善土壤微環(huán)境，提高微量元素使用效率等[5-7].無動力水肥一體化混合器因其灌溉時利用水的動力帶動混合器葉輪旋轉(zhuǎn)，為滾筒滾動提供動力，使肥料在滾筒內(nèi)旋轉(zhuǎn)與水充分混合、融化，隨水直接進(jìn)入農(nóng)田，實(shí)現(xiàn)灌溉施肥一體化.混合器因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡單，僅由網(wǎng)箱、網(wǎng)面滾筒、葉輪、軸和軸承組成，所以，其制造工藝簡單，成本較低.在設(shè)計(jì)中只需考慮滾筒網(wǎng)面的密度、葉輪寬度和軸的載重.實(shí)驗(yàn)室沖施肥實(shí)驗(yàn)證明：葉輪在旋轉(zhuǎn)過程中，受到水沖力的同時還受到水的動力，因此，可以使用凹面葉輪.隨著相關(guān)基礎(chǔ)研究的深入進(jìn)行，混合器會在施肥灌溉中獲得廣泛的應(yīng)用.

[1] 李茂權(quán),朱幫忠,趙飛,等.“水肥一體化”技術(shù)試驗(yàn)示范與應(yīng)用展望[J].安徽農(nóng)學(xué)通報(bào)(上半月刊),2011,11(7):100-101.

[2] 雷永富.水肥耦合灌溉控制系統(tǒng)的研究[D].武漢：華中農(nóng)業(yè)大學(xué),2006：7-8.

[3] 張承林,鄧蘭生.水肥一體化技術(shù)[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,2012：167-169.

[4] 陳廣鋒,杜森,江榮風(fēng),等.我國水肥一體化技術(shù)應(yīng)用及研究現(xiàn)狀[J].中國農(nóng)技推廣,2013,29(5):39-41.

[5] 胡景輝,孫麗敏,賀秀珍,等.河北省低平原中低產(chǎn)類型區(qū)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整過程及趨勢分析[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)科技，2013(5):39-42.

[6] 張西群,檀海斌,梁建青,等.低成本小麥微噴灌溉技術(shù)研究與效果試驗(yàn)[J].河北農(nóng)業(yè)科學(xué),2014(6):45-51.

[7] 劉亞賢.德美亞2號高產(chǎn)栽培技術(shù)[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技,2014(14):34-36.

Experimental Study on the Unpowered Integration of Water and Fertilizer Mixer

ZHU Jiao-yang, LI Zhi-xin, XU Xin-xin, LI Meng-jie, ZHANG Jing

(Shenyang University of Chemical Technology, Shenyang 110142, China)

This paper presents a dynamic one and the whole structure of the mixer and an important part of the new structure design,performance test and the model mixer under laboratory conditions,and proves the feasibility of the design scheme at the same time.The analysis of the manufacturing and the mixer of the operation and application,which proves that the economy the feasibility of mixer.And analyzed the relationship between the main factors affect the performance of the mixer.

unpowered； integration of water and fertilizer； mixer design

2015-06-10

朱驕陽(1989-)，女，遼寧撫順人，助教，碩士，主要從事物流與供應(yīng)鏈管理的研究.

2095-2198(2016)03-0259-03

10.3969/j.issn.2095-2198.2016.03.014

TH6

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