一種易于推廣的水肥一體化設(shè)備的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

方立志　張君之　殷昕羽

摘 要 本文通過設(shè)計(jì)一種水肥一體化設(shè)備，以期為水肥一體化技術(shù)的推廣提供了一種廉價(jià)高效、操作簡(jiǎn)便的灌溉設(shè)備。

關(guān)鍵詞 水肥一體化 ；推廣 ；滴灌 ；問題 ；對(duì)策

中圖分類號(hào) S365

Design and Implementation of Easy Application Integrated Water and Fertilizer Equipment

FANG Lizhi ZHANG Junzhi YIN Xinyu LIU Jin KANG Shuo

（School of Mechanical and Electrical Engineering， Shandong Agricultural University， Tai'an， shandong 271000）

Abstract This paper designed a kind of integrated water and fertilizer equipment in order to provide a cheap，efficient and easy to operate equipment for the promotion of Integration of water and fertilizer technology.

Key words Integration of water and fertilizer ； promotion ； drip irrigation ； problem ； countermeasures

水肥一體化技術(shù)是指借助壓力灌溉系統(tǒng)，將可溶性固體或液體肥料配兌成低濃度肥液，通過管道和滴頭，依據(jù)作物需肥特點(diǎn)，均勻、定時(shí)、定量供給的一種技術(shù)，是灌溉與施肥一體的農(nóng)業(yè)新技術(shù)。水肥一體化技術(shù)不僅有效節(jié)約人工成本，而且能提高水肥利用率，增產(chǎn)優(yōu)質(zhì)效果明顯[1]。

隨著農(nóng)業(yè)科技進(jìn)步，水肥一體化設(shè)備發(fā)展迅速、功能日益完善。但大多應(yīng)用在農(nóng)業(yè)示范區(qū)、科研單位，農(nóng)村并沒有得到大范圍推廣，其根本原因之一在于設(shè)備價(jià)格高，操作復(fù)雜。黨的十六屆五中全會(huì)指出，沒有農(nóng)村的小康，就沒有全社會(huì)的小康；沒有農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化，就沒有國(guó)家的現(xiàn)代化。我國(guó)自實(shí)行家庭聯(lián)產(chǎn)承包責(zé)任制以來(lái)，農(nóng)民各自經(jīng)營(yíng)，家庭耕種面積大多不大。因此，實(shí)現(xiàn)農(nóng)村的水肥一體化，關(guān)鍵在于向中小型農(nóng)戶推廣水肥一體化設(shè)備[2]。

國(guó)家的“一控兩減”目標(biāo)，就是要求控制農(nóng)業(yè)用水的總量，把化肥、農(nóng)藥的施用量減下來(lái)。水肥一體化設(shè)備因具節(jié)水、節(jié)肥、增產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)特點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的不二選擇。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部辦公廳發(fā)布的《推進(jìn)水肥一體化實(shí)施方案（2016-2020年）》中提出，到 2020年，水肥一體化技術(shù)推廣面積擬達(dá)到0.1億hm2。為此，筆者設(shè)計(jì)了一種適用于中小型農(nóng)戶廉價(jià)高效、操作簡(jiǎn)單的水肥一體化設(shè)備，以期為促進(jìn)鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的實(shí)施，有利于人與自然和諧共生，走鄉(xiāng)村綠色發(fā)展之路；打好精準(zhǔn)脫貧攻堅(jiān)戰(zhàn)，走中國(guó)特色減貧之路；深化農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，走質(zhì)量興農(nóng)之路；扎實(shí)推進(jìn)社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)，精準(zhǔn)助力農(nóng)業(yè)發(fā)展提供支持。

1 水肥一體化設(shè)備硬件構(gòu)成

本文設(shè)計(jì)的水肥一體化主要由動(dòng)力設(shè)備、過濾設(shè)備、混肥設(shè)備、電路控制設(shè)備、檢測(cè)設(shè)備組成。其中動(dòng)力設(shè)備包括吸水泵、吸肥泵；過濾設(shè)備包括疊片式過濾器、網(wǎng)式過濾器；混肥設(shè)備包括文丘里管、管道靜態(tài)混合器、肥液桶；控制設(shè)備包括微電腦定時(shí)開關(guān)、斷電保護(hù)器、中間繼電器、交流接觸器、電源適配器、接線排子；檢測(cè)設(shè)備包括土壤濕度傳感器、玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)、浮子流量計(jì)。

所有部件在滿足基本性能要求上，選用價(jià)格低廉的產(chǎn)品，以減少農(nóng)民的購(gòu)機(jī)成本，刺激中小型農(nóng)戶購(gòu)買積極性。

1.1 吸水泵

選用臺(tái)州樂淘泵業(yè)有限公司生產(chǎn)的ZGD型螺桿自吸泵，價(jià)格229元/個(gè)，功率1.5 kW，流量20 m3/h，揚(yáng)程70 m，吸程20 m，轉(zhuǎn)速3 000 r/min，可滿足小型農(nóng)戶的灌溉要求。吸水泵進(jìn)水口與設(shè)有疊片式過濾器的進(jìn)水管相連，出水口與浮子液體流量計(jì)下端相連。

1.2 吸肥泵

選用雷士泰15 W自吸泵，價(jià)格69元/個(gè)、流量2.0 L/min，最大壓力0.35 Mpa，轉(zhuǎn)速2 200 r/min、吸程1 m，最大揚(yáng)程35 m。因使用特別設(shè)計(jì)的特配方陶瓷作軸承，具有抗腐蝕性，是理想的肥液輸送泵。泵內(nèi)設(shè)有壓力開關(guān)，當(dāng)水肥一體化設(shè)備停止工作，泵內(nèi)水壓達(dá)到保護(hù)電壓，會(huì)自動(dòng)停機(jī)；當(dāng)水肥一體化設(shè)備處于工作中，泵內(nèi)水壓減小，會(huì)自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)抽肥。該泵自帶的過濾頭，放置在吸肥泵與肥液桶相連的注肥管道中，可以防止水中雜質(zhì)或臟物堵塞泵體。4個(gè)腳墊可用螺絲將其固定于控制柜左側(cè)，大大減少了設(shè)備體積。吸肥泵進(jìn)口與注肥管道相連，吸肥泵出口與玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)入口相連。

1.3 過濾器

農(nóng)田使用的水肥一體化設(shè)備經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)管道堵塞現(xiàn)象，主要原因?yàn)樗须s質(zhì)以及肥液中未充分溶解的肥料顆粒，吸入管道后發(fā)生堵塞，該現(xiàn)象易對(duì)設(shè)備造成損壞[3]。因此，在設(shè)備入口處需安裝過濾器可選用首沃Y型一寸小款疊片式過濾器。該過濾器具有良好的攔污能力，穩(wěn)定的過濾效能，操作簡(jiǎn)單、維修方便，適用于水肥一體化設(shè)備。

考慮灌溉管道過濾器和進(jìn)肥口過濾器僅用于過濾水和肥料混合液，在滿足基本功能的前期下，為進(jìn)一步降低設(shè)備成本，可選用綠茵噴灌一寸網(wǎng)式過濾器。網(wǎng)式過濾器的過濾效果雖不及疊片式過濾器，但過濾水和肥料混合液足矣。

1.4 控制設(shè)備

控制設(shè)備包括：斷電保護(hù)器，選用正泰小型斷路器；繼電器，選用德力西小型繼電器；交流接觸器，選用正泰交流接觸器；定時(shí)器，選用德力西KG316T定時(shí)開關(guān)控制器；接線排子；電源適配器等，這些元器件均集中放置于控制柜中[4]。

1.5 玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)

流量計(jì)可選用雙環(huán)牌玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)LZB-3WB。因流量與浮子上升高度之間存在一定函數(shù)關(guān)系，浮子高度可以直接換算為流量度量值，該器件適合測(cè)量單相非脈動(dòng)流體的流量。將其設(shè)置于控制柜的左側(cè)，示值直觀，操作簡(jiǎn)便、安裝維修方便。流量計(jì)入水口與吸肥泵出水口通過軟管相連，流量計(jì)出水口與文丘里管的入肥口相連。

1.6 文丘里管

文丘里管可選用溫州利歌的UPVC承插式射流器。UPVC通常稱為硬PVC，耐腐蝕性強(qiáng)、流體阻力小、質(zhì)地輕、水密性好，膠粘劑粘接15 min，粘接強(qiáng)度即可達(dá)到12.5/C以上，經(jīng)多年使用亦不會(huì)明顯下降，彈性密封件套接處的密封圈，絕無(wú)老化漏水之慮。文丘里管的入肥口與玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)的出水口相連，文丘里管的進(jìn)口與浮子液體流量計(jì)上端相連，文丘里管的出口與管道靜態(tài)混合器上端相連。

1.7 管道靜態(tài)混合器

管道靜態(tài)混合器是水與各種藥劑實(shí)現(xiàn)瞬間混合的理想設(shè)備，對(duì)水肥融合有良好的效果，可選用溫州利歌管道混肥器。該混合器具有高效混合，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，節(jié)約能耗，體積小巧等特點(diǎn)，在沒有外力的作用下，通過6-8個(gè)混合單元，漩渦反向旋轉(zhuǎn)及不斷交叉流動(dòng)，瞬間能達(dá)到較好的混合效果，混合效率達(dá)90 %-95 %。將其設(shè)置于水肥一體化設(shè)備的右側(cè)，混合器的上端與文丘里管出口相連，下端與裝有網(wǎng)式過濾器的注肥管道相連。

1.8 浮子流量計(jì)

浮子液體流量計(jì)是一種上端粗，下端細(xì)的透明塑料錐管，錐管內(nèi)可上下移動(dòng)的浮子為測(cè)量元件。可選用祥錦流量?jī)x表廠生產(chǎn)的LZS系列流量計(jì)。將其設(shè)置于水肥一體化設(shè)備的左側(cè)，流量計(jì)的上端與文丘里管入口相連，流量計(jì)的下端與吸水泵出水口相連。

1.9 土壤濕度傳感器

土壤濕度傳感器可選用華電耐腐蝕土壤濕度傳感器。該器件具有使用壽命長(zhǎng)，靈敏度高的特點(diǎn)。

綜上所述，整套水肥一體化設(shè)備（圖1）總估價(jià)為905元（不包括田間管道以及滴頭滴箭）。值得注意的是，以上各部件僅作為一種示范，實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)不同情況選擇合適的部件型號(hào)。

2 水肥一體化設(shè)備操作方法

本文設(shè)計(jì)的水肥一體化設(shè)備既考慮了實(shí)現(xiàn)灌溉施肥的自動(dòng)化，又考慮了農(nóng)民實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，在操作模式上支持自動(dòng)、手動(dòng)2種操作模式[5]。

自動(dòng)操作模式具體使用方法如下：

在鎖定狀態(tài)下，連按4次“取消/恢復(fù)”鍵，即可解鎖。按定時(shí)鍵，分別按“校時(shí)”“校分”設(shè)定需要開啟的時(shí)間，再按星期鍵選擇開啟狀態(tài)對(duì)應(yīng)的工作天數(shù)；按定時(shí)鍵，再分別按“校時(shí)”“校分”設(shè)定需要關(guān)閉的時(shí)間，再按“星期”鍵選擇關(guān)閉狀態(tài)對(duì)應(yīng)的工作天數(shù)。重復(fù)以上步驟，設(shè)定所有灌溉的開、關(guān)時(shí)間。如不需要，按“取消/恢復(fù)”鍵，即可取消。按“時(shí)鐘”鍵，結(jié)束定時(shí)設(shè)定，回到時(shí)鐘運(yùn)行狀態(tài)。按“手動(dòng)/自動(dòng)”鍵設(shè)定，使液晶屏下方顯示“自動(dòng)”位置即可完成定時(shí)設(shè)定操作。

手動(dòng)操作模式具體使用方法如下：

在鎖定狀態(tài)下，連按4次“取消/恢復(fù)”鍵，即可解鎖。按定時(shí)鍵，分別按“校時(shí)”“校分”設(shè)定需要開啟的時(shí)間，再按星期鍵選擇開啟狀態(tài)對(duì)應(yīng)的工作天數(shù)；按定時(shí)鍵，再分別按“校時(shí)”“校分”設(shè)定需要關(guān)閉的時(shí)間，再按“星期”鍵選擇關(guān)閉狀態(tài)對(duì)應(yīng)的工作天數(shù)。按“取消/恢復(fù)”鍵，即可恢復(fù)。按“時(shí)鐘”鍵，結(jié)束定時(shí)設(shè)定，回到時(shí)鐘運(yùn)行狀態(tài)。

3 總結(jié)

總之，本文所設(shè)計(jì)的水肥一體化設(shè)備，輕小便捷、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、操作簡(jiǎn)便?；谕寥罎穸葌鞲衅鲗?shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉，使得水肥灌溉均勻、及時(shí)，可更好地提高農(nóng)作物的產(chǎn)量與質(zhì)量，降低管理成本。手動(dòng)操作模式很好地結(jié)合了農(nóng)民實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，使設(shè)備增產(chǎn)效果明顯。設(shè)備采用三級(jí)過濾設(shè)計(jì)，能夠有效減少各部件堵塞現(xiàn)象發(fā)生，管道靜態(tài)混合器和文丘里管使用，大大提升了水肥混合效果，進(jìn)一步地提升了水肥利用率。因此，該設(shè)備適中小型農(nóng)戶，有利于精準(zhǔn)助力農(nóng)業(yè)發(fā)展。

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