智能水肥一體化的施肥裝置設(shè)計

徐 翔 石榮玲 胡萬佳 顧峰博 王加龍

(徐州工程學(xué)院，江蘇 徐州 221000)

1 澆灌施肥裝置的背景和工作原理

直至20 世紀(jì)末，大型噴灌機(jī)的主要技術(shù)才被我國研究人員掌握，于是在市場中進(jìn)行推廣。當(dāng)前農(nóng)村經(jīng)濟(jì)體制改革需要噴灌，噴灌對提高作物產(chǎn)值，解決水資源不足問題，對農(nóng)業(yè)的進(jìn)步都意義非凡。截止至今，在我國的大型噴灌機(jī)的數(shù)量越來越多。尤其是在進(jìn)入21 世紀(jì)后，我國對于研究和創(chuàng)新大型噴灌機(jī)設(shè)備的進(jìn)程已進(jìn)入到工業(yè)化生產(chǎn)階段。水肥一體化技術(shù)，指灌溉與施肥融為一體的農(nóng)業(yè)新技術(shù)。水肥一體化是借助液壓系統(tǒng)，將可溶性固體或液體肥料，按作物種類的需肥規(guī)律和特點，配兌成的肥液與灌溉水一起，通過管道系統(tǒng)供水供肥至儲肥桶，混合均勻后，通過注肥泵輸送至噴頭進(jìn)行均勻施肥。

2 設(shè)計參數(shù)確定

2.1 灌水定額計算

灌水定額是智能水肥一體化的施肥裝置進(jìn)行水力灌溉需要參考的條件，根據(jù)不同的作物以及不同作物對水的需要，這會使得灌水定額發(fā)生改變，還有如何去灌溉用水、如何讓水資源得到最大利用、一個地區(qū)天氣的情況，以及該地區(qū)的土地結(jié)構(gòu)是怎樣的，這些都會造成影響?？梢酝ㄟ^以下的公式來計算灌水定額：

式中：m- 灌水定額(mm)；γ1- 土壤容重，取值1.4g/cm3；γ2- 土壤容重，取值1.0g/cm3；h- 計劃濕潤層深度, 取值40cm；β1- 適宜土壤含水量上限(重量百分比)，取值90%；β2- 適宜土壤含水量下限(重量百分比)，取值60%；η- 灌溉水利用系數(shù)，見表1。η 取值0.9，將上述數(shù)值代入公式：計算得到m=19mm。

表1 田間噴灑水利用系數(shù)

2.2 輸水管的確定

智能水肥一體化的施肥裝置按照規(guī)定的管材管徑的要求來選取該設(shè)備的管徑粗細(xì)，采用直徑究竟是多少的輸水管，一方面需要考慮卷盤的大小，因為輸水管纏繞在卷盤上，輸水管的管徑大小將會直接影響到卷盤的大小，從而影響整機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸；另一方面需要考慮阻力因素，因為輸水管通過卷盤牽引纏繞，過大的管徑會造成阻力加大；再一方面，輸水管在工作時需要承受壓力和外力的牽扯，同時，應(yīng)該不斷得輸入水肥溶液，由于需要在惡劣的環(huán)境下工作，所以輸水管所采用的材質(zhì)應(yīng)該因具備良好的水力性能、耐腐蝕與耐磨性并可以產(chǎn)生較大的變形。而PE 是聚乙烯塑料，其具有較好的耐腐蝕性與抗拉、抗壓能力，符合各項要求，因此，選擇PE 管作為輸水管。

根據(jù)設(shè)計的灌水定額，初步確定智能水肥一體化的施肥裝置的設(shè)計灌溉降水量8～50mm，把PE 管的回收速度設(shè)置成為10～60m/h，PE 選擇140mm 的管外徑，壁厚11.4mm，PE 管總長度500m，設(shè)計使用壽命15 年。

2.3 系統(tǒng)流量設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計流量Qp(m3/h)，即供水系統(tǒng)需要提供給智能水肥一體化的施肥裝置的入機(jī)量。計算公式如下：

式中：

m- 設(shè)計灌水定額，取值19mm；A- 卷盤式噴灌機(jī)控制面積，取值600 畝；T- 輪灌周期，取值7d；t- 卷盤式噴灌機(jī)日作業(yè)時間，取值10h。代入數(shù)據(jù)計算得：QP=108.6m3/h。依計算結(jié)果看，選用考米特(Komet)AP 101 系列噴槍的直徑d=33mm，最大流量Q=115.1m3/h，最大射程R=69.7m，額定工作壓力7.5bar。所以修正設(shè)計的流量Qp=115.1m3/h。

2.4 規(guī)劃灌溉條帶寬度

灌溉條帶寬度可由下式計算：

式中：

B- 規(guī)劃灌溉條帶寬度m；k- 射程折疊系數(shù)，見表2；R- 噴頭射程，m;

表2 射程折疊系數(shù)

k 取值0.7，可得B=97.6m。

2.5 行走速度

噴頭車作業(yè)時的行走速度可按下式計算：

式中：

v- 噴頭車作業(yè)時的移動速度，m/h；η- 田間噴灑水利用系數(shù)，取值0.9；代入數(shù)據(jù)計算得：v=55.86m/h。輪灌周期內(nèi)噴灌控制面積為：120×55.86×10×7/667=703 畝，滿足設(shè)計要求。

2.6 噴灌強(qiáng)度

智能水肥一體化的施肥裝置的噴灌強(qiáng)度由下式計算：

ρ- 噴灌強(qiáng)度，mm/h；α- 噴灑扇形角，一般取α=200°～300°；α 取值240°，代入數(shù)據(jù)計算得：ρ=14mm/h＜15mm/h,故滿足要求。

2.7 輸水干管設(shè)計

輸水干管經(jīng)濟(jì)流量為：Q 干=Qp=115.1m3/h=0.03197m3/s。

由式：

式中：

d干- 輸水干管的經(jīng)濟(jì)內(nèi)徑，m；Q干- 輸水干管的經(jīng)濟(jì)流量，m3/s；V干- 輸水干管的經(jīng)濟(jì)流速，m/s，取V干= 1.34m / s。代入數(shù)據(jù)計算得，d干=0.1745m =174.5mm。因此本文中顯然是可以使用UPVC 輸水管來作為輸水的主干管道材料，它的規(guī)格是180mm×9.6mm(外徑×壁厚)，輸水管的主干采用的長度是：L干=420m；計算可知：d干=180-9.6×2=160.8mm。

3 智能水肥一體化的施肥裝置(圖1)

圖1

由儲肥桶攪拌器、泵流量率定管、注肥泵、注射噴嘴、輸水管等組成。如圖儲肥桶既是用來儲存肥料的裝置，也是用來均勻水肥混合的裝置，在儲肥桶上方裝有注水口和注肥料口，兩者控制著一定的速率，并且在上面還裝有電動攪拌器，使水和肥料進(jìn)行充分均勻的混合。儲肥桶桶底連接管道，用于輸送水肥至輸水管，為了方便輸送水肥和清洗儲肥桶，將儲肥桶底部設(shè)計成倒錐形結(jié)構(gòu)。儲肥桶用托架支撐在地面上。通過電力來驅(qū)動注肥泵，并且是施肥裝置的動力，通過注射噴嘴噴射的方式，抽取儲蓄池中的經(jīng)過攪拌已經(jīng)混合均勻的水肥，從而可以均勻注入到智能水肥一體化的施肥裝置的輸水管內(nèi)。

施肥裝置原理如下：

(1)注肥泵設(shè)計。從降低成本、維護(hù)保養(yǎng)、提高可靠性等因素進(jìn)行考慮，本文選擇水平布置的臥式單作用柱塞式注肥泵。

國內(nèi)多數(shù)移動式農(nóng)田大型澆灌設(shè)備入機(jī)流量范圍為80～160m3/h，入機(jī)的壓力一般設(shè)置為0.45～1.0MPa；與此同時，噴灑肥液對農(nóng)作物影響很大，按要求不適宜超過0.3%。經(jīng)過計算，注肥泵的最大工作壓力設(shè)計為1.0MPa，同時雙缸的流量設(shè)計為600L/h 還有300L/h，這樣可以滿足國內(nèi)絕大多數(shù)移動式農(nóng)田大型澆灌設(shè)備的噴灌施肥要求。

(2)儲肥桶設(shè)計。儲肥桶設(shè)計成圓桶形，桶底設(shè)計成倒錐結(jié)構(gòu)，并有支架支撐，便于水肥溶液輸送和清洗儲肥桶，在桶頂設(shè)有直徑50cm 的施肥口和直徑5cm 的注水口。儲肥桶容積的確定需要綜合考慮多方面的影響因素，主要包括：①加工、運輸?shù)某杀颈M量低，同時需要方便；②與電動攪拌器之間應(yīng)該有合理的配合；③配置完成施肥作業(yè)所需的肥料時，次數(shù)要盡可能的少，但是要和注肥泵的工作流量之間互相匹配；④對于施肥液的配置時間，必須是要合理合適的。經(jīng)過計算，將儲肥桶的容積確定為3000L。

(3)注射噴嘴設(shè)計。泵注式的施肥裝置有一個很關(guān)鍵的設(shè)備，就是注射噴嘴，它的性能將很大程度的影響系統(tǒng)是否能良好運行以及灌溉施肥是否均勻。在本文中，設(shè)計的注射噴嘴以及它的安裝示意圖如圖2 所示，注射噴嘴的格林接頭兩端分別連接注肥泵罐體出口管道以及輸水管，在出口頭部，4 個噴嘴孔口安裝在周圍，孔口的位置處于進(jìn)水管的中心軸線部位。注射噴嘴的孔口的直徑、進(jìn)水管的安裝位置還有孔口的數(shù)目這些因素，都會影響水肥溶液的混合效果。為了避免灌溉水的倒流，注射噴嘴具有單向止回功能。

圖2

(4)機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計。機(jī)架是移動式農(nóng)田大型灌溉施肥設(shè)備的主要部件之一，它的主要功能是支撐卷盤等部件，機(jī)架的作用是將移動式農(nóng)田大型灌溉施肥設(shè)備的各個部分連接成一個整體。移動式農(nóng)田大型灌溉施肥設(shè)備要正常發(fā)揮，那么對于機(jī)架的架構(gòu)強(qiáng)度有著很高的要求，必須要能承受住來自工作過程中產(chǎn)生的荷載；此外，機(jī)架的尺寸是決定移動式農(nóng)田大型灌溉施肥的整體尺寸的主要因素，因此，在移動式農(nóng)田大型灌溉施肥設(shè)備中，盡量減小機(jī)架的尺寸，對于提高性能具有重要意義。

機(jī)架主要由以下三部分組成，即支撐架、轉(zhuǎn)盤和底盤架。轉(zhuǎn)盤固定在底盤架上，支撐架安裝在轉(zhuǎn)盤上，用于支撐和安裝卷筒等部件。

4 結(jié)論

本文分析并研究了卷盤式噴灌機(jī)施肥裝置的工作原理，在此基礎(chǔ)上研究設(shè)計了智能水肥一體化的施肥裝置整體結(jié)構(gòu)，也分析了智能水肥一體化的施肥裝置的主要結(jié)構(gòu)及其特點，通過查閱資料進(jìn)行計算，確定了設(shè)計參數(shù)，為本文的設(shè)計打下基礎(chǔ)。