移動式水肥一體化設(shè)備的方案設(shè)計

徐 翔，石榮玲，胡萬佳，王加龍，顧峰博

（徐州工程學(xué)院，江蘇 徐州 221000）

1 設(shè)計背景

我國作為農(nóng)業(yè)大國，每年糧食產(chǎn)量位于世界前列，而農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，最重要便是農(nóng)作物的灌溉，然而我國的水資源現(xiàn)狀卻十分嚴(yán)峻。據(jù)統(tǒng)計，我國人均飲用水資源十分匱乏，是全球最匱乏的13個國家之一。農(nóng)業(yè)用水匱乏直接影響到我國社會的持續(xù)進步和國民經(jīng)濟的持續(xù)健康發(fā)展。現(xiàn)在，我國全國用水量的73.40%是農(nóng)業(yè)用水，但是不能被合理利用，我國灌溉水的利用率僅為30%～40%，遠低于發(fā)達國家。當(dāng)前我國農(nóng)業(yè)灌溉地面積大約0.09億hm2左右,而有效灌溉面積為402.32萬hm2，僅占全國耕地的47%，還有一半以上的耕地依靠自然降水的方式，傳統(tǒng)落后的灌溉方法仍在2/3的耕地中繼續(xù)使用[1-2]。

傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)灌溉方法，存在著受自然條件影響、人力要求巨大、效率低、植物肥料吸收率低、破壞土壤結(jié)構(gòu)等問題，對我國農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)發(fā)展十分不利。從國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略角度出發(fā)，我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀和我國水資源的開發(fā)現(xiàn)狀十分不適配，存在水資源利用率低、灌溉用水利用率低、浪費嚴(yán)重等問題。

為了解決這類問題采用節(jié)水設(shè)備進行灌溉施肥就顯得十分重要。灌溉施肥設(shè)備通過噴灌、滴灌等灌水設(shè)備進行農(nóng)業(yè)節(jié)水，和我國傳統(tǒng)的地面灌溉相比，移動式水肥一體化灌溉施肥設(shè)備擁有十分可觀的發(fā)展前景。

2 設(shè)計目的

水肥一體化設(shè)備灌溉技術(shù)是一項既可以節(jié)約澆灌用水，又能夠精準(zhǔn)施肥的新興農(nóng)業(yè)技術(shù)，專門針對農(nóng)田灌溉用水緊缺和肥料營養(yǎng)利用率過低的情況，大大節(jié)省人力成本，推動農(nóng)業(yè)的規(guī)?；?、集約化和智能化發(fā)展。水肥一體化設(shè)備可將至少一種的易溶于水的固體或液體肥料通過可控的管道設(shè)備抽取，再經(jīng)過混合設(shè)備將肥液與灌溉用水按照一定比例（通常需要對照作物的種類、生長時期以及種植作物地區(qū)的土壤情況而定）均勻混合后輸送至由施肥管網(wǎng)中，最后再通過由滴頭、微噴頭等滴噴灌設(shè)備組成的施肥終端直接作用于作物的根系或葉面區(qū)域，其施肥時間及施肥量全程可控。水肥一體化設(shè)備技術(shù)是將澆灌與施肥有機結(jié)合的一項新型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)備技術(shù)，通過精準(zhǔn)灌溉和施肥，不僅可以提高肥料的利用率，減少生產(chǎn)能耗和對環(huán)境的污染，也能夠在一定程度上提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。

3 水肥一體化設(shè)備工作原理

3.1 卷盤式噴灌機工作原理

卷盤式噴灌機采用水渦輪式動力驅(qū)動系統(tǒng)。采用大斷面小壓力的設(shè)計，在非常小的水流量下，可以達到較高的回收速度，水渦輪轉(zhuǎn)速從水渦輪軸引出一個兩速段的皮帶驅(qū)動裝置傳入到減速器中，降速后鏈條傳動產(chǎn)生較大的扭矩力驅(qū)動絞盤轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)PE管的自動回收。同時經(jīng)水渦輪流出的高壓水流經(jīng)PE管直送到噴頭處，噴頭均勻的將高壓水流噴灑到作物上空，散成細(xì)小的水滴均勻降落，并隨著PE管的移動而不間歇地進行噴灑作業(yè)。卷盤式噴灌機整機結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)卷盤式噴灌機結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 移動式農(nóng)田大型澆灌施肥設(shè)備工作原理

本機采用液壓馬達作為驅(qū)動動力源，輸出軸與減速裝置連接，以降低轉(zhuǎn)速、增加輸出扭矩，減速器輸出低速大扭矩動力，使PE管在盤卷上纏繞，于是通過PE管牽引噴頭車返回原處進行PE管的回收。

施肥裝置依靠電力驅(qū)動的注肥泵提供動力，將攪拌均勻的肥料溶液從儲肥桶中抽出，肥液受到注射噴嘴的作用，均勻地進入灌溉機的輸水管內(nèi)，和水混合后進行稀釋作用，最后使用噴槍噴出來，這種操作保證作業(yè)過程中水肥共施。

在這個工作過程中，通過水泵為移動式農(nóng)田大型澆灌施肥設(shè)備提供壓力水流，本機的壓力水流途經(jīng)PE管后最終抵達噴頭車。然而，壓力水流并不能直接噴灑出去，否則將會對農(nóng)作物造成極大的危害，并且不利于水資源的充分利用，所以要將壓力水流轉(zhuǎn)化成噴霧形式的噴灑狀細(xì)流，并且跟著噴頭，以平角的掃描方式，來回勻速噴灑到灌溉機運行前方的農(nóng)田表面。在這個過程中，液壓馬達不斷的為卷盤提供動力并帶動卷盤的轉(zhuǎn)動，從而帶動PE管的不斷轉(zhuǎn)動，為噴頭車提供一個勻速且穩(wěn)定的牽引力，從而使其開始緩慢而勻低速的朝著移動式農(nóng)田大型澆灌施肥設(shè)備主機行走，直至完成噴灌施肥作業(yè)[3-4]。

4 水肥一體化設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 卷盤結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1.1 卷盤結(jié)構(gòu)設(shè)計要求

卷盤是移動式農(nóng)田大型澆灌施肥設(shè)備非常重要的一個部件，具有很關(guān)鍵的作用，它的結(jié)構(gòu)如圖2所示。卷盤的尺寸一方面可以直接影響到移動式農(nóng)田大型澆灌施肥設(shè)備行走速度，另一方面直接決定了移動式農(nóng)田大型澆灌施肥設(shè)備整機的結(jié)構(gòu)尺寸。因此，在對移動式農(nóng)田大型澆灌施肥設(shè)備進行設(shè)計時，要先對卷盤結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，然后才能對其他結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，卷盤結(jié)構(gòu)是移動式農(nóng)田大型澆灌施肥設(shè)備其他結(jié)構(gòu)部件的基礎(chǔ)。在進行卷盤結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需要滿足一些基本要求。

圖2 卷盤結(jié)構(gòu)

①移動式農(nóng)田大型澆灌施肥設(shè)備作為一種水肥一體化灌溉裝備，工作環(huán)境比較惡劣，容易遭到水肥溶液的腐蝕，因此要有著良好的耐腐蝕性，保證其工作的可靠性。

②卷盤需要承受輸水管的質(zhì)量，并且轉(zhuǎn)轂在輸水管回收時要承受一定的擠壓力和水管充滿灌溉水時的質(zhì)量，所以，要充分考慮到卷盤的剛度與強度要求。

③卷盤的結(jié)構(gòu)應(yīng)合理，可以與其他部件相互配合，優(yōu)化整機的安裝裝配。

4.1.2 卷盤結(jié)構(gòu)設(shè)計

卷盤的外形尺寸主要包括2個方面，一個是轉(zhuǎn)轂的直徑，另一個是給水管排列的寬度。卷盤要投入到正常的工作中，必須要對它的公稱直徑進行一個滿足需求的篩選，一般來說是要參考給水管的長度以及它的直徑。在本文中，選擇的輸水管的長度為500m，其外徑選擇為140mm。我們將轉(zhuǎn)轂的直徑定為2.15m，同時，轉(zhuǎn)轂上每層要纏繞13圈給水管，而這13圈給水管會增加1.82m寬度，為了使給水管在卷盤上纏繞時不會很擁擠以及排列雜亂，需要給出30mm的富?？臻g，因此，卷盤轉(zhuǎn)轂的寬度最終確定為1.85m。

卷盤每層的PE管纏繞總長度可由式（1）計算：

式（1）中：Li為卷盤第i層PE管的總長度，單位為m；i為PE管纏繞的層數(shù)。

在本文中，只在卷盤上纏繞5層PE管，將數(shù)據(jù)代入公式（1）可以計算：卷盤第1層PE管所能纏繞的長度為L1=93.54m；卷盤第2層PE管所能纏繞的長度為L2=104.96m；卷盤第3層PE管所能纏繞的長度為L3=116.40m；卷盤第4層PE管所能纏繞的長度為L4=127.83m；卷盤第5層PE管所能纏繞的長度為L5=139.27m。

因此，卷盤全部5層PE管所能纏繞的總長度為：

L=581.99m＞500m

因此可以得出結(jié)論，在第五層時候，PE管的長度就是小于卷盤的長度，因此可以將所以的PE管纏繞在卷盤上，能夠滿足設(shè)計所需。

表1 卷盤的尺寸參數(shù)

4.2 施肥裝置的設(shè)計

4.2.1 施肥裝置要求

4.2.1.1 整機運行的穩(wěn)定性和連續(xù)性

施肥裝置實現(xiàn)多種肥料按照一定比例與灌溉用水混合作業(yè)，同時也需要穩(wěn)定的輸出濃度一致的水肥混合物。施肥系統(tǒng)應(yīng)具有良好的穩(wěn)定性和連續(xù)性，作業(yè)過程中出現(xiàn)故障很可能會導(dǎo)致農(nóng)作物營養(yǎng)失衡從而影響作物產(chǎn)量，所以穩(wěn)定性是保證精準(zhǔn)施肥的前提條件，連續(xù)性是施肥系統(tǒng)正常運行的前提條件。

4.2.1.2 施肥機結(jié)構(gòu)和管網(wǎng)布局的合理性

調(diào)查研究市場上現(xiàn)有的施肥裝置和相關(guān)資料，對水肥一體化施肥裝置展開創(chuàng)新性研究。合理設(shè)計回流混合模式以及攪拌疊加回流混合模式的原液制備系統(tǒng)、比例配肥系統(tǒng)、灌溉壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)和管網(wǎng)系統(tǒng)，達到總體布局的合理性要求。

4.2.1.3 安全性

施肥機工作在設(shè)施溫室內(nèi)部，應(yīng)該考慮施肥機作業(yè)的安全性。防止對原液桶和混肥桶加水過量造成作物淹沒，增加液位保護裝置；防止施肥機作業(yè)過程中出現(xiàn)漏電等情況，增加漏電保護。安全的設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是一切設(shè)備應(yīng)用的前提條件。

4.2.1.4 整機安裝及保養(yǎng)維修的方便性

考慮施肥機零部件的運輸安裝以及后期的保養(yǎng)維修，施肥機各個零部件之間應(yīng)該具有獨立的可操作性。在設(shè)施生產(chǎn)作業(yè)過程中，應(yīng)該留有足夠的空間便于添加肥料等。施肥機作為多零部件協(xié)同工作的整體，各個零部件應(yīng)當(dāng)具備可更換性，為后期整機制作和推廣應(yīng)用提供便利條件。

4.2.2 施肥裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

施肥裝置由儲肥桶、注肥泵、注射噴嘴等組成，如圖3所示。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，并且在上面還裝有電動攪拌器，用來使水和肥料充分均勻的混合。儲肥桶桶底連接管道，用于輸送水肥至輸水管，并且儲肥桶底部要設(shè)計成倒錐形結(jié)構(gòu)，方便輸送水肥和清洗儲肥桶。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，抽取到儲蓄池中的經(jīng)過攪拌均勻的水肥，從而可以均勻注入到移動式農(nóng)田大型澆灌施肥設(shè)備的輸水管內(nèi)。

圖3 泵注式施肥裝置示意圖

4.3 脫檔裝置設(shè)計

移動式農(nóng)田大型澆灌施肥設(shè)備經(jīng)過運輸，到達指定的灌溉農(nóng)田位置之后，在正式開始之前，首先要將噴頭車遷移到指定起始噴灌位置，這里采用拖拉機牽引方式，于此同時，在移動式農(nóng)田大型澆灌施肥設(shè)備上纏繞的PE軟管需要全部放出，這個過程稱為出管。由于采用的是拖拉機牽引方式出管，那么PE管的出管順利需要得到保障，為了能夠讓卷盤和主要的傳動系統(tǒng)相互脫離，需要在兩者之間設(shè)計一個能夠脫檔的裝置。

本文所設(shè)計的移動式農(nóng)田大型澆灌施肥設(shè)備的主傳動系統(tǒng)包括兩個部件：液壓馬達和行星齒輪減速器，驅(qū)動的動力源則采用的是液壓回轉(zhuǎn)裝置，在這套裝置中，一般的脫檔裝置并不能夠和我們的設(shè)計進行結(jié)合，這是由于卷盤式的噴灌機的動力運作系統(tǒng)和本系統(tǒng)是存在著比較大的架構(gòu)上的差異，最終重新設(shè)計，完成的脫檔的裝置機械結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 脫檔裝置結(jié)構(gòu)

脫檔裝置是一種凸輪機構(gòu)，它的驅(qū)動部件是偏心輪，由于凸輪的作用，整個液壓裝置可以垂直升降，這樣使得大齒圈和輸出齒輪之間能夠完成分離或者嚙合，滿足脫檔和掛擋的需求。脫檔裝置工作原理主要如下：

①脫檔裝置中有操作桿，它能夠進行180°的旋轉(zhuǎn)，通過操作桿來轉(zhuǎn)動偏心輪，同時，它帶有卡扣裝置，從而能夠在脫檔和掛擋的兩個工位鎖定偏心輪。

②掛擋：將操作桿旋轉(zhuǎn)到左側(cè)，此處為掛擋工位，偏心輪通過固定在液壓回轉(zhuǎn)裝置安裝架上的定位螺栓將液壓回轉(zhuǎn)裝置推升至凸輪機構(gòu)最高點，液壓回轉(zhuǎn)裝置輸出齒輪和大齒圈能夠正常的嚙合，使得掛擋成功；

③脫檔：將操作桿旋轉(zhuǎn)到右側(cè)，此處為脫檔工位，液壓回轉(zhuǎn)裝置下降至凸輪機構(gòu)最低點，此時液壓回轉(zhuǎn)裝置輸出齒輪與大齒圈完全脫離，即成功實現(xiàn)脫檔。

5 結(jié)語

由于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展進步，在現(xiàn)代的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中逐漸變得信息化、智能化以及機械化，所以也要求著農(nóng)業(yè)機械不斷變化提升。就本文所研究的噴灌機來說，傳統(tǒng)的機型存在著一系列的問題，例如結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，對于各種控制的精度很低，調(diào)速的范圍比較小，已經(jīng)很難再滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)要求，這也成為了降低農(nóng)業(yè)發(fā)展速度的主要因素之一。同時，各種土地流轉(zhuǎn)等政策的不斷實施，農(nóng)田的規(guī)模已經(jīng)比以前大很多，在以往農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常用的中小型噴灌機已經(jīng)不能滿足實際生產(chǎn)的要求。因此，為了提升噴灌機在灌溉作業(yè)中的效率和實現(xiàn)水肥一體化，本文對水肥一體化澆灌施肥設(shè)備進行了設(shè)計。