徐 翔 石榮玲 胡萬佳 顧峰博 王加龍

(徐州工程學院，江蘇 徐州 221000)

1 澆灌施肥裝置的背景和工作原理

直至20 世紀末，大型噴灌機的主要技術才被我國研究人員掌握，于是在市場中進行推廣。當前農村經濟體制改革需要噴灌，噴灌對提高作物產值，解決水資源不足問題，對農業(yè)的進步都意義非凡。截止至今，在我國的大型噴灌機的數(shù)量越來越多。尤其是在進入21 世紀后，我國對于研究和創(chuàng)新大型噴灌機設備的進程已進入到工業(yè)化生產階段。水肥一體化技術，指灌溉與施肥融為一體的農業(yè)新技術。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行均勻施肥。

2 設計參數(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)的土地結構是怎樣的，這些都會造成影響。可以通過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備的管徑粗細，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，從而影響整機的結構尺寸；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應該因具備良好的水力性能、耐腐蝕與耐磨性并可以產生較大的變形。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)設計的灌水定額，初步確定智能水肥一體化的施肥裝置的設計灌溉降水量8～50mm，把PE 管的回收速度設置成為10～60m/h，PE 選擇140mm 的管外徑，壁厚11.4mm，PE 管總長度500m，設計使用壽命15 年。

2.3 系統(tǒng)流量設計

系統(tǒng)設計流量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量。計算公式如下：

式中：

m- 設計灌水定額，取值19mm；A- 卷盤式噴灌機控制面積，取值600 畝；T- 輪灌周期，取值7d；t- 卷盤式噴灌機日作業(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。輪灌周期內噴灌控制面積為：120×55.86×10×7/667=703 畝，滿足設計要求。

2.6 噴灌強度

智能水肥一體化的施肥裝置的噴灌強度由下式計算：

ρ- 噴灌強度，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 輸水干管設計

輸水干管經濟流量為：Q 干=Qp=115.1m3/h=0.03197m3/s。

由式：

式中：

d干- 輸水干管的經濟內徑，m；Q干- 輸水干管的經濟流量，m3/s；V干- 輸水干管的經濟流速，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，將儲肥桶底部設計成倒錐形結構。儲肥桶用托架支撐在地面上。通過電力來驅動注肥泵，并且是施肥裝置的動力，通過注射噴嘴噴射的方式，抽取儲蓄池中的經過攪拌已經混合均勻的水肥，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。

施肥裝置原理如下：

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

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

(2)儲肥桶設計。儲肥桶設計成圓桶形，桶底設計成倒錐結構，并有支架支撐，便于水肥溶液輸送和清洗儲肥桶，在桶頂設有直徑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。經過計算，將儲肥桶的容積確定為3000L。

(3)注射噴嘴設計。泵注式的施肥裝置有一個很關鍵的設備，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，孔口的位置處于進水管的中心軸線部位。注射噴嘴的孔口的直徑、進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)機架結構設計。機架是移動式農田大型灌溉施肥設備的主要部件之一，它的主要功能是支撐卷盤等部件，機架的作用是將移動式農田大型灌溉施肥設備的各個部分連接成一個整體。移動式農田大型灌溉施肥設備要正常發(fā)揮，那么對于機架的架構強度有著很高的要求，必須要能承受住來自工作過程中產生的荷載；此外，機架的尺寸是決定移動式農田大型灌溉施肥的整體尺寸的主要因素，因此，在移動式農田大型灌溉施肥設備中，盡量減小機架的尺寸，對于提高性能具有重要意義。

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

4 結論

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