徐 翔 石荣玲 胡万佳 顾峰博 王加龙
(徐州工程学院，江苏 徐州 221000)
1 浇灌施肥装置的背景和工作原理
直至20 世纪末，大型喷灌机的主要技术才被我国研究人员掌握，于是在市场中进行推广。当前农村经济体制改革需要喷灌，喷灌对提高作物产值，解决水资源不足问题，对农业的进步都意义非凡。截止至今，在我国的大型喷灌机的数量越来越多。尤其是在进入21 世纪后，我国对于研究和创新大型喷灌机设备的进程已进入到工业化生产阶段。水肥一体化技术，指灌溉与施肥融为一体的农业新技术。水肥一体化是借助液压系统，将可溶性固体或液体肥料，按作物种类的需肥规律和特点，配兑成的肥液与灌溉水一起，通过管道系统供水供肥至储肥桶，混合均匀后，通过注肥泵输送至喷头进行均匀施肥。
2 设计参数确定
2.1 灌水定额计算
灌水定额是智能水肥一体化的施肥装置进行水力灌溉需要参考的条件，根据不同的作物以及不同作物对水的需要，这会使得灌水定额发生改变，还有如何去灌溉用水、如何让水资源得到最大利用、一个地区天气的情况，以及该地区的土地结构是怎样的，这些都会造成影响。可以通过以下的公式来计算灌水定额：
式中：m- 灌水定额(mm)；γ1- 土壤容重，取值1.4g/cm3；γ2- 土壤容重，取值1.0g/cm3；h- 计划湿润层深度, 取值40cm；β1- 适宜土壤含水量上限(重量百分比)，取值90%；β2- 适宜土壤含水量下限(重量百分比)，取值60%；η- 灌溉水利用系数，见表1。η 取值0.9，将上述数值代入公式：计算得到m=19mm。
表1 田间喷洒水利用系数
2.2 输水管的确定
智能水肥一体化的施肥装置按照规定的管材管径的要求来选取该设备的管径粗细，采用直径究竟是多少的输水管，一方面需要考虑卷盘的大小，因为输水管缠绕在卷盘上，输水管的管径大小将会直接影响到卷盘的大小，从而影响整机的结构尺寸；另一方面需要考虑阻力因素，因为输水管通过卷盘牵引缠绕，过大的管径会造成阻力加大；再一方面，输水管在工作时需要承受压力和外力的牵扯，同时，应该不断得输入水肥溶液，由于需要在恶劣的环境下工作，所以输水管所采用的材质应该因具备良好的水力性能、耐腐蚀与耐磨性并可以产生较大的变形。而PE 是聚乙烯塑料，其具有较好的耐腐蚀性与抗拉、抗压能力，符合各项要求，因此，选择PE 管作为输水管。
根据设计的灌水定额，初步确定智能水肥一体化的施肥装置的设计灌溉降水量8～50mm，把PE 管的回收速度设置成为10～60m/h，PE 选择140mm 的管外径，壁厚11.4mm，PE 管总长度500m，设计使用寿命15 年。
2.3 系统流量设计
系统设计流量Qp(m3/h)，即供水系统需要提供给智能水肥一体化的施肥装置的入机量。计算公式如下：
式中：
m- 设计灌水定额，取值19mm；A- 卷盘式喷灌机控制面积，取值600 亩；T- 轮灌周期，取值7d；t- 卷盘式喷灌机日作业时间，取值10h。代入数据计算得：QP=108.6m3/h。依计算结果看，选用考米特(Komet)AP 101 系列喷枪的直径d=33mm，最大流量Q=115.1m3/h，最大射程R=69.7m，额定工作压力7.5bar。所以修正设计的流量Qp=115.1m3/h。
2.4 规划灌溉条带宽度
灌溉条带宽度可由下式计算：
式中：
B- 规划灌溉条带宽度m；k- 射程折叠系数，见表2；R- 喷头射程，m;
表2 射程折叠系数
k 取值0.7，可得B=97.6m。
2.5 行走速度
喷头车作业时的行走速度可按下式计算：
式中：
v- 喷头车作业时的移动速度，m/h；η- 田间喷洒水利用系数，取值0.9；代入数据计算得：v=55.86m/h。轮灌周期内喷灌控制面积为：120×55.86×10×7/667=703 亩，满足设计要求。
2.6 喷灌强度
智能水肥一体化的施肥装置的喷灌强度由下式计算：
ρ- 喷灌强度，mm/h；α- 喷洒扇形角，一般取α=200°～300°；α 取值240°，代入数据计算得：ρ=14mm/h＜15mm/h,故满足要求。
2.7 输水干管设计
输水干管经济流量为：Q 干=Qp=115.1m3/h=0.03197m3/s。
由式：
式中：
d干- 输水干管的经济内径，m；Q干- 输水干管的经济流量，m3/s；V干- 输水干管的经济流速，m/s，取V干= 1.34m / s。代入数据计算得，d干=0.1745m =174.5mm。因此本文中显然是可以使用UPVC 输水管来作为输水的主干管道材料，它的规格是180mm×9.6mm(外径×壁厚)，输水管的主干采用的长度是：L干=420m；计算可知：d干=180-9.6×2=160.8mm。
3 智能水肥一体化的施肥装置(图1)
图1
由储肥桶搅拌器、泵流量率定管、注肥泵、注射喷嘴、输水管等组成。如图储肥桶既是用来储存肥料的装置，也是用来均匀水肥混合的装置，在储肥桶上方装有注水口和注肥料口，两者控制着一定的速率，并且在上面还装有电动搅拌器，使水和肥料进行充分均匀的混合。储肥桶桶底连接管道，用于输送水肥至输水管，为了方便输送水肥和清洗储肥桶，将储肥桶底部设计成倒锥形结构。储肥桶用托架支撑在地面上。通过电力来驱动注肥泵，并且是施肥装置的动力，通过注射喷嘴喷射的方式，抽取储蓄池中的经过搅拌已经混合均匀的水肥，从而可以均匀注入到智能水肥一体化的施肥装置的输水管内。
施肥装置原理如下：
(1)注肥泵设计。从降低成本、维护保养、提高可靠性等因素进行考虑，本文选择水平布置的卧式单作用柱塞式注肥泵。
国内多数移动式农田大型浇灌设备入机流量范围为80～160m3/h，入机的压力一般设置为0.45～1.0MPa；与此同时，喷洒肥液对农作物影响很大，按要求不适宜超过0.3%。经过计算，注肥泵的最大工作压力设计为1.0MPa，同时双缸的流量设计为600L/h 还有300L/h，这样可以满足国内绝大多数移动式农田大型浇灌设备的喷灌施肥要求。
(2)储肥桶设计。储肥桶设计成圆桶形，桶底设计成倒锥结构，并有支架支撑，便于水肥溶液输送和清洗储肥桶，在桶顶设有直径50cm 的施肥口和直径5cm 的注水口。储肥桶容积的确定需要综合考虑多方面的影响因素，主要包括：①加工、运输的成本尽量低，同时需要方便；②与电动搅拌器之间应该有合理的配合；③配置完成施肥作业所需的肥料时，次数要尽可能的少，但是要和注肥泵的工作流量之间互相匹配；④对于施肥液的配置时间，必须是要合理合适的。经过计算，将储肥桶的容积确定为3000L。
(3)注射喷嘴设计。泵注式的施肥装置有一个很关键的设备，就是注射喷嘴，它的性能将很大程度的影响系统是否能良好运行以及灌溉施肥是否均匀。在本文中，设计的注射喷嘴以及它的安装示意图如图2 所示，注射喷嘴的格林接头两端分别连接注肥泵罐体出口管道以及输水管，在出口头部，4 个喷嘴孔口安装在周围，孔口的位置处于进水管的中心轴线部位。注射喷嘴的孔口的直径、进水管的安装位置还有孔口的数目这些因素，都会影响水肥溶液的混合效果。为了避免灌溉水的倒流，注射喷嘴具有单向止回功能。
图2
(4)机架结构设计。机架是移动式农田大型灌溉施肥设备的主要部件之一，它的主要功能是支撑卷盘等部件，机架的作用是将移动式农田大型灌溉施肥设备的各个部分连接成一个整体。移动式农田大型灌溉施肥设备要正常发挥，那幺对于机架的架构强度有着很高的要求，必须要能承受住来自工作过程中产生的荷载；此外，机架的尺寸是决定移动式农田大型灌溉施肥的整体尺寸的主要因素，因此，在移动式农田大型灌溉施肥设备中，尽量减小机架的尺寸，对于提高性能具有重要意义。
机架主要由以下三部分组成，即支撑架、转盘和底盘架。转盘固定在底盘架上，支撑架安装在转盘上，用于支撑和安装卷筒等部件。
4 结论
本文分析并研究了卷盘式喷灌机施肥装置的工作原理，在此基础上研究设计了智能水肥一体化的施肥装置整体结构，也分析了智能水肥一体化的施肥装置的主要结构及其特点，通过查阅资料进行计算，确定了设计参数，为本文的设计打下基础。
