2023 年 1 月 灌溉排水學(xué)報(bào) 第 42 卷 第 1 期 Jan 2023 Journal of Irrigation and Drainage No 1 Vol 42 1 專(zhuān)家評(píng)述 文章編號(hào) 1672 3317 2023 01 0001 07 注入式水肥一體化裝置研究 李 紅 宋秀華 陳 超 張志洋 夏華猛 江蘇大學(xué) 國(guó)家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心 江蘇 鎮(zhèn)江 212013 摘 要 目的 為實(shí)現(xiàn)固體肥的水肥一體化 設(shè)計(jì)運(yùn)行穩(wěn)定 施肥均勻性高的水肥一體化裝置并在設(shè)計(jì)的樣機(jī)上進(jìn) 行試驗(yàn) 對(duì)注入式水肥一體化裝置結(jié)構(gòu)及加肥部分進(jìn)行設(shè)計(jì) 分析裝置運(yùn)行過(guò)程參數(shù) 方法 對(duì)裝置的運(yùn)行參數(shù)進(jìn) 行了試驗(yàn)測(cè)定 并采用控制變量法探究了裝置的工作參數(shù)對(duì)肥液濃度均勻性的影響 通過(guò)試驗(yàn)探究了裝置的施肥性 能 并與壓差施肥罐進(jìn)行了對(duì)比 結(jié)果 注入式水肥一體化裝置能正常工作運(yùn)行 樣機(jī)的注肥流量為 300 L h 加 肥流量與步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比 本裝置的攪拌速度越快 加肥流量越小 供水流量越大 肥液質(zhì)量 濃度均勻性就越 高 且本裝置施用 5 kg 復(fù)合肥時(shí) 的 最 優(yōu) 攪拌速度為 400 rpm 本裝置在供水流量分別為 1 5 1 0 m3 h 和 0 5 m3 h 時(shí) 施完 10 kg 復(fù)合肥的施肥 質(zhì)量濃度 偏差分別為 51 67 55 07 和 52 75 與壓差施肥罐相比 本裝置 施 完 10 kg 復(fù) 合肥 施肥質(zhì)量 濃度偏差 總體小 50 出口肥液質(zhì)量 濃度的穩(wěn)定性和均勻性遠(yuǎn)高于壓差施肥罐 結(jié)論 注入式水肥一 體化裝置能有效實(shí)現(xiàn)固體肥的水肥一體化 并將溶解的肥液持續(xù)注入到管道中 與同類(lèi)型施肥設(shè)備相比本裝置施肥 均勻性高 施肥速度快 具有很強(qiáng)的工程應(yīng)用價(jià)值 關(guān) 鍵 詞 固體肥 水肥一體化 管道灌溉 施肥均勻性 中圖分類(lèi)號(hào) S257 9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A doi 10 13522 ki ggps 2022307 OSID 李紅 宋秀華 陳超 等 注入式水肥一體化裝置研究 J 灌溉排水學(xué)報(bào) 2023 42 1 1 7 LI Hong SONG Xiuhua CHEN Chao et al An Injected Fertigation Device J Journal of Irrigation and Drainage 2023 42 1 1 7 0 引 言 研究意義 近年來(lái) 水肥一體化技術(shù)在中國(guó)得 到了快速的發(fā)展 1 2 具有充分利用水肥資源 提高 經(jīng)濟(jì)效益 的優(yōu)點(diǎn) 3 研究進(jìn)展 施肥 裝置 是實(shí)現(xiàn)水 肥一體化的關(guān)鍵裝置 常見(jiàn)的有壓差施肥罐 4 文丘 里施肥器 5 和比例施肥泵 6 以及注肥泵 但這些傳統(tǒng) 的 裝置已很難滿(mǎn)足水肥一體化技術(shù)更多元的要求 集 成傳統(tǒng)施肥裝置和智能控制系統(tǒng) 構(gòu)建智能施肥機(jī)已 然成為施肥裝置發(fā)展的大勢(shì)所趨 7 國(guó)外 早已將成熟 的智能施肥機(jī)產(chǎn)品推向市場(chǎng) 8 如 荷蘭 Priva 和以色 列 Eldarshany 公司 都推出了不同流量需求的施肥機(jī) 以色列 Netafim公司 的 Netajet高端機(jī)型更是在以色列 滴灌施肥中得到了廣泛的應(yīng)用 9 國(guó)內(nèi)智能施肥機(jī)也 在不斷發(fā)展 朱志堅(jiān)等 10 研制了一種自控變頻調(diào)速式 灌溉水注肥裝置 通過(guò)壓力泵將液體肥 注入 田間 李 建平等 11 劉永華等 12 都研究了一種水肥預(yù)混合裝置 再通過(guò)注肥泵或文丘里施肥器將肥液輸出到管道 張 收稿日期 2022 06 02 基金項(xiàng)目 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 51939005 江蘇省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃 現(xiàn) 代農(nóng)業(yè) 項(xiàng)目 BE2021340 作者簡(jiǎn)介 李紅 1967 女 研究員 博士生導(dǎo)師 主要從事流體機(jī)械 及排灌機(jī)械研究 E mail hli 青等 13 設(shè)計(jì)了一種移動(dòng)式灌溉施肥機(jī) 可移動(dòng)至所需 灌溉區(qū)域 并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制水肥灌溉 徐燦等 14 陸 紹德等 15 都 設(shè)計(jì)了一套水肥藥一體化裝備 并在樣機(jī) 上進(jìn)行試驗(yàn) 實(shí)現(xiàn)了節(jié)水 節(jié)肥 節(jié)藥 袁洪波等 16 研制了一種水肥一體化營(yíng)養(yǎng)液調(diào)控裝備 通過(guò) 控制系 統(tǒng)對(duì)營(yíng)養(yǎng)液制備過(guò)程進(jìn)行精確控制 切入點(diǎn) 現(xiàn)有 水肥一體化裝置多采用液體肥料進(jìn)行配肥 而 我國(guó) 大 田種植中多施用固體肥料 擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題 因 此 本研究開(kāi)發(fā)一種施用固體肥的注入式水肥一體化 施肥裝置 試驗(yàn)研究裝置的施肥性能 并與壓差施肥 罐進(jìn)行對(duì)比 驗(yàn)證裝置的先進(jìn)性 1 注入式水肥一體化裝置設(shè)計(jì) 1 1 結(jié)構(gòu)及工作原理 本研究提出了一種實(shí)現(xiàn)固體肥水肥一體化裝置 其施肥質(zhì)量濃度精量可調(diào) 裝置的結(jié)構(gòu)如圖 1 所示 該裝置主要由加肥部分 溶解部分 施肥部分以及控 制部分組成 加肥部分的加肥流量穩(wěn)定性及精確調(diào)控 是精量調(diào)節(jié)施肥質(zhì)量濃度的關(guān)鍵 為此基于螺桿送料 構(gòu)建了如圖 2 所示的加肥部分 料斗中的固體肥通過(guò) 進(jìn)料管進(jìn)入料筒中 步進(jìn) 電機(jī)帶動(dòng)料筒中的螺桿旋轉(zhuǎn) 螺桿推動(dòng)料筒中的固體肥從出料板側(cè)下落 完成肥料 的添加 調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速或改變螺桿參數(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì) 灌溉排水學(xué)報(bào) 2 加肥流量的調(diào)節(jié) 溶解部分由供水泵 攪拌桶 濾網(wǎng) 桶 攪拌電機(jī) 攪拌器等組成 其功能是將固體肥料 與水進(jìn)行充分混合 施肥部分由電導(dǎo)率儀 出水口及 柱塞泵依次從攪拌桶外壁延伸排列 組成 該裝置的工作原理是 固體肥料存放在儲(chǔ)料斗中 控制柜控制裝置運(yùn)行 首先開(kāi)啟電磁閥 水源通過(guò)直 流泵和進(jìn)水口注入攪拌桶中 待攪拌桶中注滿(mǎn)水后 步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)螺旋桿轉(zhuǎn)動(dòng) 肥料在螺旋桿的推動(dòng)下落 入攪拌桶中 同時(shí) 直流電機(jī)和柱塞泵啟動(dòng) 攪拌器在 直流電機(jī)的帶動(dòng)下 加速 攪拌桶內(nèi)的固體肥料 溶解 肥 液通過(guò)出水口經(jīng)過(guò)柱塞泵 將混合好的肥液注入到有 壓管道中 供水流量與注肥流量保持一致是系統(tǒng)穩(wěn)定 運(yùn)行的關(guān)鍵 當(dāng)達(dá)到所需施肥量后 停止加肥部分工 作 直流泵與柱塞泵持續(xù)工作至電導(dǎo)率儀檢測(cè)值接近 于純水 系統(tǒng)停止工作 裝置內(nèi)剩余液體用于清潔裝 置而后通過(guò)排污口排出 圖 1 注入式水肥一體化裝置結(jié)構(gòu)示意圖 Fig 1 Structure diagram of the injected fertigation device 注 1 料斗 2 底板 3 螺栓 4 進(jìn)料管 5 螺母 6 出料板 7 料筒 8 送料螺桿 9 擋板 10 螺栓 11 支架 12 步進(jìn)電機(jī) 圖 2 加肥 部分 原理圖 Fig 2 Schematic diagram of the fertilizer feeding component 1 2 水肥混合 過(guò)程模型 注入式水肥一體化裝置的水肥混合過(guò)程是 一個(gè) 動(dòng)態(tài)過(guò)程 供水流量與注肥流量平衡是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行 的關(guān)鍵 加肥速度的精確控制是出口肥液質(zhì)量濃度穩(wěn) 定的關(guān)鍵 因此建立了水肥混合動(dòng)態(tài)模型 分析注入 式水肥一體化裝置穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù) 在裝置運(yùn)行 過(guò)程中 假設(shè)攪拌桶內(nèi)液體體積保持不變 混合后的 肥料溶液質(zhì)量濃度 整體 均勻 則注入式水肥一體化裝 置的水肥混合過(guò)程輸入量為加肥速度 q t 與肥料的養(yǎng) 分量 C 和 供水流量 Qin t 輸出量為混合后的肥液質(zhì) 量濃度 Cout t 和輸出的肥液流量 Qout t 中間過(guò)程變 量為攪拌桶體積 V t 水肥混合過(guò)程模型如圖 3 所示 攪拌桶 V t 加肥過(guò)程 q t C 供 水過(guò)程 Q in t 混合后肥液 Q out t C out t 圖 3 水肥混合過(guò)程模型 Fig 3 Model of mixed fertilizer process 當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行的動(dòng)態(tài)平衡時(shí) 根據(jù)肥料量 守恒得到式 1 out o u t o u t d V t C t C q t Q t C tdt 1 根據(jù)攪拌桶中的肥液體積守恒得到 式 2 in o u t dV t Q t q t Q tdt 2 根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn) 需滿(mǎn)足要求輸入量與輸出量 流速相等 即 in out Q t q t Q t 3 將 式 2 和 式 3 代入式 1 得到水肥混合 過(guò)程表達(dá)式 4 即注入式水肥一體化裝置的水肥混 合動(dòng)態(tài)模型 out o u t o u t d C tV t Q t C t C q tdt 4 1 3 控制 系統(tǒng) 硬件及控制流程 注入式水肥一體化裝置的運(yùn)行過(guò)程是個(gè)動(dòng)態(tài)平 衡過(guò)程 供水流量與注肥流量的平衡 加肥速度的精 確控制是保證系統(tǒng)工作順利進(jìn)行的關(guān)鍵 為此本研究 基于單片機(jī)搭建了如圖 4 所示的控制系統(tǒng)硬件 STM32 單片機(jī) 17 發(fā)出不同頻率的 PWM 波來(lái)精確控 制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速 通過(guò)發(fā)送不同 PWM 波占空比給 驅(qū)動(dòng)電路來(lái)精確調(diào)節(jié)直流泵的供水流量 通過(guò)內(nèi)置的 程序控制電磁閥 柱塞泵 攪拌電機(jī)等各部件的啟動(dòng) 停止時(shí)間 該系統(tǒng)的控制程序流程如圖 5 所示 根據(jù) 測(cè)定的裝置運(yùn)行參數(shù)對(duì)本次加肥工作的加肥 流量 和 供水流量進(jìn)行預(yù)設(shè) 再設(shè)置加肥的總量 隨后發(fā)出命 令驅(qū)使供水泵 電磁閥工作 待攪拌桶中水到達(dá)指定 位置 出水口 時(shí)開(kāi)始加肥 同時(shí)發(fā)出指令使攪拌電 機(jī)和柱塞泵開(kāi)始工作 待肥料全部添加完成 加肥部 分停止工作 至電導(dǎo)率儀檢測(cè)出口肥液質(zhì)量濃度 接近 純水 肥液全部排出 直流泵 柱塞泵 攪拌器停 止工作 施肥作業(yè)完成 注 1 STM32 單片機(jī) 2 電磁閥 3 攪拌電機(jī) 4 驅(qū)動(dòng)器 5 步進(jìn)電機(jī) 6 驅(qū)動(dòng)電路 7 直流 泵 8 交流接觸器 9 柱塞泵 圖 4 控制系統(tǒng)硬件 Fig 4 Hardware of the control system 李紅 等 注入式水肥一體化裝置研究 3 開(kāi)始 系統(tǒng)初始化 設(shè)置施肥總量 開(kāi)啟電磁閥 直流泵 水注滿(mǎn)攪拌桶 步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng) 攪拌電機(jī) 啟動(dòng) 加肥完成 停止加肥 肥液全部排出 柱塞泵 開(kāi)啟 直流泵 攪拌電機(jī) 柱塞泵停止工作 結(jié)束 Y Y Y N N N 攪拌電機(jī) 柱塞泵 直流泵持續(xù)工作 圖 5 控制程序流程圖 Fig 5 Flow chart of the control program 2 材料與方法 2 1 裝置運(yùn)行 參數(shù)測(cè)定 基于以上設(shè)計(jì)方案試制了如圖 6 a 所示的試驗(yàn) 樣機(jī) 如圖 6 b 為 試驗(yàn)樣機(jī)的示意圖 選用名磊 JET370A 型自吸泵作為供水泵 額定流量 3 m3 h 柱塞泵為威力 J2 300 0 8 型 流量 300 L h 步進(jìn)電 機(jī)為步科 86HBS120 型步進(jìn)電機(jī) 攪拌電機(jī)選用學(xué)誠(chéng) 牌 直流電機(jī) 轉(zhuǎn)速可選 100 500 rpm 為設(shè)置裝置各 部件的運(yùn)行配合時(shí)間 對(duì)注入式水肥一體化裝置的加 肥流量 和注肥流量進(jìn)行測(cè)定 設(shè)置直流電機(jī)轉(zhuǎn)速為 100 rpm 測(cè)定加肥流量時(shí) 選用市場(chǎng)上常見(jiàn)的 3 種 固體 肥料 正元尿素 含 氮量 46 中化氯化 鉀 K2O 60 和 中東 復(fù)合肥 N P2O K2O 40 N18 P12 K12 將 10 kg 的 3 種肥料分別加入料 斗中 測(cè)量在不同轉(zhuǎn)速下肥料添加完的時(shí)間 測(cè)定注 肥流量時(shí)以水代替肥液 將 10 20 30 40 L 的水 經(jīng)柱塞泵注入壓力分別為 0 1 0 6 MPa 的管道中 記 錄注完時(shí)間 換算出注肥流量 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 a 試驗(yàn)樣機(jī) b 示意圖 注 1 供水泵 2 電磁閥 3 流量計(jì) 4 攪拌電機(jī) 5 料斗 6 步進(jìn)電機(jī) 7 濾網(wǎng)桶 8 攪拌器 9 柱塞泵 10 攪拌桶 圖 6 注入式水肥一體化裝置 Fig 6 The injected fertigation device 2 2 裝置 工作 參數(shù)對(duì)肥液質(zhì)量濃度均勻性的影響試驗(yàn) 為研究注入式水肥一體化裝置的工作參數(shù) 攪拌 速度 加肥流量 供水流量 對(duì)肥液質(zhì)量濃度均勻性 的影響 在圖 6 所示的樣機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn) 選擇直徑 300 mm 目數(shù) 100 目的濾網(wǎng)桶 設(shè)計(jì)如下單因素試 驗(yàn)分別研究 3 個(gè)工作參數(shù)對(duì)肥液質(zhì)量濃度的影響 保 持 10 kg h 的加肥流量以及 2 m3 h 的供水流量 將攪 拌電機(jī)的轉(zhuǎn)速分別設(shè)置為 100 200 300 400 500 rpm 供水流量設(shè)定為 2 m3 h 設(shè)定攪拌速度為 400 rpm 調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速使加肥流量分別為 10 12 14 16 18 kg h 設(shè)定 10 kg h 的加肥流量與 400 rpm 的攪拌速度 調(diào)節(jié)閥門(mén)使供水流量分別為 1 0 1 5 2 0 m3 h 試驗(yàn)時(shí)在料斗中加入 5 kg 復(fù)合肥 同時(shí)啟 動(dòng)加肥部件和供水泵 當(dāng)有肥液從柱塞泵中流出時(shí)開(kāi) 始計(jì)時(shí) 每隔 1 min 在 柱塞泵出口取樣測(cè)量電導(dǎo)率并 換算成肥液 質(zhì)量 濃度 肥 料全部添加后測(cè)得 質(zhì)量濃 度低于 1 g L 時(shí)試驗(yàn)結(jié)束 在試驗(yàn)前對(duì)復(fù)合肥溶液 質(zhì)量濃度與電導(dǎo)率的關(guān)系進(jìn)行了標(biāo)定 18 其關(guān)系如 式 5 所示 C 0 784EC 0 590 5 基于相對(duì)偏差公式建立了如式 6 所示的施肥 質(zhì)量濃度 偏差 F 來(lái)評(píng)價(jià)裝置的施肥均勻性 施肥質(zhì) 量濃度偏差越小 施肥均勻性越高 F 1N ci cM 2 100 Ni 1 6 式中 N 為 樣本個(gè)數(shù) ci為 第 i 個(gè)樣本的肥液 質(zhì)量 濃 度 g L cM 為平均肥液質(zhì)量濃度 g L 2 3 裝置施肥性能試驗(yàn) 為研究注入式水肥一體化裝置的 性能 在測(cè)定了 裝置 運(yùn)行 參數(shù)和 試驗(yàn)驗(yàn)證了工作 參數(shù)對(duì)肥液質(zhì)量濃度 均勻性影響的基礎(chǔ)上 在試制樣機(jī)上開(kāi)展實(shí)際施肥性 能試驗(yàn) 試驗(yàn)樣機(jī)結(jié)合前文運(yùn)行過(guò)程參數(shù)的設(shè)計(jì) 保 證樣機(jī)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行 維持出口肥液持續(xù)輸出 試驗(yàn) 時(shí)向料斗中添加 10 kg 的復(fù)合肥 加肥速度設(shè)為 0 26 kg min 供水流量選取 1 5 1 0 m3 h 和 0 5 m3 h 柱塞 泵開(kāi)始注肥時(shí)計(jì)時(shí) 每隔 1 min 在施肥裝置出口取樣 經(jīng)過(guò)稀釋后測(cè)量樣本電導(dǎo)率 并換算成肥液質(zhì)量 濃度 2 4 壓差施肥罐施肥性能試驗(yàn) 同為施用固體肥料的水肥一體化裝置 將本研究 所設(shè)計(jì)的施肥裝置與壓差施肥罐進(jìn)行對(duì)比 有利于更 好的衡量本裝置性能 壓差施肥罐的水力性能試驗(yàn)裝 置及布置如圖 7 所示 試驗(yàn)水源來(lái)自地下水庫(kù) 水庫(kù) 出水口接離心泵 流量 10 m3 h 揚(yáng)程 70 m 用于提 供試驗(yàn)所需流量和壓力 通過(guò)安裝在首部的閥門(mén)調(diào)節(jié) 進(jìn)入主管路 50 mm 的水體流量 主管路和施肥 灌溉排水學(xué)報(bào) 4 管路 25 mm 的流量分別由精度為 0 3 的電磁流 量計(jì) 3 LWGY 50 9 LWGY 25 測(cè)得 在施肥罐 上 下游分別安裝壓力表 4 6 量程 0 0 6 MPa 精 度為 0 4 用于監(jiān)測(cè)通過(guò)施肥罐的壓差 施肥罐上 下游的壓差主要靠調(diào)壓閥 50 mm 實(shí)現(xiàn) 試驗(yàn)采 用 50 L的壓差施肥罐 其進(jìn)出口管道直徑為 15 mm 將 10 kg 復(fù)合肥與水充分溶解后加入施肥罐中 為獲 取壓差施肥罐的水力性能 在施肥罐出口設(shè)置取樣點(diǎn) 11 從取樣口取出的肥液 用電導(dǎo)率儀測(cè)定 換算成 肥液質(zhì)量濃度 壓差式施肥罐的水力性能研究主要考 慮了施肥量和壓差 2 個(gè)因素 19 試驗(yàn)中保持施肥罐出 口主管路上壓力 P1為 0 10 MPa 壓差分別調(diào)至 0 05 0 10 MPa 和 0 15 MPa 20 從施肥罐出口有肥液流出 時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí) 每隔 1 min 采集 1 次樣本 當(dāng)采集到的 樣本質(zhì)量濃度近似于純水時(shí) 試驗(yàn)結(jié)束 注 1 水泵 2 閥門(mén) 3 流量計(jì) 4 壓力表 5 調(diào)壓閥 6 壓力表 7 閥門(mén) 8 閥門(mén) 9 流量計(jì) 10 壓差施肥罐 11 采樣點(diǎn) 12 閥門(mén) 圖 7 壓差施肥罐性能測(cè)試試驗(yàn) 示意圖 Fig 7 Schematic diagram of performance test for the pressure differential tank 3 結(jié)果與分析 3 1 注式水肥一體化裝置工作 性能參數(shù) 裝置添加 3 種肥料時(shí)的加肥流量與電機(jī)轉(zhuǎn)速如 圖 8 所示 氯化鉀添加的最快 復(fù)合肥次之 尿素最 慢 加肥流量 Q2 與電機(jī)轉(zhuǎn)速 n 呈線(xiàn)性關(guān)系 經(jīng)過(guò)擬 合 得到加肥流量與步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系如式 7 所示 3 種肥料的擬合系數(shù) a b 見(jiàn)圖 8 Q2 an b 7 圖 8 3 種肥料加肥流量與電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系 Fig 8 Relationship between the fertilizer feeding rate and motor speed 不同管道壓力下裝置的注肥流量如表 1 所示 柱 塞泵的注肥流量基本不會(huì)隨著注入液體的量以及管 道壓力發(fā)生變化 取其平均值 300 L h 作為注肥流量 輸入到控制程序中 表 1 不同管道壓力下裝置的注肥流量 Table 1 Fertilizer injection flow rate of the fertigation device under different pipe pressure 注入量 L 管道壓力 MPa 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 10 305 300 297 295 296 300 20 300 305 301 295 306 303 30 299 296 303 301 299 309 40 298 300 297 303 295 295 3 2 裝置工作參數(shù)對(duì)肥液質(zhì)量濃度均勻性的影響 3 2 1 攪拌速度對(duì)肥液質(zhì)量濃度均勻性的影響 不同攪拌速度下裝置出肥質(zhì)量濃度隨時(shí)間的變 化如圖 9 所示 攪拌速度為 400 rpm 和 500 rpm 時(shí) 肥液 質(zhì)量 濃度均在 5 min時(shí)達(dá)到 4 5 g L 比 100 200 300 rpm 時(shí)分別快了 9 5 4 min 由 式 6 計(jì)算可 得攪拌速度為 100 200 300 400 500 rpm 時(shí)的肥 液質(zhì)量濃度偏差分別為 44 65 33 03 25 47 19 98 19 08 故攪拌速度越快 肥液質(zhì)量濃度均 勻性越高 將各攪拌速度下的肥液 質(zhì)量 濃度偏差繪于 圖 10 結(jié)果表明施肥質(zhì)量濃度偏差隨攪拌速度的增 加而降低 但攪拌速度越快 偏差降低的速度越慢 表明攪拌速度大時(shí) 固體肥溶解速度隨攪拌速度增加 的增量減小 當(dāng)攪拌速度超過(guò) 400 rpm 后 攪拌速度 的增加對(duì)肥液 質(zhì)量 濃度均勻性的提升不大 因此 本裝 置在施用 5 kg 復(fù)合肥時(shí)的最優(yōu)攪拌速度為 400 rpm 圖 9 不同攪拌速度下肥液質(zhì)量濃度 變化 Fig 9 Variation of fertilizer concentration under different mixing speeds 圖 10 肥液 質(zhì)量濃度 偏差與攪拌速度的關(guān)系 Fig 10 Relationship between the fertilization concentration deviation and the mixing speed 0 1 2 3 4 5 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 加肥流量 Q kg mi n 1 電機(jī)轉(zhuǎn)速 n rpm 氯化鉀 Q 2 0 041 2n 0 149 R2 0 998 復(fù)合肥 Q 2 0 038n 0 053 6 R2 0 996 尿素 Q2 0 029 5n 0 123 5 R2 0 994 線(xiàn)性 氯化鉀 Q 2 0 041 2n 0 149 R2 0 998 線(xiàn)性 復(fù)合肥 Q 2 0 038n 0 053 6 R2 0 996 線(xiàn)性 尿素 Q 2 0 029 5n 0 123 5 R2 0 994 0 2 4 6 0 10 20 30 40 肥液質(zhì)量濃度 g L 1 時(shí)間 min 攪拌速度 rpm 100 200 300 400 500 0 10 20 30 40 50 100 200 300 400 500 肥液濃度偏差 攪拌速度 rpm 李紅 等 注入式水肥一體化裝置研究 5 3 2 2 加肥流量對(duì)肥液質(zhì)量濃度均勻性的影響 不同加肥流量下的肥液質(zhì)量濃度如圖 11 所示 加肥流量越大 混肥桶中剛有肥液流出時(shí)測(cè)得的肥液 質(zhì)量濃度越高 這是因?yàn)榧臃柿髁看髸r(shí)相同時(shí)間內(nèi)添 加到混肥部件中的肥料更多 5 組試驗(yàn)中的肥液 質(zhì)量 濃度均在 5 min 左右達(dá)到穩(wěn)定質(zhì)量 濃度 表明加肥流 量對(duì)肥液達(dá)到較穩(wěn)定 質(zhì)量 濃度所需的時(shí)間影響不大 由式 6 計(jì)算可得加肥流量為 10 12 14 16 18 kg h時(shí)的肥液 質(zhì)量濃度偏差 分別為 19 98 41 45 61 77 89 56 和 118 48 表明加肥流量越小 肥 液 質(zhì)量濃度均勻性越高 此外當(dāng)肥料全部添加完成后 肥液 質(zhì)量 濃度降低到 1 g L 的時(shí)間隨著加肥流量的增 大而延長(zhǎng) 因 為加肥流量大時(shí)肥液質(zhì)量濃度也高 質(zhì) 量 濃度降低到 1 g L 所需降低的量也越大 所需的降低 時(shí)間也就越長(zhǎng) 圖 11 不同加肥流量下的肥液質(zhì)量 濃度變化 Fig 11 Variation of fertilizer concentration under different fertilizer feeding flow rates 3 2 3 供水流量對(duì)肥液 質(zhì)量 濃度均勻性的影響 不同供水流量下的肥液 質(zhì)量 濃度變化如圖 12 所 示 供水流量越大 相同時(shí)刻的肥液質(zhì)量濃度 越低 肥液 質(zhì)量 濃度達(dá)到穩(wěn)定階段的時(shí)間也越短 這是因?yàn)?較大的供水流量能更快地將肥料從混肥桶中置換出 來(lái) 降低肥料溶解滯后性對(duì)肥液質(zhì)量濃度的影響 由 式 6 計(jì)算可得供水流量為 2 0 1 5 m3 h 和 1 0 m3 h 試驗(yàn)組中的肥液質(zhì)量濃度偏差 分別 為 19 98 36 64 和 57 54 供水流量為 2 m3 h 時(shí)肥液質(zhì)量 濃度偏差 最小 肥液質(zhì)量濃度均勻性最高 表明混肥桶中的肥 液 質(zhì)量濃度均勻性隨供水流量的增大而提高 此外肥 液 質(zhì)量濃度降低到 1 g L 所需時(shí)間隨供水流量的降低 而延長(zhǎng) 因?yàn)楣┧髁枯^小時(shí) 相同時(shí)間內(nèi)水置換出 的肥料少 加上質(zhì)量濃度降低量大 導(dǎo)致需花費(fèi)更長(zhǎng) 時(shí)間才能將肥液質(zhì)量濃度降低到 1 g L 3 3 注入式水肥一體化裝置的施肥性能 裝置在 3 個(gè)設(shè)定供水流量下分別施完 10 kg 復(fù)合 肥 且裝置內(nèi)無(wú)肥液和固體肥料剩余 裝置出口不同 供水流量設(shè)定下 肥液 質(zhì)量 濃度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)如 圖 13 所示 可以看出 注入式水肥一體化裝置在系統(tǒng)運(yùn)行的 前 10 min 內(nèi)處于調(diào)整階段 而后在理想質(zhì)量濃度周 邊波動(dòng)但波動(dòng)不大 其肥液質(zhì)量濃度較穩(wěn)定 在最后 20 min 內(nèi)肥液質(zhì)量濃度緩慢下降 這是因?yàn)橥Ｖ辜臃?后 直流泵與柱塞泵持續(xù)工作至肥液全部排出 經(jīng)過(guò) 式 6 計(jì)算可得 施肥裝置在供水流量分別為 1 5 1 0 0 5 m3 h 時(shí) 施完 10 kg 復(fù)合肥的施肥 質(zhì)量濃度 偏差分別為 51 67 55 07 52 75 施肥質(zhì)量 濃 度與平均肥液 質(zhì)量 濃度的偏差較小 表明施肥均勻性 高 且當(dāng)加肥速度一定時(shí) 肥液質(zhì)量濃度的穩(wěn)定值會(huì) 隨著供水流量的增大而降低 圖 12 不同供水流量下裝置出肥質(zhì)量濃度 變化 Fig 12 Variation of fertilizer concentration under different inlet water flow rates 圖 13 注入式水肥一體化裝置出口肥液 質(zhì)量 濃度隨時(shí)間的變化 Fig 13 Variation of fertilizer concentration at the outlet with time of the injected fertigation device 3 4 與壓差施肥罐的施肥性能對(duì)比 圖 13 展示了注入式水肥一體化裝置施用 10 kg 復(fù)合肥時(shí)不同供水流量下的出口肥液質(zhì)量濃度變化 將注入式水肥一體化裝置施肥性能的 部分 試驗(yàn)結(jié)果 與施用 10 kg 復(fù)合肥時(shí)不同壓差下的壓差施肥罐的試 驗(yàn)結(jié)果共同繪于圖 14 從質(zhì)量濃度曲線(xiàn)可以看出 壓 差式施肥罐的出口肥液 質(zhì)量 濃度呈指數(shù)型下降 21 最 大 質(zhì)量濃度差達(dá)到了近 200 g L 而 注入式水肥一體化 裝置的肥液 質(zhì)量 濃度差小 不超過(guò) 10g L 根據(jù)式 6 壓差施肥罐的壓差為 0 05 0 10 MPa 和 0 15 MPa 時(shí) 施肥 質(zhì)量 濃度偏差分別為 99 84 101 85 110 36 壓差施肥罐出肥 質(zhì)量 濃度 隨 時(shí)間變化如 圖 14 所示 表 明出肥 質(zhì)量 濃度隨時(shí)間遞減 肥液質(zhì)量濃度在初始的 10 min 內(nèi)下降很快 之后逐漸趨于平穩(wěn) 壓差越大 出口肥液質(zhì)量濃度衰減的就越快 施肥時(shí)間也越短 從出口肥液質(zhì)量濃度 曲線(xiàn)的穩(wěn)定程度上可以看出 施 用同樣重量的固體肥料情況下 注入式水肥一體化裝 0 2 4 6 8 10 0 5 10 15 20 25 30 35 40 肥液質(zhì)量濃度 g L 1 時(shí)間 min 加肥流量 kg h 1 10 12 14 16 18 0 2 4 6 8 10 12 0 5 10 15 20 25 30 35 40 肥液質(zhì)量濃度 g L 1 時(shí)間 min 供水流量 m3 h 1 1 0 1 5 2 0 0 2 4 6 8 10 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 肥液質(zhì)量濃度 g L 1 時(shí)間 min 供水流量 m3 h 1 1 5 1 0 0 5 灌溉排水學(xué)報(bào) 6 置的施肥 質(zhì)量 濃度偏差比壓差施肥罐施肥 質(zhì)量濃度 偏差小 50 則注入式水肥一體化裝置在施肥均勻 性方面要遠(yuǎn)優(yōu)于同樣施用固體肥料的壓差施肥罐 圖 14 注入式水肥一體化裝置與壓差施肥罐的施肥性能對(duì)比 Fig 14 Fertilization performance comparison between the injected fertigation device and the pressure differential tank 4 討 論 本研究發(fā)現(xiàn) 加肥流量與電機(jī)轉(zhuǎn)速呈線(xiàn)性相關(guān) 在測(cè)定注肥流量時(shí) 本裝置采用了柱塞泵 試驗(yàn)表明 柱塞泵的注肥流量基本不會(huì)隨著注入液體的量以及 管道壓力發(fā)生變化 這與王晶晶等 22 研究 結(jié)果相似 其通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了柱塞泵在 100 行程工作時(shí) 柱塞 泵流量受灌溉管道壓力波動(dòng)影響很小 此外 壓差罐 的 質(zhì)量濃度在最初 10 min 內(nèi)隨時(shí)間迅速下降 然后 逐漸穩(wěn)定 所得結(jié)果與 Li 等 23 研究一致 施肥裝置 的施肥質(zhì)量濃度偏差大于 30 這是由于肥料溶解滯 后造成的 當(dāng)前施肥裝置實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化運(yùn)行 未來(lái)可 在現(xiàn)有裝置肥基礎(chǔ)上引入檢測(cè)反饋系統(tǒng) 提高系統(tǒng)的 精準(zhǔn)性 實(shí)現(xiàn)智能化運(yùn)行 5 結(jié) 論 1 針對(duì)施用固體肥的大田管道灌溉 研發(fā)了注 入式水肥一體化裝置 并設(shè)計(jì)了加肥部分 提高了加 肥流量的控制精度 建立了水肥混合過(guò)程模型 設(shè)計(jì) 裝置硬件及控制流程 保證裝置出口肥液持續(xù)穩(wěn)定輸 出肥液 通過(guò)控制系統(tǒng)調(diào)控各部件的配合運(yùn)行 實(shí)現(xiàn) 持續(xù)地向壓力管道中注肥 2 注入式水肥一體化裝置注肥流量穩(wěn)定 能實(shí) 現(xiàn) 持續(xù)穩(wěn)定注肥 加肥流量與肥料種類(lèi)有關(guān)且與步進(jìn) 電機(jī)轉(zhuǎn)速呈線(xiàn)性關(guān)系 攪拌速度越快 肥液 質(zhì)量濃度 均勻性就越高 且本裝置施用復(fù)合肥的最優(yōu)攪拌速度 為 400 rpm 加肥流量越小 肥液 質(zhì)量 濃度均勻性就 越高 供水流量越大 肥液 質(zhì)量 濃度均勻性就越高 3 注入式水肥一體化裝置 的施肥 質(zhì)量濃度 偏差 比壓差施肥罐小 50 表明注入式水肥一體化裝置具 有更高的施肥均勻性和肥液穩(wěn)定性 參考文獻(xiàn) 1 趙春江 郭文忠 中國(guó)水肥一體化裝備的分類(lèi)及發(fā)展方向 J 農(nóng)業(yè) 工程技術(shù) 2017 37 7 10 15 ZHAO Chunjiang GUO Wenzhong Classification and development direction of integrated water and fertilizer equipment in China J Agricultural Engineering Technology 2017 37 7 10 15 2 朱亮 曾值 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