移動式水肥一體化設備的方案設計

徐 翔，石榮玲，胡萬佳，王加龍，顧峰博

（徐州工程學院，江蘇 徐州 221000）

1 設計背景

我國作為農業大國，每年糧食產量位于世界前列，而農業生產中，最重要便是農作物的灌溉，然而我國的水資源現狀卻十分嚴峻。據統計，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。農業用水匱乏直接影響到我國社會的持續進步和國民經濟的持續健康發展。現在，我國全國用水量的73.40%是農業用水，但是不能被合理利用，我國灌溉水的利用率僅為30%～40%，遠低于發達國家。當前我國農業灌溉地面積大約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，傳統落后的灌溉方法仍在2/3的耕地中繼續使用[1-2]。

傳統的農業灌溉方法，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、破壞土壤結構等問題，對我國農業的生產發展十分不利。從國家可持續發展戰略角度出發，我國的農業生產現狀和我國水資源的開發現狀十分不適配，存在水資源利用率低、灌溉用水利用率低、浪費嚴重等問題。

為了解決這類問題采用節水設備進行灌溉施肥就顯得十分重要。灌溉施肥設備通過噴灌、滴灌等灌水設備進行農業節水，和我國傳統的地面灌溉相比，移動式水肥一體化灌溉施肥設備擁有十分可觀的發展前景。

2 設計目的

水肥一體化設備灌溉技術是一項既可以節約澆灌用水，又能夠精準施肥的新興農業技術，專門針對農田灌溉用水緊缺和肥料營養利用率過低的情況，大大節省人力成本，推動農業的規模化、集約化和智能化發展。水肥一體化設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備抽取，再經過混合設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的土壤情況而定）均勻混合后輸送至由施肥管網中，最后再通過由滴頭、微噴頭等滴噴灌設備組成的施肥終端直接作用于作物的根系或葉面區域，其施肥時間及施肥量全程可控。水肥一體化設備技術是將澆灌與施肥有機結合的一項新型現代農業灌溉設備技術，通過精準灌溉和施肥，不僅可以提高肥料的利用率，減少生產能耗和對環境的污染，也能夠在一定程度上提高作物的產量和品質。

3 水肥一體化設備工作原理

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動系統。采用大斷面小壓力的設計，在非常小的水流量下，可以達到較高的回收速度，水渦輪轉速從水渦輪軸引出一個兩速段的皮帶驅動裝置傳入到減速器中，降速后鏈條傳動產生較大的扭矩力驅動絞盤轉動，從而實現PE管的自動回收。同時經水渦輪流出的高壓水流經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。卷盤式噴灌機整機結構如圖1所示。

圖1 傳統卷盤式噴灌機結構示意圖

3.2 移動式農田大型澆灌施肥設備工作原理

本機采用液壓馬達作為驅動動力源，輸出軸與減速裝置連接，以降低轉速、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，和水混合后進行稀釋作用，最后使用噴槍噴出來，這種操作保證作業過程中水肥共施。

在這個工作過程中，通過水泵為移動式農田大型澆灌施肥設備提供壓力水流，本機的壓力水流途經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化成噴霧形式的噴灑狀細流，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動，從而帶動PE管的不斷轉動，為噴頭車提供一個勻速且穩定的牽引力，從而使其開始緩慢而勻低速的朝著移動式農田大型澆灌施肥設備主機行走，直至完成噴灌施肥作業[3-4]。

4 水肥一體化設備結構設計

4.1 卷盤結構設計

4.1.1 卷盤結構設計要求

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

圖2 卷盤結構

①移動式農田大型澆灌施肥設備作為一種水肥一體化灌溉裝備，工作環境比較惡劣，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量，并且轉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量，所以，要充分考慮到卷盤的剛度與強度要求。

③卷盤的結構應合理，可以與其他部件相互配合，優化整機的安裝裝配。

4.1.2 卷盤結構設計

卷盤的外形尺寸主要包括2個方面，一個是轉轂的直徑，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。我們將轉轂的直徑定為2.15m，同時，轉轂上每層要纏繞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的富裕空間，因此，卷盤轉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。

在本文中，只在卷盤上纏繞5層PE管，將數據代入公式（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，能夠滿足設計所需。

表1 卷盤的尺寸參數

4.2 施肥裝置的設計

4.2.1 施肥裝置要求

4.2.1.1 整機運行的穩定性和連續性

施肥裝置實現多種肥料按照一定比例與灌溉用水混合作業，同時也需要穩定的輸出濃度一致的水肥混合物。施肥系統應具有良好的穩定性和連續性，作業過程中出現故障很可能會導致農作物營養失衡從而影響作物產量，所以穩定性是保證精準施肥的前提條件，連續性是施肥系統正常運行的前提條件。

4.2.1.2 施肥機結構和管網布局的合理性

調查研究市場上現有的施肥裝置和相關資料，對水肥一體化施肥裝置展開創新性研究。合理設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、比例配肥系統、灌溉壓力調節系統和管網系統，達到總體布局的合理性要求。

4.2.1.3 安全性

施肥機工作在設施溫室內部，應該考慮施肥機作業的安全性。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；防止施肥機作業過程中出現漏電等情況，增加漏電保護。安全的設施農業生產是一切設備應用的前提條件。

4.2.1.4 整機安裝及保養維修的方便性

考慮施肥機零部件的運輸安裝以及后期的保養維修，施肥機各個零部件之間應該具有獨立的可操作性。在設施生產作業過程中，應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同工作的整體，各個零部件應當具備可更換性，為后期整機制作和推廣應用提供便利條件。

4.2.2 施肥裝置結構設計

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計成倒錐形結構，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過攪拌均勻的水肥，從而可以均勻注入到移動式農田大型澆灌施肥設備的輸水管內。

圖3 泵注式施肥裝置示意圖

4.3 脫檔裝置設計

移動式農田大型澆灌施肥設備經過運輸，到達指定的灌溉農田位置之后，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，在移動式農田大型澆灌施肥設備上纏繞的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相互脫離，需要在兩者之間設計一個能夠脫檔的裝置。

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

圖4 脫檔裝置結構

脫檔裝置是一種凸輪機構，它的驅動部件是偏心輪，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，通過操作桿來轉動偏心輪，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：將操作桿旋轉到左側，此處為掛擋工位，偏心輪通過固定在液壓回轉裝置安裝架上的定位螺栓將液壓回轉裝置推升至凸輪機構最高點，液壓回轉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：將操作桿旋轉到右側，此處為脫檔工位，液壓回轉裝置下降至凸輪機構最低點，此時液壓回轉裝置輸出齒輪與大齒圈完全脫離，即成功實現脫檔。

5 結語

由于現代農業的發展進步，在現代的農業生產中逐漸變得信息化、智能化以及機械化，所以也要求著農業機械不斷變化提升。就本文所研究的噴灌機來說，傳統的機型存在著一系列的問題，例如結構比較復雜，對于各種控制的精度很低，調速的范圍比較小，已經很難再滿足現代農業的生產要求，這也成為了降低農業發展速度的主要因素之一。同時，各種土地流轉等政策的不斷實施，農田的規模已經比以前大很多，在以往農業生產中常用的中小型噴灌機已經不能滿足實際生產的要求。因此，為了提升噴灌機在灌溉作業中的效率和實現水肥一體化，本文對水肥一體化澆灌施肥設備進行了設計。