移動式油電混動含沙水直濾水肥一體化灌溉設備

馬習賀，吳玉嬌，張建中

（菏澤黃河河務局鄆城黃河河務局，山東 鄆城 274700）

1 研制背景

為更好地直引黃河水進行灌溉，針對當前節水灌溉的一系列問題，以節水、節肥、節藥、省工、省時、省力“三節三省”為目的，從采用較多的灌溉設備展開研究，經過考察市場、充分調研討論，研制出移動式油電混動含沙水直濾水肥一體化灌溉設備，該設備可以利用電能和燃油的油電混合動力驅動，能完成特殊灌溉環境下的作業。可以跟滴灌、管道灌、微噴灌等末端灌溉設備結合，達到精準灌溉、施肥和施藥。并且其具有移動性，可以根據灌溉需要進行移動，在灌溉周期內進行跨區域多次利用灌溉，為較大農田灌溉面積或者不同區域的多塊農田提供經濟有效的灌溉，三重過濾裝置提高了設備過濾能力，操作簡單，結實耐用，維修方便，造價低，作業省時省力，節約了水資源、肥料、農藥，節省了種植養護成本。

2 研制過程

根據引黃節水灌溉所面臨的一系列問題和實際所需，進行研究設計、制作試驗、改進試用等，確定過濾器的過濾能力、施肥罐的容積、電機的功率、柴油機的馬力、水泵的揚程、車架的長度與寬度、車輪的尺寸、設備出水壓力、進水水管的過篩能力及各類管路材料，并對設備的灌溉性能及經濟效益進行分析，確定移動式油電混動黃河水直濾水肥一體化灌溉裝置的可行性。根據初步研究設計，考察配套的動力裝置、高壓自吸水泵、焊接槽鋼機身框架、直徑50 mm 的PVC 帶筋管、止回底閥、水肥一體化組合設備、水表等，并選擇有資質的代加工廠家進行配套組裝生產。經過一年多時間試驗、改進，性能良好、技術成熟，設備使用穩定，效益較好，達到了預期目標。

3 結構設計

3.1 結構原理設計

移動式油電混動含沙水直濾水肥一體化灌溉設備從實用的角度入手，在傳統水肥一體化灌溉設備的基礎上進行改良創新。為了能夠移動式地灌溉且便于運輸，創新出了帶有駐車功能的移動車架，車架采用槽鋼焊接而成，結實可靠。為了滿足沒有電或者沒有油的動力源問題，采用電機和柴油機混合動力驅動自吸水泵抽水，可以適應各類特殊灌溉環境，對作物及時灌溉。通過底閥、離心過濾器、網式過濾器等三重過濾裝置，有效地過濾泥沙等雜質，提高了過濾效率，避免了田間管網滴頭堵塞；通過柴油機油門控制、壓力表、水表、閥門以及施肥罐的安裝，可以控制出水流量、壓力和出水總量，滿足作物不同需水期的灌水需求，達到水、肥、藥的精準、精量、高效地灌溉。

3.2 各位部件的設計與選型

根據灌溉需求選擇水泵的型號和類型，從而進一步選擇適配功率、轉速的柴油機和電機，組成設備的動力系統，然后根據動力系統計算選擇水肥一體化各部件的型號。

3.2.1 離心過濾裝置

離心過濾裝置，包括離心過濾器和集砂罐。集砂罐通過排砂管與離心過濾器連接。離心過濾器的設計與計算如下。

根據物體做圓周運動的離心力與旋轉半徑成反比的關系，離心過濾器的旋流器直徑D及錐角α計算式為：

式（1）中：F為離心力，N；r為旋轉半徑，m；m為物體質量,kg；Ut為物體的切線速度，m/s。

局部水頭損失公式為：

式（2）中：hj為局部水頭損失，m；ζ離為局部水頭損失系數；v管為管道的平均流速，m/s；g為重力加速度，m/s2。

管道平均流速公式為：

式（3）中：Q為過濾器出水口平均流量，m3/h；A管為管道的斷面面積，m2。離心過濾器的水力特征方程形式為：

式（4）中：k為過濾器系數。

3.2.2 網式過濾器

網式過濾器是一種利用濾網將水中的雜質分離的過濾器。

網式過濾器的渾水水頭損失Δh與進水含沙量、進水流速、過濾的時間有關，渾水水頭損失Δh可表示為：

式（5）中：Δh0為過濾器在清水條件下的水頭損失，m；Δh為過濾器在渾水條件下的水頭損失，m；Sj為過濾器進水的含沙量，g/L；v為進水管道內平均流速，m/s；t為過濾時間，min；ρ為含沙水的密度，g/L。

未通過濾網的砂粒質量與總應通過濾網砂粒質量的比值即攔截率。

式（6）中：L為砂粒攔截率，%；α為攔截小于網孔尺寸的砂粒質量占比，%；G為被攔截砂粒的凈重，kg；β為蓄水裝置中小于濾網網孔尺寸的砂粒質量占比，%；Q為總過流量，m3；s為含砂量，kg/m3。

3.2.3 施肥罐

根據液體濃度的定義和組分質量守恒定律可以得出，施肥罐的壓差與流量比的關系式為：

式（7）中：CQ為主干管內的液體平均濃度，g/L；Q為主干管內的平均流量，m3/min；Cq為施肥罐出水口的液體平均濃度，g/L；q為施肥罐出水口的平均流量，m3/min。

對不同條件下施肥罐出口肥料溶液的濃度隨時間的變化可表示為：

式（8）中：C為t時刻肥料溶液的濃度，g/L；C0為肥料溶液的初始濃度，g/L；β為數值的擬合參數。

施肥罐出口肥料溶液的初始濃度及擬合參數與施肥罐的容量，壓差，肥料種類、用量以及水溫有關。

3.3 加工制造工藝

按照設計制作了移動式油電混動含沙水直濾水肥一體化灌溉設備各部組件，通過工藝優化組合成一體，使其充分發揮各自作用，形成優勢合力，達到效益最大化。①將電機、自吸水泵、柴油機、離心過濾器、網式過濾器、施肥罐等固定在車架上。②動力系統通過三角帶與水泵連接，通過轉動皮帶輪帶動水泵作業。③水泵與離心過濾器通過PVC 管連接，離心過濾器與施肥罐通過帶筋軟管連接，離心過濾器與網式過濾器通過蝶閥控制連接，蝶閥通過壓差可控制施肥罐的出水量。④通過柴油機油門、電機變頻，閥門等控制設備的進出水流量和壓力。工作流程見圖1。

圖1 工作流程圖

4 主要創新點

①通過焊接一個可以駐車的可移動車架，將傳統水肥一體化灌溉設備安裝固定在車架上，拖掛方便、可靠耐用，一個人即可操作，通過電動三輪車等牽引裝置就可以實現設備的移動且運輸方便。②采用電機和柴油機兩種動力并存的輸出方式。③通過止回底閥、離心過濾器、網式過濾器等三重過濾，可以有效地過濾泥沙，防止滴頭堵塞。④通過安裝柴油機、變頻電機、壓力表、水表、閥門以及施肥罐，可以根據所需控制出水流量、壓力和灌水總量，滿足作物不同需水期的灌水需求，達到水、肥、藥的精準、精量、高效地灌溉。⑤車架使用槽鋼焊接而成。⑥車身通過焊接三條可折疊支腳，可以使設備在不平整作業面能夠穩定駐車作業。⑦適用范圍廣。

5 產生效益及應用前景

5.1 經濟效益分析

該設備按照畝用水量15～20 m3，可實現12 h 內灌溉土地1.40 hm2，最長澆水長度可達到0.50 km，若果樹灌水周期為7 d，則可實現約10 hm2林地的灌溉，全生育期約有4 次灌水，則全年灌溉林地約有40 hm2。在不計算其他不同作物灌水期使用的情況下，1臺該設備相比傳統設備，可以多灌溉34 hm2，相當于實現了7臺固定設備的灌溉效果，可節約成本近2萬元。

5.2 社會效益分析

該設備既能顯著的提高水、肥、藥的灌溉效率，又能節約大量的人力物力，作業省時省力。適用于黃河淤背區、灘區，引黃灌溉區以及其他雜質水源的灌溉使用區，社會效益顯著。

5.3 推廣應用前景

該設備能適應各類灌溉環境，能顯著地提高工作效率，節約成本，是一項非常實用的節水灌溉發明。

6 結論

移動式油電混動含沙水直濾水肥一體化灌溉設備從實際出發，具有可移動、結構簡單、易操作、過濾效果好、肥藥灌溉均勻、穩定耐用、保養維修方便、節水效率高、能適應各類地形并進行自由作業和轉移特點。可以廣泛應用于黃河淤背區、灘區、引黃灌區等含沙水的灌溉區域中，節水、節肥、節藥、省工、省時、省力、省錢，對提高作業效率、經濟和社會效益有著非常大的意義。