水肥一體化施肥機(jī)變量吸肥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

田 莉，李家春，趙先鋒，張 雷，王永濤，陳躍威

(1.貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴陽(yáng) 550025；2.貴州省水利科學(xué)研究院，貴陽(yáng) 550002；3.貴州東峰自動(dòng)化科技有限公司，貴陽(yáng) 550025)

0 引言

液體肥料是一類廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的肥料，具有生產(chǎn)成本低、施加方便、作物易吸收及促進(jìn)作物增產(chǎn)的效果[1]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，發(fā)達(dá)國(guó)家的液體肥料已經(jīng)普及到40%左右，如美、英、德、荷蘭、墨西哥等國(guó)家均在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用各種液體肥料[2]。在以色列，田間幾乎百分百施用液體肥料。水肥一體化技術(shù)通過(guò)壓力系統(tǒng)將N、P、K等類型單元素液體肥料進(jìn)行定量定比水肥混合，通過(guò)灌溉管網(wǎng)進(jìn)行作物灌溉，能夠?qū)喔人亢褪┓柿窟M(jìn)行有效控制，提高水肥利用率[3]。水肥一體化是一種讓肥料高效發(fā)揮作用的施肥方法，適用于所有作物，越來(lái)越多的種植戶已認(rèn)識(shí)到液體肥料灌溉比直接撒施顆粒肥效果好。

目前，我國(guó)在作物固態(tài)肥料的按需施用方面研究居多[4-5]。針對(duì)水肥一體化灌溉的發(fā)展趨勢(shì)，本文對(duì)水肥一體化施肥機(jī)關(guān)鍵部件—吸肥系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì)吸肥通道的變量吸肥展開(kāi)研究，運(yùn)用FloEFD對(duì)吸肥系統(tǒng)吸肥性能進(jìn)行仿真分析，通過(guò)田間試驗(yàn)驗(yàn)證其可行性，為水肥一體化自動(dòng)施肥機(jī)的研究提供了參考依據(jù)。

1 吸肥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理

1.1 三通道吸肥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

三通道吸肥系統(tǒng)在現(xiàn)有射流器的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖1所示。此裝置主要由進(jìn)水口、射流器吸肥口和水肥混合液出口3部分組成。射流器通過(guò)PVC變徑三通、PVC管與進(jìn)水口、水肥混合液出口相連，構(gòu)造完整吸肥系統(tǒng)模式，布置的3個(gè)射流器可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)3種不同類型單元素液體肥料的吸取[6]。

射流器選用標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)SSQ-200，參數(shù)均在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，進(jìn)、出口內(nèi)徑為25mm，吸肥口內(nèi)徑為9mm。依據(jù)射流器的規(guī)格尺寸，選用PVC變徑三通40mm×25mm。

吸肥系統(tǒng)工作運(yùn)行時(shí)，施肥機(jī)在水泵動(dòng)力作用下進(jìn)水口有恒壓水流入，水流流經(jīng)射流器噴嘴漸縮段處，隨橫截面積的減小，水流壓強(qiáng)增大，水流速度也隨之增大。根據(jù)射流器的工作原理，吸入室產(chǎn)生的真空負(fù)壓與外界氣壓形成壓差，利用壓強(qiáng)差將單元素液體肥料從與射流器吸肥口吸入吸肥系統(tǒng)，與水進(jìn)行充分混合經(jīng)水肥混合液出口排出。

1.2 射流器吸肥原理

射流器普遍應(yīng)用于小型灌區(qū)灌溉中，具有操作方便、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、無(wú)需有壓容器存放藥液及施肥濃度穩(wěn)定等特點(diǎn)。通過(guò)對(duì)射流器的并聯(lián)可實(shí)現(xiàn)比例施肥，得到了較廣泛的應(yīng)用。射流器主要由噴嘴、吸入室、喉管及擴(kuò)散管等組成射流器型號(hào)SSQ-200,如圖2所示。

1.吸入室 2.噴嘴 3.喉管 4.擴(kuò)散管

射流器工作原理：當(dāng)具有一定壓力的水流由噴嘴處以一定速度噴出時(shí)，此過(guò)程中水流流經(jīng)的管徑減小，水流流速增大，將壓力能轉(zhuǎn)為動(dòng)能，使吸入室壓力降低產(chǎn)生真空，低壓流體在吸入室被吸入[7]；兩股流體在喉管處充分混合，并進(jìn)行分子擴(kuò)散和能量交換，速度達(dá)到均衡狀態(tài)；混合流體達(dá)到擴(kuò)散管處，水流流速降低壓力增大，流體以一定壓力輸出。

射流器吸取肥液的流量q為[8]

(1)

式中A—射流器吸肥口截面積(Pa)；

h—施肥罐液面到射流器的垂直距離，在上時(shí)取負(fù)，在下時(shí)取正；

p2—射流器噴嘴處壓強(qiáng)(Pa)；

γ—液體肥料的密度。

根據(jù)伯努利方程，p2可表示為

(2)

式中p2—射流器噴嘴處壓強(qiáng)(Pa)；

p1—射流器進(jìn)口壓強(qiáng)(Pa)；

?1—射流器進(jìn)水口處橫截面積(m2)；

?2—射流器噴嘴處橫截面積(m2)；

γ′—水的密度(N/m3)；

O′—進(jìn)水口流量(m3/s)。

將式(2)代入式(1)得

(3)

根據(jù)公式(3)可知：影響射流器液肥對(duì)吸入量的因素有水流量O′、進(jìn)口壓力p1、射流器進(jìn)水口橫截面積?1、噴嘴橫截面積?2及吸肥口截面積A。

1.3 吸肥系統(tǒng)運(yùn)行原理

施肥機(jī)旁路助肥系統(tǒng)試驗(yàn)原理如圖3所示。

1.上主管道壓力表 2.射流器 3.浮子流量計(jì) 4.單元素肥液罐 5.下主管道壓力表 6.水肥混合液出口 7.加壓泵

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，啟動(dòng)射流器吸肥工作的工作壓差由加壓泵提供，加壓泵連接在吸肥系統(tǒng)上主管道入口處，達(dá)到為上端多孔管提供恒壓水源的要求；有壓水源流經(jīng)射流器時(shí)，使吸入室的壓力降低產(chǎn)生真空，完成吸肥過(guò)程。三射流器并聯(lián)可實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)3種液體肥料的吸取，水肥混合液由下主管道出口輸出，通過(guò)鋪設(shè)的灌溉管網(wǎng)進(jìn)行作物水肥一體化灌溉[9]。

2 基于FloEFD吸肥系統(tǒng)仿真分析

運(yùn)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件FloEFD進(jìn)行吸肥系統(tǒng)仿真分析，以進(jìn)一步掌握內(nèi)部流場(chǎng)情況。FloEFD是一款無(wú)縫集成在SolidWorks中功能齊全的通用CFD工具，還有無(wú)縫集成在Inventor、SolidEdge及其他主流MCAD系統(tǒng)的獨(dú)立版本[10]。運(yùn)用此軟件對(duì)混肥系統(tǒng)注水口、吸肥口及水肥混合液出口進(jìn)行邊界條件設(shè)定后進(jìn)行流體仿真分析，可以比較直觀地模擬混肥系統(tǒng)中速度流向、速度及壓強(qiáng)等參數(shù)的變化情況。

2.1 網(wǎng)格生成

為了加快模型流場(chǎng)分析的效率，在不影響準(zhǔn)確性的前提下，將SolidWorks三維建模的吸肥系統(tǒng)簡(jiǎn)化后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，計(jì)算區(qū)域選擇整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[11]。坐標(biāo)原點(diǎn)取在注水口斷面圓心處，x軸為沿上主管道流動(dòng)正方向，y軸為沿pvc管流動(dòng)負(fù)方向，z軸為沿射流器吸肥口流動(dòng)負(fù)方向。網(wǎng)格劃分采用六面體網(wǎng)格，在管道分岔處進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，采用粘合性較好的四面體網(wǎng)格，總網(wǎng)格數(shù)443 309，網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4 吸肥系統(tǒng)網(wǎng)格劃分

2.2 邊界條件的設(shè)定

旁路助肥式吸肥系統(tǒng)中，設(shè)定三通道吸肥系統(tǒng)吸肥口邊界條件均設(shè)定為大氣環(huán)境壓力101 325Pa；

注水口為該系統(tǒng)的動(dòng)力源，壓力設(shè)定從0.5MPa開(kāi)始，以0.02MPa梯度增大或減??；水肥混合出口邊界條件設(shè)定從0.1MPa開(kāi)始，以0.02MPa梯度增大或減小[12]，共設(shè)置5組邊界方案。

仿真分析邊界方案參數(shù)設(shè)定如表1所示。

表1 仿真分析邊界方案參數(shù)設(shè)定

2.3 仿真結(jié)果分析

運(yùn)用FloEFD通過(guò)對(duì)三通道吸肥系統(tǒng)5種邊界條件進(jìn)行仿真對(duì)比分析，如表2所示。

取邊界條件進(jìn)口壓力0.5MPa、出口壓力0.1MPa為例進(jìn)行展示。吸肥系統(tǒng)壓強(qiáng)、速度流動(dòng)跡線圖如圖5所示，射流器靜壓、速度切面圖如圖6所示。

由圖5可以看出：三通道吸肥系統(tǒng)進(jìn)口壓力0.5MPa、吸肥口1個(gè)大氣壓、出口壓力0.1MPa時(shí)，吸肥通道能夠完成吸肥工作，且實(shí)現(xiàn)與注水口水源的混合及輸出效果，滿足設(shè)計(jì)要求。吸肥系統(tǒng)上主管道壓強(qiáng)高于下主管道，從而使射流器進(jìn)出口產(chǎn)生壓差，符合射流器的吸肥工作原理，實(shí)現(xiàn)了三吸肥通道的吸肥設(shè)計(jì)要求。

由圖6可以看出：流體在射流器噴嘴處壓力出現(xiàn)最小值，速度達(dá)到最大值，驗(yàn)證了伯努利方程，符合射流器吸肥工作原理。

表2 各通道仿真數(shù)值

“+”表示液體肥料或灌溉水進(jìn)入吸肥系統(tǒng)；“-”表示液體肥料或灌溉水輸出吸肥系統(tǒng)。

圖5 吸肥系統(tǒng)壓強(qiáng)、速度流動(dòng)跡線圖

圖6 射流器靜壓、速度切面圖

3 吸肥通道變量吸肥控制器設(shè)計(jì)

基于以上對(duì)吸肥系統(tǒng)最大吸肥量的仿真分析，在仿真數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對(duì)實(shí)現(xiàn)固定時(shí)間段內(nèi)不同吸肥通道變量吸肥進(jìn)行控制設(shè)計(jì)[13]。首先，在三射流器吸肥口進(jìn)行吸肥通道的設(shè)計(jì)，吸肥通道上設(shè)置手動(dòng)閥調(diào)節(jié)流量；浮子流量計(jì)對(duì)吸肥通道進(jìn)行流量顯示；采用電動(dòng)閥實(shí)現(xiàn)對(duì)各通道的變量吸肥控制。為實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)閥的啟閉控制，選用西門子PLC S7-200及STEP7- Micro/WIN對(duì)其編程，選用MCGS觸摸屏與PLC進(jìn)行通訊操作。控制部分如圖7所示。

圖7 控制器圖

依據(jù)常閉型電動(dòng)閥在斷電時(shí)閥門處于關(guān)閉狀態(tài)這一特性，通過(guò)脈沖分配的方式控制電動(dòng)閥的啟閉，完成各通道對(duì)不同類型單元素液肥的變量吸取。將整個(gè)施肥時(shí)間段依據(jù)實(shí)際需求等分成多個(gè)脈沖時(shí)間段，設(shè)整個(gè)施肥時(shí)間段長(zhǎng)為T，電動(dòng)閥的開(kāi)啟一次時(shí)間為t，電動(dòng)閥關(guān)閉一次時(shí)間為t′，則(t+t′)組成電動(dòng)閥1個(gè)啟閉周期,得整個(gè)施肥時(shí)間段T內(nèi)電動(dòng)閥啟動(dòng)總次數(shù)為T/(t+t′)。

實(shí)際施肥時(shí)間段內(nèi)，各通道吸肥量Q公式為

Q=q·t·n

(4)

式中Q—各通道吸肥量(m3)；

q—試驗(yàn)中浮子流量計(jì)顯示各通道吸肥流量(m3/s)；

t—1個(gè)脈沖電動(dòng)閥開(kāi)啟的時(shí)間(s)；

n—實(shí)際施肥時(shí)間段內(nèi)，控制器對(duì)各通道電動(dòng)閥的啟動(dòng)次數(shù)。

依據(jù)作物不同類型液體肥料的需肥量，通過(guò)對(duì)各通道電磁的啟閉進(jìn)行不同的脈沖分配，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各通道的變量吸肥。不同脈沖分配如圖8所示。

圖8 不同脈沖分配圖

4 性能試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)三維模型各部件標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格參數(shù)進(jìn)行設(shè)備選型及施肥機(jī)樣機(jī)搭建，進(jìn)一步對(duì)吸肥系統(tǒng)進(jìn)行性能試驗(yàn)。于2018年4月25日在貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)基地依托其基礎(chǔ)條件，進(jìn)行吸肥性能試驗(yàn)，如圖9所示。試驗(yàn)中注水口壓力0.5MPa，出口壓力0.1MPa，吸肥口為大氣壓力。

圖9 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

首先，對(duì)吸肥系統(tǒng)各通道最大吸肥量進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，在啟動(dòng)電源總開(kāi)關(guān)和水泵之后，需控制三吸肥通道上安裝的電動(dòng)閥處于開(kāi)啟狀態(tài)，手動(dòng)閥調(diào)至全開(kāi)狀態(tài)，待三通道浮子均穩(wěn)定后讀數(shù)據(jù)。其次，運(yùn)用PLC進(jìn)行定量吸肥的程序設(shè)計(jì)，運(yùn)用控制器控制電磁閥的不同開(kāi)度，對(duì)各吸肥通道進(jìn)行變量吸肥試驗(yàn)。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)中記錄各通道流量數(shù)據(jù)，重復(fù)測(cè)量4次，取平均值作為最大吸肥量最終結(jié)果[14]。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 吸肥通道吸肥量數(shù)據(jù)對(duì)比統(tǒng)計(jì)表

由表3可以看出：各通道吸肥量誤差、吸肥系統(tǒng)三通道吸肥量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)施肥精度最高可達(dá)98.1%，各通道對(duì)單素液肥吸取精度較高。試驗(yàn)中，通過(guò)控制器控制電動(dòng)閥不同開(kāi)度，各通道達(dá)到對(duì)不同類型單元素液肥定量吸取的效果。

5 結(jié)論

1)應(yīng)用SolidWorks設(shè)計(jì)了基于射流器并聯(lián)的三通道旁路助肥式吸肥系統(tǒng)，并應(yīng)用FloEFD進(jìn)行吸肥系統(tǒng)流場(chǎng)分析，獲得了三通道旁路助肥式自動(dòng)施肥機(jī)吸肥系統(tǒng)的流場(chǎng)參數(shù)及可視化圖像。

2)仿真分析結(jié)果表明：吸肥系統(tǒng)的吸肥量與進(jìn)水口壓力正相關(guān)，與出口壓力負(fù)相關(guān)，且吸肥量隨進(jìn)出口壓差的增大而增大。通過(guò)仿真分析，驗(yàn)證了射流器的吸肥工作原理。

3)針對(duì)注水口壓力0.5MPa、出口壓力0.1MPa、吸肥口為大氣壓力的邊界條件進(jìn)行吸肥性能試驗(yàn)。試驗(yàn)表明：三通道吸肥系統(tǒng)能夠滿足對(duì)3種不同類型單元素液肥肥料的吸取要求，吸肥精度可達(dá)98.1%，

4)試驗(yàn)中，以由西門子PLC S7-200、STEP7- Micro/WIN及MCGS觸摸屏等組成的控制器系統(tǒng)，結(jié)合吸肥通道浮子流量計(jì)、手動(dòng)閥及電動(dòng)閥機(jī)械部件實(shí)現(xiàn)了各吸肥通道的變量吸肥。