移动式水肥一体化设备的方案设计

徐 翔，石荣玲，胡万佳，王加龙，顾峰博

（徐州工程学院，江苏 徐州 221000）

1 设计背景

我国作为农业大国，每年粮食产量位于世界前列，而农业生产中，最重要便是农作物的灌溉，然而我国的水资源现状却十分严峻。据统计，我国人均饮用水资源十分匮乏，是全球最匮乏的13个国家之一。农业用水匮乏直接影响到我国社会的持续进步和国民经济的持续健康发展。现在，我国全国用水量的73.40%是农业用水，但是不能被合理利用，我国灌溉水的利用率仅为30%～40%，远低于发达国家。当前我国农业灌溉地面积大约0.09亿hm2左右,而有效灌溉面积为402.32万hm2，仅占全国耕地的47%，还有一半以上的耕地依靠自然降水的方式，传统落后的灌溉方法仍在2/3的耕地中继续使用[1-2]。

传统的农业灌溉方法，存在着受自然条件影响、人力要求巨大、效率低、植物肥料吸收率低、破坏土壤结构等问题，对我国农业的生产发展十分不利。从国家可持续发展战略角度出发，我国的农业生产现状和我国水资源的开发现状十分不适配，存在水资源利用率低、灌溉用水利用率低、浪费严重等问题。

为了解决这类问题采用节水设备进行灌溉施肥就显得十分重要。灌溉施肥设备通过喷灌、滴灌等灌水设备进行农业节水，和我国传统的地面灌溉相比，移动式水肥一体化灌溉施肥设备拥有十分可观的发展前景。

2 设计目的

水肥一体化设备灌溉技术是一项既可以节约浇灌用水，又能够精准施肥的新兴农业技术，专门针对农田灌溉用水紧缺和肥料营养利用率过低的情况，大大节省人力成本，推动农业的规模化、集约化和智能化发展。水肥一体化设备可将至少一种的易溶于水的固体或液体肥料通过可控的管道设备抽取，再经过混合设备将肥液与灌溉用水按照一定比例（通常需要对照作物的种类、生长时期以及种植作物地区的土壤情况而定）均匀混合后输送至由施肥管网中，最后再通过由滴头、微喷头等滴喷灌设备组成的施肥终端直接作用于作物的根系或叶面区域，其施肥时间及施肥量全程可控。水肥一体化设备技术是将浇灌与施肥有机结合的一项新型现代农业灌溉设备技术，通过精准灌溉和施肥，不仅可以提高肥料的利用率，减少生产能耗和对环境的污染，也能够在一定程度上提高作物的产量和品质。

3 水肥一体化设备工作原理

3.1 卷盘式喷灌机工作原理

卷盘式喷灌机采用水涡轮式动力驱动系统。采用大断面小压力的设计，在非常小的水流量下，可以达到较高的回收速度，水涡轮转速从水涡轮轴引出一个两速段的皮带驱动装置传入到减速器中，降速后链条传动产生较大的扭矩力驱动绞盘转动，从而实现PE管的自动回收。同时经水涡轮流出的高压水流经PE管直送到喷头处，喷头均匀的将高压水流喷洒到作物上空，散成细小的水滴均匀降落，并随着PE管的移动而不间歇地进行喷洒作业。卷盘式喷灌机整机结构如图1所示。

图1 传统卷盘式喷灌机结构示意图

3.2 移动式农田大型浇灌施肥设备工作原理

本机采用液压马达作为驱动动力源，输出轴与减速装置连接，以降低转速、增加输出扭矩，减速器输出低速大扭矩动力，使PE管在盘卷上缠绕，于是通过PE管牵引喷头车返回原处进行PE管的回收。

施肥装置依靠电力驱动的注肥泵提供动力，将搅拌均匀的肥料溶液从储肥桶中抽出，肥液受到注射喷嘴的作用，均匀地进入灌溉机的输水管内，和水混合后进行稀释作用，最后使用喷枪喷出来，这种操作保证作业过程中水肥共施。

在这个工作过程中，通过水泵为移动式农田大型浇灌施肥设备提供压力水流，本机的压力水流途经PE管后最终抵达喷头车。然而，压力水流并不能直接喷洒出去，否则将会对农作物造成极大的危害，并且不利于水资源的充分利用，所以要将压力水流转化成喷雾形式的喷洒状细流，并且跟着喷头，以平角的扫描方式，来回匀速喷洒到灌溉机运行前方的农田表面。在这个过程中，液压马达不断的为卷盘提供动力并带动卷盘的转动，从而带动PE管的不断转动，为喷头车提供一个匀速且稳定的牵引力，从而使其开始缓慢而匀低速的朝着移动式农田大型浇灌施肥设备主机行走，直至完成喷灌施肥作业[3-4]。

4 水肥一体化设备结构设计

4.1 卷盘结构设计

4.1.1 卷盘结构设计要求

卷盘是移动式农田大型浇灌施肥设备非常重要的一个部件，具有很关键的作用，它的结构如图2所示。卷盘的尺寸一方面可以直接影响到移动式农田大型浇灌施肥设备行走速度，另一方面直接决定了移动式农田大型浇灌施肥设备整机的结构尺寸。因此，在对移动式农田大型浇灌施肥设备进行设计时，要先对卷盘结构进行设计，然后才能对其他结构进行设计，卷盘结构是移动式农田大型浇灌施肥设备其他结构部件的基础。在进行卷盘结构设计时，需要满足一些基本要求。

图2 卷盘结构

①移动式农田大型浇灌施肥设备作为一种水肥一体化灌溉装备，工作环境比较恶劣，容易遭到水肥溶液的腐蚀，因此要有着良好的耐腐蚀性，保证其工作的可靠性。

②卷盘需要承受输水管的质量，并且转毂在输水管回收时要承受一定的挤压力和水管充满灌溉水时的质量，所以，要充分考虑到卷盘的刚度与强度要求。

③卷盘的结构应合理，可以与其他部件相互配合，优化整机的安装装配。

4.1.2 卷盘结构设计

卷盘的外形尺寸主要包括2个方面，一个是转毂的直径，另一个是给水管排列的宽度。卷盘要投入到正常的工作中，必须要对它的公称直径进行一个满足需求的筛选，一般来说是要参考给水管的长度以及它的直径。在本文中，选择的输水管的长度为500m，其外径选择为140mm。我们将转毂的直径定为2.15m，同时，转毂上每层要缠绕13圈给水管，而这13圈给水管会增加1.82m宽度，为了使给水管在卷盘上缠绕时不会很拥挤以及排列杂乱，需要给出30mm的富裕空间，因此，卷盘转毂的宽度最终确定为1.85m。

卷盘每层的PE管缠绕总长度可由式（1）计算：

式（1）中：Li为卷盘第i层PE管的总长度，单位为m；i为PE管缠绕的层数。

在本文中，只在卷盘上缠绕5层PE管，将数据代入公式（1）可以计算：卷盘第1层PE管所能缠绕的长度为L1=93.54m；卷盘第2层PE管所能缠绕的长度为L2=104.96m；卷盘第3层PE管所能缠绕的长度为L3=116.40m；卷盘第4层PE管所能缠绕的长度为L4=127.83m；卷盘第5层PE管所能缠绕的长度为L5=139.27m。

因此，卷盘全部5层PE管所能缠绕的总长度为：

L=581.99m＞500m

因此可以得出结论，在第五层时候，PE管的长度就是小于卷盘的长度，因此可以将所以的PE管缠绕在卷盘上，能够满足设计所需。

表1 卷盘的尺寸参数

4.2 施肥装置的设计

4.2.1 施肥装置要求

4.2.1.1 整机运行的稳定性和连续性

施肥装置实现多种肥料按照一定比例与灌溉用水混合作业，同时也需要稳定的输出浓度一致的水肥混合物。施肥系统应具有良好的稳定性和连续性，作业过程中出现故障很可能会导致农作物营养失衡从而影响作物产量，所以稳定性是保证精准施肥的前提条件，连续性是施肥系统正常运行的前提条件。

4.2.1.2 施肥机结构和管网布局的合理性

调查研究市场上现有的施肥装置和相关资料，对水肥一体化施肥装置展开创新性研究。合理设计回流混合模式以及搅拌叠加回流混合模式的原液制备系统、比例配肥系统、灌溉压力调节系统和管网系统，达到总体布局的合理性要求。

4.2.1.3 安全性

施肥机工作在设施温室内部，应该考虑施肥机作业的安全性。防止对原液桶和混肥桶加水过量造成作物淹没，增加液位保护装置；防止施肥机作业过程中出现漏电等情况，增加漏电保护。安全的设施农业生产是一切设备应用的前提条件。

4.2.1.4 整机安装及保养维修的方便性

考虑施肥机零部件的运输安装以及后期的保养维修，施肥机各个零部件之间应该具有独立的可操作性。在设施生产作业过程中，应该留有足够的空间便于添加肥料等。施肥机作为多零部件协同工作的整体，各个零部件应当具备可更换性，为后期整机制作和推广应用提供便利条件。

4.2.2 施肥装置结构设计

施肥装置由储肥桶、注肥泵、注射喷嘴等组成，如图3所示。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，并且在上面还装有电动搅拌器，用来使水和肥料充分均匀的混合。储肥桶桶底连接管道，用于输送水肥至输水管，并且储肥桶底部要设计成倒锥形结构，方便输送水肥和清洗储肥桶。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，抽取到储蓄池中的经过搅拌均匀的水肥，从而可以均匀注入到移动式农田大型浇灌施肥设备的输水管内。

图3 泵注式施肥装置示意图

4.3 脱档装置设计

移动式农田大型浇灌施肥设备经过运输，到达指定的灌溉农田位置之后，在正式开始之前，首先要将喷头车迁移到指定起始喷灌位置，这里采用拖拉机牵引方式，于此同时，在移动式农田大型浇灌施肥设备上缠绕的PE软管需要全部放出，这个过程称为出管。由于采用的是拖拉机牵引方式出管，那么PE管的出管顺利需要得到保障，为了能够让卷盘和主要的传动系统相互脱离，需要在两者之间设计一个能够脱档的装置。

本文所设计的移动式农田大型浇灌施肥设备的主传动系统包括两个部件：液压马达和行星齿轮减速器，驱动的动力源则采用的是液压回转装置，在这套装置中，一般的脱档装置并不能够和我们的设计进行结合，这是由于卷盘式的喷灌机的动力运作系统和本系统是存在着比较大的架构上的差异，最终重新设计，完成的脱档的装置机械结构图如图4所示。

图4 脱档装置结构

脱档装置是一种凸轮机构，它的驱动部件是偏心轮，由于凸轮的作用，整个液压装置可以垂直升降，这样使得大齿圈和输出齿轮之间能够完成分离或者啮合，满足脱档和挂挡的需求。脱档装置工作原理主要如下：

①脱档装置中有操作杆，它能够进行180°的旋转，通过操作杆来转动偏心轮，同时，它带有卡扣装置，从而能够在脱档和挂挡的两个工位锁定偏心轮。

②挂挡：将操作杆旋转到左侧，此处为挂挡工位，偏心轮通过固定在液压回转装置安装架上的定位螺栓将液压回转装置推升至凸轮机构最高点，液压回转装置输出齿轮和大齿圈能够正常的啮合，使得挂挡成功；

③脱档：将操作杆旋转到右侧，此处为脱档工位，液压回转装置下降至凸轮机构最低点，此时液压回转装置输出齿轮与大齿圈完全脱离，即成功实现脱档。

5 结语

由于现代农业的发展进步，在现代的农业生产中逐渐变得信息化、智能化以及机械化，所以也要求着农业机械不断变化提升。就本文所研究的喷灌机来说，传统的机型存在着一系列的问题，例如结构比较复杂，对于各种控制的精度很低，调速的范围比较小，已经很难再满足现代农业的生产要求，这也成为了降低农业发展速度的主要因素之一。同时，各种土地流转等政策的不断实施，农田的规模已经比以前大很多，在以往农业生产中常用的中小型喷灌机已经不能满足实际生产的要求。因此，为了提升喷灌机在灌溉作业中的效率和实现水肥一体化，本文对水肥一体化浇灌施肥设备进行了设计。