无动力水肥一体化混合器的实验研究

朱骄阳， 李志新， 徐欣欣， 李梦杰， 张 静

(沈阳化工大学 机械工程学院， 辽宁 沈阳 110142)



无动力水肥一体化混合器的实验研究

朱骄阳， 李志新， 徐欣欣， 李梦杰， 张 静

(沈阳化工大学 机械工程学院， 辽宁 沈阳 110142)

为了加快水肥一体化技术的应用发展，提高水稻生产中自动化、信息化水平，降低灌溉施肥技术的成本，设计一种新型的无动力水肥一体化混合器.给出该新型混合器整体结构及其重要局部结构的设计方案.在实验室条件下对该模型混合器进行性能测试，分析影响混合器性能的主要因素及其它们之间的相互关系，以证明设计方案的可行性.最后，分析混合器的制造可操作性与使用前景，证明了无动力水肥一体化混合器在技术上、经济上的可行性.

无动力； 水肥一体化； 混合器设计

水肥一体化是借助压力系统(或地形自然落差) ，将可溶性固体或液体肥料，按土壤养分含量和作物种类的需肥规律和特点，把水分、养分定时定量按比例直接提供给作物.与一般的水肥施用方法相比，水的利用率提高 40 %～60 %，肥料利用率提高30 %～50 %，对于规模种植十分有利[1].该技术在美国、加拿大、意大利、以色列等发达国家一直受到广泛重视，尤其是以色列，其水肥一体化应用比例达90 %以上[2].1988年意大利Jacucci等人研制HYDRA灌溉管理专家系统，系统可以根据实时监测到的大田作物需水量情况，自动进行灌溉施肥，及时提供作物的水、肥需求量，以满足作物的生长需求.此后,以色列也开发出了现代诊断式控制器；美国 Trimble 公司应用处方信息控制施肥技术开发了 AgGPS170 田间计算器[3].但是，从国外引进设备不但价格昂贵，并且引进设备在设计时没有考虑我国特殊的自然气候、土地资源、农民经济状况等因素，因而，国外引进的灌溉控制系统在国内应用并不普及.我国水肥一体化技术发展最初是1974年从墨西哥引进滴灌设备，而后40多年的时间里研究开发了大量施肥设备和灌溉技术[4].然而，国内水肥一体化应用管理水平较低，设备生产技术落后，针对性设备和产品的研究开发不足，相关设备应用成本较高，且农产品的价格偏低，阻碍了水肥一体化技术的推广.在此背景下，本研究设计了一种新型的无动力水肥一体化混合器，利用水流动时的动力带动化肥与水充分混合，输送到农作物根部土壤，达到水肥同时作用的目的.为了证实该混合器的有效性及设计计算方案的正确性，用缩小比例的模型进行了验证试验.

1 无动力水肥一体化混合器结构及其工作原理

无动力水肥一体化混合器主要由内滚筒、叶轮、轴承、网箱等部件组成，实验装置结构如图1所示.

无动力水肥一体化混合器是在无需发动机带动的条件下，仅依靠沟渠灌溉水流动的动力，带动叶轮转动，使轴承、内滚筒同时转动，让水流呈回转式流动，从而使得加料时倒入的颗粒状肥料能够在叶轮的搅拌下，能充分地溶于水中，达到浇灌地所需浓度的加肥灌溉水的要求.将灌溉水在地头顺着垄沟一直灌溉到地尾，加肥灌溉水流经之处都会在作物根部实现饱和灌溉，让作物充分吸收所需要的养分，以满足作物生长的需求.

1 内滚筒 2 网箱 3 叶片 4 轴承 5 轴

2 无动力水肥一体化混合器的设计

2.1 混合器的设计技术指标

主要技术指标：

(1) 抗油污、泥沙、高温环境，可工作于0～45 ℃；

(2) 使用方便快捷，操作简单，结实耐用；

(3) 水流速度范围较宽；

(4) 承载能力较大；

(5) 无需动力设备，能耗较低；

(6) 混合均匀程度高，无残留颗粒.

2.2 内滚筒转速计算方法

具体计算公式如下：水动力参数计算依据质点系动量定理，对叶轮的动量矩进行分析，如图2所示，得到叶轮的总动量矩为：

对内滚筒的动量矩进行分析，如图3所示，得到内滚筒的总动量矩为：

动量守恒:M=-M′

忽略摩擦的情况下，得出旋转角加速为：

其中：υ水为水流速度；M为叶轮动量矩；ω为叶轮转速；ρ水为水的密度；ρ化为化肥密度；M′为内滚筒动量矩.

图2 叶轮的动量矩分析

图3 内滚筒的动量矩分析

3 实 验

根据上述设计要求设计了一个实验混合器.实验在自制模拟水渠中进行.实验混合器装置主要参数如下：叶轮宽度2.5 cm，滚筒直径13 cm，轴承采用内径10 mm的封闭轴承.实验物料为颗粒复合肥和尿素混合物，配比为4∶1.

在实验过程中，采用下述方法测定功率消耗及肥料溶解程度.使用水泵输送水，在实验过程中，通过不断调节泵的功率和增减滚筒中肥料的质量，匹配出最佳的运行方案.

通过改变泵的功率，得到了水流速对转速的影响分析曲线(见图4)和载重量对转速的影响分析曲线(见图5).从图4中可以看出：随着流速的增加，转速呈现线性增长.从图5中可以看出：随着载重量的增加，转速呈现线性降低.

图4 水流速度对转速的影响分析曲线

图5 载重量对转速的影响分析曲线

4 结束语

与传统的灌溉和施肥措施相比，水肥一体化技术优势显著：省水、省肥、省时，降低农业成本，降低病虫害发生几率，保证农作物品质和产量，减少环境污染，改善土壤微环境，提高微量元素使用效率等[5-7].无动力水肥一体化混合器因其灌溉时利用水的动力带动混合器叶轮旋转，为滚筒滚动提供动力，使肥料在滚筒内旋转与水充分混合、融化，随水直接进入农田，实现灌溉施肥一体化.混合器因为结构简单，仅由网箱、网面滚筒、叶轮、轴和轴承组成，所以，其制造工艺简单，成本较低.在设计中只需考虑滚筒网面的密度、叶轮宽度和轴的载重.实验室冲施肥实验证明：叶轮在旋转过程中，受到水冲力的同时还受到水的动力，因此，可以使用凹面叶轮.随着相关基础研究的深入进行，混合器会在施肥灌溉中获得广泛的应用.

[1] 李茂权,朱帮忠,赵飞,等.“水肥一体化”技术试验示范与应用展望[J].安徽农学通报(上半月刊),2011,11(7):100-101.

[2] 雷永富.水肥耦合灌溉控制系统的研究[D].武汉：华中农业大学,2006：7-8.

[3] 张承林,邓兰生.水肥一体化技术[M].北京:中国农业出版社,2012：167-169.

[4] 陈广锋,杜森,江荣风,等.我国水肥一体化技术应用及研究现状[J].中国农技推广,2013,29(5):39-41.

[5] 胡景辉,孙丽敏,贺秀珍,等.河北省低平原中低产类型区种植结构调整过程及趋势分析[J].内蒙古农业科技，2013(5):39-42.

[6] 张西群,檀海斌,梁建青,等.低成本小麦微喷灌溉技术研究与效果试验[J].河北农业科学,2014(6):45-51.

[7] 刘亚贤.德美亚2号高产栽培技术[J].现代农业科技,2014(14):34-36.

Experimental Study on the Unpowered Integration of Water and Fertilizer Mixer

ZHU Jiao-yang, LI Zhi-xin, XU Xin-xin, LI Meng-jie, ZHANG Jing

(Shenyang University of Chemical Technology, Shenyang 110142, China)

This paper presents a dynamic one and the whole structure of the mixer and an important part of the new structure design,performance test and the model mixer under laboratory conditions,and proves the feasibility of the design scheme at the same time.The analysis of the manufacturing and the mixer of the operation and application,which proves that the economy the feasibility of mixer.And analyzed the relationship between the main factors affect the performance of the mixer.

unpowered； integration of water and fertilizer； mixer design

2015-06-10

朱骄阳(1989-)，女，辽宁抚顺人，助教，硕士，主要从事物流与供应链管理的研究.

2095-2198(2016)03-0259-03

10.3969/j.issn.2095-2198.2016.03.014

TH6

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