旁路吸肥式水肥一體化自動施肥機的設計與試驗

田 莉，李家春,2，吳景來，張賓賓，盧劍鋒

(1.貴州大學機械工程學院，貴陽 550025；2.貴州省水利科學研究院，貴陽 550002；3.貴州東峰自動化科技有限公司，貴陽 550025)

合適的灌溉方式可以提高作物品質和產量，節約水資源，水肥一體化技術又稱為微灌施肥技術，是一種借助壓力系統將水源灌溉和液態肥施加結合在一起的高效新型農業技術[1,2]。與傳統的灌溉模式相比，其具有節水省肥、節省勞動力、保證養分均衡供應及作物增產等明顯優勢[3]。在水肥一體化灌溉技術中，其核心裝置是水肥一體化施肥機[4]。水肥一體化施肥機可實現對多種單元素液肥的水肥混合，根據作物生長需求進行定比混合，進而根據用戶設定的灌溉施肥程序，通過灌溉系統適時適量地供給作物。尤其適用于對養分濃度有較高要求的花卉、優質蔬菜及一些高經濟附加值作物[5]。雖然，近幾年我國農業灌溉方式由“澆地”變“澆作物”，告別“大水漫灌”模式，但我國農業在節水灌溉水平較發達國家還是存在較大差距。本文主要是對三通道旁路吸肥式水肥一體化自動施肥機進行結構設計、吸肥量仿真分析及試驗驗證。

1 整機結構與工作原理

1.1總體結構

運用SolidWorks進行三通道旁路吸肥式水肥一體化自動施肥機三維建模，見圖1，主要由機架、主管路系統、注肥系統、混肥系統、檢測系統及控制系統組成[6]。其主要技術指標和技術參數見表1。

圖1 三通道旁路吸肥式施肥機整機結構簡圖Fig.1 Schematic diagram of the three-channel bypass suction fertilizer fertilizer machine

表1 主要技術指標和技術參數Tab.1 Main technical indicators and technical parameters

該結構中，機架由方形不銹鋼搭建而成，穩定性較好；主管路系統由抽吸泵和相應的管道組成，為系統提供足夠的壓力和流量，滿足混肥系統工作要求；注肥系統由浮子流量計、流量調節閥、電動閥、止回閥及相應的PVC管路組成；混肥系統由射流器及相應的PVC管路組成；檢測系統由EC/PH傳感器組成；控制系統以西門子PLC為控制元件。

1.2 工作原理

施肥機運行原理見圖2，運行時施肥機主管道注水口保持一定壓力值且需滿足足夠的灌溉水供用，應用射流器原理把液肥吸入注肥通道內，啟動吸肥系統射流器工作的壓差值由加壓注水口和裝配在施肥機上的抽吸泵提供。施肥機運行時，在加壓主管道注水口和抽吸泵的作用下，灌溉水被恒壓注入管道，在射流器噴嘴處達到最大值，并對射流器吸入室產生真空，利用射流器的工作原理完成對各通道單元素液肥的吸取[7,8]。施肥機在運行時，射流器吸肥通道因抽吸泵產生的吸力，使其具有最高的吸入量，損耗最低，完成吸肥過程。

控制系統通過對三注肥通道上電動閥的啟閉進行控制，實現對各通道單元素液肥的吸肥量控制。EC/PH傳感器對水肥混合液酸堿度及電導率進行實時檢測，并反饋到控制系統[9]。混合后的水肥混合液在抽吸泵的作用下以一定壓力輸出，通過灌溉管網進行農作物的水肥一體化灌溉，滿足農作物的水肥一體化灌溉需求。

注：1-主管道注水口；2-上管道壓力表；3-上管道；4-射流器；5-浮子流量計；6-液肥罐；7-下管道；8-下管道壓力表；9-EC/pH感應器；10-抽吸肥泵；11-灌溉管網圖2 運行原理圖Fig.2 operating principle

2 關鍵部件設計

2.1 注肥系統

注肥系統由寶塔接頭、浮子流量計、流量調節閥、電動閥及止回閥等部件組成，見圖3。

圖3 注肥系統結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of the injection system

注肥時，注肥系統的三通道可同時滿足對3種不同類型單元素液肥的吸取。通過的流量調節閥實現對各通道流量的控制，浮子流量計對通道流量進行刻度顯示；電動閥受控于控制系統，通過定時的通斷進行對各通道自動定量的注肥[10]；施肥機注肥系統中泵及電機反轉時，會發生水肥混合液的導流，造成單元素液肥筒內溶液的污染，止回閥安裝在注肥通道的末端，可有效防止水肥混合液的倒流[11]。

2.2 混肥系統

混肥系統由上下主管道壓力表、射流器、EC/pH傳感器、PVC變徑三通及PVC管等部件組成，見圖4。

圖4 混肥系統結構示意圖Fig.4 Mixed fertilizer system structure

混肥系統的設計基于射流器的并聯，實現對不同類型單元素液肥的吸取及混合[12]。在施肥機工作運行中，混肥系統在主管道水泵的作用下進水口有恒壓水流入，水流進入射流器噴嘴漸縮段處，隨橫截面積的減小，水流壓強增大，水流速度也隨之增大。由射流器的工作原理，吸入室產生的真空負壓與外界氣壓形成壓差，利用壓強差將單元素液肥從與射流器吸肥口連接的儲肥筒吸入吸肥系統，與水進行充分的混合，完成吸肥過程，再經水肥混合液出口排出[13]。

射流器工作原理與伯努利方程和連續性方程息息相關，公式如下[14]：

伯努利方程：

(1)

(2)

式中：z1為射流器進水口面水平高度，m；z2為射流器噴嘴面水平高度，m；p1為射流器進口流體壓力，Pa；p2為射流器噴嘴流體壓力，Pa；v1為射流器進口流體流速，m/s；v2為射流器噴嘴流體流速，m/s；ρ為流體密度，kg/m3。

連續性方程：

v1A1=v2A2=Q=常數

(3)

在標準大氣壓下，若不考慮射流器的水頭損失，根據實際液體恒定流的連續方及能量方程推導得射流器吸肥量計算公式：

(4)

式中：q為射流器吸肥流量，m2/h；a為吸肥口截面積，m2；h為射流器吸肥口中心距肥液面的垂直距離，m；γ為流體體積力，N/m3。

顯然，吸入流量隨喉管處的真空度的變化而變化，當h+p2/γ<0時射流器才能吸肥。

2.3 控制系統

2.3.1 控制系統硬件設計

所設計旁路吸肥式水肥一體化施肥機控制系統硬件采用西門子PLC，通過邏輯程序控制各個執行機構實現水肥一體化施肥功能。控制系統選用西門子微型S7-200系列，其具有體積小、成本低等優點且足夠滿足本系統設計要求，接線原理見圖5。EC/pH傳感器采集的數據，需通過A/D模塊轉換成PLC的數字信號，此處選擇西門子EM231接線原理見圖6。執行元件為南京寧北閥門生產的DN15 24V電動閥，接收經單片機 D/A 轉換后的電壓信號。

圖5 PLC接線原理圖Fig.5 PLC wiring schematic

圖6 西門子EM231接線原理圖Fig.6 Siemens EM231 wiring schematic

2.3.2 控制系統結構原理

本系統有EC、pH傳感器兩個模擬量輸入，以此檢測主管道管路中水肥混合液的電導率和酸堿度；數字量輸入有抽吸泵開啟狀態；數字量輸出通過中間繼電器控制抽吸泵開啟、吸肥電動閥通斷，硬件控制原理見圖7。

圖7 PLC硬件控制原理圖Fig.7 PLC hardware control diagram

為了實現施肥機自動定量定比施肥，運用西門子PLC S7-200的STEP7- Micro/WIN軟件進行編程；對施肥灌溉時間段采用脈沖的方式進行分配；運用組態王對通信參數進行相匹配的設置[15]。施肥機在工作過程中，通過上位控制計算機對施肥執行機構電動閥間接進行控制，運用浮子流量計對各通道對單元素液肥的吸肥流量進行顯示，通過電動閥開啟時間確定各通道的吸肥量，進而實現各通道自動定量施肥。

3 施肥機吸肥性能仿真分析

3.1 FloEFD軟件簡介

FloEFD是無縫集成于主流三維MCAD軟件中的高度工程化的通用流體分析軟件，它基于當今主流CFD軟件都廣泛采用的有限體積法(FVM)開發，FloEFD完全支持直接導入Pro/E, Catia, Solidworks, UGS-NX, Inventor等所有主流三維MCAD模型。廣泛應用于機械行業、軍工/航天航空行業、醫療器械行業、汽車行業，閥門管道等流體控制設備行業等[16]。

應用FloEFD對施肥機注肥系統及混肥系統進行了仿真分析，掌握其內部流場情況。通過對三通混肥系統的進水口、吸肥口及混合水肥出口邊界條件設定，仿真分析混肥系統中速度流向、速度及壓強等參數的變化情況。

3.2 邊界條件參數設定及網格劃分

仿真分析中，設定注肥通道吸肥口邊界條件均為大氣環境壓力101 325 Pa；水肥混合出口邊界條件設定抽吸泵的體積流量0.002 2 m3/s；注水口總壓為0.4 MPa,見表2。

表2 邊界參數設定Tab.2 boundary parameter settings

為了加快模型仿真分析的效率，因此在不影響分析準確性的前提下，對通過SolidWorks建立的三維模型做一定的簡化，消除施肥機結構中的機架、控制柜、進出主管道、壓力表及泵，運用邊界條件來設置工作條件。計算區域選擇整個注肥及混肥系統結構；網格劃分采用六面體網格，在管道分岔處進行局部網格加密，總網格數887 131，網格劃分見圖8。

圖8 網格劃分Fig.8 Meshing

3.3 仿真分析及結果

完成上述邊界參數設定及網格劃分后，運用FloEFD進行仿真分析。流體分析求解器中目標收斂、迭代次數，流體分析中各注肥通道能夠實現吸肥工作，能夠達到與進水口進行水肥混合后穩定均勻輸出的效果，滿足設計要求。在分析結果中添加流動跡線進行流場展示，流動跡線壓強、速度云圖如圖9和圖10所示。

圖9 施肥機流動跡線壓強云圖Fig.9 Fertilizer machine flow trace pressure cloud

圖10 施肥機流動跡線速度云圖Fig.10 Fertilizer machine flow trace pressure cloud

從圖9可以看出，施肥機混肥系統上主管道壓強高于下主管道，從而使射流器進出口產生壓差，符合射流器吸肥工作原理，滿足各注肥通道吸肥設計要求。對比分析圖9和圖10施肥機混肥系統壓強及速度云圖，其壓強及速度變化情況符合伯努利方程，進一步驗證混肥系統性能的可行性。運用仿真分析結果表面參數，得到注水口及各注肥通道流量值，見表3。

表3 各通道仿真數值 L/hTab.3 simulation value of each channel

4 性能試驗

4.1 試驗裝置

根據施肥機三維模型規格進行樣機選型組裝，綜合考慮仿真分析各注肥通道吸肥量選擇浮子流量計量程1 600 L/h，于2018年4月14日在貴州大學機械工程學院試驗基地進行工作性能試驗，見圖11。

圖11 三通道旁路吸肥式自動施肥機試驗樣機Fig.11 Three-channel bypass fertilizer fertilizer automatic test machine prototype

4.2 試驗方法

試驗時，將自動施肥機連接進水口管道、3個液肥儲存筒及混合肥液出口管道，開啟總電源和水泵按鈕，啟動施肥機。在啟動電源總開關之前，首先將三吸肥通道上安裝的手動閥調至全開狀態、電動閥為常開狀態，待三通道浮子均穩定后讀取數據，并記錄流量數據，重復測量4次，取其平均值作為最大吸肥量最終結果；其次，通過控制系統控制電動閥通斷情況，觀察施肥機各通道吸肥效果。

評價指標：系統穩定性、各通道最大吸肥量、三通道吸肥量均勻性、控制系統對電動閥的控制、試驗數據與仿真數據吻合程度等。

4.3 試驗結果與分析

試驗中，施肥機中各項運行正常，各注肥通道能實現對單元素液肥均勻、連續的吸取，在混肥系統進行水肥混合后通過主管道輸出。與圖12所示的水肥一體化施肥機自動運行模式相結合，在注肥通道上實現自動的定量施肥，實現現代農業水肥一體化灌溉施肥。

圖12 水肥一體化施肥機自動運行模式Fig.12 Fertilizer automatic operation mode of water and fertilizer integration

對比試驗所測數據與仿真分析所得數據，通過分析兩組數據的吻合程度，檢驗三維結構仿真分析的準確性，驗證該模型是否具有現實意義。通過上述測試試驗，現將4次重復測量記錄的吸肥量讀數與仿真分析所得數據進行對比[17]，建立表4。

表4 吸肥量仿真值與試驗值對比表Tab.4 Fertilizer absorption simulation value and test value comparison table

5 結 語

(1)運用SolidWorks對施肥機關鍵部件注肥系統、混肥系統及進出主管道的等部件進行結構設計，并進行虛擬樣機的裝配，建立了施肥機三維模型。

(2)運用FloEFD對施肥機進行水肥混合性能仿真分析，驗證了所設計的施肥機具有良好的水肥混合效果，且獲得了三通道旁路吸肥式自動施肥機實際工作中不易取得的流場參數及可視化圖像。通過對比壓力及速度云圖，驗證了射流器的吸肥工作原理。

(3)試驗中，三通道旁路吸肥式自動施肥機各項運行正常，各注肥通道吸肥量穩定均勻，達到多種單元素液肥水肥一體化混合后穩定輸出的效果。試驗實測數據與仿真分析數據吻合程度較高，達到驗證此研究可行性目的。

(4)試驗中，該三通道旁路吸肥式施肥機控制系統相結合，可實現自動的定量施肥，實現了現代水肥一體化灌溉模式，在高效節水現代農業灌溉方面具有一定推廣應用意義。