深施型液態(tài)施肥機施肥能量損失試驗研究

白海超，衣淑娟，馮召華，周文琪

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163319；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150010）

液肥是一種含有多種營養(yǎng)元素且比固體肥料更易于作物吸收的液體肥料[1]。因其具有節(jié)本增效、經(jīng)濟實用、可有效提高農(nóng)作物產(chǎn)量的優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于大田作物中[2-3]。深施型液態(tài)施肥機是一款可通過相應(yīng)的穴深施機構(gòu)將液體肥料定量的施于作物根部附近的精準(zhǔn)施肥機具，具有精準(zhǔn)定量、可改善農(nóng)作物品質(zhì)的優(yōu)點。國外對深施型液態(tài)施肥機具研究起步較早，各項技術(shù)與配套系統(tǒng)十分完善，目前已大規(guī)模應(yīng)用于實際生產(chǎn)中[4-6]。近年來，隨著精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)要求的提出，我國部分企業(yè)和科研院所也相繼研發(fā)出系列深施型液態(tài)施肥機具，部分機型已經(jīng)得到了推廣和使用[7-9]。

深施型液態(tài)施肥機是一款可按照農(nóng)藝要求將液態(tài)肥深施到作物根部附近102mm～105mm深度的施肥機具，此類機具雖然可滿足深施液態(tài)肥的工作要求，但由于現(xiàn)有輸肥管路的復(fù)雜性，造成液體肥料在管路內(nèi)部的水頭損失大，從而出現(xiàn)施肥量不足、工作效率低等問題。應(yīng)用現(xiàn)有管路進行液態(tài)肥深施作業(yè)時，為達到滿足農(nóng)藝要求的施肥量，對施肥系統(tǒng)要求更大的輸入壓力，不合理的管路系統(tǒng)設(shè)計易造成施肥系統(tǒng)存在較多泄漏點，造成液肥的損失浪費，影響機具作業(yè)效率[10-11]。針對以上問題，本文將結(jié)合流體動力學(xué)方程對液肥管路進行理論分析，研究液態(tài)肥能量損失原因，在此基礎(chǔ)之上，完成對管路系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計并對其開展試驗研究，為優(yōu)化新型管路系統(tǒng)提供一定理論基礎(chǔ)。

1 原管路系統(tǒng)能量損失分析

深施型液態(tài)施肥機原管路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。工作時，在液壓泵的作用下液肥經(jīng)由過濾器流經(jīng)出液管進到分配器中，在分配器內(nèi)部液肥分配結(jié)構(gòu)的作用下周期性地將肥料運送至管路一和管路二，液態(tài)肥分別由兩個管路接口進入液態(tài)施肥裝置太陽輪軸1內(nèi)部，從其末端出來進入行星輪軸2 內(nèi)部，進一步進入噴肥針3 末端。最終，從噴肥針進入土壤時由噴肥針將液態(tài)肥注入土壤中，出土?xí)r停止注入，執(zhí)行機構(gòu)旋轉(zhuǎn)一周扎穴兩次，完成液肥深施作業(yè)。同時，深施型液態(tài)施肥機管路系統(tǒng)中裝有截止閥，當(dāng)液肥深施系統(tǒng)發(fā)生堵塞或其他原因造成系統(tǒng)壓力上升超過標(biāo)定值時，液肥經(jīng)由截止閥回流至肥箱中。

圖1 原管路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在完成液肥深施作業(yè)時，液態(tài)肥流經(jīng)各個部件過程中，均勻流動會受到破壞，流速的大小、方向、分布易發(fā)生變化，從而產(chǎn)生局部阻力。同時，由于管路內(nèi)部的突然擴大、縮小、轉(zhuǎn)彎、分岔等情況的出現(xiàn)，液肥在施肥系統(tǒng)內(nèi)部流動過程中會出現(xiàn)不沿壁面流動的分離現(xiàn)象，從而形成局部漩渦，引起局部水頭損失，造成液肥能量損耗[12]。對原管路系統(tǒng)進行分析可知，系統(tǒng)中共包含1 個突擴管、3 個突縮管、7個90°圓彎管、4 個直角管、沿程損失1 個，現(xiàn)有施肥管路局部水頭損失較大。

2 局部水頭損失理論分析

2.1 突擴管

突擴管模型圖如圖2所示，建立兩斷面的能量方程，忽略沿程水頭損失，由此得：

圖2 突擴管模型圖

建立流動方向的動能方程：

將各作用力代入動量方程，得：

式中：Z——位置水頭，m；

P——流體靜壓，Pa；

ρ——流體密度，kg/m3；

g——重力加速度，m/s2；

v——流體流速，m/s；

hw——液肥總水頭損失，m。

整理得：

將上式變?yōu)榫植克^損失的一般表達式，可得：

式中：A1——1-1斷面的流動面積；

A2——2-2斷面的流動面積；

ξ——管路總阻力系數(shù)。

突擴的局部水頭損失系數(shù)為：

式中：ξe——沿程阻力當(dāng)量局部阻力系數(shù)。

2.2 突縮管

突縮管模型如圖3所示，突縮管的局部水頭損失取決于面積收縮比，其局部水頭損失可由經(jīng)驗公式計算[12]：

圖3 突縮管模型

2.3 90°圓彎管與直角管

90°圓彎管與直角管產(chǎn)生能量損失的機理是一致的，如圖4所示，其局部損失系數(shù)分為：

圖4 圓彎管與直角管

因此，可求得局部水頭損失為：

3 新管路系統(tǒng)的設(shè)計

根據(jù)上述理論分析，為減少液肥在輸肥管路中的能量損失，對管路系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。主要由肥箱、過濾器、液壓泵、液肥轉(zhuǎn)子式轉(zhuǎn)換器、施肥機構(gòu)等組成，優(yōu)化后的新管路系統(tǒng)共包括1個突擴管、2個突縮管、0個90°圓彎管、0個直角管、沿程損失0個，與原管路系統(tǒng)相比局部水頭損失小，有利于液肥噴施，降低管路系統(tǒng)泄漏風(fēng)險。

圖5 新管路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 施肥能量損失試驗

4.1 試驗條件及方法

為驗證優(yōu)化設(shè)計的合理性，對所設(shè)計新管路系統(tǒng)開展液肥能量損失對比試驗，試驗裝置如圖6所示。為得到較為準(zhǔn)確的對比試驗結(jié)果，保證除管路系統(tǒng)外其它外部條件的一致性。試驗時，以液肥噴施壓力為試驗因素，依次用量筒測定液肥噴施壓力分別在0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa、0.5MPa和0.6MPa時，在標(biāo)定時間（試驗時以5s為基準(zhǔn)）內(nèi)測量噴肥針噴施液肥體積，為減小試驗誤差對試驗所得結(jié)果的影響，試驗時，每組試驗重復(fù)5 次，所得到的測量結(jié)果取平均值。對所得結(jié)果進一步分析整理，得到管路系統(tǒng)中液肥流速，從而確定新管路系統(tǒng)的節(jié)能情況。

圖6 新管路系統(tǒng)試驗裝置

4.2 試驗結(jié)果及分析

由式（10）可根據(jù)測量所得液肥體積計算出液肥噴肥針出口流速，計算所得新管路系統(tǒng)與原管路系統(tǒng)液肥噴肥針出口流速如表1所示。

式中：v2——液肥噴肥針出口流速，m/s；

A2——液肥出口橫截面面積，m2；

t——時間，s；

V——液肥體積，m3。

表1 液肥噴肥針出口流速

為進一步分析兩組管路的能量損失，需獲取斷面1 處（液壓泵出口，截面直徑14mm）液肥流速，其值可由流體連續(xù)性方程式（11）計算得出，所得計算結(jié)果如表2所示。

式中：v1——液肥在液壓泵出口處流速，m/s；

A1——液壓泵出口橫截面面積，m2。

表2 液肥在斷面1處的流速

將兩管路系統(tǒng)能量損失做差得到新管路系統(tǒng)相對于原管路系統(tǒng)的節(jié)能量，所得結(jié)果如表3所示。

表3 新管路系統(tǒng)節(jié)能量

利用Design Expert8.0.6 軟件對表3 中數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，得到不同液肥噴施壓力與節(jié)能量的擬合情況，如圖7所示，獲得的回歸曲線為：

式中：J——節(jié)能量，m H2O；

P——液肥噴施壓力，MPa。

圖7 節(jié)能量規(guī)律曲線圖

5 結(jié)束語

文章針對現(xiàn)有深施型液態(tài)施肥機工作時管路系統(tǒng)存在液肥能量損失大、工作效率低的問題，通過流體局部水頭損失理論，分析了產(chǎn)生局部水頭損失形式的原因，為減少液肥在輸肥管路中的能量損失，對管路系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，對比表明，優(yōu)化后的管路系統(tǒng)局部水頭損失明顯降低。在此基礎(chǔ)之上，通過液肥能量損失試驗，獲得節(jié)能量與液肥噴施壓力的回歸曲線J=0.464+22.69P，對試驗結(jié)果進一步分析得出新管路系統(tǒng)可有效減少液肥能量損失，提高了施肥機構(gòu)的工作效率。