深施型液態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.黑龍江八一農墾大學工程學院，黑龍江 大慶 163319；2.東北農業大學工程學院，黑龍江 哈爾濱 150010）

液肥是一種含有多種營養元素且比固體肥料更易于作物吸收的液體肥料[1]。因其具有節本增效、經濟實用、可有效提高農作物產量的優點而被廣泛應用于大田作物中[2-3]。深施型液態施肥機是一款可通過相應的穴深施機構將液體肥料定量的施于作物根部附近的精準施肥機具，具有精準定量、可改善農作物品質的優點。國外對深施型液態施肥機具研究起步較早，各項技術與配套系統十分完善，目前已大規模應用于實際生產中[4-6]。近年來，隨著精準農業要求的提出，我國部分企業和科研院所也相繼研發出系列深施型液態施肥機具，部分機型已經得到了推廣和使用[7-9]。

深施型液態施肥機是一款可按照農藝要求將液態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肥的工作要求，但由于現有輸肥管路的復雜性，造成液體肥料在管路內部的水頭損失大，從而出現施肥量不足、工作效率低等問題。應用現有管路進行液態肥深施作業時，為達到滿足農藝要求的施肥量，對施肥系統要求更大的輸入壓力，不合理的管路系統設計易造成施肥系統存在較多泄漏點，造成液肥的損失浪費，影響機具作業效率[10-11]。針對以上問題，本文將結合流體動力學方程對液肥管路進行理論分析，研究液態肥能量損失原因，在此基礎之上，完成對管路系統優化設計并對其開展試驗研究，為優化新型管路系統提供一定理論基礎。

1 原管路系統能量損失分析

深施型液態施肥機原管路系統結構如圖1 所示。工作時，在液壓泵的作用下液肥經由過濾器流經出液管進到分配器中，在分配器內部液肥分配結構的作用下周期性地將肥料運送至管路一和管路二，液態肥分別由兩個管路接口進入液態施肥裝置太陽輪軸1內部，從其末端出來進入行星輪軸2 內部，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肥注入土壤中，出土時停止注入，執行機構旋轉一周扎穴兩次，完成液肥深施作業。同時，深施型液態施肥機管路系統中裝有截止閥，當液肥深施系統發生堵塞或其他原因造成系統壓力上升超過標定值時，液肥經由截止閥回流至肥箱中。

圖1 原管路系統結構圖

在完成液肥深施作業時，液態肥流經各個部件過程中，均勻流動會受到破壞，流速的大小、方向、分布易發生變化，從而產生局部阻力。同時，由于管路內部的突然擴大、縮小、轉彎、分岔等情況的出現，液肥在施肥系統內部流動過程中會出現不沿壁面流動的分離現象，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]。對原管路系統進行分析可知，系統中共包含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：

將上式變為局部水頭損失的一般表達式，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。

突擴的局部水頭損失系數為：

式中：ξe——沿程阻力當量局部阻力系數。

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

圖4 圓彎管與直角管

因此，可求得局部水頭損失為：

3 新管路系統的設計

根據上述理論分析，為減少液肥在輸肥管路中的能量損失，對管路系統進行優化設計，其結構如圖5所示。主要由肥箱、過濾器、液壓泵、液肥轉子式轉換器、施肥機構等組成，優化后的新管路系統共包括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，與原管路系統相比局部水頭損失小，有利于液肥噴施，降低管路系統泄漏風險。

圖5 新管路系統結構圖

4 施肥能量損失試驗

4.1 試驗條件及方法

為驗證優化設計的合理性，對所設計新管路系統開展液肥能量損失對比試驗，試驗裝置如圖6所示。為得到較為準確的對比試驗結果，保證除管路系統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，在標定時間（試驗時以5s為基準）內測量噴肥針噴施液肥體積，為減小試驗誤差對試驗所得結果的影響，試驗時，每組試驗重復5 次，所得到的測量結果取平均值。對所得結果進一步分析整理，得到管路系統中液肥流速，從而確定新管路系統的節能情況。

圖6 新管路系統試驗裝置

4.2 試驗結果及分析

由式（10）可根據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與原管路系統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，其值可由流體連續性方程式（11）計算得出，所得計算結果如表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

將兩管路系統能量損失做差得到新管路系統相對于原管路系統的節能量，所得結果如表3所示。

表3 新管路系統節能量

利用Design Expert8.0.6 軟件對表3 中數據進行統計分析，得到不同液肥噴施壓力與節能量的擬合情況，如圖7所示，獲得的回歸曲線為：

式中：J——節能量，m H2O；

P——液肥噴施壓力，MPa。

圖7 節能量規律曲線圖

5 結束語

文章針對現有深施型液態施肥機工作時管路系統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，對管路系統進行優化設計，對比表明，優化后的管路系統局部水頭損失明顯降低。在此基礎之上，通過液肥能量損失試驗，獲得節能量與液肥噴施壓力的回歸曲線J=0.464+22.69P，對試驗結果進一步分析得出新管路系統可有效減少液肥能量損失，提高了施肥機構的工作效率。