田 莉，李家春,2，吳景來，張賓賓，盧劍鋒

(1.貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴陽 550025；2.貴州省水利科學(xué)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(zhì)和產(chǎn)量，節(jié)約水資源，水肥一體化技術(shù)又稱為微灌施肥技術(shù)，是一種借助壓力系統(tǒng)將水源灌溉和液態(tài)肥施加結(jié)合在一起的高效新型農(nóng)業(yè)技術(shù)[1,2]。與傳統(tǒng)的灌溉模式相比，其具有節(jié)水省肥、節(jié)省勞動力、保證養(yǎng)分均衡供應(yīng)及作物增產(chǎn)等明顯優(yōu)勢[3]。在水肥一體化灌溉技術(shù)中，其核心裝置是水肥一體化施肥機(jī)[4]。水肥一體化施肥機(jī)可實現(xiàn)對多種單元素液肥的水肥混合，根據(jù)作物生長需求進(jìn)行定比混合，進(jìn)而根據(jù)用戶設(shè)定的灌溉施肥程序，通過灌溉系統(tǒng)適時適量地供給作物。尤其適用于對養(yǎng)分濃度有較高要求的花卉、優(yōu)質(zhì)蔬菜及一些高經(jīng)濟(jì)附加值作物[5]。雖然，近幾年我國農(nóng)業(yè)灌溉方式由“澆地”變“澆作物”，告別“大水漫灌”模式，但我國農(nóng)業(yè)在節(jié)水灌溉水平較發(fā)達(dá)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(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計、吸肥量仿真分析及試驗驗證。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1總體結(jié)構(gòu)

運(yùn)用SolidWorks進(jìn)行三通道旁路吸肥式水肥一體化自動施肥機(jī)三維建模，見圖1，主要由機(jī)架、主管路系統(tǒng)、注肥系統(tǒng)、混肥系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)及控制系統(tǒng)組成[6]。其主要技術(shù)指標(biāo)和技術(shù)參數(shù)見表1。

圖1 三通道旁路吸肥式施肥機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Schematic diagram of the three-channel bypass suction fertilizer fertilizer machine

表1 主要技術(shù)指標(biāo)和技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical indicators and technical parameters

該結(jié)構(gòu)中，機(jī)架由方形不銹鋼搭建而成，穩(wěn)定性較好；主管路系統(tǒng)由抽吸泵和相應(yīng)的管道組成，為系統(tǒng)提供足夠的壓力和流量，滿足混肥系統(tǒng)工作要求；注肥系統(tǒng)由浮子流量計、流量調(diào)節(jié)閥、電動閥、止回閥及相應(yīng)的PVC管路組成；混肥系統(tǒng)由射流器及相應(yīng)的PVC管路組成；檢測系統(tǒng)由EC/PH傳感器組成；控制系統(tǒng)以西門子PLC為控制元件。

1.2 工作原理

施肥機(jī)運(yùn)行原理見圖2，運(yùn)行時施肥機(jī)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(yīng)用射流器原理把液肥吸入注肥通道內(nèi)，啟動吸肥系統(tǒng)射流器工作的壓差值由加壓注水口和裝配在施肥機(jī)上的抽吸泵提供。施肥機(jī)運(yùn)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(dá)到最大值，并對射流器吸入室產(chǎn)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(jī)在運(yùn)行時，射流器吸肥通道因抽吸泵產(chǎn)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(tǒng)通過對三注肥通道上電動閥的啟閉進(jìn)行控制，實現(xiàn)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(dǎo)率進(jìn)行實時檢測，并反饋到控制系統(tǒng)[9]?；旌虾蟮乃驶旌弦涸诔槲玫淖饔孟乱砸欢▔毫敵?，通過灌溉管網(wǎng)進(jìn)行農(nóng)作物的水肥一體化灌溉，滿足農(nóng)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(yīng)器；10-抽吸肥泵；11-灌溉管網(wǎng)圖2 運(yùn)行原理圖Fig.2 operating principle

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 注肥系統(tǒng)

注肥系統(tǒng)由寶塔接頭、浮子流量計、流量調(diào)節(jié)閥、電動閥及止回閥等部件組成，見圖3。

圖3 注肥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the injection system

注肥時，注肥系統(tǒng)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(diào)節(jié)閥實現(xiàn)對各通道流量的控制，浮子流量計對通道流量進(jìn)行刻度顯示；電動閥受控于控制系統(tǒng)，通過定時的通斷進(jìn)行對各通道自動定量的注肥[10]；施肥機(jī)注肥系統(tǒng)中泵及電機(jī)反轉(zhuǎn)時，會發(fā)生水肥混合液的導(dǎo)流，造成單元素液肥筒內(nèi)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(tǒng)

混肥系統(tǒng)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(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Mixed fertilizer system structure

混肥系統(tǒng)的設(shè)計基于射流器的并聯(lián)，實現(xiàn)對不同類型單元素液肥的吸取及混合[12]。在施肥機(jī)工作運(yùn)行中，混肥系統(tǒng)在主管道水泵的作用下進(jìn)水口有恒壓水流入，水流進(jìn)入射流器噴嘴漸縮段處，隨橫截面積的減小，水流壓強(qiáng)增大，水流速度也隨之增大。由射流器的工作原理，吸入室產(chǎn)生的真空負(fù)壓與外界氣壓形成壓差，利用壓強(qiáng)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(tǒng)，與水進(jìn)行充分的混合，完成吸肥過程，再經(jīng)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(xù)性方程息息相關(guān)，公式如下[14]：

伯努利方程：

(1)

(2)

式中：z1為射流器進(jìn)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(jìn)口流體壓力，Pa；p2為射流器噴嘴流體壓力，Pa；v1為射流器進(jìn)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(xù)性方程：

v1A1=v2A2=Q=常數(shù)

(3)

在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，若不考慮射流器的水頭損失，根據(jù)實際液體恒定流的連續(xù)方及能量方程推導(dǎo)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(dāng)h+p2/γ<0時射流器才能吸肥。

2.3 控制系統(tǒng)

2.3.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

所設(shè)計旁路吸肥式水肥一體化施肥機(jī)控制系統(tǒng)硬件采用西門子PLC，通過邏輯程序控制各個執(zhí)行機(jī)構(gòu)實現(xiàn)水肥一體化施肥功能?？刂葡到y(tǒng)選用西門子微型S7-200系列，其具有體積小、成本低等優(yōu)點且足夠滿足本系統(tǒng)設(shè)計要求，接線原理見圖5。EC/pH傳感器采集的數(shù)據(jù)，需通過A/D模塊轉(zhuǎn)換成PLC的數(shù)字信號，此處選擇西門子EM231接線原理見圖6。執(zhí)行元件為南京寧北閥門生產(chǎn)的DN15 24V電動閥，接收經(jīng)單片機(jī) D/A 轉(zhuǎn)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(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

本系統(tǒng)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(dǎo)率和酸堿度；數(shù)字量輸入有抽吸泵開啟狀態(tài)；數(shù)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(xiàn)施肥機(jī)自動定量定比施肥，運(yùn)用西門子PLC S7-200的STEP7- Micro/WIN軟件進(jìn)行編程；對施肥灌溉時間段采用脈沖的方式進(jìn)行分配；運(yùn)用組態(tài)王對通信參數(shù)進(jìn)行相匹配的設(shè)置[15]。施肥機(jī)在工作過程中，通過上位控制計算機(jī)對施肥執(zhí)行機(jī)構(gòu)電動閥間接進(jìn)行控制，運(yùn)用浮子流量計對各通道對單元素液肥的吸肥流量進(jìn)行顯示，通過電動閥開啟時間確定各通道的吸肥量，進(jìn)而實現(xiàn)各通道自動定量施肥。

3 施肥機(jī)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(dāng)今主流CFD軟件都廣泛采用的有限體積法(FVM)開發(fā)，F(xiàn)loEFD完全支持直接導(dǎo)入Pro/E, Catia, Solidworks, UGS-NX, Inventor等所有主流三維MCAD模型。廣泛應(yīng)用于機(jī)械行業(yè)、軍工/航天航空行業(yè)、醫(yī)療器械行業(yè)、汽車行業(yè)，閥門管道等流體控制設(shè)備行業(yè)等[16]。

應(yīng)用FloEFD對施肥機(jī)注肥系統(tǒng)及混肥系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析，掌握其內(nèi)部流場情況。通過對三通混肥系統(tǒng)的進(jìn)水口、吸肥口及混合水肥出口邊界條件設(shè)定，仿真分析混肥系統(tǒng)中速度流向、速度及壓強(qiáng)等參數(shù)的變化情況。

3.2 邊界條件參數(shù)設(shè)定及網(wǎng)格劃分

仿真分析中，設(shè)定注肥通道吸肥口邊界條件均為大氣環(huán)境壓力101 325 Pa；水肥混合出口邊界條件設(shè)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(shù)設(shè)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(zhǔn)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(jī)結(jié)構(gòu)中的機(jī)架、控制柜、進(jìn)出主管道、壓力表及泵，運(yùn)用邊界條件來設(shè)置工作條件。計算區(qū)域選擇整個注肥及混肥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；網(wǎng)格劃分采用六面體網(wǎng)格，在管道分岔處進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，總網(wǎng)格數(shù)887 131，網(wǎng)格劃分見圖8。

圖8 網(wǎng)格劃分Fig.8 Meshing

3.3 仿真分析及結(jié)果

完成上述邊界參數(shù)設(shè)定及網(wǎng)格劃分后，運(yùn)用FloEFD進(jìn)行仿真分析。流體分析求解器中目標(biāo)收斂、迭代次數(shù)，流體分析中各注肥通道能夠?qū)崿F(xiàn)吸肥工作，能夠達(dá)到與進(jìn)水口進(jìn)行水肥混合后穩(wěn)定均勻輸出的效果，滿足設(shè)計要求。在分析結(jié)果中添加流動跡線進(jìn)行流場展示，流動跡線壓強(qiáng)、速度云圖如圖9和圖10所示。

圖9 施肥機(jī)流動跡線壓強(qiáng)云圖Fig.9 Fertilizer machine flow trace pressure cloud

圖10 施肥機(jī)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(jī)混肥系統(tǒng)上主管道壓強(qiáng)高于下主管道，從而使射流器進(jìn)出口產(chǎn)生壓差，符合射流器吸肥工作原理，滿足各注肥通道吸肥設(shè)計要求。對比分析圖9和圖10施肥機(jī)混肥系統(tǒng)壓強(qiáng)及速度云圖，其壓強(qiáng)及速度變化情況符合伯努利方程，進(jìn)一步驗證混肥系統(tǒng)性能的可行性。運(yùn)用仿真分析結(jié)果表面參數(shù)，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(shù)值 L/hTab.3 simulation value of each channel

4 性能試驗

4.1 試驗裝置

根據(jù)施肥機(jī)三維模型規(guī)格進(jìn)行樣機(jī)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(xué)機(jī)械工程學(xué)院試驗基地進(jìn)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(jī)試驗樣機(jī)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(jī)連接進(jìn)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(jī)。在啟動電源總開關(guān)之前，首先將三吸肥通道上安裝的手動閥調(diào)至全開狀態(tài)、電動閥為常開狀態(tài)，待三通道浮子均穩(wěn)定后讀取數(shù)據(jù)，并記錄流量數(shù)據(jù)，重復(fù)測量4次，取其平均值作為最大吸肥量最終結(jié)果；其次，通過控制系統(tǒng)控制電動閥通斷情況，觀察施肥機(jī)各通道吸肥效果。

評價指標(biāo)：系統(tǒng)穩(wěn)定性、各通道最大吸肥量、三通道吸肥量均勻性、控制系統(tǒng)對電動閥的控制、試驗數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)吻合程度等。

4.3 試驗結(jié)果與分析

試驗中，施肥機(jī)中各項運(yùn)行正常，各注肥通道能實現(xiàn)對單元素液肥均勻、連續(xù)的吸取，在混肥系統(tǒng)進(jìn)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(jī)自動運(yùn)行模式相結(jié)合，在注肥通道上實現(xiàn)自動的定量施肥，實現(xiàn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水肥一體化灌溉施肥。

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

對比試驗所測數(shù)據(jù)與仿真分析所得數(shù)據(jù)，通過分析兩組數(shù)據(jù)的吻合程度，檢驗三維結(jié)構(gòu)仿真分析的準(zhǔn)確性，驗證該模型是否具有現(xiàn)實意義。通過上述測試試驗，現(xiàn)將4次重復(fù)測量記錄的吸肥量讀數(shù)與仿真分析所得數(shù)據(jù)進(jìn)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(jié) 語

(1)運(yùn)用SolidWorks對施肥機(jī)關(guān)鍵部件注肥系統(tǒng)、混肥系統(tǒng)及進(jìn)出主管道的等部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，并進(jìn)行虛擬樣機(jī)的裝配，建立了施肥機(jī)三維模型。

(2)運(yùn)用FloEFD對施肥機(jī)進(jìn)行水肥混合性能仿真分析，驗證了所設(shè)計的施肥機(jī)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(jī)實際工作中不易取得的流場參數(shù)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(jī)各項運(yùn)行正常，各注肥通道吸肥量穩(wěn)定均勻，達(dá)到多種單元素液肥水肥一體化混合后穩(wěn)定輸出的效果。試驗實測數(shù)據(jù)與仿真分析數(shù)據(jù)吻合程度較高，達(dá)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(jī)控制系統(tǒng)相結(jié)合，可實現(xiàn)自動的定量施肥，實現(xiàn)了現(xiàn)代水肥一體化灌溉模式，在高效節(jié)水現(xiàn)代農(nóng)業(yè)灌溉方面具有一定推廣應(yīng)用意義。