注入式水肥一体化装置研究

【目的】为实现固体肥的水肥一体化,设计运行稳定、施肥均匀性高的水肥一体化装置并在设计的样机上进行试验,对注入式水肥一体化装置结构及加肥部分进行设计,分析装置运行过程参数。【方法】对装置的运行参数进行了试验测定,并采用控制变量法探究了装置的工作参数对肥液浓度均匀性的影响。通过试验探究了装置的施肥性能,并与压差施肥罐进行了对比。【结果】注入式水肥一体化装置能正常工作运行,样机的注肥流量为300L/h,加肥流量与步进电机转速成正比;本装置的搅拌速度越快、加肥流量越小、供水流量越大,肥液质量浓度均匀性就越高,且本装置施用5 kg复合肥时的最优搅拌速度为400 rpm;本装置在供水流量分别为1.5、1.0 m³/h和0.5 m³/h时,施完10 kg复合肥的施肥质量浓度偏差分别为51.67%、55.07%和52.75%,与压差施肥罐相比,本装置施完10 kg复合肥施肥质量浓度偏差总体小50%,出口肥液质量浓度的稳定性和均匀性远高于压差施肥罐。【结论】注入式水肥一体化装置能有效实现固体肥的水肥一体化,并将溶解的肥液持续注入到管道中;与同类型施肥设备相比本...     

溶解混施水肥一体化装置自动控制系统研制

为了提高溶解混施水肥一体化装置的施肥均匀性,解决水肥调控时灌溉量和质量浓度的综合控制问题,设计了溶解混施水肥一体化装置的自动控制系统.采用STM 32微控制器作为控制核心,通过肥料质量浓度标定试验,确定肥液质量浓度和电导率之间的关系,由电导电极及相关检测电路对出口肥液的质量浓度实时在线检测,将肥液质量浓度信号反馈回处理器,并生成控制信号,构建闭环控制回路;采用半桥式电路驱动直流水泵调节供水流量,采用PWM脉宽调制方法实时改变固体肥料添加速度,使出口的肥液质量浓度更加均匀、稳定.试验测定了装置施肥性能,结果表明在加入控制系统实时调节后,装置出口水肥溶液的均匀系数提高了31.46%.     

太阳能喷灌系统供给能源与水力性能关系

为了解决太阳能喷灌系统应用中无法对喷头水力性能进行有效预测的问题,以光照强度为影响因素,太阳能喷灌系统泵出口流量、泵出口压力、喷洒射程、水量分布及系统灌溉均匀性系数为评价指标,通过在夏季典型天气25~36℃下的系统水力性能试验,寻找不同光照强度下系统喷洒水力性能的变化规律,获得系统最佳工作状态下所需光照强度.试验结果表明:随着光照强度的增大,系统流量及泵出口压力均增大,泵的流量和压力随光照强度的变化规律基本符合指数分布规律.当光照强度大于900.0 W/m²时,系统流量、泵出口压力、射程及水量分布基本保持不变.获得了平均光照强度与均匀性系数函数关系,当光照强度大于900.0 W/m²时,系统喷灌均匀系数大于88%.当光照强度为200.0~600.0 W/m²时,系统喷灌均匀系数为76%~82%.太阳能喷灌系统在光照强度大于200.0 W/m²时可正常工作.该研究为改善太阳能喷灌系统水力性能,促进太阳能喷灌系统在实际工程中的推广应用提供了参考.     

溶解混施水肥一体化装置设计与试验

设计了一种溶解混施水肥一体化装置,装置由供水模块,控制模块,溶解模块和辅助装备组成,旨在实现固体肥料的边溶解边施肥。试验研究了装置的关键结构及投肥方式对施肥的均匀性的影响,结果表明:本装置同步实现下料、溶解、施肥等作业,在实验室条件下,装置40 min内能完成90%以上的施肥量;1 kg直接加入蓄肥桶,1.5 kg加入控制模块的投肥方式下的装置出口水肥浓度的均匀系数为41.5%,相对于其他两种投肥方式,均匀系数分别提高了10.6%和11.8%。因此该装置能实现定量施肥,且通过改变投肥方式,装置可以达到较好的均匀施肥的效果。     

基于柱塞泵与单片机的可控施肥机设计与喷灌试验

为了实现水肥一体化施肥装备流量精确且无水头损失,设计了一种基于柱塞泵与单片机的高精度可控施肥机,开展了恒流模式下6个流量梯度的喷灌系统施肥均匀性试验;以喷头总流量变化幅度为变量,设计了在1∶10的水肥配比下2种灌溉总流量变化幅度的不同工况,对比启、闭可控施肥机恒定水肥比例模式对水肥一体化支管内肥料浓度稳定性的影响效果.试验结果表明,高精度可控施肥机在流量分别为100,200,400,600,800,1 000 L/h的6种恒流模式时,喷灌均匀系数C_U为99.33%~99.71%、变异系数C_V为0.35%~0.75%;C_U,C_V与施肥机流量分别呈正相关与负相关关系,且喷头喷洒肥液的电导率总平均值E_C_-与施肥机流量之间具有显著的正相关性.在恒定水肥比例模式时,试验组管道内肥液浓度在160 s时趋于稳定,且稳定后肥液电导率与目标值偏差率小于4%.高精度可控施肥机恒流模式试验表明施肥机大流量下施肥均匀性变异系数仅为小流量下的50%,且改变施肥机的流量是水肥一体化喷灌系统实现高均匀度变量施肥的一种有效途径;试验证明恒水肥配比模式可有效减小支管肥料浓度受外界的影响.     

射流三通连接滴灌带的水力性能沿程变化规律

为了探究滴灌带沿程水力性能的变化规律,在射流三通进口流量为0.1~1.2 m³/h的范围内,开展射流三通进口流量与出口水头振幅的水力性能试验,发现射流三通连接脉冲滴灌系统的流量阈值为0.2~0.8 m³/h;在脉冲滴灌系统流量阈值的范围内,开展射流三通连接滴灌带沿程脉冲参数试验,研究射流三通连接60 m滴灌带沿程脉冲性能的变化规律,发现当滴灌带进口水头振幅大于1 m时,沿程水头振幅的衰减速率存在突变点,沿程脉冲频率先增大后减小,射流三通在整条滴灌带上均能产生脉冲水流的进口流量设计范围是0.5~0.8 m³/h.在射流三通进口流量的设计范围内,开展稳压滴灌和脉冲滴灌的同台对比试验,结果表明,射流三通连接滴灌带内的水头损失比普通三通连接滴灌带内的降低62.5%~83.3%,灌水均匀系数提高了0.6%~0.9%,流量偏差率降低了1.2%~4.1%;进口流量为0.7 m³/h时,射流三通连接滴灌带灌水均匀度最高.     

优化水肥与滴头间距组合对日光温室黄瓜生长及产量的影响

为探究水肥耦合+滴头间距对宁夏旱区日光温室春夏茬黄瓜生长、产量、品质和水肥利用率的影响。通过3因素3水平正交试验,利用Logistic方程模拟黄瓜株高变化规律,分析了各时期生长特点;利用极差分析和方差分析,研究了水肥耦合+滴头间距影响主次顺序、显著性及变化趋势,同时结合模糊数学隶属函数法对产量和品质指标进行综合评价,筛选最优组合。结果表明:①不同处理下黄瓜株高“S”形生长过程可分为渐增期、速生期、缓增期3个阶段,可用Logistic方程拟合,且相关系数均高达0.97;②春夏茬日光温室黄瓜在采摘期前3个月产量稳定,分别占总产30.19%、29.22%、28.58%,后1个月急剧下降,占总产12%;③3因素影响产量的顺序为灌水量>施肥浓度>滴头间距,灌水量影响显著,施肥浓度和滴头间距影响不显著,产量最高处理为TR1,达144361 kg/hm²,比最低处理TR9高44.92%。采用模糊隶属函数进行综合评价,TR2表现最好,平均隶属函数值为0.70。确定因素最优水平组合为:灌水量3040.95 m³/hm²、施肥浓度200倍液(740.55 kg/hm²)、滴头间距20 cm,产量为141077.9 kg/hm²。     

流道结构对低压旋转式喷头水力性能影响试验研究

以低压旋转式喷头为研究对象,选择喷盘空间流道的结构参数:出口截面形状、流道偏转角、流道型线弧长、出口仰角作为试验因素,采用L₄³(9)的正交设计,测量了工作压力为250 kPa时,不同因素水平下各试验喷头的水量分布和流量,并利用线性插值法计算了单喷头的射程,选用Matlab软件模拟了正方形布置下喷头的组合均匀系数,分析了空间流道各结构参数值对喷头水力性能的影响规律.结果表明:低压喷头空间流道的出口截面为圆形和倒U形时,其喷洒均匀性优于出口截面为异形的喷头;空间流道结构参数的改变对流量基本无影响,波动范围在±0.1 m³/h.运用综合评分法分析得到各空间流道结构参数因素对组合均匀系数和射程的综合评价指标影响的主次顺序为流道偏转角、出口截面形状、出口仰角、流道型线弧长、最终得出低压旋转式喷头空间流道结构参数的最佳组合为出口截面圆形,流道偏转角4.5°,流道型线半径29 mm,出口仰角25°.     

轻简水肥一体机的设计及其在日光温室黄瓜种植中的应用效果试验

为解决农户传统水肥一体化灌溉方式中存在的施用营养液浓度均匀性差、劳动强度大、过量施肥等问题,研究设计了一种与膜下微喷灌高灌溉流量特性相匹配的大吸肥量、低成本的轻简水肥一体机.通过自主设计的性能测试平台对其吸肥性能进行了测试,从而确定了吸肥泵的安装位置.为验证该水肥一体机应用效果,首先检测了应用水肥一体机和传统方式下灌溉营养液浓度均匀性,然后按照追肥总量比传统方式减少30％的方案进行了日光温室黄瓜栽培对比试验.结果表明,在水肥一体机出口压力分别为0.09、0.11、0.13 MPa时,吸肥泵前置吸肥效果好于后置;应用轻简水肥一体机灌溉施肥与传统方式相比,灌溉营养液浓度的空间均匀性没有显著差异,但时间均匀性差异显著,传统方式下灌溉营养液浓度随时间的推移不断下降,而应用水肥一体机的则保持稳定;在减施化肥30％情况下,与传统方式相比,应用水肥一体机灌溉仍可增产6.18％,每栋温室(670 m2)毎个生长季(7个月)可节约工时14 h,减施化肥27 kg,可提高效益2.15万元/hm2.综上,该轻简水肥一体机灌溉营养液均匀、节省人工和肥料、提高生产效益,具有较好的推广应用前景.     

圆形喷灌机施肥灌溉均匀性及蒸发漂移损失

为了评估圆形喷灌机施肥灌溉均匀性和蒸发漂移损失量,通过测试圆形喷灌机入机压力为0.15 MPa时,与喷灌机连接的计量隔膜泵吸肥流量与工作比例间的关系.分析了计量隔膜泵吸肥性能,并通过田间试验测试圆形喷灌机水力性能,评估了不同肥料类型和肥液浓度的施肥灌溉均匀系数及蒸发漂移损失量.结果表明:计量隔膜泵吸肥流量实测值和理论值的标准均方根误差为8.9%,且流量控制精度在工作比例为60%~100%时(相对误差|RE|≤5.6%)远高于工作比例为20%~40%时(|RE|≥13.3%).圆形喷灌机行走速度百分数为100%时,径向肥液水深与施肥量的修正赫尔曼-海因均匀系数基本相等,其变化分别为80%~85%和78%~86%,均小于径向肥液浓度的均匀系数96%~99%.不同肥料类型和肥液浓度处理间灌水、肥液浓度均匀系数差异不具有统计学意义.当风速小于2 m/s时,利用圆形喷灌机进行施肥灌溉产生的蒸发漂移损失量占灌水量的比例为1.5%~10.1%.     

粉末状有机肥条施排肥器设计与试验

针对粉末状有机肥湿度大、流动性差、条施困难等问题,设计了一种粉末状有机肥排肥器。该装置主要由肥箱、排肥拨轮、防自流挡板和排肥轴组成。为了提高排肥器的适用性,以不同含水率（（28±1）%、（32±1）%、（36±1）%）的粉末状有机肥为研究对象进行排肥器设计。对拨轮推动过程中的有机肥进行力学分析,将排肥拨轮设计成摆线型。为了防止有机肥直接通过肥箱底板的排肥口产生自流现象,以及破碎结块的有机肥,设计了防自流挡板。以排肥指数和排肥口宽度为试验因素,排肥稳定性变异系数为性能指标,进行二次正交旋转组合试验,建立排肥器离散元仿真模型,得到排肥指数为6个、排肥口宽度36.36mm时排肥稳定性最好;以断条率、各行排肥量一致性变异系数、排肥稳定性变异系数与排肥均匀性变异系数为评价指标对设计的排肥器进行性能测试试验,试验结果表明：排肥器对不同含水率有机肥以5~8km/h的速度施用时各性能指标均在规定范围内,工作性能稳定,满足技术要求。     

Y型网式过滤器堵塞过程对有机肥浓度的响应研究

为研究水肥一体化设备中用于过滤有机肥的Y型网式过滤器的堵塞规律,对Y型网式过滤器在初始流量500 L/h、水源压力117.6 k Pa下,设置25、30、40、50 g/L共4种黄腐酸钾有机肥肥液质量浓度,进行了过滤器堵塞试验,分析了Y型网式过滤器的局部水头损失与单个滤孔滤网清洁度(单个滤孔有效过水断面面积与孔隙总面积比值) S/S0的关系,并利用XRD分析了过滤器内堵塞物质的成分。结果表明:肥液质量浓度对过滤器滤网清洁度影响显著,建议肥液质量浓度不超过40 g/L;过滤器局部水头损失在S/S0减小到10%后才逐渐开始增大,过滤器局部水头损失与滤网清洁度、肥液质量浓度有关,利用多项式拟合给出了过滤器滤网清洁度与肥液质量浓度、施肥持续时间的关系式及局部水头损失与肥液质量浓度、滤网清洁度的关系式;滤网堵塞物质主要成分为硫酸钙、草酸钙。本研究结果可为水肥一体化设备中过滤器的选择提供理论参考。     

弧槽双螺旋式排肥器优化设计与试验

为实现排肥器的精量排肥,对采用错位叠加单螺旋排肥曲线原理的弧槽双螺旋式排肥器的排肥性能进行理论分析,确定其排肥量及影响其排肥性能的因素,以螺距S、弧槽半径Rp、中心距a为试验因素,并以均匀性变异系数、施肥精度为试验指标,进行了三因素三水平Box-Behnken试验,得到最优参数：螺距S为35mm,弧槽半径Rp为17.5mm,中心距a为35mm,在最优参数组合下制作排肥器并进行台架验证试验与对比试验,试验结果表明：台架试验的均匀性变异系数、施肥精度与仿真试验相对误差分别为5.07%、4.69%,仿真与台架试验吻合度较好,对比试验结果表明：优化后弧槽双螺旋式排肥器施肥精度为3.35%,施肥精度较高,优化后弧槽双螺旋式排肥器较未优化弧槽双螺旋式排肥器、单螺旋排肥器均匀性变异系数分别降低7.26、15.48个百分点,优化后的弧槽双螺旋式排肥器排肥性能良好。     

水肥对土壤盐分影响及增产效应

为了内蒙古河套灌区盐渍化土壤的肥料高效利用,采用田间试验的方法,将不同种类肥料和灌溉定额进行组合,研究其对土壤盐分的动态影响及增产效应.结果表明:小麦收获后,除尿素处理外,有机肥、控释肥和缓释肥处理在常规及节水灌溉条件下耕层和剖面土壤电导率(EC)均值较试验初都有不同程度的降低.有机肥处理在常规灌水条件下(灌水定额为1 005 m³/hm²),控盐效果略显优势;缓释、控释肥在节水灌溉条件下(灌水定额为750 m³/hm²),控盐效果更明显,剖面土壤EC均值较试验前分别下降16.4%,14.3%;尿素处理在常规灌水条件下,耕层及剖面土壤EC均值较播前分别增加3.6%,2.7%,积盐程度略高于节水处理.4种肥料处理的小麦产量较对照处理增产效果显著;缓释肥处理在常规及节水灌溉条件下均表现出显著的增产优势.综合考虑节水、增产、土壤脱盐等效应,获得优化灌水施肥模式为:缓释肥配二铵基施,生育期内不进行追肥,缓释肥为800.4 kg/hm²,二铵为350.6 kg/hm²,灌水定额为750 m³/hm²,产量为8 374.5 kg/hm², 较当地农民习惯灌水施肥处理可增产2.14%、节水25%,作物耕层EC值和剖面土壤EC均值较播前分别下降18.6%,16.4%.     

双齿轮式排肥器设计与试验

为了提高颗粒肥料的施肥均匀性,设计了双齿轮式排肥器。利用离散元软件对排肥过程进行仿真分析,以排肥轮压力角、排肥轮间隙为试验因素,以排肥均匀度变异系数为排肥效果评价指标,分析因素对指标的影响。单因素试验结果表明,排肥轮压力角在15°～25°,排肥轮间隙在4～6 mm,排肥效果较好;通过二次通用旋转组合试验,建立了两个因素与评价指标的回归方程,试验结果表明,随排肥轮压力角、排肥轮间隙的增大,排肥均匀度变异系数均呈现先增大、后减小的趋势,当排肥轮压力角为19. 52°、排肥轮间隙为4. 7 mm时,排肥器具有最优的排肥效果,此时理论计算和仿真试验的排肥均匀度变异系数分别为15. 30%和14. 58%,两者偏差为0. 72个百分点,说明回归模型准确。最优结构参数组合下双齿轮式排肥器的台架试验结果表明,排肥量可通过排肥轮转速线性调节,排肥均匀度变异系数为15. 42%,与仿真值及理论值基本一致;同等条件下外槽轮排肥器的排肥均匀度变异系数为20. 29%,试验排肥器排肥均匀度变异系数提高了31. 58%,排肥均匀性得到明显改善。     

刮板式有机肥条铺与旋耕混合施肥机设计与试验

针对果园有机肥人工施肥量不准确、施肥不均匀等问题,本文根据施肥农艺要求,设计了一种有机肥条铺与旋耕混合施肥机。该装置采用刮板式结构,通过圆环链带动刮板向前排肥,将有机肥呈条状铺撒在地表,通过旋耕装置将其与土壤混合。通过计算确定了施肥装置最大开口高度、肥箱容积等结构参数,分析了上、下层有机肥排肥过程。以排肥口开口高度、前进速度、链轮转速和刮板间距为试验因素进行离散元仿真试验,以有机肥相对误差和变异系数为评价指标,对排肥过程工作参数进行优化求解,得到最优参数组合：开口高度为53.17 mm、前进速度为2.8 km/h、链轮转速为15.96 r/min、刮板间距为160 mm。在最优工作条件下进行试验验证,得到有机肥平均排肥量为5.099 kg/m²,与理论施肥量相对误差为4.5%,变异系数为8.8%,表明仿真优化结果可靠,排肥量准确且排肥均匀性较好,该施肥装置施肥性能较优。在旋耕混合试验中,通过测定得到上层有机肥混合比例为11.83%,下层有机肥混合比例为6.29%,表明经过旋耕后,能够实现土肥混合效果,上层土肥混合比例高于下层。     

基于正交试验法下对喷灌均匀性影响因子的综合分析

为了优化轻小型平移式喷灌机组灌溉施肥工况,在喷灌工作压力为0.25 MPa,比例吸肥泵进出口压力为0.22 MPa情况下,设计正交试验以研究施肥浓度、喷头车行走速度和喷灌高度3个因素对轻小型平移式喷灌机组水肥一体化性能的影响;对试验结果进行极差分析和方差分析,获得三因素的最佳水平组合并对比三因素影响因子大小.试验结果表明:(1)影响轻小型平移式喷灌机组肥液浓度均匀度(CU₁)及肥液浓度分布均匀度(DU₁)的主要影响因素是喷灌高度,而施肥浓度和行走速度对其影响较小,显著性均大于0.05.(2)影响肥液质量均匀度(CU₂)最主要因素是喷头车行走速度,其次是喷灌高度,而施肥浓度对其影响不具有统计学意义.(3)施肥浓度、喷灌高度和行走速度对肥液质量分布均匀度(DU₂)影响因子显著性均大于0.05.(4)最优施肥技术水平组合为A1B2C2,即施肥浓度为0.4 g/L,喷灌高度为1.2 m,行走速度为30 m/h.