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2023 年 1 月 灌溉排水学报 第 42 卷 第 1 期 Jan 2023 Journal of Irrigation and Drainage No 1 Vol 42 1 专家评述 文章编号 1672 3317 2023 01 0001 07 注入式水肥一体化装置研究 李 红 宋秀华 陈 超 张志洋 夏华猛 江苏大学 国家水泵及系统工程技术研究中心 江苏 镇江 212013 摘 要 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 300 L 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装置施肥 均匀性高 施肥速度快 具有很强的工程应用价值 关 键 词 固体肥 水肥一体化 管道灌溉 施肥均匀性 中图分类号 S257 9 文献标志码 A doi 10 13522 ki ggps 2022307 OSID 李红 宋秀华 陈超 等 注入式水肥一体化装置研究 J 灌溉排水学报 2023 42 1 1 7 LI Hong SONG Xiuhua CHEN Chao et al An Injected Fertigation Device J Journal of Irrigation and Drainage 2023 42 1 1 7 0 引 言 研究意义 近年来 水肥一体化技术在中国得 到了快速的发展 1 2 具有充分利用水肥资源 提高 经济效益 的优点 3 研究进展 施肥 装置 是实现水 肥一体化的关键装置 常见的有压差施肥罐 4 文丘 里施肥器 5 和比例施肥泵 6 以及注肥泵 但这些传统 的 装置已很难满足水肥一体化技术更多元的要求 集 成传统施肥装置和智能控制系统 构建智能施肥机已 然成为施肥装置发展的大势所趋 7 国外 早已将成熟 的智能施肥机产品推向市场 8 如 荷兰 Priva 和以色 列 Eldarshany 公司 都推出了不同流量需求的施肥机 以色列 Netafim公司 的 Netajet高端机型更是在以色列 滴灌施肥中得到了广泛的应用 9 国内智能施肥机也 在不断发展 朱志坚等 10 研制了一种自控变频调速式 灌溉水注肥装置 通过压力泵将液体肥 注入 田间 李 建平等 11 刘永华等 12 都研究了一种水肥预混合装置 再通过注肥泵或文丘里施肥器将肥液输出到管道 张 收稿日期 2022 06 02 基金项目 国家自然科学基金项目 51939005 江苏省重点研发计划 现 代农业 项目 BE2021340 作者简介 李红 1967 女 研究员 博士生导师 主要从事流体机械 及排灌机械研究 E mail hli 青等 13 设计了一种移动式灌溉施肥机 可移动至所需 灌溉区域 并实现远程控制水肥灌溉 徐灿等 14 陆 绍德等 15 都 设计了一套水肥药一体化装备 并在样机 上进行试验 实现了节水 节肥 节药 袁洪波等 16 研制了一种水肥一体化营养液调控装备 通过 控制系 统对营养液制备过程进行精确控制 切入点 现有 水肥一体化装置多采用液体肥料进行配肥 而 我国 大 田种植中多施用固体肥料 拟解决的关键问题 因 此 本研究开发一种施用固体肥的注入式水肥一体化 施肥装置 试验研究装置的施肥性能 并与压差施肥 罐进行对比 验证装置的先进性 1 注入式水肥一体化装置设计 1 1 结构及工作原理 本研究提出了一种实现固体肥水肥一体化装置 其施肥质量浓度精量可调 装置的结构如图 1 所示 该装置主要由加肥部分 溶解部分 施肥部分以及控 制部分组成 加肥部分的加肥流量稳定性及精确调控 是精量调节施肥质量浓度的关键 为此基于螺杆送料 构建了如图 2 所示的加肥部分 料斗中的固体肥通过 进料管进入料筒中 步进 电机带动料筒中的螺杆旋转 螺杆推动料筒中的固体肥从出料板侧下落 完成肥料 的添加 调节步进电机转速或改变螺杆参数可实现对 灌溉排水学报 2 加肥流量的调节 溶解部分由供水泵 搅拌桶 滤网 桶 搅拌电机 搅拌器等组成 其功能是将固体肥料 与水进行充分混合 施肥部分由电导率仪 出水口及 柱塞泵依次从搅拌桶外壁延伸排列 组成 该装置的工作原理是 固体肥料存放在储料斗中 控制柜控制装置运行 首先开启电磁阀 水源通过直 流泵和进水口注入搅拌桶中 待搅拌桶中注满水后 步进电机带动螺旋杆转动 肥料在螺旋杆的推动下落 入搅拌桶中 同时 直流电机和柱塞泵启动 搅拌器在 直流电机的带动下 加速 搅拌桶内的固体肥料 溶解 肥 液通过出水口经过柱塞泵 将混合好的肥液注入到有 压管道中 供水流量与注肥流量保持一致是系统稳定 运行的关键 当达到所需施肥量后 停止加肥部分工 作 直流泵与柱塞泵持续工作至电导率仪检测值接近 于纯水 系统停止工作 装置内剩余液体用于清洁装 置而后通过排污口排出 图 1 注入式水肥一体化装置结构示意图 Fig 1 Structure diagram of the injected fertigation device 注 1 料斗 2 底板 3 螺栓 4 进料管 5 螺母 6 出料板 7 料筒 8 送料螺杆 9 挡板 10 螺栓 11 支架 12 步进电机 图 2 加肥 部分 原理图 Fig 2 Schematic diagram of the fertilizer feeding component 1 2 水肥混合 过程模型 注入式水肥一体化装置的水肥混合过程是 一个 动态过程 供水流量与注肥流量平衡是系统稳定运行 的关键 加肥速度的精确控制是出口肥液质量浓度稳 定的关键 因此建立了水肥混合动态模型 分析注入 式水肥一体化装置稳定运行的关键参数 在装置运行 过程中 假设搅拌桶内液体体积保持不变 混合后的 肥料溶液质量浓度 整体 均匀 则注入式水肥一体化装 置的水肥混合过程输入量为加肥速度 q t 与肥料的养 分量 C 和 供水流量 Qin t 输出量为混合后的肥液质 量浓度 Cout t 和输出的肥液流量 Qout t 中间过程变 量为搅拌桶体积 V t 水肥混合过程模型如图 3 所示 搅拌桶 V t 加肥过程 q t C 供 水过程 Q in t 混合后肥液 Q out t C out t 图 3 水肥混合过程模型 Fig 3 Model of mixed fertilizer process 当系统进入稳定运行的动态平衡时 根据肥料量 守恒得到式 1 out o u t o u t d V t C t C q t Q t C tdt 1 根据搅拌桶中的肥液体积守恒得到 式 2 in o u t dV t Q t q t Q tdt 2 根据系统运行特点 需满足要求输入量与输出量 流速相等 即 in out Q t q t Q t 3 将 式 2 和 式 3 代入式 1 得到水肥混合 过程表达式 4 即注入式水肥一体化装置的水肥混 合动态模型 out o u t o u t d C tV t Q t C t C q tdt 4 1 3 控制 系统 硬件及控制流程 注入式水肥一体化装置的运行过程是个动态平 衡过程 供水流量与注肥流量的平衡 加肥速度的精 确控制是保证系统工作顺利进行的关键 为此本研究 基于单片机搭建了如图 4 所示的控制系统硬件 STM32 单片机 17 发出不同频率的 PWM 波来精确控 制步进电机的转速 通过发送不同 PWM 波占空比给 驱动电路来精确调节直流泵的供水流量 通过内置的 程序控制电磁阀 柱塞泵 搅拌电机等各部件的启动 停止时间 该系统的控制程序流程如图 5 所示 根据 测定的装置运行参数对本次加肥工作的加肥 流量 和 供水流量进行预设 再设置加肥的总量 随后发出命 令驱使供水泵 电磁阀工作 待搅拌桶中水到达指定 位置 出水口 时开始加肥 同时发出指令使搅拌电 机和柱塞泵开始工作 待肥料全部添加完成 加肥部 分停止工作 至电导率仪检测出口肥液质量浓度 接近 纯水 肥液全部排出 直流泵 柱塞泵 搅拌器停 止工作 施肥作业完成 注 1 STM32 单片机 2 电磁阀 3 搅拌电机 4 驱动器 5 步进电机 6 驱动电路 7 直流 泵 8 交流接触器 9 柱塞泵 图 4 控制系统硬件 Fig 4 Hardware of the control system 李红 等 注入式水肥一体化装置研究 3 开始 系统初始化 设置施肥总量 开启电磁阀 直流泵 水注满搅拌桶 步进电机启动 搅拌电机 启动 加肥完成 停止加肥 肥液全部排出 柱塞泵 开启 直流泵 搅拌电机 柱塞泵停止工作 结束 Y Y Y N N N 搅拌电机 柱塞泵 直流泵持续工作 图 5 控制程序流程图 Fig 5 Flow chart of the control program 2 材料与方法 2 1 装置运行 参数测定 基于以上设计方案试制了如图 6 a 所示的试验 样机 如图 6 b 为 试验样机的示意图 选用名磊 JET370A 型自吸泵作为供水泵 额定流量 3 m3 h 柱塞泵为威力 J2 300 0 8 型 流量 300 L h 步进电 机为步科 86HBS120 型步进电机 搅拌电机选用学诚 牌 直流电机 转速可选 100 500 rpm 为设置装置各 部件的运行配合时间 对注入式水肥一体化装置的加 肥流量 和注肥流量进行测定 设置直流电机转速为 100 rpm 测定加肥流量时 选用市场上常见的 3 种 固体 肥料 正元尿素 含 氮量 46 中化氯化 钾 K2O 60 和 中东 复合肥 N P2O K2O 40 N18 P12 K12 将 10 kg 的 3 种肥料分别加入料 斗中 测量在不同转速下肥料添加完的时间 测定注 肥流量时以水代替肥液 将 10 20 30 40 L 的水 经柱塞泵注入压力分别为 0 1 0 6 MPa 的管道中 记 录注完时间 换算出注肥流量 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 a 试验样机 b 示意图 注 1 供水泵 2 电磁阀 3 流量计 4 搅拌电机 5 料斗 6 步进电机 7 滤网桶 8 搅拌器 9 柱塞泵 10 搅拌桶 图 6 注入式水肥一体化装置 Fig 6 The injected fertigation device 2 2 装置 工作 参数对肥液质量浓度均匀性的影响试验 为研究注入式水肥一体化装置的工作参数 搅拌 速度 加肥流量 供水流量 对肥液质量浓度均匀性 的影响 在图 6 所示的样机上进行试验 选择直径 300 mm 目数 100 目的滤网桶 设计如下单因素试 验分别研究 3 个工作参数对肥液质量浓度的影响 保 持 10 kg h 的加肥流量以及 2 m3 h 的供水流量 将搅 拌电机的转速分别设置为 100 200 300 400 500 rpm 供水流量设定为 2 m3 h 设定搅拌速度为 400 rpm 调节步进电机转速使加肥流量分别为 10 12 14 16 18 kg h 设定 10 kg h 的加肥流量与 400 rpm 的搅拌速度 调节阀门使供水流量分别为 1 0 1 5 2 0 m3 h 试验时在料斗中加入 5 kg 复合肥 同时启 动加肥部件和供水泵 当有肥液从柱塞泵中流出时开 始计时 每隔 1 min 在 柱塞泵出口取样测量电导率并 换算成肥液 质量 浓度 肥 料全部添加后测得 质量浓 度低于 1 g L 时试验结束 在试验前对复合肥溶液 质量浓度与电导率的关系进行了标定 18 其关系如 式 5 所示 C 0 784EC 0 590 5 基于相对偏差公式建立了如式 6 所示的施肥 质量浓度 偏差 F 来评价装置的施肥均匀性 施肥质 量浓度偏差越小 施肥均匀性越高 F 1N ci cM 2 100 Ni 1 6 式中 N 为 样本个数 ci为 第 i 个样本的肥液 质量 浓 度 g L cM 为平均肥液质量浓度 g L 2 3 装置施肥性能试验 为研究注入式水肥一体化装置的 性能 在测定了 装置 运行 参数和 试验验证了工作 参数对肥液质量浓度 均匀性影响的基础上 在试制样机上开展实际施肥性 能试验 试验样机结合前文运行过程参数的设计 保 证样机持续稳定运行 维持出口肥液持续输出 试验 时向料斗中添加 10 kg 的复合肥 加肥速度设为 0 26 kg min 供水流量选取 1 5 1 0 m3 h 和 0 5 m3 h 柱塞 泵开始注肥时计时 每隔 1 min 在施肥装置出口取样 经过稀释后测量样本电导率 并换算成肥液质量 浓度 2 4 压差施肥罐施肥性能试验 同为施用固体肥料的水肥一体化装置 将本研究 所设计的施肥装置与压差施肥罐进行对比 有利于更 好的衡量本装置性能 压差施肥罐的水力性能试验装 置及布置如图 7 所示 试验水源来自地下水库 水库 出水口接离心泵 流量 10 m3 h 扬程 70 m 用于提 供试验所需流量和压力 通过安装在首部的阀门调节 进入主管路 50 mm 的水体流量 主管路和施肥 灌溉排水学报 4 管路 25 mm 的流量分别由精度为 0 3 的电磁流 量计 3 LWGY 50 9 LWGY 25 测得 在施肥罐 上 下游分别安装压力表 4 6 量程 0 0 6 MPa 精 度为 0 4 用于监测通过施肥罐的压差 施肥罐上 下游的压差主要靠调压阀 50 mm 实现 试验采 用 50 L的压差施肥罐 其进出口管道直径为 15 mm 将 10 kg 复合肥与水充分溶解后加入施肥罐中 为获 取压差施肥罐的水力性能 在施肥罐出口设置取样点 11 从取样口取出的肥液 用电导率仪测定 换算成 肥液质量浓度 压差式施肥罐的水力性能研究主要考 虑了施肥量和压差 2 个因素 19 试验中保持施肥罐出 口主管路上压力 P1为 0 10 MPa 压差分别调至 0 05 0 10 MPa 和 0 15 MPa 20 从施肥罐出口有肥液流出 时开始计时 每隔 1 min 采集 1 次样本 当采集到的 样本质量浓度近似于纯水时 试验结束 注 1 水泵 2 阀门 3 流量计 4 压力表 5 调压阀 6 压力表 7 阀门 8 阀门 9 流量计 10 压差施肥罐 11 采样点 12 阀门 图 7 压差施肥罐性能测试试验 示意图 Fig 7 Schematic diagram of perance test for the pressure differential tank 3 结果与分析 3 1 注式水肥一体化装置工作 性能参数 装置添加 3 种肥料时的加肥流量与电机转速如 图 8 所示 氯化钾添加的最快 复合肥次之 尿素最 慢 加肥流量 Q2 与电机转速 n 呈线性关系 经过拟 合 得到加肥流量与步进电机转速的关系如式 7 所示 3 种肥料的拟合系数 a b 见图 8 Q2 an b 7 图 8 3 种肥料加肥流量与电机转速的关系 Fig 8 Relationship between the fertilizer feeding rate and motor speed 不同管道压力下装置的注肥流量如表 1 所示 柱 塞泵的注肥流量基本不会随着注入液体的量以及管 道压力发生变化 取其平均值 300 L h 作为注肥流量 输入到控制程序中 表 1 不同管道压力下装置的注肥流量 Table 1 Fertilizer injection flow rate of the fertigation device under different pipe pressure 注入量 L 管道压力 MPa 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 10 305 300 297 295 296 300 20 300 305 301 295 306 303 30 299 296 303 301 299 309 40 298 300 297 303 295 295 3 2 装置工作参数对肥液质量浓度均匀性的影响 3 2 1 搅拌速度对肥液质量浓度均匀性的影响 不同搅拌速度下装置出肥质量浓度随时间的变 化如图 9 所示 搅拌速度为 400 rpm 和 500 rpm 时 肥液 质量 浓度均在 5 min时达到 4 5 g L 比 100 200 300 rpm 时分别快了 9 5 4 min 由 式 6 计算可 得搅拌速度为 100 200 300 400 500 rpm 时的肥 液质量浓度偏差分别为 44 65 33 03 25 47 19 98 19 08 故搅拌速度越快 肥液质量浓度均 匀性越高 将各搅拌速度下的肥液 质量 浓度偏差绘于 图 10 结果表明施肥质量浓度偏差随搅拌速度的增 加而降低 但搅拌速度越快 偏差降低的速度越慢 表明搅拌速度大时 固体肥溶解速度随搅拌速度增加 的增量减小 当搅拌速度超过 400 rpm 后 搅拌速度 的增加对肥液 质量 浓度均匀性的提升不大 因此 本装 置在施用 5 kg 复合肥时的最优搅拌速度为 400 rpm 图 9 不同搅拌速度下肥液质量浓度 变化 Fig 9 Variation of fertilizer concentration under different mixing speeds 图 10 肥液 质量浓度 偏差与搅拌速度的关系 Fig 10 Relationship between the fertilization concentration deviation and the mixing speed 0 1 2 3 4 5 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 加肥流量 Q kg mi n 1 电机转速 n rpm 氯化钾 Q 2 0 041 2n 0 149 R2 0 998 复合肥 Q 2 0 038n 0 053 6 R2 0 996 尿素 Q2 0 029 5n 0 123 5 R2 0 994 线性 氯化钾 Q 2 0 041 2n 0 149 R2 0 998 线性 复合肥 Q 2 0 038n 0 053 6 R2 0 996 线性 尿素 Q 2 0 029 5n 0 123 5 R2 0 994 0 2 4 6 0 10 20 30 40 肥液质量浓度 g L 1 时间 min 搅拌速度 rpm 100 200 300 400 500 0 10 20 30 40 50 100 200 300 400 500 肥液浓度偏差 搅拌速度 rpm 李红 等 注入式水肥一体化装置研究 5 3 2 2 加肥流量对肥液质量浓度均匀性的影响 不同加肥流量下的肥液质量浓度如图 11 所示 加肥流量越大 混肥桶中刚有肥液流出时测得的肥液 质量浓度越高 这是因为加肥流量大时相同时间内添 加到混肥部件中的肥料更多 5 组试验中的肥液 质量 浓度均在 5 min 左右达到稳定质量 浓度 表明加肥流 量对肥液达到较稳定 质量 浓度所需的时间影响不大 由式 6 计算可得加肥流量为 10 12 14 16 18 kg h时的肥液 质量浓度偏差 分别为 19 98 41 45 61 77 89 56 和 118 48 表明加肥流量越小 肥 液 质量浓度均匀性越高 此外当肥料全部添加完成后 肥液 质量 浓度降低到 1 g L 的时间随着加肥流量的增 大而延长 因 为加肥流量大时肥液质量浓度也高 质 量 浓度降低到 1 g L 所需降低的量也越大 所需的降低 时间也就越长 图 11 不同加肥流量下的肥液质量 浓度变化 Fig 11 Variation of fertilizer concentration under different fertilizer feeding flow rates 3 2 3 供水流量对肥液 质量 浓度均匀性的影响 不同供水流量下的肥液 质量 浓度变化如图 12 所 示 供水流量越大 相同时刻的肥液质量浓度 越低 肥液 质量 浓度达到稳定阶段的时间也越短 这是因为 较大的供水流量能更快地将肥料从混肥桶中置换出 来 降低肥料溶解滞后性对肥液质量浓度的影响 由 式 6 计算可得供水流量为 2 0 1 5 m3 h 和 1 0 m3 h 试验组中的肥液质量浓度偏差 分别 为 19 98 36 64 和 57 54 供水流量为 2 m3 h 时肥液质量 浓度偏差 最小 肥液质量浓度均匀性最高 表明混肥桶中的肥 液 质量浓度均匀性随供水流量的增大而提高 此外肥 液 质量浓度降低到 1 g L 所需时间随供水流量的降低 而延长 因为供水流量较小时 相同时间内水置换出 的肥料少 加上质量浓度降低量大 导致需花费更长 时间才能将肥液质量浓度降低到 1 g L 3 3 注入式水肥一体化装置的施肥性能 装置在 3 个设定供水流量下分别施完 10 kg 复合 肥 且装置内无肥液和固体肥料剩余 装置出口不同 供水流量设定下 肥液 质量 浓度随时间的变化趋势如 图 13 所示 可以看出 注入式水肥一体化装置在系统运行的 前 10 min 内处于调整阶段 而后在理想质量浓度周 边波动但波动不大 其肥液质量浓度较稳定 在最后 20 min 内肥液质量浓度缓慢下降 这是因为停止加肥 后 直流泵与柱塞泵持续工作至肥液全部排出 经过 式 6 计算可得 施肥装置在供水流量分别为 1 5 1 0 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 52 75 施肥质量 浓 度与平均肥液 质量 浓度的偏差较小 表明施肥均匀性 高 且当加肥速度一定时 肥液质量浓度的稳定值会 随着供水流量的增大而降低 图 12 不同供水流量下装置出肥质量浓度 变化 Fig 12 Variation of fertilizer concentration under different inlet water flow rates 图 13 注入式水肥一体化装置出口肥液 质量 浓度随时间的变化 Fig 13 Variation of fertilizer concentration at the outlet with time of the injected fertigation device 3 4 与压差施肥罐的施肥性能对比 图 13 展示了注入式水肥一体化装置施用 10 kg 复合肥时不同供水流量下的出口肥液质量浓度变化 将注入式水肥一体化装置施肥性能的 部分 试验结果 与施用 10 kg 复合肥时不同压差下的压差施肥罐的试 验结果共同绘于图 14 从质量浓度曲线可以看出 压 差式施肥罐的出口肥液 质量 浓度呈指数型下降 21 最 大 质量浓度差达到了近 200 g L 而 注入式水肥一体化 装置的肥液 质量 浓度差小 不超过 10g L 根据式 6 压差施肥罐的压差为 0 05 0 10 MPa 和 0 15 MPa 时 施肥 质量 浓度偏差分别为 99 84 101 85 110 36 压差施肥罐出肥 质量 浓度 随 时间变化如 图 14 所示 表 明出肥 质量 浓度随时间递减 肥液质量浓度在初始的 10 min 内下降很快 之后逐渐趋于平稳 压差越大 出口肥液质量浓度衰减的就越快 施肥时间也越短 从出口肥液质量浓度 曲线的稳定程度上可以看出 施 用同样重量的固体肥料情况下 注入式水肥一体化装 0 2 4 6 8 10 0 5 10 15 20 25 30 35 40 肥液质量浓度 g L 1 时间 min 加肥流量 kg h 1 10 12 14 16 18 0 2 4 6 8 10 12 0 5 10 15 20 25 30 35 40 肥液质量浓度 g L 1 时间 min 供水流量 m3 h 1 1 0 1 5 2 0 0 2 4 6 8 10 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 肥液质量浓度 g L 1 时间 min 供水流量 m3 h 1 1 5 1 0 0 5 灌溉排水学报 6 置的施肥 质量 浓度偏差比压差施肥罐施肥 质量浓度 偏差小 50 则注入式水肥一体化装置在施肥均匀 性方面要远优于同样施用固体肥料的压差施肥罐 图 14 注入式水肥一体化装置与压差施肥罐的施肥性能对比 Fig 14 Fertilization perance comparison between the injected fertigation device and the pressure differential tank 4 讨 论 本研究发现 加肥流量与电机转速呈线性相关 在测定注肥流量时 本装置采用了柱塞泵 试验表明 柱塞泵的注肥流量基本不会随着注入液体的量以及 管道压力发生变化 这与王晶晶等 22 研究 结果相似 其通过试验验证了柱塞泵在 100 行程工作时 柱塞 泵流量受灌溉管道压力波动影响很小 此外 压差罐 的 质量浓度在最初 10 min 内随时间迅速下降 然后 逐渐稳定 所得结果与 Li 等 23 研究一致 施肥装置 的施肥质量浓度偏差大于 30 这是由于肥料溶解滞 后造成的 当前施肥装置实现了自动化运行 未来可 在现有装置肥基础上引入检测反馈系统 提高系统的 精准性 实现智能化运行 5 结 论 1 针对施用固体肥的大田管道灌溉 研发了注 入式水肥一体化装置 并设计了加肥部分 提高了加 肥流量的控制精度 建立了水肥混合过程模型 设计 装置硬件及控制流程 保证装置出口肥液持续稳定输 出肥液 通过控制系统调控各部件的配合运行 实现 持续地向压力管道中注肥 2 注入式水肥一体化装置注肥流量稳定 能实 现 持续稳定注肥 加肥流量与肥料种类有关且与步进 电机转速呈线性关系 搅拌速度越快 肥液 质量浓度 均匀性就越高 且本装置施用复合肥的最优搅拌速度 为 400 rpm 加肥流量越小 肥液 质量 浓度均匀性就 越高 供水流量越大 肥液 质量 浓度均匀性就越高 3 注入式水肥一体化装置 的施肥 质量浓度 偏差 比压差施肥罐小 50 表明注入式水肥一体化装置具 有更高的施肥均匀性和肥液稳定性 参考文献 1 赵春江 郭文忠 中国水肥一体化装备的分类及发展方向 J 农业 工程技术 2017 37 7 10 15 ZHAO Chunjiang GUO Wenzhong Classification and development direction of integrated water and fertilizer equipment in China J Agricultural Engineering Technology 2017 37 7 10 15 2 朱亮 曾值 水肥一体化农业智能灌溉系统研究 J 南方农机 2021 52 14 53 54 ZHU Liang ZENG Zhi Research on integrated agricultural intelligent irrigation system of water and fertilizer J Southern agricultural machinery 2021 52 14 53 54 3 韩云 张红梅 宋月鹏 等 国内外果园水肥一体化设备研究进展及 发展趋势 J 中国农机化学报 2020 41 8 191 195 HAN Yun ZHANG Hongmei SONG Yuepeng et al Research progress and development trend of water and fertilizer integrated equipment in orchards at home and abroad J Journal of Chinese Agricultural Mechanization 2020 41 8 191 195 4 韩启彪 李浩 冯绍元 等 CFD 模拟在压差施肥罐浓度衰减研究中 的应用初探 J 灌溉排水学报 2015 34 12 81 84 HAN Qibiao LI Hao FENG Shaoyuan et al Preliminary application of CFD simulation technology to concentration decay law research of pressure fertilizer tank J Journal of Irrigation and Drainage 2015 34 12 81 84 5 王淼 黄兴法 李光永 文丘里施肥器性能数值模 拟研究 J 农业 工程学报 2006 7 27 31 WANG Miao HUANG Xingfa LI Guangyong Numerical simulation of characteristics of Venturi Injector J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering 2006 7 27 31 6 汤攀 李红 骆志文 等 比例施肥泵驱动活塞受力分析及内部流动 模拟与试验 J 农业工程学报 2017 33 23 93 100 315 TANG Pan LI Hong LUO Zhiwen et al Force analysis of drive piston and simulation and experiment of internal flow for proportional fertilizer pump J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering 2017 33 23 93 100 315 7 颜士敏 殷广德 刘林旺 等 江苏水稻机械化施肥发展现状与对 策 J 中国农技推广 2019 35 9 10 12 YAN Shimin YIN Guangde LIU Linwang et al The development status and countermeasures of rice mechanized fertilization in Jiangsu J China Agricultural Technology Extension 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10 20 30 40 50 60 70 肥液 质量 浓度 g L 1 时间 min P 0 05 MPa P 0 10 MPa P 0 15 MPa 供水流量1 5 m 3 h 供水流量1 0 m 3 h 供水流量0 5 m 3 h 李红 等 注入式水肥一体化装置研究 7 Society for Agricultural Machinery 2015 46 11 76 81 48 13 张青 栗方亮 孔庆波 移动式灌溉施肥机设计 J 农业工程 2020 10 12 28 31 ZHANG Qing LI Fangliang KONG Qingbo Design on mobile fertilizer irrigation machine J Agricultural Engineering 2020 10 12 28 31 14 徐灿 刘霓红 程俊峰 等 基于蠕动泵的水肥药一体化装备设计与 试验 J 农机化研究 2022 44 4 63 70 XU Can LIU Nihong CHENG Junfeng et al Design and test of water fertilizer and medicine integrated equipment based on peristaltic pump J Journal of Agricultural Mechanization Research 2022 44 4 63 70 15 陆绍德 黄所 关经伦 等 HJYDS 1 型移动式水肥药一体化施肥车 研制与推广 J 现代农业装备 2012 9 48 50 LU Shaode HUANG Suo GUAN Jinglun et al Development and promotion of HJYDS 1 mobile integrated fertilization vehicle for water fertilizer and medicine J Modern Agricultural Equipments 2012 9 48 50 16 袁洪波 李莉 王俊衡 等 温室水肥一体化营养液调控装备设计与 试验 J 农业工程学报 2016 32 8 27 32 YUAN Hongbo LI Li WANG Junheng et al Design and 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