农业电气化中水电肥一体机的研究与应用

姜清哲

摘 要：文章分析了小麦、玉米周年灌溉施肥制度及在线精量配肥和灌溉施肥方法，研制和开发适合我国具体情况的、低成本的水电肥一体化专用设备，实现在线精量配肥、全自动化灌溉施肥功能，对提高肥料利用率，最大程度节水、节肥和节省成本，提高现代农业发展的经济效益、社会效益和环境效益具有重大意义。

关键词：水电肥一体机;样机;应用;分析

水电肥一体机架上固定有精量配肥装置、首部枢纽装置和中央控制系统等部件，整机采用蓄电池供电，解决了田间动力供应问题，其一体机结构如图1。

1.月巴料漏斗2.移动行走架液罐出水管10.母液罐进水管3.母液罐4.注肥泵5.主管道流量传感器6.转管道7.电磁阀8.支管道流量传感器9.母11.搅拌电机12.工业平板13.EC值显示器14.PH值显示器15.控制箱16.充电器接口

1一体机样机试制

在确定了样机的整体设计方案和进行了关键零部件设计选型后，进行试验台搭建，经过加工、组装，完成试验台的搭建工作。

在完成试验台搭建并进行试验的基础上，考虑到适应不同规模大田作业条件和提高稳定性、安全性，进行优化设计：整机尺寸和重量减小、防水性能增强、操作更简便、更多可拆卸组装部分，对其进行二代样机的加工。现已完成试验台和一代样机的加工与试验，二代样机正在软件调试阶段。

2田间作业试验

2.1试验方法设计

针对建立的灌溉施肥时间分配模型和肥料母液动态调控数学模型，进行灌溉施肥过程中动态性能试验。

试验地点在山东省泰安市岱岳区马庄镇省级农技推广试验基地，试验现场如图2所示，一体机的操作可在工业平板电脑上进行，可实现混肥配方、实时检测、精量注肥等操作，整个过程实时采集的流量和EC值数据通过RS485总线上传到工业平板电脑进行记录。整个系统供电是由6块12V、20A的直流蓄电池供电，可持续工作6-8小时。

2.2动态性能验证

给定灌水量和施肥量情况下不同肥料的灌溉施肥的试验，来验证灌溉施肥时间分配模型的准确性和母液浓度能动性调控。根据对灌溉施肥时间分析，灌溉施肥分三阶段进行作业分别是：先灌溉，再灌溉注肥，再灌溉。试验使用当地井灌区潜水泵作为水压源，潜水泵的流量是60m3/h。根据农艺以及作物长势在单次灌溉施肥作业中确定追肥量为13kg，经计算灌水量是50m3，且注肥管道流量为10L/min，经上文母液浓度计算公式可以估算出母液浓度为0.2，公式（2-4）计算出母液EC值为1.08，试验设定EC=1ms/cm。母液罐中裝有50L的清水，经测的清水的EC值为0.277ms/cm，母液罐的进水管和出液管通过控制电磁阀通断和调节注肥泵的流量大小确保进出的流量相等，以使母液罐中保持50L水不变。以山东地区小麦为例，根据农艺要求，一般在拔节期追肥189kg/hm2。

根据上文确定第一阶段灌溉时间是10min，可根据实际情况进行调整。根据第二阶段灌溉施肥时间计算公式可以计算出第二阶段的时间为23～120min，结合整个灌溉时间，我们取30min。剩余为第三阶段的灌溉时间。灌溉作业时用秒表开始计时直到灌溉结束，同时EC传感器对母液进行EC值测量并记录数据，用EC值变化显示灌溉施肥三个时间阶段的变化。试验结果如图2所示。

图中四种颜色曲线分别代表四种不同种类肥料在灌溉施肥过程中母液浓度的变化响应情况。其中黑色是水溶肥、蓝色是小颗粒尿素、红色是大颗粒尿素以及粉色是氯化钾。从图中EC值变化曲线可以看出灌溉施肥过程分为灌溉、灌溉施肥和灌溉三个阶段。以小颗粒尿素为例，8min时排肥机构开始排肥，接近11min时母液罐中肥液的EC值达到设定值1ms/cm，这是第一阶段灌溉时间。母液罐中肥液的EC值达到设定值时开启注肥泵开始注肥，同时进水管电磁阀开启，实现边进水、边排肥混肥、边注肥，这是第二阶段灌溉施肥时间，本阶段持续时间较长，约为30min。剩余则是第三阶段灌溉时间约为10min钟。经对比，试验数据与理论计算值基本吻合。同时，我们可以看出4种肥料基于自适应切换控制母液浓度达到稳态的时间分别约为2min、3min、4min和5min，这说明基于自适应切换控制的方法能够根据不同肥料快速实现母液浓度的动态调控，可有效的减小延迟时间。

3结语

上文针对大田作物追肥过程中普遍使用的颗粒肥，根据大田灌溉施肥作业模式，设计了一种移动式灌溉施肥一体机，能够进行田间灌溉施肥作业的即插即用，实现了全自动化灌溉施肥移动作业，进而摆脱了地域局限性，提高了机器使用率，同时，实现了大田范围内定量补灌和施肥功能。

参考文献：

[1] 刘绍锋，朱兰香.水肥一体化技术[J]. 山东农机化. 2018（05）.

[2] 刘峰，张明宇，宋爽，王强.移动灌溉施肥自动化一体机的研制[J]. 南方农机. 2019（13）.

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