马习贺，吴玉娇，张建中

（菏泽黄河河务局郓城黄河河务局，山东 郓城 274700）

1 研制背景

为更好地直引黄河水进行灌溉，针对当前节水灌溉的一系列问题，以节水、节肥、节药、省工、省时、省力“三节三省”为目的，从采用较多的灌溉设备展开研究，经过考察市场、充分调研讨论，研制出移动式油电混动含沙水直滤水肥一体化灌溉设备，该设备可以利用电能和燃油的油电混合动力驱动，能完成特殊灌溉环境下的作业。可以跟滴灌、管道灌、微喷灌等末端灌溉设备结合，达到精准灌溉、施肥和施药。并且其具有移动性，可以根据灌溉需要进行移动，在灌溉周期内进行跨区域多次利用灌溉，为较大农田灌溉面积或者不同区域的多块农田提供经济有效的灌溉，三重过滤装置提高了设备过滤能力，操作简单，结实耐用，维修方便，造价低，作业省时省力，节约了水资源、肥料、农药，节省了种植养护成本。

2 研制过程

根据引黄节水灌溉所面临的一系列问题和实际所需，进行研究设计、制作试验、改进试用等，确定过滤器的过滤能力、施肥罐的容积、电机的功率、柴油机的马力、水泵的扬程、车架的长度与宽度、车轮的尺寸、设备出水压力、进水水管的过筛能力及各类管路材料，并对设备的灌溉性能及经济效益进行分析，确定移动式油电混动黄河水直滤水肥一体化灌溉装置的可行性。根据初步研究设计，考察配套的动力装置、高压自吸水泵、焊接槽钢机身框架、直径50 mm 的PVC 带筋管、止回底阀、水肥一体化组合设备、水表等，并选择有资质的代加工厂家进行配套组装生产。经过一年多时间试验、改进，性能良好、技术成熟，设备使用稳定，效益较好，达到了预期目标。

3 结构设计

3.1 结构原理设计

移动式油电混动含沙水直滤水肥一体化灌溉设备从实用的角度入手，在传统水肥一体化灌溉设备的基础上进行改良创新。为了能够移动式地灌溉且便于运输，创新出了带有驻车功能的移动车架，车架采用槽钢焊接而成，结实可靠。为了满足没有电或者没有油的动力源问题，采用电机和柴油机混合动力驱动自吸水泵抽水，可以适应各类特殊灌溉环境，对作物及时灌溉。通过底阀、离心过滤器、网式过滤器等三重过滤装置，有效地过滤泥沙等杂质，提高了过滤效率，避免了田间管网滴头堵塞；通过柴油机油门控制、压力表、水表、阀门以及施肥罐的安装，可以控制出水流量、压力和出水总量，满足作物不同需水期的灌水需求，达到水、肥、药的精准、精量、高效地灌溉。

3.2 各位部件的设计与选型

根据灌溉需求选择水泵的型号和类型，从而进一步选择适配功率、转速的柴油机和电机，组成设备的动力系统，然后根据动力系统计算选择水肥一体化各部件的型号。

3.2.1 离心过滤装置

离心过滤装置，包括离心过滤器和集砂罐。集砂罐通过排砂管与离心过滤器连接。离心过滤器的设计与计算如下。

根据物体做圆周运动的离心力与旋转半径成反比的关系，离心过滤器的旋流器直径D及锥角α计算式为：

式（1）中：F为离心力，N；r为旋转半径，m；m为物体质量,kg；Ut为物体的切线速度，m/s。

局部水头损失公式为：

式（2）中：hj为局部水头损失，m；ζ离为局部水头损失系数；v管为管道的平均流速，m/s；g为重力加速度，m/s2。

管道平均流速公式为：

式（3）中：Q为过滤器出水口平均流量，m3/h；A管为管道的断面面积，m2。离心过滤器的水力特征方程形式为：

式（4）中：k为过滤器系数。

3.2.2 网式过滤器

网式过滤器是一种利用滤网将水中的杂质分离的过滤器。

网式过滤器的浑水水头损失Δh与进水含沙量、进水流速、过滤的时间有关，浑水水头损失Δh可表示为：

式（5）中：Δh0为过滤器在清水条件下的水头损失，m；Δh为过滤器在浑水条件下的水头损失，m；Sj为过滤器进水的含沙量，g/L；v为进水管道内平均流速，m/s；t为过滤时间，min；ρ为含沙水的密度，g/L。

未通过滤网的砂粒质量与总应通过滤网砂粒质量的比值即拦截率。

式（6）中：L为砂粒拦截率，%；α为拦截小于网孔尺寸的砂粒质量占比，%；G为被拦截砂粒的净重，kg；β为蓄水装置中小于滤网网孔尺寸的砂粒质量占比，%；Q为总过流量，m3；s为含砂量，kg/m3。

3.2.3 施肥罐

根据液体浓度的定义和组分质量守恒定律可以得出，施肥罐的压差与流量比的关系式为：

式（7）中：CQ为主干管内的液体平均浓度，g/L；Q为主干管内的平均流量，m3/min；Cq为施肥罐出水口的液体平均浓度，g/L；q为施肥罐出水口的平均流量，m3/min。

对不同条件下施肥罐出口肥料溶液的浓度随时间的变化可表示为：

式（8）中：C为t时刻肥料溶液的浓度，g/L；C0为肥料溶液的初始浓度，g/L；β为数值的拟合参数。

施肥罐出口肥料溶液的初始浓度及拟合参数与施肥罐的容量，压差，肥料种类、用量以及水温有关。

3.3 加工制造工艺

按照设计制作了移动式油电混动含沙水直滤水肥一体化灌溉设备各部组件，通过工艺优化组合成一体，使其充分发挥各自作用，形成优势合力，达到效益最大化。①将电机、自吸水泵、柴油机、离心过滤器、网式过滤器、施肥罐等固定在车架上。②动力系统通过三角带与水泵连接，通过转动皮带轮带动水泵作业。③水泵与离心过滤器通过PVC 管连接，离心过滤器与施肥罐通过带筋软管连接，离心过滤器与网式过滤器通过蝶阀控制连接，蝶阀通过压差可控制施肥罐的出水量。④通过柴油机油门、电机变频，阀门等控制设备的进出水流量和压力。工作流程见图1。

图1 工作流程图

4 主要创新点

①通过焊接一个可以驻车的可移动车架，将传统水肥一体化灌溉设备安装固定在车架上，拖挂方便、可靠耐用，一个人即可操作，通过电动三轮车等牵引装置就可以实现设备的移动且运输方便。②采用电机和柴油机两种动力并存的输出方式。③通过止回底阀、离心过滤器、网式过滤器等三重过滤，可以有效地过滤泥沙，防止滴头堵塞。④通过安装柴油机、变频电机、压力表、水表、阀门以及施肥罐，可以根据所需控制出水流量、压力和灌水总量，满足作物不同需水期的灌水需求，达到水、肥、药的精准、精量、高效地灌溉。⑤车架使用槽钢焊接而成。⑥车身通过焊接三条可折叠支脚，可以使设备在不平整作业面能够稳定驻车作业。⑦适用范围广。

5 产生效益及应用前景

5.1 经济效益分析

该设备按照亩用水量15～20 m3，可实现12 h 内灌溉土地1.40 hm2，最长浇水长度可达到0.50 km，若果树灌水周期为7 d，则可实现约10 hm2林地的灌溉，全生育期约有4 次灌水，则全年灌溉林地约有40 hm2。在不计算其他不同作物灌水期使用的情况下，1台该设备相比传统设备，可以多灌溉34 hm2，相当于实现了7台固定设备的灌溉效果，可节约成本近2万元。

5.2 社会效益分析

该设备既能显著的提高水、肥、药的灌溉效率，又能节约大量的人力物力，作业省时省力。适用于黄河淤背区、滩区，引黄灌溉区以及其他杂质水源的灌溉使用区，社会效益显著。

5.3 推广应用前景

该设备能适应各类灌溉环境，能显著地提高工作效率，节约成本，是一项非常实用的节水灌溉发明。

6 结论

移动式油电混动含沙水直滤水肥一体化灌溉设备从实际出发，具有可移动、结构简单、易操作、过滤效果好、肥药灌溉均匀、稳定耐用、保养维修方便、节水效率高、能适应各类地形并进行自由作业和转移特点。可以广泛应用于黄河淤背区、滩区、引黄灌区等含沙水的灌溉区域中，节水、节肥、节药、省工、省时、省力、省钱，对提高作业效率、经济和社会效益有着非常大的意义。