CC BY
34
УДК 631.82:631.333.44
В. Р. ПЕТРОВЕЦ, Н. И. ДУДКО, М. С. МУЖЕЛЕВ
ОБОСНОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ОБОРУДОВАНИЯ ОВЖ-2000 ДЛЯ ВНЕСЕНИЯ ЖИДКИХ МИНЕРАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЙ
(Поступила в редакцию 12.10.2015
В статье приведены данные о жидких минеральных The article presents data on liquid mineral fertilizers. We
удобрениях. Освещены результаты исследований по исполь- have presented results of research into the use of equipment for
зованию оборудования для внутрипочвенного внесения subsurface application of liquid fertilizers into the soil. We have
жидких удобрений в почву. Обоснованы основные парамет- based the mian parameters of equipment and methods of their
ры оборудования и методики их расчета. Приведены ре- calculation. We have shown results of theoretical and experi-
зультаты теоретических и экспериментальных исследова- mental studies. We have constructed a prototype machine. ний. Изготовлен опытный образец машины.
Введение
В 2015 г. Государственной программой устойчивого развития села на 2011-2015 гг. предусматривается довести внесение органических удобрений до 55,7 млн. тонн в год, минеральных - до 1931 тыс. тонн действующего вещества, из них азотных - до 767 тыс.; фосфорных - до 316 тыс.; калийных - до 848 тыс. тонн действующего вещества [1].
Анализ источников
Значительную часть составляют жидкие органические и минеральные удобрения: жидкий аммиак или аммиачная вода, содержащая 20,5 % азота, причем аммиака содержится значительно больше, чем аммония. В связи с этим возможны потери аммиака при хранении, перевозке и его внесении. Поэтому хранение и транспортирование, а так же внесение аммиачной воды осуществляют с использованием стальных герметических цистерн. При внесении аммиачной воды во избежание потерь ее заделывают в почву на глубину 10-12 см и 14-18 см соответственно на суглинистых и супесчаных почвах [2, 3].
Жидкое азотное удобрение (КАС), представляет водный раствор карбамида и аммиачной селитры. Себестоимость единицы азота в КАС в основном ниже, чем в твердых азотных удобрениях. В качестве борьбы с коррозией машин для внесения жидких азотных удобрений вводят в КАС небольшое количество фосфатов [4].
В настоящее время ЖКУ и КАС в хозяйствах республики вносят полевыми опрыскивателями ОТМ-2-3, Мекосан 2000-12, Мекосан 2000-18, ОП-2000-2 и др. Заделка удобрений, внесенных поверхностно, осуществляется орудиями для сплошной обработки почвы. При этом удобрения заделываются некачественно, глубина их размещения в почве не соответствует агротехническим требованиям, часть питательных веществ удобрений улетучивается в атмосферу.
По данным БелНИИЗиК, БелНИИПА, Белорусской зональной станции по сахарной свекле, института экспериментальной ботаники НАН Республики Беларусь, многими НИИ Российской Федерации, зарубежным опытом, внутрипочвенное локальное внесение минеральных удобрений является одним из основных путей повышения их эффективности, снижения негативного воздействия на окружающую среду. Локальный (внутрипочвенный способ) позволяет совместить операции внесения удобрений и обработки почвы, при этом удобрения заделываются на заданную глубину с высокой равномерностью. Таким образом, повышается коэффициент использования питательных веществ на 1015%, уменьшаются потери удобрений на 15-20 %, что обеспечивает прибавку урожая, например, зерновых до 4 ц/га, картофеля - до 40 ц/га.
Методы исследования
По предварительным расчетам, применение комбинированного агрегата (БЕЛАРУС-1522+АКШ-6+оборудование для внутрипочвенного внесения) в сравнении с комплексом (БЕЛАРУС-1022+ Ме-косан 2000-12 и БЕЛАРУС -1522+АКШ-6), позволяет снизить затраты труда на 25,8 %, прямые эксплуатационные затраты - на 1,89 %. За счет снижения потребления основных ресурсов и прибавки урожая зерновых культур в 1 ц/га оборудование окупается за 0,54 года.
Предлагаемая машина предназначена для внутрипочвенного внесения жидких минеральных удобрений. Основными узлами являются: бак, насос, регулятор расхода (дроссель), делительная головка (делитель), распределительные трубки. Оборудование монтируется на тракторы кл.2 и 3 кН и почвообрабатывающие орудия (КЧН-5,4, КПМ-4, АКШ-6). Внутрипочвенное внесение осуществляется следующим образом. Рабочая жидкость забирается из емкости через специальный шланг, подсоединенный к последней, шестеренчатым насосом и подается в регулятор расхода, где происходит дросселирование потока рабочей жидкости методом разделения потока на основной и сливной. Основной поток поступает в делительную головку и далее через сливные рукава подается в подлаповое про-
странство почвообрабатывающих органов. Сливной поток поступает в магистраль обратного слива. Одним из основных факторов, определяющих качество работ машины, является равномерное распределение удобрений по ширине штанги, которое во многом зависит от стабильной работы всех узлов на различных режимах.
Основная часть
Гидравлическая схема машины для внутрипочвенного ленточного внесения основных доз жидких удобрений состоит из трех частей, напоры которых практически связаны друг с другом (рис. 1).
Рис. 1. Гидравлическая схема машины ОВЖ-2000: 1 - бак с раствором удобрений; 2 - центробежный насос СЖ 8/18; 3 - всасывающий трубопровод;
4 - нагнетательный трубопровод; 5 - регулируемый дроссель; 6 - делитель;
7 - распределительные трубки; 8 - чизельные стойки культиватора
Первая часть системы состоит из насосной установки с насосом и включает элементы, указанные в позициях 1-5 на рис.1. Напор на насосной установке создается центробежным насосом типа СЖ 8/18. Всасывающий трубопровод насосной установки представляет собой шланг, изготовленный из резины с кордом. Внутренний диаметр с1в = 50 мм, площадь поперечного сечения 8В = 19,6 см2, а длина 1В = 9 м. Абсолютная шероховатость А принята равной 0,03 мм. Нагнетательный трубопровод из того же материала, что и всасывающий. Диаметр с1н = 23 мм, площадь показанного сечения 8Н = 4,15 см2, длина - 2,55 м, А = 0,03 мм. Напорный трубопровод заканчивается стальным патрубком, через который раствор поступает внутрь ротора делительного устройства. Приблизительно посредине нагнетательного трубопровода, устанавливаем дроссель - регулятор расхода (рис. 2).
Рис. 2. Регулятор расхода: 1 - полукорпус двухкамерный; 2 - полукорпус однокамерный; 3 - шайба неподвижная; 4 - шайба подвижная; 5 - шкала; 6 - ручка-указатель; 7 - пружина; 8 - ниппель
Регулирующим элементом регулятора расхода является плоская круглая пластина с серповидным вырезом, которая может совершать возвратно-вращательное движение. Такая конструкция дросселя аналогична конструкции распределителя с плоским поворотным золотником. Соответствующий коэффициент гидравлического сопротивления равен сс = 35 [3]. Для расчетов было принято с запасом большее значение коэффициента, т.е. = 5.
Из напорного трубопровода раствор поступает во вторую часть системы - делительное устройство (роторный распределитель), представленный на рис. 3.
Рис. 3. Роторный распределитель: 1 - корпус; 2 - ротор-распределитель; 3 - крышка; 4 - перегородка; 5 - дно;
6 - гидромотор; 7 - входной патрубок; 8 - выходные ниппели
Роторный распределитель состоит из цилиндрического корпуса 1, крышки 3 с отверстием для входного патрубка 7. Дно 5 корпуса имеет по периферии кольцеобразное углубление, разделенное перегородками 4 на 50 секторов. Перегородки повернуты под углом 30 0 к радиусу окружности корпуса. В дне каждого сектора имеется отверстие, соединенное со сливным рукавом. Внутри корпуса расположен ротор-распределитель 2, установленный на вал гидромотора. Гидромотор 6 крепится к дну корпуса и приводится в движение от гидросистемы трактора.
Ротор-распределитель состоит из двух частей: стального поддона с приваренным к нему валом, имеющим полый конец с внутренними шлицами для соединения его с гидромотором, и колпак, который закрепляется на поддоне. В боковой поверхности колпака по периферии выполнены в три ряда 180 отверстий диаметром ^ = 5 мм. Приводится во вращение ротор гидромотором (ГМШ-32). Частота вращения п = 820 мин-1. Делитель выполнен на 50 трубок-распределителей с целью применения ею на почвообрабатывающих машинах разной ширины захвата, имеющих до 50 рабочих органов. При использовании распределителя на культиваторах с меньшим числом рабочих органов неиспользуемые распределительные трубки присоединяются к коллектору, откуда жидкость возвращается в бак. Жидкие удобрения поступают в ротор по напорному трубопроводу сверху. Между вращающимися ротором и входным патрубком трубопровода имеется щелевое уплотнение с достаточно большим зазором (« 2 мм), с помощью которого внутреннее пространство ротора соединяется с атмосферой.
Третья часть системы (распределительная) состоит из 50 трубок (шлангов), подсоединенных к патрубкам делителя, что обеспечивает равномерное распределение расхода. По трубкам, закрепленным на стойках культиватора, удобрения поступают в подлаповое пространство. Трубки выполнены из гибкого армированного пластика. Поверхность гладкая, поэтому абсолютная шероховатость принята такой же, как для резиновых шлангов, т.е. Дт = 0,03 мм. Внутренний диаметр трубок с1т = 12 мм, площадь поперечного сечения Sт = 1,13 см2. Длина трубок изменяется от 1,88 м до 8,3 м. На основании агротехнических требований, расход раствора, поступающего по одной трубке при основном внесении удобрений, составляет в зависимости от вида культур 1,6-2 л/мин. Соответствующий расход при подкормке культур составляет 0,6-75 л/мин. С учетом найденных величин определим потребный напор насосной установки:
Нну=Нг+ Р2~Р' = 1.2м + 0 + 7.01м = 8.21м. ^
У
Рабочие параметры насоса определяются по рабочей точке, которая представляет собой точку пересечения напорной характеристики насоса с характеристикой насосной установки [4]. Для вычисле-
ния параметров точек характеристики для семи расчетов по методике, рассмотренного выше, были определены потребные потери насосной установки. Применение данной методики вызвано тем, что в трубопроводах имел место режим гладкостенного, а не квадратного сопротивления. Расходы меньше расчетного были приняты в соответствии с аграрными рекомендациями для различных режимов внесения удобрений. Было использовано три расхода больше расчетного с тем, чтобы обеспечить пересечения рассматривающихся характеристик. Результаты расчетов представлены в табл. 1.
Таблица 1. Результаты расчетов
Q, см3/с 500 625 1330 1670 2200 2500 2780
Ув, см/с 25,5 31,9 67,9 85,2 112 128 142
Пи, см 2,2 3,2 11,8 17,4 28,5 35,7 43,1
Нвт, см 0,2 0,3 1,2 1,9 3,2 4,15 5,1
Ун, см/с 120 151 320 402 530 602 670
Ун, см 24 36 135 200 329 414 500
Ндр., см 37 58 262 412 717 926 1145
Нвых, см 6 10 45 70 122 157 195
Ц, см 69,4 108 455 701 1200 1537 1890
Нну, м 1,89 2,28 5,75 8,21 13,2 16,57 20,1
Q, м3/ч 1,8 2,25 4,79 6,01 7,92 9,0 10
Рабочий напор насоса НА = 17,6 м выражен в единицах длины для перекачиваемой жидкости, имеющей плотность р = 1,3 г/см3, удельный вес которой составляет:
Расход составляет:
у = р.8 = 1300^.9,814 = 1274(4. (2)
м с м
Од =9,2—= 2,56-, (3)
КПД равен Ла = 42%.
Мощность, потребляемая насосом, вычисляется по формуле [4]:
М = 20Н (4)
л
где все параметры рабочие.
N = 12740^ • 0,00256— • 17,6- • 0,42 = 1367Вт ^
м с с
Как указывалось выше, делитель (рис. 1, поз. 6) состоит в основном из двух частей: вращающего ротора и неподвижного кожуха, из которого выходят распределительные трубки. Наибольшая длина трубки 1т = 8,3 м, диаметр с1т = 12 мм, площадь поперечного сечения 8Т = 1,13 см2, абсолютная шероховатость А = 0,03 мм. Превышение входа в трубку (кожуха) над выходным (нижним) сечением Л2 =
1,73 м. Для расчета, кроме выше рассмотренных, применим уравнение Бернулли [4]:
+ + (6)
У 2ё у 2ё
где Ъ - геометрический напор; Р - пьезометрический напор; аУ2 - скоростной напор; h - общие
потери напора на рассматриваемом участке трубопровода.
Индексы 1 и 2 указывают № сечения, к которому относятся соответствующие величины. Для расчета используем начальное сечение трубки (у кожуха), обозначено индексом 1 и конечное, на выходе из трубки, обозначено индексом 2:
21 -ъ2 = Лг = 1,73м. (7)
Давление Р1 и Р2 равны атмосферному, т.е. Р1 = Р2= 0. Скорости движения жидкости во всех сечениях трубки одинаковы, так как равны площади сечений. Отсюда следует, что У12 - У22 = 0. Таким образом, в данном случае уравнение Бернулли примет вид:
Лг = Ъ. (8)
В данном случае местные потери напора будут малы в сравнении с потерями напора по длине, поэтому, как и ранее примем их равными 10% от потерь по длине. Следовательно:
1 V2 (9)
а 2Е
Отсюда:
у2_ , (Ю)
1,1 ЛХ 1,1-830см-).
или
у2_ 446 (П)
X
При выборе расчетной формулы для вычисления коэффициента гидравлического трения X предположим, что по трубкам подается рабочий расход насоса QA = 256 л/с. Соответствующий расход через одну трубку:
см3
_дА_25б0у_^см3 (12)
Средняя скорость жидкости в трубке:
Число Рейнольдса:
^а =-=512
50 50 с
Ут=^ = !М = 45,3™ (13)
8Т 1,13 с
Ке=^ = 1^= 3553. (14)
е и 0,0153
Предварительный приближенный расчет показал, что пропускная способность трубок превышает рабочий расход насоса и, соответственно, число Rе будет больше 4000. Поэтому для определения коэффициента гидравлического трения была выбрана формула Блазиуса, справедливая для зоны глад-костенного сопротивления при 4000<Ке<105 [5, 6]:
_ 0,3164 (15)
Подставляя данный результат в исходную формулу, получим:
у, 446'^Г (16)
0,3164
Отсюда:
0,3164 1,0,016)
или
V = 117 — .
с
Проверяем правильность выбора формулы для определения коэффициента гидравлического трения:
Кг=^ = 11^= 8800. <18>
и 0,016
Следовательно, формула соответствует необходимому диапазону чисел Рейнольдса.
Найдем по уравнению неразрывности соответствующий расход жидкости через одну трубку:
Ч = у. 8 = 117.1.13 = 132^1. (19)
с
То есть самая длинная трубка, а следовательно, и все остальные более короткие трубки будут работать в безнапорном режиме. Рабочий расход насоса QА = 2,56 л/с превышает с большим запасом расхода, необходимые по агротехническим требованиям, наибольший из них (расчетный) Qp = 1,67 л/с. Регулирование расхода осуществляется дросселем. Уменьшение расхода достигается увеличением сопротивления дросселя путем уменьшения проходных отверстий при повороте регулирующей пластины. Недостатком этого метода при всей его простоте являются большие потери напора в дросселе. Они составляют для расчетного расхода величину порядка 10 м столба перекачиваемой жидкости, то есть больше 50% напора, развиваемого насосом. В качестве альтернативного способа уменьшения подачи насоса, если при этом не возникает сложных конструктивных проблем, может быть использовано уменьшение частоты вращения насоса. Необходимая частота вращения рабочего колеса насоса определяется с помощью законов пропорциональности [2]:
<20>
где Q - расход насоса; Н - напор насоса; п - частота вращения насоса; 1,2 - индексы, обозначающие рассматриваемые подобные режимы работы насоса. Данные формулы преобразуем к виду:
Индексом 1 обозначим расчетный режим работы насоса. Индекс 2 опустим, тогда:
н=^.о>. (22)
о?
Получилось уравнение параболы подобных режимов. Результаты расчета показаны в таблице 2. Таблица 2. Результаты расчета режимов насоса
Q, м3/ч 6 7 8 9 10
Н, м 8,2 11,1 14,5 18,4 22,7
Расход, который дает насос в подобных режимах работы при частоте вращения п2 = 1500 мин-1, Qп= 8,8 м3/ч. Из первого закона пропорциональности найдем частоту вращения, при которой обеспечивается расчетный расход:
О,. М1.1500 = 1024мин-1. <23>
Оп 8,8
С 10 % запасом п1= 1130 мин-1. По формуле, рассмотренной выше, найдем мощность, потребляемую насосом при уменьшенных оборотах (без 10 % запаса):
Кр = УОН (24)
Л
Коэффициент полезного действия в подобных режимах остается без изменения [2, 189], следовательно г] =42%.
12740^-0,00167 —-8,21м
Мр =-М-с-= 416Вт
0,42
То есть регулирование подачи насоса с помощью изменения частоты вращения позволяет уменьшить мощность, потребляемую насосом, почти в 3 раза.
Кавитация в данном случае насосу не угрожает, так как геометрическая высота всасывания практически равна 0, а допускаемая по условиям кавитации составляет несколько метров. Однако в период работы насоса необходимо задвижку на входе во всасывающий трубопровод держать полностью открытой.
Заключение
В результате проведенных исследований получены следующие результаты: установлено, что использование оборудования для внесения жидких минеральных удобрений ОВЖ-2000 позволяет повысить коэффициент использования питательных веществ на 10-15 %, снизить потери удобрений на 15-20 %, что обеспечивает прибавку урожая зерновых до 4 ц/га, картофеля - до 40 ц/га; обоснованы основные конструктивные параметры оборудования, разработаны методики их расчета; разработаны исходные требования к машине и техническое задание.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований реализованы в опытном образце машины. Машина прошла все виды испытаний. По результатам государственных приемочных испытаний машина рекомендована к выпуску опытной партии.
ЛИТЕРАТУРА
1. Государственная программа устойчивого развития села на 2011-2015 годы. - Минск, 2012. - 99 с.
2. Лисан, Н. К. Пути развития производства и применения новых форм жидких водорастворимых комплексных удобрений / Н. К. Лисан // Инженерный Вестник. - 2006. - № 2(22) - С. 43-45.
3. Степук Л. Я. Машина для внесения жидких минеральных удобрений / Л. Я. Степук, В. Ю. Томкас // Международный аграрный журнал. - 2001. - № 3 - С. 41-42.
4. Лапа, В. В. Влияние жидких комплексных удобрений на основе КАС на урожайность кукурузы / В. В. Лапа, В. Г. Смольский // Ахова раслин. - 2002. -№3. - С 5-6.
5. Велецкий, И.Н. Технология применения гербицидов / И. Н. Велецкий . - Л., 1989. - 176 с.
6. Справочное пособие по гидравлике, гидромашинам и гидроприводам / Б. Б. Некрасов [и др.]. - Минск, 1985.
7. Гоашта, Т. М. Машиностроительная гидравлика / Т. М. Гоашта. - М.: Машиностроение, 1971.
8. Практикум по гидравлике и гидромеханизации сельскохозяйственных процессов / Э. В. Костюченко [и др.]. - Минск: Ураджай, 1991.
9. Идельчик, И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / И. Е. Идельчик. - М.: Госэнергоиздат, 1960.
