CC BY
4УДК 631.1
Ламердонов З. Г., Настуева Л. Ж.
Lamerdonov Z. G., Nastueva L. Zh.
ПНЕВМОГИДРАВЛИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
PNEUMATIC HYDRAULIC INSTALLATION FOR LABORATORY RESEARCH
Приводятся инновационные разработки Кабардино-Балкарского ГАУ. Целью исследований является разработка методики гидравлических исследований расходных характеристик водовыпускных элементов инженерно-мелиоративных систем. Материалом для разработки методики проведения исследований явился накопленный исследователями опыт по решению данного вопроса. В работе описаны известные установки для проведения гидравлических исследований с критическим анализом достоинств и недостатков. Главными недостатками являются: громоздкость и отсутствие возможности оборотного использования воды. Экспериментальные исследования и разработанная методика основана на использовании математической теории планировании эксперимента. Приводятся схемы и конструктивные решения установки гидравлических исследований. Подробно описаны принципы работы пнев-могидравлической оборотной установки в обе стороны. Приводятся теоретические зависимости и практические рекомендации по применению и коммерциализации разработанных устройств. Описан вариант возможного использования установки для создания учебных стендов и демонстраций уравнения Бернулли, других гидравлических зависимостей. Описана методика для определения гидравлических расходных характеристик на стенде. Приводятся выводы по работе. Предлагаемая установка за-патен-тована в Российской Федерации.
Ключевые слова: гидравлический стенд, капельница, водовыпускной элемент, капельное орошение, внутрипочвенное орошение, пневмогидравлическая оборотная установка.
Innovative developments of the Kabardino-Balkarian State Agrarian University are presented. The purpose of the research is to develop a methodology for hydraulic studies of the flow characteristics of water discharge elements of engineering and reclamation systems. The material for developing the research methodology was the experience accumulated by the researchers on solving this issue. The paper describes well-known installations for conducting hydraulic research with a critical analysis of the advantages and disadvantages. The main disadvantages are: cumbersome and lack of recyclable water. Experimental research and the developed technique is based on the use of mathematical theory to design an experiment. The schemes and constructive solutions of the hydraulic research installation are given. The principles of operation of a pne-umo-hydraulic reversible installation in both directions are described in detail. Theoretical dependencies and practical recommendations on the use and commercialization of the developed devices are given. A variant of the possible use of the installation for the creation of training stands and demonstrations of the Bernoulli equation and other hydraulic dependencies are described. The technique for determining the hydraulic flow characteristics at the stand is described. The paper provides conclusions on the work. The proposed installation is patented in the Russian Federation.
Key words: hydraulic stand, dropper, water outlet element, drip irrigation, subsoil irrigation, pneumohydraulic reversing unit.
Ламердонов Замир Галимович -
доктор технических наук, профессор кафедры природообустройства, ФГБОУ ВО Кабардино-Балкарский ГАУ, г. Нальчик E-mail: lamerdonov-zamir@rambler.ru
Настуева Людмила Жагафаровна -
аспирант, кафедры природообустройства, ФГБОУ ВО Кабардино-Балкарский ГАУ, г. Нальчик
E-mail: ms.nastueva@mail.ru
Введение. Россия обладает 55 процентами мировых запасов плодороных земель, это дает возможность стать лидером в мире по производству сельхозпродукции. В последние годы Россия стала мировым лидером по экспорту зерна на мировом рынке, о чем часто упоминают в своих выступлениях, руководство страны и лично президент Владимир Владимирович Путин. Вместе с тем, далеко не полностью исчерпан экспортный потенциал сельскохозяйственной продукции нашей страны. Дальнейший рост эффективности сельскохозяйственного производства возможен через внедрение прогрессивной техники и технологий, введение в сельскохозоборот заброшенных земель, внедрение мелиорации, совершенствование инженерно-мелиоративных систем. Важным направлением является внедрение информатизации и автоматизции при выращивании сельскохозйственной продукции [1, 2].
Так, в Кабардино-Балкарском государственном аграрном университете им .В.М. Кокова много внимания уделяется разработке, совершенствованию ресурсберегающих инженерно-мелиоративных систем [3]. На горных и предгорных ландшафтах поверхностные способы полива невозможны, поэтому необходимо внедрять ресурсоберегающие технологии: капельное и локальное внутри-почвенное орошение, предложенное и запатентованное в 2006 году [4, 5]. Разработаны и исследуются автоматизированные инженерно-мелиоративные системы для защиты растений от вредителей и замарозков [6], системы локального внутрипочвенного оршения (СЛВО) [7], многофункциональные инженерно-мелиоративные системы (МИМСы) [8], капельные системы орошения [9] и другие. Проведенные экспермиентальные исследо-
Lamerdonov Zamir Galimovich -
Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department of Environmental Engineering, FSBEI HE Kabardino-Balkarian SAU, Nalchik E-mail: lamerdonov-zamir@rambler.ru
Nastueva Lyudmila Zhagafarovna -
postgraduate student, Department of Environmental Engineering, FSBEI HE Kabardino-Balkarian SAU, Nalchik
E-mail: ms.nastueva@mail.ru
вания систем капельного и локального внут-рипочвенного орошения (ЛВО) показали, что при внедрении ЛВО имеет место экономия воды на 10^15 процентов за счет снижения испарения с поверхности почвы. При локальном внутрипочвенном орошении не образутся корка на поверхности почвы, которая ухудшает водо-воздушный режим почвы [10, 11].
Разработанные устройства локального внутрипочвенного орошения улучшают процесс подачи воды в корневую систему [12, 13,
14].
Одной из проблем, которая сдерживает процесс быстрого продвижения инновационных разработок, отсуствие методики и рекомендаций для проведения гидравлических исследований элементов инженерных и мелиоративных систем (рис. 1).
Рисунок 1 - Водовыпускные элементы (капельницы) российского и итальянского производства
В настоящее время известны установки для проведения гидравлических исследований [15], главным недостатком их является громоздкость и дороговизна. Исследования осуществляются безоборотным пропуском воды через большие установки. Недостатком
их являются: большая потребность в воде; малая мобильность установки; дороговизна проводимых исследований.
Цель исследований - разработка методики для проведения гидравлических исследований и определения характеристик водовыпускных элементов мелиоративных систем.
Методы проведения исследований. Материалом для разработки метода исследований по определению гидравлических характеристик элементов мелиоративных систем явился предыдущий опыт исследователей. Предметом исследования являются разработка и исследование гидравлической установки исследований водовыпускных элементов. В результате критического анализа существующих решений, предложены инновационные варианты, которые запатентованы в Российской Федерации и частично апробированные в лабораторных условиях. Основными достоинствами предлагаемой установки являются: малая потребность жидкости для обеспечения работы (воды, масла и т.д.); малая дороговизна конструкции установки и т.д. План исследований включает: изготовление; выбор элементов исследования; выявление основных факторов, план и параметр оптимизации. Экспериментальные исследования и разработанная методика основаны на использовании математической теории планировании эксперимента. В качестве приборов и инструментов для проведения исследований используются: манометры, мерные объемные бачки, секундомер, пьезометры и т.д.
Результаты исследований и обсуждение. Для решения поставленной проблемы разработана установка для проведения гидравлических исследований (см. рис. 2).
Установка работает следующим образом [15]: в шину 5 закачивается воздух и давление в ней доводится до величины 2^3 атмосфер. Открывается вентиль 11 подачи воздуха, который поступает в бак с водой 3 (рис.2). Открывается вентиль 9 для подачи воды, которая поступает по шлангу 4 во внутрипочвен-ный увлажнитель 2.
Расход вытекающей воды из бака можно определить объемным методом, для этого имеется мерная шкала:
У1 - Уг _ Л V Т Т
где:
С =
(1)
\\ ,У2 - объем воды в напорном бачке, до и после начала истечения воды; - объем вытекшей воды; - время истечения.
- расход воды;
Рисунок 2 - Установка для проведения гидравлических исследований (Патент РФ №2581184): 1 - растение; 2 - локальный внутрипочвенный увлажнитель; 3 - напорный бак; 4 - шланг; 5 - шина; 6 - диск; 7 - напорный шланг; 8 - манометр; 9 - вентиль подачи воды; 10 - штатив;11 - воздушный вентиль; 12 - пьезометр
Давление на водовыпускном элементе установки равно:
где:
Р Р
* 2'1 1 - давление соответственно давлению на исследуемом элементе и свободной поверхности воды в бачке;
Ь - высота водяного столба;
р - плотность воды;
д - ускорение свободного падения.
Такая установка не эффективна для проведения гидравлических исследований по определению расходных характеристик. Поэтому разработана и запатентована в РФ ПОУ (рис.
3) [16].
Пневмогидравлическая оборотная установка (ПОУ) работает следующим образом [16].
Пневматическим насосом (рис. 3) шина 2 заполняется воздухом до величины давления 2-3 атмосферы при этом вентиль 5 закрыт. После чего, вентиль 5 открывается, воздух из шины 2 поступает в бачок 1 с водой, вентиль 8 открыт, а 9 закрыт. При этом бачок 6 работает как напорный, а бачок 7 как сбросной. Далее вода по трубопроводу 10 поступает на исследуемый элемент 1. На трубопроводе 10 установлен манометр и вентиль 19. Вода
сбрасывается в лоток 14 и по трубопроводу воды меняется в обратную сторону этим дос-16 попадает во второй бачок 7. После запол- тигается оборотная система водоснабжения. нения водой бачка 7, направление движения
а)
б)
Рисунок 3 — Пневмогидравлическая оборотная установка для тарирования и проведения лабораторных исследований по определению расходных характеристик водовыпускных элементов
(Патент РФ № 191042):
а - работа установки, когда первый бак напорный, а второй бак сбросной; б - работа установки, когда второй бак напорный, а первый бак сбросной; 1 - водовыпускной элемент; 2 - шина; 3 -диск; 4 - воздушный трубопровод; 5 - задвижка; 6 - первый бачок; 7 - второй бачок; 8 - воздушный вентиль на первый бачок; 9 - воздушный вентиль на второй бачок; 10 - напорный трубопровод; 11 - вентиль на напорный трубопровод первого бачка; 12 - вентиль на напорный трубопровод от второго бачка; 13 - манометр; 14 - сборный лоток; 15 - отстойник; 16 - сбросной трубопровод; 17 - вентиль на сбросной трубопровод первого бачка; 18 - вентиль на сбросной трубопровод второго бачка; 19 - водоспускной вентиль
Эффективность оборотной системы повышается, когда в качестве оборотной жидкости является масло.
С помощью ПОУ планируется создавать и учебные стенды для проведения лабораторных работ в учебном процессе. Так можно демонстрировать уравнение Бернулли:
Р1 р2 1 лп
7- — - — - (3)
г 2 д у 2д }
171 172 — скорость потока воды соответственно в первом и во втором сечении;
^ — пьезометрическое давление
соответственно в первом и во втором сечении;
V1 , V2 — скорость потока воды соответственно в первом и во втором сечении; д - ускорение свободного падения;
hf - потери напора по длине на участке;
Z"L Z-, — высота, соответственно первого и
второго участка.
Для исследования расходных характеристик j" из отверстий, или других гидравлических характеристик можно воспользоваться формулой истечения жидкости из отверстий:
V = ......TJh, (4)
где:
№ - коэффициент расхода жидкости;
ю - площадь поперечного сечения отверстия;
Н ~ гидростатический напор.
В перспективе учебные экспериментальные столы с пневмогидравлической установкой можно предлагать в учебные заведения среднего и высшего образования, для проведения лабораторных работ. В планы авторов входит создание малого инновационного предприятия по производству лабораторного оборудования на основе предлагаемых разработок.
Результаты исследований могут быть использованы как при проведении научно-исследовательских работ, так и для создания учебных стендов в образовательном процессе.
Литература
1. Дубенок Н.Н. Приоритеты научного обеспечения развития мелиорации // Известия Тимирязевской сельскохозяйственной академии. - 2014. - №1. - С.96-104.
2. Хаширова Т.Ю. Охрана горных и предгорных ландшафтов управлением твердого стока. - Нальчик: Полиграфсервис и Т, 2007. - 220 с.
3. Пат. № 2384049 РФ, МПК A01G 25/00. Устройство для подпочвенного орошения / Ламердонов З.Г., Кештов А.Ш., Дабагова Л.М., Дышеков А.Х.; заявитель и патентообладатель Кабардино-Балкарская гос. с.-х. акад. -№ 2008126818/12; заявл. 01.07.2008; опубл. 20.03.2010. Бюл. № 8.
4. Пат. № 2395195 РФ, МПК A01G 25/00. Способ подпочвенного орошения / Ламердо-нов З.Г., Кештов А.Ш., Дабагова Л.М., Ды-шеков А.Х.; заявитель и патентообладатель Кабардино-Балкарская гос. с. -х. акад. -№ 2008126785/12; заявл. 01.07.2008; опубл. 27.07.2010. Бюл. № 21.
Выводы. Приводятся инновационные разработки Кабардино-Балкарского ГАУ и причина медленного их продвижения по внедрению в с.-х. производство. Цель исследований - разработка методики для проведения гидравлических исследований и определения характеристик водовыпускных элементов инженерно-мелиоративных систем. Материалом для проведения исследований по определению гидравлических характеристик является опыт, накопленный исследователями по решению данного вопроса. Экспериментальные исследования и разработанная методика основаны на использовании математической теории планирования эксперимента, а обработка результатов осуществляется по типовым и собственным программам. Приводятся конструктивные решения и описывается установка для проведения исследований методики тарирования и проведения лабораторных исследований. Установка запатентована в РФ (Патент РФ №2581184, Патент РФ № 191042). Такие установки эффективны при исследовании гидравлических характеристик, когда жидкостью являются дорогостоящие масла. Приводятся теоретические зависимости и практические рекомендации по применению и коммерциализации разработанных устройств.
References
1. Dubenok N.N. Prioritety nauchnogo obespecheniya razvitiya melioracii // Izvestiya Timiryazevskoj sel'skohozyajstvennoj akademii. - 2014. - №1. - S.96-104.
2. Hashirova T. Yu. Ohrana gornyh i predgor-nyh landshaftov upravleniem tverdogo stoka. -Nal'chik: Poligrafservis i T, 2007. - 220 s.
3. Pat. № 2384049 RF, MPK A01G 25/00. Ustrojstvo dlya podpochvennogo orosheniya / Lamerdonov Z.G., Keshtov A.SH., Dabagova L.M., Dyshekov A.H.; zayavitel' i patentooblada-tel' Kabardino-Balkarskaya gos. s.-h. akad. - № 2008126818/12; zayavl. 01.07.2008; opubl. 20.03.2010. Byul. № 8.
4. Pat. № 2395195 RF, MPK A01G 25/00. Sposob podpochvennogo orosheniya / Lamerdonov Z.G., Keshtov A.SH., Dabagova L.M., Dyshekov A.H.; zayavitel' i patentoobladatel' Ka-bardino-Balkarskaya gos. s.-h. akad. - № 2008126785/12; zayavl. 01.07.2008; opubl. 27.07.2010. Byul. № 21.
5. Пат. № 2548176 РФ, МПК ЛОЮ 13/06. Способ защиты растений от заморозков / Кеш-тов А.Ш., Ламердонов З.Г., Шахмурзов М.М.; заявитель и патентообладатель Кештов Альберт Шагирович. - № 2013154153/13; заявл. 05.12.2013, опубл. 20.04.2015. Бюл. № 11.
6. Пат. № 2545030 РФ, МПК А0Ш 13/06. Способ защиты растений от заморозков паром / Кештов А.Ш., Ламердонов З.Г., Шахмурзов М.М.; заявитель и патентообладатель Кештов Альберт Шагирович. - № 2014102426/13; заявл. 24.01.2014, опубл. 27.03.2015. Бюл. № 9.
7. Ламердонов З.Г. Многофункциональные инженерно-мелиоративные системы в садоводстве и виноградарстве // Техника и оборудование для села. - 2016. - №8. - С. 8-9.
8. Кештов А.Ш. Капельница многоразового использования с регулируемой подачи воды: новые конструктивные решения // Приро-дообустройство. - 2012. - №2. - С.23-25
9. Ламердонов З.Г., Дзагаштова Л.М. Инновационная ресурсосберегающая технология локального внутрипочвенного способа орошения // Техника и оборудование для села. -2016. - №11. - С. 20-23.
10. Ламердонов З.Г., Дабагова Л.М., Гум-баров А.Д. Ресурсосберегающие технологии внутрипочвенного орошения // Труды Куб-ГАУ. - 2012. - №4/37. - С. 237-238.
11. Пат. № 2492632 РФ, МПК А0Ш 25/00. Способ орошения / Ламердонов З.Г.; заявитель и патентообладатель Ламердонов Замир Галимвич. - № 2012106319/13; заявл. 21.02.2012; опубл. 20.09.2013. Бюл. № 26.
12. Пат. № 2568466 РФ, МПК А0Ш 29/00, А0Ш 27/00, А0Ш 25/02. Устройство для внутрипочвенного орошения / Кештов А.Ш., Дзагаштова Л.М., Ламердонов З.Г.; заявитель и патентообладатель Кештов Альберт Шаги-рович - 2013152308/13заявл. 25.11.2013, опубл. 20.11.2015. Бюл. № 32.
13. Пат. № 2568465 РФ, МПК А0Ш 29/00, А0Ш 27/00, А0Ш 25/02. Устройство для внутрипочвенного орошения / Кештов А.Ш., Ламердонов З.Г., Шахмурзов М.М.; заявитель и патентообладатель Кештов Альберт Шаги-рович. - 2013153636/13; заявл. 03.12.2013, опубл. 20.11.2015. Бюл. № 32.
14. Пат. № 2660305 РФ, МПК в09Б 23/06. Устройство для демонстрации уравнения Бернулли применительно к закрытым потокам / Попов А.М.; заявитель и патентообладатель Воронежский государственный технический университет. - № 2016121731; заявл. 01.06.2016; опубл. 05.07.2018. Бюл. № 19.
5. Ра! № 2548176 RF, МРК А0Ш 13/06. 8ро8оЬ 2а8ИоЫ1у га81еп1] ^ 2ашого2коу / К^И-1юу Л.8И., ЬашеМопоу 2.а., 8ИаЬшиг2оу М.М.; 2ауауйеГ 1 ра1еп1ооЬ1аёа1еГ Ке8И1:оу ЛГЬей 8Иа81гоу1оИ. - № 2013154153/13; zayavl.
05.12.2013, ориЫ. 20.04.2015. Вуи1. № 11.
6. Ра! № 2545030 RF, МРК А0Ш 13/06. 8ро8оЬ 2а8ИоЫ!у га81еп1] о1 2ашого2коу рагош / Ке8И1:оу Л.8И., ЬашеМопоу 2.а., 8ИаИшиг-2оу М.М.; 2ауауйе1' 1 ра1еп1ооЬ1аёа1е1' Ке8И1:оу Л1'ЬеП 8Иашгоу1сИ. - № 2014102426/13; 2ауау1.
24.01.2014, ориЫ. 27.03.2015. Вуи1. № 9.
7. Lamerdonov Z.G. МпойоГипксюпаГпуе тАепегпо-шеНогайупуе 8^ешу у 8аёоуоё8!уе 1 у1по^гаёаг81уе // ТекИп1ка 1 оЬогиёоуаше Шуа 8е1а. - 2016. - №8. - 8. 8-9.
8. Keshtov A.Sh Каре1'п1са шпо£о^оуо£о ^ро^оуашуа 8 ге^иИгиешо] роёасЫ уоёу: поууе кош^икйупуе ге8Иеп1уа // РпгоёооЬш-йо^о. - 2012. - №2. - 8. 23-25
9. Lamerdonov Z.G., Dzagashtova L.M. 1п-поуас1оппауа ге8игео8Ьеге£аушксИауа 1екЬпо-1о^1уа 1ока1'по^о упи1г1росИуеппо^о 8ро8оЬа ого8Иеп1уа // ТекИп1ка 1 оЬогиёоуаше Шуа 8е1а.
- 2016. - №11. - 8. 20-23.
10. Lamerdonov Z.G., Dabagova L.M., Gum-barov A.D. Ке8иг8о8Ьеге£аушИсЫе 1екЬпо1о£и упи1г1росЬуеппо^о ого8Иеп1уа // Тгиёу КиЬ-али. - 2012. - №4/37. - 8. 237-238.
11. Ра! № 2492632 RF, МРК А0Ш 25/00. 8ро8оЬ ого8Иеп1уа / Ьашегёопоу 2.а.; 2ауауйе1' 1 ра1еп1ооЬ1аёа1еГ Ьашегёопоу 2аш1г аа11ш-у1сИ. - № 2012106319/13; zayavl. 21.02.2012; ориЫ. 20.09.2013. Вуи1. № 26.
12. Ра! № 2568466 RF, МРК A01G 29/00, Л01а 27/00, Л01а 25/02. Шго^о Шуа упи-1г1росИуеппо£о ого8Иеп1уа / Ке8И1:оу Л.8И., В2а^а8И1оуа Ь.М., ЬашеМопоу 2.а.; 2ауауйе1' 1 ра1еп1ооЬ1аёа1еГ Ке8И1:оу ЛГЬеЛ 8Иа^1гоу1сИ -2013152308/Шауау1. 25.11.2013, ориЬ1.
20.11.2015, Вуи1. № 32.
13. Ра!. № 2568465 RF, МРК A01G 29/00, Л01а 27/00, Л01а 25/02. Шго]81уо Шуа упи-1г1росЬуеппо^о ого8Иеп1уа / Ке8И1:оу Л.8И., Ьашегёопоу 2.а., 8ИаЬшигеоу М.М.; 2ауауйе1' 1 ра1еп1ооЬ1аёа1еГ Ке8И1:оу ЛГЬеЛ 8Иа^1гоу1сИ.
- 2013153636/13; 2ауау1. 03.12.2013, ориЬ1. 20.11.2015. Вуи1. № 32.
14. Ра!. № 2660305 RF, МРК в09В 23/06. И81го] 8!уо Шуа ёешоп81гас11 игаупеп1уа Бегпи111 рйшепкеГпо к 2акгу!уш ро1:окаш / Ророу Л.М.; 2ауауйе1' 1 ра1еп1ооЬ1аёа1еГ Уогопе^кц £о8и-ёаге!уеппу1 1екЬп1сИе8к1] ишуегеке! - № 2016121731; 2ауау1. 01.06.2016; ориЬ1. 05.07.2018. Вуи1. № 19.
15. Пат. №2581184 РФ, МПК G05D 7/01. Установка для гидравлических исследований / Ламердонов З.Г.; заявитель и патентообладатель Ламердонов Замир Галимвич. -№2014151327/28; заявл. 17.12.2014; опубл. 20.04.2016, Бюл. №11.
16. Пат. №191042 РФ, МПК F15B 19/00. Установка для гидравлических исследований / Ламердонов З.Г., Настуева Л.Ж.; заявитель и патентообладатель Кабардино-Балкарский ГАУ - 2018138415; заявл. 30.10.2018; опубл. 22.07.2019, Бюл. №21.
15. Pat. №2581184 RF, MPK G05D 7/01. Us-tanovka dlya gidravlicheskih issledovanij / La-merdonov Z.G.; zayavitel' i patentoobladatel' Lamerdonov Zamir Galimvich. -№2014151327/28; zayavl. 17.12.2014; opubl. 20.04.2016, Byul. №11.
16. Pat. №191042 RF, MPK F15B 19/00. Ustanovka dlya gidravlicheskih issledovanij / Lamerdonov Z.G., Nastueva L.ZH.; zayavitel' i patentoobladatel' Kabardino-Balkarskij GAU -2018138415; zayavl. 30.10.2018; opubl. 22.07.2019, Byul. №21.
