CC BY
13
УДК 631.374.05
ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ОРОШЕНИЯ СЕЯНЦЕВ И САЖЕНЦЕВ ЛЕСНЫХ И САДОВЫХ КУЛЬТУР МОБИЛЬНЫМИ ДОЖДЕВАЛЬНЫМИ МАШИНАМИ
С.Я. Семененко12, д.с.-х.н., В.Г. Абезин123, д.т.н., профессор, О.М. Агеенко12, н.с., С.С. Марченко1, к.т.н. -гФНЦ агроэкологии РАН, 2Волгоградский государственный аграрный университет, 3Астраханский государственный университет
В настоящее время более 70% сельскохозяйственных угодий нашей страны находятся в условиях недостаточного увлажнения. Получение высоких и устойчивых урожаев возможно только при орошении с использованием других видов мелиорации. Известны различные способы полива, которым соответствуют необходимые технологии и технические средства. Наиболее распространенным способом полива в большинстве аридных зон страны является дождевание, которое обеспечивает возможность комплексной механизации, снижает трудоемкость полива, улучшает использование земельных и водных ресурсов.
На современном этапе осуществляется переход к ландшафтно-адаптивному земледелию при комплексной мелиорации, что отвечает требованиям полива дождеванием. В то же время энергетические характеристики дождя современных дождевальных машин и их применение не создают экологического равновесия и поддержания на соответствующем уровне плодородия почв.
Следует отметить такие негативные явления, как образование жидкого и твердого стока, переформирование микрорельефа и неравномерность полива. Назрела необходимость создания дождевальной техники с оптимальными параметрами
Качество технологического процесса дождевания характеризуется параметрами дождя, которые обеспечиваются дождевальной машиной. При этом параметры дождя должны соответствовать агротехническим требованиям. Достоинства орошения дождеванием [2]: возможность частых поливов малыми нормами, а так же освежающие поливы в жаркое время; небольшая глубина про-мачивания; возможность применения при сложном микрорельефе без планировки полей; сохранение структуры почв; возможность забора воды из каналов в выемке, что способствует уменьшению напора в сети и т.д.
Материалы и методика исследований. Орошение посадок сеянцев и саженцев лесных и садовых культур обеспечивает получение высококачественного посадочного материала. Наиболее приемлемым способом орошения посадок является дождевание. Конструкции дождевальных машин требуют совершенствования. Особенно это относится к дождевальным аппаратам, которые обеспечивают необходимое качество дождя. Разработанная нами конструкция дождевателя с регулируемым качеством дождя отвечает большинству агротехнических требований, предъявляемых к дождеванию.
Результаты и их обсуждение. Дождеватель с регулируемым качеством дождя [4] включает крышку 1, на торцовой поверхности которой с помощью резьбы 2 через герметизирующие прокладки 3 установлены стволы-жиклеры 4 (рис.). Торцовая поверхность крышки 1 выполнена по цилиндрической поверхности. Герметизирующие прокладки 3 выполнены из упруго-эластичного материала. Внутренняя полость 5 стволов-жиклеров выполнена
дождя и оснащение ей современного сельскохозяйственного производства. Прежде всего, необходима разработка конструкций дождевальных аппаратов, снижающих энергетическое воздействие на почву и обеспечивающих необходимую равномерность распределения оросительной воды по поверхности орошаемого участка. Одним из самых серьезных недостатков мобильных дождевальных машин является то, что дождевальные аппараты производят полив почвы, по которой перемещаются опорные колеса, что приводит к образованию колеи и ухудшает возможность работы других сельскохозяйственных машин.
Таким образом, повышение качества дождевания при использовании мобильных дождевальных машин требует совершенствования конструкции дождевальных аппаратов, а также изменение компоновки дождевальной машины, предотвращающей увлажнение почвы в направлении движения перед машиной. При этом изменения, вносимые в конструкцию дождевальных машин не должны уменьшать их производительность.
Ключевые слова: стволы-жиклеры, крышка, цилиндрическая поверхность, конфузоры, спиральные направляющие, параболические, ложкообразный формирователь, упруго-эластичный.
конфузорной. Во внутренней полости стволов-жиклеров установлены сменные спиральные направляющие 6, которые зафиксированы герметизирующими прокладками 3. Спиральные направляющие 6 сменные имеют левостороннюю направленность. Внутренняя полость крышки 1 имеет сферические направляющие 7, сопряженные с входными отверстиями стволов-жиклеров 4. Наружные стенки крышки 1 выполнены параболическими, а внутренняя часть стенки 8 сопряжена с входными отверстиями стволов-жиклеров. Входной патрубок крышки 1 имеет резьбу 9 для присоединения к напорному трубопроводу. На крышке 1 установлен ложкообразный формирователь 10 зоны дождя, закрепленный к крышке винтами 11. В верхней части на крышке с помощью винтов установлен ложкообразный формирователь 10 зоны дождя, который в верхней части имеет закругление 12 и ребро жесткости 13. Закругление 12 размещено над торцовой частью стволов-жиклеров.
Внутренняя поверхность формирователя зоны дождя выполнена параболической. Дождеватель с регулируемым качеством дождя работает следующим образом. На дождевальной машине дождеватель устанавливается под углом 28°...32° к горизонтальной плоскости. В стволы-жиклеры 4 устанавливаются спиральные направляющие, соответствующие заданному расходу. При подаче воды под заданным напором во внутреннюю полость крышки 1 поток ее равномерно распределяется во входные отверстия стволов-жиклеров 4. При взаимодействии потока воды со спиральными направляющими 6 поток приобретает вращательное движение [2], в результате которого структура
Рисунок - Дождеватель с регулируемым качеством дождя
1 - крышка; 2 - резьба; 3 -прокладки; 4 - стволы-жиклеры; 5 - внутренняя полость; 6 - спиральные направляющие; 7 - сферические направляющие; 8 - стенка; 9 - резьба; 10 - формирователь зоны дождя; 11 - винты; 12 - закругление; 13 - ребро жесткости
оросительной воды изменяется, ее биологическая активность возрастает, что положительно сказывается на росте, развитии растений и повышении урожайности сельскохозяйственных культур. Вращающийся поток оросительной воды сразу за выходной кромкой стволов-жиклеров 4 начинает разрушаться на мелкодисперсные капли, что вызывает повышенное испарение оросительной воды. Ложкообразный формирователь 10 зоны дождя предотвращает выброс капель вверх и значительно снижает потери оросительной воды на испарение. Кроме того, вращающийся поток взаимодействует с ложкообразным формирователем 10 зоны дождя и обеспечивает образование увлажненной до заданной нормы площади заданной конфигурации. Это обеспечивает повышение качества полива и снижение расхода оросительной воды.
Применение сменных спиральных направляющих обеспечивает возможность получения заданного качества дождя в зависимости от орошаемой сельскохозяйственной культуры и типа почвы [4].
При подаче оросительной воды через входной патрубок во внутреннюю полость крышки 1 происходит постепенное расширение потока, что вызывает гидравлическое сопротивление [6,7].
Коэффициент постепенного расширения определяется по формуле
z — к
^ п. Р. п.
ш2
■ -1
(2)
где кпр - коэффициент смягчения; w2 - площадь живого сечения потока на линии А-А, м2; - площадь живого сечения потока входного патрубка, м2.
Потери напора при входе в стволы-жиклеры 4
V 2
^ — z — > (3) 2 g
где ^сж - коэффициент сопротивления на входе в стволы-жиклеры, ^сж=0,20 [3].
Так как стволы-жиклеры выполнены конфузор-ными [7], то для определения сопротивления в конфузоре необходимо определить коэффициент сопротивления конфузора.
Ч 2
Z, — kn \ - -1
(4)
h — z Vi
Пп. р. Ьп. р. 2 g '
(1)
где ^пр - коэффициент постепенного расширения, V - скорость потока, м/с; g - ускорение свободного падения, м/с2.
где кпс - коэффициент смягчения при угле конусности, а=10о, кпс=0,40; £ - коэффициент сжатия струи, который зависит от степени сжатия потока п, п=и>2/ ш1, где и>2 - площадь поперечного сечения потока на выходе из конфузора, м2, - площадь поперечного сечения потока на входе в конфузор, м2. Для степени сжатия потока п=0,1, £=0,612 [6].
Гидравлические потери при проходе в спиральных направляющих 6 могут быть определены как потери в решетке [6].
Коэффициент местных потерь:
л в * I4 ' 3 • С . н = в ь I м п а'
(5)
О = (¿ив .
(6)
(8)
Изменение момента количества движения в стволе-жиклере
йМ
АЖ
где в - коэффициент формы витков спиральных направляющих, при закрученной форме наружной кромки в=0,92; S - толщина витка спиральных направляющих, м; Ь - расстояние между витками, м; а - угол наклона витка к горизонту, градус.
Расход оросительной воды дождевальной машиной через стволы-жиклеры 4 определяется по формуле [7]
М у/М 2 + 0 ' 2РЯ
■ с1г ,
(13)
где 0=рQ/2тс5. (14)
Интегрирование левой части уравнения 13 в пределах от Мо до М, а правой части в пределах R до г дает
, (0 + 4М2 + 0 2 ) 43
= — Л (К — Гвых )' (15)
где ц - коэффициент расхода отнесенный к выходному сечению; ш - площадь выходного отверстия, м2; g - ускорение свободного падения, м/с2; Н - напор, м.
При угле конусности у=12...15° коэффициент расхода ц=0,94.
Разработанная конструкция стволов-жиклеров имеет особенность в том, что оросительная вода, протекающая через ствол-жиклер, обладает моментом количества движения относительно оси выходного отверстия. При этом образуется воздушный вихрь при малом коэффициенте расхода и большом угле факела распыла.
Из-за вязкости жидкости на стенках стволов-жиклеров возникают силы трения, направление которых - встречное скорости течения.
Если абсолютную скорость V в стволе-жиклере разложить на тангенциальную Уи и радиальную Ут составляющие и выделить элемент оросительной воды длиной dl и шириной da и высотой 5, то масса данного элемента
с^т — — рд ■ с11 ■ с!а, ^у)
где р - плотность оросительной воды, кг/м3.
При этом момент количества движения
М - г~У „ ■ ёт ,
1 М (0 + УМо2 +02 ) 1
" м о (э + V
где г - радиус сопла ствола-жиклера.
Решение уравнения 15 относительно М дает
М ..
м =
м
(16)
сИ С + зсИ С + 1
где <;=Я/45^-го). (17)
Начальный момент количества движения
М = рУ Л =
О Г-^'вк
рСЖ
/? 7ГГ
(18)
2 йых
Так как на элемент оросительной воды dm действует сила трения dFт, а работа этой силы на пути ds выразится
с/А = ¿//^ р • с1$.
(19)
Потеря энергии для данного объема воды 4 б
Если путь ds выразить через радиус
где г - радиус вращения.
Поверхность, имеющая контакт со стенками ствола-жиклера, подвергается трению, сила dFт которого определяется из выражения [1]
= Тс
= 2 с11 ■ с1а,
(9)
тс = Л/4 ■ р¥/ 2,
где Я - коэффициент трения.
В то же время момент силы трения
N = -Я / 4 • р ■ V ■ Уи • г
(10)
(11)
М - ргУи
(12)
V
с/.ч =--• с/г,
(21)
Дифференциальное уравнение потерь энергии в стволе-жиклере
где тс - напряжение трения о стенки, которое определяется из уравнения
£Ш =
Хя
р-У3 - г - с!г.
(22)
<ш =
2С?
-V
и
Ард2 л-
Приняв У-Уи и проинтегрировав уравнение 22
получим и
Л'тг' г2(г — х У
(23)
где
2 п
х = К + ■
Л К
(24)
Момент количества движения единицы объема оросительной воды обозначим
2 г
ле = 4р2 ■ Iх
Л2п2
2 (г - х)3
(25)
К г (г — х
воН
Эффективность дождевания обеспечивается, если дождь, создаваемый машиной, соответствует необходимой средней интенсивности, равномерности распределения дождя и среднеобъемному (среднекубическому) диаметру капель [5].
Одним из важнейших показателей качества дождя является величина силового воздействия капель на почву и растения, которая зависит от размера капель и скорости их падения [8].
Определяющими параметрами дождя являются интенсивность и структура [3].
Заключение, выводы.
Разработанная конструкция дождевателя позволяет обеспечивать оптимальные показатели по интенсивности, равномерности распределения, среднеобъемному диаметру капель. Особенно значительное улучшение дождевания обеспечивается за счет снижения силового воздействия на почву. Кроме того, уменьшается противоречие результатов гидромелиораций и ухудшение экологической обстановки, потери почв [9, 10].
Однако применение разработанной конструкции требует конструкторского совершенствования существующих дождевальных машин.
Для орошения сеянцев и саженцев лесных и садовых культур наиболее приемлемым вариантом является использование уже проверенных дождевальных машин фронтального действия ДДА-100МА и ДКШ-64 «Волжанка» [9, 10]. Недостатком двухконсольного дождевального агрегата является необходимость устройства на орошаемом участке временных или постоянных оросительных каналов, из которых осуществляется забор оросительной воды. Однако данный недостаток может быть компенсирован уменьшением затрат путем перевода оросительной системы из высоконапорной в низконапорную, учитывая, что доля энергоучета в общей структуре затрат составляет около 30%.
ДКШ-64 «Волжанка» является наиболее простой по конструкции и наиболее экономичной по затратам многоопорной дождевальной машиной при заборе воды из низконапорного трубопровода. Эта машина может быть использована только при поливе сеянцев, так как высота от поверхности почвы до оси трубопровода менее 0,8 м.
Её усовершенствование путем установки дождевателей, представленной конструкции, с поливом поля за машиной послужит значительной экономии оросительной воды ввиду отсутствия колеи [3].
Литература:
1. Бородин В.А. Распыливание жидкостей [текст] / В.А. Бородин, Ю.Ф. Дитянин, Л.А. Клячко, В.И. Ягодкин. -М.: «Машиностроение», 1967. - 263 с.
2. Босой Е.С. Теория, конструкция и расчёт сельскохозяйственных машин [текст]: Учебник для ВУЗов сельскохозяйственного машиностроения / Е.С. Босой, О.В. Верняев, И.И. Смирнов, Е.Г. Султан-Шах, под ред. Е.С. Босого - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1977. - 568 с., ил.
3. Дождевальный агрегат [текст]: патент 2409936 Российская Федерация С1 МПК A01G 25/09 / В.Г. Абезин / заявл. 16.10.2009, опуб. 27.01.2011. Бюл. №3.
4. Дождеватель с регулируемым качеством дождя [текст]: патент 2635167 Российская Федерация С1 МПК A01G 25/02 / С.Я. Семененко, В.Г. Абезин, Н.Н. Дубенок, М.Н. Лытов, A.A. Пахомов, А.Н. Чушкин, П.С. Попов. - Заяв-
ка 2017101908, заявлено 20.01.2017; опубл. 09.11.2017; Бюл. № 31.
5. Исаев А.П. Гидравлика дождевальных машин [текст] / А.П. Исаев. - М.: «Машиностроение», 1973. -216 с.
6. Киселёв П.Г. Справочник по гидравлическим расчётам [текст] / Под ред. П.Г. Киселёва. - 5-е изд. М.: «Энергия»,1974. - 312 с.: ил
7. Лебедев Б.М. Дождевальные машины [текст] / Б.М. Лебедев. - Изд. 2-е, перераб. и доп. - М., «Машиностроение», 1977. - 244 с.
8. Мильченко Н.Ю. Обоснование параметров процесса смачивания сельскохозяйственных растений жидкими растворами и их распыления при механизированном внесении средств химизации [текст]: дисс. на соискание учёной степени канд. техн. наук 05.20.01, 06.01.02 / Наталья Юрьевна Мильченко. - Волгоград, 2003. - 147 с.
9. Новосельцев А.И. Справочник по лесным питомникам [текст] / А.И.Новосельцев, Н.А. Смирнов // М.:Лесн. пром-сть, 1983. - 280 с., ил.
10. Семененко С.Я. Экологическая оптимизация полива дождеванием кормовых культур аридной зоны [текст]: монография / С.Я. Семененко - Волгоград: ФГ-БОУ ВПО Волгоградский ГАУ, 2012. - 208 с.
IMPROVING THE QUALITY OF IRRIGATION OF SEEDLINGS AND SEEDLINGS OF FOREST AND HORTICULTURAL CROPS BY MOBILE SPRINKLER MACHINES
S.Ya. Semenenko12, D.S-Kh.N., V.G. Abezin123, D.T.N., O.M. Ageenko12, S.S. Marchenko1, K.T.N.
1FSC of Agroecology RAS 2Volgograd State Agrarian University 3Astrakhan state University
Currently, more than 70% of the agricultural land of our country are in conditions of insufficient moisture. Obtaining high and stable yields is possible only with irrigation using other types of melioration. There are various methods of irrigation, which correspond to the necessary technologies and technical means. The most common method of irrigation in most of the country's humanitarian zones is sprinkling, which provides the possibility of complex mechanization, reduces the labor intensity of irrigation, improves the use of land and water resources. At the present stage, the transition to landscape-adaptive agriculture in the complex melioration, which meets the requirements of sprinkler irrigation. At the same time, the energy characteristics of modern rain machines and their application do not create ecological balance and maintain the corresponding level of soil fertility.
It should be noted such negative phenomena as the formation of liquid and solid runoff, reformation of micro relief and uneven watering. There is a need to create a sprinkler system with optimal parameters of rain and equipping them with modern agricultural production. First of all, it is necessary to develop structures of sprinkler systems that reduce the energy impact on the soil and ensure the necessary uniformity of irrigation water distribution over the surface of the irrigated area. One of the most serious disadvantages of mobile sprinklers is that the sprinklers produce watering of the soil on which the move supporting the wheel, which leads to the formation of the rut and reduce the possibility of other agricultural machines.
Thus, improving the quality of sprinkling when using mobile sprinkler machines requires improving the design of sprinkler systems, as well as changing the layout of the sprinkler, which prevents moistening of the soil in the direction of movement in front of the machine. At the same time, changes made to the design of sprinkler machines should not reduce their productivity.
Keywords: guns, nozzles, cover, cylindrical surface, constrictors, spiral guides, parabolic, legkoobratimy shaper, elastic.
