Расчет допустимых длин увлажнителей при строительстве систем внутрипочвенного орошения в зависимости от уклона местности Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

УДК 631.67

РАСЧЕТ ДОПУСТИМЫХ ДЛИН УВЛАЖНИТЕЛЕЙ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ СИСТЕМ ВНУТРИПОЧВЕННОГО ОРОШЕНИЯ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ УКЛОНА МЕСТНОСТИ

CALCULATION OF ALLOWABLE HUMIDIFIER LENGTHS IN CONSTRUCTION OF INTEGRATED IRRIGATION SYSTEMS DEPENDING

ON THE COUNTRY OF LOCALITY

А.Д. Ахмедов, доктор технических наук, профессор A.D. Akhmedov

Волгоградский государственный аграрный университет Volgograd State Agrarian University

Рассматриваются вопросы, связанные с расчетами, позволяющими определить приблизительную длину увлажнителей при строительстве систем внутрипочвенного орошения в зависимости от уклона местности. При проведении исследований и обобщений использовались апробированные методики, а также материалы и данные различных авторов. Приведенные расчеты достаточно точные, но в то же время неудобны, т.к. требуют большого объема вычислений. Поэтому для определения предельной длины увлажнителя без уклона и проложенного с уклоном предложены различные формулы. Предлагаемый авторам порядок вычисления максимальных предельно допустимых длин увлажнителей дает вполне удовлетворительные результаты, хорошо согласующиеся с экспериментом. При этом, необходимо отметить, что такие расчеты весьма трудоемкие, т.к. для большей точности необходимо разбивать увлажнитель на небольшие расчетные участки, а при больших диаметрах таких участков получается довольно много. Поэтому каждый участок просчитывать также сложно, так как имеем дело с непрерывно меняющимися величинами: расходом, скоростью, коэффициентами сопротивления; режимами - сначала ламинарным, потом турбулентным. На основании экспериментальных данных построен график, с помощью которого можно определить предельные длины и уклоны увлажнителей в зависимости от их диаметров. Расхождение между кривой, полученной экспериментальным путем, и кривой теоретической весьма незначительное и составляет всего 5-7 % . Таким образом, предложенные способы расчета и экспериментально установленная длина внут-рипочвенных увлажнителей позволяют с достаточной точностью осуществлять проектирование увлажнительной сети в системе внутрипочвенного орошения.

In this article, we consider issues related to calculations that allow us to determine the approximate length of humidifiers for the construction of systems of intrasoil irrigation, depending on the slope of the terrain. During the research and generalizations, the approved methods, as well as materials and data, of various authors were used. The above calculations are quite accurate, but at the same time inconvenient, because require a large amount of computation. Therefore, to determine the limiting length of the humidifier without a slope and laid with slope, various formulas are proposed. The procedure for calculating the maximum permissible lengths of humidifiers proposed by the authors gives quite satisfactory results, which are in good agreement with experiment. It should be noted that such calculations are very laborious, because for greater accuracy, it is necessary to break the humidifier into small calculation areas, and for large diameters of such areas, a lot is obtained. Therefore, each section is also difficult to calculate, since we are dealing with continuously varying quantities: flow, speed, drag coefficients; modes - first laminar, then turbulent. On the basis of the experimental data, a graph is constructed, with the help of which it is possible to determine the limiting lengths and slopes of humidifiers, depending on their diameters. The discrepancy between the curve obtained experimentally and the theoretical curve is very small, and is only 5-7%. Thus, the proposed calculation methods and the experimentally established length of the intrasoil humidifiers allow the design of the humidifying network in the system of intrasoil irrigation with sufficient accuracy.

Ключевые слова: внутрипочвенное орошение, увлажнитель, уклон местности, напор предельных длин увлажнителей, потери напора, диаметр увлажнителей.

Key words: intrasoil irrigation, humidifier, land slope, head, limiting lengths of humidifiers, head loss, diameter of humidifiers.

Введение. Экономия водных ресурсов сегодня - задача первостепенной важности. Это обязывает мелиораторов разрабатывать и внедрять водосберегающие технологии при поливе сельскохозяйственных культур.

Среди перспективных способов орошения одним из основных является внутрипочвенное. Однако возможности внутрипочвенного орошения из-за недостаточной изученности теоретических основ и технологии полива реализованы не полностью. Высокая капиталоемкость также отрицательно сказывается на освоении его производством. Поэтому исследования, направленные на совершенствование технологии внутрипочвенного орошения как одного из наиболее экономичных способов распределения воды, представляют научный и практический интерес. Они включают разработку конструкций систем внутри-почвенного орошения (СВПО), научное обоснование оптимизации сочетания водно-воздушного и питательного режимов почвы и параметров СВПО [3, 5, 7].

Одним из важных элементов техники внутрипочвенного орошения является, длина увлажнителей, которая может достигать 600 м, но чаще применяется 100-300 м. На опытно-производственных участках ее, как правило, устанавливают экспериментальным путем с учетом конкретных почв и конструкций внутрипочвенных увлажнителей. В настоящее время появились разные методы, позволяющие определить приблизительную длину увлажнителей в зависимости от способов внутрипочвенного орошения [1, 4, 6, 7, 10].

Для того, чтобы запроектировать отдельные элементы систем внутрипочвенного орошения, необходимо решить ряд различных задач. К числу одной из них в условиях соблюдения равномерного увлажнения почвы по длине труб увлажнителей относятся подбор диаметров и определение предельно допустимых длин и уклонов увлажнителей [8, 9, 10].

Считается, что при оптимальном проектировании общие потери напора в распределительном трубопроводе должны быть примерно равны потерям в обслуживаемых им увлажнителях.

Материалы и методики. Для обеспечения примерного равенства расходов всех водовыпускных отверстий можно допустить падение напоров в увлажнителях и распределительном трубопроводе на 10 % в каждом. Тогда водовыпускные отверстия, расположенные у начала распределителя, будут работать под давлением, на 20 % большим, по сравнению с давлением у средних отверстий самых удаленных увлажнителей. При этом, расходы разных водовыпускных отверстий должны отличаться друг от друга не более, чем на 10 %, хотя в реальных условиях из-за некоторой неточности изготовления отверстия, влияния микрорельефа эта разница может оказаться более значительной [1, 2, 4, 6].

Таким образом, определение предельной длины увлажнителя сводится к последовательному подсчету и суммированию потерь напора на отдельных расчетных участках.

Теоретически потери напора на трение могут быть определены по известной зависимости Дарси - Вейсбаха

/ 2

h, = Х-—, (1)

f12 d 2 g

где Я - коэффициент сопротивления по длине; и - средняя по живому сечению скорость течения; d - внутренний диаметр увлажнителя; g - ускорение силы тяжести.

Результаты и обсуждение. Расчет каждого участка ведется следующим образом. Расход одного водовыпускного отверстия определяется по общеизвестной зависимости:

Чотв=М(О^2^Н0, (2)

где /и - коэффициент расхода отверстия (для отверстии в полиэтиленовых трубах можно принимать равным 0,55-0,60); со - площадь сечения отверстия; g - ускорение силы тяжести; Н0 - напор над осью увлажнителя.

Далее, задаваясь расстоянием между отверстиями, можно определить расход, отдаваемый с одного погонного метра увлажнителя, как

Qп.м. Цотв'Пг (3)

где п - число отверстий на I пог. метр увлажнителя.

Установив расход Qп.м, определяем среднюю по длине расчетного участка скорость движения воды в увлажнителе и по скорости определяем число Рейнолъдса.

Подставляя коэффициент сопротивления X в формулу (1), определяем потери напора на данном расчетном участке.

Последовательно суммируя потери напора на отдельных участках по длине, получаем предельную длину увлажнителя, проложенного с нулевым уклоном (рис. 1).

с нулевым уклоном

Приведенный расчет достаточно точен, но в то же время неудобен для большого количества вычисления. Поэтому определение предельной длины увлажнителя, проложенного с нулевым уклоном, можно определить по формуле [8]:

Нг 03511 • d ^

Т — 8 5 ] доп__(4)

пред ' ^ 0,6402 ' ^ '

ч

где ТЬгдоп- допустимая сумма потерь напора на трение; q - расход воды, подаваемой на 1 метр погонной длины увлажнителя.

Для определения максимальной предельно допустимой длины увлажнителя с учетом равномерности увлажнения почвы по его длине с уклоном, зададимся условием, что напор в конце увлажнителя равен напору в голове (рисунок 2). Это возможно в том случае, когда

(5)

где ТИ/- сумма потерь напора на трение; / - уклон увлажнителя; L - длина увлажнителя.

Несмотря на то, что напоры в начале и в конце увлажнителя равны, неравномерность увлажнения наблюдается за счет «провисания» кривой потерь напора или пьезометрической линии. Величину максимального провисания и его местоположения устанавливали по основным расчетным зависимостям.

Рисунок 2 - Расчетная схема для определения предельной длины увлажнителя с уклоном

Восстановлением скоростного напора, ввиду его малости, можно пренебречь, и тогда основное расчетное уравнение будет иметь вид :

Рё

+ 2А

Рё

+ 2

а

К2

X2 X

3 Л

+

Потери напора на длине X:

Р -Р

Кх = X

02

2 (

X -

ь 3Ь2

X2 X3 ^ ■ + -

ь зь

(6)

(7)

Рё К .

а на длине L:

и = ь + Ро-Р ь = кх Рё зк2

где P2/pg - пьезометрическое давление в начальном сечении увлажнителя; Pх/pg - пьезометрическое давление в сечении на расстоянии х от увлажнителя; 0О - расход в голове увлажнителя; К - модуль расхода; L - длина увлажнителя.

(8)

***** ИЗВЕСТИЯ ***** № 4 (48), 2017

НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

Условие допустимой неравномерности увлажнения может быть записано в виде:

ЛИм,таХ <0,2 Но, (9)

где ЛИ„тах - максимальная величина провисания пьезометрическое кривой; Н0 - напор в голове увлажнителя.

Величину АЬтетах можно найти как разность между потерями напора в транспортирующем трубопроводе и увлажнителе (трубопроводе с равномерной раздачей расхода по пути).

Потери напора в транспортирующем трубопроводе на длине L будут равны потерям в трубопроводе с равномерной раздачей по пути, если

^_ §• (10)

где Qтр - расход в транспортирующем трубопроводе.

Разность между потерями напора в трубопроводе с раздачей по пути и потерями напора в увлажнителе на длине X равна:

2( у 2 Л гл2 у Г)2 (п V"2 у3 \

к2

Qo2 и X2 , X3 1 Q2X Ql

X--+ ■

Ь 3Ь2

У

С0Л _ ^0

3К2 " к2

2 X _ ^ + А-'

3 Ь 3Ь У

(11)

Решая данное уравнение (11) по «Х» и приравнивая полученное выражение к нулю, находим, что наибольшая разница в потерях или максимальное «провисание» имеет место при X = 0,42 L, а величина его равна

ЛИутах=0,385ЕИГ1= 0,385 Ишь. (12)

Объединяя зависимости (9) и (12), получим условие, при помощи которого графическим путем можно определить предельные длины и уклоны увлажнителей по заданному диаметру и напору в голове. Тогда:

0,385 Ишь <0,2 Но. (13)

Порядок вычислений здесь будет такой же, как в увлажнителях, проложенных с нулевым уклоном. Предлагаемый порядок вычисления максимальных предельно допустимых длин увлажнителей дает вполне удовлетворительные результаты, хорошо согласующиеся с экспериментом. Однако такие вычисления весьма трудоемкие, т.к. для большей точности необходимо разбивать увлажнитель на небольшие расчетные участки, а при больших диаметрах таких участков получается довольно много. Поэтому каждый участок просчитывать также сложно, так как имеем дело с непрерывно меняющимися величинами: расходом, скоростью, коэффициентами сопротивления; режимами - сначала ламинарным, потом турбулентным и т.п.

Для определения предельных длин увлажнителей с уклоном можно воспользоваться зависимостью:

I • а

■> "п V

Иш=6,1 ■ 1 0-3 *, (14)

где Ка - коэффициент, учитывающий влияние отверстий на условие истекания воды в трубопроводе.

На рисунке 3 представлен график, на котором сплошными линиями показано изменение предельных длин и уклонов увлажнителей в зависимости от их диаметров.

ИЗВЕСТИЯ'

№ 4 (48),, 2017

30 20 10

50

100

150

200

0,002 0,005 0,01 0,014 0,018 0,022 0,026

пр

пр

Рисунок 3 - График зависимости предельных длин и уклонов увлажнителей от их диаметра: 1 - теоретическая кривая; 2 - опытная кривая; 3 - в зависимости от уклонов

Принимая с некоторым запасом коэффициент равным 0,33 и подставляя в (14) значения hwL из условия (13), получим выражение для определения предельных длин увлажнителей:

тт ^4,869

Но '* - (15)

Lnpeд = 2,58 '104

Чп

где Н0 - напор в голове увлажнителя, см; й - диаметр увлажнителя, см; чп - расход, отдаваемый с одного метра погонной длины, см3 /с; Ьпред - предельная длина увлажнителя, м.

На основании полученных данных нами построена кривая предельных длин увлажнителей в зависимости от их диаметров. Расхождение между кривой, полученной графическим путем, и кривой, построенной по формуле (15), весьма незначительное, всего 5 - 7 %, что позволяет рекомендовать зависимость (15) для вычисления максимальных предельно-допустимых длин увлажнителей. Соответствующие им уклоны могут вычисляться следующим образом. Сначала определяется предельная длина увлажнителя по (15), затем ее значение подставляется в (14), и тогда уклон, соответствующий предельной длине увлажнителя при выбранном его диаметре, определяется как

К

пред

L

пред

Зависимость (15) можно использовать и для расчета распределительных трубопроводов, т.к. по характеру работы (с равномерной раздачей расхода по пути) они аналогичны с увлажнителями.

Заключение. В заключении можно подчеркнуть, что определение предельных максимально возможных длин увлажнителей неразрывно связано с их уклонами и диаметрами. Задаваясь диаметром увлажнителя, можно определять его предельную длину по формуле (4), если увлажнитель проложен с нулевым уклоном или по формуле (15), если уклон больше нуля. Эти же зависимости можно использовать при расчете подводящих и распределительных трубопроводов. Кроме того, по результатам расчетов построен график, показывающий зависимость уклона и длины увлажнителя от их диаметра.

Предложенные способы расчета и экспериментального установления длины внутрипочвенных увлажнителей позволяют с достаточной точностью осуществлять проектирование увлажнительной сети в системе внутрипочвенного орошения.

Библиографический список

1. Айдаров, И.П. Теоретические и экспериментальные исследования влагопереноса при внутрипочвенном и капельном орошении [Текст] / И.П. Айдаров, А.А. Алексашенко// Оптимизация процессов комплексного мелиоративного регулирования: сб. науч. тр. /МГМН. - М., 1985. - С. 3-12.

2. Аллер, М. Эффективный потенциал воды при высыхании почв [Текст] / М. Аллер // Термодинамика почвенной влаги. - Л.: Гидрометеоиздат, 1966. - С. 325-360.

3. Ахмедов, А.Д. Расчет распространения влаги в почве при внутрипочвенном орошении [Текст] /А.Д. Ахмедов // Основы достижения устойчивого развития сельского хозяйства: материалы Международной научн.-практ. конф., посвященной 60-летию образования Волгоградской государственной сельскохозяйственной академии. - Волгоград, 2004. - С. 137 - 138.

4. Ахмедов, А.Д. Оптимизация основных параметров систем внутрипочвенного орошения в условиях Нижнего Поволжья [Текст] : монография /А.Д. Ахмедов. - Волгоград: ВГСХА, 2005. - 164 с.

5. Боровой, Е.П. Системы внутрипочвенного орошения с гончарными увлажнителями [Текст] /Е.П. Боровой, А.Д. Ахмедов// Мелиорация и водное хозяйство: материалы региональной научн.-практ. конф. «Проблемы и перспективы развития мелиорации», посвященной 95-летию мелиоративного образования на Юге России /НГМА. - Новочеркасск, 2003. - Вып. 2. -Т. 1. - С. 74 - 77.

6. Ветренко, Е.А. Научно-экспериментальное обоснование внутрипочвенного орошения яблоневого сада [Текст] : автореф. дис. ... канд. техн. наук: 06.01.02 / Е.А. Ветренко. - Волгоград, 2003. - 23 с.

7. Григоров, М.С. Внутрипочвенное орошение [Текст] /М.С. Григоров. - М.: Колос, 1993. - 128 с.

8. Григоров, М.С. Основные принципы расчета и проектирования систем подпочвенного орошения [Текст] / М.С. Григоров // Совершенствование конструкций оросительных систем и пути эффективного освоения орошаемых земель. - Волгоград, 1981. - Т. 66. - С. 3 - 10.

9. Новиков, А. Е. Исследование потерь напора и равномерности расхода жидкостей в капельных трубопроводах [Текст] / А. Е. Новиков, М. И. Ламскова // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. - 2014. - № 2. - C. 203-209.

10. Овчинников, А.С. Методика расчета и обоснование параметров контура увлажнения в условиях открытого и закрытого грунта [Текст] / А. С. Овчинников, В. С. Бочарников, М. П. Мещеряков // Природообустройство. - 2012. - № 4. - С. 10-14.

Reference

1. Ajdarov, I. P. Teoreticheskie i jeksperimental'nye issledovaniya vlagoperenosa pri vnu-tripochvennom i kapel'nom oroshenii [Tekst] / I. P. Ajdarov, A. A. Aleksashenko// Optimizaciya pro-cessov kompleksnogo meliorativnogo regulirovaniya: sb. nauch. tr. /MGMN. - M., 1985. - S. 3-12.

2. Aller, M. Jeffektivnyj potencial vody pri vysyhanii pochv [Tekst] / M. Aller // Ter-modinamika pochvennoj vlagi. - L.: Gidrometeoizdat, 1966. - S. 325-360.

3. Ahmedov, A. D. Raschet rasprostraneniya vlagi v pochve pri vnutripochvennom oroshenii [Tekst] /A. D. Ahmedov // Osnovy dostizheniya ustojchivogo razvitiya sel'skogo hozyajstva: materialy Mezhdunarodnoj nauchn.- prakt. konf., posvyaschennoj 60-letiyu obrazovaniya Volgogradskoj gosu-darstvennoj sel'skohozyajstvennoj akademii. - Volgograd, 2004. - S. 137 - 138.

4. Ahmedov, A. D. Optimizaciya osnovnyh parametrov sistem vnutripochvennogo orosheniya v usloviyah Nizhnego Povolzh'ya [Tekst] : monografiya /A. D. Ahmedov. - Volgograd: VGSXA, 2005. - 164 s.

5. Borovoj, E. P. Sistemy vnutripochvennogo orosheniya s goncharnymi uvlazhnitelyami [Tekst] /E. P. Borovoj, A. D. Ahmedov// Melioraciya i vodnoe hozyajstvo: materialy regional'noj nauchn.-prakt. konf. «Problemy i perspektivy razvitiya melioracii», posvyaschennoj 95-letiyu meliorativnogo obrazovaniya na Yuge Rossii /NGMA. - Novocherkassk, 2003. - Vyp. 2. - T. 1. - S. 74 - 77.

6. Vetrenko, E. A. Nauchno-jeksperimental'noe obosnovanie vnutripochvennogo orosheniya yablonevogo sada [Tekst] : avtoref. dis. ... kand. tehn. nauk: 06.01.02 / E. A. Vetrenko. - Volgograd, 2003. - 23 s.

7. Grigorov, M. S. Vnutripochvennoe oroshenie [Tekst] /M. S. Grigorov. - M.: Kolos, 1993. - 128 s.

8. Grigorov, M. S. Osnovnye principy rascheta i proektirovaniya sistem podpochvennogo orosheniya [Tekst] / M. S. Grigorov // Sovershenstvovanie konstrukcij orositel'nyh sistem i puti jeffek-tivnogo osvoeniya oroshaemyh zemel'. - Volgograd, 1981. - T. 66. - S. 3 - 10.

9. Novikov, A. E. Issledovanie poter' napora i ravnomernosti rasxoda zhidkostej v kapel'nyh truboprovodah [Tekst] / A. E. Novikov, M. I. Lamskova // Izvestiya Nizhnevolzhskogo agrouniversi-tetskogo kompleksa: nauka i vysshee professional'noe obrazovanie. - 2014. - № 2. - C. 203-209.

10. Ovchinnikov, A. S. Metodika rascheta i obosnovanie parametrov kontura uvlazhneniya v usloviyah otkrytogo i zakrytogo grunta [Tekst] / A. S. Ovchinnikov, V. S. Bocharnikov, M. P. Mesch-eryakov // Prirodoobustrojstvo. - 2012. - № 4. - S. 10-14.

E-mail: askar-5@mail.ru

УДК 631.316: 519.85

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ЧИЗЕЛЬ-КУЛЬТИВАТОРА С ЖЕСТКИМ И УПРУГИМ КРЕПЛЕНИЕМ РАБОЧИХ ОРГАНОВ К РАМЕ

EVALUATION OF THE EFFECTIVENESS OF CHISEL - CULTIVATOR WITH RIGID AND ELASTIC FASTENING OF THE WORKING BODIES TO THE FRAME

А.И. Ряднов, доктор сельскохозяйственных наук, профессор М.Т. Айтмуратов, кандидат технических наук, доцент

A.I. Ryadnov, M.T. Ajtmuratov

Волгоградский государственный аграрный университет Volgograd State Agrarian University

Представлены устройство и принцип работы шарнирно-упругого крепления стойки чизель-культиватора к раме. По результатам проведенных теоретических и экспериментальных исследований при упругом креплении рабочих органов к раме производительность машинно-тракторного агрегата (МТА) повышается на 15-18 %, расход топлива снижается на 10 %, по сравнению с жестким креплением. Улучшается качество обработки почвы. Но, вместе с тем, при упругом креплении увеличиваются такие показатели, как металлоемкость и сложность конструкции машины. Поэтому для оценки эффективности использования предлагаемой конструкции выбран метод ранжирования. Согласно методу, выбраны частные показатели эффективности использования МТА. Определены значения частных показателей эффективности использования и приведены к их безразмерному виду. Определены важность частных показателей эффективности использования МТА экспертным методом. Экспертиза проводилась группой из 8 специалистов в данной отрасли. Разность частных показателей эффективности находится в пределах от 0,058 до 0,223. Используя значения и важность частных показателей эффективности, надо рассчитать комплексные критерии эффективности использования чизель-культиватора с жесткими и упругими креплениями к раме. Расчеты показали, что более эффективным является МТА с упругими креплениями к раме.

The article presents the structure and principle of operation the hinge-the elastic mounting of the chisel - cultivator to the frame. By results of the conducted theoretical and experimental optical studies of elastic fastening of the working bodies to the frame of the performance of machine-tractor aggregate (MTA) increases-accounted for 15-18 %, fuel consumption reduced by 10 % compared with the hard mount. Improving the quality of the soil. But however elastic the FR-NII increases by indica-