Разработка и обоснование конструкции дождевателя для мобильных дождевальных машин Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

АГРОПРОМЫШЛЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ

УДК 631.674.5

РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ДОЖДЕВАТЕЛЯ ДЛЯ МОБИЛЬНЫХ ДОЖДЕВАЛЬНЫХ МАШИН

В.Г. Абезин, доктор технических наук, профессор С.Я. Семененко, доктор сельскохозяйственных наук, профессор Д.В. Скрипкин, кандидат технических наук, доцент А.Г. Беспалов, аспирант

Волгоградский государственный аграрный университет

Приведён анализ известных конструкций дождевателей, на основании которого разработана конструкция дождевателя, обеспечивающего выполнение необходимых агротребований на орошении, представлены результаты теоретических исследований.

Ключевые слова, дождевание, мелкодисперсное, распыливание, секторные, интенсивность, слой осадков, равномерность полива, капли.

Орошение сельскохозяйственных культур дождеванием является одним из самых перспективных направлений оросительных сельскохозяйственных мелиора-ций. При орошении дождеванием применяют дождевальные машины и установки, которые делятся на стационарные, машины и агрегаты, работающие в движении, и позиционные [3]. К достоинствам дождевания относятся равномерность полива, увлажнение приземного слоя воздуха, экономия оросительной воды, возможность орошения малыми дозами.

Наибольшее распространение получили многоопорные дождевальные машины фронтального и кругового действия. Фронтальные машины ДКШ-64 и ДФ-120 «Днепр» позиционные, оборудованы среднеструйными дождевальными аппаратами кругового действия, которые производят полив как впереди направления движения, так и сзади, что значительно увеличивает орошаемую площадь каждой позиции.

Однако при перемещении машины на следующую позицию опорные колёса опираются на увлажнённую поверхность, что приводит к образованию колеи и вызывает повышенное сопротивление перемещению машины на новую позицию. Данный недостаток может быть устранён при применении дождевальных аппаратов секторного полива, которые обеспечивают орошение только сзади машины [1, 2].

Данные дождевальные аппараты обеспечивают высококачественное орошение за дождевальной машиной, но при этом величина орошаемой площади с одной позиции уменьшается, что снижает производительность машины.

Наиболее приемлемой конструкцией, которая может использоваться на дождевальных машинах, работающих в движении, является разработанная нами конструкция секторного дождевателя (рис. 1), который включает подводящую трубу 1, соединяющую дождеватель с напорным трубопроводом дождевальной машины. К подводящей трубе 1, установленной под углом к горизонтальной плоскости, с помощью резьбы 2 закреплена крышка 3, выполненная в виде сектора окружности с коническим сужением к периферийной части. Во внутренней полости крышки в её узкой части выполнены полусферические выемки 4 с водовыпускными отверстиями 5. С наружной стороны крышки 3 выполнены резьбовые отверстия 6, в которых закреплены конические распылители 7 со спиральными направляющими 8 во внутренней полости.

Резьбовые отверстия 6 размещены на торцовой поверхности 9 под углом 25°...30°, друг относительно друга на дуге. Полусферические выемки 4 во внутренней полости крышки 3 размещены по дуге окружности и образуют сопряженные входные кромки 10. Диаметр водовыпускных отверстий 5 меньше внутреннего диаметра конических распылителей 7 для возможности фиксации спиральных направляющих 8.

Рисунок 1 - Секторный дождеватель: 1 - подводящая труба; 2 - резьба; 3 - крышка; 4 - выемки;

5 - водовыпускные отверстия; 6 - резьбовые отверстия; 7 - распылители;

8 - направляющие; 9 - торцовая поверхность; 10 - входные кромки

Секторный дождеватель работает следующим образом. На дождевальной машине секторный дождеватель устанавливается под углом 20°...30° к горизонтальной плоскости. При подаче воды под заданным напором в подводящей трубе 1 поток воды расширяется в горизонтальной плоскости и сужается в вертикальной, что вызывает турбулентность движения воды. Во внутренней полости крышки 3 поток воды разделяется сопряжёнными входными кромками 10 и направляется в водовыпускные отверстия 5, гидравлически соединённые с внутренней полостью конических распылителей 7. Потоки взаимодействуют со спиральными направляющими, приобретают вращательное движение и выбрасываются в атмосферу. При вращательном движении потока структура воды изменяется, повышается её биологическая активность, что положительно влияет на повышение урожайности сельскохозяйственных культур [4]. В атмосфере вращающийся поток разрушается на мелкодисперсные капли и обеспечивает равномерное увлажнение орошаемой территории. Использование секторного дождевателя повышает производительность, урожайность и снижает число проходов машин по полю. Снижение гидравлических сопротивлений повышает коэффициент полезного действия. Поток воды, вытекающий из конических распылителей 7 начинает распадаться на капли вблизи сопла [5], что установлено экспериментально. Жидкость, протекающая через распылители 7, обладает моментом количества движения относительно оси сопла, что вызывает образование воздушного вихря, обеспечивает повышенный коэффициент расхода и большой угол факела.

Рисунок 2 - Анализ скоростей течения воды в полости конических распылителей

Если разложить скорость течения V в распылителе 7 на тангенциальную Уи и радиальную Ут составляющие и выделить элемент жидкости ёт длиной ё1 и шириной ёа (рис. 2), получим элемент массой [5]

йт = р8й I й а, (1)

где р - плотность жидкости; 5 - высота элемента.

Момент количества движения этого элемента

М = г Ци й т. (2)

На боковую поверхность элемента, соприкасающуюся со стенками внутренней полости распылителя 7, действует сила трения

йF = тп • 2 йI • йа, (3)

где тп- напряжение трения на стенке, выражающееся через коэффициент трения А и скорост-

ной напор

ру2

(4)

Момент силы трения N = —рVЦигйI • йа, (5)

4

а изменение момента количества движения равно моменту внешней силы

йМ _ йМ йг _ ^ , „

а с = йг а ' ()

Подставляя полученные значения в уравнения 2, 5, получим при условии, что

й ™ = (7)

Момент количества движения единицы объёма жидкости (жидкость несжимаема) обозначим:

М = рг V,. (8)

Из уравнения неразрывности

О = ю¥, (9)

где ю - площадь живого сечения потока определим радиальную скорость.

Цт = (10)

__т 2пг8 у '

Так как

+ то, подставив значения скоростей, получим дифференциальное уравнение, определяющее изменение момента количества движения в распылителях 7 при течении воды.

—^= = —йг (11)

мШ+т 2р ай'' ()

где (12)

Интегрируя левую часть уравнения (11) в пределах от М0 до М, а правую в пределах от йдо г0,находим:

М( в + ^М02+ в2 ) _ А

= й-Го). (13)

Решение этого уравнения относительно М дает

М =-, (14)

с н ^+5 н

где £ = А(Я-го). (15)

Анализ уравнения (14) показывает, что под действием сил трения момент количества движения по мере приближения к соплу уменьшается.

Так как начальный момент количества движения (при входе в конические распылители)

Мо = р^й = рт, (16)

"'вх

то уравнение (14) примет вид:

М =-(17)

с н ^ - 5 н ^ I 1 6— + 1

гг я й~го о й

ГДе ^ = В ' В = Г"

° ' вх ' вх

Формула (17) может быть упрощена, если разложить 5 Л^ и с Л^в ряд и отбросить все члены, кроме первого, т.е.

В этом случае М = 1+^50 + 1. (18)

В случае если - > 1 , можно пренебречь единицей, по сравнению с 1 6-, и формула (18) примет вид

м,

М=1#4 (19)

Ошибка при этом не превышает 1 %. Трение воды о стенки внутренней полости конических распылителей 7 вызывает потери энергии.

На элемент жидкости С т (рис. 2) действует сила С/пр. Работа этой силы на пути будет:

сМ = й^р ' й5 . (20)

Потери энергии для единицы объёма жидкости

. (21)

Если выразить С 5 через Сг, то

С 5 = - — Сг . (22)

Ут

Подставив значение из уравнения (10), получим дифференциальное уравнение для определения потерь энергии в коническом распылителе

= 3 г Сг . (23)

При интегрировании этого уравнения пренебрежем величиной , по сравнению с , т.е. предположим, что . Текущее значение:

К = „г У, втм ■ (24)

1+2(»2-!

После подстановки в уравнение (23) получим:

аЕ Я2 П2 ' гКг-X)3' ( )

где Л = (26)

Полная потеря энергии в коническом распылители (7)

д Е=1Р01гг0^_ . (27)

Я2 п2 ^ г2 (г - X)3 V '

Применив полученные формулы к расчёту коэффициента расхода и угла факела при протекании воды через распылитель, определим коэффициент расхода:

^ = ¡лэ\ ' (28)

-у/1 + <Р <Р2

где А э = -; А = (29)

1 +\(В2+А) гвх 4 У

р - коэффициент скорости истечения, относительная величина потерь кинетической энергии.

Используя принцип максимального расхода, справедливого для вязкой жидко-(1 - <р)У2

сти, получим А э = (30)

При Д = 0 то л =

(31)

+-1

Угол факела tg - =

1 -<р <р2 а 2„А

2 ^(l+S)2-4ß2A23

Анализ разработанных конструкций и результаты теоретических исследований позволяют сделать следующие выводы:

1. Использование спирального завихрителя потока незначительно увеличивает гидравлические сопротивления.

2. Разработанная конструкция секторного дождевателя увеличивает его коэффициент расхода.

3. Секторный дождеватель обеспечивает получение мелкодисперсного дождевания и повышает качество полива.

4. Увеличение угла распыла позволяет повысить ширину захвата дождевателя и производительность дождевальной машины.

Библиографический список

1. Дождеватель-активатор секторного полива [Текст]: патент 25257669 С2 Российская Федерация A01G 25/02,B05B 1/08, B05B 3/04/В.Г. Абезин, С.Я. Семененко, С.С. Марченко / заявл. 31.07.2012, опуб. 20.08.2014. Бюл.№23.

2. Многоствольный дождевальный аппарат [Текст]: патент 2514357 С1 Российская Федерация А016 25/02, A01G 25/09 /В.Г. Абезин, С.Я. Семененко, С.С. Марченко, А.Г. Беспалов, А.В. Харлашин//заявл. 22.11.2012, опуб. 27.04.2014. Бюл. №12.

3. Мелиорация и водное хозяйство. Орошение [Текст]: справочник /Под ред. Б.Б.Шумакова. - М.: Колос, 1999. - 432 с.:ил.

4. Моханди, Р. Лечебная сила воды. Секреты индийских мудрецов [Текст] / Р. Мо-ханди. - Спб. : Питер, 2006. - 128 с. : ил.

5. Распыливание жидкостей [Текст]/ В.А. Бородин, Ю.Ф. Дитякин, Л.А. Клячко, В.И. Ягаднин. - М.: «Машиностроение» 1967. - 263 с.:ил.

E-mail: [email protected]