CC BY
41
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 631.311.51
РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ДОЖДЕВАЛЬНОГО АГРЕГАТА С УЛУЧШЕННЫМИ АГРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПОКАЗАТЕЛЯМИ
CONSTRUCTION DEVELOPMENT OF A SPRINKLER UNIT WITH IMPROVED AGROTECHNOLOGICAL PERFORMANCE
1 2
С.Я. Семененко ' , доктор сельскохозяйственных наук В.Г. Абезин1'2'3, доктор технических наук, профессор В.Ф. Лобойко2' доктор сельскохозяйственных наук, профессор
S.Y. Semenenko1'2' V.G. Abezin1'2'3, V.F. Loboyko2
1 Поволжский научно-исследовательский институт эколого-мелиоративных технологий -филиал ФГБНУ «Федеральный научный центр агроэкологии, комплексныхмелиораций и защитного лесоразведения Российской академии наук»
2Волгоградский государственный аграрный университет
3Астраханский государственный университет
2Povolzhsky research institute of ecological and reclamation technologies - branch of FSBSI «Federal research centre agroecology, integrated reclamation and protective afforestation
of the russian academy of sciences», 2 Volgograd state agricultural university, 3Astrakhan state university
В представленных результатах теоретического научного исследования приводится новая конструкция дождевальной машины фронтального действия, предназначенная для полива сельскохозяйственных культур, в т.ч. высокостебельных и пропашных. Прототипом явилась дождевальная машина ДДА-100МА с забором воды из временного оросителя. Данный двух-консольный поливной агрегат работает как позиционно, так и в движении, забирая воду из временного оросителя, нарезанного в «полувыемке-полунасыпи». В течение оросительного периода происходит размыв стенок и заиление оросителя, что требует повторной нарезки, к тому же в оросительной воде всегда имеются взвешенные вещества, примеси различного происхождения, что существенно снижает надёжность работы как всего агрегата, так и отдельных его элементов (решётка всасывающего трубопровода, насос, дефлекторные насадки). Временная оросительная сеть, нарезаемая через каждые 100м, значительно снижает возможную площадь орошения, увеличивает потери оросительной воды на испарение с водной поверхности и фильтрацию с оросителей, что влияет на экологическую устойчивость орошаемых массивов. В предлагаемой конструкции открытый временный ороситель заменяется низконапорным закрытым трубопроводом, на котором через определённое расстояние устанавливаются гидранты. Полив в движении обеспечивается наличием приводного барабана для намотки шланга, подключаемого к гидранту. Сочетание использования закрытой оросительной сети с оригинальной конструкцией устройства позволит усилить преимущества дождевальной машины при использовании её на мелкоконтурных участках, на критических уклонах, а также при выращивании пропашных культур, отличающихся низкой ирригационной устойчивостью.
The presented results of theoretical research is a new design of the front steps of a sprinkler designed for irrigation of crops, including tall-and tilled. The prototype was the irrigation system dda-100ma with a fence of water from the sprinkler temporarily. This dual console irrigation unit operates as in a position and in motion, taking water from the sprinkler temporarily, cut into "a cut-and-fill." during the irrigation period there is erosion of the walls and silting of the sprinkler, which requires re-cutting, in addition to irrigation water are always suspended solids, impurities of various origins, which significantly reduces the reliability of a whole unit or its individual elements (grill of the suction pipe, pump nozzle deflection). Temporary irrigation network that were cut every 100 m, significantly reduces the potential irrigation area, increases the loss of irrigation water by evaporation from the water surface and filtering with sprinklers, which affects the environmental sustainability of irrigated are-
as. The proposed design of the open temporary replaced by low-pressure sprinkler closed pipeline, which after a certain distance set hydrants. Watering in the movement provided by the presence of the driving drum for winding the hose connected to the hydrant. The combination of the use of closed irrigation network with the original design of the device will enhance the benefits of a sprinkler using it on small contour sites on critical slopes, as well as the cultivation of row crops, different irrigation low resistance.
Ключевые слова: дождевание, дождевальный агрегат, напорный трубопровод, гидранты, водоподводящий шланг, приводной барабан.
Key words: irrigation, sprinkler unit, discharge pipe, hydrants, water-supply hose, drive drum.
Введение. Многолетний мировой и отечественный опыт показал, что орошение сельскохозяйственных земель является эффективным средством стабилизации сельскохозяйственного производства в нестабильных климатических условиях его ведения, особенно, в аридных территориях.
При проектировании оросительных систем способ и технику полива подбирают исходя из максимальной адаптации их характеристик к требованиям сельскохозяйственных культур, почвенным и топографическим условиям, а также к ресурсосберегающим и эколого-экономическим требованиям.
Значимость последних двух требований для сельхозтоваропроизводителей в настоящее время являются превалирующими. Именно сохранность водных, энергетических и почвенных (в виде плодородия) ресурсов может обеспечить конкур ентоспо-собность отечественной сельскохозяйственной продукции.
Это положение подтверждается данными, которые указывают на изменение структуры использования способов и техники полива. Если в 60 - 90-х годах XX века до 90-98 % орошаемых земель поливалось поверхностным способом и дождеванием, то в настоящее время, например в Волгоградской области, 96 % поливается дождеванием и капельным орошением (38,0 и 57,8 % соответственно).
Дождевание является более универсальным способом (по сравнению капельным орошением), позволяющим его использование для полива всех сельскохозяйственных культур путём создания искусственного дождя с диаметром капель 0,5-2,0 мм, увлажняющего приземный слой воздуха, надземную часть растений и поверхность почвы без образования луж и стока оросительной воды.
Введение частной собственности на землю, в т.ч. орошаемую, и разбивка полей, ранее поливаемых широкозахватными высокопроизводительными дождевальными машинами, на мелкоконтурные паи, привели к проблемам их использования, вплоть до прекращения орошения. В таких условиях необходимо применение мобильных дождевальных установок, типа ДДА-100МА, способных регулировать интенсивность дождевания в зависимости от требований почв и сельскохозяйственных культур, а организация водозабора из закрытого напорного трубопровода вместо открытой временной оросительной системы, обеспечит увеличение коэффициента земельного использования и ликвидацию потерь оросительной воды.
В представленном научном исследовании приводится новая конструкция дождевальной машины фронтального действия с гидравлическим расчётом водопроводящего пояса, обеспечивающая улучшенные эксплуатационные и экологические характеристики.
Результаты и обсуждение. На основании проведённого анализа патентных, теоретических и экспериментальных исследований нами разработана конструкция дождевального агрегата, который предотвращает попадание посторонних примесей в
оросительную воду и засорение дождевальных насадок, а так же обеспечивает заданные параметры интенсивности и структуры дождя.
Конструкция дождевального агрегата (рисунок 1) поясняется чертежами [4].
Дождевальный агрегат включает трактор 1, на котором с помощью навесной системы 2 установлена рама и ферма 3 дождевального агрегата. На навесной системе трактора 1 смонтирован приводной барабан 4 для намотки шланга 5, подключаемого к трубопроводу 6 закрытой оросительной сети с помощью гидранта 7. На навесной системе 8 закреплены опорные подшипники 9 приводного барабана 4. Нижняя часть фермы 3 выполнена из водопроводящих трубопроводов, на которых установлены дождевальные насадки. Подвод воды к водопроводящему трубопроводу выполнен с помощью патрубков 10 и мягких шлангов 11, 12 высокого давления. На ступице приводного барабана 4 намотан полиэтиленовый шланг 13. Приводной барабан 4 установлен на подшипниках 14 качения. Для привода барабана 4 при сматывании шланга 13 предусмотрена шестерня 15, привод которой выполнен от редуктора 16, соединённого с валом отбора мощности трактора. В ступице приводного барабана 4 установлен делитель потока 17, оснащённый сальниковыми уплотнениями 18, которые зафиксированы в гнёздах делителя потока 17 гайками 19.
Дождевальный агрегат работает следующим образом. В начале орошаемого участка водоподводящий шланг 5 подключается к гидранту 7 трубопровода 6 закрытой оросительной сети и включается подача воды. Трактор 1 начинает движение вдоль трубопровода 6 закрытой оросительной сети по технологической дороге. Скорость движения трактора 1 выбирается в зависимости от необходимого режима орошения. Перед началом движения приводной барабан 4 опускается на поверхность почвы, что обеспечивает его зацепление и вращение барабана, при этом скорость движения шланга 5 соответствует скорости перемещения трактора 1.
***** ИЗВЕСТИЯ ***** № 1 (45) 2017
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
А-А
в) г)
Рисунок 1 - Модернизированный дождевальный агрегат а - схема дождевального агрегата, вид сзади; б - схема навески приводного барабана, вид сбоку; в - схема навески приводного барабана с коммуникациями, водоподводящего трубопровода, вид сзади; г - сечение А-А на рис. 1а.
1 - трактор; 2 - навесная система; 3 - ферма; 4 - приводной барабан;
5 - шланг; 6 - закрытый трубопровод оросительной сети; 7 - гидрант; 8 - навесная система; 9 - опорные подшипники; 10 - патрубки; 11, 12 - шланги высокого давления; 13 - полиэтиленовый шланг; 14 - подшипники качения; 15 - шестерня;
16 - редуктор; 17 - делитель потока; 18 - сальниковое уплотнение; 19 - гайки
Вода, поступающая по шлангу 5 от трубопровода 6, перемещается по виткам 13 шланга и подаётся на делитель потока 17, который обеспечивает распределение воды по двум направлениям на крылья фермы 3, из которых через дождевальные насадки вода поступает на орошение сельскохозяйственных культур. Как только длина шланга 5 заканчивается, тракторист останавливает дождевальный агрегат, шланг 5 отключается от гидранта 7. Барабан 4 с помощью навесной системы 8 приподнимается, при этом шестерня 15 входит в зацепление с шестернёй редуктора 16. Включается вал отбора мощности, и шланг 5 наматывается на барабан 4 до совмещения конца шланга 5 с ближайшим гидрантом.
Далее все операции повторяются.
Использование данной конструкции дождевального агрегата обеспечивает повышение надёжности его работы, улучшение экологической обстановки на оросительной системе и снижение потерь оросительной воды в земляном русле канала.
Определение параметров дождевального агрегата требует проведения гидравлических расчётов. По требованию заказчиков дождевальный агрегат поставляется с де-флекторными насадками на расход воды 100... 130 л/с.
Исходя из заданного расхода, определяется необходимый напор в подводящем трубопроводе 6 [1, 3, 6, 9, 10].
Потери напора в коммуникациях дождевального агрегата включают потери по длине и местные потери.
1. Потери напора при ответвлении (на гидранте) [6]:
ИЗВЕСТИЯ ***** № 1445), 2017
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
V2
Лг = 2 — 2д
2. Скорость потока V в данном сечении определяется из уравнения расхода:
Q=юV;
С 4 • 100 127,39 0,127
Потери напора на гидранте:
3,175
Лг = 2-= 0,32м
г 2 • 9,81
3. Потери напора в шланге 5 по формуле Дарси-Вейсбаха:
гк2
I = Л, = Я—, [61,
где 1 - гидравлический уклон.
Для пластмассовых труб коэффициент трения по длине может быть определён по формуле:
0,25
1 _ _
Л = йе0'226
где Ке = —— число Рейнольдса; V - кинематический коэффициент вязкости, V = 1,3• 10-6 м2/с.
Подставка значения кинематического коэффициента вязкости позволяет определить величину удельного сопротивления:
_ I _ 0,00111
^2 _ ^0,226^5,226
[10].
Согласно таблицы 8 [11] удельное сопротивление А=0,00324, а с введением поправочного коэффициента к = 0,78 приведённого в таблице 9 [11] А = 0,00324 • 0,78 = 0,000253.
Потери напора по длине пластмассового трубопровода 5:
Лг = Л/^2 = 0,000253 • 100 • 0,12 = 0,00253м.
4. Потери напора на выходе из шланга 5 по формуле Дарси [6]:
V2 _ 3,1752
= 1,5 2 • 9,81
5. Потери напора в консолях фермы по длине:
Лгк =
где А - удельное сопротивление для новых стальных труб при условном проходе 90мм, А = 0,0036 (таблица 4) [11].
Лгк = 0,00036 • 100 • 0,052 = 0,00009м.
6. Потери напора на входах в дождевальные насадки:
К2
Лш = <вых^- = 1,5 ' по, = 0,77м.
Л = —
""НВХ т ■
Скорость движения воды через насадку определится из уравнения Q=юV:
ИЗВЕСТИЯ*
№ 1 (45), 2017
Q 4Q
V = — = ——,
ш пйН
где ён - диаметр отверстия насадки ^н=15мм).
Расход через насадку 50 л/с/25=2 л/с [7]:
4 • 2
V =
= 0,113м/с.
3,14 • 0,152
В одной консоли установлено 25 насадок, поэтому суммарные потери составят:
ЕЬнм = 0,0013 • 25 = 0,0325 м.
Для образования дождевых капель напор в дефлекторных насадках должен быть 0,3.. .0,2 МПа. С учётом всех потерь напор в подводящем трубопроводе 6 определится как сумма всех потерь:
ЕЬд.а = 0,2+0,000253+0,77+0,00009+0,0325+30=31,123 м.
Двухконсольная ферма предназначена для распределения воды с помощью ко-роткоструйных дефлекторных насадок по всей ширине захвата дождевальной машины. Ферма состоит из центральной панели и двух симметричных консолей. Консоль от центральной до 5-й панели представляет собой трёхпоясную пространственную конструкцию с одним верхним и двумя нижними поясами. 5-я панель переходная, а концевая часть консоли выполнена в виде винтовой подвески.
Поперечное сечение консолей до 5-й панели - равносторонний треугольник с вершиной вверх, размеры сторон которого уменьшаются с удалением от центральной панели. На консолях установлено необходимое количество короткоструйных насадок, а на концевых панелях 2 среднеструйные насадки.
Такая расстановка дождевальных насадок обеспечивает относительно равномерное распределение дождевых капель по ширине захвата агрегата. Для уменьшения массы фермы необходимо использовать трубопроводы переменного сечения, имеющие равномерно распределённый расход по длине с соблюдением постоянной скорости движения жидкости.
Размещение насадок приведено в таблице
Номер панели 0=130л/с
Диаметр насадки, мм Количество на машину
концевая 22 2
I 14 4
II 14 4
III 13 4
IV 13 4
V 13 4
VI 13 4
VII 12 4
VIII 12 4
IX 12 4
X 12 4
XI 12 4
XII 12 4
XIII 12 4
Одна из важнейших характеристик искусственного дождя - его интенсивность -это скорость приращения слоя осадков в предположении, что вода, вытекающая из
насадки, одновременно и равномерно распределяется по всей площади, орошаемой насадкой с данной позиции. В этом случае средняя интенсивность есть частное от деления расхода насадки на площадь орошаемую с одной позиции.
Средняя интенсивность определяется как приращение слоя осадков в единицу времени, т.е. скорость приращения слоя осадков:
h
"-ср
-ср=—
где Ьср - высота слоя осадков; t - время, за которое выпал слой осадков.
Агротехническими требованиями на дождевальные машины устанавливается среднеобъёмный диаметр капли. Однако для почвы и растений имеет значение, прежде всего механическое воздействие при падении или сила удара падающей капли. Сила удара капли о почву из уравнения количества движения
St = mV
где S - сила удара капли; t - время, в течение которого длится удар; m - масса капли; V - скорость падения капли.
Если удар капли о почву является неупругим, время t может быть выражено зависимостью :
dk c = fcf'
где k - коэффициент пропорциональности, характеризующий степень деформации капли, при которой частицы воды изменят направление движения и воздействие их на почву прекратится (k= 1/2 [5]).
В этом случае сила удара будет пропорциональной квадрату диаметра и квадрату скорости падения капли:
6 к К
где р1 - плотность жидкости.
При упругом ударе капли о почву время t выразится так:
2 dk t = —, V '
где Vs - скорость распространения упругих волн в капле, т.е. скорость распространения звука в воде. В этом случае
^V п о
S = -1-JLv2d2k.
Это уравнение подтверждено экспериментально.
Анализ уравнения показывает, что сила удара капли о почву будет тем больше, чем больше скорость падения капли V и её диаметр dk. Снижение силы удара капли о почву и разрушения её структуры требует уменьшения этих величин. Это может быть достигнуто совершенствованием конструкции дождевального насадка.
К недостаткам дождевальных насадков, которыми укомплектован штатный дождевальный агрегат, относятся - высокая интенсивность дождя (уже при средней поливной норме, приводящая к образованию луж и стока), использование временных оросителей, вызывающих подтопление и засоление территории, большая крупность капель, вызывающая повреждение растений и ухудшающая структуру почвы.
Заключение. На основании вышеизложенного возникает необходимость в разработанную конструкцию дождевальные насадки агрегата установить дождевальные аппараты, обеспечивающие высокое качество дождя.
Результаты исследований по совершенствованию конструкции дождевального насадка будут приведены в следующей публикации.
Библиографический список
1. Агроскин, И.И. Гидравлика [Текст] : учебник для ин-тов / И.И. Агрос-кин, Г.Т. Дмитриев, Ф.И. Пикалов. - М.-Л., Энергия, 1964. - 352 с.
2. Альтшуль, А.Д. Гидравлическое сопротивление [Текст] / А.Д. Альтшуль. - М.: «Недра», 1970.
3. Богомолов А.И. Гидравлика [Текст] : учебник для гидротехн. специальностей вузов / А. И. Богомолов, К. А. Михайлович. - М.: Стройиздат, 1972. - 648 с.
4. Дождевальный агрегат [Текст]: патент 2409936 Российская Федерация С1 МПК А0Ш 25/09 / В.Г. Абезин / заявл. 16.10.2009, опуб. 27.01.2011. Бюл. №3.
5. Исаев, А.П. Гидравлика дождевальных машин [Текст] / А. П. Исаев. -М.: «Машиностроение», 1973. - 214 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. Мелиорация и водное хозяйство. Том 6. Орошение [Текст] : справочник / Под ред. Б.Б. Шумакова. - М.: Агропромиздат, 1990. - 415 с. : ил.
9. Сапунков А.П. Механизация полива [Текст] : учебное пособие / А. П. Сапунков. - М.: Агропромиздат, 1987. - 336 с.
10. Шевелёв Ф.А. Таблицы для гидравлического расчёта водопроводных труб [Текст] : справочное пособие / Ф. А. Шевелёв, А. Ф. Шевелёв. - 16-е изд. доп. и перераб. - М. : Стройиздат, 1984. - 116 с.
11. Perrot H. Faustrahlen fürder Bereqnungs Praktikez in Landwirtschaft und Gartenbau. Calw, 116 s.
Reference
1. Agroskin, I. I. Gidravlika [Tekst] : uchebnik dlya in-tov / I. I. Agroskin, G. T. Dmitriev, F. I. Pikalov. - M. - L., }nergiya, 1964. - 352 s.
2. Al'tshul', A. D. Gidravlicheskoe soprotivlenie [Tekst] / A. D. Al'tshul'. - M.: "Nedra", 1970.
3. Bogomolov A. I. Gidravlika [Tekst] : uchebnik dlya gidrotehn. special'nostej vuzov /
A. I. Bogomolov, K. A. Mihajlovich. - M.: Strojizdat, 1972. - 648 s.
4. Dozhdeval'nyj agregat [Tekst]: patent 2409936 Rossijskaya Federaciya S1 MPK A01G 25/09 / V. G. Abezin / zayavl. 16.10.2009, opub. 27.01.2011. Byul. №3.
5. Isaev, A. P. Gidravlika dozhdeval'nyh mashin [Tekst] / A. P. Isaev. - M.: "Mashi-nostroenie", 1973. - 214 s.
6. Kiseljov, P. G. Spravochnik po gidravlicheskim raschjotam [Tekst] / Pod red. P. G. Kisel-jova. - 5-e izd. - M.: "}nergiya",1974. - 312 s. : il.
7. Lebedev, B. M. Dozhdeval'nye mashiny [Tekst] / B. M. Lebedev. - Izd. 2-e, pererab. i dop. - M.: "Mashinostroenie", 1977. - 244 s.
8. Melioraciya i vodnoe hozyajstvo. Tom 6. Oroshenie [Tekst] : spravochnik / Pod red.
B. B. Shumakova. - M.: Agropromizdat, 1990. - 415 s. : il.
9. Sapunkov A. P. Mehanizaciya poliva [Tekst] : uchebnoe posobie / A. P. Sapunkov. - M. : Agropromizdat, 1987. - 336 s.
10. Sheveljov F. A. Tablicy dlya gidravlicheskogo raschjota vodoprovodnyh trub [Tekst] : spravochnoe posobie / F. A. Sheveljov, A. F. Sheveljov. - 16-e izd. dop. i pererab. - M. : Strojizdat, 1984. - 116 s.
11. Perrot H. Faustrahlen f?rder Bereqnungs Praktikez in Landwirtschaft und Gartenbau. Calw, 116 s.
E-mail: pniiemt@yandex.ru
