CC BY
6
Вестник аграрной науки Дона. 2021. № 4 (56). С. 33-38. Don agrarian science bulletin. 2021; 4 (56): 33-38.
Научная статья УДК 631.4
РАЗРАБОТКА СИСТЕМНОГО РАСПЫЛИТЕЛЯ, ПРЕДНАЗНАЧЕННОГО ДЛЯ РАВНОМЕРНОГО УВЛАЖНЕНИЯ ПОЧВЕННОГО КАНАЛА
Денис Николаевич Игошин1, Алексей Анатольевич Васильев1
1 Нижегородский государственный инженерно-экономический университет, г. Княгинино, Россия, npo_ngiei@mail.ru
Аннотация. Проблема исследования малогабаритных сельскохозяйственных машин возникла из-за нехватки необходимых оборудованных исследовательских лабораторий. Предложенный почвенный канал, который строится на территории Института транспорта, сервиса и туризма Нижегородского государственного инженерно-экономического университета, оборудован: необходимым оборудованием, как измерительным, так и проектировочным, системным распылителем (для равномерного увлажнения канала), системой автоматизированного перемещения крепежного элемента передвижного испытательного комплекса. Рабочие органы по увлажнению, взрыхлению и автоматизированному перемещению установлены на передвижной многофункциональной тележке, которая перемещается путем гибкого троса, электродвигателя, редуктора и частотного преобразователя. Данная лаборатория позволит производить как разработку рабочих органов и приспособлений, так и их исследование. В частности, можно производить замеры тягового сопротивления, профиля образуемой борозды при таких изменяемых параметрах, как влажность, пористость почвы и т.д. В статье описаны устройство и принцип работы системного распылителя, предназначенного для равномерного увлажнения канала. Устройство, состоящее из трубы, в которой пружина и форсунки в равномерной степени увлажняет почвенный канал по всей ширине, что обеспечивает точность и уменьшит погрешность измерений при проведении исследований. В статье описывается процесс исследования степени увлажнения почвы в различных слоях почвенного канала, произведен анализ полученных результатов. Спроектирована виртуальная модель системного распылителя. Описаны города, ближайшие от месторасположения канала, в которых есть похожие лаборатории, описана цель исследования, в методике исследования описаны опыты по увлажнению почвы в различных слоях почвенного канала и разработка системного распылителя, предназначенного для равномерного увлажнения канала.
Ключевые слова: системный распылитель, виртуальная модель, проект, напор, форсунки
Для цитирования: Игошин Д.Н., Васильев А.А. Разработка системного распылителя, предназначенного для равномерного увлажнения почвенного канала // Вестник аграрной науки Дона. 2021. № 4 (56). С. 33-38.
Original article
DEVELOPMENT OF A SYSTEM SPRAYER DESIGNED FOR UNIFORM MOISTENING OF THE SOIL CHANNEL Denis Nikolaevich Igoshin1, Alexey Anatolyevich Vasiliev1
1Nizhny Novgorod State University of Engineering and Economics, Knyaginino, Russia, npo_ngiei@mail.ru
Abstract. The problem of researching small-sized agricultural machines arose due to the lack of necessary, equipped research laboratories. The proposed soil channel, which is being built on the territory of the Institute of Transport, Service and Tourism of the Nizhny Novgorod State University of Engineering and Economics, is equipped with: the necessary equipment, both measuring and design, a system sprayer (for uniform humidification of the channel), a system for automated movement of the fastener of a mobile test complex. The working bodies for humidification, loosening and automated movement are installed on a mobile, multifunctional trolley, which is moved by a flexible cable, an electric motor, a gearbox and a frequency converter. This laboratory will allow both the development of working bodies and devices, and their research. In particular, it is possible to measure the traction resistance, the profile of the furrow formed with such variable parameters as humidity, soil porosity, etc. In the article it is described the device and the principle of operation of a system sprayer designed for uniform humidification of the channel. A device consisting of a pipe in which a spring and nozzles evenly moisten the soil channel along the entire width, which ensures accuracy and reduces the measurement error during research. In the article it is described the process of studying the degree of soil moisture in various layers of the soil channel. The cities closest to the location of the canal are described, in which there are similar laboratories, the purpose of the study is described, the research methodology describes experiments on soil moistening in various layers of the soil channel and the development of a system sprayer designed to evenly moisten the canal.
Keywords: system sprayer, virtual model, project, pressure, nozzles
For citation: Igoshin D.N., Vasiliev A.A. Development of a system sprayer designed for uniform moistening of the soil channel. Vestnik agrarnoy nauki Dona = Don agrarian science bulletin. 2021; 4 (56): 33-38. (In Russ.)
© Игошин Д.Н., Васильев А.А., 2021
Введение. Процесс исследования почвы в различных слоях почвенного канала и разработка системного распылителя, предназначенного для равномерного увлажнения канала, производились на базе Института транспорта, сервиса и туризма Нижегородского государственного инженерно-экономического университета. Подобные каналы находятся в таких городах, как Казань, Саранск, Волгоград. В Нижегородской области и соседних Чувашской Республике, Республике Марий Эл подобных каналов нет. Описанный системный распылитель - это один из предложенных пунктов новизны, отличающих наш почвенный канал от существующих.
Целью исследований в работе является стандартное исследование и определение влажности почвы в канале, анализ полученных результатов, а также разработка проекта и виртуальной модели системного распылителя, предназначенного для равномерного увлажнения канала.
Методика исследований. Исследование степени увлажнения почвы в различных слоях почвенного канала.
Процесс измерения влажности почвы в канале производился при помощи измерительного инструмента - влагомера Delta-T Devices
LTD. Забор проб происходил в трехкратной последовательности через каждые 1000 миллиметров по всей длине канала (общая длина составляет 15 метров). С целью получения наиболее точных результатов исследования осуществляли цикличность увлажнения почвы, заборы проб производили также в одно и то же время относительно увлажнения [1, 7, 8, 9].
Исследование производилось по существующим методикам. Полученные пробы после взвешивания отправлялись в сушильный шкаф на семь часов, где поддерживалась температура в 105 °С. По истечении процесса высушивания производилось повторное взвешивание [2, 6].
Определение влажности в пробах осуществлялось по выражению
(1)
W = • 100 %,
тс~тб
где тв - масса бюкса с почвой до высушивания, кг;
тс - масса бюкса с почвой после высушивания, кг;
тб - масса бюкса без почвы, кг;
W - содержание влаги в процентах от массы сухой почвы, %.
Полученные данные влажности почвы в пробах после подсчета приведены в таблице.
Данные влажности почвы в пробах, % Data of soil moisture in samples, %
Влага, л/м2 Moisture, l/m2 Глубина, мм Depth, mm
20 50 70 100
6 181 144 101 89
8 197 158 112 97
10 229 197 164 120
12 252 215 190 162
14 280 263 237 191
Данные таблицы отражены в диаграмме на рисунке 1. Уровень увлажнения почвы, который зависел от количества воды на один квадратный метр (6 л/м2, 8 л/м2, 10 л/м2, 12 л/м2, 14 л/м2), замерялся на определенной глубине в пяти точках почвенного канала (глубины: 20 мм, 50 мм, 70 мм, 100 мм). Из-за большого объема данных на диаграмме и в таблице представлены систематизированные и основные данные.
Из анализа данной диаграммы можно сказать, что наибольшая влажность в пробах наблюдалась при увлажнении почвы 14 л/м2 на глубине 20 мм и составила 280%. Наименьшая
степень насыщения влагой почвы была при распылении 6 л/м2 жидкости на глубине 100 мм. В целом отмечается стабильная закономерность увеличения степени насыщения влагой при увеличении количества вносимой жидкости и глубины забора проб, однако на рисунке 1 отчетливо видно, что при увлажнении почвы 6 и 8 л/м2 на глубине от 70 до 100 мм эти показатели практически одинаковы. При 6 л/м2 и глубине 70 и 100 мм значения варьируются от 101 до 89%, при 8 л/м2 на той же глубине они составляют 112 и 97% соответственно.
увлажнение 6 л/м2 moisture 6 l/m2
увлажнение 14 л/м2 moisture14 l/m2
увлажнение 8 л/м2 moisture 8 l/m2
Рисунок 1 - Степень увлажнения почвы в различных слоях почвенного канала Figure 1 - The degree of soil moisture in different layers of the soil channel
Разработка системного распылителя, предназначенного для равномерного увлажнения канала.
Были разработаны проект и виртуальная модель системного распылителя, который представлен на рисунке 2 [3, 4, 10].
жидкость
1 - винт соединительный; 2 - переходная втулка; 3 - материалопровод; 4 - наружная труба; 5 - внутренняя труба; 6 - пружина; 7 - торцевая шайба; 8 - воздухопровод; 9 - приводной стержень; 10 - стержень центрующий Рисунок 2 - Разработанный проект системного распылителя
1 - connecting screw; 2 - adapter sleeve; 3 - material pipe; 4 - outer tube; 5 - inner tube; 6 - spring; 7 - end washer;
8 - air duct; 9 - drive rod; 10 - centering rod Figure 2 - Designed systems pray
Жидкость поступает в полость (рису- внутренней трубки 5. При выходе из полости нок 2), находящуюся между внутренней 5 и сжатый воздух начинает контактировать с жид-наружной 4 трубками, а воздух - в полость костью, в результате взаимодействия образует-
ся газодисперсная среда, которая равномерно и качественно по ширине захвата распыляется в канал. Качество распыла газодисперсной среды обеспечивается созданием разряжения в зоне взаимодействия сжатого воздуха с жидкостью. Равномерность распределения воды по ширине захвата системного распылителя достигается за счет гидростатического давления, создаваемого вращением пружины 6, находящейся в полости между внутренней 5 и наружной 4 трубками, и через промежуточную втулку 2 приводного стержня 9, жестко соединённого со звездочкой [3, 5].
Вращением пружины 6 также создаются условия для предотвращения забивания выходных отверстий наружной трубки 8 инородными включениями, содержащимися в жидкости.
Результаты исследований и их обсуждение. Общий вид разработанного систем-
ного распылителя представлен на рисунке 3. Он состоит из самого распылителя, с пружиной для равномерного распределения жидкости в выходные отверстия и входами для воздуха и воды, крепежных элементов и балки упора, для жёсткой фиксации конструкции к передвижному испытательному комплексу. Диаметр распылителя составляет 60 мм, длина 1200 мм. Расположение конструкции осуществлялось относительно передвижного комплекса на расстоянии 600 мм и высоте 400 мм относительно почвы канала. Входные отверстия для жидкости и сжатого воздуха имеют размеры 30 мм для жидкости и 20 мм для воздуха соответственно. Подача равномерного и заданного объема жидкости осуществляется стационарным насосом. Подача сжатого воздуха, необходимого давления осуществляется компрессором.
Рисунок 3 - Виртуальная модель разработанного системного распылителя (общий вид - разрез сзади) Figure 3 - A virtual model of the developed system nebulizer (general view - back section)
На рисунке 3 показан разрез распылителя в продольном направлении для наглядного отображения расположения регулирующий пружины относительно жидкостного и воздушного корпусов. Диаметр пружины составляет 5 мм, 10 витков с шагом 120 мм. Вращение пружины регулируется скоростью перемещения испытуемого комплекса.
На поперечном разрезе (рисунок 4) можно увидеть отверстия под выход жидкости (в количестве 9 штук), диаметр которых составляет 7 мм. Данные отверстия сквозные и перпендикулярно направленные относительно оси распылителя, что беспрепятственно позволяет сжатому воздуху распылять жидкость в канале не прямотоком, а с эффектом разброса, для покрытия всей ширины почвенного канала.
%f
Рисунок 4 - Виртуальная модель разработанного системного распылителя (поперечный разрез) Figure 4 - Virtual model of the developed system nebulizer (cross section)
Для равномерного распределения воды по всей ширине захвата системного распылителя был обеспечен постоянный и одинаковый расход жидкости из каждого отверстия.
<?отБ = ^0ТВЛ/2qH„ (2)
где у - коэффициент расхода;
шотв - площадь отверстия внутреннего трубопровода, м2;
g - ускорение свободного падения, м2/с; Н - напор, м.
Тем самым мы добьёмся равномерного увлажнения почвы в канале, а следовательно, повышения точности измерения в процессе проведения исследований.
Выводы. Произведено обширное исследование возможного увлажнения почвы канала в разных точках и на различных глубинах, произведен анализ полученных результатов.
Спроектирована виртуальная модель системного распылителя. Описаны назначение, принцип работы и технические характеристики устройства. Произведен расчёт расхода жидкости и диаметра выходных отверстий. В данное время ведется сборка приспособления «в железе».
Литература
1. Shamin A.E., Gerasimov A.R., Igoshin D.N. Method and results of laboratory tests of the device for application of mineral fertilizers // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. Krasnoyarsk Science and Technology City Hall of the Russian Union of Scientific and Engineering Associations. Krasnoyarsk, 2020. Р. 12168.
2. Kosolapov V.V., Kosolapova E.V., Igoshin D.N., Skorokhodov A.N., Rudenko A.A. Virtual modelling and laboratory research of parameters of planting unit's working parts // Acta Technologica Agriculturae. 2019. Т. 22. № 1. Р. 31-37.
3. Vasiliev M., Vasiliev S.A., Vasiliev A. Application of profilograph for evaluation of mechanical tillage of slope lands // E3S Web of Conferences. Ser. «International Conference on Modern Trends in Manufacturing Technologies and Equipment, ICMTMTE 2020», 2020. Р. 01066.
4. Цвей Я.П. Родючють грунпв i продуктивнють авозмк монографiя. К.: КОМПРИНТ, 2014. 416 с.
5. Косолапов В.В. Экономическая эффективность использования опытного посевного агрегата с экспериментальной сошниковой группой в сравнении с серийной сеялкой // Проблемы и перспективы развития аграрной экономики: материалы научно-практической конференции студентов и молодых ученых. Княгинино, 2013. Р. 79-85.
6. Оболенский Н.В., Мартьянычев А.В., Косолапов В.В. Совершенствование обработки почвы под посев семян сахарной свеклы // Экономика и предпринимательство. 2015. № 3-2 (56-2). С. 757-759.
7. Панин С.И., Колесниченко Е.Ю., Соловьева В.И., Морозова Т.С. Влияние углеводородного загрязнения почвы на формирование проростков фасоли в лабораторных условиях // Инновации в АПК: проблемы и перспективы. 2014. № 2 (2). С. 82-88.
8. Борисенко И.Б., Доценко А.Е., Тронев С.В. Оптимизация конструктивных параметров отвально-чизель-ного рабочего органа // Вестник ВолГАУ. 2015. № 3 (39). С. 142-146.
9. Балабанов В.И. Обзор инновационных разработок для опрыскивания и внесения удобрений // Агротехника и технологии. 2018. № 4. С. 18-20.
10. Hoffmann C. Zuckerrübenals ^Ь^Ае. Dietech-nische Qualitätals Voraussetzung für eine effiziente Verarbeitung. Weender Druckerei GmbH&BCo. KG, Göttingen: Saur, 2006. 1. 200 s.
References
1. Shamin A.E., Gerasimov A.R., Igoshin D.N. Method and results of laboratory tests of the device for application of mineral fertilizers. IOP Conference Series. Materials Science and Engineering. Krasnoyarsk Science and Technology City Hall of the Russian Union of Scientific and Engineering Associations, Krasnoyarsk, 2020, рр. 12168.
2. Kosolapov V.V., Kosolapova E.V., Igoshin D.N., Skorokhodov A.N., Rudenko A.A. Virtual modelling and laboratory research of parameters of planting unit's working
parts (Virtual modelling and laboratory research of parameters of planting unit's working parts). Acta Technologica Agriculture. 2019; 22 (1): 31-37.
3. Vasiliev M., Vasiliev S.A., Vasiliev A.A. Application of profilograph for evaluation of mechanical tillage of slope lands (Application of profilograph for evaluation of mechanical tillage of slope lands). E3S Web of Conferences. Ser. "International Conference on Modern Trends in Manufacturing Technologies and Equipment, ICMTMTE 2020", 2020, pp. 01066.
4. Tsvey Ya.P. Radiochist grunt i productivnist sivozmin (Soil fertility and crop rotation productivity). Mono-grafiya. K.: KOMPRINT, 2014. 416 p.
5. Kosolapov V.V. Ekonomicheskaya effektivnost' ispol'zovaniya opytnogo posevnogo agregata s eksperi-mental'noy soshnikovoy gruppoy v sravnenii s seriynoy se-yalkoy (Economic efficiency of using an experimental sowing unit with an experimental coulter group in comparison with a serial seeder). Problemy i perspektivy razvitiya agrarnoj ehkonomiki. Materialy nauchno-prakticheskoj konferencii studentov i molodykh uchenykh, Knyaginino, 2013, pp. 7985. (In Russ.)
6. Obolensky N.V., Martinychev A.V., Kosolapov V.V. Improvement of tillage for sowing sugar beet seeds (Im-
provement of tillage for sowing sugar beet seeds). Economics and entrepreneurship. 2015; 3-2 (56-2): 757-759. (In Russ.)
7. Panin S.I., Kolesnichenko E.Yu., Solov'eva V.l., Morozova T.S. The influence of hydrocarbon contamination of soil on the formation of bean seedlings in laboratory conditions (The influence of hydrocarbon contamination of soil on the formation of bean seedlings in laboratory conditions). Innovations in agriculture: problems and prospects. 2014; 2 (2): 82-88. (In Russ.)
8. Borisenko I.B., Dotsenko A.E., Tronev S.V. Optimization of design parameters of the dump-chisel working body (Optimization of design parameters of the dump-chisel working body). Bulletin of VolGAU. 2015; 3 (39): 142-146. (In Russ.)
9. Balabanov V.I. Review of innovative developments for spraying and fertilizing (Review of innovative developments for spraying and fertilizing). Agrotechnics and technologies. 2018; 4: 18-20. (In Russ.)
10. Hoffmann C. Sugar beet as a raw material. Technical quality as a prerequisite for efficient processing (Sugar beet as a raw material. Technical quality as a prerequisite for efficient processing). Weender Druckerei GmbH &B Co. KG, Göttingen, Saur. 2006; 1: 200.
Информация об авторах
Д.Н. Игошин - кандидат технических наук, доцент, Нижегородский государственный инженерно-экономический университет, г. Княгинино, Россия. Тел.: +7-950-622-19-89. E-mail: igoshin.d.n@mail.ru.
А.А. Васильев - кандидат технических наук, доцент, Нижегородский государственный инженерно-экономический университет, г. Княгинино, Россия. E-mail: alexei.21@mail.ru.
1^1 Игошин Денис Николаевич, e-mail: igoshin.d.n@mail.ru
Information about the authors
D.N. Igoshin - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Nizhny Novgorod State University of Engineering and Economics, Knyaginino, Russian Federation. Phone: +7-950-622-19-89. E-mail: igoshin.d.n@mail.ru.
A.A. Vasiliev - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Nizhny Novgorod State University of Engineering and Economics, Knyaginino, Russian Federation. E-mail: alexei.21@mail.ru.
I^l Igoshin Denis Nikolaevich, e-mail: igoshin.d.n@mail.ru
Вклад авторов: все авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Contribution of the authors: the authors contributed equally to this article.
The authors declare no conflict of interests.
Статья поступила в редакцию 13.10.2021; одобрена после рецензирования 26.11.2021; принята к публикации 30.11.2021.
The article was submitted 13.10.2021 ; approved after reviewing 26.11.2021; accepted for publication 30.11.2021.
