Сельскохозяйственные дождевальные агрегаты: состояние, классификация, перспективы Текст научной статьи по специальности «Прочие сельскохозяйственные науки»

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

УДК / UDC 631.347.3

СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ ДОЖДЕВАЛЬНЫЕ АГРЕГАТЫ: СОСТОЯНИЕ, КЛАССИФИКАЦИЯ, ПЕРСПЕКТИВЫ

AGRICULTURAL RAIN EQUIPMENT: CONDITION, CLASSIFICATION, PROSPECTS

Родимцев С.А., доктор технических наук, доцент Rodimtsev S.A., Doctor of Technical Sciences, Associate Professor ФГБОУ ВО «Орловский государственный аграрный университет имени Н.В. Парахина», Орел, Россия

Federal State Budgetary Educational Establishment of Higher Education "Orel State Agrarian University named after N.V. Parakhin", Orel, Russia

E-mail: [email protected]

Работа выполнена в рамках тематического плана-задания на выполнение ФГБОУ ВО Орловским ГАУ НИР по заказу Минсельхоза России за счет средств федерального бюджета в 2018 году (регистрационный №AAAA-A18-118081690013-4, от 16.08.2018 г.).

Дождевальные машины первого поколения - короткоструйные (двухконсольные) и дальнеструйные (агрегатные) - относятся к морально устаревшим. Несмотря на это, их доля в структуре парка дождевальной техники России составляет 33%, и они имеют свой устойчивый рынок сбыта на ближайшую перспективу. Кроме того, использование таких машин способствует сохранению орошаемых площадей, несмотря на временное уменьшение общего количества дождевальной техники, в период ее ротации, вызванной процессом замены на более современные образцы. Модернизация машин первого поколения уже сейчас позволила снизить трудоемкость орошения, увеличить КПД, коэффициенты эффективности полива и земельного использования, значительно снизить энергозатраты. Производство машин серий ДДА, ДДН и их разновидностей сосредоточено на 4 российских предприятиях. Приведены общий вид и основные технические характеристики некоторых машин, отмечены их достоинства и недостатки. Установлено, что известная классификация дождевальной техники первого поколения не учитывает прошедшей модернизации. Предложена новая классификация дождевальных агрегатов, содержащая 40 отличительных признаков, сгруппированных по 5 основным подклассам на 5 иерархических уровнях. Основными классификационными признаками определены особенности конструкции распределителя воды, тип тягового средства, принцип действия, способ агрегатирования и тип привода насосной станции. Перспективы совершенствования дождевальной техники первого поколения основаны на решении задач увеличения производительности машин, при снижении металлоемкости и энергозатрат, а также повышения качества создания искусственного дождя, учитывающего конкретные действующие условия. Необходима замена вантово-ферменных конструкций распределителей воды на шпренгельно-ферменные, а также широкое внедрение полимерных водопроводящих труб.

Ключевые слова: дождевальные агрегаты, орошение, классификация, технические характеристики.

The first generation of sprinklers is short-jet and long-range units. They are obsolete. However, their share in the structure of the park of sprinkling equipment in Russia is 33%. They have their own stable market for the nearest future. In addition, the use of such machines contributes to the preservation of irrigated areas. This is even despite the temporary decrease in the total number of sprinkling equipment, during its rotation. The process of replacing machines with more modern models causes such a rotation. Modernization of the machines of the first generation has already allowed to reduce irrigation labor intensity, increase efficiency, irrigation and land use efficiency

factors, and significantly reduce energy costs. The production of DDA, DDN series machines and their varieties is focused on 4 Russian enterprises. The general appearance and main technical characteristics of some machines are given; their advantages and disadvantages are noted. It is established that the well-known classification of the first generation sprinkling equipment does not take into account the past modernization. A new classification of sprinkling units has been proposed. This classification contains 40 distinctive features grouped into 5 main subclasses at 5 hierarchical levels. The main classification features determined the design features of the water distributor, the type of traction means, the principle of operation, the method of aggregation and the type of drive of the pumping station. Prospects for improving the first generation sprinkler technology are based on solving problems of increasing machine productivity. It is necessary to reduce the intensity and energy consumption, as well as improve the quality of the artificial rain. Specific conditions must be taken into account. It is necessary to replace the cable-truss structures of the water distributors by the truss-truss, as well as the widespread introduction of polymer water supply pipes. Key words: irrigation units, irrigation, classification, technical characteristics.

Введение. Существующий парк дождевальных машин и установок условно можно разделить на 3 основные группы: широкозахватные многоопорные дождевальные системы, дождевальные машины шлангобарабанного типа и дождевальные агрегаты. По данным ФГБНУ ВНИИ «Радуга» [1], на 2016 год в Российской Федерации имелось около 14 тыс. дождевальных машин и установок, используемых при орошении около 1,2 млн. га земель. Структура парка дождевальной техники (рис. 1) представлена машинами первого -третьего поколений, а также техникой зарубежного производства [2].

■ Фрегат (5300 шт)

□ Кубань (500 шт)

□ ДДН-70, 100 (1800 шт)

■ ДЦА-100, 100МА (2700 шт)

■ Волжанка (2400 шт)

□ Днепр (200 гат)

П Импортная техника (700 шт)

Рисунок 1 - Парк дождевальной техники РФ, по состоянию на 01.01.2016 г.

(по данным [2])

Как видно, значительную часть имеющихся машин (33%) составляют средства механизации полива первого поколения. К ним относятся двухконсольные дождевальные агрегаты и навесные дождеватели типа ДДА, ДДН и их аналоги. Безусловно, данная техника морально устарела. В то же время отмечается [3, 4], что использование ее усовершенствованных на базе современных научных достижений модификаций, позволит сохранить существующие площади орошаемых земель в ближайшие пять лет. Последнее -весьма важное условие ввиду необходимости полной замены и модернизации существующего парка российской дождевальной техники.

Цель исследований. В предлагаемой работе ставилась задача обоснования использования дождевальной техники первого поколения в ближайшей перспективе, выявление актуальных признаков и особенностей машин для разработки классификации, а также формулирование предложений по дальнейшему совершенствованию агрегатных технических средств для орошения на современном этапе.

Условия, материалы и методы. В исследовании использованы методы систематизации и обработки статистический информации, полученной по результатам литературного обзора, а также метод классификации объектов изучения по характерным признакам.

Результаты и обсуждение. По оценкам специалистов [5], в технологиях полива таких культур, как овощные, наиболее целесообразно использовать машины, работающие от открытых оросительных сетей и снабженные автономными энергоносителями. А эти показатели соответствуют именно двухконсольным дождевальным агрегатам. Кроме того, анализ рынка оросительной техники за 2001-2017 гг. [4, 6] демонстрирует, что усовершенствованные машины первого поколения устойчиво занимают свой сегмент рынка и не имеют конкурентов. Расширение же сферы применения этих машин и увеличение потребительского спроса на них обеспечит модернизация этой техники, повышающая качество полива, увеличивающая срок службы, снижающая трудоемкость орошения и затраты энергии.

Подтверждением последнему служат данные [7], согласно которым за последние годы трудоемкость орошения снизилась у машин ДДА-100МА с 3,6 до 2,2 чел. ч на 1000 м3 водоподачи. При этом, КПД возрос до 0,85, а коэффициенты эффективности полива и земельного использования достигли, соответственно, 0,7 и 0,92. Значительно снижены и энергозатраты - с 240 до 190 кВт ч на 1000м3 или в 1,3 раза [5].

По технологии полива дождевальные агрегаты разделяют на короткоструйные, с веерным образованием дождя и дальнеструйные, создающие осесимметричные струи воды, распадающиеся на отдельные капли, под воздействием сопротивления воздуха. К первой группе относятся машины ДДА-100 с модификациями (М, МА, В, ВН, ВХ) и серия ДКДФ [5, 8]; ко второй -дождеватели ДДН-25, 30, 45, 70, 100. Сегодня производство этих машин сосредоточено на ряде предприятий Волгоградской и Московской областей, а также Красноярского края (табл. 1).

Таблица 1 - Отечественные производители дождевальных агрегатов*

Производитель Производимая продукция

ОАО «Волгоградский завод оросительной техники» ДДА-100 В, ДДА-100ВХ, ДД-70В, ДД-100В

«Мелиотехмаш», г. Котельников ДДН-100

«Волгоградский тракторный завод» ДДА-100 В, ДД-70ВН (100ВН)

ФГБНУ ВНИИ «Радуга», г. Коломна ДДА-100МА

Примечание. *По материалам [2-4, 8].

Назначение двухконсольных дождевальных машин состоит в орошении зерновых, технических, овощных, бахчевых и кормовых культур, а также трав на участках, с уклоном до 0,03, с забором воды от открытой или закрытой оросительной сети. Кроме того, у агрегатов есть возможность внесения жидких удобрений. Малая крупность капель позволяет использовать машину ДДА-100МА при поливе цветов, рассады, ягодников [9].

Дальнеструйные навесные и прицепные дождевальные агрегаты предназначены для полива овощных, технических культур, садов и лесопитомников с забором воды от открытой или закрытой оросительной сети. С успехом могут применяться при орошении малых площадей (ДДН-25).

Общий вид и основные технические характеристики некоторых дождевальных машин приведены в табл. 2.

Таблица 2 - Технические характеристики дождевальных агрегатов*

-100МА

Класс трактора

ДТ-75М

Расход, л с-'

100-130

Напор, м

34-37

Количество дефлекторных дождевальных аппаратов, шт.

52

Расход одного аппарата, л с-1

2,3

Высота фермы над землей, м

1,5-3,5

Ширина орошаемой полосы, м

~120

Слой осадков за 1 проход, мм

3,8-20

Интенсивность дождя, мм мин-1

~3-4

Скорость движения агрегата, км час-1 рабочая

транспортная_

1,07 4,27

Производительность за час работы, га

ДО 0,78

Масса машины, т

10,8

Дождеватель дальнеструйный навесной ДДН-100

Класс трактора Т-150 Т-4А ДТ-75М

Расход, л с-1 115 100 85

Напор, м 65 65 65

Радиус полива, м 85 85 75

Расстояния между позициями, м полив по треугольникам полив по секторам 145 70 145 70 110 55

Расстояния между оросителями, м 120 120 110

Интенсивность дождя, мм/мин

полив по кругу 0,35 0,28 0,32

полив по сектору 0,61 0,46 0,38

Диаметры насадков, мм Основного 65 56 54

Сменного 60-56 58, 54 -

Малого 20 20 20

Максимально возможная производительность, га за 1 час чистой работы сезонная при m=600м3 га-1 0,70 120 0,60 105 0,51 90

Примечание. *По данным [9, 10].

Основными достоинствами, присущими дождевальной технике первого поколения, являются равномерное увлажнение почвы, быстрая регулировка поливной нормы, качество полива, не зависящее от скорости ветра в пределах до 35 м с-1, мобильность, относительные простота конструкции и невысокая стоимость. К преимуществам навесных дождевателей также следует отнести достаточно высокую производительность, при хорошей маневренности и проходимости. Удельное давление ходовой части на грунт для машин ДДН составляет 0,0047 МПа [9].

Ограничение и отсутствие перспектив широкого использования дождевальных агрегатов связано с наличием существенных недостатков конструктивного и экономического значения. Прежде всего, это относится к консольным дождевальным машинам, обладающим большой металлоемкостью и значительными габаритами. Масса машин достигает 10,8 т, а удельное давление ходовой части на грунт - 0,07 Мпа. Относительно небольшая ширина захвата регламентирует потребность хозяйств в густой сети оросителей с сооружениями и переездами через них. При этом, коэффициент земельного использования составляют 0,95. Интенсивность дождя у таких машин невысока, а потери воды на фильтрацию - значительны. К серьезным недостаткам также следует отнести малую маневренность.

Большинство недостатков навесных агрегатов характерны для всех струйных дождевателей кругового действия. Это и большая энергоемкость процесса полива, и переполив в зоне перекрытий, необходимость перехода на секторный полив, при скорости ветра 2-3 м с-1 и невозможность проведения качественного полива при скорости ветра более 3 м с-1. Кроме того, навесным дождевателям свойственно плохое качество дождя, чему способствует неравномерность распределения, высокая интенсивность полива и крупность капель, диаметр которых превышает 3 мм [9].

Первые образцы дождевальных машин были созданы в 1936-1938 гг. [11]. На протяжении всей последующей истории создания и производства, их конструкция и технические параметры неоднократно совершенствовались [1, 3, 5, 12 и др.]. Следовательно, классификация дождевальных агрегатов, в свое время разработанная и описанная в ранее опубликованных трудах [13-15], на сегодняшний день не в полной мере отражает эти изменения. Предлагаемая нами классификация дождевальных машин первого поколения вносит коррективы не только с позиции уточнения прошедшей модернизации, но и в части структурного анализа и количества разновидностей существенных признаков этой техники.

Как видно из рис. 2, иерархическая структура классификации дождевальных агрегатов содержит пять уровней. Считая рассматриваемый тип машин первым уровнем, к основным признакам, составляющим второй уровень классификации отнесены конструкция распределителя дождя, тип тягового средства, принцип действия, способ агрегатирования, а также тип привода насосной станции дождевателей.

Конструкция дождевальных агрегатов относится к числу наиболее важных признаков. Последний включает подклассы третьего уровня, раскрывающие суть технологии полива. Так, консольные распределители предназначены для широкозахватного орошения, с использованием короткоструйных низконапорных насадок. Высоконапорные навесные или прицепные агрегаты обеспечивают позиционный круговой полив. Подклассы признака «По конструкции распределителя» разделены на группы объектов четвертого уровня. Как видно из рис. 2, консольные распределители классифицируются по симметрии, профилю и конструкции консоли, схеме расстановки дождеобразующих устройств на ней. К подклассу признака «Агрегатные» отнесены такие особенности, как «Тип дождевания», «Геометрия орошения» и «Тип привода механизма вращения дождевальной насадки». Как и классификационные признаки четвертого уровня, оставшиеся подклассы второго уровня имеют от двух до четырех частных признаков, образующих заключительный, пятый уровень предложенной классификации.

По типу тягового средства

5

Гусем ты>'< трактор

По конструкции распределителя

Консольные (широкозахватные. короткострупные)

С?

Кошный трактор

По

силамтрии

~1ПГ

-Р*

СП

Монтируемые

Иаеесте

Прмрпные

а л

а

а о

л

о О

а

г-

^

а:

I

Л

V

V

г;

£ (й

а £ а с

С & & 0 1

о я

а,

-ЧВ

V с:

з 5

а

1

&

(о г-

а

г ч

Й ■с с

Щ

л

I §

т р-

5 К

£ I

| I

но

По стене расствноеки дождеобразующихустрайст* т консоли

По конструкции консоли

3

1 |

■9-

* § ^ -а

и

II

Агрегатные (кругового действия)

По профилю рамы консоли

По типу дождевания

ь.

75 д

| I

а л

г-

§

а

-о

ч &

По геометрии орошения

Я- &

о *

1т

а &

б

По типу привода механизма вращения

ОЦ

и

й

2 к ^

8 | £ £

5 I -I |

г = £ $

Й I

I | Е

§

I

| § I

я а п

« ; г

§ В, 1

г с о

0 В

Работающие в движении

По шт приводя нас оси о» станции

О

От ВОМ трактора

С собственны к двигателем

Рисунок 2 - Классификация дождевальных агрегатов

Таким образом, предложенная классификация позволяет упорядочить 40 выявленных отличительных признаков известных типов дождевальных агрегатов, структурировав их по пяти основным подклассам или 14 группам на пяти иерархических уровнях.

К характерным особенностям дальнейшего совершенствования агрегатных технических средств для орошения на современном этапе следует отнести увеличение поливного потока, приходящегося на 1 машиниста-оператора и создание искусственного дождя, имеющего качественные характеристики естественного дождя средней силы. В то же время отмечается [11], что увеличение производительности дождевателей, как правило, влечет рост их металлоемкости. Следовательно, перспективы использования широкозахватных консольных машин должны предусматривать применение легких и высокопрочных конструкционных материалов, а также замену вантово-ферменных конструкций шпренгельно-ферменными. Широкий спектр полимеров позволяет создавать водопроводящие трубы, стойкие к коррозии, долговечные и удобные при монтаже. Потери напора в таких трубопроводах значительно меньше, а гидравлические удары ослаблены.

Вредное влияние ветра на качество дождя поможет устранить управление положением консоли, относительно поверхности орошаемого участка. Кроме того, повышения качественных параметров полива позволит добиться оптимизация размещения дождевальных насадок с учетом параметров машины, требуемых расхода и давления в напорной магистрали, характеристик конкретного участка и площади орошения.

Имея неплохие показатели по материалоёмкости стоимости дождевателей агрегатного типа, дальнейшее развитие этих машин следует вести в направлении снижения энергозатрат [8].

Выводы. 1. Несмотря на моральное устаревание, модернизированная дождевальная техника первого поколения остается востребованной сельскохозяйственным производством и имеет свой сегмент рынка.

2. Использование таких машин способствует сохранению орошаемых площадей, несмотря на временное уменьшение общего количества дождевальной техники, в период ее ротации, вызванной процессом замены на более современные образцы.

3. Классификация дождевальных агрегатов, разработанная в конце прошлого столетия, не учитывает модернизацию последних лет.

4. Предложена новая классификация дождевальных агрегатов, содержащая 40 отличительных признаков, сгруппированных по 5 основным подклассам на 5 иерархических уровнях.

5. Перспективы совершенствования дождевальной техники первого поколения основаны на решении задач увеличения производительности машин, при снижении металлоемкости и энергозатрат, а также повышения качества создания искусственного дождя, учитывающего конкретные действующие условия.

БИБЛИОГРАФИЯ

1. Разработка ресурсосберегающих технологий орошения и новой экологически безопасной дождевальной техники для строительства, реконструкции, технического перевооружения и эксплуатации гидромелиоративных систем, обеспечивающих рациональное использование мелиорированных земель: отчет о НИР / Федеральное

государственное бюджетное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт систем орошения и сельхозводоснабжения «Радуга» (ФГБНУ ВНИИ «Радуга»); рук. Ольгаренко Г.В.; исполн.: Турапин С.С. [и др.]. Коломна, 2017. 509 с. № 319а/20ГКот 15 августа 2017 года.

2. Колганов Д.А. Дождевальная машина «Фрегат» с усовершенствованной системой водоподачи для полива в низконапорном режиме: дис. ... канд. техн. наук. Саратов, 2017.

3. Ресурсосберегающие энергоэффективные экологически безопасные технологии и технические средства орошения: справ / Г.В. Ольгаренко и др. М.: ФГБНУ «Росинформагротех», 2015. 264 с.

4. Ольгаренко Г.В. Научно-аналитический обзор «Прогноз развития рынка оросительной техники и разработки новых технических средств полива в Российской Федерации»: Научное издание. Коломна: ИП Воробьев О.М., 2016. 98 с.

5. Снипич Ю.Ф. Конструктивно-технологические схемы дождевальных машин серии ДКФ и гидравлический расчет их водопроводящих элементов // Научный журнал КубГАУ. 2011. № 68(04). С. 23-34.

6. Онаев М.К. Мелиорация земель: учеб. пособие. Уральск: Зап. Казахст. аграр.-техн. ун-т им. Жангир хана, 2013. 119 с.

7. Носенко В.Ф., Луцкий В.Г., Савушкин С.С. Оценка гидравлических характеристик дождевальных машин «Кубань» // Гидротехника и мелиорация. 1983. №5. С.41-43.

8. Орошаемое земледелие: учеб. пособие / Е.И. Кузнецова и др. М.: ФГБОУ ВПО РГАЗУ, 2012. 117 с.

9. Орошение дождеванием: учеб. пособие / К.Н. Криулин и др. СПб. гос. политехн. ун-т. 2003. 53 с.

10. Методические рекомендации по проектированию и эксплуатации оросительных систем с широкозахватными дождевальными машинами / Г.В. Ольгаренко и др. Коломна: ИП Воробьев О.М., 2015. 88 с.

11. Рязанцев А.И., Антипов А.О. Краткий анализ этапов развития дождевальной техники // Вестник РГАТУ. 2018. № 1(37). С. 95-99.

12. Ольгаренко Г.В., Булгаков В.И. Техническое обеспечение орошаемого земледелия в малых формах хозяйствования // Техника и оборудование для села. 2015. № 5. С. 16-19.

13. Козлов Л.К., Галкин A.B. Анализ развития консольных дождевальных машин // Тр. ВНИИМиТП, т. IV. Коломна, 1973. С. 231-244.

14. Исаев А.П. Новая дальнеструйная дождевальная техника // Техника в сельском хозяйстве. 1960. № 6. С. 34-35.

15. Лебедев В.М., Лямперт Г.Г., Параев А.Г. Система машин для орошения // Тракторы и сельхозмашины. 1980. № 11. С. 20-22.