СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ГИДРОМЕЛИОРАТИВНЫХ МАШИН С АВТОМАТИЗАЦИЕЙ ПРОЦЕССА ПОЛИВА Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

УДК 631.3

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ГИДРОМЕЛИОРАТИВНЫХ МАШИН С АВТОМАТИЗАЦИЕЙ

ПРОЦЕССА ПОЛИВА

АХТЯМОВ Андрей Андреевич, аспирант направления подготовки 35.06.04 «Технологии, средства механизации и энергетическое оборудование в сельском, лесном и рыбном хозяйстве», nechaew2011@yandex.ru

РЯЗАНЦЕВ Анатолий Иванович, д-р техн. наук, профессор кафедры «Технология металлов и ремонта машин», ryazantsev.41@mail.ru

ГАВРИЛИНА Ольга Петровна, канд .техн. наук, доцент кафедры «Строительство инженерных сооружений и механика», gavrilina-o@list.ru

БОЙКО Александр Игоревич, доцент, зав. кафедрой « Автомобильные дороги и строительство»,

КОЛОШЕИН Дмитрий Владимирович, ст. преп. кафедры «Строительство инженерных сооружений и механика», dkoloshein@mail.ru

БОРЫЧЕВ Сергей Николаевич, д-р техн. наук, профессор кафедры «Строительство инженерных сооружений и механика», 89066486088@mail.ru

Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А. Костычева

Целью исследования являлось теоретическое обоснование и практическая реализация нового способа полива гидромелиоративной машиной «Фрегат» с гидроприводом на сложном рельефе с минимальными затратами на модернизацию и энергозатратами. Объектом исследования является экспериментальный кран-задатчик скорости, устанавливаемый на гидромелиоративную машину. Исследования проводились в сравнении с показателями машин серийного производства. В ходе исследования было установлено, что существующая технология полива не отвечает необходимым требованиям гидромелиорации и имеет низкую степень экономической эффективности. Предлагаемая технология полива решает вопрос неравномерного распределения влаги по площади, повышает урожайность и снижает стоимость обслуживания машины вследствие уменьшения числа поломок. Имеющиеся модернизации дождевальной машины (ДМ) «Фрегат», позволяющие работать по предлагаемой технологии, сложны по конструкции, ненадежны и имеют относительно высокую стоимость модернизации и сезонного обслуживания. С целью увеличения экономии средств и упрощения процесса модернизации серийных машин был разработан и протестирован кран-задатчик скорости, позволяющий снизить риск эрозии почв, застревания колес тележек и, тем самым, простой машины с необходимостью ее ремонта. Главной особенностью экспериментального крана-задатчика скорости является его горизонтальное расположение относительно тележки. Два плеча с увеличенной длиной позволяют задавать поливную норму путем касания вех в начале каждого сектора, где необходимо сменить скорость движения машины. Таким образом, происходит регулирование поливной нормы, выдаваемой машиной при ее движении по орошаемой площади. Получившийся экономический эффект позволяет утверждать о положительных результатах в проведенных исследованиях.

Ключевые слова: ДМ «Фрегат», кран-задатчик скорости, технология полива, модернизация, автоматизация технологии полива.

Введение

Орошение - способ подвода воды на поля с недостаточным увлажнением. В Российской Федерации около 80% площадей, отведенных под сельское хозяйство, находятся в зонах недостаточного или неустойчивого увлажнения. Это усугубляется тем фактом, что значительная часть пахотных земель располагается на сложном рельефе с коэффициентом уклона поверхности >0,5. Существующая технология полива не справляется

с поставленной задачей, так как большая часть осадков стекает по склону, вызывая эрозию почв. Эффективность такого орошения крайне низка.

Исходя из этого, нами предложена модернизация серийной ДМ «Фрегат» с гидроприводом с целью повышения качества орошения площадей со сложным рельефом и снижения общих эксплуатационных затрат.

Объекты и методы Существующая технология полива склоновых

© Ахтямов А. А., Рязанцев А. И., Гаврилина О .П., Бойко А. И., Колошеин Д. В., Борычев С. Н., 2019 г.

земель предусматривает равномерное распреде-лениеслоя осадков по всей орошаемой площади[1].

Перед пуском машины устанавливается требуемая поливная норма, регулируемая краном-задатчиком скорости на последней тележке. Изменение положения крана-задатчика скорости

Недостатком существующей технологии полива является то, что ее применение допустимо при поливе относительно ровных участков. При ее применении на склонах отмечается обильное увлажнение участков, имеющих высокую пред-поливную влажность. Технология не учитывает закономерности распределения влаги по склону. Меньшее увлажнение почвы имеется на участках с выпуклыми формами рельефа и более высокое - с вогнутыми. Влажность почвы склонов вогнутого профиля возрастает от вершины склонов к подошве и уменьшается в обратном направлении на склонах выпуклого рельефа.

Точный учет влагозапасов почвы является одним из необходимых условий определения поливных норм. Существующие способы оценки влажности почвы можно признать удовлетворительными лишь для условий спокойного рельефа.

Неравномерность увлажнения при холмистом рельефе определяется неодинаковым расходом влаги на испарение со склонов различной крутизны и ориентации, а также перераспределением зимних и летних осадков. В пониженных частях рельефа, как правило, происходит скопление снега за счет сдувания его с возвышенных мест. С наветренных склонов снег сдувается, а на подветренных мощность снегового покрова увеличивается. Увлажнение почвы за счет дождей в разных местоположениях также неравномерное. На вершинах холмов или водоразделах часть дождевой воды проникает в почву, а остальная стекает вниз по склонам; приток воды увеличивается за счет воды, притекающей с вышележащих участков. Приток дополнительной влаги увеличивается книзу, достигая максимальных величин у подножий склонов и в долинах.

Предложенная технология полива на склоне предполагает корректировку выдаваемой поливной нормы в процессе движения машины по склону таким образом, чтобы изменение слоя дождя выравнивало влажность почвы по склону.

Основанием для определения составных элементов новой технологии полива являются данные, характеризующие изменчивость предпо-ливной влажности почвы по склону. Орошаемый участок условно делится на сектора с относительно равной предполивной влажностью почвы (рис. 1)

приводит к увеличению или уменьшению нормы полива и продолжительности одного оборота машины.

В таблице приведены значения расходуемой воды при различных положениях крана-задатчика скорости.

Зона 1 - с высокой предполивной влажностью почвы; зоны 2, 4 - с умеренной предполивной влажностью почвы; зона 3 - с низкой предполивной влажностью почвы

Рис.1 - Характеристика зон участка по степени распределения предполивной влажности почвы по склону

Разбивка орошаемого участка на зоны производится с помощью теодолита. По краям орошаемого круга помещают постоянные вехи с высотой 0,8-1,5 м (рис. 2.).

Для орошения на склоне гидромелиоративную машину размещают поперек склона, затем по мере ее движения через заданную часть орошаемого круга с относительно равной предполивной влажностью осуществляют изменение поливной нормы в соответствии с графиком варьирования предполивной влажности. Посредством корректировки поливной нормы в процессе передвижения машины по склону обеспечивается подача меньшего слоя осадков на участки, имеющие высокую предполивную влажность, и увеличение слоя осадков на участке с низкой предполивной влажностью.

Такая технология позволяет не только сни-

Таблица - Расход воды при различных положениях крана-задатчика скорости, при расходуемом

количестве воды за проход 100 м3/га

Положение крана-за-датчика Открыт А Б В Г Д Е Ж

Расход, л/с 240 260 300 340 550 1060 1250 Кран закрыт

зить опасность проявления ирригационной эрозии почв, но и сэкономить значительное количество поливной воды, оптимизировать использование почвенной влаги, а также обеспечивать необходимую несущую способность на всем пути следования тележек за счет изменения поливной нормы в зависимости от графика предполивной влажности.

Несущая способность почвы характеризует величину погружения ходовых колес. Традиционная технология обуславливает значительное повышение влажности в местах понижения рельефа, что является главным фактором увеличения глубины колеи до 30 см и более. Добиться уменьшения колееобразования возможно при помощи предлагаемой технологии полива за счет регулирования скорости полива на разных участках орошаемых площадей.

Рис. 2 - Схема разбивки орошаемого участка на зоны с относительно одинаковой влажностью почв

Как показал анализ изменения несущей способности почвы в зависимости от эффективных норм полива (300-600 м3/га) для наиболее практически встречающихся типов почв и сложного по проходимости агрофона, несущая способность почвы резко снижается при увеличении значений достоковой нормы и еще в большей мере уменьшается при возрастании величины поверхностного стока. Так, увеличение поливной нормы с 290 до 500 м3/га для среднесугли-нистых черноземов вызывает уменьшение несущих свойств с 157 до 140 кПа, а при наличии стока (20-25%) - до 122 кПа, или в целом на 22%.

Недостатком известной дождевальной машины является увеличение трудозатрат на процесс полива из-за невозможности автоматического регулирования скорости движения ее последней тележки и зависимости от различных по почвен-но-рельефным условиям и водообеспеченности секторов орошаемого круга. Это, в свою очередь, приводит к переполиву и недополиву в различных секторах орошаемой площади. Переполив в итоге

вызывает колееобразование, которое приводит к снижению эффективности работы Дм.

В Саратовском государственном аграрном университете им. Н.И.Вавилова было создано экспериментальное устройство автоматической регулировки скорости движения машины «Фрегат» и поливной нормы посредством замены на последней тележке крана-задатчика скорости движения на регулирующий клапан, управляемый по импульсным трубкам от кулачкового механизма, расположенного на неподвижной опоре машины.

Указанное техническое решение по автоматическому регулированию скорости движения машины «Фрегат» сложно по конструкции и ненадежно в работе.

Экспериментальная часть

С учетом перспективы эксплуатации гидромелиоративной машины «Фрегат», нами разработан и сконструирован экспериментальный кран-задатчик скорости.

Целью конструктивного решения является снижение трудозатрат на процесс полива дождевальной машиной, а соответственно, обеспечение автоматического регулирования скорости движения (поливной нормы) ее последней тележки в зависимости от различных почвенно-рельефных условий и водообеспеченности секторов орошаемого круга.

Указанная цель достигается тем, что в многоопорной дождевальной машине, содержащей водо-проводящий трубопровод, с напорным шлангом, самоходные тележки с гидроцилиндром, толкателями, колесными системами, краном-задатчиком скорости с циферблатом на последней тележке, шток крана-задатчика скорости оснащается двуплечим рычагом. Рычаг установлен с помощью кронштейна в горизонтальной плоскости с диаметрально противоположным направлением его плеч, которые при движении последней тележки многоопорной дождевальной машины попеременно открывают или закрывают кран-задатчик скорости при взаимодействии того или иного плеча рычага с установленными ограничительными вешками.

На рисунке 3 изображена самоходная тележка (последняя) многоопорной дождевальной машины кругового действия с гидроприводом.

На рисунке 4 - кран-задатчик скорости; на рисунке 5 - схема движения многоопорной дождевальной машины по секторам орошаемого круга.

Многоопорная дождевальная машина кругового действия с гидроприводом содержит водо-проводящий трубопровод с напорным шлангом, самоходные тележки с гидроцилиндром, толкателями, колесными системами и краном-задатчиком скорости с циферблатом на последней тележке, причем шток крана-задатчика скорости оснащен двуплечим рычагом, установленным посредством кронштейна в горизонтальной плоскости с диаметрально противоположным направлением его плеч (рис.4), которые при движении последней тележки машины попеременно открывают или закрывают кран-задатчик скорости при взаимодействии того или иного плеча рычага с установленными ограничительными вешками (рис.5).

1 - трубопровод, 2 - напорный шланг, 3 - самоходная тележка, 4 - гидроцилиндр, 5 - толкатель, 6 - колесная система, 7 - кран-задатчик скорости, 8 - циферблат, 9 - двуплечный рычаг, 10 - кронштейн Рис. 3 - Самоходная тележка тележка (последняя) многоопорной дождевальной машины

кругового действия с гидроприводом

почвенно-рельефным условиям и водообеспе-ченности, уменьшают или увеличивают величину поливной нормы посредством изменения скорости движения последней тележки машины. В частности, на схеме (рис. 5) производят уменьшение скорости движения посредством перекрытия кра-на-задатчика скорости последней тележки машины на угол а с помощью взаимодействия плеча а (рис.5) рычага с ограничительной вешкой. После окончания полива сектора II орошаемого круга с уменьшенной скоростью движения машины (с увеличенной поливной нормой) (поз.В) рычаг крана- задатчика скорости своим плечом б (рис. 5) взаимодействует с ограничительной вешкой (рис. 5) и приоткрывает его на угол а, обеспечивая продолжение работы машины со скоростью движения, соответствующей режиму полива I сектора орошаемого круга.

1 - трубопровод, 2 - кран-задатчик скорости, 3 - циферблат, 4 - плечи рычага а и б Рис. 4 - Кран-задатчик скорости

Многоопорная дождевальная машина с гидроприводом работает следующим образом. При подаче воды из водопроводящего трубопровода через напорный шланг в гидроцилиндр самоходных тележек, машина посредством взаимодействия толкателей с ходовыми колесами начинает двигаться и производит полив сектора I орошаемого круга (рис. 5) со скоростью (величиной поливной нормы), заданной краном-задатчиком скорости последней тележки, оснащенным двуплечим рычагом и установленным посредством кронштейна в горизонтальной плоскости [2].

Дойдя до сектора II орошаемого круга (рис. 5) с отличными от сектора I характеристиками по

I

1 - трубопровод, 2 - вешка, 3 - самоходная тележка,

4 - плечо рычага Рис. 5 - Схема движения многоопорной дождевальной машины по секторам орошаемого круга

Результаты

По расчетам разность стоимости производства машины с усовершенствованным краном-задат-чиком относительно серийной стоимость увеличилась на 10750 рублей. Данный расчет был выполнен путем подсчета затрат на модернизацию серийной машины.

Экономия расходов на воду за поливной сезон сумма составляет до 60000 рублей. Данный расчет был произведен сравнением среднего водопо-требления ДМ «Фрегат» с 16 тележками серийного производства и модернизированной версией за один круг полива. По отчетам за предшествующие годы был взят средний показатель пройденных кругов ДМ «Фрегат» за поливной сезон и вычислено теоретическое среднее водопотребление серийной и модернизированной машин. Все суммы указаны на 2018 год.

Выводы

Внедрение усовершенствованной ДМ кругового действия «Фрегат» на площадях со сложным рельефом обеспечивает достижение следующих технико-экономических эффектов в хозяйстве:

- обеспечивается экологическая безопасность полива склонового участка поля (при этом эко-логичность дождевания обеспечивается значительным снижением поверхностных стоков с орошаемого участка и, как следствие, уменьшением смыва плодородного слоя почвы);

- обеспечивается высокое качество орошения с улучшением равномерности распределения слоя дождя по орошаемой площади, включая склоновые участки поля, характеризующееся повышением показателей эффективного использования водных ресурсов;

- обеспечивается значительная экономия за-

трат воды, связанных с ее перерасходом при работе машины на склоновом участке, до 500 тыс. литров за проход, что за год при четырех поливах составляет около 2 млн литров;

- уменьшаются затраты электрической энергии насосными станциями, при групповой работе дождевальных машин, на 10-20%, тем самым снижается себестоимость производимой сельскохозяйственной продукции.

Список литературы

1. Рязанцев, А.И. Технологические особенности полива участков со сложным рельефом машиной «Фрегат»/ А.И. Рязанцев, А.О. Антипов, А.А. Ахтямов // Сб.: Тенденции развития агропромышленного комплекса глазами молодых ученых: Материалы научно-практической конференции с международным участием.- Рязань: Издательство РГАТУ, 2018. - С. 178-181.

2. Патент РФ №180746. Многоопорная дождевальная машина кругового действия с гидроприводом./ Рязанцев А. И., Антипов А. О., Рембалович Г.К., Ахтямов А. А., Евсеев Е. Ю. -Опубл. 22.06. 2018; Бюлл. №18

3. Рекомендации по обоснованию рациональной технологии полива склоновых земель машиной "Фрегат" / Укр. НИИ гидротехники и мелиорации, Молд. фил. - Кишинев : Картя молдовеняскэ, 1990. - 34 с.

4. Повышение эксплуатационных показателей транспортных систем многоопорных машин. Учебное пособие для студентов вузов по направлению 23.03.03 "Эксплуатация транспортно-технологи-ческих машин и комплексов", профиль "Автомобильный сервис"/ Рязанцев А.И., Антипов А.О., Смирнова Е.А. - Коломна: Государственный социально-гуманитарный университет, 2018. - 246 с.

IMPROVING THE TAP-MASTER OF DM "FRIGAT" WITH A HYDRAULIC ACTUATOR TO AUTOMATE THE PROCESS OF WATERING WITHOUT ADDITIONAL POWER CONSUMPTION

Akhtyamov Andrey A., post graduate student areas of training 35.06.04 "Technology, mechanization and power equipment in agriculture, forestry and fisheries", Ryazan state agrotechnological University named after P. A. Kostychev, nechaew2011@yandex.ru

Ryazantsev Anatoliy I., doctor of engineering. Professor of the Department of metal technology and machine repair, Ryazan state agrotechnological University named after P. A. Kostychev, ryazantsev.41@mail. ru

Gavrilina Olga P., candidate of technical Sciences, docent of Department "Construction of engineering structures and mechanics", gavrilina-o@list.ru

Boyko Alexander I., associate Professor, head of the Department "Roads and construction", Ryazan state agrotechnological University named after P. A. Kostychev.

Koloshein Dmitry V., senior lecturer of the Department "Construction of engineering structures and mechanics", Ryazan state agrotechnological University named after P. A. Kostychev, dkoloshein@mail.ru

Borychev Sergey N., doctor of technical Sciences, Professor of "Construction of engineering structures and mechanics", Ryazan state agrotechnological University named after P. A. Kostychev, 89066486088@mail.ru

The aim of the research is the theoretical justification and practical implementation of the new method of irrigation irrigation and drainage machines "Frigat" with hydraulic drive for complex tasks of modernization and energy consumption. The object of the study is an experimental speed-adjusting crane installed on a water reclamation machine. The studies were conducted in comparison with indicators of machine production. In the course of research it was found that the existing technology does not meet the requirements of irrigation and drainage and has a low degree of economic efficiency. The issue of uneven distribution of the owner by area, high productivity and low cost of maintenance is being addressed. DM "Frigat", which allows you to work on the proposed technologies, does not require the cost of modernization and seasonal maintenance. In order to increase cost savings and develop new models of machines, a speed control crane has been developed and tested to reduce the risk of machine destruction. The operation of the trolley is the horizontal arrangement

-(J

of the trolley. The speed of the machine can be increased. Thus, regulation of the irrigation rate occurs. The resulting economic effect allows us to argue about the positive results in the studies.

Key words: DM "Frigat", speed setting crane, irrigation technology, modernization, automation of irrigation technology.

Literatura

1. Ryazancev A.I., Antipov A.O., Ahtyamov A.A. Tekhnologicheskie osobennosti poliva uchastkov so slozhnym rel'efom mashinoj «Fregat» // Tendencii razvitiya agropromyshlennogo kompleksa glazami molodyh uchenyh, materialy nauchno-prakticheskoj konferencii s mezhdunarodnym uchastiem, 2018. - S. 178-181.

2. Mnogoopornaya dozhdeval'naya mashina krugovogo dejstviya s gidroprivodom. RF / Ryazancev A. I., Antipov A. O., Rembalovich G.K., Ahtyamov A. A, Evseev E. YU. Patent №180746, 2018

3. Rekomendatsii po obosnovaniju ratsional'noj tehnologii poliva sklonovyh zemel' mashinoj "Fregat" / Ukr. NII gidrotehniki i melioratsii, Mold. fil. - Kishinev: Kartja moldovenjask'e, 1990. - 34 s.

4. Ryazancev A.I., Antipov A.O., Smirnova E.A. Povyshenie ekspluatacionnyh pokazatelej transportnyh sistem mnogoopornyh mashin. Uchebnoe posobie dlya studentov vuzov po napravleniyu 23.03.03 "Ekspluataciya transportno-tekhnologicheskih mashin i kompleksov", profil' "Avtomobil'nyj servis" - Kolomna, 2018. - 246 s.

УДК 631.816.

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВНЕСЕНИЯ ТВЁРДЫХ МИНЕРАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЙ

ПОД ЗЕРНОВЫЕ КУЛЬТУРЫ

БЫШОВ Николай Владимирович, д-р техн. наук, профессор, профессор кафедры эксплуатации машинно-тракторного парка, byshov@rgatu.ru

МАКАРОВ Валентин Алексеевич д-р техн. наук, профессор, va_makarov@rambler.ru Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А. Костычева, ГАСПАРЯН Светлана Валентиновна, канд. экон. наук, доцент, Академия права и управления ФСИН gasparyan.svetlana@yandex.ru

МАКАРОВА Ольга Владимировна, д-р экон. наук, профессор, Академия права и управления ФСИН, т^+2302@Ьк.т

ШЕМЯКИН Александр Владимирович, д-р техн. наук, доцент, Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А. Костычева, shem.alex62@yandex.ru

Стремление сельхозпроизводителей к получению максимальных урожаев зерновых культур явилось основой широкого применения твёрдых минеральных удобрений. Разнообразие почв и различие их по плодородию требуют при внесении минеральных удобрений сочетания их по видам и дозам элементов минерального питания. Учитывая, что растениям одновременно требуются различные питательные элементы, а содержание их в почве не всегда соответствует требуемым нормам и видам, возникает необходимость их внесения с учетом требований зерновых культур под планируемую урожайность. В международной научной литературе существуют различные термины и определения, которые, как правило, являются синонимами или обозначают основные элементы точного земледелия. По определению Wemer, точное земледелие является частью информационно управляемого производства растениеводческой продукции, которое учитывает пространственную и временную изменчивость почвенных и климатических условий [1]. Привлекательность точного земледелия определяется экономической эффективностью на уровне сельскохозяйственного предприятия. Если при поверхностном внесении одного вида удобрений качество работы машин оценивается по равномерности распределения частиц по полю, то при внесении смеси удобрений качественные показатели зависят от распределения частиц каждого из ее компонентов. Частицы одного вида удобрений различаются размерами и формой, коэффициентами внешнего и внутреннего трения, плотностью и коэффициентами парусности и по ряду других признаков обладают свойствами смесей [2,3]. Основной показатель функционирования машин для внесения минеральных удобрений - качество рассева и распределения питательных веществ в почве.

Ключевые слова: минеральные удобрения, плодородие, бункер, высевающий аппарат, теория вопроса.

© Бышов Н. В., Макаров В. А., Гаспарян С В., Макарова О. В., Шемякин А. В., 2019 г.