CC BY
117
№ 2 (38), 2015
ИЗВЕСТИЯ
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА
АГРОПРОМЫШЛЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ
УДК 631.674.5
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ДОЖДЕВАЛЬНОЙ МАШИНЫ КРУГОВОГО ДЕЙСТВИЯ
В.Г. Абезин1, доктор технических наук, профессор
С.Я. Семененко2, доктор сельскохозяйственных наук, профессор Д.В. Скрипкин1, кандидат технических наук, доцент А.Г. Беспалов1, аспирант
волгоградский государственный аграрный университет 2ФГБНУ «Поволжский научно-исследовательский институт эколого-мелиоративных технологий», г. Волгоград
Приведён анализ конструкций дождевальных машин, на основании которого разработана дождевальная машина кругового действия, обеспечивающая повышение качества полива и технико-экономических показателей.
Ключевые слова: конструкция, дождевание, экология, колея, дождеватели, интенсивность дождя, структура дождя, размеры капель, слой осадков.
Одним из способов рационального природопользования и получения гарантированно высоких урожаев является мелиорация земель, которая, к сожалению, может сопровождаться неблагоприятными последствиями.
При оценке необходимости строительства оросительных систем, приоритет необходимо отдавать экологическим аспектам, несколько отодвигая на задний план экономические показатели. Данный подход должен стать определяющим при разработке политики в области ирригации. В качестве критериев экологической оценки необходимо выдвигать как составные элементы природных ресурсов (качество поливной воды, качество почвы, включая уровень ее плодородия), так и показатель, полностью зависящий от производителя - качество полива [6].
Наибольшее распространение в Волгоградской области получили многоопорные дождевальные машины фронтального и кругового действия.
Парк дождевальной техники области на 01.01.2013 г. состоял из 107 ДМ «Фрегат», 61 ДМ «ДКШ-64», 59 ДМ «Bauer», 29 ДМ ДДА и ДДН, и 22 ДМ «Кубань». Общая площадь полива дождеванием - 27 361,6 га, что составляет около 80 % всей площади орошения области.
Дождевальные машины как фронтального, так и кругового действия оборудованы дождевальными аппаратами кругового действия, которые производят полив как впереди направления движения, так и сзади, обеспечивая увеличение орошаемой площади с каждой позиции и уменьшение интенсивности дождевания. Однако, при перемещении на следующую позицию машин позиционного действия и машин, проводящих полив в движении, образуется колея, способствующая образованию жидкого стока (до 18-20 % от поливной нормы) и твёрдого стока (3-5 т/га). Более того, колея, имеющая постоянно высокую влажность в течение оросительного периода и, соответственно, высокую степень вязкости, значительно увеличивает нагрузку на движители машины, что приводит к возрастанию энергетических затрат на перемещение машины, увеличению себестоимости продукции и уменьшению её конкурентноспособности [6].
Разработанная нами конструкция дождевальной машины кругового действия, использующей дождеватели секторного полива, исключает появление перечисленных недостатков [1, 4].
208
№ 2 (38), 2015
ИЗВЕСТИЯ
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА
Рисунок 1 - Дождевальная машина кругового действия
При разработке конструкции дождевальной машины ставилась задача обеспечения экологической безопасности полива, повышения надёжности её работы, снижения энергетических затрат на перемещение, обеспечения заданной интенсивности и структуры дождя.
209
№ 2 (38), 2015
ИЗВЕСТИЯ
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА
Многоопорная дождевальная машина кругового действия (рис. 1а) включает неподвижную опору 1 (А - участок от неподвижной опоры до первой тележки; Г - гибкий пролёт; ЖК - жесткий короткий пролёт; ЖД - жёсткий длинный последний пролёт; КК - короткая консоль; КД - длинная консоль), самоходные тележки 2, водопроводящий трубопровод 3 с концевым дождевальным аппаратом 4.
На водопроводящем трубопроводе 3 смонтированы дождевальные аппараты 5, направленные в сторону, противоположную движению машины. Для привода самоходных тележек 2 предусмотрен мотор-редуктор 6, установленный на колене водопроводящего трубопровода 3. Мотор-редуктор 6 соединён с помощью муфты 7 с приводным валом 8, который установлен на подвесных подшипниках 9, закреплённых на водопроводящем трубопроводе 3 у самоходных тележек 2. На приводном валу 8 установлены приводные звёздочки 10 (рис. 1б) цепных передач 11. Перед каждым подвесным подшипником 9 предусмотрено карданное соединение 12. Самоходные тележки 2 опираются на пневматические шины 13, имеющие приводные звёздочки 14. Дождевальные аппараты 5 смонтированы на Г-образных стойках водопроводящего трубопровода 3 с помощью резьбовых патрубков 15 (рис. 1в). Резьбовые патрубки 15 сопряжены с расширительными камерами 16, корпус 17 которых имеет резьбовые патрубки 18 для установки дождевальных стволов 19, во внутренней полости которых установлены спиральные направляющие 20. Дождевальные стволы 19 установлены на Г-образных стойках 21 под углом а к вертикальной плоскости равным 29...350, а угол между стволами в горизонтальной плоскости равен 25...30. Длина горизонтальной части Г-образной стойки 21 принята из расчёта размещения орошаемой площади 22 за опорными колёсами 13 самоходной тележки 2.
Синхронизация движения самоходных тележек 2 обеспечена подбором передаточного отношения цепной передачи от приводного вала 8 к звёздочкам 14 пневматических шин.
Многоопорная дождевальная машина кругового действия работает следующим образом.
Перед началом работы на водопроводящий трубопровод 3 устанавливаются дождевальные аппараты 5 с расходом, увеличивающимся от неподвижной опоры до концевого дождевального аппарата 4. На приводной вал 8 устанавливаются приводные звёздочки 10, а опорные пневматические шины 13 приводные звёздочки 14 исходят из условия синхронизации движения самоходных тележек 2. Включается подача воды в водопроводящий трубопровод 3 и мотор-редуктор 6. Машина начинает движение по кругу, при этом вода под напором подаётся в дождевальные аппараты 5. В расширительной камере 16 вода распределяется по каналам и подаётся в дождевальные стволы 19. При взаимодействии со спиральными направляющими 20 поток приобретает вращательное движение левосторонней направленности, что вызывает повышение биологической активности оросительной воды [5]. Вращающийся поток за счёт центробежных сил разрушается на капли и поступает на поверхность почвы в виде эллипса (рис. 1г). При этом увлажнённые участки от соседних дождевальных аппаратов соприкасаются и образуют равномерно увлажнённую поверхность биологической активной водой, что значительно повышает урожайность сельскохозяйственных культур. Перемещение опорных колёс по неувлажнённой почве значительно снижает энергетические затраты на выполнение технологического процесса.
Так как привод самоходных тележек выполнен от мотор-редуктора 6 и не используется напорная вода для этой цели необходимо определить расходно-напорные характеристики усовершенствованной конструкции дождевальной машины.
210
***** известия *****
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА
№ 2 (38), 2015
На дождевальной машине кругового действия расход каждого дождевального аппарата определяется по формуле [2]:
_ 4^Днг Ян _ R2 '
где Q - расход машины, м3/с; RH - расстояние данной насадки до центра вращения, м3/с; г -ширина захвата насадки, м; R - радиус орошения, м.
Расход воды в трубопроводе изменяется по длине, поэтому рационально применять трубопровод переменного сечения.
Трубопроводы таких машин следует проектировать, исходя из постоянства скорости движения воды, по формуле:
D_Dn
N
R2 -
q + Q^r
q + Q
Полный расход машины Q, с учетом расхода воды q, который должен быть выдан на круг с радиусом г и обеспечивал бы равномерное орошение всей круговой площади радиусом R, определяется из условия равенства расходов на единицу площади
q Q г
или q
nr‘
nR2
QR2 .
Расход воды Qr через произвольное сечение трубопровода на радиусе
Rz_rz
дет Qr _ Q - Q— _ Q ^
Скорость воды в этом сечении площадью ш
Q R2 - г2
V _ —--------.
ш R2 .
Элементарные потери напора на бесконечно малом участке длиной трубопровода dl диаметром D
dl(Q R2-r242 dH _!—(-•———
D R2
где A - коэффициент потерь напора в трубах.
Полные потери насоса по всей длине трубопровода определяются из
„ XQ2 fR (R2-r2\L
ния Н _------- L I —— I dl.
2аОы2 J0 \ R2 )
2qDu>2
Так как длина машины R - величина постоянная, то
R
Н _ „ J (R2 - г2) dl .
2qDu2R4,
После интегрирования получаем
8
Н _ —
AQ2
15 2qDw
■R
Так как — _ V0, то получаем Н _ 0,531^ • ;
Так как известная формула Дарси-Вейсбаха для потока воды в трубе имеет вид
I V2
Нт _ X— •— то можно заключить, что потери напора в трубопроводе машины «Фрегат» равны Н _ 0'53Ят.
По полученной величине потерь H подбирается насосно-силовое оборудование.
211
№ 2 (38), 2015
ИЗВЕСТИЯ
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА
Разработанная конструкция дождевальной машины позволяет получать мелкодисперсное дождевание с каплями диаметром 0,4.. .0,9 мм [3].
Коэффициент эффективного полива с учётом агротехнических требований составляет не менее 0,7 - то есть более 70 % площади поливается с интенсивностью дождя не менее 0,75 рт и не более 1,25 рт, где рт - средняя интенсивность дождевания, определяемая по формуле:
Рт 60Q^sp ,
где Asp - рассредоточенная площадь дождевания, на которую в едином технологическом процессе вносят заданную поливную норму.
Предварительные результаты проведённых на модели лабораторных испытаний дождевателя секторного полива подтвердили его соответствие основным агроэкологическим требованиям к размеру экологически допустимой поливной норме.
Результаты проведенных на модели лабораторных испытаний дождевателя секторного полива позволили установить среднюю интенсивность дождя рт = 0,2.
Необходимый напор при длине 337,4 м, числе самодвижущихся тележек 1, 2 и расхода 45 л/с Н = 0,26 мПа.
Снижение необходимого напора вызвано тем, что привод самодвижущихся тележек выполнен от мотор-редуктора, а не от гидроцилиндра, использующего напор оросительной воды.
Таблица - Зависимость размера достоковой поливной нормы (м3/ га) _______от параметров дождя дождевателя секторного полива_____
Средний размер Интенсивность дождя, мм/мин
капель, мм 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50
0,5 1314 1131 936 805 739 702 663 594 592
1,0 764 660 547 474 426 403 381 334 310
1,5 409 325 291 252 229 215 195 187 186
Разработанный дождеватель образует гранулометрический состав дождя с 8592 % содержанием размера капель 0,5-1,0 мм. Это позволяет даже при увеличении интенсивности дождя на 70 % (с 0,34 до 0,5 мм/мин) производить полив почвы в границах экологически допустимой поливной нормы для светло-каштановых почв Волгоградской области.
Библиографический список
1. Дождеватель-активатор секторного полива [Текст]: патент 25257669с2 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. Лебедев, Б.М. Дождевальные машины [Текст] /Б.М. Лебедев. - Изд. 2-е, перераб. и доп. - М., «Машиностроение», 1977. - 244 с.
3. Мелиорация и водное хозяйство. Орошение [Текст] : справочник /Под ред. Б.Б.Шумакова. - М.: Колос, 1999. - 432 с. : ил.
4. 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.
5. Моханди, Р. Лечебная сила воды. Секреты индийских мудрецов [Текст] / Р. Мо-ханди.- СПб : Питер, 2006. - 128 с. : ил.
6. Семененко, С.Я. Экологическая оптимизация полива дождеванием кормовых культур аридной зоны [Текст]: монография / С.Я. Семененко. - Волгоград: ФГБОУ ВПО Волгоградский ГАУ, 2012. - 208 с.
E-mail: [email protected]
212
