CC BY
4УДК 631.347
РяЗАНцЕВ Анатолий Иванович, д-р техн. наук, профессор, Рязанский государственный агротех-нологический университет имени П.А. Костычева,
КИРИлЕНКо Николай яковлевич, канд. техн наук, профессор,Московский государственный областной социально-гуманитарный институт
ТИМошИН Юрий Николаевич, канд. техн наук, доцент, Московский государственный областной социально-гуманитарный институт
АГЕйКИН Алексей Викторович, канд. техн. наук, Рязанский государственный агротехнологиче-ский университет имени П.А. Костычева
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА И ШЛАНГОВОГО ДОЖДЕВАТЕЛЯ ДЛЯ ПОЛИВА МНОГОЛЕТНИХ ТРАВ РУЛОННЫХ ГАЗОНОВ НА СЛОЖНОМ РЕЛЬЕФЕ
Рассмотрена технология полива шланговым дождевателем рулонных газонов на сложном рельефе. Предложены регулятор давления для устранения превышения напора и устройства для предотвращения бокового сползания ходовых систем. Достигается равномерное распределение искусственного дождя по орошаемой площади.
Ключевые слова: шланговый дождеватель, сложный рельеф, регулятор давления, противосполза-ющие устройства.
Anatoliy Ivanovich Ryazantsev, Nikolay Yakovlevich Kirilenko, Yuriy Nikolaevich Timoshin, Aleksey Viktorovich Ageykin
IMPROVING THE TECHNOLOGICAL PROCESS AND THE HOSE SPRINKLING MACHINE FOR WATERING PERENNIAL GRASSES OF ROLL LAWN ON COMPOSITE TOPOGRAPHY
The technology of watering hose sprinkler rolled lawn on difficult terrain. Offered pressure regulator to address the head and the device to prevent the side slipping of running systems. Results in an even distribution of artificial rain on irrigated land.
Key words: adjust the sprinkler hose, complex relief, pressure regulator, not slipping device
Снижение себестоимости производства многолетних трав рулонных газонов и повышение качества продукции актуально и востребовано как в России, так и за рубежом. При этом эффективным этапом возделывания остается полив дождеванием.
В последние годы в стране наблюдается рост количества полосовых шланговых дождевателей различных конструкций и производителей. Их доля в структуре парка поливных машин Российской Федерации превышает 5% при площади полива более 100 тысяч гектаров. В перспективе данные машины могут обслуживать до 20% орошаемых земель.
Одним из основных требований по совершенствованию полосовых дождевателей является улучшение качественных характеристик искус-
ственного дождя и достижение более равномерного его распределения по орошаемой площади, особенно на сложном рельефе.
Это актуально при внедрении в указанных условиях новой совершенной технологии создания рулонных газонов, благодаря которой в максимально короткий срок возможно получить на любом озеленяемом объекте качественный, уже через две недели готовый к эксплуатации газон, отвечающий всем необходимым техническим и эстетическим требованиям. Многолетние травы рулонных газонов нашли широкое применение в сельскохозяйственном производстве для устранения развития сорняков под деревьями в садах, питомниках; для укрепления и защиты от водной эрозии мелиоративных каналов оросительных и осушительных сетей, откосов автомобильных и
© Рязанцев А. И., Кириленко Н. Я., Тимошин Ю.Н., Агейкин А В.,2014 г.
железных дорог, мостов, эстакад; для уменьшения пылеобразования, поглощения шума, регулирования температуры, очищения воздуха, улучшения экологической обстановки; травяной газон служит покрытием при создании специализированных ландшафтных объектов.
При дождевании полосовыми дождевателями склонов с газонной травой зачастую наблюдается резкое снижение равномерности распределения дождя и возникновение ирригационной эрозии почвы как в продольном направлении движения дождевальной тележки (за счет перепада геодезических высот), так и в поперечном, перпендикулярном движению тележки (за счет ее бокового сползания).
Исходя из изложенного, возникает задача исследования влияния на равномерность распределения дождя перепада геодезических высот в продольном и поперечном направлениях и разработки усовершенствованного регулирующего устройства, а для исключения бокового сползания тележки - противосползающих устройств.
Одним из основных показателей качества полива является равномерность распределения слоя осадков по орошаемой площади, характеризуемая коэффициентом эффективного полива, который по агротехническим требованиям должен составлять не менее 0,70.
Выравнивание слоя осадков на участке с положительным уклоном возможно посредством увеличения на соответствующую величину давления на входе в полиэтиленовый шланг при его положении на нулевом уклоне. При положении дождевальной тележки на отрицательном уклоне устранение превышения напора может быть обеспечено оснащением шлангового дождевателя регулирующим устройством.
Рис. 1 - Зависимость коэффициента эффективного полива дождевателя от продольного уклона орошаемой поверхности Длина размотанного шланга:
1 - L=100 м;
2 - L=200 м; 3 - L=350
Зависимость коэффициента эффективного полива Кэф.п. от величины отрицательного уклона орошаемой полосы, определяющего значение расхода воды дождевальным аппаратом, и, в конечном счете, равномерность распределения слоя осадков, представлена графически (рисунок 1) с использованием эмпирического выражения: Кэф.п. = 0,782 - 0,0104Ц (1)
где: Ь - длина размотанного шланга, м; I - коэффициент, определяющий продольный уклон.
Как видно из рисунка 1, при орошении шланговым дождевателем участков с уклоном до 0,10 коэффициент эффективного полива Кэф.п. при полностью размотанном шланге (Ь= 350 м) снижается с 0,78 до 0,42. При подтягивании полиэтиленового шланга равномерность полива улучшается. В среднем при уменьшении длины орошаемой полосы Кэфп. составляет 0,60 против требуемого значения 0,70.
Ухудшение равномерности полива шланговым дождевателем на сложном рельефе определяется в ряде случаев также и наличием поперечного уклона (до 0,08...0,10), вызывающего сползание дождевальной тележки на величину до 10 м и более относительно направления ее движения при подтягивании шлангом. Это обусловлено перекрытием дождем уже ранее политой другим дождевателем соседней полосы слева (по ходу движения) и соответственно - недополив полосы справа. Наряду со снижением равномерности дождевания, в зоне переполива значительно повышается возможность, из-за увеличенного слоя осадков, возникновения поверхностного стока воды и, как следствие, водной эрозии почвы.
5 0,2
►......=............
——^
Величина сползания дождевальной тележки на поперечном уоонеи
Рис.2 - Изменение коэффициента эффективности полива от величины сползания дождевальной тележки дождевателя 1 - без учета продольного уклона; 2 - с учетом продольного уклона ¡пред = 0,1 и при среднем значении длины растянутого шланга 150 м; 3 - с учетом продольного уклона ¡прод = 0,10 и полностью растянутом шланге (350 м)
Фактический коэффициент эффективного полива Кэф.. на участке с поперечным уклоном будет иметь значение:
Кэф = Кэф.п. - Кс.п., (2)
где Ксп. - коэффициент снижения эффективности полива.
Так, значение коэффициента эффективного полива, равное 0,80, соответствующее безуклонному направлению движения тележки, снижается до агротехнически недопустимой величины (0,67 и ниже) при ее сползании свыше 8 м. С учетом же значения продольного уклона 0 = 0,10) и при максимальной длине орошаемой полосы (350 м) - до 0,40 и менее, а при ее уменьшении - в среднем до 0,45...0,50 (рисунок 2).
Исходя из вышеизложенного, для обеспечения качественного и экологически безопасного полива
шланговым дождевателем в условиях сложного
рельефа, характеризуемого продольными и поперечными уклонами орошаемой полосы, необходимо оснащение дождевальной тележки соответственно усовершенствованным автоматическим регулятором давления [3] (для устранения превышения напора от перепада геодезических высот) и устройствами для предотвращения бокового сползания ее ходовых систем [1,2, 4-8].
Для регулирования расходно-напорных характеристик предложен усовершенствованный регулятор непрямого действия. Усовершенствование регулирующего устройства заключается в увеличении его проходного сечения в целях обеспечения пропуска требуемого для дождевателя расхода воды, равного 18 л/с против 12,5, присущего серийной модификации (при давлении на выходе из регулятора около 0,45 МПа) (рисунки 3, 4).
1 - корпус; 2 - клапан; 3 - чувствительный элемент; 4 -
выходной патрубок; 5 - выходные кромки; 6 - кольцевой зазор; 7 - конический клапан; 8 - цилиндрическая вставка; 9 - входной патрубок 10 - шток; 11 - входное боковое проточное окно; 12 -манометр; 13 - крышка; 14 - втулка. Рис. 3 - Усовершенствованный регулятор давления
♦- серийный;
▲- модернизированный регулятор Рис. 4 - Расходно-напорные характеристики
усовершенствованного и серийного регуляторов давления непрямого действия
Для исследования точности регулирования регулятора запишем уравнения движения чувствительного элемента:
где рвх, рвых - давление на входе и выходе из регулятора, Па; ра - атмосферное давление, Па; к - жесткость пружины, Н/м; х - поджатие пружины, м; тш - масса штока, кг; /с Бтр - коэффициент сопротивления, кг/с; Fтр - сила трения штока, Н.
Для решения уравнения (3) использовались численные методы. Расчет показал, что точность регулирования модернизированным регулятором составила ± 4.5 % по сравнению с ±10% для серийного регулятора. Это объясняется тем, что площадь проходного сечения усовершенствован-
ного регулятора имеет большее значение (2640 мм2), а соответственно возвращающая сила имеет большее значение по сравнению с серийным регулятором (706 мм2) (рисунок 3) при одинаковой силе трения в поршне регулятора.
Экспериментальные исследования регулятора подтвердили теоретические результаты. Результаты испытаний усовершенствованного регулятора давления показали, что усовершенствованный образец обеспечивает расчетный пропуск расхода воды в пределах 17,6.18,4 л/с при давлении на входе 0,45.0,85 МПа, а на выходе 0,43.0,47 МПа (рисунок 4). При этом точность регулирования усовершенствованного регулятора составляет +4,5% против + 10% для серийного.
Математическая обработка результатов эксперимента выявила, что зависимость расхода от величины напора воды и площади проходного сечения определяется регрессионным выражением: Q = 14,3+1790-® (4)
где ® - площадь проходного сечения, м2.
Из выражения (4) следует, что расход, проходящий через регулятор, не зависит от напора на входе. Это подтверждает эффективность регулятора давления (то есть давление на выходе из регулятора близко к постоянному значению).
Для оценки характеристик сползания тележки дождевателя по наклонной поверхности на рисунке 5 приведена схема сил, действующих на нее. Сползание прекращается тогда, когда равнодействующая сил, направленных на сползание, уравновешивается проекцией силы трения на поперечное направление.
С учетом сил, действующих на тележку при ее сползании, выразим уравнение движения тележки в боковом направлении: (5)
Рс = Рcos/3 + mgsina -(mgcosa +Prsm/3)-<pc
сц
где Рг - реактивная сила струи, Н; р - угол вылета струи, град; а - угол поперечного уклона участка, град; фц - коэффициент трения (бокового сцепления) тележки о почву; т - масса тележки, кг; § - ускорение свободного падения, м/с2.
Для того чтобы тележка пришла в движение в боковом направлении, необходимо, чтобы правая часть уравнения (5) была положительной. При этом произойдет сползание тележки с прямолинейной траектории. Сползание прекратится тогда, когда сила трения будет такой величины, чтобы компенсировать силу сползания.
Зависимость величины сползания от коэффициента трения с почвой представлена на рисунке 5. Как видно, при коэффициентах использования сцепления с почвой (фисп), равного 0,4 и менее, и расходах воды, равных 18...14 л/с, сползание тележки может достигать 10 и более метров при поперечных уклонах участка полива i=0,05-0,10 (3,10- 6,30).
Исходя из вышеизложенного, можно заключить, что для предотвращения бокового сползания тележки дождевателя в практически встречающихся почвенно-рельефных условиях при орошении рулонных газонов необходимо увеличивать коэффициент сцепления ее ходовых систем с почвой и уменьшить расходную характеристику дождевального аппарата.
Сползание тележки дождевателя на склоновых участках определяется тем, что, во-первых, пневматические шины тележки имеют недостаточное боковое сцепление вследствие малой боковой поверхности части шин, погруженной в почву, и, во-вторых, величинами реактивной силы струи дождевального аппарата, поперечного уклона орошаемой поверхности, видом ее агрофона, установленным режимом полива.
Для обеспечения максимального бокового сцепления пневматических колес тележки с почвой предлагается их оснащение противосползающими устройствами, представляющими собой трубчатые реборды (рисунок 6), которые устанавливаются в диаметральной плоскости шины с ее внешней стороны. Конструктивная компоновка реборд противосползающих устройств и их параметры выбирались из условий минимального нарушения поверхности трав рулонных газонов и гарантированного предотвращения сползания дождевальной тележки дождевателя на поперечном уклоне.
1, 2, 3 - расход воды Q дождевальным аппаратом, соответственно 14, 16, 18 л/с Рис. 5 - Зависимость величины сползания тележки дождевателя от коэффициента использования ее сцепления с почвой (ф„сп=фсц - 1)
Рис. 6 - Схема к определению параметров реборды колеса тележки дождевателя на поперечном склоне
Исходя из уравнения сползания и геометрических параметров реборды, значение напряжения смятия ^см1) в почве в поперечном направлении (при условии полного заглубления реборды и отсутствия проскальзывания) определяется по формуле:
Pr-{cos •sin fi)-mg-(coi, a-(p: -ima) ■ (6)
SaV
Величины напряжения смятия (qCM2) почвы в нормальном направлении и ширины реборды
(b) могут быть определены по выражениям (7, 8): Pr -sin /З+mgcosa
Я
см1
4
г"—{г—И) -Ъ
]1_!>, -sin j3+mg-cosa r2—(r—h)2 qCM
(7)
(8)
Исходя из допустимой глубины погружения реборды (h=15...20 мм) в почву и допускаемых напряжений смятия рулонных газонов ширина реборды принимается равной 0,035 м.
Как показали исследования, коэффициент бокового сцепления для тележки на серийных колесах при поливной норме 100 м3/га составляет около 0,50, а при т = 400 м3/га - около 0,35. При оснащении этой тележки противосползающими устройствами коэффициент бокового сцепления при увеличении норм полива от 100 до 400 м3/га изменяется в среднем от 0,70 до 0,50, что на 40.42% больше соответствующих величин коэффициента бокового сцепления для серийного исполнения ходовых систем.
При этом регрессионная зависимость величины сползания тележки от уклона орошаемого участка и его сцепных свойств имеет вид: S = -533,8ф(фсц - i -0,31) - 7251,0 (фсц - i - 0,31)2. (9)
Анализ зависимости показывает, что сползание тележки исключается при коэффициенте сцепления фсц > 0,40.
Проведенные исследования показали, что оснащение шлангового дождевателя усовершенствованным регулятором давления обеспечило на всей длине орошаемой полосы с отрицательным продольным уклоном ¡=0,08...0,10 постоянное значение расхода воды (слоя осадков) дождевальным аппаратом, равное 18±0,4 л/с. При работе дождевателя без регулятора давления при полностью вытянутом шланге (в начале полосы) расход составляет около 24 л/с, а затем по мере передвижения дождевальной тележки расход уменьшается и в конце полосы он становится равным искомому значению 18 л/с. Это обуславливается изменением (за счет перепада геодезических высот) давления в среднем от 0,80 МПа в начале полосы до 0,50МПа - в конце.
Отмеченное подтверждается постоянством по всей площади орошения величины среднего слоя осадков, равной 30 мм, против ее изменения от 30 до 38 мм при поливе без регулирующего устройства (рисунок 7). При этом равномерность распределения дождя шланговым дождевателем с регулятором давления, характеризуемая коэффициентом эффективного полива (Кэф.п), составляла по всему орошаемому участку в среднем около 0,80 против его изменения без регулирования давления от 0,42 в начале полива до 0,80 - в конце или при среднем значении Кэф.п (при длине растянутого шланга L = 150 м), равном 0,60.
40 35 30 25 20 15
к.мм 1
2
50
100
150
200
250 300 £>Л
Рис. 7 - Распределение слоя осадков (И мм) по длине орошаемой полосы (Ь,м) с продольным уклоном 1 под = 0,10
h.MM 1 Л
2
» ' Г
Л v Л i В 1 i с \
1 1 [
100 150 200
III иримз ээчьэта при трех проходах
В,м
1 - при отрицательном поперечном уклоне;
2 - при нулевом поперечном уклоне Рис. 8 - Распределение слоя осадков (к мм )
по ширине захвата при трех его смежных проходах (В,м ) и поперечном уклоне участка 1 поп = 0,10
При сползании дождевальной тележки дождевателя на участке с поперечным уклоном 1поп = 0,10 до 10 и более метров наблюдалось на такую же величину увеличенное перекрытие дождем соседней ранее политой другой машиной полосы и недополив смежной с противоположной стороны. В месте переполива (увеличенного перекрытия) слой осадков от дождевателя с регулятором давления достигал 60 мм, а в зоне недополива не превышал 0.2 мм (рисунок 8). Это сказалось на уменьшении коэффициента эффективности полива Кэф.п с 0,80 до 0,67 или на 16,3%. Оснащение дождевальной тележки противосползающими устройствами предотвращает при поливной норме т = 300 м3/га ее сползание в поперечном направлении, что в совокупности с регулятором давления обеспечивает при поливе в условиях сложного рельефа равномерность распределения дождя в пределах агротехнических требован ий (Кэф.п составлял не менее 0,75.0,80).
На рисунке 9 представлена зависимость коэффициента полива от величин сползания тележки и напора на его входе, регрессионный вид которой следующий:
Кэфп=0,47+0,008 Н-0,009^-5,38 Н2 10-5. (10)
Рис. 9 - Зависимость коэффициента полива от величин сползания тележки и напора на ее входе
Библиографический список
1. Пат. 2381647 Российской Федерации, МПК A01G25/09. Дождевальная установка [Текст] / Ря-занцев А.И., Кириленко Н.Я., Агейкин А.В. - № 2008140080; заявл. 10.10.2008; опубл. 20.02.2010, Бюл. № 5. - 3 с.
2. Пат. 76545 Российской Федерации, МПК A01G25/09. Дождевальная установка [Текст] / Ря-занцев А.И., Кириленко Н.Я., Агейкин А.В. - № 2008113303; заявл. 09.04.2008; опубл. 27.09.2008, Бюл. № 27. - 2 с.
3. Пат. 90914 Российской Федерации, МПК
A01G25/09. Регулятор давления [Текст] / Ря-занцев А.И., Кириленко Н.Я., Агейкин А.В. - № 2009141954; заявл. 13.11.2009.; опубл. 29.01.2010, Бюл. № 2. - 2 с.
4. Пат. 92297 Российской Федерации, МПК А0^25/09. Дождевальная установка [Текст] / Ря-занцев А.И., Кириленко Н.Я., Агейкин А.В. - № 2009146802; заявл. 16.12.2009; опубл. 20.03.2010, Бюл. № 8. - 1 с.
5. Пат. 96316 Российской Федерации, МПК А0^25/09. Дождевальная установка [Текст] / Ря-занцев А.И., Кириленко Н.Я., Агейкин А.В. - № 2010119260; заявл. 13.05.2010; опубл. 27.07.2010, Бюл. № 21. - 2 с.
6. Пат. 99925 Российской Федерации, МПК А0^25/09. Дождевальная установка [Текст] / Ря-занцев А.И., Кириленко Н.Я., Агейкин А.В. - № 2010134179; заявл. 16.08.2010; опубл. 10.12.2010, Бюл. № 34. - 1 с.
7. Пат. 103705 Российской Федерации, МПК А0^25/09. Дождевальная установка [Текст] / Ря-занцев А.И., Кириленко Н.Я., Агейкин А.В. - № 2011100772; заявл. 12.01.2011; опубл. 27.04.2011, Бюл. № 12. - 2 с.
8. Пат. 105123 Российской Федерации, МПК А0^25/09. Дождевальная установка [Текст] / Ря-занцев А.И., Кириленко Н.Я., Агейкин А.В. - № 2011105343; заявл. 14.02.2011; опубл. 10.06.2011, Бюл. № 16. - 1с.
РЯЗАНЦЕВ Анатолий Иванович, д-р техн. наук, профессор, Рязанский государственный агротех-нологический университет имени П.А. Костычева КИРИлЕНКо Николай яковлевич, канд. техн. наук, профессор,
МАльКо Игорь Валерьевич, канд. техн наук, доцент, Московский государственный областной социально-гуманитарный институт
УЛУЧШЕНИЕ ТЯГОВО-СЦЕПНЫХ СВОЙСТВ ХОДОВЫХ СИСТЕМ ДОЖДЕВАЛЬНЫХ МАШИН
КРУГОВОГО ДЕЙСТВИЯ «ФРЕГАТ»
Рассмотрена технология полива площадей с пересеченным рельефом дождевальной машиной «Фрегат». Предложены очистительные устройства для ходовых систем, обеспечивающие очистку колес. Ключевые слова: дождевальные машины, почвенно-рельефные условия, тягово-сцепные свойства.
Anatoliy Ivanovich Ryazantsev, Nikolay Yakovlevich Kirilenko, Igor Valerevich Malko
IMPROVEMENT OF TRACTIVE-COUPLING PROPERTIES OF RUNNING SYSTEMS WIDE-CUT SPRINKLERS OF CIRCULAR ACTION «FRIGATE» The technology sprinkling the areas with the crossed relief a sprinkler «Frigate» is considered. The cleaning device for running systems, providing clearing of wheels is offered. Key words: sprinklers, soil-relief conditions, tractive-coupling properties.
_© Рязанцев А.И., Кириленко Н.Я., .Малько И. В., 2014 г._
