Теоретическое обоснование параметров многоствольного дождевального аппарата Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

АГРОПРОМЫШЛЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ

УДК 631.67

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ МНОГОСТВОЛЬНОГО

ДОЖДЕВАЛЬНОГО АППАРАТА

С.Я. Семененко, доктор сельскохозяйственных наук, профессор В.Г. Абезин, доктор технических наук, профессор А.Г. Беспалов, аспирант

Волгоградский государственный аграрный университет

Обоснование параметров разработанной конструкции многоствольного дождевального аппарата позволяет обеспечить дальнейшее совершенствование технологии орошения дождеванием. Полученные параметры траектории полета дождевальных струй позволят определить конструкции новых дождевальных аппаратов и их совершенствование.

Ключевые слова: дождевание, многоствольный, интенсивность, структура дождя, траектория, дальность полета.

Дождевание - один из самых распространенных способов орошения сельскохозяйственных культур [1].

К достоинствам данного способа орошения следует отнести возможность комплексной механизации, низкие энергетические затраты, простота в обслуживании. При дождевании с поливной водой можно вносить растворенные минеральные удобрения, микроудобрения, а также предварительно подготовленные органические удобрения в составе животноводческих стоков [2]. Для качественного распределения элементов питания по полю раствор удобрений смешивают с поливной водой [4, 5].

Определяющими параметрами искусственного дождя являются его интенсивность и структура, характеризующаяся размером капель, слоем осадков за один цикл полива и равномерностью распределения по орошаемому полю [1].

Известные дождевальные аппараты и насадки не отвечают агротехническим требованиям как по интенсивности, так и по структуре дождя.

Нами разработана конструкция многоствольного дождевального аппарата для мобильной оросительной техники (рис. 1).

Рисунок 1 - Многоствольный дождевальный аппарат для мобильной

оросительной техники

Многоствольный дождевальный аппарат включает подводящую трубу 1 с расширительной камерой 2. К расширительной камере 2 с помощью резьбы закреплена крышка 3. К крышке 3 с помощью резьбы 4 закреплены два верхних ствола 5, во внутренней полости стволов 5 выполнены винтовые направляющие 6 с левосторонней навивкой. Верхние стволы 5 установлены в крышке 3 под углом 450 к горизонту и отклонены от осевой линии подводящей трубы 1 на угол 5 ... 60. Два средних ствола 7, также имеющих винтовые направляющие, установлены в крышке 3 с помощью резьбы под углом 30 ... 350 к горизонту и отклонены от осевой линии подводящей трубы 1 на угол 15 ... 200, нижний ствол 8, установленный в крышке 3 с помощью резьбы под углом 20 . 250 к горизонту, имеет во внутренней полости винтовую направляющую с

левосторонней навивкой и направлен по осевой линии подводящей трубы 1.

Экспериментально установлено, что с учетом сопротивления воздуха и воздействия ветра форма площади орошения принимает форму эллипса.

С учетом экспериментальных данных формы площадей орошения 9 от верхних стволов будут располагаться, как показано на рисунке 1. От средних стволов форма и размещение площадей орошения 10, а от нижнего ствола - 11.

При движении мобильного дождевального агрегата в направлении скорости V дождевальный аппарат будет обеспечивать равномерную площадь орошения (заштриховано).

Многоствольный дождевальный аппарат работает следующим образом.

При движении дождевального агрегата по полю в подводящую трубу 1 под напором подается оросительная вода, в расширительной камере 2 вода равномерно распределяется по каналам крышки 3 в стволы 5, 7, 8. Во внутренней полости стволов вода взаимодействует с винтовыми направляющими 6 и приобретает вращательное

2

движение левосторонней направленности. При таком движении вода изменяет свою структуру и ее биологическая активность повышается. Струя воды, вытекающая из насадки, разбивается на три характерные части: компактную, частично-раздробленную и распыленную в пределах частично раздробленной части струй. Сплошность потока жидкости нарушается, струя постепенно расширяется, чему способствует вращение потока, в распыленной части происходит окончательный распад потока на отдельные капли. Из-за вращения потока капли будут иметь очень маленькую величину, поэтому при взаимодействии с почвой не будут разрушать ее структуру и обеспечивать равномерное увлажнение. Кроме того, распределение площадей орошения 9, 10, 11 по направлению движения позволяет обеспечить равномерное впитывание почвой оросительной воды без образования стока.

Мелкодисперсное орошение сельскохозяйственных культур водой с повышенной биологической активностью позволяет повысить эффективность использования оросительной воды и урожайность сельскохозяйственных культур, а увеличенная ширина захвата дождевального аппарата обеспечивает снижение числа проходов машин по полю.

При выходе струи воды из ствола дождевального аппарата её составляющие будут перемещаться со скоростью ^.

В различных точках траектории скорость V0 будет направлена под углами а1, а2, а3 и т.д. к горизонту и зависит от величины скорости в стволе.

Если пренебречь силами сопротивления воздуха, то составляющие струи будут находиться под действием только силы веса G.

Начальные условия движения струи

Первый интеграл уравнения х = 0 будет х= с1. При начальных условиях t =

0, х = V0cos а или с1 = V0cos а . Заменив х на ёх/ё{ и проинтегрировав уравнение х = У0 соБа, получим:

Для определения уравнения траектории движения составляющих струи необходимо из уравнений движения исключить время.

Определив I из уравнения (4) и подставив его в уравнение (5), получим уравнение траектории составляющих струи воды, вышедшей из ствола дождевального аппарата:

t = 0, х = 0, z = 0,

x = V0 cos a, z = V0 sin a

(1)

Дифференциальные уравнения движения в проекциях на оси х и z имеют вид

тх = 0, mz = —mg

(2)

После сокращения на массу m получим:

х = 0, z = —g

х = V tcosa + .

o 2

Для начальных условий t = 0, x = 0, c2 = 0.

Таким образом x = V0t cos a.

(3)

(4)

Интегрирование второго дифференциального уравнения % = и подстановка начальных условий дает:

gt2 .

О

2

¥ gX2 . (6)

z = xtga------------- — v 7

2Vo cos a

Таким образом, траектория движения составляющих струи воды, вышедшей из ствола дождевального аппарата будет парабола, описываемая уравнением (6).

Траектория полета составляющих струи зависит от начальной скорости выхода струи из сопла, угла а к горизонту и времени, а в системе координат 0 х z задано уравнениями

х = S = Vt cosat (7)

О

z = V tsina — gt2 (8)

o 2

Дифференцируя уравнения движения по времени, найдем

V = x = V cosa,

X О у

V = z = V sina—gt, (9)

V n О ?

откуда

V = vV,2 + V2 =JK2 — 2V[lsina- gt + g2t2 .

Ускорение составляющих струй

(10)

а = X = 0; а = z = —g.

X 5 z °

Следовательно, ускорение точки а = g.

Несмотря на то, что а = const, движение струи не является равнопеременным, так как условием равнопеременности является постоянство касательного ускорения ат = const. В рассматриваемом движении значение ат - переменно.

Находим ат, дифференцируя выражение (10)

„ _____g(Vo sina — gt) _ g(Vosina — gt)

а = V = —i =• =-----------------. (11)

л/Vo2 — 2Vosina- gt = g 2t2 V

Определим высоту траектории движения, т.е. координату наивысшей точки траектории.

Так как Vz = 0, то, подставив это значение в уравнение (9), найдем время движения струи до точки А (время подъема)

,,=. (12)

g

Подставив значение tA в уравнение (8), получим высоту траектории

V2

Z A =----sina. (13)

A 2g

__ K sina

Общее время движения струи t = t1 + t2, где tj = —-------время подъема струи

g

до точки А; t2 - время падения струи,

Jk2 • sin2 a + 2gh

12 =------------------ (14)

2g

K sin a ylVo2 • sin2 a + 2gh

ti =----------+---------------------. (15)

g g

Подставив значение времени полета в уравнение (7), получим дальность полета

струи

V02 • sina-cosa + V0 cosa^jV02 • sin2a + 2gh

S =----------------------------------------------. (16)

g

Таким образом, в зависимости от угла установки ствола дождевального аппарата к горизонту поливные площади будут располагаться, как показано на рисунке, что обеспечивает равномерное увлажнение почвы и повышение урожайности сельскохозяйственных культур.

Сопротивление воздуха оказывает влияние на дальность полета струи оросительной воды, но закономерность распределения орошаемых площадей от этого влияния не изменяется. Без учета сопротивления воздуха максимальная дальность полета струи, определенная по уравнению 16 будет при угле установки ствола дождевального аппарата равном 450. Однако с учетом сопротивления воздуха максимальная дальность полета, установленная экспериментально будет при угле а между осью струи и горизонтальной плоскостью составляет 30 ... 320.

Библиографический список

1. Абезин, В.Г. Совершенствование технологии орошения сельскохозяйственных культур дождеванием [Текст] / В.Г. Абезин, С.Я. Семененко, В.Ф. Лобойко // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса : наука и высшее профессиональное образование. -2012. - № 1 (25). - С. 130-134.

2. Абезин, В.Г. Современные технологии и технические средства повышения эффективности оросительных систем [Текст] / В.Г. Абезин, А.Л. Сальников // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса : наука и высшее профессиональное образование. -2012. - № 1 (25). - С. 138-142.

3. Абезин, В.Г. Совершенствование конструкций машин для орошения дождеванием [Текст] / В.Г. Абезин,, Д.В. Скрипкин // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. - 2012. - № 2 (26). - С. 150-156.

4. Жидков, В.М. Водопотребление томата защищенного грунта при орошении дождеванием и капельном поливе в условиях Нижнего Поволжья [Текст] /В.М. Жидков // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса : наука и высшее профессиональное образование. - 2008. - № 4 (12) - С. 76-82.

5. Удобрительное орошение : теория, технологии, технические средства [Текст]: монография / В.В. Карпунин, В.И. Филин, А.П. Сапунков, В.Г. Абезин / Поволжский НИИ экологомелиоративных технологий. - Волгоград, 2003. - 443 с. : 73 ил. - Библиогр. 155 назв.

E-mail: mshaprov@bk.ru