Совершенствование технологического процесса и шлангового дождевателя для полива многолетних трав рулонных газонов на сложном рельефе

Размещено на http://www.allbest.ru/

[Введите текст]

На правах рукописи

Агейкин Алексей Викторович

Совершенствование технологического процесса и шлангового дождевателя для полива многолетних трав рулонных газонов на сложном рельефе

Специальность 05.20.01 - «Технологии и средства механизации сельского хозяйства»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Мичуринск-наукоград РФ

2013



Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А. Костычева» (ФГБОУ ВПО «РГАТУ»).

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ Рязанцев Анатолий Иванович.

Официальные оппоненты:

Макаров Валентин Алексеевич доктор технических наук, профессор, Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт механизации агрохимического обслуживания сельского хозяйства,

заместитель директора по научной работе Капустин Василий Петрович доктор технических наук, профессор федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тамбовский государственный технический университет», профессор кафедры «Агроинженерия».

Ведущая организация: Мещерский филиал государственного научного учреждения «Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации им. А.Н. Костякова Россельхозакадемии».

Защита состоится «22» ноября 2013 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета ДМ 220.041.03 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Мичуринский государственный аграрный университет» (ФГБОУ ВПО «МичГАУ»), по адресу 393760, Тамбовская область, г. Мичуринск, ул. Интернациональная, 101.

Автореферат разослан «19» октября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент Ланцев В.Ю.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования

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 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 искусственного 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 железных дорог, мостов, эстакад; травяной газон служит покрытием при создании специализированных ландшафтных объектов; для уменьшения пылеобразования, поглощения шума, регулирования температуры, очищения воздуха, улучшения экологической обстановки.

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.

Цель работы - повышение эффективности технологического процесса полива полосовым шланговым дождевателем многолетних трав рулонных газонов на сложном рельефе посредством разработки механико-технологических решений по автоматическому регулированию расходно-напорных характеристик дождевального аппарата тележки и ее противосползающих устройств.

Народно-хозяйственное значение работы заключается в том, что применение при усовершенствовании шлангового дождевателя для условий сложного рельефа регулирующего автоматического устройства расходно-напорных характеристик и противосползающих устройств позволяет снизить образование поверхностных стоков воды и, как следствие, возникновение водно-почвенной эрозии, обеспечить выход большего объема высококачественной товарной продукции и соответственно снижение ее себестоимости.

Объект исследования - процесс работы регуляторов давления дождевальных аппаратов и противосползающих устройств полосового шлангового дождевателя в условиях сложного рельефа на полях с многолетними травами рулонных газонов.

Методика исследований:

Теоретический анализ технологического процесса полива полосовым шланговым дождевателем в условиях сложного рельефа, регулирования расходно-напорных характеристик дождевального аппарата и работы противосползающих устройств полосового шлангового дождевателя проведен на основе математического моделирования.

Экспериментальные исследования выполнялись в лабораторных, лабораторно-полевых и полевых условиях с использованием стандартных и частных методик, с применением метода планирования эксперимента. Обработка экспериментальных данных производилась с помощью современного программного обеспечения.

Научную новизну работы составляют:

показатели технологического процесса полива полосовым шланговым дождевателем многолетних трав рулонных газонов в условиях сложного рельефа;

конструктивно-технологические схемы усовершенствованного регулятора давления дождевального аппарата и противосползающих устройств шлангового дождевателя;

теоретическое обоснование параметров усовершенствованного регулятора давления и противосползающих устройств шлангового дождевателя;

результаты экспериментальных исследований усовершенствованного шлангового дождевателя в лабораторных, лабораторно-полевых и производственных условиях.

Практическая ценность и реализация результатов исследований:

Значение данной работы заключается в повышении эффективности орошения участков со сложным рельефом полосовым шланговым дождевателем, его эксплуатационной надежности и, как следствие, в снижении себестоимости выращиваемой продукции (многолетних трав рулонных газонов).

Научная новизна технических решений, приведенных в работе, подтверждена патентами Российской Федерации на изобретение № 2381647 и на полезные модели №№ 74757, 76545, 86765, 90914, 92297, 96316, 99925, 103705, 105123.

Результаты исследований, приведенные в работе, могут быть использованы в сельскохозяйственных предприятиях АПК, применяемых для орошения площадей со сложным рельефом, полосовые шланговые дождеватели.

Реализация результатов работы:

По результатам теоретических и экспериментальных исследований усовершенствован технологический процесс полива шланговым дождевателем в условиях сложного рельефа с разработкой и изготовлением модернизированных образцов усовершенствованного регулятора давления и противосползающих устройств. Проведение лабораторно-полевых исследований, производственных испытаний и внедрение осуществлено в хозяйствах Коломенского района Московской области: совместном российско-голландском предприятии ООО «Квинс Грасс Тарф» и ЗАО «Сергиевское».

Апробация работы:

Основные результаты исследований доложены, рассмотрены и одобрены на научных конференциях ФГОУ ВПО «Рязанский государственный агротехнологический университет им. П.А.Костычева» в 2008…2013гг., ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА» в 2008г., ГОУ ВПО «Московский государственный областной социально-гуманитарный институт» в 2007…2013гг., ФГНУ ВНПО «Радуга» в 2008г., ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства» в 2012г., на Всероссийской выставке «Золотая осень - 2012»

На защиту выносятся:

- усовершенствованный технологический процесс полива шланговым дождевателем многолетних трав рулонных газонов с использованием модернизированного регулирующего устройства дождевального аппарата дождевальной тележки и противосползающих устройств ее ходовых систем;

- закономерности регулирования расходно-напорных характеристик дождевального аппарата тележки шлангового дождевателя и поперечной устойчивости ее ходовых систем на сложном рельефе;

- параметры и режимы работы усовершенствованного регулятора давления и противосползающих устройств тележки шлангового дождевателя;

- результаты экспериментальных исследований усовершенствованного технологического процесса полива шланговым дождевателем многолетних трав рулонных газонов на сложном рельефе и экономические показатели его работы.

Публикации по теме диссертации:

Основные положения диссертации опубликованы в 35 работах, из которых 15 публикаций - в изданиях, рекомендованных ВАК, включая 5 статей, 1 патент РФ на изобретение № 2381647 и 9 патентов РФ на полезные модели №№74757, 76545, 86765, 90914, 92297, 96316, 99925, 103705, 105123.

Структура и объем работы:

Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, выводов, приложений и списка использованной литературы, который включает 109 наименований. Работа изложена на 168 страницах, из которых основной текст содержит 139 страниц машинописного текста, в том числе 78 рисунков и 21 таблицу, включая приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель и задачи исследований, народно-хозяйственное значение работы и изложены основные положения, которые выносятся на защиту.

В первом разделе «Состояние вопроса и задачи исследования» дается характеристика орошаемых площадей по рельефу, приводится краткий обзор технических средств орошения для участков со сложным рельефом, определяются технологические особенности их полива полосовыми шланговыми дождевателеми и пути их совершенствования.

Исследованием процесса полива полосовыми шланговыми дождевателеми, в том числе на сложном рельефе, занимались Винникова Н.В., Гаврилица А.А, Гаджальска Н., Гринь Ю.И., Гусейн-заде С.Х., Кремнев Ю.А., Каштанов В.В., Лебедев Б.М., Митрюхин А.А., Рязанцев А.И., Параев А.Г., Поспелов Ю.А., Сандигурский Д.Н., Сидоренко А.М., Шумаков Б.Б.

В целом, в работах отмечается неудовлетворительная работа полосовых шланговых дождевателей в условиях пересеченного рельефа по качеству полива и устойчивости движения. При этом в отмеченных исследованиях отсутствуют предложения по техническим решениям и рекомендации по улучшению качественных показателей полива шланговым дождевателем в усложненных рельефных условиях.

Использование серийного исполнения полосового шлангового дождевателя при предварительной его настройке на необходимый напор на ровном рельефе, компенсирующей в определенной степени перепад геодезических высот, не позволяет обеспечить требуемые показатели равномерности полива на рельефе с отрицательными уклонами.

Проведен анализ существующих конструктивно-технологических схем регулирующих устройств, применяемых в различных гидросистемах, и противосползающих технических решений, используемых в машинах для горного земледелия.

На основании анализа состояния вопроса и выполненных исследований сформулированы цель и задачи исследования. Для достижения намеченной цели необходима постановка и решение следующих задач:

1. Обосновать показатели технологического процесса полива многолетних трав рулонных газонов полосовым шланговым дождевателем на сложном рельефе.

2. Разработать конструктивно-компоновочные схемы и теоретически обосновать параметры усовершенствованного регулятора расходно-напорных характеристик дождевального аппарата и противосползающих устройств ходовых систем полосового шлангового дождевателя с проведением исследований в лабораторных условиях.

3. Провести лабораторно-полевые исследования и хозяйственные испытания полосового шлангового дождевателя с усовершенствованным регулятором давления дождевального аппарата тележки и противосползающими устройствами ее ходовых систем при поливе многолетних трав рулонных газонов на сложном рельефе.

4. Осуществить внедрение и выявить экономическую эффективность усовершенствованного технологического процесса и шлангового дождевателя для полива многолетних трав рулонных газонов на сложном рельефе.

Во втором разделе «Теоретические исследования работы полосового шлангового дождевателя с усовершенствованной дождевальной тележкой при поливе площадей со сложным рельефом» обосновано совершенствование технологического процесса и шлангового дождевателя для орошения в усложненных рельефных условиях.

Величина поливной нормы при работе дождевателя определяется по зависимости:

m = Q·t/F, (1)

где Q - расход воды машиной, м3/с; t - время полива, с; F - орошаемая площадь, м2.

При переводе m в средний слой осадков h (м) имеем

h=Q·t/F, (2)



откуда h/t=Q/F=сcp., где сcp - средняя интенсивность дождя, мм/мин.

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. При этом эффективно политой площадью считается площадь орошаемая со среднеэффективной интенсивностью дождя в пределах 0,75-1,25 от среднего её значения.

Выражение для m можно записать в следующем виде:

, (3)

где м - коэффициент расхода; щ - площадь сопла дождевального аппарата, м2; g - ускорение свободного падения, м/с2; Н - напор перед соплом дождевального аппарата, м; ±ДН - величина превышения или снижения напора перед дождевальным аппаратом на склоне, м, ДН =L·i, L - расстояние от точки забора воды до дождевальной тележки, м; i- уклон орошаемой поверхности.

Выравнивание слоя осадков, как отмечалось, 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 (±ДН) может быть обеспечено оснащением шлангового дождевателя регулирующим устройством.

Изменение коэффициента эффективного полива от величины отрицательного уклона орошаемой полосы, определяющего значение его расхода перед дождевальным аппаратом, и, в конечном счете, равномерность распределения слоя осадков, представлена на графической зависимости (рисунок 1) с использованием эмпирического выражения:

Кэф.п. = 0,782 -0,0104Li, (4)

где: L - длина размотанного шланга, м; i - 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 (L= 350 м) снижается с 0,78 до 0,42. При подтягивании полиэтиленового шланга равномерность полива улучшается. В среднем при уменьшении длины орошаемой полосы Кэф.п. составляет 0,60, против требуемых 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

Рисунок 1 - Зависимость коэффициента эффективного полива дождевателя от продольного уклона орошаемой поверхности



Рисунок 2 - Изменение коэффициента эффективности полива от величины сползания дождевальной тележки дождевателя

Дождевания, в зоне переполива значительно повышается возможность, из-за увеличенного слоя осадков, возникновения поверхностного стока воды и, как следствие, водной эрозии почвы. Для теоретической оценки величины снижения равномерности полива дождеванием при сползании дождевальной тележки на поперечном склоне ориентировочно считаем, что площади недополива и переполива (каждая в отдельности) определяются прямоугольным треугольником, когда в начальной стадии полива полосы тележка несколько сползает, а затем достигает максимального значения. Посредством подтягивания за шланг дождевальная тележка перемещается к барабану дождевателя. Тогда фактический коэффициент эффективности полива Кэф.. на участке с поперечным уклоном будет иметь значение:

Кэф = Кэф.п. - Кс.п., (5)

где Кс.п. - 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 (i = 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 (для устранения превышения напора от перепада геодезических высот) и устройствами для предотвращения бокового сползания ее ходовых систем.

Для регулирования расходно-напорных характеристик предложен для исследования 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) (рисунок 3).

Оценка параметров регулятора давления при его усовершенствовании производилась исходя из следующих предпосылок. Аналитическое выражение зависимости для перепада давления (Др) и для расхода через щель клапана с острой кромкой седла имеет вид:

(6)

где м -- коэффициент расхода; g и г -- ускорение свободного падения м/с2 и удельный вес жидкости Н/м3; Др = p1 -p2 -- перепад давления на клапане Па; fэ-- эффективная площадь сечения проходной щели (окна) клапана м2.

В это уравнение входит как переменная площадь проходного сечения, зависящая от высоты подъема клапана, так и переменный коэффициент расхода м. Однако при турбулентном течении жидкости, которое является преобладающим для рассматриваемого случая, можно принять с достаточной точностью м = const.

Высота подъема затвора клапана определяется по формуле:

(7)

Задавая расход (Q=18 л/с), находим высоту поднятия клапана при давлении на входе в регулятор (p=0,55-0,85 МПа) и выходе из регулятора (р=0,45 МПа) и получим требуемый рабочий ход клапана в пределах h=6-11 мм (см. рисунок 3). Определено, что обеспечение требуемого расхода воды регулятором (18 л/с) осуществляется посредством увеличения площади его проходного сечения с 706 мм2 до 2640 мм2.

Сила, действующая на клапан в верхнем положении, может быть определена по формуле:

, (8)

где: рвых=рвх - Дp, d - диаметр камеры регулирования м; dшт -диаметр штока м.



а б

Рисунок 3 - Усовершенствованный регулятор давления: а - расчетная схема; б - конструктивно-компоновочная схема; 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

Для исследования точности регулирования запишем уравнения движения чувствительного элемента регулятора:

, (9)

где pвх, pвых - давление на входе и выходе из регулятора Па; pа - атмосферное давление Па; k - жесткость пружины Н/м; x - поджатие пружины м; mш - масса штока кг; - коэффициент сопротивления кг/с; Fтр - сила трения штока Н.

Для решения уравнения (9) 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 усовершенствованного регулятора имеет большее значение (2640 мм2), а соответственно возвращающая сила имеет большее значение по сравнению с серийным регулятором (706 мм2, рисунок 2.3 б) при одинаковой силе трения в поршне регулятора. Экспериментальные исследования регулятора, проведенные в Центре стандартизации и метрологии (г. Коломна Московской области), подтвердили теоретические результаты, приведенные ниже в автореферате.

Для оценки характеристик сползания тележки дождевателя по наклонной поверхности (рисунок 4) 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:

, (10)

где Pr - реактивная сила струи, Н; в - угол вылета струи, град; бпол - угол поперечного уклона участка, град, цц - коэффициент трения (бокового сцепления) тележки о почву; g - ускорение свободного падения, м/с2.

Для того чтобы тележка пришла в движение в боковом направлении необходимо, чтобы правая часть уравнения (10) была положительной. При этом произойдет сползание тележки с прямолинейной траектории. Сползание прекратится тогда, когда сила трения будет такой величины, чтобы компенсировать силу сползания.



Рисунок 4 - Схема сил, действующих на тележку дождевателя на поперечном склоне

Рисунок 5 - Зависимость величины сползания тележки дождевателя от коэффициента использования ее сцепления с почвой (_исп=_сц - i): 1, 2, 3 - расход воды Q дождевальным аппаратом соответственно 14, 16, 18 л/с

Зависимость величины сползания от коэффициента трения с почвой представлена на рисунке 5. Как видно, при коэффициентах использования сцепления с почвой (исп) 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 (3,1-6,3).

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.

Рисунок 6 - Схема к определению параметров реборды колеса тележки дождевателя на поперечном склоне

Исходя из уравнения сползания и геометрических параметров реборды, значение напряжения смятия (qсм1) в почве в поперечном направлении (при условии полного заглубления реборды и отсутствия проскальзывания) определяется по формуле:



. (11)

Величины напряжения смятия (qсм2) почвы в нормальном направлении и ширины реборды (b) могут быть определены по выражениям 12, 13:

(12);. (13)

Исходя из допустимой глубины погружения реборды (h=15...20 мм) в почву, допускаемых напряжений qсм1 = 0,015...0,02 МПа и qсм2 = 0,5 … 0,6 МПа ширина реборды принимается равной 0,035 м.

В третьем разделе «Программа и методика исследований» представлены результаты исследования полосового шлангового дождевателя, описана конструкция лабораторного стенда, приведены рациональные параметры указанного регулятора давления и противосползающих устройств, даны описание, план участка и программа лабораторно-полевых исследований работы усовершенствованного полосового шлангового дождевателя в сложных почвенно-рельефных условиях, представлена методика планирования эксперимента, а также приведены приборы и оборудование, применяемое при лабораторных и лабораторно-полевых исследованиях.

Для проверки расчетных параметров и показателей эксплуатационной надежности регулятора давления дождевальных аппаратов проводились опыты на лабораторном стенде марки УРОКС 150М (рисунок 7 а) по регулированию давления в подводящей магистрали от 0,5 МПа до максимального 1,0 МПа с одновременным измерением указанного параметра за регулятором.

При лабораторно-полевых исследованиях серийного и усовершенствованного полосового шлангового дождевателя на участке со сложным рельефом проводилась комплексная оценка качества дождя (определялся расход дождевального аппарата, интенсивность, дальность полета и диаметр капли дождя, равномерность распределения по орошаемой площади), а также оценка показателя качества полива от почвенных характеристик газона многолетних трав и его сцепные свойства на выровненной и склоновой поверхностях.

При агротехнической и эксплуатационно-технологической оценке работы дождевателя на сложном рельефе определялись коэффициент эффективного полива и величина поверхностного стока, а также показатели его эксплуатационной надежности.

Математическая обработка результатов исследований заключалась в вероятностно- статистической оценке достоверности полученных данных наблюдений и опытов, а также аппроксимации данных расчетов и экспериментов. Для проверки результатов теоретических исследований регулятора давления дождевального аппарата и противосползающих устройств, влияния поперечного уклона и коэффициента трения на значение сползания тележки дождевателя по орошаемой площади, а также влияния изменения сползания тележки и напора перед регулятором давления на коэффициент эффективного полива были составлены рабочие матрицы планирования экспериментов.



Рисунок 7 - Общий вид лабораторного стенда для исследования регулятора давления: 1 - оборотная емкость (бак с водой); 4 - регулятор расхода; 6 - измерительный участок с испытуемым регулятором; 9 - регулятор расхода (шаровая задвижка);12 - манометр 1,6 МПа; 13 - насос; 14 - клиновая задвижка; 16 - шкаф электропитания

Рисунок 8 - Регулятор на стояке дождевальной тележки: 1 - регулятор давления; 2 - манометр; 3 - рама дождевальной тележки

Рисунок 9 - Пневматическое колесо с противосползающим устройством: 1 - реборда с опорными башмаками; 2 - пневматическое колесо; 3 - дождевальная тележка; 4 - полиэтиленовый шланг



При выполнении работы компьютерная обработка полученных данных проводилась при помощи программ для ПЭВМ: Statistika, Mathcad, Mathematica v 5.0, Excel.

В четвертом разделе «Результаты исследований» представлены результаты лабораторных исследований регулятора давления дождевального аппарата и противосползающих устройств полосового шлангового дождевателя, на основании которых были выявлены факторы, оказывающие наибольшее влияние на пропускную способность и точность поддержания регулятором и противосползающими устройствами требуемых характеристик дождевателя.

Результаты испытаний 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 10). При этом точность регулирования усовершенствованного регулятора составляет +4,5%, против + 10% для серийного.

Рисунок 10 - Расходно-напорные характеристики усовершенствованного и серийного регуляторов давления непрямого действия



Рисунок 11 - Зависимость расхода воды от величины напора и площади проходного сечения

Математическая обработка результатов эксперимента выявила, что зависимость расхода от величины напора воды и площади проходного сечения представлена на рисунке 14 и определяется регрессионным выражением:

трава полив дождеватель давление

Q = 14,3+1790, (14)

где - площадь проходного сечения, м2.

Из выражения (14) следует, что расход, проходящий через регулятор, не зависит от напора на входе, и это подтверждает эффективность регулятора давления (то есть давление на выходе из регулятора близко к постоянному значению).

Как показали исследования, коэффициент бокового сцепления для тележки на серийных колесах при поливной норме 100 м3/га составляет около 0,50, а при m = 400 м3/га - около 0,35 (см. рисунок 11). 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 для серийного исполнения ходовых систем.

На рисунке 12 представлена зависимость сползания тележки от коэффициента сцепления и поперечного наклона участка. Регрессионная зависимость величины сползания тележки от уклона орошаемого участка и его сцепных свойств имеет вид:

S = -533,8(сц - i -0,31) -7251,0(сц - i -0,31)2. (15)

Рисунок 12 - Зависимость коэффициента бокового сцепления колес тележки ()от величины поливной нормы: 1 - серийное исполнение тележки; 2- тележка с противосползающими устройствами

Рисунок 13 - Зависимость сползания тележки от уклона участка и коэффициента сцепления

Анализ зависимости показывает, что сползание тележки исключается при коэффициенте сцепления сц ? 0,40.

Лабораторно-полевые исследования шлангового дождевателя проводились на орошаемом участке Коломенского района Московской области совместного российско-голландского предприятия ООО «Квинс Грасс Тарф» при возделывании многолетних трав рулонных газонов.

Проведенные исследования показали, что оснащение шлангового дождевателя усовершенствованным регулятором давления обеспечило на всей длине орошаемой полосы с отрицательным продольным уклоном i=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 становиться 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, равному 30 мм, против его изменения от 30 до 38 мм при поливе без регулирующего устройства (рисунок 4.5). 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.

Рисунок 14 - Распределение слоя осадков() по длине орошаемой полосы () с продольным уклоном i _прод = 0,10

Рисунок 15 - Изменение коэффициента эффективного полива () по длине орошаемой полосы ()(размотанной частью шланга) при продольном уклоне i _прод = 0,10: 1 - без регулятора давления; 2 - с регулятором давления

При сползании дождевальной тележки дождевателя на участке с поперечным уклоном i поп = 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. Это сказалось на уменьшении коэффициента эффективности полива Кэф.п с 0,80 до 0,67, (рисунок 14) или на 16,3%. Оснащение дождевальной тележки противосползающими устройствами предотвращает при поливной норме m = 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 требований (Кэф.п составлял не менее 0,75…0,80).

На рисунке 15 представлена зависимость коэффициента полива от величин сползания тележки и напора на его входе, регрессионный вид которой, следующий:

Кэф.п=0,47+0,008H-0,009s-5,38 H2 10-5, (16)



Анализ регрессионного выражения (16) показывает, что при использовании регулятора давления дождевального аппарата тележки и противосползающих устройств ее ходовых систем, величина коэффициента эффективного полива на склоновом участке (i=0,08…0,10) находится в пределах агротехнических требований (Kэф.п ? 0,7).

За период проведенных исследований чистое время работы шлангового дождевателя составило 390 часов. Расчет эксплуатационно-технологических показателей производился методом контрольных смен при фактической поливной норме m=300 м3/га.

Рисунок 16 - Распределение слоя осадков () по ширине захвата при трех его смежных проходах () и поперечном уклоне участка i _поп = 0,10: 1 - при отрицательном поперечном уклоне; 2 - при нулевом поперечном уклоне

Рисунок 17 - Зависимость коэффициента полива от величин сползания тележки и напора на ее входе



За исходные для расчета данные принята систематизированная информация, полученная в результате обработки хронокарт наблюдений за работой шлангового дождевателя и нормативно-справочных материалов для эксплуатационно-технологической оценки сельскохозяйственной техники. За период проведенных исследований нарушений технологического процесса работы дождевателя не наблюдалось, а затраты времени на устранение технических отказов минимальны (0,5 часа на 390 часов наработки).

В целом, полученные эксплуатационно-технологические показатели усовершенствованного дождевателя имеют высокие величины, что объясняется рациональным режимом технологического процесса его работы, надежностью элементов конструкции, в том числе регулирующей и противосползающих устройств, а также простота их технического обслуживания.

В пятом разделе «Внедрение и экономическая эффективность усовершенствованного технологического процесса и шлангового дождевателя «Ирримек ST-5» при поливе многолетних трав рулонных газонов на сложном рельефе приведены результаты внедрения и расчет экономической эффективности от применения предложенного технологического процесса орошения склоновых земель полосовыми шланговым дождевателем.

Усовершенствованные регуляторы давления дождевальных аппаратов и противосползающие устройства шлангового дождевателя «Ирримек» внедрены в ООО «Квинс Грасс Тарф» и ЗАО «Сергиевское» Коломенского района Московской области.

Расчет экономической эффективности показал, что при поливе многолетних трав рулонных газонов усовершенствованным шланговым дождевателем увеличился выход товарной продукции на 15%, а стоимость 1 м2 товарной продукции снизилась на 5,5 руб. (15%).

Годовой экономический эффект от внедрения усовершенствованного технологического процесса работы, регуляторов давления дождевальных аппаратов и противосползающих устройств полосового шлангового дождевателя «Ирримек ST-5» за счет повышения качества орошения при снижении себестоимости выращиваемой продукции составил 968 тыс. руб. При этом окупаемость усовершенствованного полосового шлангового дождевателя осуществляется за два месяца его работы.

1. Установлено, что при поливе полосовым шланговым дождевателем в условиях сложного рельефа определяющими показателями равномерного распределения поливной нормы (слоя осадков), его достоковой поливной нормы являются продольный и поперечный уклоны орошаемой поверхности, вызывающие соответственно из-за перепада геодезических высот возрастание расходно-напорных характеристик машины свыше допустимых величин и боковое сползание дождевальной тележки, определяемое ее сцепными свойствами и реактивной силой струи дождевального аппарата.

2. Определено, что обеспечение требуемого расхода воды регулятором (180,4 л/с) осуществляется посредством увеличения площади его проходного сечения с 706 мм2 до 2640 мм2. При этом, как показали лабораторный исследования отклонение выходного давления регулятора при работе на сложном рельефе составляет не более ±4,5% от его номинального значения, против 10% для регулирующего устройства серийного исполнения.

3. Доказано, что для предотвращения бокового сползания дождевальной тележки дождевателя ее пневматические колеса должны быть оснащены устройствами противосползания, представляющими собой трубчатые реборды, устанавливаемые в диаметральной плоскости шин по их внешнему периметру. При этом определено, что исходя из толщины дернового слоя рулонных газонов, равной 0,025…0,030 м, в целях исключения повреждаемости его травяного покрова и обеспечения гарантированного движения дождевальной тележки дождевателя на склоне глубина внедрения реборд должны быть в пределах 0,015 - 0,020 м при их ширине, равной 0,035 м.

Установлено, что для практически реализуемого режима полива (m ? 300м3/ч) много летних трав сползание серийной дождевальной тележки до 10 м и более наблюдается при величине поперечных уклонов iнак =0,05…0,10. С противосползающими устройствами передних колес дождевальная тележка из-за повышения коэффициента эффективного сцепления с 0,4 до 0,6 работает без бокового смещения.

4. Доказано, что оснащение шлангового дождевателя в полевых условиях усовершенствованным регулятором давления обеспечило по всей длине орошаемой полосы с отрицательным продольным уклоном 0,1 постоянное значение расхода Q = 18 л/с и слоя осадков h = 30,0 мм против соответственно максимальных их значений (в начале полива), без регулирования расходно-напорных характеристик, 24 л/с и 38 мм. При этом отклонение выходного давления регулятора при работе на сложном рельефе составляет не более ±4,5% от номинального давления на выходе из регулятора 0,45 МПа.

Установлено, что равномерность распределения дождя шланговым дождевателем с регулирующим устройством, характеризуемая коэффициентом эффективного полива, составляет по всему орошаемому участку 0,75-0,80 против его среднего значения 0,60 (при длине растянутого шланга L = 150 м) без регулятора давления.

5. Выявлено, что оборудование дождевальной тележки дождевателя противосползающими устройствами исключает ее смещение на участке с поперечным уклоном i = 0,10 и перераспределение дождя в боковом направлении. Это определило сохранение коэффициента эффективного полива с учетом регулирования давления по длине полосы не ниже 0,75-0,80 против 0,67 при сползании до 10 и более метров.

6. Определено, что полученные эксплуатационно-технологические показатели работы усовершенствованного шлангового дождевателя имеют высокие величины, что объясняется рациональным режимом технологического процесса его работы, надежностью элементов конструкции, в том числе регулирующего и противосползающих устройств, а также простотой их установки и технического обслуживания.

Годовой экономический эффект от применения усовершенствованного технологического процесса и модернизированного шлангового дождевателя составил 968 тыс. руб (в ценах 2010г).



РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ОТРАЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ

1. Агейкин, А.В. Барабанно-шланговые дождевальные установки на сложном рельефе / А.В. Агейкин, А.И. Рязанцев, Н.Я. Кириленко // Сельский механизатор. - 2008. - № 12. - С. 12.

2. Агейкин, А.В.. Регулятор давления для шланговых дождевальных машин / А.В. Агейкин, А.И. Рязанцев, Н.Я. Кириленко // Сельский механизатор. - 2010. - № 1. - С. 6.

3. Агейкин, А.В. Предотвращение бокового сползания шланговых дождевальных установок / А.В. Агейкин, А.И. Рязанцев, Н.Я. Кириленко, Ю.Н. Тимошин // Сельский механизатор». - 2011. - №12. - С. 22.

4. Агейкин, А.В. Совершенствование технологии полива полосовыми шланговыми дождевателями на сложном рельефе / А.В. Агейкин, А.И. Рязанцев, Н.Я. Кириленко // Вестник Московского государственного агроинженерного университета. - 2012. - № 3. - С. 29-32.

5. Агейкин, А.В. Полосовой полив дождевальным агрегатом в сложных условиях / А.В. Агейкин, А.И. Рязанцев, Н.Н. Егорова, Н.Я. Кириленко // Вестник Саратовского государственного аграрного университета, - 2012. - № 11. - С. 60-62.

6. Пат. 2381647 Российской Федерации, МПК А01G25/09. Дождевальная установка [Текст] / Агейкин А.В., Рязанцев А.И., Кириленко Н.Я.; заявители и патентообладатели Агейкин А.В., Рязанцев А.И., Кириленко Н.Я. - № 2008140080; заявл. 10.10.2008; опубл. 20.02.2010, Бюл. № 5. - 3 с.

7. Пат. 74757 Российской Федерации, МПК А01G25/09. Дождевальная установка [Текст] / Агейкин А.В., Рязанцев А.И., Кириленко Н.Я.; заявители и патентообладатели Агейкин А.В., Рязанцев А.И., Кириленко Н.Я. - № 2008113302; заявл. 09.04.2008; опубл. 20.07.2008, Бюл. № 20. - 1 с.

8. Пат. 76545 Российской Федерации, МПК А01G25/09. Дождевальная установка [Текст] / Агейкин А.В., Рязанцев А.И., Кириленко Н.Я.; заявители и патентообладатели Агейкин А.В., Рязанцев А.И., Кириленко Н.Я. - № 2008113303; заявл. 09.04.2008; опубл. 27.09.2008, Бюл. № 27. - 2 с.

9. Пат. 86765 Российской Федерации, МПК А01G25/09. Регулятор давления [Текст] / Агейкин А.В., Рязанцев А.И., Кириленко Н.Я., Шереметьев А.В.; заявители и патентообладатели Агейкин А.В., Рязанцев А.И., Кириленко Н.Я., Шереметьев А.В. - № 2009118270; заявл. 15.05.2009.; опубл. 10.09.2009, Бюл. № 25. - 2 с.

10. Пат. 90914 Российской Федерации, МПК А01G25/09. Регулятор давления [Текст] / Агейкин А.В., Рязанцев А.И., Кириленко Н.Я.; заявители и патентообладатели Агейкин А.В., Рязанцев А.И., Кириленко Н.Я. - № 2009141954; заявл. 13.11.2009.; опубл. 29.01.2010, Бюл. № 2. - 2 с.

11. Пат. 92297 Российской Федерации, МПК А01G25/09. Дождевальная установка [Текст] / Агейкин А.В., Рязанцев А.И., Кириленко Н.Я.; заявители и патентообладатели Агейкин А.В., Рязанцев А.И., Кириленко Н.Я. - № 2009146802; заявл. 16.12.2009; опубл. 20.03.2010, Бюл. № 8. - 1 с.

12. Пат. 96316 Российской Федерации, МПК А01G25/09. Дождевальная установка [Текст] / Агейкин А.В., Рязанцев А.И., Кириленко Н.Я.; заявители и патентообладатели Агейкин А.В., Рязанцев А.И., Кириленко Н.Я. - № 2010119260; заявл. 13.05.2010; опубл. 27.07.2010, Бюл. № 21. - 2 с.

13. Пат. 99925 Российской Федерации, МПК А01G25/09. Дождевальная установка [Текст] / Агейкин А.В., Рязанцев А.И., Кириленко Н.Я.; заявители и патентообладатели Агейкин А.В., Рязанцев А.И., Кириленко Н.Я. - № 2010134179; заявл. 16.08.2010; опубл. 10.12.2010, Бюл. № 34. - 1 с.

14. Пат. 103705 Российской Федерации, МПК А01G25/09. Дождевальная установка [Текст] / Агейкин А.В., Рязанцев А.И., Кириленко Н.Я.; заявители и патентообладатели Агейкин А.В., Рязанцев А.И., Кириленко Н.Я. - № 2011100772; заявл. 12.01.2011; опубл. 27.04.2011, Бюл. № 12. - 2 с.

15. Пат. 105123 Российской Федерации, МПК А01G25/09. Дождевальная установка [Текст] / Агейкин А.В., Рязанцев А.И., Кириленко Н.Я.; заявители и патентообладатели Агейкин А.В., Рязанцев А.И., Кириленко Н.Я. - № 2011105343; заявл. 14.02.2011; опубл. 10.06.2011, Бюл. № 16. - 1 с.

16. Агейкин, А.В. Перспективные технологии и средства механизации в сельском хозяйстве // А.В. Агейкин / Материалы международной научно-практической конференции «Государственная власть и крестьянство в ХХ-начале ХХ1 века». - Коломна: КГПИ, 2007. - С. 594-597.

17. Агейкин, А.В. Направления совершенствования дождевальных установок барабанного типа / А.В. Агейкин, А.И. Рязанцев, Н.Я. Кириленко / Материалы Всероссийской научно-практической конференции «Повышение эффективности использования земель сельскохозяйственного назначения». - Пенза: ПГСХА, 2008. - С. 34-36.

18. Агейкин, А.В. К вопросу создания шланговых дождевальных установок барабанного типа на современном уровне / А.В. Агейкин, А.И. Рязанцев, Н.Я. Кириленко / Материалы международной научной конференции «Новые технологии и экологическая безопасность в мелиорации». - Коломна: ВНИИ «Радуга», 2008. - С. 35-37.

19. Агейкин, А.В. Типичные представители шланговых дождевальных установок и перспективы их совершенствования / А.В. Агейкин, А.И. Рязанцев, Н.Я. Кириленко // Сборник научных трудов РГАТУ. - Рязань: РГАТУ, 2008. - С. 56-58.

20. Агейкин, А.В. Дождевальная установка / А.В. Агейкин, А.И. Рязанцев, Н.Я. Кириленко / МособлЦНТИ, информ. листок № 015-09, 2009. - 3 с.

21. Агейкин, А.В. Дождевальная установка / А.В. Агейкин, А.И. Рязанцев, Н.Я. Кириленко / МособлЦНТИ, информ. листок № 016-09, 2009. - 3 с.

22. Агейкин, А.В. Направления совершенствования шланго-барабанных дождевальных установок / А.В. Агейкин, А.И. Рязанцев, Н.Я. Кириленко / Сборник научных трудов «Современные энерго- и ресурсосберегающие технологии и системы сельскохозяйственного производства». - Рязань: РГАТУ, 2009.- С. 48-50.

23. Агейкин, А.В. Совершенствование шланго-барабанных дождевальных установок для работы на сложном рельефе / А.В. Агейкин, А.И. Рязанцев, Н.Я. Кириленко / Материалы международной научно-практической конференции «Государственная власть и крестьянство в ХХ-начале ХХ1 века». - Коломна: КГПИ, 2009. - С. 650-655.

24. Агейкин, А.В. Регулятор давления / А.В. Агейкин, А.И. Рязанцев, Н.Я. Кириленко, А.В. Шереметьев / МособлЦНТИ, информ. листок № 013-10, 2010. - 3 с.

25. Агейкин, А.В. Технологические особенности полива полосовыми шланговыми дождевателями на сложном рельефе / А.В. Агейкин, А.И. Рязанцев, Н.Я. Кириленко // Вестник Московского государственного областного социально-гуманитарного института.- Коломна: МГОСГИ, 2011.- С. 23-24.

26. Агейкин, А.В. Особенности полива многолетних трав рулонных газонов на сложном рельефе полосовым шланговым дождевателем и направления его совершенствования / А.В. Агейкин, А.И. Рязанцев / Материалы международной научно-практической конференции «Государственная власть и крестьянство в ХХ-начале ХХ1 века». - Коломна: МГОСГИ, 2011.- С. 670-673 .

27. Агейкин, А.В. Дождевальная установка / А.В. Агейкин, А.И. Рязанцев, Н.Я. Кириленко / МособлЦНТИ, информ. листок № 008-11, 2011. - 3 с.

28. Агейкин, А.В. Дождевальная установка / А.В. Агейкин, А.И. Рязанцев, Н.Я. Кириленко / МособлЦНТИ, информ. листок № 009-11, 2011. - 3 с.

29. Агейкин, А.В. Дождевальная установка / А.В. Агейкин, А.И. Рязанцев, Н.Я. Кириленко / МособлЦНТИ, информ. листок № 010-11, 2011. - 3 с.

39. Агейкин, А.В. Дождевальная установка / А.В. Агейкин, А.И. Рязанцев, Н.Я. Кириленко / МособлЦНТИ, информ. листок № 011-11, 2011. - 3 с.

31. Агейкин, А.В. Регулятор давления / А.В. Агейкин, А.И. Рязанцев, Н.Я. Кириленко / МособлЦНТИ, информ. листок № 006-11, 2011. - 3 с.

32. Агейкин, А.В. Полив полосовыми шланговыми дождевателями на сложном рельефе / А.В. Агейкин, А.И. Рязанцев, Н.Я. Кириленко // Сборник научных трудов РГАТУ. - Рязань: РГАТУ, 2011. - С. 32-33.

33. Агейкин, А.В. Дождевальная установка / А.В. Агейкин, А.И. Рязанцев, Н.Я. Кириленко / МособлЦНТИ, информ. листок № 007-12, 2012. - 3 с.

34. Агейкин, А.В. Дождевальная установка / А.В. Агейкин, А.И. Рязанцев, Н.Я. Кириленко / МособлЦНТИ, информ. листок № 008-12, 2012. - 3 с.

35. Агейкин, А.В. Шланговый дождеватель на сложном рельефе / А.В. Агейкин, А.И. Рязанцев, Н.Я. Кириленко / Материалы международной научно-практической конференции «Перспективные технологии и технические средства в АПК». - Казань: КГАУ, 2013.- С. 135-137.

Размещено на Allbest.ru