Размещено на http://www.allbest.ru/

автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Совершенствование технологического процесса орошения овощных культур и обоснование параметров дождевания дождевальной машины ДКФ-1ПК

Шепелев Александр Евгеньевич

Саратов - 2006

Диссертационная работа выполнена в отделе контроля и анализа технического состояния поливной техники и эффективности технологий орошения Федерального государственного научного учреждения «Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации».

Научный руководитель -

Официальные оппоненты:

Ведущая организация -

кандидат технических наук,

старший научный сотрудник

Снипич Юрий Федорович

доктор технических наук,

профессор

Слюсаренко Владимир Васильевич

кандидат технических наук

Егоров Владимир Семенович

ФгОу ВПО «Новочеркасская государственная мелиоративная академия»

Защита диссертации состоится « « 2006 г. в ___ ⁰⁰ часов на заседании диссертационного совета К 220.061.01 при ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ» по адресу: 410056, г. Саратов, ул. Советская, 60, ауд. 241.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ»

Автореферат разослан «____» __________ 2006 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Ф.К. Абдразаков

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Более половины пашни в России находится в недостаточно увлажненных и засушливых районах южной части страны, к которым относится и Ростовская область (РО). Орошение увеличивает урожайность в среднем в 1,5-2 раза, а в засушливые годы в пять и более раз. Недостаточность и неустойчивость естественного увлажнения обуславливает приоритетность развития орошаемого земледелия.

Дождевание - самый широко применяемый и перспективный в мире вид орошения. Такой вид орошения наиболее близок к оптимальному попаданию влаги к растению, то есть природному выпадению осадков.

В условиях Ростовской области интенсивное овощеводство возможно только в условиях орошения. Овощные культуры являются наиболее требовательными к устойчивому увлажнению.

В настоящее время парк дождевальных машин (ДМ) и аппаратов насчитывает более двух десятков типов. Наиболее широко применяемые дождевальные машины: «Днепр», «Волжанка», «Фрегат», ДДА-100ВХ; дождевальные аппараты типа ДД и др. создают крупнокапельный, близкий по интенсивности к ливневым дождь, что наносит вред, особенно молодым всходам, рассаде, а в ряде случаев подвергается опасности потенциальное плодородие почвы. Высокоинтенсивный дождь, создаваемый машинами и установками, вызывает ухудшение почвенной структуры и водно-физических свойств поверхностного слоя почвы, ее эрозию. Кроме того, снижается экономическая эффективность орошения.

Разработка, производство и внедрение в хозяйственный оборот агропромышленного комплекса поливной техники нового поколения с более высокими технологическими и агротехническими показателями, является основой вывода овощеводства на необходимые объемы производства отечественного продовольствия и его конкурентоспособность при вступлении во Всемирную торговую организацию (ВТО).

цель работы - совершенствование технологического процесса орошения овощных культур и обоснование параметров дождевания дождевальной машины ДКФ-1ПК.

Задачи исследований:

- провести комплексный анализ технического состояния оросительных систем и парка поливной техники;

- установить закономерности изменения интенсивности искусственного дождя дождевальной машины ДКФ-1ПК;

- выявить улучшение микроклимата и устойчивость растений к давлению дождя в связи с конструктивной особенностью ДМ ДКФ-1ПК;

- определить влияние ветра на работу дождевальной машины ДКФ-1ПК и испарение воды из дождевого облака;

- получить расчетные характеристики выдачи поливной нормы до образования поверхностного стока при поливе ДКФ-1ПК;

- установить технико-экономическую эффективность дождевальной машины ДКФ-1ПК.

Объект исследований - процесс орошения, обеспечивающий повышение качества полива, дождевальной машиной ДКФ-1ПК.

Методика исследований. Аналитические исследования проводились методами прикладной механики и математической статистики. В экспериментальной работе были использованы результаты полевых опытов и государственных испытаний дождевальной машины ДКФ-1ПК проведенных совместно с СевКав МИС, выполненных в соответствии с общепринятыми на территории Российской Федерации методическими требованиями и отраслевыми стандартами. При обработке экспериментальных данных применялись методы системного анализа с пакетом прикладных программ Excel (Microsoft), Statistica (Stat Soft).

Научная новизна работы состоит в том, что:

- установлена зависимость изменения интенсивности искусственного дождя от высоты дождевального пояса;

- впервые представлены: а) зависимость создания микроклимата над орошаемым участком от высоты дождевального пояса для консольных дождевальных машин; б) зависимость устойчивости растений к давлению искусственного дождя от высоты дождевального пояса при поливе консольных дождевальных машин;

- установлена зависимость потерь воды на испарение от скорости ветра;

- установлена связь выдачи поливной нормы от длины бьефа до образования стока с поверхности почвы;

- предложена новая конструктивно-технологическая схема дождевальной машины ДКФ-1ПК, обеспечивающая достаточную равномерность полива при соблюдении инструкции по эксплуатации.

Научные положения, выносимые на защиту:

- конструктивная схема консольной дождевальной машины ДКФ-1ПК;

- результаты расчета интенсивности при изменении высоты дождевального крыла над орошаемым участком;

- зависимости изменения высоты дождевального пояса при поливе консольных дождевальных машин для расчета создания микроклимата над орошаемым участком и давления искусственного дождя на растения;

- расчетные значения коэффициента эффективного полива дождевальной машины при влиянии ветра;

- величины потери воды на испарение при поливе консольной дождевальной машиной в зависимости от метеоусловий;

- результаты полевых исследований по определению поверхностного стока при разном числе проходов дождевальной машины ДКФ-1ПК с изменение длины бьефа;

- оценка технико-экономической эффективности дождевальной машины ДКФ-1ПК.

Практическая значимость работы. Полученные результаты исследований могут быть использованы на стадии разработки и эксплуатации консольных дождевальных машин фронтального действия. Полученные зависимости в результате математических расчетов положены в основу проектирования дождевальной машины ДКФ-1ПК.

На базе экспериментальных данных и математических выкладок получены значения величин, установлены зависимости, которые могут быть использованы при проектировании новых и модернизации существующих дождевальных агрегатов.

Реализация результатов исследований. С 2004 года в хозяйстве Азовского района Ростовской области была внедрена и проводит эксплуатацию дождевальная машина ДКФ-1ПК.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на научно-практических конференциях ФГНУ «РосНИИПМ» (Новочеркасск, 2003-2006 гг.), ФГОУ ВПО «Новочеркасской государственной мелиоративной академии» (Новочеркасск, 2005 г.) и Всероссийской конференции молодых ученых «Новые технологии и экологическая безопасность в мелиорации» ФГНУ ВНИИ «Радуга» (Коломна, 2006 г.).

Публикация работ. По результатам исследований опубликовано 6 научных работ, в том числе 1 в перечне журналов и изданий, определенных Высшей аттестационной комиссией. Общий объем публикаций составляет 1,95 печ.л., из них лично соискателя - 1,77.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов и предложений производству. Она изложена на 151 страницах, включает 12 таблиц, 17 рисунков, 5 фотографий и 9 приложений. Список используемой литературы включает 115 наименований, в том числе 4 на иностранном языке.

оросительный поливной техника дождевальный

Содержание работы

Во «Введении» обосновывается актуальность, сформулированы цель и задачи работы, основные научные положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая значимость проведенных исследований.

В первой главе «Состояние вопроса исследований» приведен анализ современного технического состояния оросительных систем и парка поливной техники РО, который показал, что происходит непрерывный выход из строя хозяйственных оросительных систем. При чем, показатели состояния закрытых систем несут наибольшие потери (рис. 1).

Рисунок 1 - Техническое состояние закрытой оросительной сети

Следует подчеркнуть, что значительные площади во все годы поливались ДДА-100ВХ (МА), за ними идут ДМ «Фрегат» и далее в убывающем порядке: ДМ «Кубань», ДМ «Днепр», ДДН-70 (100) и прочие машины, площадь полива которыми не превышала 1 % от всей орошаемой площади (рис. 2).

Для выявления направлений развития дождевальных машин нового поколения была использована прикладная компьютерная программа, позволяющая анализировать некоторые технические показатели существующих (табл. 1) и вновь создаваемых дождевальных машин.

На основании вышеизложенного был сделан вывод, что наиболее

Рисунок 2 - Соотношение площадей орошения для различных дождевальных машин при общей орошаемой дождеванием площади (тыс. га).

Таблица 1 - Удельные показатели рассматриваемого ряда ДМ

востребованной в использовании, является поливная техника, работающая из открытых оросителей и автономными энергоносителями. К таким дождевальным машинам относятся ДДА-100ВХ и ДДН-70. Дальнейшее развитие данного вида дождевальных машин следует вести в направлении уменьшения воздействия дождя на почву и растения.

Во второй главе «Научное обоснование необходимости совершенствования технологического процесса орошения овощных культур, на примере дождевальной машины ДКФ-1ПК» изучены существующие подходы к решению вопросов характеристики искусственного дождя отвечающего высоким требованиям создания и совершенствования дождевальной техники которым посвятили свои исследования: Б.М. Лебедев, В.Ф. Носенко, А.П. Исаев, А.Н. Костяков, Б.Б. Шумаков, А.Ф. Колесник, Н.С. Ерхов, В.Н. Щедрин, С.Х. гусейн-Заде, Г.В. Ольгаренко, Н.П. Бредихин, К.В. Губер, Ю.Ф. Снипич и другие. Причем, все авторы отмечают, что одной из важнейших проблем эффективного применения дождевальной техники является установление оптимального соотношения высокой интенсивности дождя при минимальном воздействии на структуру почвы.

Определены особенности орошения овощных культур в условиях Ростовской области, которые показывают что интенсивное овощеводство возможно только в условиях орошения. Овощные культуры являются наиболее требовательными к устойчивому увлажнению, т.е. подачи воды в нужном количестве, в требуемые сроки в соответствии с биологическими фазами развития растений, однако при отсутствии механических повреждений растений каплями дождя.

В результате чего был сделан вывод, что наиболее целесообразной для полива овощных культур, является новая дождевальная машина фронтального действия ДКФ-1ПК (рис. 3), созданная с участием автора.

Рисунок 3 - Дождевальная машина ДКФ-1ПК.

1 - трактор, оборудованный ходоуменьшителем; 2 - водопроводящее кольцо; 3 - стойки с гидравлической системой; 4 - центральная стойка; 5 - консоль; 6 - распорные панели вантовой подвески; 7 - растяжка; 8 - короткоструйные секторные насадки; 9 - насос с приводом; 10 - всасывающая линия; 11 - напорная линия

Особенностью конструктивной схемы новой машины является возможность изменения высоты консоли над поверхностью орошаемого участка, что позволит уменьшить воздействие дождя на почву и растения. ДМ ДКФ-1ПК работает с забором воды из открытых оросителей и автономным энергоносителем, имеет относительно хорошие показатели по мобильности и структуре дождя.

В конструкции дождевателя предусмотрено рабочее (когда консоли расположены перпендикулярно направлению движения трактора) и транспортное (когда консоли расположены параллельно движению трактора) положение консолей. Для удобства транспортировки и сборки водопроводящее кольцо разделено на три полусферы, соединяющиеся на фланцах. Откидная полусфера в передней части кольца, используемая для освобождения трактора, закреплена с одной стороны на поворотном пальце, с другой на фланцах с отверстиями для крепежных элементов. Для установки дождевальной машины на хранение или выезда трактора на водопроводящем кольце предусмотрены откидные опоры. А так же в этой разработке внедрено использование водопроводящих труб из полимерных материалов, что приводит к уменьшению веса дождевальной машины по сравнению с аналоговой поливной техникой. В отличие от металлических труб, полимерные стойки к коррозии, эластичны, долговечны, и удобны при монтировке. Дождевальная машина ДКФ-1ПК оборудована низконапорными насадками секторного действия, дождевой поток которых ориентирован к земле, что дает стабильное дождевое облако под дождевателем при воздействии ветра.

Однако при создании новой дождевальной машины ДКФ-1ПК встает необходимость обработки показателей лабораторно-полевых испытаний и анализа агротехнической оценки.

В третьей главе «Программа и методика экспериментальных исследований» приводится общая программа экспериментальных исследований, описание лабораторных установок, особенности использованных приборов, выбора методик экспериментов и полевых исследований.

Исследования включали: установление зависимости интенсивности дождя от высоты дождевального пояса; определение структуры дождя, создания микроклимата для растений и давления искусственного дождя на растения дождевальных машин ДКФ-1ПК и ДДА-100ВХ; влияние ветра на равномерность полива и зависимости на испарение при поливе; получение выдачи поливной нормы до образования поверхностного стока при поливе ДКФ-1ПК; сбор хронометражных данных работы дождевальных машин ДКФ-1ПК и ДДА-100ВХ.

В четвертой главе «Результаты и анализ экспериментально-полевых исследований» представлены результаты проведенных в соответствии с разработанной программой исследований и дан их анализ.

Особенность конструкции дождевальной машины ДКФ-1ПК, позволяющей изменять высоту дождевального крыла предопределило необходимость расчета интенсивности относительно высоты дождевального пояса, в результате которого, была установлена зависимость (рис. 4).

Рисунок 4 - Зависимость интенсивности от высоты дождевального пояса

Уравнение, описывающее зависимость, аппроксимируемое полиномом второго порядка имеет вид: у = 0,16x² - 0,83x + 5,36 при величине достоверности аппроксимации R²=0,98.

При создании микроклимата для овощных культур и давления искусственного дождя на растения во время работы консольных дождевальных машин новой ДКФ-1ПК и аналога ДДА-100ВХ были проведены полевые исследования на основании данных протоколов, которых:

- представлена зависимость создания микроклимата над орошаемым участком от высоты дождевального пояса для консольных дождевальных машин (рис. 5);

Рисунок 5 - Зависимость микроклимата над орошаемым участком от высоты дождевального пояса

- представлена зависимость устойчивости растений к давлению искусственного дождя от высоты дождевального пояса при поливе консольных дождевальных машин (рис. 6).

Рисунок 6 - Зависимость устойчивости растений к давлению искусственного дождя от высоты дождевального пояса

Создание микроклимата для надземной части овощных культур лучше у ДКФ-1ПК (71 - 10,8 см³), чем у ДДА-100ВХ (10 см³). Устойчивость растений к давлению дождя лучше у исследуемой (ДКФ-1ПК), чем у машины-аналога (ДДА-100ВХ) и составляет 43 - 92,5 % против 33 %.

Для сравнительного анализа были проведены полевые исследования равномерности полива дождевальной машины ДКФ-1ПК: а) при стандартной рабочей высоте консоли дождевальной машины над орошаемым участком; б) с понижением консоли на 50 см. На основе полученных опытных данных были построены карты распределения дождя (рис. 7, 8).

Рисунок 7 - Карта распределения искусственного дождя ДМ ДКФ-1ПК - при стандартной рабочей высоте консоли

Рисунок 8 - Карта распределения искусственного дождя ДМ ДКФ-1ПК - с понижением консоли на 50 см

Коэффициент эффективного полива при пониженной консоли (на 50 см) выше, чем у стандартной, и составляет 0,622 и 0,560 соответственно.

Исследования по определению величины испарения проводились при работе дождевальной машины ДКФ-1ПК в движении.

В результате анализа опытных данных, была установлена зависимость потерь воды на испарение от скорости ветра (рис. 9).

Рисунок 9 - Зависимость потерь воды на испарение от скорости ветра

Уравнение, описывающее зависимость, имеет вид: у = 4,58x + 0,07 при величине достоверности аппроксимации R²=0,99.

Согласно методике ВНИИМиТП были проведены опыты по определению величины стока при разном числе проходов дождевальной машины ДКФ-1ПК с изменение длины бьефа.

Из полученных данных видно, что сток поливной воды образуется при длине участка одновременного полива до 60 м после третьего прохода машины. И практически при такой длине бьефа больше семи проходов ДМ делать нельзя. Это значит, что поливная норма во время полива дождевальной машиной ДКФ-1ПК может быть не более 260 м³/га (рис. 10).

Рисунок 10 - Зависимость выдачи поливной нормы от длины бьефа

Увеличение длины бьефа до 200 м позволило увеличить число проходов дождевальной машины (до 12-13) и довести поливную норму до 450 - 500 м³/га (рис. 11).

Рисунок 11 - Зависимость выдачи поливной нормы от длины бьефа

В пятой главе «Технико-экономическая оценка дождевальной машины ДКФ-1ПК» установлена технико-экономическая эффективность от использования дождевальной машины фронтального действия ДКФ-1ПК по сравнению с серийной дождевальной машиной-аналогом ДДА-100ВХ. Это достигнуто за счет снижения приведенных затрат по исследуемой дождевальной машине в сравнении с машиной-аналогом на 30% Результаты расчетов отражены в выводах.

Основные выводы

1. Комплексный анализ технического состояния оросительных систем и парка поливной техники показал, что наиболее целесообразно для полива овощных культур является использование дождевальной техники работающей из открытых оросителей и автономными энергоносителями;

2. Установлена зависимость изменения интенсивности искусственного дождя от высоты дождевального пояса у = 0,16x² - 0,83x + 5,36.

3. Диаметр капель дождевальной машины ДКФ-1ПК 0,57, 0,58 и 1,2 мм в начале, середине и конце крыла соответственно. Микроклимат для надземной части овощных культур 71 - 10,8 см³. Устойчивость растений к воздействию дождя от 43 до 92,5 %.

4. Коэффициент эффективного полива с пониженным уровнем консоли (на 50 см) выше, чем стандартной, и составляет 0,622 и 0,560 соответственно. Получена зависимость потерь воды на испарение от скорости ветра у = 4,58x + 0,07.

5. Сток поливной воды образуется при длине участка одновременного полива до 60 м после третьего прохода машины. И практически при такой длине бьефа больше семи проходов машины делать нельзя. Это значит, что поливная норма во время полива дождевальной машиной ДКФ-1ПК может быть не более 260 м³/га. Увеличение длины бьефа до 200 м позволило увеличить число проходов дождевальной машины (до 12-13) и довести поливную норму до 450 - 500 м³/га.

6. Годовой приведенный экономический эффект дождевальной машины ДКФ-1ПК составил 105 тыс. руб. Экономический эффект от производства и использования за срок службы дождевальной машины составил 380 тыс. руб.

Предложения производству

1. Для совершенствования полива овощных культур использовать дождевальную машину фронтального действия ДКФ-1ПК работающую из открытых оросителей и автономным энергоносителем.

2. В связи с конструктивной особенностью дождевальной машины ДКФ-1ПК, позволяющей изменять высоту дождевального крыла над орошаемым участком появляется возможность дифференцированно подходить к созданию микроклимата и повышения устойчивости растений к механическим повреждениям при поливе овощных культур в процессе вегетации.

3. Использование дождевальной машины ДКФ-1ПК позволяет увеличить время работы машины до 50 % в связи с возможностью работы при скорости ветра до 9 м/с с равномерностью полива отвечающего ОСТу. Увеличение времени работы равносильно росту производительности дождевальной машины в 2,6 раза, так как продолжительность ее использования с 30 % времени суток увеличится до 80-90 %. Это же означает, что одну и ту же площадь можно будет орошать в 2-3 раза меньшим парком машин.

4. Величина испарения воды в процессе полета капель при дождевании существенно зависит от скорости ветра и при проектировании дождевальных машин высота консоли над уровнем орошаемого участка должна учитываться.

5. При орошении ДМ ДКФ-1ПК капустного поля второго и последующих лет пользования для выдачи поливной нормы (500 м³/га) длину участка одновременного полива следует принимать в пределах 150 - 200 м.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах

1. Шепелев А.Е. Возможности использования дождевального агрегата «BAUER» на территории РФ / Шепелев А.Е., Нестеров И.Н., Сухарев Д.В. // Совершенствование технологий и техники орошения в современных условиях землепользования: Сборник научных трудов. / ФГНУ «РосНИИПМ». - Новочеркасск, 2005. - С. 61-67 (0,43 печ.л., авторские - 0,32).

2. Шепелев А.Е. Современное поколение труб в дождевальных агрегатах / Шепелев А.Е. // Совершенствование технологий и техники орошения в современных условиях землепользования: Сборник научных трудов. / ФГНУ «РосНИИПМ». - Новочеркасск, 2005. - С. 68-71 (0,19 печ.л., авторские - 0,19).

3. Шепелев А.Е. Потери воды на испарение при поливе дождевальной машиной ДКФ-1ПК / Шепелев А.Е. // Совершенствование технологий и техники орошения в современных условиях землепользования: Сборник научных трудов. / ФГНУ «РосНИИПМ». - Новочеркасск, 2005. - С. 71-74 (0,19 печ.л., авторские - 0,19).

4. Шепелев А.Е. Сток воды с поверхности почвы при поливе дождевальной машиной ДКФ-1ПК / Шепелев А.Е. // Совершенствование технологий и техники орошения в современных условиях землепользования: Сборник научных трудов. / ФГНУ «РосНИИПМ». - Новочеркасск, 2005. - С. 74-79 (0,32 печ.л., авторские - 0,32).

5. Шепелев А.Е. Исследование влияния ветра на равномерность полива ДМ «ДКФ-1ПК» / Шепелев А.Е. // Новые технологии и экологическая безопасность в мелиорации: Сборник научных докладов 3-й Всероссийской конференции молодых учёных. / ФГНУ ВНИИ «Радуга». - Коломна, 2006. - С. 134-140 (0,32 печ.л., авторские - 0,32).

6. Шепелев А.Е. Применение основных законов дождевания при обосновании конструкции ДМ «ДКФ-1ПК-1» / Снипич Ю.Ф., Шепелев А.Е. // Мелиорация и водное хозяйство. - 2006, № 4. - С. 57-59 (0,5 печ.л., авторские - 0,43).

Размещено на Allbest.ru