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.