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.