Введение к работе
Актуальность темы. Орошение - важный фактор интенсификации сельскохозяйственного производства и повышения урожайности сельскохозяйственных культур. Дождевальная машина «Фрегат» является основной в мелиоративном комплексе России и в Саратовской области в частности, на ее долю приходится соответственно 41,8 и 78 % от всего парка техники полива. Дождевальная машина «Фрегат» интенсивно используется благодаря ряду значительных преимуществ перед другими машинами.
Однако исследования показывают, что энергоемкость полива является самой высокой для многоопорных машин. Для создания требуемого напора на гидранте машины (0,47…0,70 МПа) напор на насосной станции должен составлять 0,9…1,2 МПа. Расход электроэнергии на подачу 1000 м3 воды составляет 350...550 кВтч. Включение и отключение дождевальных машин приводят к значительным колебаниям давления в закрытой сети, которые достигают 1,5…2,1 МПа, что часто вызывает гидравлические удары и порывы трубопроводов. Для снижения энергопотребления на орошении необходима разработка технических решений, способствующих дальнейшему снижению напора на входе низконапорных ДМ «Фрегат», работающих при стандартном расходе воды, и увеличению скорости их передвижения.
Серийные дождевальные аппараты не удовлетворяют современным требованиям, так как равномерность полива при ветре низкая и коэффициент эффективного полива снижается до 0,53…0,45. Это вызвано значительной высотой подъема дождевого облака (до 4…8 м над поверхностью почвы), слабой устойчивостью струй к ветру и большой частотой вращения дождевальных аппаратов. При поливе наблюдаются значительные потери воды на испарение и снос ветром (в среднем 10…15 %), которые в дневные часы могут достигать 20…30 % и более.
Дождевальные аппараты в конце трубопровода ДМ «Фрегат» формируют дождевое облако большой средней и действительной интенсивности дождя, которая достигает 0,6…0,8 и 2,6…3,0 мм/мин соответственно, а крупность капель в конце струи увеличивается до 2,5…3,5 мм. Такой дождь оказывает значительное энергетическое воздействие на почву, разрушая и уплотняя ее верхний слой. Средняя норма полива до стока за поливной сезон в конце ДМ «Фрегат» на тяжелосуглинистых и глинистых почвах (наиболее часто встречающихся в Саратовской области) составляет всего 230…280 м3/га, что не обеспечивает достаточной глубины промачивания. Величина стока к концу поливного сезона достигает 20…30 %. На склоновых участках наблюдается эрозия почв. Латунные дождевальные аппараты имеют значительную стоимость и подвержены хищению.
Опыт эксплуатации ДМ «Фрегат» показал, что при выращивании влаголюбивых овощных и кормовых культур требуемые сроки полива и оптимальный режим влажности почвы в период интенсивного водопотребления, когда интервал между поливами должен составлять 2–3 дня, зачастую не выдерживаются. Это связано с недостаточной производительностью дождевальных машин и низким гидромодулем орошаемых участков, что приводит к недобору урожая и снижению его качества.
В связи с этим обоснование и совершенствование технических средств и технологического процесса дождевания ДМ «Фрегат» для повышения качества полива, снижения энергоемкости дождевания, а также увеличения производительности машин являются актуальной научной проблемой мелиоративной науки и практики.
Гипотеза. Рабочая гипотеза состоит в том, что ресурсосберегающий процесс полива, усовершенствованные дождеобразующие устройства и низконапорное оборудование ДМ «Фрегат» обеспечивают повышение эффективности использования водных, почвенных и энергетических ресурсов при реконструкции и создании экологически ориентированных оросительных систем.
Цель исследования. Энерго-экологическое улучшение дождевания за счет совершенствования дождевальной машины «Фрегат», обеспечивающего снижение энергопотребления и повышение качественных показателей полива.
Задачи исследования:
- теоретически обосновать улучшение качественных характеристик полива за счет интенсификации процесса распыла дождевальных струй, повышения дальности полета струи и устойчивости её к ветру, снижения потерь воды на испарение и снос, оптимизации эпюр распределения дождя дождевателей;
- на основании теоретических и экспериментальных исследований усовершенствовать существующие и разработать новые дождеобразующие устройства из полимерного материала (дождевальные аппараты, дефлекторные насадки) и вращающиеся дождеватели различного вида;
- обосновать технические параметры оборудования и характеристики низконапорных машин «Фрегат» при работе со стандартным и увеличенным расходом воды;
- экспериментально исследовать в лабораторных и полевых условиях оборудование для низконапорной ДМ «Фрегат», усовершенствованные дождевальные аппараты, дефлекторные насадки и вращающиеся дождеватели и дать их агротехническую оценку;
- провести экономическую оценку усовершенствованных и низконапорных ДМ «Фрегат» с дождевателями различных типов.
На защиту выносятся научные положения и результаты:
- теоретические обоснования: повышения дальности полета и ветроустойчивости струи для улучшения равномерности полива; интенсификации распыла струи для повышения нормы полива до стока и улучшения впитывания дождя в почву; расчета распределения слоя дождя на площади полива дождевателей и дождевальных машин;
- результаты экспериментальных исследований опытных образцов дождевателей; математические зависимости, описывающие: радиус полива при ветре, площадь захвата струи и действительную интенсивность дождя, крупность капель и эпюры распределения дождя вдоль радиуса и на площади полива, величину потерь воды на испарение и снос, норму полива до стока и др.;
- опытные и промышленные образцы дождевальных аппаратов и дефлекторных насадок из полимерного материала, вращающиеся дождеватели и низконапорное оборудование ДМ «Фрегат», конструкторско-технологические схемы, оптимальные параметры и режимы работы, обеспечивающие снижение энергопотребления при поливе на 12…36 %, уменьшение потерь воды на испарение и снос на 16…22 % и энергетического воздействия дождя на почву, а также повышающие водоподачу насосных станций на 18…26 % и производительность машин на 7…14 %, а для неполнокомплектных машин в 1,2–5 раз.
Объект исследования. Дождевальная машина «Фрегат» с низконапорным оборудованием; усовершенствованные дождевальные аппараты и дефлекторные насадки, вращающиеся дождеватели.
Предмет исследований. Процесс дождеобразования усовершенствованными дождевальными аппаратами и дефлекторными насадками с учетом изменения физических явлений, описывающих технологию полива дождевальных машин, работающих в серийном и низконапорном режиме.
Научная проблема. Заключается в совершенствовании процесса дождевания и создании дождевальных машин, удовлетворяющих условиям рационального природопользования и сельскохозяйственного производства.
Методы исследований. В работе использовались теоретические методы исследований – математическое моделирование, системный анализ, описания технологических процессов на основе известных законов и методов классической механики и математического анализа. Экспериментальные методы включали полевые и лабораторные исследования по изучению агротехнических и энергетических характеристик полива различными дождевателями и низконапорными ДМ «Фрегат», водных свойств почвы и урожайности сельскохозяйственных культур.
Научная новизна работы. Разработана математическая модель расчета распределения дождя вдоль радиуса полива различных типов дождевателей, которая позволяет проводить расчеты равномерности полива машин. Установлены теоретические зависимости, описывающие процессы полета струи при ветре и величину потерь воды на испарение распыла и снос. Обоснованы и разработаны способы интенсификации распыла струи, для снижения энергетического воздействия дождя на почву. Обоснованы пути снижения напора на входе, повышения производительности ДМ «Фрегат», а также модернизации дождевальных аппаратов и других типов дождевателей.
Практическая ценность. Внедрение в производство усовершенствованных дождевальных аппаратов «Фрегат», дефлекторных насадок и аппаратов из полимерного материала, вращающихся дождевателей и низконапорного оборудования ДМ «Фрегат», обеспечивает: повышение равномерности полива при ветре на 17…48 %, снижение потерь воды на испарение и снос на 16…22 %, уменьшение энергетического воздействия дождя на почву и повышение нормы полива до стока на 20…49 %, снижение потребляемой мощности машин на 36…50 % и потребления электроэнергии на насосной станции на 15…30 %, повышение водоподачи насосных станций на 14…27 % и производительности машин на 7…14 %.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на Международных научно-практических конференциях – «Проблемы научного обеспечения экономической эффективности орошаемого земледелия в рыночных условиях» (Волгоград, 2004), «Проблемы устойчивого развития мелиорации и рационального природопользования» (М., 2007); на Всероссийской научно-практической конференции «Защитное лесоразведение и мелиорация земель в степных и лесостепных районах России» (Волгоград, 1998); на научных конференциях профессорско-преподавательского состава в Саратовском ГАУ им. Н.И. Вавилова (Саратов, 1981–2011); на научно-технических конференциях молодых ученых во ВНИИГиМ (М.,1984), ВолжНИИГиМ (Энгельс,1987), СтавНИИГиМ (Ставрополь,1981) и на заседаниях секции «Гидротехника и мелиорация» ВолжНИИГиМ (Энгельс, 1981, 1993–2011), также рассмотрены на расширенном заседании кафедры «Мелиоративные и строительные машины» в СГАУ (Саратов, 2011). Усовершенствованные аппараты, дефлекторные насадки и аппараты из полимерного материала, низконапорные ДМ «Фрегат» экспонировались на выставках ВВЦ и награждены серебряной медалью ВВЦ и 3 медалями «Лауреат ВВЦ».
Реализация результатов исследований. Усовершенствованные дождеобразующие устройства и низконапорные ДМ «Фрегат», обеспечивающие ресурсосберегающие процессы полива, прошли приемочные испытания на ФГУ «Поволжская машиноиспытательная станция» (Протоколы № 08-94-2009, 08-95-2009). Результаты исследований и технические средства для ДМ «Фрегат» используются рядом производственных организаций: ООО «Фрегат» (Энгельс); ООО «Фрегат» (Казань), ООО «Фрегат» (Ставрополь), ОАО «Волгодизельаппарат» и ГК «Мелиоративное снабжение» (Маркс) и др. Низконапорные дождевальные машины «Фрегат» с 1996 г. внедрены в ОПХ «ВолжНИИГиМ», ОПХ «Красный боец», ЗАО «АФ «Волга» и др. Всего – более 70 машин в 14 хозяйствах Саратовской области. В орошаемых хозяйствах Марксовского, Энгельсского и Ровенского районов Саратовской области в 1985–2000 гг. было внедрено более 300 ДМ «Фрегат» с усовершенствованными дождевальными аппаратами. В орошаемых хозяйствах Саратовской, Волгоградской и Самарской областей, республиках Татарстан и Башкортостан внедрено более 700 комплектов дефлекторных насадок и вращающихся дождевателей. Ежегодный экономический эффект разработок составляет 10…39 тыс. руб. на машину.
Публикации. Основные положения диссертации изложены в 62 работах, в том числе 15 в изданиях рекомендуемых ВАК РФ, новизна технических разработок защищена 8 изобретениями и 10 патентами. Общий объем публикаций составляет 13,5 печ. л., из них авторские – 9,6 печ. л.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 356 страницах машинописного текста, состоит из введения, пяти глав, общих выводов, имеет 89 таблиц, 65 рисунков, 25 приложений. Список литературы включает в себя 315 наименований, в том числе 16 на иностранных языках.
