Содержание к диссертации
Введение
1 .СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1 . Энергоемкость полива и предложения по ее снижению 9
1.2.Анализ качественных показателей работы дождевальной машины «Фрегат» 11
І.З.Классификация дождевальных аппаратов и тенденции их усовершенствования 16
1.4.Выводы 23
1.5.Цель и задачи исследований 24
2.ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ СНИЖЕНИЯ НАПОРА НА ВХОДЕ ДМ «ФРЕГАТ» И ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ПОЛИВА
2.1 . Обоснование снижения напора на выходе ДМ «Фрегат» 25
2.2.Обоснование направления модернизации дождевальных аппаратов для низконапорных ДМ «Фрегат» 29
2.3.Эпюра распределения дождя и равномерность полива 38
2.4.Выводы 43
З.ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 45
3.1 . Программа исследований
3.2.Методика лабораторно-полевых исследований дождевальных аппаратов 45
3.3 .Методика полевых исследований ДМ «Фрегат» 51
3.4.Обработка результатов экспериментальных исследований и определение статистических характеристик 62
4.РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ДОЖДЕВАЛЬНЫХ АППАРАТОВ
4.1 .Радиус действия струи дождевального аппарата 64
4.2.Мгновенная площадь полива струи и действительная интенсивность дождя 73
4.3.Крупность капель дождя аппаратов «Фрегат» 79
4.4.Напор на выходе струи в зависимости от диаметра отверстия регулировочной дюзы 79
4.5.Выводы 84
5.РЕЗУЛЫАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ДОЖДЕВАЛЬНЫХ МАШИН «ФРЕГАТ» ПРИ РАБОТЕ НА ПОНИЖЕННОМ НАПОРЕ. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАЗРАБОТОК
5.1 . Расходно-напорная характеристика, норма полива, цикличность гидропривода тележки и энергоемкость полива низконапорных ДМ «Фрегат» 85
5.2.Равномерность полива низконапорной дождевальной машины «Фрегат» с серийными и модернизированными аппаратами 95
5.3.Величина испарения и сноса дождя при поливе дождеванием 105
5.4.Влажность почвы при поливе ДМ «Фрегат» с различными типами дождевателей 109
5.5.Урожайность сельскохозяйственных культур при поливе ДМ m«Фрегат» с серийными и модернизированными аппаратами 109
5.6.Экономическая эффективность разработок 112
5.7. Выводы 114
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ 116
ЛИТЕРАТУРА 119
ПРИЛОЖЕНИЯ 130
. class1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ class1
- Энергоемкость полива и предложения по ее снижению
- Обоснование снижения напора на выходе ДМ «Фрегат»
- Программа исследований
- .Радиус действия струи дождевального аппарата
- Расходно-напорная характеристика, норма полива, цикличность гидропривода тележки и энергоемкость полива низконапорных ДМ «Фрегат»
Введение к работе
Наиболее прогрессивным способом механизированного полива является полив дождеванием, В Российской Федерации широкое распространение получил полив сельскохозяйственных культур многоопорными дождевальными машинами «Фрегат», «Днепр» и дождевальными установками «Волжанка». В настоящее время в Саратовской области используется более 2400 дождевальных машин «Фрегат», что составляет 76 % всего парка техники полива. Опыт эксплуатации показывает, что они имеют ряд преимуществ перед другими типами машин. Дождевальная машина «Фрегат» позволяет полностью механизировать и автоматизировать процесс полива, сократить число операторов и повысить производительность труда за счет обслуживания одним оператором 2...4 машин, а также проводить полив в большом диапазоне поливных норм (190... 1200 м /га) в зависимости от скорости движения [2, 42].
Однако машина «Фрегат» имеет ряд недостатков. Это связано с большой энергоемкостью полива, значительной величиной напора на входе в машину и на выходе насосной станции. Включение и отключение дождевальных машин вызывает значительное колебание давления в закрытой сети, которое часто вызывает гидроудары и порывы трубопровода.
Исследованиями установлено, что при поливах в условиях интенсивных ветров (для Саратовского Заволжья скорость ветра равна 4...7 м/с), коэффициент эффективного полива снижается до 0,53...0,45. Это связано с тем, что режим работы дождевальных аппаратов №№ 1 и 2 не является оптимальным. Высокая частота их вращения снижает их надежность, а малорасходные струи обладают слабой устойчивостью к ветру. Серийные аппараты в середине и конце трубопровода формируют дождь большой крупности капель (до 3,5 мм), при средней интенсивности дождя 0,6...0,8 мм/мин и мгновенной до 3,0 мм/мин, который оказывает негативное воздействие на почву и сельскохозяйственные растения. Норма полива до стока для почв среднего и тяжелого механического состава Саратовского Заволжья составляет 300.. .230 м /га, что не позволяет проводить поливы оптимальными нормами без стока. Кроме того, значительны потери воды на испарение и снос ветром, наблюдается частая засоряемость насадок и струенаправляющих элементов. Требуют совершенствования существующие способы регулировки аппаратов на заданный расход воды.
В связи с этим обоснование и совершенствование ДМ «Фрегат» и дождевальных аппаратов на пониженный режим работы являются актуальными.
Цель работы - снижение энергоемкости и повышение качества полива путем модернизации ДМ «Фрегат» на низконапорный режим работы. В задачи исследований входит: -провести анализ способов модернизации дождевальных машин и аппаратов для работы на низком напоре и для повышения качества полива; -теоретически обосновать снижение напора на входе ДМ «Фрегат», выбор рациональных параметров дождевальных аппаратов и расчет слоя дождя после прохода дождевальной машины; -изучить основные агротехнические показатели полива дождевальных аппаратов в зависимости от конструктивно-технологических параметров, определить рациональные параметры аппаратов низконапорной ДМ «Фрегат», усовершенствовать аппараты и способы их настройки на требуемый расход воды; -исследовать агротехнические и энергетические характеристики полива ДМ «Фрегат» при пониженном напоре работы; -дать энергетическую и технико-экономическую оценку ДМ «Фрегат» при низконапорном режиме работы.
Научные положения, выносимые на защиту: -результаты теоретических и экспериментальных исследований по снижению напора на входе ДМ «Фрегат»; -основные положения совершенствования среднеструйных дождевальных аппаратов с целью повышения устойчивости струй к ветру, снижения действительной интенсивности дождя и крупности капель, упрощения их регулировки на требуемый расход воды; -зависимости для расчета вращающейся струи при ветре, действительной интенсивности и крупности капель дождя, диаметра отверстия регулировочной дюзы; -качественные показатели полива ДМ «Фрегат», работающей на пониженном напоре.
Объект исследования - низконапорный режим работы дождевальных машин «Фрегат» и среднеструйных аппаратов,
Научная новизна - выведение и уточнение математических зависимостей расчета: радиуса вращающейся струи при ветре, действительной интенсивности, крупности капель дождя, диаметра отверстия регулировочной дюзы, а также - обоснование снижения напора на входе ДМ «Фрегат» и модернизация дождевальных аппаратов.
Практическая ценность. Полученные результаты исследований могут быть использованы на стадии разработки и эксплуатации дождевальных аппаратов и машин «Фрегат». Полученные математические зависимости положены в основу проектирования низконапорных ДМ «Фрегат», которые способны обеспечивать полив при напоре 0,35; 0,36 и 0,48 МПа и снижать потребляемую электроэнергию на насосной станции на 18, 18 и 35 % (соответственно для 9, 12 и 16-опорных машин). Повышается надежность работы закрытой оросительной сети, уменьшаются капитальные вложения в насосные агрегаты и издержки на полив.
На базе математических зависимостей получены характеристики дождевальных машин и аппаратов, обеспечивающие повышение равномерности полива при ветре, снижение потерь воды на испарение и снос, уменьшение крупности капель и интенсивности дождя. Характеристики могут быть ис- пользованы при проектировании новых и модернизации существующих дождевальных аппаратов и машин.
Практические результаты по регулировке аппаратов на заданный расход воды (А.С. №№1132861, 1665968) могут быть использованы при их проектировании и эксплуатации.
Реализация результатов исследований. В ОПХ ГУ ВолжНИИГиМ за 1996-2000 гг. внедрены четыре низконапорные дождевальные машины «Фрегат». В орошаемых хозяйствах Марксовского, Энгельсского и Ровенского районов Саратовской области за 1985-2000 гг. внедрены 327 ДМ «Фрегат» с модернизированными дождевальными аппаратами. Ежегодный экономический эффект разработок составляет 10...39 тыс. руб. на машину.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на научных конференциях профессорско - преподавательского состава в Саратовском институте механизации сельского хозяйства (1981-1988 гг.), в Саратовском Государственном аграрном университете им. Н.И. Вавилова (2001-2002 гг.), на научно-технических конференциях молодых ученых во ВНИИГиМ (1984 г.), и ВолжНИИГиМ (1987 г.), на заседаниях секции «Гидротехника и мелиорация» ГУ ВолжНИИГиМ (1981, 1993-2000 гг.), а также рассмотрены на расширенном заседании кафедры «Мелиоративные и строительные машины» в СГАУ в 2002 г.
Публикации. Основные положения диссертации изложены в 22 работах, в том числе, в 3 изобретениях. Общий объем с учетом долевого участия в коллективных публикациях составляет 3,5 п. л., из них лично соискателя -2,6 п.л.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 166 страницах машинописного текста, состоит из введения, пяти глав, общих выводов, имеет 29 таблиц, 46 рисунков, 23 приложения. Список литературы включает в себя 121 наименование.
Энергоемкость полива и предложения по ее снижению
Дождевальная машина «Фрегат» в нашей стране эксплуатируется с 1971 года. Напор на гидранте ДМ «Фрегат» в зависимости от модификации изменяется от 0,47 до 0,70 МПа [24] , напор на выходе насосной станции поддерживается в пределах 0,9...1,2 МПа и определяется модификацией машины, площадью орошаемого участка, числом одновременно работающих машин, геодезической высотой подъема и др.
По данным Никулина С.Н. [61] энергоемкость подачи воды достигает 180 кВт ч, Отношение потребляемой мощности электродвигателя к расходу воды агрегата насосов Д 1250-125 и 250-QVD 570-50 (наиболее часто применяемые) составляет соответственно 1,78 и 1,20 кВт/л/с. Эта величина увеличивается до 2,80 [65] при эксплуатации их в нерациональном режиме. При напоре на выходе насоса 0,9...1,2 МПа и его КПД равном 0,7 расход электроэнергии на перекачку 1000 м воды составляет 300.. .450 кВт-ч [6].
Включение и отключение дождевальных машин вызывает значительное колебание давления в закрытой сети, которое достигает 1,5...2,1 МПа [115] и часто вызывает гидроудары. Это приводит к порывам трубопровода, на устранение которых тратятся значительные средства. В 1998 году только в Map-ксовском районе Саратовской области было зафиксировано 1200 порывов, а по области на одну машину в среднем приходится 7,4 порыва [65]. Простои, связанные с порывами приводят к снижению урожая из-за недополива.
Неправильная регулировка аппаратов ДМ «Фрегат» на расход воды, износ насосных агрегатов, протечки в трубопроводах и арматуре приводят к уменьшению числа одновременно работающих машин ниже проектной величины. Например, на насосной станции № 2 в ЗАО «Прибрежное» Энгельс-ского района три насоса 200Д90 обеспечивали работу только трех одновременно работающих ДМ «Фрегат» вместо пяти-шести по проекту [65]. Экономия электроэнергии на насосной станции и повышение надежности работы закрытой оросительной сети за счет перевода ДМ «Фрегат» на пониженный напор является важной задачей, которая на данный момент решается медленно.
Первая низконапорная ДМ «Фрегат» была разработана в ВНИИМиТП в 1976 г. [115] и обеспечивала работу с расходом воды 72 л/с при напоре на входе 0,4 МПа. Техническая характеристика приведена в таблице 1.1. На опорных тележках машины уменьшено плечо силового рычага и увеличено число почвозацепов колес. Для полива используются дождевальные аппараты «Фрегат» №№ 1 и 2, которые по мере увеличения расхода воды устанавливаются по одному, два, три или четыре на одном штуцере трубопровода. Общее количество аппаратов 16-опорной машины увеличено с 49 до 156 шт.
К недостаткам данной машины можно отнести увеличение минимального времени оборота с 52 до 105 часов и слишком малый расход (72 л/с).
В 1987 году прошла испытания низконапорная ДМ «Фрегат» конструкции УкрНИИГиМ [18], с увеличенным гидроцилиндром со 122 до 153 мм. Техническая характеристика дождевальной машины «Фрегат» приведена в таблице 1.1. На машине предусмотрено два варианта расстановки дождевателей. В основном варианте в начале и конце машины установлены средне-струйные аппараты «Фрегат» №№ 1 и 2 , а в средней части - короткоструиные дождеватели. В дополнительном варианте среднеструйные аппараты устанавливаются только в начале трубопровода, в средней части и в конце трубопровода - короткоструиные секторные дождеватели соответственно на трубе машины и на открылках. На Украине в 1988-1991 годы внедрено более 400 низконапорных машин «Фрегат».
Обоснование снижения напора на выходе ДМ «Фрегат»
Требуемый напор на входе (Н дождевальной машины «Фрегат» при нулевом уклоне поля определяется напором в конце трубопровода (Нк) и потерями напора по длине (HJ трубопровода машины:
Не = Нк + Н„. (2.1)
Потери напора по длине трубопровода рассчитываются по известным формулам гидравлики [3, 111]. Его значения определяются расходом воды, скоростью движения воды, диаметром и длиной трубопровода. Значения потерь напора по длине трубопровода для машин «Фрегат» марки ДМ, ДМУ-А и ДМУ-Б [24] приводятся в таблице 2.1, рис. 2.1 и описываются уравнением:
Нп =0,01 -Qa+bQ, (2.2)
где Ню Q - потери напора по длине трубопровода и расход воды дождевальной машины «Фрегат», МПа и л/с;
а, Ъ - постоянные коэффициенты для машины модификации ДМУ-А: а = -0,091, Ъ -0,011; для ДМУ-Б: а = 0,2388, b = 0,00448; для ДМ: а = 0,4178, Ъ = 0,00297.
Из таблицы 2.1 и рисунка 2.1 видно значительное увеличение потерь напора по длине, а при расходе воды 90...100 л/с, Нп=0,18...0,28 МПа, что составляет 30.. .40 % от напора на входе в машину.
Для снижения потерь напора можно увеличить диаметр трубопровода машины или уменьшить максимальный расход воды 14...16-опорных машин до 75 л/с, при котором потери напора составят 0,11 МПа (рис.2.1).
Напор в конце трубопровода серийных ДМ «Фрегат» составляет 0,42 МПа. Исследования, проведенные во ВНИИМиТП [46], показали, что при движении тележки давление под поршнем гидроцилиндра изменяется в пределах 0,06.. .0,17 МПа в зависимости от агрофона и уклона поля.
Программа исследований
Определить радиус действия вращающейся струи у дождевальных аппаратов и способы его увеличения при ветре. Определить мгновенную площадь захвата дождем дождевальной струи и действительную интенсивность дождя серийных и модернизированных аппаратов. Установить распределение диаметра капель дождя вдоль радиуса захвата струйных аппаратов. Определить характер изменения напора на выходе струи в зависимости от размера отверстия регулировочной дюзы. Определить карты настройки дождевальных аппаратов для низконапорных ДМ «Фрегат».
2.Определить расходно-напорные характеристики ДМ «Фрегат» пониженного напора, максимальную цикличность гидропривода последней тележки и норму полива в зависимости от нее. Оценить экономию электроэнергии на насосной станции, при внедрении дождевальных машин «Фрегат» пониженного напора.
З.Опрелить равномерность полива и потери воды на испарение и снос ДМ «Фрегат» пониженного напора с серийными и модернизированными аппаратами. Определить динамику влажности почвы на орошаемом участке и урожайность сельхозкультур при поливе ДМ «Фрегат» с серийными и модернизированными дождевальными аппаратами. Определить экономическую эффективность внедрения ДМ «Фрегат» пониженного напора, модернизированных дождевальных аппаратов.
.Радиус действия струи дождевального аппарата
Радиус действия струи дождевального аппарата Для определения радиуса действия вращающейся струи дождевальных аппаратов «Фрегат» проведены лабораторно-полевые исследования. В ходе исследований изменялись: диаметр насадки (Д), напор на выходе струи (Н), угол наклона струи к горизонту (в) и конуса насадки ф), частота вращения аппарата (п), высота его установки от поверхности поля (h), диаметр ствола (Дс), степень поджатия насадки (С Дс2/Д2), длина цилиндрической части насадки (Ец), длина ствола (LJ (рис. 4.1). Во время проведения опытов фиксировалась скорость ветра на высоте 2 м от поверхности поля. Экспериментальные значения радиусов действия струи приведены в приложении 1-8, табл. 4.1-4.3. Уравнение для расчета радиуса действия вращающейся струи (RJ получили в виде:
К = &ин Kv- Кп- К0- Кк- Kh, (4.1)
где RUH - радиус действия неподвижной струи, вылетающей из аппарата, близкого к идеальному и выполненного в соответствии с рекомендациями для снижения турбулизации потока воды (без крутых поворотов, резких переходов и др.). Результат, получен при штилевой погоде и оптимальном угле наклона ствола к горизонту 30, м;
KVl Кп, Кв - коэффициенты, учитывающие уменьшение радиуса действия струи, соответственно за счет увеличения скорости ветра, частоты вращения аппарата и уменьшения угла наклона ствола (струи) к горизонту; Кю Kh - коэффициенты, учитывающие уменьшение радиуса действия струи соответственно за счет несовершенства конструкции проточной части аппарата и изменения высоты его установки над поверхностью поля.
Для определения коэффициента Kv (его значения находили по формуле 3.7) были использованы результаты наших исследований, а также экспериментальные данные, полученные А.А. Калашниковым [34], К.А. Мустафье-вой [56], М.И. Назаровым [57], Г.П. Лямпертом [50], В.А. Овчаровым [63] и другими [8, 12] (приложение 2, рис. 4.2).
Математической обработкой на ЭВМ (по программе «Statqraf») установлено, что значения коэффициента /С наиболее высокую корреляционную связь имеют со скоростью ветра и равен 0,925. Коэффициент корреляции с углом наклона струи к горизонту равен 0,4130, с напором на выходе струи -0,3239, с частотой вращения аппарата-0,3492, с диаметром насадки-0,2816.
Обработкой на ЭВМ опытных данных получена следующая математическая зависимость:
Kv = Rv/Rv-_0 = шх -со8ФШУ (Ю0 Н)-(кт77-\ (4.2)
где Д- диаметр насадки, мм; Н- напор перед аппаратом, МПа; 6- угол наклона ствола аппарата, град; V- скорость ветра на высоте 2 м от поверхности поля, м/с.
Коэффициент множественной корреляции равен 0,76.
Таким образом, из уравнения (4.2) видно, что для повышения устойчивости струи к ветру необходимо снижать угол ее вылета, степень распыла и увеличивать ее диаметр.
Расходно-напорная характеристика, норма полива, цикличность гидропривода тележки и энергоемкость полива низконапорных ДМ «Фрегат»
Используя результаты агротехнических исследований серийных и модернизированных аппаратов, был проведен расчет карт настройки и основных рабочих параметров для 9, 12 и 16-опорных низконапорных ДМ «Фрегат» хоз. №№ 1, 2, 3 и 4, работающих в ОПХ ГУ ВолжНИИГиМ (табл. 5.1-5.2, приложение 11).
Дождевальные аппараты ДМ «Фрегат» хоз, № 1 были настроены на расход воды 38 л/с при напоре на входе в машину 0,35 МПа (табл. 5.1). Для подачи воды использовался насос бНДв. При эксплуатации машины напор на входе изменялся от 0,35 до 0,42 МПа (табл. 5,5, вар. 1) в зависимости от величины расхода воды через задвижку Д (рис 3.3). Расход воды машины изменялся от 38 до 45 л/с. При напоре на входе в машину 0,36 МПа расход составил 38,9 л/с (табл. 5.3, рис. 5.1).
Общий расход воды, подаваемый насосом бНДв, изменялся в пределах 50...60 л/с, и распределялся на расход воды через дождеватели, гидропривод тележки, протечки в трубопроводе машины и в закрытой оросительной сети, а также на расход воды через задвижку Д. Напор на насосной станции составил 0,49...0,50 МПа.
Дождевальные аппараты ДМ «Фрегат» хоз. № 2 были настроены на расход воды 45 л/с при напоре на входе в машину 0,36 МПа (табл. 5.2).
При работе насоса бНДв с 12-опорной ДМ «Фрегат» хоз. № 2 напор на входе машины изменялся от 0,35 до 0,39 МПа, а расход воды - от 43 до 46 л/с (приложение 12, табл. 5.4, 5.5, вар. 2, рис. 5.1). Общий расход воды насоса составлял 50...60 л/с и распределялся на расход воды через дождеватели, гидропривод тележек и протечки в трубопроводе закрытой оросительной сети. Напор на насосной станции - 0,49...0,50 МПа.
