UDK 631.6 Сельскохозяйственная мелиорация
GRNTI 68.31 Сельскохозяйственная мелиорация
OKSO 35.06.01 Сельское хозяйство
BBK 4 СЕЛЬСКОЕ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО. СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ И ЛЕСОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ НАУКИ
TBK 5607 Сельскохозяйственная мелиорация
BISAC TEC003000 Agriculture / General
The advantage of subsoil laying drip tape is the location of the tape in the soil with minor deviations in the horizontal and vertical planes from the design marks. For quality laying, it is necessary to maintain a constant tape tension that exceeds the inertia of unwinding the coil during a sudden change in machine speed. The tape is also affected by stacking resistances, which increase with increasing depth. Studies have established that the most commonly used drip tapes with a wall thickness of 0.3 ... 0.4 mm should be laid to a depth of 40 mm, since the acting stresses can lead to loss of tape strength and its breakage. For laying to a greater depth, drip tapes with a wall thickness of 0.4 ... 0.6 mm should be used. A device has been developed for adjusting the position of the guide pipe of the stacker in the vertical plane and establishing the required depth of laying the tape in the field. The use of a device in the design of the drip tape stacker based on the Grimme GF-75/4 potato ridge former, which allows you to adjust the position of the guide pipe in the vertical plane and set the required drip tape laying depth with a lever, made it possible to reduce traction resistance by 12% and reduce energy consumption by 8,5%.
drip irrigation, traction resistance, laying depth, drip tape tension, inertial force, subsurface tape laying
При капельном поливе несомненным преимуществом является доставка воды в корнеобитаемое пространство. Укладка капельной ленты может быть как поверхностная, так и внутрипочвенная [1]. Преимуществом первого способа являются минимальные тяговые сопротивления в процессе укладки. Однако при данном способе не исключены потери на испарение поливной влаги, а также сильно затруднено поддержание постоянного натяжения ленты в процессе укладки, что может привести к горизонтальным деформациям, дополнительным сопротивлениям, результатом этого будет потеря напора и, как следствие, неравномерный полив [2]. Внутрипочвенная укладка гарантирует заданное расположение капельной ленты, с незначительными отклонениями от горизонтальной оси. Равномерное натяжение ленты в этом случае поддерживается при помощи постоянно действующего тормозного устройства. Пружина на тормозе создает постоянное натяжение, которое должно превышать тяговое усилие на капельной ленте [3]. В этом случае при изменении скорости или внезапной остановке машины не будет наблюдаться ослабления натяжения ленты. Так как тяговое усилие на ленте зависит от ее скорости разматывания, при отсутствии постоянно действующего тормоза резкие изменения скоростного режима, внезапные остановки машины могут привести к перекручиванию и даже обрыву ленты. Это явление часто наблюдается при использовании кустарно изготовленных приспособлений для укладки капельной ленты [4]. При ручной укладке, помимо того, что такой способ крайне непроизводителен, также невозможно обеспечить постоянное натяжение ленты в процессе ее укладки, что неизбежно приведет к деформациям ленты, ее отклонениям в горизонтальной плоскости [5, 6]. Поэтому для качественной работы системы капельного полива необходима механизированная укладка капельной ленты с применением специализированных машин. Такие машины серийно выпускаются в США фирмами Andros и Rain Flo [7, 8]. В линейке производителей представлены машины для капельного полива различных культур. Имеется техника как для поверхностной, так и для внутрипочвенной укладки капельной ленты с регулируемой глубиной. Однако, закупка данной техники экономически нецелесообразна, а в сложившихся непростых внешнеполитических условиях вряд ли осуществима. В Российской Федерации предприятиями налажен выпуск капельных лент, трубок и фитингов, что приводит к постепенному вытеснению импортного оборудования отечественным [9, 10]. Однако, до настоящего времени специализированные машины для укладки капельной ленты в нашей стране не выпускаются [11, 12]. Использование кустарно изготовленного оборудования не может гарантировать заданное расположение капельной ленты в почвы, а также оптимальное натяжение ленты при укладке. Несоблюдение данных рекомендаций может привести к перекручиванию и даже обрыву ленты при резком изменении скорости машины или внезапной ее остановки.
Материалы и методы. Для определения оптимальной глубины укладки ленты определим сопротивления, возникающие в процессе размещения ее в почве. Сопротивления ленты размещению в почвенном пространстве может быть определено [13, 14]:
Fp = Fg + Flvr + Fldr + Fltr = μGp + kphb + εhbv2 + (f0Gldodl-1 + 2 Gldedl-1) (1 + ef0β) (1)
где: Fg - сопротивление грунтовой среды копанию, кН; Flvr – сопротивление трению ленты в направляющей трубе, кН; Fldr – сопротивление от разбалансированности катушки в процессе ее разматывания, кН; Fltr – сопротивление трению об ось при вращении катушки, кН; Gp – вес рабочего оборудования укладчика, кН; μ – коэффициент трения стальной поверхности укладчика о грунт; kp – удельное сопротивление разрабатываемого грунта резанию, кН; h – глубина укладки, м; b – ширина направляющей трубы с сошником, м; ε – коэффициент, учитывающий влияние скорости рабочего органа на сопротивление копанию; v – поступательная скорость базовой машины, м/с; f0 – коэффициент трения оси катушки в подшипниковом узле; Gl- вес бухты с капельной лентой, кН; do – диаметр оси катушки, м; dl – диаметр бухты с капельной лентой, м; le – горизонтальное смещение оси от центра тяжести катушки, м; β – угол обхвата катушки лентой, рад.
Для поддержания оптимальных значений натяжения ленты, следует определить силу инерции машины, чтобы в случае внезапного изменения ее скорости и даже полной остановки не создавалось опасности ослабления натяжения и перекручивания ленты.
Инерционную силу машины следует определить по формуле [15]:
F1 - G1 (kc + fm) (2)
где: kc – коэффициент сцепления с ходового устройства с грунтом; fm – коэффициент сопротивления передвижению.
При изменении скорости базовой машины катушка будет разматываться по инерции. Для вычисления инерционной силы катушки воспользуемся формулой [16]:
F1 = mljσv (3)
где: ml – масса катушки с капельной лентой, кг; j – замедление машины при торможении, м/с2; σv – коэффициент учета вращающихся масс.
Результат и обсуждение. Для предотвращения перекручивания ленты в процессе укладки, натяжение ленты должно быть выше инерционной силы катушки. Однако, чрезмерное натяжение может привести к деформации ленты, нарушению ее соединения с эмиттером, обрыву.
В процессе исследований были определены тяговые сопротивления при укладке капельной ленты на глубину до 80 мм (рис. 1).
Рис.1. Тяговые сопротивления укладки капельной ленты в почву на глубину до 80 мм.
Дальнейшими расчетами следует определить эффективную глубину укладки ленты и внести изменения в конструкцию укладчика, разработав приспособление, позволяющее в полевых условиях устанавливать требуемую глубину укладки капельной ленты.
Толщина стенки трубы у различных производителей составляет 0,15…0,6 мм, чаще всего применяются 0,2…0,3 мм, так как с ростом толщины увеличивается стоимость ленты, поэтому для одного сезона применение их нерентабельно.
Действующее напряжение от растяжения ленты определим по формуле:
(4)
Где d – диаметр капельной ленты, мм; δ – толщина стенки капельной ленты, мм.
Были исследованы наиболее популярные марки капельных лент известных отечественных производителей: ООО «Угличский завод полимеров», «Новый век агротехнологий», НПО «Агрополимер», ООО «Виола» с толщиной стенки 0,2…0,6 мм (рис. 2).
Рис.2. Действующие напряжения в капельной ленте при механизированной укладке на глубину до 80 мм.
Как видно из графика, при увеличении глубины укладки свыше 40 мм, растягивающие напряжения в ленте приближаются к предельно допустимым 17 МПа, следовательно, укладка на глубину до 80 мм допустима для лент с толщиной стенок 0,4…0,6 мм. Однако, регулировать глубину укладки капельной ленты в полевых условиях затруднительно. В кустарно изготовленных приспособлениях регулирование глубины укладки не предусмотрено. Следовательно, для качественной укладки капельной ленты необходимо введение в конструкцию рабочего органа приспособления для регулирования вертикального положения направляющей трубы с размерной шкалой, так как машина укладывает несколько лент одновременно, и глубина укладки в соседних линиях не должна быть различной (рис. 3).
Рис.3 Укладчик капельной ленты с возможностью регулирования глубины укладки ленты: 1 – направляющая труба, 2 – сошник, 3 – капельная лента, 4 - ось катушки, 5 – катушка с лентой, 6 -прижимной диск, 7 – стойка, 8– тормозное устройство, 9 – фиксатор оси, 10 – тормозная колодка, 11- втулка диска с подшипниковым узлом, 12 – подпружиненная скоба, 13 - регулировочное устройство, 14 – рычаг.
Для регулировки глубины укладки, к направляющей трубе приварено регулировочное устройство, представляющее собой стальной пруток прямоугольного сечения с углублениями, расположенными с равными промежутками. В эти углубления заходит подпружиненная скоба, горизонтальное перемещение которой регулируется рычагом, закрепленном на шарнире. Рычаг позволяет зафиксировать вертикальное положение направляющей трубы, а, следовательно, глубину укладки ленты. Если происходит одновременная укладка параллельных капельных линий, то установка одинаковой глубины укладки ленты не будет представлять сложностей.
С увеличением глубины наблюдается существенный рост тяговых сопротивлений, что приводит к росту растягивающих напряжений в капельной ленте. Следовательно, для укладки капельной ленты на глубину свыше 40 мм необходимо выбирать ленту с толщиной стенок не менее 0,4…0,6 мм.
Механизированная укладка капельной ленты была проведена на опытном участке Полевой опытной станции РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева специализированным укладчиком на базе формирователя картофельных гребней Grimme GF-75/4 с последующим монтажом системы капельного полива (рис. 4).
Рис. 4. Механизированная укладка капельной ленты на Полевой опытной станции РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева.
Применение в конструкции укладчика приспособления для регулирования глубины укладки ленты в полевых условиях позволило установить оптимальные значения глубины погружения ленты в почву, что позволило снизить тяговые сопротивления на 12% и сократить энергозатраты на 8,5%.
Выводы. В процессе укладки на капельную ленту действуют тяговые сопротивления, а также необходимо поддерживать постоянное натяжение ленты, превышающее инерционную силу катушки, чтобы при изменении скорости машины исключить возможность перекручивания ленты. С увеличением глубины укладки растут тяговые сопротивления, что приводит к росту напряжения в ленте. Исследованиями установлено, что наиболее популярные модели капельных лент с толщиной стенок 0,2…0,3 мм следует укладывать на глубину до 40 мм, дальнейшее увеличение глубины укладки может привести к потере прочности ленты. Для установки оптимальной глубины укладки в конструкцию рабочего органа введено устройство, позволяющее регулировать положение направляющей трубы в вертикальной плоскости с возможностью установки оптимальной глубины укладки ленты в полевых условиях. Применение разработанной конструкции позволило снизить тяговые сопротивления на 12% и сократить энергозатраты на 8,5%. Так как в конструкции машины используется несколько укладчиков (по числу формируемых гребней), данное приспособление значительно облегчило установку одинаковой глубины укладки на всех направляемых трубках.
1. Dubenok, N. N. Prospects and social significance of the development of land reclamation in the Moscow region / N. N. Dubenok, G. V. Olgarenko, R. V. Kalinichenko // Melioration and water management. - 2022. - No. 5. - P. 6-11.
2. Olgarenko, G. V. Prospects for import substitution and development of irrigation equipment for the program of melioration development in the Russian Federation / G. V. Olgarenko, S. S. Turapin // Melioration and water management. - 2016. - No. 2. - P. 35-39.
3. Utility model patent No. 208061 U1 Russian Federation, IPC A01G 25/06. Device for laying drip tape: No. 2021128300: App. 09/28/2021 : publ. 01.12.2021 / A. Yu. Korneev, V. I. Balabanov, N. B. Martynova, L. A. Zhuravleva.
4. Karpov M.V., Shardina G.E., Zhizdyuk A.A., Shapovalov A.G. Efficiency study and economic evaluation of the use of the developed potato planter // Scientific life. - 2018. - No. 3. - With. 19-27
5. Martynova, N. B. Application of a special drip tape stacker with the development of a braking device / N. B. Martynova // Melioration and water management. - 2022. - No. 4. - S. 31-36.
6. Mikheev P.A., Cheshev A.S., Alrksandrovskaya L.A. Bases of Interaction of Melioration and Environment // Engineering Studies, 2016.- V. 8.- No. 3-2.- p.507
7. Water consumption of vegetable crops in the non-chernozem zone of Russia / VV Pchelkin, S. O. Vladimirov, D. I. Zyablitsev, Abdel Tawab // Nature Engineering. - 2022. - No. 4. - S. 22-30. - DOIhttps://doi.org/10.26897/1997-6011-2022-4-22-30.
8. Patent No. 2653550 C1 Russian Federation, IPC A01G 25/02. Low pressure drip irrigation network : No. 2017128479 : Appl. 08/10/2017 : publ. May 11, 2018 / V. K. Gubin, V. P. Maksimenko, M. Yu. Khrabrov.
9. Martynova, N. B. The Design of the Working equipment for laying a drip tape based on the Grimme GF-75/4 Ridgeformer / N. B. Martynova, V. I. Balabanov // lnnovative Technologies in Environmental Engineering and Agroecosystems (ITEEA 2021): E3S Web of Conferences 1st International Scientific and Practical Conference, Nalchik, March 18-19, 2021. Vol. 262. - Nalchik, 2021. - P. 01018.
10. Shchedrin V.N., Kolganov A.V., Senchukov G.A., Gostishchev V.D. Actual issues of the development of the reclamation industry and the use of water resources in the agro-industrial complex// Melioration and water management. - 2021. -№ 4.- p. 8-11.
11. Martynova, N. B. Drip irrigation of potatoes using mechanized laying of drip tape / N. B. Martynova // Melioration and water management. - 2021. - No. 3. - S. 26-30.
12. Borodychev V.V., Lytov M.N., Ovchinnikov A.S., Bocharnikov V.S. Optimal irrigation control based on modern computational algorithms. Izvestiya of the Nizhnevolzhsky AgroUniversity Complex: Science and Higher Professional Education. - 2015. - No. 4 (40). - S. 21-28.
13. Karpov M. V., Shardina G. E., Zhizdyuk A. A., Shapovalov A. G. Theoretical study of the apparatus for planting potatoes // Scientific Life. - 2018. - No. 3. - S. 39-52.
14. Zhalnin E.V. On the fundamental nature of agricultural mechanics // Bulletin of the Federal State Educational Institution of Higher Professional Education "Moscow State Agroengineering University named after V.P. Goryachkin", 2017. - No. 6(82) - C.10-14.
15. Makani M.N., Sargent S.A., Zotarelli L., Huber D.J., Sims C.A. Irrigation method and harvest time affect storage quality of two early-season, tablestock potato (Solanum tuberosum L.) cultivars // Scientia Horticulturae.-2015.- No. 197, P. 428-433.
16. Reyes-Cabrera J., Zotarelli L., Rowland D.L., Dukes M.D., Sargent S.A. Drip as an alternative irrigation method for potato in Florida sandy soils // American Journal of Potato Research.-2015.- No. 91(5), P. 504-516.
