УДК 631.6 Сельскохозяйственная мелиорация
ГРНТИ 68.31 Сельскохозяйственная мелиорация
ОКСО 35.06.01 Сельское хозяйство
ББК 4 СЕЛЬСКОЕ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО. СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ И ЛЕСОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ НАУКИ
ТБК 5607 Сельскохозяйственная мелиорация
BISAC TEC003000 Agriculture / General
Преимуществом внутрипочвенной укладки капельной ленты является расположение ленты в почве с незначительными отклонениями в горизонтальной и вертикальной плоскостях от проектных отметок. Для качественной укладки необходимо поддерживать постоянное натяжение ленты, превышающее инерцию раскручивания катушки при внезапном изменении скорости машины. На ленту также действуют сопротивления укладке, возрастающие с увеличением глубины. Исследованиями установлено, что наиболее часто используемые капельные ленты с толщиной стенок 0,3…0,4 мм следует укладывать на глубину до 40 мм, так как действующие напряжения могут привести к потере прочности ленты и ее обрыву. Для укладки на большую глубину следует использовать капельные ленты с толщиной стенок 0,4…0,6 мм. Разработано приспособление для регулирования положения направляющей трубы укладчика в вертикальной плоскости и установления требуемой глубины укладки ленты в полевых условиях. Применение в конструкции укладчика капельной ленты на базе формирователя картофельных гребней Grimme GF-75/4 приспособления, позволяющего регулировать положение направляющей трубы в вертикальной плоскости и при помощи рычага устанавливать требуемую глубину укладки капельной ленты, позволило снизить тяговые сопротивления на 12% и уменьшить энергоемкость на 8,5 %.
капельный полив, тяговые сопротивления, глубина укладки, натяжение капельной ленты, инерционная сила, внутрипочвенная укладка ленты
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. Дубенок, Н. Н. Перспективы и общественная значимость развития мелиорации в Московской области / Н. Н. Дубенок, Г. В. Ольгаренко, Р. В. Калиниченко // Мелиорация и водное хозяйство. - 2022. - № 5. - С. 6-11.
2. Ольгаренко, Г. В. Перспективы импортозамещения и разработки технических средств орошения для программы развития мелиорации в Российской Федерации / Г. В. Ольгаренко, С. С. Турапин // Мелиорация и водное хозяйство. - 2016. - № 2. - С. 35-39.
3. Патент на полезную модель № 208061 U1 Российская Федерация, МПК A01G 25/06. Устройство для укладки капельной ленты : № 2021128300 : заявл. 28.09.2021 : опубл. 01.12.2021 / А. Ю. Корнеев, В. И. Балабанов, Н. Б. Мартынова, Л. А. Журавлева.
4. Карпов М.В., Шардина Г.Е., Жиздюк АВ.А., Шаповалов А.Г. Исследование эффективности и экономическая оценка применения разработанной картофелепосадочной машины // Научная жизнь. - 2018. - №3. - с. 19-27
5. Мартынова, Н. Б. Применение специального укладчика капельной ленты с разработкой тормозного устройства / Н. Б. Мартынова // Мелиорация и водное хозяйство. - 2022. - № 4. - С. 31-36.
6. Mikheev P.A., Cheshev A.S., Alrksandrovskaya L.A. Bases of Interaction of Melioration and Environment // Engineering Studies, 2016.- T. 8.- № 3-2.- c.507
7. Водопотребление овощных культур в нечерноземной зоне России / В. В. Пчелкин, С. О. Владимиров, Д. И. Зяблицев, Абдель Таваб // Природообустройство. - 2022. - № 4. - С. 22-30. - DOIhttps://doi.org/10.26897/1997-6011-2022-4-22-30.
8. Патент № 2653550 C1 Российская Федерация, МПК A01G 25/02. Низконапорная сеть капельного орошения : № 2017128479 : заявл. 10.08.2017 : опубл. 11.05.2018 / В. К. Губин, В. П. Максименко, М. Ю. Храбров.
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, 18-19 марта 2021 года. Vol. 262. - Nalchik, 2021. - P. 01018.
10. Щедрин В.Н., Колганов А.В., Сенчуков Г.А., Гостищев В.Д. Актуальные вопросы развития мелиоративной отрасли и использование водных ресурсов в АПК// Мелиорация и водное хозяйство. - 2021. -№ 4.- с. 8-11.
11. Мартынова, Н. Б. Капельное орошение картофеля с применением механизированной укладки капельной ленты / Н. Б. Мартынова // Мелиорация и водное хозяйство. - 2021. - № 3. - С. 26-30.
12. Бородычев В.В., Лытов М.Н., Овчинников А.С., Бочарников В.С. Оптимальное управление поливами на основе современных вычислительных алгоритмов // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. - 2015. - № 4(40). - С. 21-28.
13. Теоретическое исследование аппарата для высаживания картофеля / М. В. Карпов, Г. Е. Шардина, А. А. Жиздюк, А. Г. Шаповалов // Научная жизнь. - 2018. - № 3. - С. 39-52.
14. Жалнин Э.В. О фундаментальности земледельческой механики // Вестник федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Московский государственный агроинженерный университет имени В. П. Горячкина", 2017. - № 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.- №197, P. 428-433.
16. Reyes-Cabrera J., Zotarelli L., Rowland D.L., Dukes M.D., Sargent S.A. Drip as alternative irrigation method for potato in Florida sandy soils // American Journal of Potato Research.-2015.- №91(5), P. 504-516.
