Музика О.П. Розробка низькоінтенсивних модифікацій двоконсольного дощувального агрегата ДДА-100МА

summary

          У вступі наведено стислу характеристику дисертаційної роботи, обгрунтовано її актуальність.

          У першому розділі на основі літературних джерел подано огляд і аналіз досліджень, які присвячені ресурсозберігаючим методам і засобам зрошення.

        Найбільш відомі дослідження в цьому напрямку викладено в працях Алієва К.А., Гаврилиці А.О., Галяміна Е.П., Гарника В.К., Гриня Ю.І., Гуріна В.А., Губера К.В., Коваленка П.І., Ковальчука П.І., Науменка І.І., Носенка В.Ф., Хоружого П.Д., Шевченка О.В., Шумакова Б.Б., Яцика А.В. Аналіз цих досліджень показує, що зниження енергоємності процесу поливу досягається за рахунок застосування низьконапірних технологій розподілення води, а ефективність використання енергії і води вирішується шляхом застосування водозберігаючих технологій і засобів автоматизації поливу.

        Проведений аналіз досліджень експлуатаційних показників дощувальних агрегатів ДДА-100МА показує, що вони не повною мірою відповідають вимогам ефективного поливу, внаслідок чого не забезпечується екологічна безпека грунту і проектна урожайність сільськогосподарських культур. Визначено, що перспективним напрямом удосконалення дощувальних агрегатів ДДА-100МА є розробка нових конструкцій з меншими витратами води, високою якістю та рівномірністю поливу із заданою та регульованою інтенсивністю дощу. При цьому якість та рівномірність поливу залежатиме від визначення оптимальних параметрів штучного дощу робочих органів, розташованих на водопровідному трубопроводі. Найвідоміші дослідження в напрямку визначення цих параметрів, їхні вибір та оптимізацію висвітлено в працях Бончковського Н.Ф., Гордона Б.С., Гриня Ю.І., Гусейн-Заде С.Х., Дружиніна Н.І., Ісаєва А.П., Коваленко В.І., Лебедєва Б.М., Сидоренка А.М., Строгого В.М., Ципріса Д.Б., Шевченка О.В.

        Проте, в цих дослідженнях недостатньо враховувалась необхідність дотримання однорідності структури штучного дощу уздовж трубопроводу, яка змінюється залежно від робочого напору, типу, типорозміру та схем розміщення робочих органів дощувальних машин. Особливо це стосується агрегата ДДА-100МА, який потребує глибшого вивчення.

        Дослідження Алферова Ю.В., Кліменка Л.І., Поляшова Ю.А., Штангея А.І. в напрямку покращання якості поливу ДДА-100МА через зміни характеру розподілення штучного дощу не знайшли широкого впровадження у виробництві, що пояснюється відсутністю методичних основ розрахунку оптимальних параметрів дощувальних насадок та оптимізації схем їхнього розміщення уздовж водопровідного трубопроводу з урахуванням заданої структури дощу, точності витрат води та умов експлуатації агрегата.

       На основі проведеного аналізу існуючого стану досліджень зрошувальних систем з дощувальними агрегатами ДДА-100МА і перспектив розвитку зрошення з малогабаритними мобільними двоконсольними агрегатами фронтальної дії нового покоління визначені мета і задачі досліджень.

         У другому розділі науково обгрунтовано напрями удосконалення дощувального агрегата ДДА-100МА та методика досліджень. Розроблено блок-схему напрямів удосконалення агрегата ДДА-100МА, за якою основними недоліками в експлуатації агрегата є недостатня рівномірність та якість дощу, значні витрати палива, незадовільні умови праці машиніста-оператора (рис.1).

              Рис.1.   Блок-схема напрямів удосконалення  агрегата ДДА-100МА

Аналіз напрямів удосконалення агрегата ДДА-100МА показав, що в першу чергу необхідно здійснити удосконалення агрегата підвищенням рівномірності та якості дощу. Це дає змогу з мінімальними капітальними витратами удосконалити існуючі дощувальні агрегати ДДА-100МА і забезпечити зрошення за сучасними вимогами, які не допускають негативної дії на сільськогосподарські культури та грунт. 

        Зменшення інтенсивності дощу досягається двома шляхами. Перший – це зменшення витрат води агрегатом, другий – збільшення довжини смуги дощу за  допомогою удосконалення водопровідного трубопроводу і дощувальних насадок агрегата. Результати розрахунків інтенсивності дощу наведено на рис.2, звідки можна визначити, що для агрегата ДДА-100МА при довжині смуги дощу 17 м зменшення витрати води до 100 л/с дає змогу зменшити інтенсивність дощу до 2,94 мм/хв, при витраті 60 л/с вона зменшується до 1,76 мм/хв. Збільшення довжини смуги дощу до 22 м дає змогу зменшити інтенсивність дощу до
2,95 мм/хв при витраті води 130 л/с, при витраті 100 л/с вона зменшується до
2,27 мм/хв, при витраті 60 л/с до 1,36 мм/хв.

    Рис.2.  Залежність витрат води від інтенсивності дощу при різній довжині

                    смуги дощу: 1 – 15 м; 2 – 16; 3 – 17; 4 – 18; 5 – 19; 6 – 20; 7 – 21;

                                          8 – 22; 9 – 23; 10 – 24; 11 – 25; 12 – 26; 13 – 27 м.

         Зменшення діаметра крапель дощу досягали використанням нових типів дощувальних насадок і схем їхнього розміщення уздовж водопровідного трубопроводу. Тому для агрегата ДДА-100МА з різними витратами води визначали інтенсивність дощу з таким розміром крапель, при якому стік води з поверхні грунту відсутній. Для цього нами побудовано графіки інтенсивності дощу з врахуванням різних типів грунту залежно від їх водопроникної спромож-ності а ( а = 1,25; 1,5; 1,75; 2,0; 2,25; 2,5; 2,75; 3,0) при діаметрах крапель дощу
(d_к ) рівних 1,0; 1,25; 1,5 мм. Необхідно відзначити, що зазначені типи грунту характерні для Європейської частини країн СНД. Проведені розрахунки показали, що зменшення діаметра крапель дощу з 1,5 до 1,0 мм дає змогу агрегату ДДА-100МА з інтенсивністю 3,82 мм/хв збільшити час дії дощуванням без створення стоку на середніх грунтах з показником а = 1,25 від 22 до 26 хв, а на важких грунтах з показником а = 2,25 відповідно від 1,1 до 1,6 хв. Зменшення інтенсивності дощу до 3 мм/хв дає змогу збільшити час дії такого дощу до 5 хв на важких грунтах з показником а = 2,0, а при зменшенні інтенсивності до 1,5 мм/хв відповідно до 2 хв, якщо показник грунту а = 3,0 (рис.3). Як бачимо, зменшення інтенсивності та діаметра крапель дощу при русі агрегата з максимальною швидкістю 17,8 м/хв забезпечує полив без створення стоку на дуже важких грунтах.       

Рис.3. Залежність інтенсивності дощу (i,мм/хв) від тривалості дощування
            (t, хв) з врахуванням водопроникної спроможності грунту (а = 1,25…3,0),
            діаметр крапель d = 1,0 мм:  1 – легкі грунти, а = 1,25;  2 – перші середні,
            а = 1,5;  3 – другі середні, а = 1,75;  4 – перші важкі, а = 2,0;  5 – другі
            важкі, а = 2,25;  6 – треті важкі, а = 2,5;  7 – перші дуже важкі, а = 2,75;
            8 – другі дуже важкі грунти, а = 3,0.

За наведеними розрахунками обгрунтовано перспективність використання нових низькоінтенсивних модифікацій ДДА-100МА з витратами води 60, 80, 100, 130 л/с, які дають змогу зменшити енергетичну дію крапель дощу на грунт та використовувати їх на ділянках зрошення з різною водопроникністю грунту.

        Для оптимального розрахунку типів і розмірів дощувальних насадок, а також схем їхнього розміщення на водопровідному трубопроводі нами розроблено блок-схему алгоритму розрахунку типорозмірів дощувальних насадок і дюз, які при заданому напорі та витраті води на вході в агрегат забезпечують уздовж трубопроводу рівномірний шар дощу з необхідною структурою його крапель. При цьому приймали обмеження щодо суми відхилень фактичних витрат води крізь насадки і теоретичних витрат, які не повинні відрізнятися більш як на 5%, а співвідношення Н/d, що характеризує структуру дощу, повинно знаходитися у межах 1700 – 2400. 

       Методи досліджень передбачали використання чинних нормативів у галузі ВНД 33-4.3-01.98 “Машини і установки дощувальні. Програми, методи випробувань і оцінок”, а також міжнародні стандарти ISO 8224-1, ISO 11545. Дослідження розроблених дощувальних насадок проводили в лабораторних та польових умовах з використанням стаціонарного лабораторного стенда (СДУ) для вимірювання витрат води і переносної установки (ПДУ) для визначення параметрів та показників якості дощу цих насадок.

          У третьому розділі наведено результати досліджень по вибору типу, конструктивних параметрів та раціональних схем розміщення робочих органів дощувальних машин. Проведений аналіз конструктивних елементів та параметрів дощувальних насадок секторної дії, які широко використовуються, показав, що для покращання якості та рівномірності дощу ДДА-100МА необхідно розробити нові конструкції насадок, враховуючи всі недоліки та переваги існуючих. Виходячи із цих умов нами розроблено конструкції насадок, які конструктивно різняться кутом при вершині конфузора (для однієї насадки 60⁰, а для іншої – 20⁰), радіусом сфери дефлектора (15-16 мм) та кутом нахилу дефлектора до горизонту (0⁰ та 15⁰). За умови простоти виконання та найбільш раціонального використання розроблено водорозподільний вузол, який складається із насадки та відкрилка. В результаті порівняльних досліджень насадок діаметром прохідного отвору 12, 13, 14 мм при значеннях робочого напору від 10 до 25 м з інтервалом через 5 м, одержано їхні витратні характеристики. З метою вирішення вибору матеріалу, з якого найкраще виготовляти нові конструкції дощувальних насадок, в лабора-торних умовах на спеціально обладнаному стенді нами проведено порівняльні дослідження на зносостійкість трьох комплектів насадок з відкрилками різних типорозмірів та виготовлених із різних видів пластмас (поліетилен, поліпропілен, поліамід первинний, поліамід із графітом).

        Дослідження показали, що конструкції розроблених дощувальних насадок і відкрилків, виготовлених із різних матеріалів пластмас, при напрацюванні 2000 годин не мають істотного зносу і придатні для подальшої експлуатації. Перевагу було надано насадкам секторного типу виготовленим з поліетилену 273-79, ГОСТ 16338-85 з діаметром отвору 9, 10, 11, 12, 13, 14 мм. Дослідження витратних характеристик цих насадок проводили при значеннях робочого напору від 10 до 40 м з інтервалом через 2 м. Результати досліджень показали, що для діаметра
9 мм витрата змінюється від 0,83 до 1,7 л/с, для 10 мм – 0,91-1,92 л/с, для 11 мм – 1,04-2,12 л/с, для 12 мм – 1,37-2,84 л/с, для 13 мм – 1,48-3,14 л/с, для 14 мм  відповідно від 1,66 до 3,60 л/с. При цьому найвищий коефіцієнт витрат має насадка діаметром отвору 9 мм (0,91-0,96), а найменший – насадка діаметром отвору 14 мм (0,78-0,80). Дослідження показників якості дощу розроблених насадок різних типорозмірів при зміні напору від 10 до 40 м з інтервалом через  10 м та швидкості вітру від 1,0 до 4,0 м/с передбачали визначення коефіцієнта ефектив­ного поливу, параметрів контура зволоження, інтенсивності, діаметра крапель дощу та радіуса поливу. В результаті визначено, що при зростанні напору діаметр крапель дощу зменшується як по осі факелу, так і в цілому (рис.4). При цьому, середній діаметр крапель насадки змінювався в діапазоні 0,48-1,34 мм, а інтенсивність дощу знаходилась у межах 0,86-0,99 мм/хв.

Рис.4.  Графік залежності діаметра крапель (d_к, мм) насадки секторної дії нової конструкції від напору (Н, м): 1 – діаметр  насадки 9 мм;
2 – 10 мм;  3 – 11 мм;  4 – 12 мм;  5 – 13 мм;  6 – 14 мм.

        Разом з цим, при зростанні напору (Н, м) збільшується радіус поливу (R, м), який змінюється від 7,5 до 13,2 м залежно від типорозміру насадки. Враховуючи це, для кожного діаметра отвору насадки нами побудовано графіки функціональної залежності Н/R = f (H/d), що є лінійною функцією виду H/R = A + B (H/d) (рис.5). За результатами обробки дослідних даних було визначено значення А та В для кожного діаметра отвору насадки, що дає змогу знайти її радіус поливу (R, м) за формулою: R = H/A + B (H/d).   

Рис.5.  Залежність H/R = f (H/d) для секторних насадок нової конструкції:

                   1 – діаметр насадки 9 мм;  2 – 10 мм;  3 – 11 мм;  4 – 12 мм;  5 – 13 мм;

                   6 – 14 мм.

Аналіз досліджень та визначення радіуса поливу насадок секторної та кругової дії показав, що розроблені насадки секторної дії мають радіус поливу на 53-70% більший порівняно з серійними насадками кругової дії. Це дає можливість збільшити довжину смуги дощу агрегата, яка в дослідженнях змінювалась у межах 12,6-20,1 м залежно від типорозмірів насадок. Контур площі поливу насадки нової конструкції має форму еліпса, де відношення малої осі (радіус поливу – R, м) до великої (ширина зволоження – В, м) знаходився в діапазоні R/В = 0,55…0,72 залежно від діаметра насадки. Такий розмір контура зволоження дає змогу здійснювати різні схеми розміщення насадок уздовж трубопроводу та проводити полив з достатнім перекриттям дощу і високою щільністю його крапель, що зменшує втрати води на випаровування.

        Дані досліджень насадки діаметром отвору 14 мм при напорі 16 м та швидкості вітру 2 м/с і 4 м/с використані нами для моделювання фрагмента дощового факела агрегата ДДА-100МА, тобто для визначення рівномірності розподілення дощу при роботі насадок з перекриттям. Результати досліджень показали, що розміщення насадок уздовж трубопроводу з інтервалом 4 м повністю забезпечить перекриття дощем. При цьому, коефіцієнт ефективного поливу дорівнює відповідно 0,75 і 0,65, а середня похибка досліду становить 1,7 і 1,02 %.

        Для остаточного вирішення питання підвищення рівномірності та якості поливу ДДА-100МА за допомогою розробленого алгоритму було проведено оптимізацію типорозмірів дощувальних насадок і дюз та схем їхнього розміщення уздовж трубопроводу. Досліджували варіанти з різною кількістю насадок (N = 54, 74, 78, 96, 102 шт) на водопровідному трубопроводі з дюзами, діаметр яких змінювався через 0,5, 1,0, 2,0 мм, без них і з різними витратами води агрегата (Q = 60, 80, 90, 100, 110, 120, 130 л/с) при зміні напору на вході в трубопровід від 20 до 40 м. При цьому структура крапель дощу відповідала оптимальному співвідношенню Н/d в діапазоні 1700-2400 з відносною похибкою витрати води у межах 5%. За результатами досліджень визначено оптимальні значення робочого напору на вході в трубопровід ДДА-100МА з витратами води 130, 100, 80 і 60 л/с, схеми розміщення та типорозміри насадок і дюз.

          У четвертому розділі наведено результати виробничих досліджень удосконаленого дощувального агрегата ДДА-100МА з витратами води 60, 80, 100 і 130 л/с, які проводили протягом 1990-1995 рр. Дослідження показують, що основні показники якості дощу та поливу удосконаленого агрегата значно вищі порівняно із серійним. Так, коефіцієнт ефективного поливу при швидкості вітру 2,0-3,0 м/с змінюється у межах 0,70-0,89, що практично в 1,1-1,6 раза вище, ніж у серійного агрегата (0,64-0,55). Середній діаметр крапель дощу зменшився в 1,16 раза. Середня інтенсивність дощу в дослідах змінювалась у межах 2,2…3,8 мм/хв, що практично в 1,2 раза нижче порівняно з інтенсивністю серійного агрегата. Крім цього, такий важливий показник, як питомий тиск крапель дощу на грунт, знизився практично у 1,3-1,7 раза, що значно зменшує негативний вплив їх на  грунт та рослини. Довжина смуги дощу при швидкості вітру 2,5-4,5 м/с змінювалась у межах 16,0-17,1 м, а при збільшенні швидкості вітру до 5,5 м/с від 18,0 до 20,6 м, що говорить про незначне відхилення при збільшенні швидкості вітру.

        На основі даних досліджень нами побудовано функціональну залежність коефіцієнтів ефективного (К_еф) та недостатнього поливу (К_нед) від швидкості вітру (V, м/с) для удосконаленого агрегата ДДА-100МА:

К_еф = 0,96 - 0,082 × V;

 К_нед = 0,02 + 0,054 × V,

та для серійного агрегата ДДА-100МА:

К_еф = 0,82 – 0,075 × V;

 К_нед = 0,06 + 0,067 × V.

        Державні випробування удосконаленого агрегата ДДА-100МА з витратами води 60, 80, 100 і 130 л/с, які проводилися на Південно-Українській МВС у
1993-1995 роках, підтвердили результати наших досліджень. Тому, державною приймальною комісією рекомендовано цей агрегат до серійного виробництва на Херсонському комбайновому заводі замість існуючого ДДА-100МА.

         Висока якість та рівномірність поливу удосконаленого ДДА-100МА з витратами води 130 л/с дає змогу зменшити енерговитрати та вартість поливу на 14,3% порівняно із серійним. Для ДДА-100МА з витратами води 60, 80 і 100 л/с обгрунтовано необхідність заміни існуючого насосно-силового агрегата потужністю 51- 63 кВт на більш економічний агрегат потужністю 36,3 - 52 кВт. Ця заміна зменшує енерговитрати та вартість поливу на 10,3, 20 і 28,8% відповідно для агрегата з витратами води 100, 80 і 60 л/с. В порівнянні із серійним агрегатом на удосконалених ДДА-100МА з витратами води 100 і 80 л/с зменшуються енерговитрати та вартість поливу відповідно на 5,7 і 3,6%. Результати наших досліджень по вибору іншого типу насоса меншої потужності показали, що заміна існуючого насоса на насос меншої потужності економить паливо у розмірі 3,7 кг/год при витратах води агрегата 60 л/с, 2,4 кг/год при витратах 80 л/с та 1,5 кг/год при витратах води агрегата 100 л/с.

        У п’ятому розділі проведено розрахунки економічної ефективності впро­вадження удосконаленого агрегата ДДА-100МА та визначено перспективи його використання. Економічний ефект від підвищення урожайності при вико­ристанні удосконаленого агрегата ДДА-100МА на дослідній ділянці пло­щею 36 га становив для озимої пшениці – 16,6 грн/га, для помідор – 137,63 грн/га, для буряка кормового – 223,73 грн/га. Також проводився розрахунок економічної ефектив- ності удосконаленого агрегата ДДА-100МА на основі порівняння коефіцієнтів ефективного поливу – нормативного і одержаних в результаті державних випробувань серійного та удосконаленого агрегата ДДА-100МА. При цьому, річний економічний ефект, за рахунок високої якості поливу, становить від 9,6 до 30,3 грн/га залежно від витрат води удосконаленого агрегата ДДА-100МА.

       Враховуючи, що аналогів ДДА-100МА за кордоном немає, а в Україні відсутнє власне виробництво малогабаритної двоконсольної дощувальної техніки, визначено перспективність використання удосконаленого агрегата ДДА-100МА і одержаних результатів досліджень при розробці двоконсольних дощувальних машин нового покоління в Україні.