Обоснование параметров и режимов работы поливного трубопровода с регулируемыми водовыпусками

На правах рукописи

Грудиёв Георгий Викторович ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ ПОЛИВНОГО ТРУБОПРОВОДА С РЕГУЛИРУЕМЫМИ ВОДОВЫПУСКАМИ Специальность 05.20.01 – Технологии и средства механизации сельского хозяйства (по техническим наук

ам)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Ставрополь 2011

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ставропольский государственный аграрный университет» (ФГБОУ ВПО СтГАУ) кандидат технических наук, доцент

Научный консультант:

Высочкина Любовь Игоревна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Шекихачев Юрий Ахметханович доктор технических наук, профессор Черноволов Василий Александрович ОАО «Северо-Кавказский институт по

Ведущая организация:

проектированию водохозяйственного и мелиоративного строительства»

Защита состоится « 16 » декабря 2011 г. в 10 часов на заседании объ единенного диссертационного совета ДМ 220.062.05 при ФГБОУ ВПО «Ставропольский государственный аграрный университет» по адресу:

355017, г. Ставрополь, пер. Зоотехнический, 12.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «Ставропольский государственный аграрный университет».

Автореферат разослан «» _ 2011 г. и размещен на официаль ном сайте Ставропольского ГАУ http://www.stgau.ru и ВАК Минобрнауки РФ http://vak.ed.gov.ru «» _ 2011 г.

Ученый секретарь объединенного диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент Марченко В. И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одним из направлений по повышению эффектив ности орошаемого земледелия является использование менее энергозатратных технологий орошения, к которым относится поверхностный полив.

Широкое распространение этого способа полива сдерживается низким уровнем механизации, ограниченной производительностью, неравномерно стью полива и значительными потерями воды на фильтрацию.

Устранить часть недостатков традиционного способа поверхностного полива возможно высокоточной планировкой поля с использованием лазерно го оборудования, поливом дискретной струёй и переменным расходом воды, поливом по коротким бороздам. Но при этом названный вид полива остается наиболее трудоемким и малопроизводительным.

Кроме того, для большинства с.-х. предприятий затруднительно соору жение стационарных оросительных систем вследствие их значительной стои мости. Поэтому разработка мобильного технического средства, обеспечиваю щего равномерную подачу воды в борозды, представляет научный и практи ческий интерес.

Проведенные исследования явились составной частью работ Ставро польского госагроуниверситета (СтГАУ) по теме НИОКР на 2008…2012 годы и Государственного контракта № 7783р/11480 от 01.04.2010 г. с Фондом со действия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по теме: «Разработка энергосберегающей технологии и технических средств для подготовки и проведения полива по полосам и бороздам».

Цель работы - совершенствование технологии полива сельскохозяйст венных культур путем разработки и обоснования рациональных параметров и режимов работы поливного трубопровода с регулируемыми водовыпусками.

Объект исследования - технологический процесс подачи воды в бороз ды и технические средства для его осуществления.

Предмет исследования – конструктивные параметры и закономерности режима работы поливного трубопровода с регулируемыми водовыпусками.

Методика исследований. Теоретические положения работы базирова лись на законах и методах гидродинамики с использованием математического аппарата. При проведении лабораторных экспериментов использовалась тео рия гидродинамического подобия с общим критерием гидродинамического подобия числом Ньютона.

Исследования проводились в соответствии с действующими стандартами в лабораторных и полевых условиях на основе общепринятых методик с ис пользованием теории математического планирования и обработки экспери ментальных данных.

Научная новизна. Проведены аналитические исследования закономер ностей движения воды в трубопроводе при непрерывной раздаче в борозды и получена математическая модель потерь напора по длине с учетом местных   потерь и характера течения воды.

Установлено, что средняя скорость неразрывного потока с учётом закона сохранения массы воды в трубопроводе является рекуррентной функцией по следовательности расположения водовыпусков.

Разработана математическая модель воздействия потока жидкости на ре гулируемые заслонки, обеспечивающие в зависимости от напора требуемое проходное сечение водовыпусков и равномерный расход воды в борозды.

Практическая значимость. Результаты теоретических и эксперимен тальных исследований позволят усовершенствовать процесс полива по бороз дам за счет использования предложенного поливного трубопровода (патент РФ № 2347360) с установкой регулируемых водовыпусков (патент РФ № 89923).

Выводы и предложения диссертационной работы могут быть использо ваны сельскохозяйственными предприятиями и организациями, выпускающи ми поливную технику.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы док ладывались и получили одобрение на IV и VI Российской научно практической конференции «Физико-технические проблемы создания новых технологий в агропромышленном комплексе» (г. Ставрополь, 2007, 2011 г.), Международной конференции молодых ученых и аспирантов «Молодые уче ные агропромышленному комплексу» (г. Владикавказ, 2008 г.), на научно практических конференциях СтГАУ (г. Ставрополь, 2008 – 2011 г.). Работа на граждена серебряной медалью VIII Международного салона инноваций и ин вестиций (г. Москва, 2008 г.).

Результаты работы внедрены в СПК (колхоз) «Егорлыкский» Изобиль ненского района и ООО НПО «Полив» Ставропольского края.

По результатам исследований получены патенты на изобретение и по лезную модель, опубликовано 12 научных работ, в т.ч. 3 в изданиях, рекомен дованных ВАК.

На защиту выносятся следующие основные положения:

- аналитические исследования закономерностей движения воды в трубо проводе при непрерывной раздаче её в борозды;

- конструктивно-технологическая схема, параметры и режимы работы поливного трубопровода с регулируемыми водовыпусками;

- математическая модель воздействия потока жидкости на заслонки водо выпусков, обеспечивающих равномерный расход воды в борозды;

- качественные показатели работы поливного трубопровода в условиях эксплуатации;

номограмма для определения параметров и режимов работы поливного трубопровода с регулируемыми водовыпусками.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пя ти глав, выводов, списка использованной литературы из 140 наименований, приложений. Работа изложена на 135 страницах, иллюстрирована 13 таблица ми и 47 рисунками.

  Во введении обоснована актуальность темы, определены цели и задачи исследований, представлены основные моменты научной новизны и практиче ской значимости работы.

В первой главе – «Состояние вопроса и задачи исследований» проана лизированы способы поверхностного полива, машины и механизмы для их осуществления, определены их основные достоинства и недостатки.

Значительный вклад в развитие орошения внесли отечественные ученые:

А.А. Костяков, Б.С. Маслов, Б.Б. Шумаков, Б.А. Шумаков, Г.В. Ольгаренко, В.Н. Щедрин, В.И. Лисунов, А.В. Колганов, Ю.А. Шекихачев, О.Е. Ясониди и др.

Одним из направлений совершенствования полива по бороздам является разработка конструкций поливных машин и механизмов, позволяющих повы сить производительность, снизить потери воды на фильтрацию, обеспечить равномерность подачи воды в борозды и снизить затраты труда и средств. Ис следованиям по этой тематике посвящены работы Г.Ю. Шейнкина, М.С. Гри горова, К.В. Губера, А.А. Коршикова, А.А. Терпигорьева, В.А. Сурина, Ю. Г.

Безбородова, И.А. Шарова и др.

Анализ существующих разработок показал, что они имеют ограниченное применение, не полной мере отвечают агротехническим требованиям, надеж ной работе с высокой производительностью.

Наиболее перспективным направлением механизации полива по бороз дам является использование мобильных трубопроводов, позволяющих пода вать воду от гидранта закрытой оросительной сети, тем самым снижая потери воды на фильтрацию.

Для улучшения качественных показателей орошения необходимо разра ботать и обосновать параметры и режимы работы поливного трубопровода, работающего, как от закрытой оросительной сети, так и с забором воды из временного оросителя. Особое внимание следует обратить на обеспечение равномерного заданного расхода воды в борозды.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие за дачи:

- выявить закономерности взаимодействия потока жидкости с элемента ми трубопровода;

- разработать математическую модель воздействия потока жидкости на заслонки водовыпусков, обеспечивающих равномерный расход воды в борозды;

- обосновать конструктивно-технологическую схему и параметры полив ного трубопровода с регулируемыми водовыпусками;

- изучить влияние параметров и режимов работы поливного трубопрово да на качественные показатели его работы;

- определить технико-экономическую эффективность применения по ливного трубопровода с регулируемыми водовыпусками и разработать номограмму для определения рациональных режимов его работы.

  Вторая глава «Теоретическое обоснование параметров поливного тру бопровода с регулируемыми водовыпусками» состоит из трех разделов.

В разделе 2.1 рассмотрены факторы, определяющие характер течения жидкости в трубопроводе. Для решения одномерных задач энергия потока жидкости определяется по уравнению Бернулли для потока реальной жидко сти с учётом потерь напора:

V12 V P1 P + 1 + Z1 + = Z2 + + hП, (1) g g 2g 2g где Z1,2 - напор, обусловленный силой тяжести жидкости, м;

P1,2- давление, Па;

V1,2- скорость потока, м/с;

1,2 - коэффициент Кориолиса.

hП - потери напора на трение по длине трубопровода, м;

- плотность жидкости, кг/м3;

g- ускорение свободного падения, м/с ;

Потери напора при равномерном движении жидкости в трубопроводе описываются уравнением Дарси-Вейсбаха, где коэффициент гидравлического трения ( ) зависит от характера течения жидкости:

l Vср hП = dТ 2 g, (2) где - коэффициент гидравлического трения (коэффициент Дарси);

Vср - средняя скорость потока жидкости в трубопроводе, м/с;

dТ и l - диаметр и длина трубопровода, м.

На основании проведенных лабораторных опытов, используя метод гид родинамического подобия, определили среднюю скорость потока и характер течения жидкости в трубопроводе (турбулентный в гидравлически гладких трубах) из условия Re Re кр, где Re и Reкр – соответственно число Рейнольдса и критическое значение его.

При турбулентном движении жидкости в гидравлически гладких трубах описывается уравнением П.К. Конакова:

= (1,8 lg Re 1,52 )2. (3) После преобразования выражения (2) с учетом непрерывной раздачи расхода потери напора по длине определяются по формуле:

Vср l hП =, (4) 24 R g (1,8 lg Re 1,52 ) где R – гидравлический радиус, м.

  Потери напора по длине приводят к неравномерному расходу воды через водовыпуски, что не отвечает агротехническим требованиям и снижает каче ство полива.

В разделе 2.2 исследован процесс водослива через водовыпуски в зави симости от напора и геометрии водовыпусков.

Расход воды через водовыпуск зависит от напора истечения Ни и площа ди поперечного сечения :

QВ = Р 2 g H u, (5) расход воды через водовыпуск, м3/с;

где QВ коэффициент расхода водовыпуска;

Р напор истечения, м;

Hи площадь поперечного сечения водовыпуска, м2.

Скорость истечения жидкости через водовыпуск зависит от напора исте чения и скорости движения воды в сечении, где расположен водовыпуск:

Vи = k 2 g H и + Vx (6) где k - коэффициент скорости;

Vx- скорость движения воды в сечении водовыпуска, м/с.

Следовательно, для того, чтобы расход по водовыпускам был одинако вым, необходимо регулировать площадь проходного сечения в зависимости от напора истечения жидкости.

В конструкции трубопровода предлагается использовать водовыпуски с поворотной заслонкой желобчатой формы (Патент № 89923) (рис 1).

В корпусе 2 водовыпуска на оси 4 крепится поворотная заслонка 3, же лобчатой формы, состоящая из двух площадок S в и S н. Верхняя площадка S в находится в корпусе 1 трубопровода, а нижняя S н в трубке 2 водовыпуска по ливного трубопровода.

В момент подачи воды в трубопровод под действием силы давления F заслонки водовыпусков поворачиваются (Положение I) и перекрывают водо выпускные отверстия (рис. 1).

После заполнения трубопровода водой под действием силы давления на нижние площадки заслонки F2 происходит одновременное открытие водовы пускных отверстий (Положение ), причем угол наклона заслонок зависит от скорости потока жидкости Vср.

Рассмотрим рабочий режим, то есть когда трубопровод заполнился водой и заслонки водовыпусков заняли рабочее положение.

  Положение II Положение I F Vср F 1 Sн Sв 1 – трубопровод;

2 – трубка водовыпуска;

3 – заслонка поворотная;

. 4 – ось.

Рисунок 1 – Конструкция регулируемого водовыпуска поливного трубопровода.

Дискретизируем работу системы во времени и по длине трубопровода. В качестве координатных точек привязки будем использовать водовыпуски. За начальный момент времени примем момент полного заполнения трубопрово да. Однако учитывая, что диаметр водовыпуска много меньше диаметра тру бопровода, и QB QТ ( QТ - максимально возможное поступление воды в трубо провод), изменением режима работы последнего (n-го) водовыпуска можно пренебречь.

С учетом уравнения неразрывности потока:

V1 1 = V2 2 (7) и частного случая закона сохранения массы:

n m = ST dl, (8) где m - масса жидкости, кг;

n - количество водовыпусков, ед.;

Sт- сечение трубопровода, м2.

Средняя скорость потока в зоне n-го водовыпуска равна:

nm Vn = (9) S T dt где t – время, с.

  При работе n–го и (n-1)-го водовыпусков с учетом желаемого равного расхода через водовыпуски QВn-1 = QВn, средняя скорость потока в зоне (n-1) водовыпуска равна удвоенной средней скорости потока в зоне n-го водовы пуска: Vn-1=2Vn. Аналогично, для (n-2)-го водовыпуска: Vn-2=3Vn, и т. д.

Таким образом, средняя скорость потока в трубопроводе есть рекуррент ная функция порядкового номера водовыпуска. Построим модель взаимодей ствия потока воды с заслонкой водовыпуска.

Для выполнения условия работы водовыпусков, обеспечивающих задан ный равный расход воды в борозды, определим силовое воздействие потока воды на заслонку.

Предварительные замеры скорости потока в трубопроводе на действую щей модели показали, что режим потока является турбулентным ( Re 2400 ).

Учитывая быстрое возрастание модуля скорости от 0 до Vmax допустима заме на действительной скорости в каждой точке взаимодействия потока с заслон кой на его среднюю скорость Vср.

Заслонка водовыпуска займет рабочее положение при равенстве момен тов сил, действующих на верхнюю и нижнюю части заслонки. Наряду с пра вилом моментов воспользуемся законом сохранения энергии, а именно его ча стным случаем в гидродинамике – уравнением Бернулли:

Р + Vср 2 2 + g h = const, (10) где Vср 2 и g h - кинетическая и потенциальная составляющая давления, Па;

Р – напорное давление жидкости, Па.

Для верхней части заслонки водовыпуска при малых скоростях потока слагаемыми Р можно пренебречь, и так как верхняя часть заслонки смочена жидкостью по всей поверхности, и по закону Паскаля гидростатические дав ления на фронтальной относительно потока и тыловой сторонах взаимно ком пенсируют друг друга Fвес.в=Fн (толщиной заслонки в этом случае пренебрега ем) (рис. 2). Таким образом, единственной составляющей давления остается кинетическая.

Тогда, давление в каждую точку фронтальной поверхности верхней час ти заслонки водовыпуска без усреднения скоростей pi = Vi 2, а, с учетом наклона заслонки в рабочем режиме на некоторый угол, нормальное давле ние pi = Vi sin 2.

Сила давления на верхнюю часть заслонки определится выражением:

Fi = рi dS в = рi S в sin, (11) S где Sв - площадь поверхности верхней части заслонки, м ;

- угол наклона заслонки.

  Fвес в Fi Hu Fiв Fвес н Fн Fiн lв hд О Д lн Рисунок 2 – Схема действия сил давления жидкости на поверхность заслонки.

На нижнюю часть заслонки действует давление гидростатическое g h, напорное Р и кинетическое Vi 2 2. В качестве h примем Ниi - напор истечения.

Так как сила давления на нижнюю часть заслонки приложена в точке Д (рис. 2) на расстоянии hд от оси поворота:

hд = lн sin, (12) где lн – длина нижней части заслонки, м.

Принимаем, что напор истечения определяется:

H иi = H и + hд, (13) где Hи – высота уровня жидкости в трубопроводе, м.

Тогда сила давления на нижнюю часть заслонки водовыпуска определя ется выражением:

Vi Р + g Hи + 2 lн sin + Sн cos.

Fiн = (14) 3 С учетом того, что во всех водовыпусках, кроме последнего, поток будет напорным, после преобразования получены зависимости для определения рас хода через n-ый и (n-1)-ый водовыпуски:

dВ рn 2 g H иi ;

QВn = (15)   Vn1 dВ рn1 2 g H иi + QВn1 = 2 м, (16) где м - местная потеря напора при повороте потока на 90, м =1,19.

Исходя из условия равенства расходов по водовыпускам: QВn = QВn-1, приравняв выражения (15) и (16), после преобразований получим условие ра венства расхода воды по водовыпускам:

S сos V 2g Hиi + n1, 2 g Hиi = 1 н (17) Sв 2, где – угол наклона заслонки, регулирующий живое сечение водовыпуска.

Таким образом, равенство расходов по водовыпускам зависит от соотно шения площадей верхней и нижней части заслонки, напора истечения, скоро сти потока жидкости в зоне водовыпуска и угла наклона заслонки.

Угол зависит от скорости потока жидкости = f(Vi).

На основании уравнения (17) и с использованием данных эксперимента построена зависимость, позволяющая прогнозировать угол наклона заслонки в зависимости от скорости потока при общем расходе 160 л/с (рис. 3).

, град.

90, R2 = 0, 85, 80, 75, 70, 3,9 3,4 2,9 2,4 1,9 1,4 0,9 0, Скорость потока Vi, м/с Рисунок 3 - Зависимость угла наклона заслонки от скорости потока по длине трубопровода при общем расходе Q= 160 л/с.

Условием устойчивого положения заслонки водовыпуска является равен ство моментов, приложенных к верхней и нижней частям её, Мв=Мн.

Момент силы, действующий на верхнюю часть заслонки определяется:

  M в = Fi lв sin.

(18) Аналогично определяем момент силы, действующей на нижнюю часть заслонки:

M н = Fiн lн cos. (19) После преобразований моменты сил, действующих на верхнюю и ниж нюю части заслонки, равны:

Vi S в lв sin, Mв = (20) Vi 2 Vi Mн = p + ( 1 + к ) g Hи + g lн sin + к Sн lн cos. (21) 2g Hи + 2, 3 1, Так как Vi = ( n + 1 i ) Vn, то, приравняв моменты, действующие на верх нюю и нижнюю части заслонки, после преобразований площадь верхней части заслонки, обеспечивающая равный расход воды по водовыпускам, будет равна:

( n + 1 i )2 Vn ( ) k ( n + 1 i ) Vn 2 1 + k 2 g H u + g l H sin + ctg 2 gH и + 3 1,19 2, (22) SВ = SН, (n + 1 i ) Vn где - коэффициент, учитывающий конфигурацию заслонки.

Так как зависимость между средними скоростями потока на уровне водо выпусков является рекуррентной, то полученное выражение справедливо для любого порядкового номера водовыпуска. Все приведённые слагаемые извест ны и могут быть подобраны по табличным данным.

Скорость воды в зоне водовыпусков снижается за счет местных сопро тивлений, создаваемых верхними площадками заслонок, находящихся в по лости трубопровода.

С учетом местных потерь напора в соответствии с принципом наложе ния потерь, согласно которому полная потеря напора представляет собой арифметическую сумму потерь, вызываемых отдельными сопротивлениями, суммарные потери напора в трубопроводе определяются выражением:

Vср l V + n m sin, hГ = (23) 2g 24 R g (1,8 lg Re 1,52 )   где m - коэффициент сопротивления заслонки;

V2 - средняя скорость потока в сечении за водовыпуском, м/с.

В разделе 2.3 обоснована конструктивно-технологическая схема полив ного трубопровода (Патент № 2347360), состоящего из двух пластиковых труб 1, соединенных между собой мелиоративной тканью 5 и хомутов 2, опи рающихся через кронштейны на лыжи-рессоры 3, длина которых превышает два междурядья борозд (рис. 4).Один конец лыж-рессор жестко закреплен к кронштейну, а другой размещен свободно. По длине трубопровода выполне ны два ряда водовыпусков 4 через 0,70 и 0,45 м соответственно.

1 – труба;

2 – хомут;

3 – лыжа-рессора;

4 – водовыпуск;

5 –соединение мягкое;

6 – колено;

7 – манометр;

8 –рукав подводящий;

9 – зажим;

10 – труба гидранта;

11 – борозды;

12 – трос.

Рисунок 4 – Схема поливного трубопровода в рабочем (а) и в транспортном (б) положении.

Технологический процесс полива трубопроводом заключается в следую щем.

Трактор, перемещает тросом поливной трубопровод с одной позиции (политой) на другую (для полива). При этом поливной трубопровод подводит ся передним концом к гидранту 10 и подводящим рукавом 8 закрепленным к колену 6 с помощью зажима 9 фиксируется на гидранте. Открывается подача   воды из гидранта в трубопровод, при заполнении трубопровода водой его мас са увеличивается, лыжи-рессоры прогибаются и распрямляются, труба ложится на гребни борозд.

По окончании полива на данной позиции гидрант закрывается, мягкое со единение снимается и закрепляется на трубопроводе. За это время трубопровод опорожнится, нагрузка на лыжи-рессоры уменьшится, и они выпрямятся, под нимая трубопровод над поверхностью почвы. Тракторной тягой трубопровод перемещается на новую позицию.

В разделе обоснованы рациональные геометрические характеристики поливного трубопровода. Длина и диаметр трубопровода обосновываются в зависимости от параметров подводящей сети. Количество пар лыж-рессор оп ределяется исходя из массы конструкции в заполненном состоянии с учетом допустимого уплотняющего воздействия на почву. Диаметр водовыпуска рас считывается с учетом максимального расхода воды в борозду через последний водовыпуск.

В третьей главе представлена программа экспериментальных исследо ваний и методика их проведения.

Программа исследований предусматривала:

- определение расхода воды по водовыпускам в зависимости от напора и площади верхней части заслонки водовыпуска;

- определение суммарных потерь напора воды в трубопроводе;

- определение равномерности расхода воды по длине трубопровода при изменяющемся уклоне трубопровода;

- оценка качества полива поливным трубопроводом в условиях хозяйст ва.

Общая программа и методика исследований разработаны на основе ме тодик испытания поливных машин. Экспериментальная установка (рис. 5) раз работана на основе теории гидродинамического подобия с общим критерием гидродинамического подобия числом Ньютона.

Расход воды и скорость потока по длине трубопровода замеряли расхо домером-счетчиком ультразвуковым портативным УРСВ «ВЗЛЕТ ПР». Для измерения расхода и скорости потока в трубопроводе датчики расходомера монтировали до и после каждого водовыпуска (рис. 5) поочередно в порядке возрастания. Изменяя давление в трубопроводе перекрытием крана 3 и кон тролируя показания на манометре, измеряемые параметры индицировались на дисплее расходомера с выбранной размерностью и периодом индикации.

Полевые наблюдения работы трубопровода выполнены в соответствии с программой и методикой полевых испытаний OCT 70.11.3 – 74 и ОСТ 10.11. – 2001 в условиях СПК (колхоз) «Егорлыкский» Изобильненского района Ставропольского края на поливе кукурузы.

  а) 8 б) 1 – ёмкость;

2 – шланг гибкий;

3 – кран;

4 – труба пластиковая;

5 - водовыпус ки;

6 – манометр;

7 – датчики расходомера;

8 – расходомер ультразвуковой.

Рисунок 5 – Схема экспериментальной установки для определения расхода воды по водовыпускам (а) и фото её мерных элементов (б).

В четвертой главе представлены результаты лабораторных и полевых экспериментов, целью которых являлось определение рациональных конст руктивных параметров и режимов работы поливного трубопровода.

По результатам теоретического исследования и путем проведения поис ковых опытов выявлены границы варьирования факторов эксперимента.

При реализации ПФЭ выполнено N = 2 2 = 4 опыта по оптимизации равно мерности расходной характеристики по водовыпускам под влиянием изме няющихся факторов: напора H = 0,2…1,2 м вод. ст. и площади верхней части заслонки водовыпуска S от 6,9 10 4 до 8,5 10 4 м2.

Получено уравнение регрессии в кодированном виде Y = 0,222 0,004 x1 + 0,008 x2, (24) которое после преобразований принимает натуральный вид:

QВ = 0,241 45,643 S В + 0,019 Н. (25)   На основании уравнения регрессии построено сечение и поверхность от клика, характеризующие расход воды через водовыпуски в зависимости от на пора и площади верхней части заслонки (рис. 6).

а б а 0, 0, 0, 0, 0, 0, Рисунок 6 – Сечение (а) и поверхность отклика (б), характеризующая расход воды через водовыпуски в зависимости от напора и площади верхней части заслонки.

Проверку однородности дисперсии определили по критерию Кохрена для заданной доверительной вероятности 0,95. Значимость коэффициентов прове ряли по критерию Стьюдента для выбранного уровня значимости p = 0,05.

Адекватность уравнения проверяли по критерию Фишера.

Наблюдениями установлено, что в момент подачи воды в трубопровод под действием внешних сил, создаваемых потоком воды, происходит полное перекрытие заслонками всех отверстий водовыпусков, а при установившемся течении скорость потока воды в начале трубопровода больше, чем в конце, и заслонка перекрывает первое водовыпускное отверстие в большей степени, чем последующие.

Для обеспечения расхода воды в борозду определен потребный общий расход трубопровода при подаче воды гидранта закрытой оросительной сети, с максимальной пропускной способностью 210 л/с (рис. 7).

Потери напора по длине трубопровода определяли на уклоне 0,001 при общем расходе воды 140 л/с (рис. 8).

Проверка адекватности теоретических и экспериментальных значений потерь напора показывает, что уравнение достаточно точно описывает полу ченные экспериментальные данные. Среднее относительное отклонение рас четных значений от экспериментальных составляет 5 %.

  Рисунок 7 – Поливной трубопровод.

6, Напор воды в трубопроводе, - экспериментальная - теоретическая 5, Линейный (- экспериментальная) м вод. ст.

4, y = -1,192x + 7, 3,0 R = 0, 2, 1, 10 20 30 40 Длина трубопровода, м Рисунок 8 – Потери напора по длине трубопровода.

Одним из агротехнических требований процесса полива является обес печение равномерности расхода воды через водовыпуски по длине трубопро вода. Исследования проводили при общем расходе воды 100;

140;

180 л/с при уклонах 0,001 и 0,005 (рис. 9).

При поливе с использованием водовыпусков коэффициент равномерно сти распределения воды составил 98 %, что соответствует агротехническим требованиям и свидетельствует о том, что конструкция водовыпуска работает при различных уклонах вдоль трубопровода за счет внутренних гидравличе ских процессов, основанных на воздействии потока жидкости на преграды (заслонки водовыпусков).

  При поливе с использованием стандартных водовыпускных отверстий коэффициент равномерности распределения воды составил 78%.

Расход воды, л/с 3, а 2, 2, 1, при через через 1, общем отвер- водо расходе стие выпуск 1, 180 л/с 3, б 140 л/с 2, 100 л/с 2, 1, 1, 1, 10 18 25 33 40 Длина трубопровода, м Рисунок 9 – Расход воды в борозды в зависимости от длины трубопровода при уклоне i=0,001 (а) и i=0,005 (б) Одной из задач исследований являлось снижение скорости потока жид кости в области водовыпусков. Для определения размывающей способности потока воды были проведены полевые опыты: полив через водовыпускные отверстия и с использованием водовыпусков. После трехчасового полива произведен замер диаметра и глубины образовавшихся воронок.

Конструкция водовыпуска обеспечивает снижение кинетической энер гии потока жидкости за счет наличия водовыпускной заслонки, выполняющей функцию местной преграды. Наличие водовыпусков на трубопроводе позво лило уменьшить глубину и диаметр воронки в зоне водослива (рис. 10).

По результатам исследований и с учётом обоснованных рациональных параметров и режимов работы трубопровода в зависимости от агроклиматиче ских и хозяйственных условий разработана номограмма, позволяющая опреде лить оптимальный напор воды на гидранте для обеспечения заданного расхода воды в борозды с учетом диаметра, длины трубопровода и потерь напора по   длине (рис. 11).

Исходными параметрами номограммы являются длина и уклон поливных борозд, а также расход воды в борозду в зависимости от водопроницаемости почв, построенные в первом квадранте номограммы.

Установлено, что для работы трубопровода от закрытой оросительной сети коэффициент земельного использования орошаемой площади при длине борозд 200 м, нарезанных по поперечной схеме, составил 0,96.

а б Рисунок 10 – Глубина (а) и диаметр (б) воронок, образовавшихся в зоне водослива В пятой главе «Экономическая эффективность полива по бороздам с использованием поливного трубопровода» приведен расчет технико экономических показателей поливного трубопровода определили в сравнении с ППА-165У за счет снижения эксплуатационных затрат. Расчетная стоимость поливного трубопровода составила 100 тыс. рублей. Эксплуатационные затра ты на полив 1 га снижены на 230,8 руб, при этом увеличены коэффициент по лезного использования воды и равномерность подачи воды в борозды.

    Рисунок 11 – Номограмма для определения параметров и режимов работы поливного трубопровода с регулируемыми водовыпусками.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1. Установлено, что использование трубопроводов для подачи воды в борозды позволяет увеличить коэффициент использования воды, но не обес печивает равномерности подачи воды в борозды. Выявлены закономерности движения воды в трубопроводе с учётом обоснованного режима - турбулент ный в гидравлически гладких трубах, позволяющие оценивать потери напора по длине трубопровода при непрерывной раздаче воды в борозды в зависимо сти от длины и диаметра трубопровода, уклона и напора воды на гидранте.

2. Разработана математическая модель воздействия потока жидкости на заслонки водовыпусков, обеспечивающих равномерный расход воды в бо розды и обоснованы конструктивные параметры водовыпусков диаметром мм, оснащенных поворотными заслонками желобчатой формы, верхняя часть которых, площадью 7,54 10 3 м2, расположена в полости трубопровода, а ниж няя, площадью 5,77 10 3 м2, размещена в трубке водовыпуска, перекрывая про ходное сечение в зависимости от напора истечения и обеспечивая подачу воды в борозды с коэффициентом равномерности 0,98 при расходе воды от 1,0 до 3,0 л/с и уклонах вдоль трубопровода от 0,001 до 0,005.

3. Обоснована конструктивно-технологическая схема и параметры поливного трубопровода с регулируемыми водовыпусками, состоящего из стандартных пластиковых труб диаметром 315 мм, общей длиной 50 м, опи рающихся на 10 пар лыж-рессор и соединенных в средней части мягким со единением. На трубопроводе выполнены два ряда водовыпусков через 0,45 м и 0,70 м. Общие потери напора воды по длине трубопровода составили 4,4 м.

4. Установлено, что поворотные заслонки водовыпусков гасят энер гию потока в трубопроводе, снижают энергию струи, подаваемой в борозду, в результате чего вдвое снижается глубина и диаметр воронки размыва в зоне водослива.

5. Определено, что коэффициент земельного использования орошае мой площади при длине борозд 200 м, нарезанных по поперечной схеме их расположения, составляет 0,96.

6. Предложена номограмма для определения рациональных парамет ров и режимов работы трубопровода. Она позволяет по заданному расходу во ды в борозду, зависящему от агроклиматических условий, определить общий расход воды, скорость потока жидкости, потери напора по длине трубопрово да и необходимый напор воды на гидранте.

7. Использование поливного трубопровода с регулируемыми водовы пусками позволяет повысить коэффициент полезного использования воды на 12%, равномерность подачи воды в борозды на 9 %, снизить эксплуатацион ные затраты на 230,8 руб/га.

  Основные положения диссертации опубликованы:

в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ:

1. Грудиёв, Г.В. Применение поливного трубопровода на закрытой оро сительной сети / Г.В. Грудиёв, Л.И. Высочкина, И.С. Кокурин // Механизация и электрификация сельского хозяйства. – 2007. - №7. – С.8-9.

2. Грудиёв, Г.В. Параметры трубопровода для поверхностного полива. / Г.В. Грудиёв, Л.И. Высочкина // Механизация и электрификация сельского хо зяйства. – 2010. - №1. – С.27-28.

3. Грудиёв, Г.В. Обеспечение равномерной подачи воды по водовыпус кам поливного трубопровода. / Г.В. Грудиёв, Л.И. Высочкина // Техника в сельском хозяйстве. – 2011. - №5. – С.31-32.

в патентах:

4. Пат. 2347360 Российская Федерация, МПК А01G 25/00. Поливной пе редвижной трубопровод-шлейф. [Текст] / Кокурин И.С., Высочкина Л.И., Но сов К.Н., Носов А.К. Грудиёв Г.В. - № 2007106978/12: заявл. 26.02.2007;

опубл. 10.09.2008. Бюл. № 6. – 5 с.;

ил.

5. Пат. 89923 Российская Федерация, МПК А01G 25/02. Водовыпуск по ливного трубопровода [Текст] / заявитель и патентообладатель: Ставрополь ский гос. аграрный ун-т. - № 2009128114/22: заявл. 27.12.09. Бюл. № 36. – 3 с.;

ил.

в других изданиях:

6. Грудиёв, Г.В. Обоснование необходимости проведения осенней влаго зарядки / Г.В. Грудиёв, Л.И. Высочкина, И.С. Кокурин // Физико-технические проблемы создания новых технологий в агропромышленном комплексе: сб.

науч. тр. по матер. IV Российской науч.-практ. конф. - Ставрополь: АГРУС, 2007. – С. 314-317.

7. Грудиёв, Г.В. Технология полива по бороздам с применением шлей фа-трубопровода поливного прицепного / Г.В. Грудиёв, Л.И. Высочкина // Физико-технические проблемы создания новых технологий в агропромыш ленном комплексе: сб. науч. тр. по матер. IV Российской науч.-практ. конф. Ставрополь: АГРУС, 2007. – С. 318-320.

8. Грудиёв, Г.В. Анализ устройств механизации полива по бороздам /Г.В. Грудиёв, Л.И. Высочкина // Физико-технические проблемы создания но вых технологий в агропромышленном комплексе: сб. науч. тр. по матер. IV Российской науч.-практ. конф. - Ставрополь: АГРУС, 2007. – С. 320-322.

9. Грудиёв, Г.В. Анализ конструкций водовыпусков для поливного тру бопровода / Г.В. Грудиёв // Молодые ученые агропромышленному комплексу:

сб. ст. Междун. конф. молодых ученых и аспирантов. – Владикавказ, 2008. – С.

87 – 90.

10. Грудиёв, Г.В. Теоретическое обоснование конструктивных пара метров водовыпуска для поливного трубопровода /Г.В. Грудиёв, Л.И. Высоч кина // Актуальные проблемы научно-технического прогресса в АПК: сб. на   уч. тр. по матер. V Международной науч.-практ. конф. - Ставрополь: АГРУС, 2010. – С. 40-43.

11. Грудиёв, Г.В. Оптимизация равномерности расхода воды через во довыпуски /Г.В. Грудиёв, Л.И. Высочкина // Актуальные проблемы научно технического прогресса в АПК: сб. науч. тр. по матер. V Международной на уч.-практ. конф. - Ставрополь: АГРУС, 2010. – С. 64-67.

12. Грудиёв, Г.В. Определение размывающей способности потока воды в зоне водовыпуска /Г.В. Грудиёв // Физико-технические проблемы создания новых технологий в агропромышленном комплексе: сб. науч. тр. по матер. VI Российской науч.-практ. конф. - Ставрополь: АГРУС, 2011. - С. 38-41.

ЛР 65–13 от 15.02.99 Подписано в печать 14.11.2011 г.

Формат 60х84/16. Усл. п.л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 331.

_ Издательство Ставропольского государственного аграрного университета "АГРУС" 355017, г. Ставрополь, пер. Зоотехнический, 12, тел.: (8652) 35–06–94, e–mail: [email protected], http://agrus.stgau.ru