Вступление. В России капельный полив используется на 100 тыс. га, что составляет менее 10% всех орошаемых территорий [1]. Одна из причин – отсутствие специализированных машин для производства укладочных работ. Высокий процент ручного труда не только снижает производительность работ по укладке капельной ленты, но и не обеспечивает требуемого качества работ [2]. Для качественной укладки ленты требуется поддержание постоянного натяжения ленты, отклонения от прямолинейного расположения приведут к дополнительным сопротивлениям, что при длине гона свыше 100 м приведет к потерям напора при использовании некомпенсируемых капельниц [3]. При несоблюдении условия постоянного натяжения ленты возможно также ее перекручивание, что является аварийной ситуацией, при этом подача воды в трубу за аварийным участком прекращается, исправление ситуации требует значительных трудозатрат на проведение ремонтных работ. В последние годы появились машины для укладки капельной ленты, как для поверхностной, так и внутрипочвенной, но лишь у небольшой части конструкция рабочего органа позволяет поддерживать постоянное натяжение ленты [4]. Поверхностная укладка капельной ленты часто совмещается с укладкой пленки, соответственно, в конструкцию пленкоукладчика вводится оборудование для укладки капельной ленты. Недостатком данной оросительной системы является давление пленки на капельную ленту, что может привести к ее деформации и дополнительным сопротивлениям, а, следовательно, снижению напора. В жаркую погоду черная пленка быстро нагревается, нагревается также лента и вода, содержащаяся в ней, температура может достигать значений, неблагоприятных для роста и развития растений. Высказываются предложения устройства небольшой ложбины для заглубления ленты с целью минимизации контакта с пленкой [5]. Однако, пока это остается в числе изобретений, в конструкциях машин отражения не получило. Поверхностная укладка капельной ленты осуществляется также без использования пленки. В этом случае, в виду непостоянного натяжения, лента отклоняется от первоначального прямолинейного положения, что приводит не только к потерям напора, но и к деформации самой ленты. При этом смещается контур увлажнения, растут потери воды на испарение и просачивание в нижележащие почвенные слои.
Несомненным преимуществом подземной укладки капельной ленты является удобное расположение в почве, позволяющее моделировать параметры контура увлажнения в соответствие с размерами корневого пространства. При соблюдении технологии укладки, капельная лента практически не отклоняется от заданного горизонтального и вертикального положения, поэтому при использовании некомпенсируемых капельниц и длине гона свыше 100 м потери напора будут ниже, чем при поверхностной укладке [6]. Однако, при подземной укладке лента будет испытывать дополнительные тяговые сопротивления, что не должно привести к ее деформации. Дальнейшими исследованиями нужно установить оптимальную глубину укладки капельной ленты для максимально эффективного заполнения корневой зоны и возможностью лентой воспринимать дополнительные растягивающие усилия без потери формы.
Материалы и методы. При укладке капельной ленты в почву, кроме сопротивления резания грунта, возникают дополнительные сопротивления трения в подшипниках оси катушки с капельной лентой, а также в направляющей трубе [7]. Крепление оси катушки в подшипниках обусловлено необходимостью равномерного разматывания катушки при движении машины. Толчки и колебания катушки приводят к замятию ленты в направляющей трубе, избыточное натяжение может привести к обрыву ленты, ослабление к ее перекручиванию [8]. Оба этих случая являются аварийными, и требуют проведения ремонтных работ, что, в конечном итоге, приведет к повышенным трудозатратам, минимизируя преимущества от использования механизированных укладчиков.
Для определения сопротивлений укладки капельной ленты следует воспользоваться формулой [9]:
(1)
Где: µ - коэффициент трения сошника рабочего органа о грунт; Gу – вес оборудования для укладки капельной ленты, кН; kр – удельное сопротивление резанию грунта, кН/м2; h – глубина укладки капельной ленты, м; b – ширина сошника укладчика, м; ε – коэффициент, учитывающий влияние скорости базовой машины; fк – коэффициент трения оси катушки с капельной лентой в подшипниковой опоре; Gк – вес катушки с капельной лентой, кН; dо- диаметр оси катушки, м; dк- диаметр катушки с лентой, м; lс – величина смещения центра катушки от оси вращения, м; fo – коэффициент трения ленты о нижние витки; β – угол обхвата катушки лентой, рад.
В процессе укладки, так как длина гона обычно не превышает 100 -150м, значительную часть составляет период разгона и торможения базовой машины и связанные с этим колебания скорости. Однако, даже во время установившегося движения, колебания скорости присутствуют. Это приводит к избыточному натяжению капельной ленты или, наоборот, к ее ослаблению.
Диапазон колебаний скорости определим из выражения [10]:
(2)
где: δд – степень неравномерности момента двигателя базовой машины; rк – радиус ходового колеса базового трактора, м; Мн – номинальный момент двигателя, Нм; εр – степень нечувствительности регулятора; Iд – момент инерции двигателя базового трактора, кг∙м2; Iпт – момент инерции поступательно движущихся частей базовой машины, кг∙м2; Iвт – момент инерции вращающихся частей трансмиссии, кг∙м2; Iф – момент инерции фрезы формирователя гребней, кг∙м2; iвт – передаточное число вращающихся частей трансмиссии; iф – передаточное число фрезы формирователя гребней; nд – частота вращения карданного вала, с-1.
Провисание ленты на величину, превышающую пятикратный размер диаметра, может привести к ее перекручиванию, то есть возникновения аварийной ситуации, требующей значительных трудозатрат при проведении ремонтных работ. Величину провисания определим по формуле [11]:
(3)
После преобразований получим:
(4)
Полученные значения представлены на графике (рис.1).
Рис. 1. Скорость укладчика и пройденное расстояние при неустановившемся движении машины.
Результат и обсуждение. Для устранения аварийной ситуации требуется создать постоянно действующее натяжение ленты, превышающее силу инерции катушки. Для этого силу инерции катушки следует определить по формуле [12]:
(5)
где mк – масса катушки с лентой, кг; δвр – коэффициент учета вращающихся масс.
Численные значения растягивающих усилий представлены на рисунке 2.
Рис. 2. Тяговые сопротивления, действующие на капельную ленту.
Этого можно добиться установкой постоянно действующего тормоза. Дальнейшими исследованиями следует убедиться, что создаваемое дополнительное растягивающее усилие не создаст деформаций в ленте. Для этого определим напряжения растяжения, возникающие в ленте:
(6)
где: dл – диаметр капельной ленты, м; а – толщина ленты, м.
Производители выпускают капельную ленту толщиной 0,15…0,4 мм. Предпочтение отдается наиболее дешевым моделям, с толщиной ленты 015…0,25 мм. Более дорогие модели применяются редко, в основном для многолетнего использования, где позволяют климатические условия.
Параметры лент приведены в таблице 1.
Таблица 1.
Технические характеристики капельных лент.
|
Производители |
Диаметр ленты, мм |
Расстояние между капельницами, мм |
Давление, МПа |
Расход на капельницу, л/ч |
Толщина стенки, мм |
|
ООО «Виола» |
16 |
100-600 |
0,03-0,1 |
1,2 |
0,15-0,2 |
|
«Новый век агротехнологий» |
16 |
100-500 |
0,06-0,12 |
1,0-1,38 |
0,15-0,2 |
|
ООО «Угличский завод полимеров» |
16 |
200-500 |
0,06-0,16 |
1,6-2,6 |
0,15-0,4 |
|
НПО «Агрополимер» |
16 |
100-500 |
0,05-0,15 |
0,64-2,0 |
0,15-0,25 |
Исследовалась возможность ленты выдержать действие растягивающей нагрузки без изменения формы. Допускаемое напряжение растяжения для капельной ленты составляет 40 МПа. Результаты расчета приведены на рисунке 3.
Рис. 3. Сопротивления растяжения, действующие на капельную ленту в процессе механической укладки.
Как видим из графика, ленту с наименьшей толщиной стенки 0,15 мм можно использовать лишь при движении базового трактора на первой передаче, иначе с повышением скорости растягивающие усилия приведут к деформациям ленты и, возможно, потере ее прочности. Поэтому данный тип ленты лучше использовать для ручной укладки и, возможно, для машинной поверхностной укладки. Ленты с толщиной стенки 0,2...0,25 мм и более могут применяться для внутрипочвенной машинной укладки.
Выводы. Широкое внедрение капельного полива сдерживается низкой степенью механизации процесса укладки капельной ленты. Преимуществом подземной укладки капельной ленты является отсутствие потерь на испарение поливной воды, в жаркую погоду вода не нагревается до высоких температур. В почве лента занимает заданное положение, не деформируясь, что не создает дополнительных потерь напора. Результатами исследования установлено, что для качественной укладки ленты необходимо поддержание ее постоянного натяжения для обеспечения качественной укладки ленты при колебаниях скорости машины или отсутствия перекручивания ленты при внезапном торможении или остановке машины. Поддержание постоянного натяжения ленты создает дополнительные растягивающие усилия, поэтому рекомендовано для подземной укладки использовать капельную ленту толщиной не менее 0,2 мм, использование ленты меньшей толщины может привести к изменению формы.
