Reduced rutting of wide-grip sprinklers

Cover Page

Abstract


During the process of irrigation, when moving sprinklers across the field, the wheels of the running supports create a track. As the number of passes increases, so does the depth of the track. At the end of the irrigation season, it can reach 0.3-0.45 m, lead to slipping wheels and excessive watering. The intensity of the process of rutting and reducing the coupling properties of the running systems of sprinkler machines is further increased in the presence of free, not absorbed water, causing the formation of runoff on the track. The greatest depth of the track by the end of the season in the last undercarriages occurs due to the increase in the intensity of irrigation and the diameter of the drops of sprinklers located at the end of the pipeline. The choice of running systems should be made taking into account the characteristics of irrigated surfaces, rational ratios of span lengths, diameters of pipelines and sprinkler arrangement schemes. The aim of the study is to consider the impact of the irrigation process on the bearing properties of the soil and the formation of a track. The article presents theoretical dependences for determining the depth and width of the track for two-wheeled and three-wheeled undercarriages of wide-grip sprinkler machines. Field studies were conducted on “Kuban-LK1M” (Cascade) and “CASCADE” sprinkler machines. The article presents the dependence of the track depth on the number of the undercarriages with a soil bearing capacity of 110-125 kPa. The research made it possible to determine the approximate zones of application of wheel systems, depending on the bearing capacity of the soil. Analysis of the data shows that it is advisable to equip sprinklers with narrow pneumatic wheels on soils of increased strength. On soils with low bearing capacity and significant irrigation rates from 600 m3 / ha - wide-profile pneumatic tires 18-24; 23-26, 21.3-24 for “Kuban-LK1”, “Kuban-LK1M” (KASKAD), KASKAD with a profile width of 0.30-0.54 m, including the installation of wider tires at the end part of the machines. In addition, in conditions of low soil strength, it is possible to use tires on sprinklers with smaller profile widths than the recommended ones, but for reduced span lengths or a reduced diameter of the water pipeline.

Full Text

Введение Движение широкозахватных дождевальных машин (ДМ) в процессе полива осуществляется посредством взаимодействия движителей их опорных тележек с почвой, которая одновременно является несущим основанием и объектом увлажнения. Взаимодействие движителей машин сопровождается возникновением сил трения, нормальных и касательных напряжений, вызывающих уплотнение почвы, ее разрушение, образование колеи. Основными показателями физических свойств почвы, определяющими ее несущие свойства, а в конечном счете - опорные и тягово-сцепные свойства машин, являются механический состав, удельный и объемный вес, водопроницаемость и влажность. Из всех перечисленных показателей наиболее сильное влияние имеет влажность. При увеличении влажности от 20 до 30% сопротивление сжатию и сдвигу уменьшается в 3-4 раза. Ухудшение прочностных свойств почвы при увеличении влажности вызывает возрастание буксования колес и приводит к возрастанию потерь на перекатывание. Это наблюдается при поливе большими поливными нормами, когда почва на глубине 0,2-0,3 м увлажняется до предела текучести. При таком взаимодействии колеса с почвой происходит не уплотнение, а пластическое течение ее под колесом и выпирание в стороны. Как показывает зарубежный и отечественный опыт эксплуатации многоопорных широкозахватных дождевальных машин, для повышения опорно-тяговых и сцепных свойств применяется оснащение их пневматическими шинами низкого давления, сдвоенными колесами, трехколесными ходовыми системами, уширенными жесткими колесами, гусеничными и шагающими движителями. Тем не менее, 90% широкозахватных машин [1] оборудуются колесными системами, что объясняется простотой конструкции, легкостью в обслуживании и ремонте, низкой стоимостью. В целях повышения проходимости широкозахватных дождевальных машин зарубежные фирмы для своих ранних разработок применяли жесткие колеса с уширенным ободом [2]. Рис. 1. Двухколесные и трехколесные опорные тележки дождевальных машин Fig. 1. Two-wheel and three-wheel sprinkler support undercarriages Пневматики обладают высокой износостойкостью, высокими тяговыми характеристиками, сопротивлением ударам и проколам, устойчивостью против откатывания назад и проскальзывания [3]. Анализ развития ходовых систем многоопорных ДМ показал, что для повышения проходимости многоопорных широкозахватных ДМ целесообразно оборудовать колесными системами с низким уплотняющим воздействием и необходимы соответствующие теоретико-экспериментальные исследования по обоснованию их параметров. Как показывает опыт эксплуатации, для широкозахватных дождевальных машин кругового действия глубина колеи имеет несколько большее значение в начале и в конце машины, соответственно, из-за увеличенного слоя осадков (расхода) и повышенной интенсивности дождя (образование стоков) [4-7]. Целью исследования является повышение проходимости и уменьшение колееобразования широкозахватных дождевальных машин. Теоретические исследования Рассмотрим механизм внутренних процессов, происходящих в деформируемой почве при качении колеса. При качении колес ДМ имеет два основных вида деформации почвы: · сжатие почвы опорной поверхностью; · срез почвы зацепами колеса. При сжатии почвы опорной поверхностью колеса можно выделить: · сжатие вниз по вертикали, сопровождаемое уплотнением ее; · сжатие, распространяемое в стороны от движущегося колеса, и часто возникающее выпирание почвы из-под колеса. В своих исследованиях А.И. Рязанцев предлагает смоделировать данные процессы как взаимодействие с почвой конусно-крыльчатых наконечников пенетрирующих устройств. Сопротивление грунта сжатию может определяться зависимостью, кПа [4]: (1) где и - безразмерные коэффициенты несущей способности грунта, зависящие от угла внутреннего трения; - объемный вес грунта, кН/м3; - радиус основания наконечника, м; - удельное сцепление грунта, кПа. Поскольку собственным весом грунта в пределах глубины погружения наконечника в поверхностном слое можно пренебречь, касательную составляющую напряжения (удельное сопротивление почвы вращательному срезу) с достаточной достоверностью можно отождествлять со сцеплением грунта: . Несущую способность почвы определяли согласно зависимости, кПа [4]: , (2) где - коэффициент, зависящий от величины угла внутреннего трения грунта. Несущую способность почв после полива можно описать выражением: , (3) где - величина уменьшения несущей способности почвы. На изменение прочностных показателей почвы при поливе существенное влияние оказывают ее инфильтрационные свойства и режим орошения, определяемый природно-климатическими условиями и конструктивными особенностями дождевальных машин. Согласно исследованиям А.И. Рязанцева [5] несущая способность почвы после полива определяется, кПа: , (4) где - несущая способность почвы до полива, МПа; - величина стока, м3/га; - достоковая поливная норма, м3/га. Известно, что несущая способность почвы увеличивается при увеличении значений достоковой нормы и еще в большей степени уменьшается при возрастании величины поверхностного стока. Так, например, увеличение поливной нормы с 300 до 500 м3/га для среднесуглинистых черноземов вызывает уменьшение их несущих свойств с 160 до 140 кПа, а при наличии стока - (20-25%) до 125 кПа [4]. Достоковая поливная норма, м3/га [8]: , (5) где - средний диаметр капель, мм; - интенсивность дождя, мм/мин; - заданная интенсивность дождя, мм/мин; - коэффициент, учитывающий водопроницаемость почв ( ). Ширину колеи для двухколесных тележек дождевальных машин можно определить из выражения: (6) где - масса основной опоры; - масса опорных тележек с двумя колесами; - масса участков водопроводящего трубопровода между опорными тележками с системой крепления (шпренгельной системой); - массы консоли (при наличии); - количество тележек; - длина машины; - длина консоли; - расстояние между пролетами. Для трехколесных тележек: (7) где - масса опорных тележек с тремя колесами. Необходимо учитывать, что масса тележки с тремя колесами за счет большей длины и усиленной рамы составляет порядка , т.е. в среднем . Глубина колеи для двухколесной тележки дождевальной машины может быть выражена следующей зависимостью [9]: . (8) Глубина колеи для трехколесной тележки дождевальной машины: . (9) Как можно заметить из полученных выражений, величины глубины и ширины колеи меняются незначительно и целесообразность применения трехколесных систем в большей степени сводится к повышению тягово-сцепных качеств, нежели уменьшению колееобразования. Теоретические зависимости глубины колеи от несущей способности почвы при различной длине пролетов на примере ДМ «Кубань-ЛК1М» (КАСКАД) и ДМ «КАСКАД», построенные в соответствии с выражением (8), представлены на рис. 2. Рис. 2. Зависимость глубины колеи от несущей способности почвы для ДМ «Кубань-ЛК1» (КАСКАД) (шины 14,9-24) (труба 159мм) для первой опоры: 1 - пролет 65м; 2 - пролет 59,5м; 3 - пролет 48,7м; 4 - пролет 30м Fig. 2. Dependence of the track depth on the bearing capacity of the soil for the “Kuban-LK1” (KASKAD) (tires 14.9-24) (pipe 159 mm) for the first support: 1 - rut 65 m; 2 - rut 59.5 m; 3 - rut 48.7 m; 4 - rut 30 m Рассматривая зависимость величины колеи от несущей способности почвы при различной длине пролетов на примере ДМ «КАСКАД», можно сделать вывод о возможности увеличения пролета до 65 м, при которых величина колеи не превышает нормативных значений при несущей способности более 100 кПа и поливной норме порядка 300-350 м3/га. Для почв с низкой несущей способностью и машин с длиной пролетов более 59 м рационально применение колес с шинами не менее 16,9-24, а при уменьшении несущей способности - шины 18,4-26 рис. 2. Теоретические зависимости ширины колеи от порядкового номера опорной тележки на примере ДМ «КАСКАД», построенные в соответствии с выражением (6) , представлены на рис. 3. Ширина колеи для всех модификаций машин и колес уменьшается с увеличением расстояния от центральной опоры. Рис. 3. Зависимость ширины колеи от порядкового номера опорной тележки (расстояние от основной опоры) для ДМ «КАСКАД» (несущая способность почвы 100 кПа): 1- шины 18,4-24; 2 - шины 16-20; 3 - шины 15,5-38; 4 - шины 14,9-24 Fig. 3. Dependence of the track width on the serial number of the support carriage (distance from the main support) for “KASKAD” sprinkler (soil bearing capacity 100 kPa): 1- tires 18.4-24; 2 - tires 16-20; 3 - tires 15.5-38; 4 - tires 14.9-24 Рис. 4. Зависимость глубины колеи от несущей способности почвы для ДМ «КАСКАД» пролет 59,5 м (труба 159 мм) для первой опоры: 1 - шины 14,9-24; 2 - шины 16,9-24; 3 - шины 18,4-24; 4 - шины 23,1-26 Fig. 4. Dependence of the track depth on the bearing capacity of the soil for “KASKAD” sprinkler rut 59.5 m (pipe 159 mm) for the first support: 1 - tires 14.9-24; 2 - tires 16.9-24; 3 - tires 18.4-24; 4 - tires 23.1-26 Для уменьшения глубины колеи (рис. 4) возможно применение колес более широкого профиля или снижение массы за счет уменьшения диаметра трубопровода, что целесообразно при работе с меньшими расходами [10, 11]. Методика исследований Полевые исследования проводились на полях УНПО «Поволжье» ФГБОУ ВО Саратовский ГАУ (с. Степное Энгельсского района Саратовской области), УНПК Агроцентра СГАУ; ООО «Наше дело» (Саратовская область, Марксовский район). Дождевальные машины: «Кубань-ЛК1М» (Каскад) и ДМ «КАСКАД» (рис. 5). Рис. 5. Дождевальная машина «КАСКАД» [12] Fig. 5. “KASKAD” sprinkler [12] Результаты исследований Интенсивное уменьшение давления колес машин на почву при средних нагрузках (10-20 кН) присущих практически применяемым длинам и диаметрам труб пролетов дождевальных машин «Кубань-ЛК1», «Кубань-ЛК1М» (КАСКАД), ДМ «КАСКАД», происходит при увеличении опорной поверхности колес до 0,30-0,50 м2. Дальнейшее увеличение площади колесных движителей не имеет практического смысла, так как это влечет за собой значительное увеличение габаритов колес или их количества. С увеличением нагрузки растет и значение предела опорной поверхности. Нагрузочный режим на колесные системы тележек ДМ варьируется изменением длин пролетов и диаметров их водопроводящего трубопровода. Результаты теоретических исследований по подбору пневматических колес для ДМ типа «Кубань-ЛК1», «Кубань-ЛК1М» (КАСКАД), ЭДМ «КАСКАД» были подтверждены экспериментально. Результаты исследований глубины колеи от порядкового номера опорной тележки при несущей способности почвы 110-125кПа после первого прохода для ДМ «Кубань-ЛК1М» длиной 497 показаны на (рис. 6). В конце поливного сезона вид зависимости глубины колеи от порядкового номера тележки меняется с линейной на квадратичную. На последних тележках колея снова возрастает за счет увеличения расхода и крупности капель (рис. 7). При увеличении пролета до 59,5 м и установке колес с шинами 16,9-24, колея снижается до 4 см на первой тележке за первый проход и до 9 см в конце поливного сезона, несмотря на увеличение длины пролета (рис. 8). Рис. 6. Зависимость глубины колеи от номера опорной тележки при несущей способности почвы 110-125 кПа: ДМ «Кубань-ЛК1М» (48,7 м пролет, шины 14,9-24), ; . Fig. 6. Dependence of the track depth on the number of the support undercarriage with a soil bearing capacity of 110-125 kPa: “Kuban-LK1M” sprinkler (rut 48.7 m, tires 14.9-24), ; . Рис. 7. Зависимость глубины колеи от номера опорной тележки в конце поливного сезона: ДМ «Кубань-ЛК1М» (48,7 м пролет, шины 14,9-24), ; . Fig. 7. Dependence of the track depth on the number of the support undercarriage at the end of the irrigation season: “Kuban-LK1M” sprinkler (48.7 m rut, tires 14.9-24), ; Рис. 8. Зависимость глубины колеи от номера опорной тележки при несущей способности почвы 110-125 кПа в начале (1) и конце (2) поливного сезона, ДМ «Кубань-ЛК1М» (59,5 м пролет, шины 16,9-24,: 1 - ; ; 2 - теоретическая зависимость Fig. 8. Dependence of the track depth on the number of the support undercarriage with a soil bearing capacity of 110-125 kPa at the beginning (1) and in the end (2) of the irrigation season, “Kuban-LK1M” sprinkler (59.5 m span, tires 16.9-24):1 - ; ; 2 - theoretical dependence Анализ данных показывает, что на почвах повышенной прочности ДМ целесообразно оборудовать узкими пневмоколесами. На почвах с низкой несущей способностью и значительными поливными нормами от 600 м3/га - более широкопрофильными пневматическими шинами 18-24; 23-26, 21.3-24 для ДМ «Кубань-ЛК1», «Кубань-ЛК1М» (КАСКАД), «КАСКАД с шириной профиля 0,30-0,54 м, в том числе установкой более широкопрофильных шин в концевой части машин. Кроме того, в условиях пониженной прочности почв возможно применение на ДМ шин с меньшими значениями ширины профиля, нежели рекомендуемые, но для уменьшенных величин длин пролетов ДМ или уменьшенного диаметра водопроводящего трубопровода. Заключение Проведенные исследования позволили определить ориентировочные зоны применения колесных систем в зависимости от несущей способности почвы: 1) повышенной несущей способности (тяжелосуглинистые почвы, нормы полива до 300 м3/га, ≥ 80-100 кПа) узкопрофильные пневматические колеса. Глубина колеи - не более = 0,08-0,1 м; 2) средней несущей способности (суглинистые почвы, нормы полива 300-500 м3/га, ≥ 60-80 кПа) - обычные шины. Глубина колеи - = 0,05-0,1 м; 3) низкой несущей способности (легкие, норма полива более 500 м3/га, < 60 кПа) - широкопрофильные шины, = 0,1-0,15 м. Полученные экспериментальные данные хорошо сочетаются с показателями теоретических расчетов.

About the authors

L. A Zhuravleva

Moscow Polytechnic University

Moscow, Russia
DSc in Engineering

N. V Tkhuan

Moscow Polytechnic University

Email: nguyenthuan230593@gmail.com
Moscow, Russia

References

  1. Рязанцев А.И. Механизация полива широкозахватными дождевальными машинами кругового действия в сложных условиях. Рязань, 1991. 131 с.
  2. Каталог продукции Valley. URL: / www.valmont.com/irrigation (Дата обращения: 16.01.2018).
  3. Каталог ирригационной продукции Zimmatic by Lindsay. ULR: www. lindsay.com. (Дата обращения: 23.01.2018).
  4. Рязанцев А.И., Кириленко Н.Я., Шереметьев А.В. Технологические особенности полива дождевальной машиной «Фрегат» культурных пастбищ // Техника и технологии агропромышленного комплекса. Вестник ФГОУ ВПО МГАУ. 2012. № 5. С. 27-30.
  5. Рязанцев А.И., Антипов А.О. Технико-эксплуатационные особенности многоопорной электрифицированной дождевальной машины нового поколения «Кубань-ЛК1» // Вестник Рязанского государственного агротехнологического университета им. П.А. Костычева. 2016. № 2. С. 83-87.
  6. Рыжко Н.Ф. Обоснование ресурсосберегающего дождевания // Вестник Саратовского Госагроуниверситета им. Н.И. Вавилова. 2014. № 7. С. 40-45.
  7. Слюсаренко В.В., Надежкина Г.П., Рыжко Н.Ф. Технические решения для повышения площади полива и коэффициента земельного использования дождевальных машин кругового действия // Научная жизнь. 2014. № 2. С. 100-109.
  8. Кеита Шейк Ахмед Тидиан. Обоснование широкозахватных дождевальных машин на пойменных землях: Автореф. дис. канд. техн. наук. М., 1996. 25 с.
  9. Михалев Н.В. Обоснование технологических и технических решений по распределению стоков дождевальными машинами кругового действия: Дис.. канд. техн. наук. М., 2000. 155 с.
  10. Абдразаков Ф.К., Журавлева Л.А., Соловьев В.А. Рациональное снижение металлоемкости при конструировании широкозахватных дождевальных машин // Аграрный научный журнал. 2018. № 5. С. 37-42.
  11. Аbdrazakov F.K., Soloviev D.A., Zhuravleva A.L. [и др.] The studies of water flow characteristics in the water conducting belt of wide-coverage sprinkling machines // The Turkish Online Journal of Design, Art and Communication TOJDAC ISSN: 2146-5193. Special Edition, March 2018. Р. 567-577.
  12. Журавлева Л.А., Ван Тхуан Н. Технологические и технические решения для обеспечения ресурсосберегающего и экологически безопасного полива широкозахватными дождевальными машинами. М.: ФГБОУ ВО Московский политехнический университет. Саратов: Амирит, 2020. 161 с.

Statistics

Views

Abstract - 37

PDF (Russian) - 5

Cited-By


Article Metrics

Metrics Loading ...

PlumX

Dimensions


Copyright (c) 2020 Zhuravleva L.A., Tkhuan N.V.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies