Reduced rutting of wide-grip sprinklers

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

DSc in Engineering Moscow, Russia

N. V Tkhuan

Moscow Polytechnic University

Email: nguyenthuan230593@gmail.com
Moscow, Russia

References

Supplementary files