Технология и дождевальная установка для орошения приусадебных и садово-огородных участков

Современное сельское хозяйство Российской Федерации отличается многоукладностью и представлено открытыми и закрытыми акционерными обществами, производственными и потребительскими сельскохозяйственными кооперативами, обществами с ограниченной ответственностью, колхозами, государственными и муниципальными унитарными предприятиями, крестьянскими (фермерскими) хозяйствами, личными подсобными (приусадебными) хозяйствами, крестьянскими подворьями, садоводческими, огородническими товариществами и кооперативами.

В результате реформ в сельском хозяйстве России сложилось сочетание малых, средних и крупных форм сельскохозяйственного производства. Мировая практика также наглядно демонстрирует такую интеграцию.

К 2003 году в секторе малых форм хозяйствования России насчитывается более 40 миллионов собственников и владельцев земельных участков с общей площадью в 27,82 миллионов гектар. Из них 11,95 миллионов гектаров — это земли хозяйств населения, включая личные подсобные хозяйства, коллективные сады и огороды, и 15,87 миллионов гектаров — земли крестьянских хозяйств. Их вклад в общий объём сельскохозяйственного производства страны составил к 2003 году около 60% и имеет тенденцию к возрастанию [1].

Практика показывает, что средние размеры площадей подсобных хозяйств населения составляют около 2,0 гектара, а садово-огородных участков не превышают 0,04.0,25 гектара [2,3]. Кроме того, эти земельные участки характеризуются мелкоконтурностью, неправильной конфигурацией, сложностью рельефа, наличием различных препятствий (мелколесье, дороги, линии электропередач и прочее).

В различных регионах страны, в зависимости от увлажненности территории, от 10% до 50% площадей наделов этих индивидуальных хозяйств требуют различных форм орошения.

Промышленное производство оросительной техники в России до 90-х годов XX века было нацелено на полив больших площадей (до нескольких 6 сот гектаров) й базировалось на выпуске широкозахватных машин фронтального и кругового действия. Это дождевальные машины «Фрегат», «Кубань», «Днепр», ДДА-100МА, ДКШ-64 «Волжанка», «Таврия» и другие, отличительной особенностью которых является большая энергонасыщенность [4,5]. Применение таких машин без учета условий эксплуатации часто являлось причиной засоления, подъёма грунтовых вод и водной эрозии почвы.

Наряду с высокопроизводительными, широкозахватными машинами производились и использовались шланговые дождевальные машины отечественного и зарубежного производства, такие как ДТП-10, ДШ-30, ДДС-30 (Россия), ИДЛ^бОН и ИДЛ-100 (Болгария), «Sigma» PZT — 67, PZT- 75, «Odra» PZ- 7528 (Чехословакия), «Turbomat 90» и «Rotomat 110» (Венгрия) и другие [6]. Они позволяли при низком качестве искусственного дождя орошать значительные по площади участки (до 50 га). Массовое производство широкозахватных и шланговых машин в России в настоящее время практически прекращено.

На сегодня в России отсутствует промышленное производство машин, установок и специализированного оборудования малых форм орошения. И, независимо от природно-хозяйственных условий того или иного региона России, продолжается использование ручного труда или техники традиционного орошения, не приспособленной для полива крестьянских, приусадебных и садово-огородных участков. В этой ситуации механизированный полив участков малых размеров площадью от 0,04 га до 2,0 га затруднен, а использование вышеуказанных машин для их орошения нецелесообразно.

Актуальность проблемы. Развитие многообразных форм ведения сельскохозяйственного производства, в том числе на небольших по площади участках, определяет настоятельную необходимость создания специализированной малогабаритной техники, в том числе дождевальной, для выращивания сельскохозяйственных культур в крестьянских хозяйствах, на селекционных участках, а также в садоводческих товариществах и других ассоциациях, обеспечивающей максимальную производительность труда и получение гарантированного урожая.

Создание и внедрение в указанных условиях мобильных дождевальных средств, в частности разработанной шланговой дождевальной установки позиционного действия, позволяет при одиночной и групповой работе производить экологически безопасный и энергосберегающий полив участков площадью от 0,04 до 2,0 га.

Количество потенциальных потребителей техники малого орошения на сегодня составляет более 40 млн. человек. Они производят в России более половины сельскохозяйственной продукции.

Цель исследований. Целью настоящей работы является повышение эффективности полива приусадебных и садово-огородных участков посредством усовершенствования технологии и конструктивно-технологических параметров малорасходной шланговой дождевальной установки позиционного действия.

Методология исследований. Теоретические исследования и расчеты осуществлялись на основе методов математического анализа, элементов классической механики и математического моделирования. При выполнении экспериментальных исследований в лабораторных и полевых условиях применялись методы планирования эксперимента. Показатели качества дождевания производились по специально разработанным методикам, программам, а так же в соответствии с ОСТ 10 11.1−2000 «Испытания сельскохозяйственной техники. Машины и установки дождевальные. Методы оценки функциональных показателей». Обработка экспериментальных данных осуществлялась методами математической статистики.

Научная новизна. Усовершенствована технология полива дождеванием приусадебных и садово-огородных участков. Обоснованы конструктивно-технологические параметры и разработана конструкция малорасходной шланговой дождевальной установки позиционного действия. В целях обеспечения установкой экологически безопасных и энергосберегающих технологий полива, оптимизированы параметры её дождеобразующих устройств и ходовой системы. Научная новизна дождевальной установки подтверждена патентами на полезную модель: № 40 838 и № 40 839. 8.

Основные защищаемые положения. На защиту выносятся:

1. Усовершенствованная технология полива малых площадей с оптимизацией параметров дождевальной установки.

2. Конструктивно-компановочная схема усовершенствованной шланговой дождевальной установки.

3. Аналитические зависимости расчетов конструктивно-технологических параметров дождевальной установки.

4. Результаты исследований и испытаний дождевальной установки в лабораторно-полевых и хозяйственных условиях.

Практическая значимость работы и реализация результатов исследований. Разработанная технология и конструкция шланговой дождевальной установки позиционного действия позволяет: организовать полив на участках площадью от 0,04 до 1,0 га и повысить производительность труда, по сравнению с ручным поливом, в 5.6 разосуществлять ресурсосберегающий полив' сельскохозяйственных культур при сокращении физических, временных и материальных затрат пользователейобеспечивать экологическую безопасность полива дождеванием, учитывая свойства почвы и особенности произрастания культурповысить урожайность сельскохозяйственных культур за счет более равномерного распределения воды по орошаемой площади.

Разработанная технология полива и дождевальная шланговая установка позиционного действия с расходом до 1,0 л/с нашла широкое применение в хозяйствах практических всех зон орошаемого земледелия. Установки внедрены в организациях: Всероссийский селекционный технологический институт садоводства и питомничества (ВСТИСП), г. МоскваБашкортостан, завод-совхоз «Дмитриевский», Уфимский районУчебно-опытное хозяйство Рязанской ГСХА «Стенькино», г. РязаньМосковская сельскохозяйственная академия имени К. А. Тимирязева, г. Москва-. ФГУП ЭПХ ВНИИ «Радуга», г. Коломна, Московская областьСибНИИГиМ, г. КрасноярскНИИ сельскохозяйственного использования сточных вод «Прогресс», г. Старая Купавна, Московская областьВолгоградская область, ЗАО «Городищи», Волгоградский районЧелябинская область, ЗАО «Наровчатское», Агаповский районФГНУ ВНИИ «Радуга», г. Коломна, Московская область.

Достоверность результатов исследований. Достоверность результатов исследований подтверждена: необходимым объёмом эмпирических данныхрезультатами проведения Государственных испытанийсоответствием теоретических и экспериментальных данныхвоспроизводимостью результатов экспериментовширокой апробацией в условиях эксплуатации.

Личный вклад автора работы. Личный вклад автора состоит в разработке усовершенствованной технологии полива садово-огородных и приусадебных участков с помощью шланговой дождевальной установки позиционного действия с расходом до 1,0 л/сразработке конструктивно-технологической схемы устройства дождевальной установки и оптимизации её параметроввыводе аналитических зависимостей расчетов конструктивно-технологических параметров дождевальной установкиполучении теоретических результатов и результатов испытаний дождевальной установки в ла-бораторно-полевых и хозяйственных условияхразработке методики проведения расчетов и испытанийразработке рабочих чертежей и изготовлении установкиорганизации внедрения.

Апробация работы. Основные результаты исследований по диссертационной работе докладывались и обсуждались на семи научных конференциях, в том числе международных, и одном Всероссийском семинаре: Научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава и аспирантов Рязанской ГСХА им. профессора П. А. Костычева, Рязань, 2003 г.- Всероссийском семинаре специалистов Российской Федерации по технологиям возделывания овощных культур, ИППК, г. Коломна, Московская область, 2002 г.- Международном совещании по прогрессивным технологиям выращивания садовых культур, ВСТИСП, г. Москва, 2002 гМеждународной научно-практической конференции «Земледельческая механика в растениеводстве», ВИМ, г. Москва, 2001 г.- Международной научной конференции (Костяковские чтения), г. Москва, ВНИИГиМ, 2002 г.- Международной научно-практической конференции, ВСТИСП, г. Москва, 2003 г.- 4-й Международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве». Энергосберегающие технологии в животноводстве и растениеводстве, ГНУ ВИЭСХ г. Москва, 2004 г.- Международной научно-практической конференции «Научно-практические аспекты современных мелиораций», Мещерский филиал ВНИИГиМ, г. Рязань, п. Солотча, 2004 г.- Международной научно-технической конференции по теме «Ресурсосберегающие и энергоэффективные технологии и техника в орошаемом земледелии». Многоцелевое использование поливной техники. ФГНУ ВНИИ «Радуга», г. Коломна, Московской области, 2003 г.

Результаты работы демонстрировались на различных выставках, в том числе на ВВЦ (г. Москва) и были удостоены двух медалей «Лауреат ВВЦ», одна из которых за участие в разработке, создании и внедрение шланговой дождевальной установки позиционного действия. Среди них: Российская агропромышленная выставка «Золотая осень» 2002, 2003, 2004 гг.- выставка в Московской сельскохозяйственной академии имени К. А. Тимирязева, 2002 г.-? выставка в Российской академии государственной службы при Президенте Российской Федерации, 2002 г., (отчетное собрание РАСХН) — выставка сель-^ скохозяйственной техники, производимой в Московской области г. Ступино, Московская область, 2003 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ, из которых два патента на полезную модель.

Структура и объём диссертации. Диссертация изложена на 186 страницах машинописного текста и состоит из введения, 5 глав, общих выводов. В работе содержится 76 рисунков, 19 таблиц, 10 приложений и список литературы из 103 источников.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

Вклад малых хозяйств в общий объём сельскохозяйственного производства страны на сегодня составляет около 60% и в дальнейшем роль этих хозяйств имеет тенденцию к возрастанию. Отсутствие в России дождевальной техники малых форм создает проблему огромной трудоёмкости выращивания сельскохозяйственной продукции на приусадебных и садово-огородных участках, имеющих численность около 40 миллионов и занимающих площадь около 28 миллионов гектаров. В этих условиях разработка технологии и шланговой дождевальной установки для их полива является задачей весьма актуальной.

Выполненные исследования усовершенствованной шланговой дождевальной установки позиционного действия с расходом до 1,0 л/с позволяют сделать следующие выводы:

1. Установлено, что значения поливных норм для основных видов культур, выращиваемых на садово-огородных и приусадебных участках составляют от 150.300 м3/ га. Дождевальная установка для их полива должна обеспечивать параметры искусственного дождя по интенсивности в пределах 0,1.0,3 мм/мин и среднему диаметру капель — не более 1,0 мм.

2. Теоретически доказано, что применение установки по технологической схеме с расположением позиций для полива по углам равностороннего треугольника, является наиболее эффективной и позволяет при снижении средней интенсивности дождя до 30%, сократить расстояния между гидрантами на 21,8% и между трубопроводами на 5,6%. Применение такой технологической схемы повышается равномерность распределения дождя по площади орошения на 20% и увеличивается орошаемая площадь установки при л питании от одного гидранта до 2000 м или на 30% по сравнению с другими технологическими схемами полива.

3. Установлено, что размеры дождевальной установки для полива приусадебных и садово-огородных участков должны иметь значения: длина дождевального крыла — до 3,0 мрасстояние между полозьями опорного основания — 0,7.0,75 магротехнический просвет — не менее 0,8 м.

4. Доказано, что для обеспечения равномерности полива со значениями коэффициента эффективного полива Кэф > 0,7 и устойчивого вращения дождевальных крыльев установки, факел дождя реактивной насадки диаметром 4,0 мм должен быть направлен под углом около 50° в горизонтальной плоскости относительно оси водопроводящего крыла.

5. Доказано, что формула расчета радиуса орошения применяемых насадок секторного действия R, зависящего от величины давления воды на входе Н, высоты расположения над орошаемой поверхностью h, диаметра выходного отверстия d, позволяет (в пределах давлений от 0,05 МПа до 0,3 МПа) определить оптимальные углы расположения насадок а, р, у относительно пространственной системы координат. Для реактивных насадок с диаметром сопла 3,0 и 4,0 мм — а = 0,087 рад., р = 0,262 рад., у = 0 рад. Для концевой насадки с диаметром сопла 5,5 мм — а = 1,484 рад., р = -0,873 рад., у = 0 рад. Формула имеет вид:

R = 0,25 (1-е-H/l, 6d) * {2/1 +tg2(a-P)cos2y * * [ д/ Н2 tg2(a-p)cos2y + Ш (1 + tg2(a-p) cos2y) — Н tg (a-p) cos у] }.

6. Экспериментально установлено, что применяемые дождевальные насадки обеспечивают показатели качества полива, соответствующие агротехническим требованиям: по интенсивности дождя от 0,279 мм/мин до.

0,478 мм/минкоэффициенту эффективного полива от 0,45 до 0,57- радиусу 1 — 2 2 орошения от 4,4 м до 6,1 мплощади орошения от 18,7 м до 41,9 м при рабочем давлении 0,11 МПа и оптимальных углах расположения относительно осей пространственной системы координат для насадок 03,0 мм и 04,0 ммa = 0,087 рад., р = 0,262 рад., у = 0 рад, для насадок 05,5 мм — a = 1,484 рад.,.

Р = -0,873 рад., у = 0 рад., что хорошо согласуется с теоретическими данными при расхождении значений не превышающем 5%.

7. Лабораторно-полевыми исследованиями выявлено, что при скорости ветра до 3,0 м/с, давлении воды 0,11.0,15 МПа, высоте расположения насадок над орошаемой поверхностью 1,32. 1,35 м, дождевальная установка при работе на позиции обеспечивает показатели качества полива соответствующие агротехническим требованиям (АТТ) со средней интенсивностью искусственного дождя равной 0,185 мм/мин и равномерностью распределения дождя (коэффициентом эффективного полива) 0,75, что соответственно на 33% и 20% выше показателей установки, взятой для усовершенствования, и отличается от теоретических рассчитанных данных не более чем на 5%.

8. Установлено, что потребляемая мощность установки составляет 0,092 кВт, что на 33% меньше, чем у взятой для усовершенствования. Величина силы реактивной тяги дождевальных насадок обеспечивает качественный полив и устойчивое вращение дождевальных крыльев. Ударное воздействие капель искусственного дождя установки со средним диаметром dcp = 0,85 мм ниже допустимого по агробиологическим требованиям на 37%. Усилие, необходимое на перемещение установки по влажной почве на 17% меньше её веса и позволяет перемещать установку по влажной почве одному оператору.

9. Доказано, что усовершенствованная установка производит полив с высокой степенью надежности выполнения технологического процесса (коэффициент готовности — 0,999) и сохраняет устойчивость на участках с местными уклонами до 25°.

10. Выявлено, что разработанная технологическая схема полива садово-огородных участков площадью до 0,2 га является универсальной и может быть использована для полива участков любой конфигурации, площадью до 1,0 га. При этом установка позволяет достигать следующих показателей: коэффициент эффективного полива увеличивается с 0,61 до 0,79 или на 29%- коэффициент надежности технологического процесса увеличивается с 0,92 до 0,98 или на 5%- коэффициент использования сменного времени возраста.

163 ет с 0,865 до 0,936 или на 8%. За счет сокращения времени на перемещения с позиции на позицию с 0,15 ч до 0,10 ч или на 33% и уменьшения времени на ежесменное техническое обслуживание с 0,32 ч до 0,20 ч или на 37%, производительность за 1 час сменного времени возрастает с 63,1 м2/ч до 93,8 м2/ч или на 48%,.

11. Исследованиями в хозяйственных условиях доказано, что использование усовершенствованной дождевальной установки для полива капусты и моркови увеличило их урожайность соответственно до 5,63 кг/м и 5,36 кг/м. Себестоимость товарной продукции этих культур составила соответственно 1,62 руб/кг и 1,09 руб/кг, при рентабельности выращивания капусты 48% и моркови 252%. Показатели рентабельности выращивания указанных культур превосходят установленные нормативы эффективности вложений государства на 23% и 227% соответственно.