Оптимизация параметров конструкции мобильного поливного трубопровода Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 626.8:631.347

А. А. Пахомов, С. В. Тронев, Д. А. Суслин

Волгоградский государственный аграрный университет, Волгоград, Российская Федерация

ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ КОНСТРУКЦИИ МОБИЛЬНОГО ПОЛИВНОГО ТРУБОПРОВОДА

Целью исследований являлось определение и обоснование конструктивных параметров мобильного поливного трубопровода с гидравлической системой регулирования водоподачи для поверхностного способа полива. В лаборатории Волгоградского государственного аграрного университета были проведены гидравлические исследования на лабораторной установке, которая представляет собой модель поливного звена, состоящую из бака управления и трубопровода с закрепленным на нем запорным устройством в виде растяжимых груш. Наполнение и сброс воды из груш обеспечивается через проходящий сквозь них гибкий шланг с отверстиями. Трубопровод модели имеет следующие параметры: труба из полиэтилена L = 5 м, d = 50 мм. Диаметр шланга запорного устройства - 12 мм. Диаметр запорных груш варьировался от 20 до 40 мм с шагом 5 мм. Показателем качества работы трубопровода является равномерность подачи поливной нормы за заданный на гидравлическом таймере промежуток времени. В ходе проведенных опытов и расчетов были определены гидравлические характеристики модели, а также факторы, влияющие на качество работы предлагаемой конструкции: диаметр шланга ленточного затвора, отношение диаметра трубопровода к его длине, отношение диаметра запорной груши к диаметру трубопровода. По результатам лабораторных исследований была выполнена математическая обработка экспериментальных данных и проведена оптимизация параметров конструкции поливного трубопровода. В результате исследований установлено, что минимальное отклонение от нормы полива обеспечивают следующие значения параметров мобильного трубопровода: диаметр ленточного затвора трубопровода - 15,6...17,2 мм; отношение диаметра трубы к ее длине - 0,0059.0,0061; отношение диаметра груши к среднему диаметру трубы -0,432.0,454.

Ключевые слова: орошение, поливной трубопровод, управление водоподачей, автоматизация, эксперимент, оптимизация.

A. A. Pakhomov, S. V. Tronev, D. A. Suslin

Volgograd State Agrarian University, Volgograd, Russian Federation

OPTIMIZING DESIGN PARAMETERS OF MOBILE IRRIGATION PIPELINE

The aim of the research is to define and substantiate design parameters of mobile irrigation pipeline with hydraulic system of regulating water supply for the surface method of irrigation. In the laboratory of Volgograd State Agrarian University hydraulic study was conducted using laboratory apparatus which is the model of irrigation link comprising management tank and pipeline with locking device in the form of extensible bulbs. The filling and discharge of water from these bulbs provides through the flexible hose with holes. The pipeline of the model has the following parameters: polyethylene tube L = 5 m, d = 50 mm. The hose diameter of locking device is 12 mm. Diameter of locking bulbs varied from 20 to 40 mm with step 5 mm. The indicator of operation quality of pipeline is emission uniformity

of irrigation rate for a given interval by hydraulic timer. During conducted experiments and calculation, hydraulic model specifications were determined, as well as the factors affecting on the operation quality of proposed construction: hose diameter of ribbon gate valve, ratio of pipeline diameter to its length, ratio of diameter of locking bulb to pipeline diameter. According to the results of laboratory study, math treatment of experimental data and optimization of design parameters of irrigation pipeline was done. As a result of the study it was established that minimal departure from irrigation rate was provided by following parameters of mobile pipeline: diameter of ribbon gate valve - 15.6...17.2 mm; ratio of pipeline diameter to its length - 0.0059.0.0061; ratio of a diameter of locking bulb to an average diameter of pipeline - 0.432.0.454.

Keywords: irrigation, irrigation pipeline, water supply management, automation, experiment, optimization.

За последние 15 лет в мире общая площадь орошаемых земель увеличилась на 20,6 % и на сегодняшний день составляет около 270 млн га [1].

В последнее десятилетие в Волгоградской области площади поверхностного орошения существенно сократились. До 2009 г. площадь полива по бороздам и полосам составляла 33 тыс. га, в 2012 г. - 5,56 тыс. га, на сегодняшний день - около 3,1 тыс. га.

Современные оросительные сети должны обеспечивать оптимальные условия для возделывания сельскохозяйственных культур и не допускать технологического сброса воды [2, 3]. На площадях овощных культур до 200 га предпочтительно применять мобильные оросительные системы для подачи воды в поливные борозды.

Мобильные поливные трубопроводы относятся к наиболее эффективным средствам совершенствования техники поверхностного полива. Их применение исключает необходимость нарезки временных оросителей и выводных борозд, за счет чего повышается коэффициент использования земли и воды, и способствует совершенствованию технологии полива и улучшению его качества [4]. Кроме того, использование средств автоматизации водоподачи, в частности средств гидроавтоматики, существенно повышает их эффективность и экономичность [5].

Материалы и методы исследований. Мобильность предложенной конструкции поливного трубопровода заключается в возможности быст-

рой сборки и разборки за счет разборных зажимных соединений на трубах с последующим перемещением элементов устройства по территории орошаемого участка с помощью транспортных средств, имеющихся в каждом хозяйстве.

Расширение области применения мобильного поливного трубопровода возможно за счет двух вариантов монтажа:

- подключение центрального бака управления к трубчатым водовы-пускам открытой оросительной сети с подачей воды на участок самонапором за счет гидравлического перепада воды в канале, расположенном в полунасыпи или насыпи (рисунок 1, а). Гидравлический перепад на оросительных системах Волгоградского Заволжья достигает порядка 2 м, что обеспечивает возможность осуществления полива без применения насос-но-силового оборудования;

- подключение центрального бака управления к напорным гидрантам закрытой оросительной сети (рисунок 1, б).

Предлагаемая конструкция мобильного поливного трубопровода [6] включает поливные звенья. Поливное звено состоит из трубопровода 1 с водовыпускными отверстиями 2, бака управления водоподачей 3 и запорного устройства, представляющего собой гибкий шланг 4 с закрепленными на нем запорными грушами 5 для перекрытия водовыпускных отверстий (рисунок 2).

Бак управления 3 включает в себя водосливную стенку 6 для создания подпора в трубопроводе, гидравлический таймер в виде камеры 7, наполнение которой происходит через кран 8, оттарированный на различный расход в зависимости от времени полива. В камере 7 установлен поплавковый датчик 9, за счет которого осуществляется контроль времени полива, а также регулятор запорного устройства 10.

а)

б)

а - схема подключения мобильного поливного трубопровода к открытому оросителю; б - схема подключения мобильного поливного трубопровода к напорному гидранту закрытой оросительной сети; 1 - центральный бак управления водораспределением; 2 - бак управления поливного звена № 1; 3 - бак управления поливного звена № 2; 4 - поливной трубопровод, состоящий из отдельных секций; 5 - быстроразборное зажимное соединение; 6 - ленточный затвор

Рисунок 1 - Схемы подключения поливного трубопровода

1 - трубопровод; 2 - водовыпускные отверстия; 3 - бак управления водоподачей;

4 - гибкий шланг; 5 - запорные груши; 6 - водосливная стенка; 7 - камера гидравлического таймера; 8 - кран гидравлического таймера; 9 - поплавковый датчик;

10 - регулятор запорного устройства; 11 - шарнирное соединение поплавкового датчика; 12 - перфорация гибкого шланга для наполнения растяжимых груш;

13 - крепление запорного устройства

Рисунок 2 - Поливное звено

Принцип работы заключается в следующем. Трубопровод монтируется на орошаемом участке с подключением к трубчатому водовыпуску распределительного канала открытой оросительной сети. После настройки гидравлического таймера поливного звена открывается регулятор расхода в центральном баке управления, и вода поступает в трубопровод. Водосливная стенка 6 создает подпор воды, за счет чего она через отверстия 2 поступает в поливные борозды. Через кран 8 гидравлического таймера времени полива происходит наполнение камеры 7.

При заполнении камеры 7 срабатывает поплавковый датчик 9. Он приводит в движение регулятор запорного устройства 10, перекрывающий ток воды через шланг 4, что вызывает заполнение запорных груш 5. Увеличение объема груш, установленных напротив водовыпускных отверстий 2 поливного трубопровода 1, ведет к их перекрытию [6].

Целью наших исследований является определение и обоснование параметров конструкции мобильного поливного трубопровода, для чего бы-

ли проведены исследования [7] в гидравлической лаборатории Волгоградского государственного аграрного университета. Трубопровод модели имеет следующие параметры: труба из полиэтилена L = 5 м, d = 50 мм. Диаметр шланга запорного устройства - 12 мм. Диаметр запорных груш варьировался от 20 до 40 мм с шагом 5 мм.

Результаты и обсуждение. По результатам лабораторных исследований была выполнена математическая обработка экспериментальных данных и проведена оптимизация параметров конструкции поливного трубопровода.

Основным критерием эффективной работы любой поливной машины является равномерность подачи заданной поливной нормы. На этапе лабораторных исследований был принят показатель, характеризующий качество водоподачи - отклонение от нормы полива Ам.

Факторы, влияющие на выходной показатель, их уровни и интервалы варьирования представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Факторы, их уровни и интервалы варьирования

Фактор Уровень фактора Интервал

0 -1 +1 варьирования 8

х1 - диаметр ленточного затвора, мм 30 22 38 8

х2 - отношение диаметра трубы к длине, 0,007 0,006 0,008 0,001

единиц

х3 - отношение диаметра груши к средне- 0,543 0,454 0,632 0,089

му диаметру трубы, единиц

От фактора х1 зависит скорость срабатывания запорного устройства трубопровода и перекрытия водовыпускных отверстий, что позволяет ограничить перерасход оросительной воды.

Фактор х2 оказывает влияние на величину потерь напора в трубопроводе.

Фактор х3 характеризует качество, плотность перекрытия водовыпускных отверстий, что, так же как и фактор х1, позволяет избежать перерасхода оросительной воды.

В соответствии с принятой методикой, для исследования области оптимума был реализован план Рехтшафнера для 3-факторного эксперимента.

На основании экспериментальных данных по программе [8], предложенной для проведения регрессионного анализа на ЭВМ, рассчитаны коэффициенты В0, В г, В г] и В и уравнения регрессии:

у=Во + £В,х, + £В1]х1х] + £В,Х2. (1)

Значимость коэффициентов уравнения (1) оценивалась по критерию Стьюдента. Незначимые коэффициенты удалялись, и выполнялся повторный расчет коэффициентов регрессионной модели [9, 10]. В результате расчетов получено уравнение регрессии в кодированном виде:

Ат = 5,86 + 2,60 х 1 - 0,07 х2 - 0,03 х3 - 0,27 х 1 х2 -- 0,42 х 1 х3 + 0,15 х2х3 +1,78 х 12 +1,95 х22 + 1,60 х32.

Адекватность полученных математических моделей проверялась по критерию Фишера [5, 6]:

F -

52 (у)'

N

где 5ад = пЕ(у г - у г )2/( N+1]) - дисперсия неадекватности модели;

1

п - число повторностей опыта; N - число строк матрицы плана;

у, - среднеарифметическое значение случайной величины; у, - случайная величина, рассчитанная по математической зависимости; k - число факторов;

52 (у )=|ЕЕк - у, ]2 I / N(п+1) - дисперсия ошибки опыта;

1 1

у щ - значение , -й величины в q -м опыте. Получено, что при исследовании неравномерности распределения

Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 1(21), 2016 г., [84-97] F = 1,39. Во всех случаях F0 05 > F (здесь F005 = 2,1646 - табличное значение критерия Фишера при уровне значимости 5 % [9, 10]). Таким образом, математические модели адекватны результатам эксперимента.

С помощью программы [9] планирования эксперимента в сельскохозяйственных процессах были определены оптимальные значения факторов (таблица 2).

Таблица 2 - Оптимальные значения факторов

Фактор Оптимальное значение фактора

х1 - диаметр ленточного затвора, мм -0,75 16

х2 - отношение диаметра трубы к длине, единиц -0,03 0,006

х3 - отношение диаметра груши к среднему диаметру трубы, единиц -0,09 0,446

Примечание - В числителе - в кодированном виде; в знаменателе - в раскодированном виде.

Для анализа и систематизации полученную математическую модель второго порядка привели к типовой канонической форме вида:

Г - 7, = Вц X12 + В22 X2 +...+ВккХ2к, где Г - значение критерия оптимизации;

У, - значение критерия оптимизации в оптимальной точке;

В11, В22, ..., Вкк - коэффициенты регрессии в канонической форме;

Х1, Х2, Хк - новые оси координат, повернутые относительно старых Х1 , Х2 , ..., хк.

В результате расчетов, выполненных на ЭВМ, получены коэффициенты регрессии в канонической форме В11, В22, В33, В44 и значения критерия оптимизации в оптимальной точке У,,.

Уравнение регрессии (2), представленное в канонической форме, имеет вид:

уАк - 4,90=1,78X12 + 2,09Х22 +1,46Х32.

Поскольку все коэффициенты при квадратных членах имеют положительные знаки, то поверхности откликов, описанные уравнением (2), представляют не что иное, как трехмерные параболоиды с координатами центров поверхностей в оптимальных значениях факторов.

При рассмотрении двумерного сечения поверхностей отклика по уравнению регрессии (2) относительно х1 и х2 фактор х3 фиксировался на оптимальном значении х3 = -0,09. Результаты расчетов графически представлены на рисунке 3.

I -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Рисунок 3 - Двумерное сечение для изучения влияния факторов х1 и х2 при х3 = -0,09 на отклонения от нормы полива Лт

По результатам расчетов при оптимальном значении фактора х3 = -0,09 могут быть рекомендованы следующие оптимальные значения факторов: х1 = -0,8...-0,7 и х2 = -0,1...+0,1.

При рассмотрении двумерного сечения поверхностей отклика по уравнению регрессии (2) относительно х1 и х3 фактор х2 фиксировался на оптимальном значении х2 = -0,03. Результаты расчетов графически представлены на рисунке 4.

1 -0,8 -0,6 -0.4 -0,2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Рисунок 4 - Двумерное сечение для изучения влияния факторов х1 и х3 при х2 = -0,03 на отклонение от нормы полива Лт

По результатам расчетов при оптимальном значении фактора х2 = -0,03 могут быть рекомендованы следующие оптимальные значения факторов: х1 = -0,8...-0,6 и х3 = -0,2...0.

При рассмотрении двумерного сечения поверхностей отклика по уравнению регрессии (2) относительно х2 и х3 фактор х1 фиксировался на оптимальном значении х1 = -0,75. Результаты расчетов графически представлены на рисунке 5.

По результатам расчетов при оптимальном значении фактора х1 = -0,75 могут быть рекомендованы следующие оптимальные значения факторов: х2 = -0,1...+0,1 и х3 = -0,2.0.

Рисунок 5 - Двумерное сечение для изучения влияния факторов х2 и х3 при х1 = -0,75 на отклонение от нормы полива Лт

Выводы. По результатам оптимизации рассматриваемого процесса, для того, чтобы обеспечить минимальное отклонение от нормы полива Ат, необходимо принять следующие оптимальные значения факторов, которые будут учтены при разработке конструкции мобильного поливного трубопровода и проведении полевых опытов:

- диаметр ленточного затвора трубопровода х1 = -0,8.-0,6 (15,617,2 мм);

- отношение диаметра трубы к ее длине х2 = -0,1...+0,1 (0,00590,0061);

- отношение диаметра груши к среднему диаметру трубы х3 = -0,2.0 (0,432-0,454).

Список литературы

1 Автоматизация водоподачи и учет воды на внутрихозяйственной оросительной системе: моногр. / А. С. Овчинников, А. А. Пахомов, Н. А. Колобанова, В. Ф. Скворцов, В. В. Якубов. - Волгоград: ВолГАУ, 2012. - 188 с.

2 Пахомов, А. А. Расчет переходных процессов в каналах с автоматическим ре-

гулированием водоподачи / А. А. Пахомов, Н. А. Колобанова, В. Ф. Скворцов // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. - Волгоград, 2010. - № 4(20). - С. 176-181.

3 Пахомов, А. А. Моделирование процесса водоподачи в автоматизированном поливном трубопроводе / А. А. Пахомов, Д. А. Суслин // Актуальные проблемы современных наук - 2014. Вып. 22. Сельское хозяйство. Ветеринария: Производство. Наука и исследования: материалы X междунар. науч.-практ. конф. - 2014. - С. 80.

4 Сурин, В. А. Механизация и автоматизация полива сельскохозяйственных культур / В. А. Сурин, В. Ф. Носенко. - М.: Колос, 1981. - 271 с.

5 Оросительные системы России: от поколения к поколению: моногр. - В 2 ч. -Ч. 1 / В. Н. Щедрин, А. В. Колганов, С. М. Васильев, А. А. Чураев. - Новочеркасск: Геликон, 2013. - 283 с.

6 Пат. на полезную модель 140738, МПК(7) A 01 G 25. Поливной трубопровод / Пахомов А. А., Ходяков Е. А., Суслин Д. А., Попов П. С., Колобанова Н. А.; заявитель и патентообладатель Волгогр. гос. аграр. ун-т. - № 2014103796/13; заявл. 04.02.14; опубл. 20.05.14, Бюл. № 14. - 2 с.

7 Пахомов, А. А. Гидравлические исследования потерь напора в мобильном поливном трубопроводе / А. А. Пахомов, Н. А. Колобанова, Д. А. Суслин // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. - Волгоград, 2015. - № 3(39). - С. 188-193.

8 Дегтярев, Ю. П. Регрессионный анализ на ПЭВМ / Ю. П. Дегтярев, А. И. Филатов // Труды Волгоградского СХИ. - 1992. - С. 128-131.

9 Мельников, С. В. Планирование эксперимента в исследованиях сельскохозяйственных процессов / С. В. Мельников, В. Р. Алешкин, П. М. Рощин. - М.: Колос, 1972. -200 с.

10 Мельников, С. В. Планирование эксперимента в исследованиях сельскохозяйственных процессов / С. В. Мельников, В. Р. Алешкин, П. М. Рощин. - Л.: Колос, 1980. -168 с.

References

1 Ovchinnikov A.S., Pakhomov A.A., Kolobanova N.A., Skvortsov V.F., Yakubov V.V., 2012. Avtomatizatsiya vodopodachi i uchet vody na vnutrikhozyaystvennoy orositelnoy sisteme: monografiya [Automation of water supply and metering on intra-farm irrigation system: monograph].Volgograd, VolGAU Publ., 188 p. (In Russian).

2 Pakhomov A.A., Kolobanova N.A., Skvortsov V.F., 2010. [Transient in channels with automatic water supply regulation calculation]. Izvestiya Nizhnevolzhskogo agrouniversitetskogo kompleksa: nauka i vyssheye professionalnoye obrazovaniye, no. 4(20), pp. 176-181. (In Russian).

3 Pakhomov A.A., Suslin D.A., 2014. Modelirovaniye protsessa vodopodachi v avtomatizirovannom polivnom truboprovode [Simulation of water supply process in automated irrigation pipeline]. Aktualnyye problemy sovremennykh nauk. Selskoye khozyaystvo. Veterinariya: Proizvodstvo. Nauka i issledovaniya: materialy X mezhdunar. nauch.-prakt. konf. [Proc. of 10th Int. Sci.-Prac. Conf.: Actual Problems of Modern Science. Agriculture. Veterinary Science. Production. Science and Research.]. no. 22, pp. 80. (In Russian).

4 Surin V.A., Nosenko V.F., 1981. Mekhanizatsiya i avtomatizatsiya poliva selskokhozyaystvennykh kultur [Mechanization and Automation of Irrigation of Agricultural Crops]. Moscow, Kolos Publ., 271 p. (In Russian).

5 Shchedrin V.N., Kolganov A.V., Vasilyev S.M., Churayev A.A., 2013. Orositelnyye sistemy Rossii: ot pokoleniya k pokoleniyu: monografiya [Irrigation Systems in Russia: from Generation to Generation: monograph]. Novocherkassk, GelikonPubl., 283 p. (In Russian).

6 Pakhomov A.A., Khodyakov Ye.A., Suslin D.A., Popov P.S., Kolobanova N.A., 2014., Polivnoy truboprovod [Irrigation Pipeline], Utility Patent, no. 140738. (In Russian).

7 Pakhomov A.A., Kolobanova N.A., Suslin D.A., 2015. [Head losses in mobile irrigation piping hy-draulic researches]. Izvestiya Nizhnevolzhskogo agrouniversitetskogo kompleksa: nauka i vyssheyeprofessionalnoye obrazovaniye, no. 3(39), pp. 188-193. (In Russian).

8 Degtyarev Yu.P., Filatov A.I., 1992. Regressionnyy analiz na PEVM [Regression analysis on PC]. Trudy Volgogradskogo SKhI [Proc. of Volgograd Agricultural Institute], pp. 128-131. (In Russian).

9 Melnikov S.V., Aleshkin V.R., Roshchin P.M., 1972. Planirovaniye eksperimenta v issledovaniyakh selskokhozyaystvennykh protsessov [Experimental Design in Studies of Agricultural Processes]. Leningrad, Kolos Publ., 200 p. (In Russian).

10 Melnikov S.V., Aleshkin V.R., Roshchin P.M., 1980. Planirovaniye eksperimenta v issledovaniyakh selskokhozyaystvennykh protsessov [Experimental Design in Studies of Agricultural Processes]. Leningrad, Kolos Publ., 168 p. (In Russian).

Пахомов Александр Алексеевич

Ученая степень: кандидат технических наук Ученое звание: доцент

Должность: профессор кафедры «Прикладная геодезия, природообустройство и водопользование»

Место работы: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Волгоградский государственный аграрный университет» Адрес организации: пр-т Университетский, д. 26, г. Волгоград, Российская Федерация, 400002

E-mail: [email protected]

Pakhomov Aleksander Alekseyevich

Degree: Candidate of Technical Sciences Title: Associate Professor Position: Professor

Affiliation: Volgograd State Agrarian University

Affiliation address: ave. Universitetskiy, 26, Volgograd, Russian Federation, 400002 E-mail: [email protected]

Тронев Сергей Викторович

Ученая степень: кандидат технических наук Ученое звание: доцент Должность: доцент

Место работы: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Волгоградский государственный аграрный университет» Адрес организации: пр-т Университетский, д. 26, г. Волгоград, Российская Федерация, 400002

E-mail: [email protected]

Tronev Sergey Viktorovich

Degree: Candidate of Technical Sciences Title: Associate Professor Position: Associate Professor Affiliation: Volgograd State Agrarian University

Affiliation address: ave. Universitetskiy, 26, Volgograd, Russian Federation, 400002 E-mail: [email protected]

Суслин Дмитрий Андреевич

Должность: аспирант

Место работы: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Волгоградский государственный аграрный университет» Адрес организации: пр-т Университетский, д. 26, г. Волгоград, Российская Федерация, 400002

E-mail: [email protected]

Suslin Dmitriy Andreyevich

Position: Postgraduate Student

Affiliation: Volgograd State Agrarian University

Affiliation address: ave. Universitetskiy, 26, Volgograd, Russian Federation, 400002 E-mail: [email protected]