Определение геометрических параметров струи воды в зависимости от вида форсунки и режима работы струи

Автор: Шутенко А.В., Хорт Д.О.

Журнал: Инженерные технологии и системы @vestnik-mrsu

Рубрика: Агроинженерия

Статья в выпуске: 1, 2024 года.

Бесплатный доступ

Введение. В статье описан процесс рассмотрения геометрических параметров струи воды в зависимости от ее режима работы и вида форсунки. В рамках исследования гидравлической обработки почвы в приствольных зонах возникла необходимость изучить параметры струи при различных видах насадок. Требовалось определить геометрические параметры потока воды для расчета площади поперечного сечения и определения структурных особенностей формирования струи. Данные характеристики важны для полноценного описания, последующего исследования и расчета действия струи воды при гидравлической обработке почвы. Также они позволяют изучить реальную форму и структуру струи при различных видах форсунки. Цель исследования. Определение геометрических параметров струи воды в зависимости от вида форсунки и режима работы струи.

Еще

Гидрообработка почвы, приствольные зоны, интенсивные сады, мульчирование, форсунки, геометрические параметры струи воды

Короткий адрес: https://sciup.org/147243169

IDR: 147243169   |   DOI: 10.15507/2658-4123.034.202401.088-100

Текст научной статьи Определение геометрических параметров струи воды в зависимости от вида форсунки и режима работы струи

В рамках исследования гидрообработки почвы от сорной растительности в приствольных зонах возникла необходимость рассмотреть параметры струи воды при различных видах насадок [1‒4]. Данный метод обработки можно рассматривать как одну из альтернатив гербицидам или механической обработке почвы [5]. Сложностью реализации этого метода является необходимость создания струи воды, способной надежно разрушать задернелый почвенный покров глубиной до трех сантиметров [6], угнетая сорную растительность и обеспечивая ширину захвата рабочего органа порядка 300‒450 мм. Особенностью гидрообработки является сосредоточенное воздействие на узкий участок поверхности почвы [7], вызывающее деформации сжатия, сдвига и местного растяжения пласта почвы, которые по форме сильно отличаются от воздействий, оказываемых механическими орудиями. Немаловажными факторами являются и режимы работы струи воды [8]. Так, наклон водной струи к поверхности почвы изменяет не только силу действия самой струи, но и площадь ее воздействия на почву. Также изменяется направление деформации почвы с сжатия на сдвиг или даже растяжение1. Изменение вида воздействия струи значительно влияет на способность почвы сопротивляться разрушению [9].

Обозначим основные геометрические параметры струи, необходимые для определения площади сечения и структурных особенностей формирования струи воды при различных видах форсунок: ширина и толщина ‒ для прямоугольного сечения, диаметр ‒ для круглого [10]. Данные параметры важны для корректного описания, исследования и расчета действия струи воды при гидрообработке почвы. Они позволяют изучить реальную форму и структуру струи при различных видах форсунки, в том числе при турбо фрезах и их движении в составе агрегата.

Геометрические характеристики струи определяют площадь ее сечения, что является одним из ключевых параметров, устанавливающих давление струи воды на поверхность почвы, что значительно влияет на эффективность гидрообработки. Однако значение данного параметра достаточно сложно измерить, так как обычные средства измерения линейных размеров не применимы для струи воды. Задача усложняется также использованием турбо форсунок, в которых конус распылива-ния создается вращающейся струей воды, что полностью исключает стандартные методы измерения размеров. При этом необходимо обосновать и изучить форму воздействия струи на поверхность почвы при использовании турбо форсунок, так как форма струи при контакте с обрабатываемой почвой неизвестна.

Обзор литературы

В настоящее время разрушение и обработка материала струей жидкости применяется в различных отраслях экономики. Так, в работе И. Д. Мурашова исследуется применение высокоэнергетических струй воды для подготовки и резки мясной продукции [7]. В работе Д. А. Иванова описывается применение струи воды для разрушения керамических материалов локальным термоударом [11]. Широкое применение данный метод получил при гидрообразивной резке металлов [12].

Vol. 34, no. 1. 2024 ENGINEERING TECHNOLOGIES AND SYSTEMS ^2^ Гидроабразивная резка применяется и в горной промышленности. Математические модели процесса и его параметры описаны в одной из изученных нами работ [13]. В статье [14] описываются технологии совмещения лазера и гидроабразивной резки для создания обрабатывающих машин.

Применимость технологии гидрообработки приствольных зон садовых насаждений подтверждается в исследовании [15], где использование агрегата гидрообработки Caffini Gras Killer показало схожую эффективность с механическими методами обработки. Также гидрообработка рассматривается как одна из экологичных альтернатив применения химических средств борьбы с сорной растительностью в промышленных садах [16; 17]. Она может рассматриваться и как действенный способ борьбы с сорной растительностью [18]. В работах ряда зарубежных авторов обосновывается перспективность технологии угнетения сорной растительности гидрообработкой, описывается использование гидроабразивного метода для среза соломы пшеницы. А также разработка, расчет и результаты испытания устройства гидрообработки междурядий рисовых культур, описание способности струи воды и гидроабразивной обработки к резке различных сельскохозяйственных материалов и методы повышения их эффективности [19‒22].

Обзор литературы показывает важность изучения структуры струи воды и процесса ее формирования при различных видах форсунок. Например, в работе [23] показано влияние формы штуцера на формирование структуры струи воды и последующую силу воздействия. Также наукой активно изучается влияние формы насадки и отверстия на струю воды при различной температуре [24; 25].

Материалы и методы

Для решения данной задачи был разработан стенд (рис. 1), представляющий собой подставку на четырех опорах, к которой закреплен адаптер подающей магистрали аппарата высокого давления со сменными насадками. Крепление адаптера позволяет менять высоту расположения форсунки. На подставке размещена рейка, позволяющая закреплять стальную линейку в плоскость действия струи воды из форсунки.

Для фиксации положения и формы струи воды с заданной частотой используется камера Basler ace acA1920. Она позволяет получать высококачественное видео с частой до 1000 кадров в секунду, данный режим съемки и был использован в нашем исследовании. Камера располагалась перпендикулярно оси симметрии струи воды и перпендикулярно измерительной поверхности линейки на расстоянии, необходимом для получения полноценной картинки и качественной фокусировки камеры.

Для исследований использовался аппарат высокого давления с максимальным давлением P = 140 МPa, максимальный расход Q = 360 л/ч.

В качестве насадок использовались стандартная с плоской струей, стандартная турбо насадка (рис. 2) и турбо насадка разработанной конструкции (рис. 3).

Исследование проводится следующим образом. Подключенная к аппарату высокого давления форсунка закрепляется на стенд, линейка выставляется на заданную длину от среза сопла.

Р и с. 1. Устройство стенда для измерения геометрических параметров струи воды: 1 – подставка; 2 – подающая магистраль аппарата высокого давления со сменными форсунками;

3 – стальная линейка; 4 – камера

F i g. 1. Test bench design for measuring geometric parameters of water jet:

1 – stand; 2 – supply line of the high-pressure device with replaceable nozzles;

3 – steel ruler; 4 – camera

Веерная струя /     Грязевая фреза /

Fanjet             Mud mill

Р и с. 2. Виды исследуемых форсунок F i g. 2. Types of nozzles investigated

Далее запускается подача воды и съемка камеры. Благодаря проецированию изображения перпендикулярно линейке получается измерить геометрические параметры сечения струи в каждый момент ее работы. Также данный метод позволяет зафиксировать работу форсунки в динамике.

a)                                             b)

Р и с. 3. Сечение форсунки турбо насадки разработанной конструкции (a), сечение форсунки стандартной турбо насадки (b)

F i g. 3. Section of the turbo nozzle of its own design (a), section of the standard turbo nozzle (b)

Результаты исследования

Площадь сечения струи воды разработанной турбо форсунки больше стандартной. При высоте 3 см – на 47 %, при высоте 5 – см на 53 %, при высоте 7 см – на 16 %, при высоте 9 см – на 5 %, при высоте 11 см у стандартной турбо форсунки площадь сечения струи больше на 5 %.

После проведения исследования по описанной выше методике полученный видеоматериал с помощью программы Free Video to JPG Converter кадрировался с сохранением отдельных изображений. По полученным изображениям измерялись геометрические параметры сечения струи воды, например, ширина струи (рис. 4).

Р и с. 4. Измерение ширины сечения струи воды для плоской форсунки на высоте 9 см от среза насадки

F i g. 4. Measuring the cross-section width of a water jet for a flat nozzle at a height of 9 cm from the nozzle cut

Значение ширины струи воды (диаметра конуса в измеряемом сечении для струй, имеющих круглое сечение) получается нахождением среднего из пяти значений. Также нами был проведен анализ структуры струи на разных режимах работы. Важным элементом обработки результатов было определение эффективной ширины струи без учета ее краевых участков, которые не имеют эффективного воздействия на обрабатываемую поверхность. Данные области отбрасывались согласно конусу распыления, который оставляет след на опорной поверхности. Для потока воды с сечением в виде круга измерялся диаметр данного сечения.

В результате исследования были получены данные, указанные в таблице 1.

Т а б л и ц а 1

T a b l e 1

Результаты измерения ширины струи Results of measuring the jet width

Высота от среза сопла форсунки, см / Height from the nozzle section, cm

Ширина, мм / Width, mm

Высота от среза сопла форсунки, см / Height from the nozzle section, cm

Ширина, мм / Width, mm

Высота от среза сопла форсунки, см / Height from the nozzle section, cm

Ширина, мм / Width, mm

Форсунка плоская / Flat nozzle

Стандартная турбо форсунка / Standard turbo nozzle

Разработанная турбо форсунка / Developed turbo nozzle

11

56

11

48

11

41

9

44

9

41

9

38

7

32

7

26

7

32

5

30

5

19

5

28

3

22

3

16,8

3

22

Для лучшей визуализации они оформлены в виде графика зависимости ширины захвата форсунки от высоты замера (рис. 5).

Как видно из графика (рис. 5), разработанная турбо форсунка имеет аналогичный с турбофрезой размер при высоте обработки 11 см. Однако значительно выигрывает в ширине при уменьшении высоты измерения до 3 см, приближаясь по ширине к форсунке с плоской струей. Полученный результат позволяет утверждать, что при наиболее эффективных значениях высоты обработки разработанная турбо форсунка будет иметь большую ширину захвата и повышенную производительность [26].

Исходя из представленных выше данных, вычислим площадь воздействия струи воды на поверхность почвы (рис. 6).

Растояние измерения ширины струи / The distance of measuring the width of the jet

^^^^^Форсунка плоская / Flat nozzle

^^^^^™ Турбофреза / Turbofreeze

^^^^^™ Своя форсунка / Its own nozzle

Р и с. 5. Графическое представление результатов измерения ширины струи на разной высоте

F i g. 5. Graphical representation of the results of measuring the width of the jet at different heights

a)

b)

Р и с. 6. Структура струи у разработанной турбо форсунки (a) и стандартной турбо форсунки (b)

F i g. 6. Jet structure of a developed turbo nozzle (a) and a standard turbo nozzle (b)

На основании полученных фотографий (рис. 6) видно, что вращающийся поток воды в разработанной турбо форсунке и стандартной турбо форсунке разбивается от быстрого вращения, образуя конус, площадь сечения которого составляет круг, и воздействует на поверхность почвы, поэтому для данных форсунок будем использовать формулу [27]:

S = πr 2,

где S – площадь воздействия струи воды на поверхность, мм2, а r – радиус основания конуса распыления струи, мм.

Для плоской струи характерна прямоугольная форма сечения (рис. 6), поэтому расчет будет вестись по следующей формуле (2):

S = a·b ,

где S – площадь воздействия струи воды на поверхность, мм2; a – ширина струи, мм; b – толщина струи, мм. В результате вычислений получены следующие результаты (табл. 2).

Т а б л и ц а 2

T a b l e 2

Полученная площадь сечения струи The resulting cross-sectional area of the jet

Высота от среза сопла форсунки, см / Height from the nozzle section, cm

Форсунка плоская / Flat nozzle

Площадь,

мм2 / Area, mm2

Ширина, мм / Width, mm

3 см

182

22

5 см

270

30

7 см

328

32

9 см

492

44

11 см

840

56

Высота от среза сопла форсунки, см / Height from the nozzle section, cm

Стандартная турбо форсунка / Standard turbo nozzle

Площадь,

мм2 / Area, mm2

Ширина, мм / Width, mm

3 см

201

16

5 см

284

19

7 см

531

26

9 см

1134

38

11 см

1590

45

Высота от среза сопла форсунки, см / Height from the nozzle section, cm

Разработанная турбо форсунка / Developed turbo nozzle

Площадь,

мм2 / Area, mm2

Ширина, мм / Width, mm

3 см

380

22

5 см

616

28

7 см

804

32

9 см

1195

39

11 см

1521

44

Далее представлен график, визуализирующий полученные результаты (рис. 7).

3 см        5 см       7 см       9 см       11 см

Растояние измерения ширины струи / The distance of measuring the width of the jet

^^^^^м Форсунка плоская / Flat nozzle

^^^^^™ Турбофреза / Turbofreeze

^^^^™ Своя форсунка / Its own nozzle

Р и с. 7. График зависимости площади воздействия струи воды от высоты струи

F i g. 7. Graph of dependence of water jet impact area on jet height

Как видно из графика, площадь воздействия струи воды у плоской форсунки меньше остальных вариантов. Наибольшая же площадь струи достигается у разработанной турбо форсунки.

Обсуждение и заключение

С помощью разработанной турбо форсунки возможно создать струи воды наибольшей площади, что обеспечивает увеличение ширины захвата, повышение производительности и качества обработки поверхности почвы в приствольных насаждениях.

Результаты данного исследования позволяют проанализировать структуру струи в процессе ее работы. У всех видов форсунок струя разбивается на мелкие капли, образуя зону обработки поверхности без выделенных зон собранного структурированного потока жидкости. Также опыт показывает, что площадь обрабатываемой поверхности зависит не только от высоты расположения форсунки и давления воды, но и от угла факела распыла сопла.

Список литературы Определение геометрических параметров струи воды в зависимости от вида форсунки и режима работы струи

  • Актуальные проблемы создания новых машин для промышленного садоводства / А. Ю. Измайлов [и др.] // Сельскохозяйственные машины и технологии. 2013. №. 3. С. 20-23. EDN: QINCQT
  • Танкаева А. М., Алиев Т. Г. Г., Пальчиков Е. Н. Состояние и проблемы изучения гербицидов // Наука и образование. 2020. Т. 3, № 4. С. 239. URL: http://opusmgau.ru/index.php/see/article/ view/2409/2408 (дата обращения 25.01.2024).
  • Хажметова А. Л., Карданов Р. А., Хажметов Л. М. К вопросу совершенствования машин для обработки приствольных полос плодовых насаждений в террасном садоводстве // Известия Кабардино-Балкарского ГАУ 2021. № 2 (32). С. 89-94. URL: https://clck.ru/38QMAN (дата обращения 25.01.2024).
  • Перспективные системы содержания почвы в интенсивных садах семечковых культур / Т. Г. Г. Алиев [и др.] // Технологии пищевой и перерабатывающей промышленности АПК - продукты здорового питания. 2019. № 2 (28). С 29-33. EDN: OYICJJ
  • Sustainable Crop and Weed Management in the Era of the EU Green Deal: A Survival Guide / A. Tataridas [et al.] //Agronomy. 2022. Vol. 12, Issue 3. P. 589. https://doi.org/10.3390/agronomy12030589
  • Машина для приствольной обработки почвы / С. Ф. Сороченко [и др.] // Ползуновский альманах. 2022. № 3. С. 128-130. EDN: EGHWJI
  • Мурашов И. Д., Крюкова Е. В., Мирзоян Д. Г. Установка для резания мякотного и мясокостного сырья высокоэнергетической струей воды // American Scientific Journal. 2020. Т. 1, № 43. С. 47-50. https://doi.org/10.31618/asj.2707-9864.2020.1.43.50
  • Математическое обоснование гидрорезки пищевых продуктов / И. Д. Мурашов [и др.] // Технологии пищевой и перерабатывающей промышленности АПК - продукты здорового питания. 2021. № 3. С. 184-189. https://doi.org/10.24412/2311-6447-2021-3-184-189
  • Слюсаренко В. В., Русинов А. В., Акпасов А. П. Сохранение плодородия сельскохозяйственных почв за счет снижения негативного воздействия дождя дождевальных машин // Инновации природообустройства и защиты окружающей среды: мат-лы I нац. науч.-практ. конф. с междунар. участием. 2019. С. 588-594. EDN: ZAHCVN
  • Анализ параметров работы устройства для гидравлического удаления сорной растительности / А. Ю. Измайлов [и др.] // Инженерные технологии и системы. 2019. Т. 29, № 4. С. 614-634. https://doi.org/10.15507/2658-4123.029.201904.614-634
  • Смирнов И. Г., Хорт Д. О., Кутырев А. И. Интеллектуальные технологии и роботизированные машины для возделывания садовых культур // Сельскохозяйственные машины и технологии. 2021. Т. 15, № 4. С. 35-41. https://doi.org/10.22314/2073-7599-2021-15-4-35-41
  • Abrasive Water Jet Machining Process: A state of art of review / Y. Natarajan [et al.] // Journal of Manufacturing Processes. 2020. Vol. 49. P. 271-322. https://doi.org/10.1016/jjmapro.2019.11.030
  • Ren F., Fang T., Cheng X. Study on Rock Damage and Failure Depth under Particle Water-jet Coupling Impact. International Journal of Impact Engineering. 2020. Vol. 139. Article no. 103504. https:// doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2020.103504
  • Overview on the Development and Critical Issues of Water Jet Guided Laser Machining Technology / Y. Liu [et al.] // Optics & Laser Technology. 2021. Vol. 137. Article no. 106820. https://doi. org/10.1016/j. optlastec .2020.106820
  • An Alternative Tool for Intra-Row Weed Control in a High-Density Olive Orchard / A. Assirelli [et al.] // Agronomy. 2022. Vol. 12, Issue 3. P. 605. https://doi.org/10.3390/agronomy12030605
  • Sustainable Alternatives to Chemicals for Weed Control in the Orchard - A Review / M. J. Mia [et al.] // Horticultural Science. 2020. Vol. 47, Issue 1. P. 1-12. https://doi.org/10.17221/29/2019-HORTSCI
  • Информационно-техническое обеспечение производственных процессов в садоводстве / А. Ю. Измайлов [и др.] // Сельскохозяйственные машины и технологии. 2014. № 6. С. 36-40. EDN: THJNUL
  • Amgain N. R., Fontanier C. H., Martin D. L. Short-Term Effects of Alternative Cultivation Practices on Putting Green Infiltration Rates // Crop Science. 2021. Vol. 61, Issue 6. P. 4425-4435. https://doi. org/10.1002/csc2.20604
  • Design Optimization and Mechanism Analysis of Water Jet-Type Inter-Plant Weeding Device for Water Fields / W. Zhou [et al.] //Agronomy. 2023. Vol. 13, Issue 5. P. 1305. https://doi.org/10.3390/ agronomy13051305
  • Applications of Water Jet Cutting Technology in Agricultural Engineering: A Review / D. Cui [et al.] // Applied Sciences. 2022. Vol. 12, Issue 18. P. 8988. https://doi.org/10.3390/app12188988
  • Analysis of Waterjet Treatment for Herbicide-free Vegetation Management on Railway Tracks / A. Schulte-Marxloh [et al.] // WJTA Conference and Expo. 2022. URL: https://www.wjta.org/images/ wjta/2022conference/Proceedings/A6-2022.pdf (дата обращения 25.01.2024).
  • Experimental Study of Abrasive Waterjet Cutting for Managing Residues in No-Tillage Techniques / F. Perotti [et al.] // Agriculture. 2021. Vol. 11, Issue 5. P. 392. https://doi.org/10.3390/agriculture11050392
  • Лихоманов А. О., Камлюк А. Н. Длина начального участка осесимметричной турбулентной струи, образующейся в пенном розеточном оросителе для автоматических установок пожаротушения // Вестник Университета гражданской защиты МЧС Беларуси. 2021. Т. 5, № 2. С. 159-173. https://doi.org/10.33408/2519-237X.2021.5-2.159
  • Обоснование параметров робототехнического средства c опрыскивателем и модулем магнитно-импульсной обработки растений в садоводстве / А. Ю. Измайлов [и др.] // Сельскохозяйственные машины и технологии. 2017. №. 1. С. 3-10. https://doi.org/10.22314/2073-7599-2018-11-1-3-10
  • Бусов К. А., Мажейко Н. А. Вскипание струи перегретой воды при истечении через канал квадратного сечения // Теплофизика высоких температур. 2021. Т. 59, № 2. С. 316-320. https://doi. org/10.31857/S0040364421020022
  • Хилько И. И., Сапун Л. Г. Совершенствование рабочих органов высоконапорных моечных установок // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2022. № 53. С. 165-170. URL: https://mechel.belal.by/jour/article/download/637/642 (дата обращения 25.01.2024).
  • Управление движением сельскохозяйственной автономной роботизированной платформы / Д. О. Хорт [и др.] // Сельскохозяйственные машины и технологии. 2023. Т. 17, № 1. С. 25-34. https://doi.org/10.22314/2073-7599-2023-17-1-25-34
Еще
Статья научная