ФЕРМЕННЫЙ ПРОЛЕТ ДОЖДЕВАЛЬНОЙ МАШИНЫ
TRUSS SPAN OF THE SPRINKLER MACHINE

Предлагаемое изобретение относится к сельскому хозяйству и может быть использовано в конструкциях круговых и фронтальных дождевальных машин, служащих для орошения сельскохозяйственных культур.
Известен пролет дождевальной машины «Reinke» модели Е-2060 (см. брошюра «Сравнение компонентов дождевальных машин REINKE и других, или - Почему мы - лучшие?» Marketing Horizons, Inc. - 2007 Reinke Customer Survey. - 38 c. Стр. 17. - аналог), выполненный длиной 64,93 м и содержащий шпренгельную ферму, размещенную одним концом на самоходной тележке, верхний пояс фермы образован водопроводящим трубопроводом, состоящим из стальных тонкостенных оцинкованных труб диаметром 152,4 мм (6 дюймов), соединенных посредством фланцев, на трубопроводе смонтированы секции раскосов, которые соединены между собой при помощи шпренгелей, образующих нижние пояса фермы, для соединения с соседними пролетами по концам фермы установлены шарнирные узлы типа крюк-кольцо, которые снабжены креплениями для крайних шпренгелей, последняя секция раскосов фермы при помощи ребер жесткости соединена со стойками самоходной тележки, которая снабжена электроприводом, приводящим в действие два червячных редуктора, на выходных валах которых установлены опорные пневмоколеса.
Недостатком аналога является малая длина пролета, что при комплектации такими пролетами дождевальной машины приводит к увеличению числа самоходных тележек, а это, в свою очередь, ведет к росту затрат энергии на перемещение машины, увеличивает ее массу и металлоемкость, и приводит к большему отчуждению орошаемой площади под колею. Также водопроводящий трубопровод аналога имеет меньшее рабочее сечение и меньшую пропускную способность по сравнению с трубопроводом пролетов отечественной дождевальной машины «Каскад».
Известен пролет дождевальной машины «Каскад» модели 65Т (Патент РФ №2713794 C1, A01G 25/09, опубл. 07.02.2020, Бюл. №4 - прототип), выполненный длиной 65,25 м и содержащий размещенную одним концом на самоходной тележке шпренгельную ферму, представляющую собой сборную, предварительно напряженную конструкцию, верхний пояс которой образован водопроводящим трубопроводом, состоящим из стальных тонкостенных оцинкованных труб ∅159×3 мм, соединенных при помощи фланцев, между которыми установлены полиэтиленовые прокладки, при этом водопроводящий трубопровод собран из шести труб, причем первые пять труб фермы выполнены взаимозаменяемыми и одинаковыми по длине и конструкции, а последняя, шестая труба укорочена и снабжена креплениями для опорных стоек самоходной тележки, на водопроводящем трубопроводе смонтировано десять секций раскосов, каждая из которых образована четырьмя раскосами и соединяющей их концы поперечиной, причем, чем дальше расположена секция раскосов от центра фермы, тем более короткие раскосы и поперечины в ней использованы, в свою очередь секции раскосов соединены между собой с помощью шпренгелей, которыми образованы два нижних пояса фермы, причем верхний и нижние пояса фермы расположены по плавным параболическим кривым, при этом такое расположение поясов фермы достигнуто за счет того, что в каждой секции раскосов фермы, раскосы имеющие наклон в сторону середины фермы выполнены длиннее, чем раскосы с наклоном в сторону конца фермы, причем, чем дальше расположена секция раскосов от середины фермы, тем больше разница в длине данных раскосов, для соединения с соседними пролетами по концам фермы установлены шарнирные узлы, имеющие патрубки, являющиеся частью водопроводящего трубопровода, также шарнирные узлы снабжены креплениями для крайних шпренгелей, при этом каждый шпренгель изготовлен в виде цельнометаллического прутка круглого сечения, по концам которого приварены проушины с крепежными отверстиями, причем все шпренгели фермы выполнены взаимозаменяемыми и одинаковыми по длине и конструкции, последняя секция раскосов фермы при помощи двух ребер жесткости соединена со стойками самоходной тележки, которая оснащена электроприводом, приводящим в действие два колесных редуктора модели UMC 740-UV, выходные валы которых снабжены опорными пневмоколесами, колесные редукторы установлены по краям самоходной тележки и каждый из них закреплен с помощью пяти болтов, имеющих класс прочности Grade 5 по SAE J429, также на водопроводящем трубопроводе размещены дождевальные насадки, а выполненные из стали узлы и детали металлоконструкции пролета, за исключением крепежных изделий, оцинкованы методом горячего цинкования.
Также на базе пролета модели 65Т разработан короткий пролет модели 60Т, длина которого составляет 59,5 м.
Недостатком прототипа является малая длина пролета, которая ограничена полной массой пролета с водой и тяговыми возможностями колесных редукторов, используемых в приводе самоходной тележки.
Однако в настоящее время фирмой Universal Motion Components (США) для дождевальных машин выпускаются усиленные колесные редукторы модели UMC 765-UV, способные развивать на выходном валу крутящий момент на 20% больший, чем редукторы модели UMC 740-UV. Оснащение самоходных тележек колесными редукторами UMC 765-UV позволит перемещать по полю более тяжелые пролеты, что делает возможным увеличение их длины. В свою очередь для увеличения длины пролета его ферму необходимо оснастить дополнительной центральной секцией раскосов, что потребует решить проблему натяжения шпренгелей связанных с данной секцией, сохранив при этом взаимозаменяемость и универсальность труб и шпренгелей фермы, и обеспечив обратную совместимость большинства деталей с конструкцией прототипа. Такое решение позволит обеспечить высокую степень унификации для всех моделей пролетов дождевальной машины «Каскад», что значительно облегчит процесс их изготовления и сборки.
Необходимо отметить, что достижение предварительно напряженного состояния шпренгельной фермы обеспечивается за счет конструктивно большей длины верхнего пояса фермы по сравнению с ее нижними поясами. При этом верхний пояс фермы, образованный водопроводящим трубопроводом, должен располагаться по плавной параболической кривой, нельзя допускать прогибы и изломы трубопровода в начале и конце фермы, а также недопустимо провисание трубопровода в ее середине. По плавным параболическим кривым также должны располагаться и два нижних пояса фермы, которые образованы шпренгелями, являющимися несущими элементами фермы, работающими на растяжение. При одноточечном способе соединения шпренгелей друг с другом, применяемом в пролетах дождевальной машины «Каскад», степень предварительно напряженного состояния фермы будет также зависеть от схемы установки шпренгелей в ферме. В свою очередь увеличение степени предварительно напряженного состояния фермы повышает ее жесткость и позволяет сохранить ее высокий клиренс, необходимый для орошения высокостебельных культур.
Использование в составе дождевальной машины сверхдлинных пролетов позволит сократить число самоходных тележек, уменьшит массу и металлоемкость машины, а также снизит коэффициент потерь орошаемых земель под колею.
Технической задачей изобретения является увеличение длины пролета и обеспечение предварительно напряженного состояния его шпренгельной фермы при сохранении высокой степени совместимости большинства узлов и деталей сверхдлинного пролета с существующими моделями пролетов дождевальной машины «Каскад».
Поставленная задача достигается в ферменном пролете дождевальной машины, содержащем размещенную одним концом на самоходной тележке шпренгельную ферму, представляющую собой сборную, предварительно напряженную конструкцию, верхний пояс которой образован водопроводящим трубопроводом, состоящим из стальных тонкостенных оцинкованных труб с внешним диаметром 159 мм, соединенных при помощи фланцев, между которыми установлены уплотняющие полиэтиленовые прокладки, при этом водопроводящий трубопровод собран из шести труб, причем первые пять труб фермы выполнены взаимозаменяемыми и одинаковыми по длине и конструкции, а последняя, шестая труба снабжена креплениями для опорных стоек самоходной тележки, на водопроводящем трубопроводе смонтированы секции раскосов, каждая из которых образована четырьмя раскосами и соединяющей их концы поперечиной, причем, чем дальше расположена секция раскосов от центра фермы, тем более короткие раскосы и поперечины в ней использованы, в свою очередь секции раскосов соединены между собой с помощью шпренгелей, которыми образованы два нижних пояса фермы, причем верхний и нижние пояса фермы расположены по плавным параболическим кривым, при этом такое расположение поясов фермы достигнуто за счет того, что в каждой секции раскосов фермы, раскосы имеющие наклон в сторону середины фермы выполнены длиннее, чем раскосы с наклоном в сторону конца фермы, причем, чем дальше расположена секция раскосов от середины фермы, тем больше разница в длине данных раскосов, для соединения с соседними пролетами по концам фермы установлены шарнирные узлы, имеющие патрубки, являющиеся частью водопроводящего трубопровода, также шарнирные узлы снабжены креплениями для крайних шпренгелей, при этом каждый шпренгель изготовлен в виде цельнометаллического прутка круглого сечения, по концам которого приварены проушины с крепежными отверстиями, причем все шпренгели фермы выполнены взаимозаменяемыми и одинаковыми по длине и конструкции, последняя секция раскосов фермы при помощи ребер жесткости соединена со стойками самоходной тележки, которая оснащена электроприводом, приводящим в действие два колесных редуктора, выходные валы которых снабжены опорными пневмоколесами, колесные редукторы установлены по краям самоходной тележки и каждый из них закреплен с помощью пяти болтов, также на водопроводящем трубопроводе размещены дождевальные насадки, а выполненные из стали узлы и детали металлоконструкции пролета, за исключением крепежных изделий, оцинкованы методом горячего цинкования, где согласно изобретению с целью увеличения длинны пролета до 71,05 м шпренгельная ферма дополнительно оснащена центральной секцией раскосов, при этом общее число секций раскосов в ферме увеличено до одиннадцати, кроме того, для натяжения шпренгелей связанных с центральной секцией раскосов, во фланцевом соединении труб, расположенном в центре фермы, над раскосами центральной секции, установлено расширительное кольцо с дополнительной полиэтиленовой прокладкой, причем уплотняющие прокладки расположены с двух сторон расширительного кольца, также для увеличения степени предварительно напряженного состояния фермы ее шпренгели установлены в особом порядке, при котором в проекции шпренгелей на горизонтальную плоскость их проушины расположены в виде ступеней лестницы, восходящей от центра к краям фермы, помимо этого, водопроводящий трубопровод выполнен из шести труб одинаковой длины, кроме того, самоходная тележка оснащена колесными редукторами модели UMC 765-UV, каждый из которых закреплен с помощью пяти болтов, имеющих класс прочности Grade 8 по SAE J429.
Детали и узлы металлоконструкции пролета, за исключением крепежных изделий и стержней шпренгелей, выполнены из спокойных сталей марок Ст3сп5 и Ст3сп с содержанием кремния от 0,15% до 0,25% и с содержанием мышьяка менее 0,08%.
Расширительное кольцо выполнено толщиной 20 мм и изготовлено в форме фланца.
Трубы водопроводящего трубопровода выполнены длиной 11600 мм, при этом толщина устанавливаемой во фланцевых соединениях труб уплотняющей полиэтиленовой прокладки равна 7 мм.
Трубы водопроводящего трубопровода выполнены с толщиной стенки от 2,8 до 3 мм.
Патрубки шарнирных узлов изготовлены из труб с внешним диаметром 159 мм, имеющих толщину стенки от 2,8 до 3,5 мм.
Расстояние между центрами крепежных отверстий в проушинах шпренгеля равно 5810,5 мм.
Стержень шпренгеля изготовлен из цельнометаллического прутка круглого сечения с внешним диаметром 20 мм, который в свою очередь выполнен из легированной стали 40Х с содержанием кремния от 0,17% до 0,25% и с содержанием мышьяка менее 0,08%.
В шпренгельной ферме раскосы центральной секции выполнены одинаковой длины и при этом они длиннее, чем раскосы в соседних с ней секциях.
Поперечина в центральной секции раскосов фермы, выполнена длиннее, чем поперечины в соседних с ней секциях.
Пневмоколеса самоходной тележки снабжены сельскохозяйственными шинами высокой проходимости с индексом грузоподъемности не менее 131.
В отличие от прототипа, предлагаемое изобретение позволяет увеличить длину пролета до 71,05 м. При этом с целью увеличения длинны пролета, его ферма дополнительно оснащена центральной секцией раскосов, а общее число секций раскосов в ферме увеличено до одиннадцати, помимо этого, водопроводящий трубопровод выполнен из шести труб одинаковой длины. Для создания необходимого натяжения шпренгелей, связанных с центральной секцией раскосов, во фланцевом соединении труб, расположенном в центре фермы, над раскосами центральной секции, установлено расширительное кольцо с дополнительной полиэтиленовой прокладкой, причем уплотняющие прокладки расположены с двух сторон расширительного кольца. Таким образом, натяжение указанных шпренгелей осуществлено за счет толщины расширительного кольца и дополнительной прокладки, такое решение позволяет сохранить взаимозаменяемость и универсальность труб и шпренгелей фермы.
Предложенная схема установки шпренгелей в ферме позволит увеличить степень ее предварительно напряженного состояния, что повысит жесткость фермы и позволит сохранить ее высокий клиренс - расстояние от нижней точки фермы до поверхности земли.
Так как с увеличением длины пролета возрастает и его полная масса с водой, то предлагается оснащать самоходную тележку усиленными колесными редукторами модели UMC 765-UV, которые позволяют развивать на выходном валу больший крутящий момент. Также для крепления колесных редукторов предлагается использовать болты большей прочности, это позволит при возросшей нагрузке крепить каждый колесный редуктор тем же числом болтов, что в свою очередь сохранит конструкцию самоходной тележки одинаковой для всех типоразмеров пролетов дождевальной машины «Каскад».
Кроме того, для перемещения более тяжелого пролета пневмоколеса самоходной тележки должны быть снабжены сельскохозяйственными шинами высокой проходимости с индексом грузоподъемности не менее 131.
Для обеспечения необходимой прочности конструкции и с целью осуществления возможности горячего цинкования, детали и узлы металлоконструкции пролета, за исключением крепежных изделий и стержней шпренгелей, выполнены из спокойных сталей марок Ст3сп5 и Ст3сп с содержанием кремния от 0,15% до 0,25% и с содержанием мышьяка менее 0,08%.
Также с целью осуществления возможности горячего цинкования и обеспечения необходимой прочности, стержень шпренгеля изготовлен из цельнометаллического прутка круглого сечения с внешним диаметром 20 мм, который в свою очередь выполнен из легированной стали 40Х с содержанием кремния от 0,17% до 0,25% и с содержанием мышьяка менее 0,08%.
Предложенные технические решения позволят обеспечить высокую степень совместимости большинства узлов и деталей сверхдлинного пролета с существующими моделями пролетов дождевальной машины «Каскад».
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображен ферменный пролет дождевальной машины, вид сбоку;
на фиг. 2 - то же, вид сверху;
на фиг. 3 представлена секция раскосов шпренгельной фермы;
на фиг. 4 изображен узел I на фиг. 1;
на фиг. 5 изображен узел II на фиг. 1;
на фиг. 6 показан шпренгель фермы;
на фиг. 7 представлена центральная секция раскосов фермы, узел III на фиг. 1;
на фиг. 8 показано фланцевое соединение с расширительным кольцом и дополнительной уплотняющей прокладкой, узел I на фиг. 7;
на фиг. 9 изображено фланцевое соединение с расширительным кольцом и дополнительной уплотняющей прокладкой в разобранном виде.
на фиг. 10 показана схема установки шпренгелей в ферме, проекция шпренгелей фермы на горизонтальную плоскость;
на фиг. 11 отдельно показана самоходная тележка;
на фиг. 12 представлена самоходная тележка со смонтированной на ней фермой, вид сбоку;
на фиг. 13 изображено крепление колесного редуктора к самоходной тележке при помощи болтов;
на фиг. 14 показана труба водопроводящего трубопровода;
на фиг. 15 представлена фотография опытного образца ферменного пролета дождевальной машины.
Ферменный пролет дождевальной машины (фиг. 1, 2), выполненный длиной 71,05 м, содержит размещенную одним концом на самоходной тележке 1 шпренгельную ферму 2, представляющую собой сборную, предварительно напряженную конструкцию, верхний пояс которой образован водопроводящим трубопроводом 3, состоящим из стальных тонкостенных оцинкованных труб 4 и 5 с внешним диаметром 159 мм, соединенных при помощи фланцев 6, между которыми установлены уплотняющие полиэтиленовые прокладки 7. При этом водопроводящий трубопровод 3 собран из шести одинаковых по длине труб 4 и 5, причем первые пять труб 4 фермы 2 выполнены взаимозаменяемыми и имеющими одинаковую конструкцию, а последняя, шестая труба 5 снабжена креплениями 8 для опорных стоек 9 самоходной тележки 1. Трубы 4 и 5 снабжены креплениями 10 для раскосов 11. На водопроводящем трубопроводе 3 смонтировано одиннадцать секций раскосов 11, каждая из которых образована четырьмя раскосами 11 и соединяющей их концы поперечиной 12 (фиг. 3), в свою очередь секции раскосов 11 соединены между собой с помощью шпренгелей 13, которыми образованы два нижних пояса фермы 2. Причем верхний и нижние пояса фермы 2 расположены по плавным параболическим кривым. При этом такое расположение поясов фермы 2 достигается за счет того, что в каждой секции раскосов 11 фермы 2, за исключением центральной секции, раскосы 11 имеющие наклон в сторону середины фермы 2, выполнены длиннее, чем раскосы 11 с наклоном в сторону конца фермы 2, причем, чем дальше расположена секция раскосов 11 от середины фермы 2, тем больше разница в длине данных раскосов 11. Для соединения с соседними пролетами по концам фермы 2 установлены шарнирные узлы 14 и 15 (фиг. 4, 5), имеющие патрубки 16 и 17, являющиеся частью водопроводящего трубопровода 3, также шарнирные узлы 14 и 15 снабжены креплениями 18 для крайних шпренгелей 13. При этом каждый шпренгель 13 изготовлен в виде цельнометаллического прутка круглого сечения, по концам которого приварены проушины 19 с крепежными отверстиями 20 (фиг. 6), причем все шпренгели 13 фермы 2 выполнены взаимозаменяемыми и одинаковыми по длине и конструкции.
С целью достижения необходимого натяжения шпренгелей 13, связанных с центральной секцией раскосов 11 (фиг. 7), во фланцевом соединении труб 4, расположенном в центре фермы 2, над раскосами 11 центральной секции, установлено расширительное кольцо 21 с дополнительной полиэтиленовой прокладкой 7 (фиг. 8), причем уплотняющие прокладки 7 расположены с двух сторон расширительного кольца 21 (фиг. 9). За счет толщины расширительного кольца 21 и дополнительной прокладки 7 происходит увеличение длины верхнего пояса фермы 2, что в свою очередь обеспечивает натяжение шпренгелей 13, связанных с центральной секцией раскосов 11.
Также для увеличения степени предварительно напряженного состояния фермы 2 ее шпренгели 13 установлены в особом порядке, при котором в проекции шпренгелей 13 на горизонтальную плоскость их проушины 19 расположены в виде ступеней лестницы, восходящей от центра к краям фермы 2 (фиг. 10). Причем подобный способ установки шпренгелей 13 в ферме 2 может быть также применен и в существующих моделях пролетов дождевальной машины «Каскад».
Последняя секция раскосов 11 фермы 2 при помощи ребер жесткости 22 соединена со стойками 9 самоходной тележки 1, которая оснащена электроприводом 23, приводящим в действие два колесных редуктора 24 модели UMC 765-UV, выходные валы которых снабжены опорными пневмоколесами 25 (фиг. 11, 12). Колесные редукторы 24 установлены по краям самоходной тележки 1 и каждый из них закреплен с помощью пяти болтов 26, имеющих класс прочности Grade 8 по SAE J429 (фиг. 13). Усиленные колесные редукторы 24 способны развивать на выходном валу крутящий момент на 20% больший, чем редукторы модели UMC 740-UV, которые используются в приводе более легких пролетов дождевальной машины.
Также на водопроводящем трубопроводе 3 размещены дождевальные насадки 27.
Выполненные из стали узлы и детали металлоконструкции пролета, за исключением крепежных изделий, оцинкованы методом горячего цинкования.
Для обеспечения необходимой прочности конструкции и с целью осуществления возможности горячего цинкования, детали и узлы металлоконструкции пролета, за исключением крепежных изделий и стержней шпренгелей 13, выполнены из спокойных сталей марок Ст3сп5 и Ст3сп с содержанием кремния от 0,15% до 0,25% и с содержанием мышьяка менее 0,08%.
Все используемые в конструкции пролета крепежные изделия имеют защитное антикоррозионное гальваническое цинковое покрытие. Причем для сборки пролета применяются болты с классом прочности 10.9 и 8.8, а также соответствующие им гайки с классом прочности 10.0 и 8.0. Для предотвращения самоотвинчивания используются пружинные шайбы или самоконтрящиеся гайки.
В шпренгельной ферме 2 применена одноточечная схема соединения концов раскосов 11, шпренгелей 13 и поперечины 12 при помощи одного высокопрочного болтового соединения, что обеспечивает высокую надежность и простоту конструкции фермы 2.
Для достижения необходимой степени натяжения шпренгелей 13, связанных с центральной секцией раскосов 11, расширительное кольцо 21 выполнено толщиной 20 мм и изготовлено в форме фланца для удобства монтажа.
Трубы 4 и 5 водопроводящего трубопровода 3 выполнены длиной 11600 мм (фиг. 14), а толщина устанавливаемой во фланцевых соединениях уплотняющей полиэтиленовой прокладки 7 равна 7 мм. Также трубы 4 и 5 водопроводящего трубопровода 3 могут быть выполнены с толщиной стенки от 2,8 до 3 мм. При этом патрубки 16 и 17 шарнирных узлов 14 и 15 изготовлены из труб с внешним диаметром 159 мм, которые могут иметь толщину стенки от 2,8 до 3,5 мм.
Расстояние между центрами крепежных отверстий 20 в проушинах 19 шпренгеля 13 выполнено равным 5810,5 мм (фиг. 6). С целью осуществления возможности горячего цинкования и обеспечения необходимой прочности, стержень шпренгеля 13 изготовлен из цельнометаллического прутка круглого сечения с внешним диаметром 20 мм, который в свою очередь выполнен из легированной стали 40Х с содержанием кремния от 0,17% до 0,25% и с содержанием мышьяка менее 0,08%.
Трубы 4 и 5 водопроводящего трубопровода 3 выполнены совместимыми с существующими моделями пролетов дождевальной машины «Каскад».
Шпренгели 13 фермы 2 выполнены полностью совместимыми с существующими моделями пролетов дождевальной машины «Каскад» и являются универсальными для всех трех типоразмеров пролетов.
Секций раскосов 11, расположенные в начале и конце фермы 2, включая входящие в эти секции поперечины 12, выполнены совместимыми с существующими моделями пролетов дождевальной машины «Каскад».
В шпренгельной ферме 2 раскосы 11 центральной секции выполнены одинаковой длины и при этом они длиннее, чем раскосы 11 в соседних с ней секциях. Также поперечина 12 в центральной секции раскосов 11 фермы 2, выполнена длиннее, чем поперечины 12 в соседних с ней секциях. Причем, чем дальше расположена секция раскосов 11 от центра фермы 2, тем более короткие раскосы 11 и поперечины 12 в ней используются.
Также для перемещения более тяжелого пролета пневмоколеса 25 самоходной тележки 1 снабжены сельскохозяйственными шинами высокой проходимости с индексом грузоподъемности не менее 131.
Предлагаемый ферменный пролет дождевальной машины относится к пролетам тяжелого класса и предназначен для использования в составе дождевальных машин, работающих на участках со спокойным рельефом, с уклонами поля не более 0,05.
Опытный образец ферменного пролета дождевальной машины «Каскад» был изготовлен в СГАУ им. Вавилова и представлен на сельскохозяйственном форуме «Саратов-Агро. День поля. 2021» (фиг. 15). Пролет был дополнительно оснащен консолью, при этом длина пролета вместе с консолью составляла 101,05 м. В ходе демонстрации пролет перемещался по полю, а в качестве источника электроэнергии были использованы аккумуляторы, размещенные на самоходной тележке и подзаряжаемые от солнечных батарей, установленных на водопроводящем трубопроводе.
Использование предлагаемого изобретения позволит увеличить длину ферменного пролета до 71,05 м, сохранив при этом высокую степень совместимости большинства узлов и деталей сверхдлинного пролета с существующими моделями пролетов дождевальной машины «Каскад». В свою очередь использование в составе дождевальной машины сверхдлинных пролетов позволит сократить число самоходных тележек, уменьшит массу и металлоемкость машины, снизит энергозатраты на ее перемещение, а также уменьшит коэффициент потерь орошаемых земель под колею.