Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

Повышение эффективности систем и технических средств механизированного водоснабжения пастбищного животноводства

Специальность 05.20.01. - Технологии и средства механизации

сельского хозяйства

доктора технических наук

Кушнир Валентина Геннадьевна

Оренбург - 2009

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Оренбургский государственный аграрный университет» и Костанайском государственном университете им. А.Байтурсынова

Научный консультант - доктор технических наук, профессор

Константинов Михаил Маерович

Официальные оппоненты -академик РАСХН, доктор экономических наук, профессор Морозов Николай Михайлович;

доктор технических наук, профессор Квашенников Василий Иванович

доктор технических наук, профессор Ловчиков Александр Петрович

Ведущая организация -Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ)

Защита состоится 30 января 2009 г. в 10⁰⁰ часов на заседании диссертационного совета Д220.051.02 при ФГОУ ВПО «Оренбургский государственный аграрный университет» по адресу: 460795, г.Оренбург,

ул. Челюскинцев, 18. , корпус мехфака, ауд.500

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Оренбургский государственный аграрный университет»

Автореферат разослан «28» декабря 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета М.М. Константинов

механизированный водоснабжение малодебитный

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Вековой опыт и международная практика показывают, что пастбищное животноводство- одна из самых рентабельных отраслей в производстве животноводческой продукции. Анализ показывает, что затраты на ее производство на 40-50% меньше, чем в условиях ограниченного содержания животных.

Пастбища можно использовать с наибольшим эффектом для развития отгонного животноводства только при наличии достаточного количества воды. В силу этого проблема обеспечения водой потребителей была и остается самой важной, причем капитальные вложения, направленные на обводнение и освоение пастбищ, окупаются в два раза быстрее, чем в других отраслях сельского хозяйства.

В улучшении обеспечения населения мясом, молоком, шерстью важная роль принадлежит дальнейшему развитию отгонного животноводства, которое по сравнению с производством указанной продукции на фермах имеет ряд преимуществ: продукция, получаемая в условиях пастбищ, более дешевая и требует меньших затрат труда; заготовка кормов в большинстве случаев исключается, так как животные в течение весенне-осеннего периода добывают их сами.

В решении поставленных правительством задач по развитию пастбищного животноводства, наряду с улучшением кормоемкости пастбищ, важную роль играет система механизированного водоснабжения. Механизация водоснабжения решает, по меньшей мере, три основные задачи: позволяет увеличить количество животных, выпасаемых в конкретных условиях, способствует повышению их продуктивности и высвобождает значительное количество обслуживающего персонала, занятого снабжением животных водой. Оптимальное решение этих задач возможно только на научной основе.

Разработка рациональных систем и технических средств механизированного водоснабжения пастбищного животноводства тесно связана с дефицитом и специфичностью энергетического обеспечения систем механизации. Для обеспечения энергией водоподъемных установок на водопойных пунктах, расположенных на обширной территории пастбищ, большая часть которых обводняется малодебитными шахтными колодцами глубиной до 30 м и более, в большинстве случаев нельзя ориентироваться на использование электрической энергии от централизованных источников или на широкое применение двигателей внутреннего сгорания. В связи с этим необходимы научно обоснованные рациональные и оптимальные системы механизированного водоснабжения (СМВ). Научные исследования и разработки, выполненные в рамках решений данной проблемы, являются основой диссертационной работы, которая соответствует заданию раздела федеральной программы по научному обеспечению АПК РФ: шифр 01.02. «Разработать перспективную систему технологий и машин для производства продукции растениеводства и животноводства на период до 2015 г.» Межведомственной координационной программы фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса Российской Федерации на 2001-2005 гг., одобренной Президиумом Российской Академии сельскохозяйственных наук 18 октября 2001 г. и тематическим планам НИР ОГАУ

Научное значение работы. Состоит в обосновании методов и технических средств, направленных на повышение надежности, эффективности функционирования систем механизированного водоснабжения; решение задач рационального сочетания основных, резервных и дополнительных средств водоподъема для стабильного функционирования в условиях пастбищного животноводства.

Научно-техническая гипотеза. В качестве гипотезы положены теоретические разработки автора и сформулировано предположение о возможности построения СМВ на основе принципов системности, адаптивности и оперативных оценок их экономической эффективности, в соответствии с которыми повышение качества готовой продукции и снижение эксплуатационных затрат может быть достигнуто за счет изменения структуры и режимов работы объекта.

Цель исследования. На основе многоуровневого системного подхода обосновать ресурсосберегающие параметры и режимы работы технических средств рациональных систем и технических средств механизированного водоснабжения пастбищного животноводства.

Объект исследования. Процесс механизированного водоподъема из закрытых, малодебитных источников и гарантированного водоснабжения пастбищного животноводства.

Предмет исследования. Закономерности взаимосвязей элементов в системе механизированного водоснабжения и их эффективного функционирования.

Задачи исследования.

1. Обосновать и разработать классификацию районирования территории пастбищ применительно к системе механизированного водоснабжения с использованием малодебитных источников по наиболее характерным признакам.

2. Выполнить анализ характеристик, структур и специфических особенностей построения и функционирования СМВ, обосновать основные параметры водоподъемного оборудования и технических требований к его элементам.

3. Теоретически обосновать режимы работы малодебитных шахтных колодцев, методы повышения коэффициента водоотдачи для гарантированного обеспечения животных водой и эффективной работы технических средств в системе механизации водоподъема.

4. Разработать математическую модель и определить основные параметры элементов системы механизированного водоподъема и обосновать варианты резервирования, сформулировать целевую функцию (критерий оптимальности), позволяющую решать задачи проектной и оперативной оптимизации по технико-экономическим показателям.

5. Провести теоретические и экспериментальные исследования различных систем механизированного водоснабжения и обосновать наиболее приемлемый вариант для конкретных условий пастбищ.

6. Дать технико-экономическую оценку различных систем механизированного водоснабжения при использовании малодебитных источников.

Методология и методика исследований. Научно-методологической основой исследований, разработки и оптимизации СМВ является системотехнический подход. Методологически осуществление этого подхода выражается в создании СМВ, построение которых состоит из анализа теоретических и информационных аспектов проектирования и управления, учитывающих специфику конкретных объектов. В работе использованы следующие системотехнические и математические методы: системного анализа, математического моделирования, теории систем, теории управления, теории вероятностей и математической статистики. Результаты теоретических исследований подтверждены экспериментальной проверкой на физических моделях, лабораторных и опытно-производственных установках. Сходимость результатов теоретических и экспериментальных исследований составила не менее 90%, погрешность опытов - не более 5%. Обработка результатов экспериментальных исследований осуществлялась на ПЭВМ с использованием пакетов программ Statistica, MathCAD, Excel. Достоверность результатов работы подтверждается сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Научную новизну исследования составляют:

- разработанная система технических средств механизированного пастбищного водоснабжения на основе системного анализа, включающего основные элементы комплекса «пастбище - водоисточник - энергетика - водоподъемник - потребитель»;

- аналитические зависимости и закономерности притока воды в малодебитных шахтных колодцах;

- математическая модель описания процесса водообеспечения с учетом геодезических, технологических факторов и экономико-математическая модель оптимального формирования и эффективного использования систем механизированного пастбищного водоснабжения;

- рекомендации по резервированию СМВ и сервисному обслуживанию пастбищного водоснабжения при использовании малодебитных источников и определению технико-экономических показателей процесса.

- разработанные модели и методика расчета рациональных параметров водоподъемников;

- обоснованные конструктивные и режимные параметры рабочих органов ленточного водоподъемника;

- обоснованные режимы работы малодебитных шахтных колодцев, методы повышения коэффициента водоотдачи для гарантированного обеспечения животных водой и эффективной работы технических средств в системе механизации водоподъема.

Практическая ценность работы. Предложено научно-теоретическое, методическое и программное обеспечение работы, позволяющее существенно повысить функциональную надежность и эффективность систем механизированного пастбищного водоснабжения. Обобщена и развита теория и практика пастбищного водоснабжения, разработаны механико-технологические основы создания и проектирования водоподъемников, позволяющие обеспечить получение готового продукта зоотехнически требуемого качества с одновременным снижением удельной энерго- и металлоемкости в 1,4…1,6 раза по сравнению с существующей технологией. Результаты исследований позволят ускорить разработку современного энергосберегающего оборудования для пастбищного водоснабжения.

Разработанные образцы водоподъемников прошли производственную проверку и актами хозяйственных комиссий рекомендованы к внедрению, что является основой для создания новых машин и оборудования для водообеспечения пастбищ.

Предложены рациональные системы механизированного водоснабжения пастбищ и способы их резервирования с учетом характерных признаков районирования территории пастбищ.

Разработаны рекомендации по повышению надежности, улучшению параметров элементов систем механизированного пастбищного водоснабжения.

Апробация. Основные положения работы доложены, обсуждены и одобрены на: международных научно-практических конференциях (Кокшетау, 1999г.), (Челябинск, 2004;2005гг.), (Оренбург, 2004-2008гг.), (Костанай, 2005;2006гг.), (Днепропетровск, 2005г.), (Рудный, 2005г.), межрегиональных научно-практических конференциях (Оренбург, 2000-2008г.г.); международных научных конференциях (Воронеж, 2007г.), (Москва, 2008г).

Реализация результатов исследований. Технические решения, отличающиеся существенно новизной и представляющие собой значимость для практики использованы Министерством сельского хозяйства Республики Казахстан, внедрены в сельскохозяйственных предприятиях, крестьянских хозяйствах Северного Казахстана. Рекомендации по использованию результатов в народном хозяйстве одобрены и утверждены Отделением механизации, электрификации и автоматизации РАСХН.

Разработанная методика инженерных расчетов основных параметров водоподъемников и техническая документация на их изготовление переданы в научно-конструкторские отделы ДГП ЦелинНИИМЭСХ.

Методические разработки по обоснованию основных параметров водоподъемного оборудования внедрены в учебном процессе Оренбургского государственного аграрного университета, Костанайского государственного университета, Челябинского государственного агроинженерного университета, Костанайского инженерно-экономического университета, Рудненского индустриального института. Отдельные разделы диссертационной работы используются преподавателями, аспирантами и студентами в качестве учебно-методического материала. Образцы водоподъемников изучаются студентами и слушателями факультетов повышения квалификации. Технические разработки демонстрировались и отмечены наградами Всероссийского выставочного центра.

На защиту выносятся следующие положения:

- концептуальные основы методики математического моделирования систем механизированного пастбищного водоснабжения;

- математическая модель процесса механизированного водоснабжения животных в пастбищных условиях;

- научно обоснованные рекомендации по выбору рациональной системы механизированного пастбищного водоснабжения и ее параметров;

- конструктивно-режимные параметры различных вариантов ленточных водоподъемных установок;

- рекомендации по определению оптимальных режимов работы технических средств и резервированию систем механизированного водоснабжения при использовании малодебитных водоисточников на пастбищах.

- новые технологические и технические решения по созданию водоподъемного оборудования для пастбищного водоснабжения;

- результаты энергетической и экономической оценки энергосберегающего процесса водоподъемного оборудования.

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 54 печатных работах: монографиях, рекомендациях, учебных пособиях и 18 статьях в ведущих научных журналах РФ и РК. Новизна технических решений защищена 6 патентами на изобретение.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка использованной литературы из 308 наименований, изложена на 317 страницах машинописного текста, содержит 62 рисунка, 21 таблицу и приложения.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулированы цели и задачи, обоснованы объект, предмет исследования, представлены научная новизна, практическая ценность, апробация работы, реализация результатов научной работы, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Состояние проблемы. Цель и задачи исследования» отмечаются основные условия и особенности водоснабжения на отгонных пастбищах, охарактеризованы пастбищные и водные ресурсы Северного Казахстана, определены основные варианты использования и водообеспечения пастбищ, приведена динамика поголовья животных (Рис.1).

Рис.1-Динамика поголовья основных сельскохозяйственных животных в Северном Казахстане

Приведен анализ существующих способов, технологий и технических средств водоснабжения животных в пастбищных условиях, выделено перспективное направление.

Основные положения водоиспользования рассматриваются в трудах Г.С. Гумарова, Р.Г. Гусейнова, С.Н. Гусева, В.В. Дацыкова, А.И. Завражного, В.Д. Забелина, Р.Н. Каплана, Х.К. Карешева, Н.А. Карамбирова, В.И. Квашенникова, Г.В. Копанева, В.Н.Кунина, М.М. Кундзич, М.В. Луговского, А.П. Мовсисянц, Н.М. Морозова, B.C. Оводова, С.В. Рыжова, В.М. Соколова, Л.Е. Тажибаева, С.Т. Тлеубергенова, Е.М. Фатеева, О.Б. Хелленова, Ю.А. Цой, Я.И. Шефтера, А.А. Яковлева, и др.

В результате их изучения, критического анализа и обобщения обоснована и разработана схема использования малодебитных источников воды в пастбищных условиях.

В настоящее время в условиях пастбищ для водоснабжения применяются практически все типы насосов и водоподъемников. Однако такие их недостатки, как чувствительность к содержанию механических примесей в воде, сложность и несовершенство отдельных узлов конструкции, низкая ремонтопригодность в условиях хозяйств, сложность эксплуатации, монтажа и демонтажа, сдерживают их внедрение при подъеме воды из малодебитных источников. Использование промежуточных энергетических установок и недостаточная надежность отдельных видов снижают эффективность их использования и обусловливают ограниченность применения. Исключение составляют ленточные водоподъемники, которым никакой тип водоподъемников на пастбищах не может оказать существенную конкуренцию. Сложившиеся организационно-экономические условия АПК России и Казахстана предъявляют к водоподъемному оборудованию определенные требования. Это простота конструкции и монтажно-демонтажных операций, надежность, несложность в эксплуатации и техническом обслуживании, возможность использования возобновляемых источников энергии, способность длительное время работать без квалифицированного надзора. В настоящее время этим требованиям наиболее полно отвечают капиллярные водоподъемники ленточного типа.

Представленные в главе структурные схемы систем механизированного водоснабжения пастбищ, общий анализ капиллярных водоподъемников и их конструктивно-технологических схем позволяют определить область применения ленточных водоподъемников при решении проблемы гарантированного, механизированного водоснабжения пастбищ.

Во второй главе «Теоретические основы повышения эффективности систем механизированного водоснабжения» теоретически обоснованы предпосылки и пути повышения эффективности механизированного водоснабжения пастбищ.

В рассматриваемой системе сезонного пастбищного содержания животных предполагается использование научно обоснованной системы машин, направленной на эффективное ее использование при наименьших приведенных затратах, где существенную роль определяет рациональное водоснабжение животных.

Валовое производство продукции животноводства определяется по выражению:

П = N_ж Р_ж n_к k_н + ДП, (2.1)

где N_ж - поголовье животных;

P_ж - суточная продуктивность животных при существующей системе водоснабжения;

n_к - количество календарных дней пастбищного периода;

k_н - коэффициент, учитывающий неравномерность продуктивности животных;

ДП - дополнительная продукция.

Количество полученной дополнительно продукции за пастбищный период равно:

П = П_сп + П_рвп, (2.2)

где П_сп - продукция, полученная в результате своевременного поения животных;

П_рвп - продукция, полученная в результате рационального размещения водопойных пунктов на пастбищах.

Максимальный выход основной продукции можно получить в результате организации нормального и своевременного поения животных путем уменьшения поломок и неисправностей элементов системы водоснабжения и представить как функцию надежности работы системы:

П_п = f(Н_св); f(К_г), (2.3)

где Н_св - надёжность работы системы водоснабжения, включающая влияние дебита водоисточника и подъема воды;

К_г - коэффициент готовности технологического оборудования.

Следовательно, затраты на водоснабжение животных целиком переносятся на себестоимость животноводческой продукции и составляют 27-32%, оказывают существенное влияние на ее величину. Таким образом, себестоимость продукции животноводства можно уменьшить за счет снижения затрат на водоснабжение животных в пастбищных условиях, с одной стороны, а с другой стороны, они оказывают существенное влияние на биологическое звено системы.

С учетом имеющейся информации и специфики решаемой проблемы разработана логическая структурно-композиционная инвариантная схема обеспечения водоснабжения пастбищ (рис.2)



Рис. 2 - Структурно-композиционная инвариантная схема обеспечения водоснабжения пастбищ: 1-при доставке воды по трубопроводу; 2- при доставке воды мобильным средством; 3- при использовании местного водоисточника с достаточным дебитом; 4- при использовании местного водоисточника с малым дебитом

В состав БТС при различных способах водоснабжения входит совокупность различных элементов, которые являются средствами достижения результата (реализации) производственного процесса. Каждый выделенный элемент дает обобщенное представление о реальных объектах, реализующих строго определенную функцию.

Внешней средой выступает подсистема кадрового (К_п), материального (М_п), информационного (И_п) и энергетического (Э_п) обеспечения системы.

На основании логического анализа рассматриваемых вариантов можно сформулировать следующее заключение: процесс водоснабжения осуществляется механизированной системой водоснабжения (МСВ), которая представляет совокупность выделенных подсистем и элементов, определяемых локальными свойствами (характеристиками), которые подлежат исследованию.

Учитывая, что любой технический элемент водоподъемного механизма в процессе синтеза представляется в виде иерархии информационных моделей, на базе наиболее распространённых схем уровней возможно, описать жизненный цикл изделия от технической функции до технического решения (рис. 3).

Рис. 3 - Блок-схема моделирования процесса водообеспечения

Таким образом, речь идёт о реальном проведении априорной оценки функциональных элементов водоподъемных механизмов по определённым критериям, что позволит в случае необходимости повторить процесс синтеза модели, избегая ошибок уже на начальном этапе поиска технического решения.

Испытание водоподъемного оборудования в производственных условиях не всегда доступно и достоверно, так как оказывает отрицательное воздействие на качество воды и через него на биологический объект - животное, снижая продуктивность, вызывая заболевания. Использование вычислительной техники представляет возможность избегать жестких производственных экспериментов и использовать вычислительные ресурсы современных ЭВМ в моделях высокой степени сложности.

Чтобы исключить при создании водоподъемного оборудования «жёсткий» производственный эксперимент, во время проведения научно-исследовательских работ использовалось математическое моделирование.

Построение математической модели процесса механизированного водоснабжения животных начинается с описания процесса подъема воды. В большинстве случаев удовлетворительные результаты дает аппроксимация этого процесса отрезками прямых.

Разобьем на периоды роста интенсивности притока воды и тогда массу поднимаемой воды определим по формуле:

, (2.4)

где m_В(t) - подъем воды, м³/с;

В, В_оп - значение притока воды в период её наибольшей интенсивности и при снижении последней, м³/с;

t₁,t₂,t₃ - периоды роста интенсивности притока воды, его максимального значения и снижения, с;

₁(t)- единично-ступенчатая функция

Для построения модели достаточно рассмотреть процесс в интервале от 0 до t₃.

За геометрическую модель доли водоприемной части колодца примем полусферу радиусом R, колодец представим как цилиндр диаметром d_к с каналом водоподъема воды в виде цилиндрического отверстия диаметром d_в Уровень Н жидкости в водосборнике изменяется от до R.

Значение Н зависит от объема воды в водосборной емкости, и для установления этой зависимости необходимо (принимая Н за неизвестную) найти корни уравнения:

,

где V - объем воды в водосборной емкости, м³.

Решив это уравнение, получим:

. (2.5)

Объем воды есть функция времени, следовательно, уровень Н(V) также есть функция времени. При водоснабжении уровень воды постоянно меняется в зависимости от объема её поступления и водоподъема. Поскольку течение воды в водоподъемном канале имеет ламинарный режим, её поднимаемый объем можно представить как функцию от Н:

, (2.6)

где V_УБ (H) - объем воды, убывающий из водосборной емкости в единицу времени, м³/с;

р_ВК - внутреннее давление водоприемной части колодца, Па;

р_ВП - внутреннее давление водоподъемного канала, Па.

Таким образом, используя приведенные выражения, можно найти рекомендуемое внутреннее давление водоподъемного канала р_ВП. Однако параметр р_ВП характеризует не общее внутреннее давление водоподъемного канала внутри подъемного канала, а лишь его часть, так как воздействие, оказываемое этим давлением, обусловливает силу подъема воды из водоприемной части колодца и продвижения её по каналу. Следует также отметить, что d_В канала водоподъема - величина условная и зависит от многих физических и механических переменных.

Определить значение р_ВП при проектировании водоподъемных установок с регулируемым внутренним давлением водоподъемного канала можно исходя из равенства объемов воды, убывающей из водосборной емкости и поступающей в нее. При этом уровень Н остается постоянным, и его легко определить.

При проектировании водоподъемной установки с постоянным внутренним давлением водоподъемного канала необходимо использовать соотношение

V_УБ =V_{B max} ,

где V_{B max} - объем воды, поступающий в водосборную емкость в единицу времени в период максимальной интенсивности притока воды.

Как указано выше, величина р_ВП является частью внутреннего давления водоподъемного канала. Чтобы оценить полное значение этого давления, необходимо описать некоторые стороны процесса движения воды по водоподъемному каналу. Если принять, что вода движется только в момент движения рабочего органа водоподъемника, и промежутками между этими движениями пренебречь, то, учитывая, что водоподъем в основном определяется условно-периодической работой, можно утверждать, что в интервале времени, соответствующем росту интенсивности водоподъема, вода движется с определенным ускорением а₁, вектор которого направлен в сторону, противоположную движению.

Силу трения, возникающую между водой и водоканалом, Н можно определить:

, (2.7)

где - коэффициент трения;

L(t)- длина водоканала, м;

Т - его толщина, м;

d_K(t)-диаметр колодца, м;

d_BK- диаметр внутренней части водоподъемного канала, м.

Функция d_K(t) определяет диаметр колодца при водопритоке, ее можно найти экспериментально. В интервале [t₁; t₂] можно считать, что вода движется равномерно, тогда:

, (2.8)

где р_К - общее внутреннее давление в водоканале, Па;

S_К - площадь поперечного сечения внутренней части водоканала, м²; m - масса подвесной части водоподъемника, кг;

F_ПВ - сила притока воды, пропорциональная р_ВП , Н;

F_ТР - сила трения возникающая между водой и водоканалом, Н.

Для упрощения расчетов можно принять, что сила трения постоянна (хотя реально, согласно уравнению 2.7, из-за увеличения длины водоканала она незначительно растет). На этом участке допустимо силу трения приравнять к ее статическому значению и исходя из этого определить внутреннее давление р_К в водоканале.

Интервал [t₂; t₃] характеризуется движением воды с ускорением а₂, тогда величина L(t) может быть описана следующим образом:

(2.9)

здесь_HB - начальная скорость движения воды по водоподъемному каналу, равная:

, (2.10)

где t_B - время, прошедшее с момента движения рабочего органа водоподъемника до начала действия силы трения, возникающей при движении воды по водоподъемному каналу, с;

p_HB- начальное внутреннее давление в канале, Па.

Из приведенных выше уравнений найдем ускорение:

, (2.11)

где

Величины р_К и F_ПВ могут быть как постоянными (для водоподъемников с постоянным внутренним давлением), так и зависеть от времени (для водоподъемников с регулируемым внутренним давлением). Сила F_ПВ пропорциональна р_ВП. Характер изменения величины р_К можно задавать с учетом влияния этого параметра на эффективность водоснабжения животных (в границах максимального и минимального значений). Следовательно:

(2.12)

где p_ИВ - внутреннее давление в период интенсивного водоподъема, Па; p_HB - начальное внутреннее давление в канале, Па; p_M - внутреннее давление при малом водоподъеме, Па.

Выбрав начальные значения p_ИВ, p_HB и p_{M ,} можно определить скорость воды в точке t₁:

(2.13)

Постоянная интегрирования С₁ определяется для следующих начальных условий: t=0; _НВ (t)=_НВ.

Далее находят среднее ускорение а_1ср и перемещение S₁ воды по водоподъемному каналу в интервале [0; t₁]:

, (2.14)

. (2.15)

Поскольку принято, что в период максимальной интенсивности водоподъема вода движется равномерно, то её перемещение по водоподъемному каналу:

 . (2.16)

Используя приведенные выражения, находим ускорение а₂:

. (2.17)

В такой же последовательности находим скорость воды в точке t₃ и длину её перемещения по водоподъемному каналу в период окончания работы:

, (2.18);

. (2.19)

Постоянную интегрирования С₂ в этом выражении определяем для начальных условий

t=t₂; ₂(t)=₁(t₁) .

Общая длина перемещения воды по водоподъемному каналу за период [0; t₃]:

S = S₁ + S_РП + S₂ . (2.20)

Сформулирована задача оптимизации длины водоподъемного канала и дебита водоисточника, в которой необходимо найти значения параметров m, , Т, d_ВК, p_НВ, р_ИВ, p_М при определенных ограничениях на них и допуски на эти параметры.

Результатом решения задачи является оптимальный план, компонентами которого служат определения конструктивно-режимных параметров водоподъемного оборудования, на основе чего появляется возможность создания качественно новых технических средств, обладающих максимальным соответствием зоотехническим требованиям и высокой экономической эффективностью водоснабжения животных применительно к условиям пастбищ и их особенностям.

В третьей главе «Районирование пастбищ применительно к системам механизированного водоснабжения» основные признаки пастбищ классифицированы и районированы применительно к СМВ. Приводятся технико-эксплуатационные параметры машин и оборудования СМВ, которые обеспечивают высокую эффективность использования их в условиях различных районов. Водоподъемные агрегаты, установленные без учета данных районирования, значительную часть времени не используются или не обеспечивают ожидаемый экономический эффект.

Рис. 4 - Районирование пастбищ применительно к системе механизированного водоснабжения.

Районирование пастбищ применительно к СМВ разработано на основе классификации факторов, влияющих на параметры водоподъемно-энергетических установок, их эксплуатацию и техническое обслуживание.

Суточное водопотребление. Объем его зависит в основном от нормы водопотребления животными в сутки и поголовья скота, находящегося на водопойном пункте, и определяется по формуле:

Вс = bn / 1000 + x / 1000 м³, (3.1)

где b - норма водопотребления в сутки, л;

n- поголовье скота на водопойном пункте;

х - расход воды на хозяйственные нужды на водопойном пункте, л.

При сезонном использовании пастбищ объем воды, потребляемый поголовьем, определяется по формуле:

Всез = Тсез (bn / 1000 + x / 1000) м³, (3.2)

где Тсез - число дней в сезоне.

Суммарное водопотребление на пастбищах круглогодового использования для одного водопойного пункта рассчитывается по формуле:

Вг = 0,001 (Всез^в + Всез^л + Всез^о + Всез^з) м³, (3.3)

где индексы: в, л, о, з - времена года (весна, лето, осень, зима).

Для районирования территории пастбищ по параметрам водоисточников изучены и обобщены данные по глубине, дебиту, высоте слоя воды и объему наполнения водосборной части. В результате построена диаграмма распределения основных параметров водоисточников на пастбищах (рис. 5).



Рис. 5 - Диаграммы распределения основных параметров водоисточников на пастбищах: n_к-количество водоисточников,%; Н_к-глубина водоисточников, м; q-дебит водоисточников, м³/сут; h_сл-высота слоя воды в водоисточниках, м; V_в-объем водоприемной части водоисточников, м³

Наряду с другими факторами эффективность работы системы механизированного водоснабжения определяет оптимальный режим работы водоподъемника и водоисточника с малым дебитом. Такой режим устанавливается в том случае, если известны технические параметры водоподъемного устройства, дебит, глубина и толщина слоя воды, объем водосборной части водоисточника. Наиболее сложную связь параметра водоисточника имеет его текущий дебит, зависящий, в первую очередь, от максимального дебита и статического уровня воды.

Текущий дебит шахтного водоисточника в первом приближении можно определить так:

, (3.4)

где R - обратное значение удельного дебита водоисточника;

Н_с, Н_д -соответственно статический и динамический уровень воды в источнике, м.

Если , то .

Принимая , запишем уравнение (3.4) так:

q_i = q_м (1 - h) . (3.5)

Если приток q_i рассмотреть за время Д, то q_i Д = ДW = S_Д H, отсюда

, (3.6)

где S - площадь водоприемной части водоисточника, м².

Принимая, что , умножив и разделив уравнение (3.6) на величину статического уровня воды Н_с, получим:

, (3.7)

где W_м = SH_с- максимальное наполнение водоприемной части, м³ .

При совместном решении уравнений (3.5) и (3.7) получим:

 . (3.8)

При делении полученного равенства на максимальный часовой дебит водоисточника q_м получим:

или

Если , то .

Отношение обозначим через у, тогда:

1 - h = у . (3.9)

Дифференцируя уравнение (3.9) относительно у, имеем: dу = - dh или ,

отсюда: . Интегрируем: .

В результате решения получаем: t = -lnу + C, а после некоторых преобразований:

у = у_о е^-t (3.10)

Значение у_о при t = 0, равно

у₀ = 1 - h_о . (3.11)

При совместном решении уравнения (3.9) и (3.11) получим:

 1 - h = (1 - h_о) е^-t . (3.12)

Учитывая, что

и .

После подстановки имеем:

.

Умножая обе части равенства на Н_о , получим:

Н_с - Н_д = (Н_с - Н_о) е^-t или Н_д = Н_с - (Н_с - Н_о) е^-t .

Зная, что , получим уравнение для определения динамического уровня воды в водоисточнике:

Н_д = Н_с - (Н_с - Н_о) е^-t , (3.13)

где Н_о - минимальный уровень воды в водоисточнике, при котором водоподъемная установка уже не может работать.

С помощью уравнения (3.13) можно определить динамический уровень воды в водоисточнике для любого времени t, если известен максимальный часовой дебит q_м и максимальное наполнение W_м.

На рис. 6 представлен график Н_д = f (t) для различных значений Н_с - статического уровня воды, из которого видно, что динамический уровень воды в водоисточнике Н_д в начале наполнения водоприемной части растет интенсивно, а затем замедляется при приближении к статическому уровню Н_с. График позволяет определить Н_д для любого времени суток.

Если правую и левую части уравнения (3.13) умножить на S, то получим:

Н_д S = Н_с S - (Н_с S - Н_о S) е ^{- (qм / Wм) t} ,

где Н_д S=W_д -текущее наполнение водоприемной части водоисточника,м³;

Н_о S = W_о - остаточный объем воды, который водоподъемник не может поднимать, м³.

Рис. 6 - Изменение динамического уровня воды в водоисточнике: для кривой 1 - Н_с = 0,8 м; для кривой 2 - Н_с = 1,2 м; для кривой 3 - Н_с = 1,6 м; для кривой 4 - Н_с = 2 м; для кривой 5 - Н_с = 3 м; для кривой 6 - Н_с = 6 м

Подставляя эти значения в уравнение, имеем:

W_д = W_м - (W_м - W_о) е ^{- qм / Wм}. (3.14)

Для практического использования проведены расчеты по определению W_д в зависимости от q_м, W_м, t.

Совместное решение уравнений (3.5) и (3.12) дает:

 q_i = q_м (1 - Н_о / Н_с) е - ^{(qм / Wм) t} . (3.15)

По уравнению (3.15) можно определить текущий дебит водоисточника в зависимости от максимального часового притока воды q_м, статического уровня воды в водоисточнике Н_с и времени t. Для различных значений q_м, Н_с и t произведены расчеты, и полученные данные приведены на рис. 7.

Рис. 7- Изменение текущего дебита водоисточника: 1- q_м = 0,810^-4 м³/c, Н_с = 0,8 м; 2 - q_м = 0,810^-4 м³/c, Н_с = 6,0 м; 3 - q_м =1,910^-4 м³/c, Н_с = 0,8 м; 4 - q_м = 1,910^-4 м³/c, Н_с = 6,0 м;5 - q_м = 3,510^-4 м³/c, Н_с = 0,8 м; 6 - q_м = 3,510^-4 м³/c, Н_с = 6,0 м

По уравнению (3.15) определен также текущий дебит водоисточника в зависимости от h = Н_д / Н_с (рис. 8).

Рис. 8 - Влияние относительной толщины слоя воды на величину дебита: 1- q_м = 0,810^-4 м³/c; 2 - q_м = 1,910^-4 м³/c; 3 - q_м = 3,510^-4 м³/c.

Уравнение для определения притока воды в водоисточнике при работе водоподъемного агрегата:

q_i - Q = S Н_с dh / dt, (3.16)

где Q - подача водоподъемной установки, м³/ч.

Подставляя значения q_i из уравнения (3.5) в уравнение (3.16) и зная, что h=Н_д/Н_с, получим:

q_м (1-h)- Q = SН_с dh/dt = W_м dh /dt. (3.17)

Разделив на q_м , будем иметь:

, если = К = const,

тогда 1 - h - К = или

у = 1 - h - К . (3.18)

При t = 0 уравнение (3.18) имеет вид:

У₀ = 1 - h₀ - К. (3.19)

Совместное решение уравнений (3.10), (3.15) и (3.19) дает:

1 - h - К = (1 - h₀ - К) е ^-t или

1 - h = К + (1 - h₀ - К) е ^-t . (3.20)

Решая уравнения (3.5) и (3.19) совместно, получим:

q_i = q_м [К - (1 - h₀ - К)] е -^t.

Подставляя значения К, h₀ и t, найдем уравнение текущего притока воды в водоисточнике:

. (3.21)

Сравнение расчетных данных с экспериментальными подтвердило правильность выведенного уравнения по определению q_i в зависимости от q_м, Н_с и t.

При совместной работе системы «шахтный водоисточник - водоподъемная установка» возможны следующие варианты: запас воды в водоприемной части больше суточного потребления, то есть W_м В_с К_нер, в этом случае проводится одноразовая откачка воды (первый режим); при W_м В_с К_нер, после откачки запаса воды при больших значениях притока можно, не прерывая работы установки, поднимать недостающее количество воды (второй режим); W_м В_с К_нер и текущий приток воды имеет небольшую величину, следует поднимать воду с перерывами, за время которых в колодце будет накапливаться необходимое количество воды (третий режим) (рис. 9).



Рис. 9 - Варианты совместной работы водоподъемника и водоисточника при различных расходах воды

Опыт эксплуатации водоисточников показывают, что наиболее эффектив-ным является первый режим. В случае одноразовой откачки выбирается необходимое количество воды. Работа установки в этом случае хорошо согласуется с графиком водопотребления.

Производительность ветронасосных установок зависит не только от запаса воды в водоисточнике, но и от периодичности рабочих скоростей ветра. Несмотря на это, весьма выгодно использовать их на водопойных пунктах, где W_м В_с К_нер (рис. 10).

Рис. 10 - Характерный режим работы ветроустановки и водоисточника в зависимости от скорости ветра: 1,3,5 - не рабочие периоды ветроагрегата; 2,4,6 - рабочие периоды

Основные режимы работы системы «водоподъемник - водоисточник» исследованы в производственных условиях пастбищ, результаты рекомендованы для экспериментального определения дебитов шахтных водоисточников.

Для установления обоснованности и уровня надежности предлагаемых расчетных методов проведено экспериментальное изучение дебита шахтных водоисточников, где на основе сопоставления результатов расчетов и экспериментов установлено их полное совпадение, что послужило основой разработки малодебитных водоисточников.

Дебитом водоисточника принято считать количество воды, откачиваемого в единицу времени при установившемся динамическом уровне (когда приток воды равен ее расходу). Однако у малодебитных водоисточников с незначительным статическим уровнем воды определение дебита указанным методом затруднено.

В этом случае из описанных методов наиболее приемлемым для определения дебита малодебитных водоисточников является измерение притока воды с помощью самописца уровня.

Полученные количественные значения на ленте послужили исходными данными по подсчету количества воды, поступившей в водоисточник за текущее время, после очередной откачки. Приток воды в первом водоисточнике с увеличением Н_д снижается значительно, а во втором водоисточнике - медленно (рис. 11). Это объясняется разностью напоров водоносных пластов и фильтрацией воды в водоисточниках.

Рис. 11 - Изменение дебита и наполнения водоприемной части водоисточника: 1к и 2к - номера водоисточников

При интенсивном притоке воды в водоисточник (например, первый водоисточник) для удовлетворения потребителей на водопойном пункте недостающую воду можно поднимать, продолжая работу водоподъемника на текущем дебите или повторной откачкой после накопления необходимого объема (запаса). Такой режим определяется природными условиями водоносного горизонта и принятой схемой механизированного водоснабжения на конкретном водопойном пункте.

На примере КХ «Крысин В» разработан и испытан рациональный режим работы водоподъемников и шахтных водоисточников. Нами установлено, что целесообразнее и выгоднее эксплуатировать такую систему «водоподъемник - водоисточник» с перерывами (режим 3).

На рис. 12 и 13 приведены сравнительные данные (фактические и расчетные) по текущему дебиту q_i = f(t), текущему запасу водоприемной части W_gi = f(t) и динамическому уровню Н_gi = f(t).

Рис. 12 - Сравнение расчетных и экспериментальных данных по динамическому уровню воды в водоисточнике: - экспериментальные; расчетные.



Рис. 13 - Сравнение расчетных и экспериментальных данных q_i=f(t) и W_gi=f(t): - экспериментальные; - расчетные

Анализ показывает, что кривые по всем диапазонам изменения аргумента t дают погрешности, не превышающие 10%, что не выходило за допустимые значения, приемлемые для практических расчетов систем водоснабжения.

Это еще раз подтверждает, что рациональный режим работы систем механизированного водоснабжения по зонам пастбищ республики можно выбрать путем экспериментальных данных и аналитических расчетов.

В четвертой главе «Экспериментальные исследования систем механизированного водоснабжения в условиях пастбищ» представлены результаты и испытания технических средств водоподъема и всей системы пастбищного водоснабжения в целом, включающей организацию процесса, эксплуатацию, техническое обслуживание, удаленность и характер транспортных связей, квалификацию обслуживающего персонала, характер энергоносителей. Наряду с этим была изучена возможность использования водоподъемников различных типов на глубоких и наливных шахтных водоисточниках.

Результатом этого раздела явилось обоснование системы эксплуатации и обслуживания, разработка технических требований к водоподъемно-энергетическим установкам, наиболее полно отвечающим условиям пастбищ, получены исходные данные для определения параметров и расчетов технико-экономических показателей систем механизированного водоснабжения и водоподъемных агрегатов.

В период производственных испытаний фиксировались время работы и простоев, причины простоев и неполадок, количество поднятой установкой и расходуемой воды, объем и характер работ по устранению неполадок, поломок, состояние смазки в узлах установки. После окончания сезонных работ с целью определения технического состояния машин проводилась заключительная экспертиза.

Для эффективного использования ветроагрегатов важное значение имеет скорость ветра V_о, при которой они начинают работать. Особенно это важно на пастбищах, где среднегодовая скорость ветра составляет от 2,5 до 4,5 м/с.

Сопоставление вычисленной и фактической повторяемости скоростей ветра для среднесезонных скоростей ветра (летнего и осеннего сезонов) дало следующие коэффициенты корреляции: для летнего сезона - 0,98, для осеннего - 0,97. Так как коэффициенты высоки, то по уравнениям, приведенным в работе, можно вычислить не только годовую повторяемость рабочих скоростей ветра, но и сезонную повторяемость.

По результатам исследований ветрового режима и расчетным данным, на значительной территории пастбищ существуют благоприятные условия для использования энергии ветра с целью механизации водоподъема из шахтных водоисточников.

Для сравнения и анализа были определены затраты энергии для различных водоподъемных агрегатов.

Таблица 1. Затраты энергии для различных водоподъемных агрегатов.

Тип водоподъемно-силового агрегата	Удельная мощность, 10-2 кВт/м	КПД	Сред- нее значе-ние КПД
	на 1 м высоты подъема	Сред- нее значе-ние	на 1 м создава-емого напора	Сред- нее значе-ние
Ленточные водоподъемники	0,065-0,45	0,2	0,75-2,8	1,04	0,10-0,65	0,55
Водоструйные насосы	1,05-1,86	1,7	10,9-24,3	19,3	0,19-0,22	0,20
Центробежные насосы	2,19-102,2	31,1	1,17-925,0	387,9	0,13-0,39	0,26
Винтовые насосы	0,181-0,9	0,4	2,6-2,9	2,8	0,20-0,34	0,25
Диафрагменные насосы	6,7	-	1,74	-	0,10-0,30	0,27
Вибрационные водоподъемники	0,29-1,33	0,95	1,5-19,6	12,6	0,13-0,26	0,22
Пневмокамерные водоподъемники	0,97-1,56	1,1	5,8-11,2	9,7	0,08-0,14	0,10
Поршневые насосы	0,78	-	6,1	-	0,10-0,70	0,50

У ленточных водоподъемников наименьший расход энергии при высоком значении КПД.

В процессе работы ленточных водоподъемников основной и наиболее ответственной операцией является отвод поднятой воды с ленты, так как от этого зависит величина подачи водоподъемника и расход потребляемой энергии.

Объемная подача водоподъемника является основным показателем его работы и определяется по формуле:

Q_v = S u_ср , (4.1)

где: S - площадь живого сечения слоя жидкости на ленте, м²;

u_ср - средняя скорость движения слоя жидкости, м/с.

Действительная величина объемной подачи водоподъемника определяется по формуле:

Q_g = k Q_v , (4.2)

где k - объемный КПД; учитывающий потери поднятой воды, обусловленные несовершенством конструкции.

Исходя из вышеизложенного, с учетом анализа существующих конструкций и исследований ленточных водоподъемников с целью повышения их подачи

предлагается применить усовершенствованный ленточный водоподъемник. Новизна его конструкции подтверждена российскими патентами и Республики

Казахстан.

Рис. 14 - Принципиальные схемы: а- усовершенствованный ленточный водоподъемник; б- поджимной ролик с прямыми поперечными ребрами; в- с извилистыми поперечными ребрами; г- с прямыми продольными ребрами; д- с V-образными ребрами

Ленточный водоподъемник работает следующим образом. Верхний барабан 1, вращаясь от двигателя 11 по часовой стрелке, перемещает ленту 3. При движении последней частицы воды за счет ее вязкости, образуя тонкий слой на поверхности ленты, увлекаются из водоисточника вверх внутренней и внешней поверхностями восходящей ветви подъемника. Под действием центробежной силы вода сбрасывается в водосборный лоток 8 с внутренней поверхности ленты 3 в зоне поджимного ролика 4. Вода на внешней поверхности восходящей ветви ленты частично вытесняется в поперечном и продольных направлениях на поджимном ролике 4 различными видами ребер 5. Остаток жидкости после прохода через поджимной ролик, опять располагаясь тонким слоем, сбрасывается при тех же условиях у верхнего барабана 1 в водосборный лоток 9. Из водосборных лотков 8 и 9 вода поступает в сборный резервуар или на потребление.

На основании опытов были построены кривые зависимости коэффициента трения скольжения . Оказалось, что эти зависимости носят весьма неопределенный характер в данных пределах изменений параметров; возможно, что здесь сказалась недостаточная точность опытов. Исходя, из этих соображений зависимости коэффициентов трения скольжения от этих параметров, были осреднены и построены единые кривые. По результатам этих осредненных данных составлены графики зависимости коэффициента трения скольжения от скорости скольжения (интенсивности проскальзывания ленты на ведущем барабане) _ск и массы натяжного устройства m (рис. 15 и 16) и выведена эмпирическая формула, характеризующая вид этой зависимости:

...