Гидромеханизированная очистка трубчатой дренажной сети оросительных систем

47

Размещено на http://allbest.ru

На правах рукописи

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

Гидромеханизированная очистка трубчатой дренажной сети оросительных систем

06.01.02 - «Мелиорация, рекультивация и охрана земель»

05.20.01 - «Технологии и средства механизации сельского хозяйства»

Михеев Александр Васильевич

Новочеркасск - 2009

Диссертационная работа выполнена на кафедре мелиорации земель в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Новочеркасская государственная мелиоративная академия»

Научный консультант: доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки и техники РФ Коршиков Александр Алексеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор, академик РАСХН, Заслуженный деятель науки и техники РФ Григоров Михаил Стефанович;

доктор технических наук, профессор, Кузнецов Евгений Владимирович;

доктор технических наук, профессор Краснов Иван Николаевич

Ведущая организация - ФГОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова» (ФГОУ ВПО СГАУ)

Защита состоится "___"_________2009г. в __ часов на заседании диссертационного совета ДМ 220.049.01 в ФГОУ ВПО «Новочеркасская государственная мелиоративная академия» по адресу: 346428, г. Новочеркасск, Ростовской области, ул. Пушкинская, 111, ауд. 339, факс (86352) 4-51-64. С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в научном отделе библиотеки ФГОУ ВПО «НГМА». Автореферат размещён на сайте Федеральной службы по надзору в сфере образования и науки Минобразования и науки РФ referat_vak@ministry.ru.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью предприятия, просим направлять учёному секретарю диссертационного совета.

Автореферат разослан "___"_________2009г.

Учёный секретарь диссертационного советаСенчуков Г.А.

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Международный и отечественный опыт показал, что дренаж в значительной степени влияет на состояние орошаемых земель. От эффективности его работы зависит водно-солевой режим почв и, как следствие, урожайность сельскохозяйственных культур, возделываемых на орошаемом участке.

В процессе эксплуатации дренажной сети на орошаемом участке происходит заиление внутренней полости дренажных труб, что приводит к снижению водоприемной способности дрен и увеличению уровня грунтовых вод. Для очистки внутренней полости дренажных труб от илистых отложений применяют различные способы, но наиболее эффективным и экологически безопасным является гидравлический способ.

В нашей стране и зарубежом разработаны технологии и средства механизации для очистки дренажных труб гидравлическим способом. Применение их на оросительных системах ограничено из-за ряда существенных недостатков: низкая производительность комплекса машин - до 35м/ч; высокий расход воды на промывку 1м дрены - до 70л/м; применение высоконапорных дренопромывочных машин - свыше 250м; малая длина промывки дренажных труб с одной позиции - до 125м; необходимость отрывки технологических шурфов (объем отрываемого шурфа ? 52м³) между смежными смотровыми колодцами на дренажной линии; большое количество машин в звене по очистке трубчатой дренажной сети (экскаватор, бульдозер, автокран, 3 трактора, дренопромывочная машина); высокая энергоемкость процесса очистки трубчатой дренажной сети; высокая стоимость промывки 1м дрены.

К причинам, вызывающим указанные недостатки, можно отнести отсутствие научно обоснованных гидромеханизированной технологии и комплекса машин для очистки трубчатой дренажной сети оросительных систем, адаптированных к изменяющимся условиям эксплуатации, а также научно-технических основ размыва и транспортирования илистых отложений, перемещения дренопромывочных устройств с водоподающим шлангом внутри дренажных труб, что представляет актуальную проблему, имеющую важное теоретическое и народнохозяйственное значение.

Диссертационная работа выполнена в рамках межведомственной координационной программы фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению агропромышленного комплекса Российской Федерации на 2001 - 2005 и 2006 - 2010гг., а также в соответствии с тематическим планом НИР ФГОУ ВПО «НГМА» (03.02.01).

Целью исследований является научное обоснование параметров и процессов работы технических средств гидромеханизированной очистки трубчатой дренажной сети оросительных систем от илистых отложений, обеспечивающих снижение эксплуатационных затрат и увеличение производительности комплекса машин.

Основные задачи исследований:

- выявить особенности технологических процессов очистки трубчатой дренажной сети оросительных систем;

- теоретически исследовать процесс взаимодействия гидравлических размывающих струй дренопромывочных устройств с илистыми отложениями в дренажных трубах;

- обосновать гидравлические и технологические параметры дренопромывочных устройств;

- исследовать процесс перемещения водоподающего шланга с дренопромывочным устройством внутри дренажных труб и обосновать конструктивные параметры шлангоподающего устройства;

- обосновать параметры и процессы работы технических средств для очистки дренажных труб;

- усовершенствовать технологию и комплекс машин для гидромеханизированной очистки трубчатой дренажной сети оросительных систем;

- оценить экономическую эффективность предлагаемого комплекса машин для очистки трубчатой дренажной сети оросительных систем.

Научную новизну представляют:

- система очистки трубчатой дренажной сети и факторы, влияющие на её выходные параметры;

- структура системы математических моделей на основе критериев оптимизации выходных параметров системы очистки трубчатой дренажной сети;

- математические модели взаимодействия напорных гидравлических струй дренопромывочного устройства с илистыми отложениями;

- математические модели перемещения дренопромывочного устройства с водоподающим шлангом внутри дренажных труб и взаимодействия шлангоподающего устройства с водоподающим шлангом;

- способ очистки дренажных труб низконапорными гидравлическими струями;

- технико-экономическая эффективность применения комплекса машин для очистки трубчатой дренажной сети оросительных систем.

Практическую значимость составляют:

- усовершенствованная технология гидромеханизированной очистки трубчатой дренажной сети оросительных систем;

- оптимальные параметры и процессы работы дренопромывочных устройств;

- параметры шлангоподающего устройства в зависимости от степени заиления и длины промывки с одной позиции дренажных труб;

- комплекс машин для гидромеханизированной очистки трубчатой дренажной сети оросительных систем, исключающий отрывку технологических шурфов по трассе дрены.

На защиту выносятся:

- математические модели для оптимизации конструктивных и гидравлических параметров дренопромывочных устройств;

- математические модели для оптимизации конструктивных параметров шлангоподающего устройства и процесса перемещения водоподающего шланга с дренопромывочным устройством;

- способ промывки дренажных труб низконапорными гидравлическими струями;

- методика расчёта параметров процессов размыва илистых отложений и перемещения дренопромывочных устройств внутри дренажных труб;

- усовершенствованная технология и комплекс машин для гидромеханизированной очистки трубчатой дренажной сети оросительных систем, исключающие отрывку технологических шурфов по трассе дрены;

- технико-экономическая эффективность комплекса машин для гидромеханизированной очистки трубчатой дренажной сети оросительных систем.

Объект исследований - трубчатая дренажная сеть оросительных систем.

Предмет исследований - гидравлический способ очистки трубчатой дренажной сети оросительных систем, а также закономерности процессов размыва, транспортирования илистых отложений и перемещения дренопромывочных устройств с водоподающим шлангом внутри дренажных труб. урожайность дренажный илистый очистка

Методология исследований. В диссертационной работе использованы системный подход и математическое моделирование процессов, а также применены теория предельного состояния, законы механики грунтов и динамики вращения твердых тел, теоретической механики и гидродинамики, математический аппарат дифференциального и интегрального исчислений. Математические модели реализовывались на ЭВМ в программе Mathcad. Экспериментальные исследования проводились как в лабораторных, так и полевых условиях. Обработка экспериментальных данных осуществлена методами математической статистики.

Достоверность результатов исследований подтверждена:

- применением современных методик и соответствием требованиям отраслевых и государственных стандартов проведения исследований;

- большим количеством экспериментальных данных, полученных в результате многолетних лабораторных и полевых исследований в опытно-производственных условиях;

- применением современных методов математической обработки результатов исследований с использованием ЭВМ;

- высокой степенью сходимости результатов теоретических и экспериментальных исследований и адекватности математических моделей;

- положительными результатами апробации в производственных условиях на оросительных системах «Управления «Ростовмелиоводхоз».

Реализация результатов исследований: Материалы диссертации доложены и одобрены на заседании научно-технического совета ФГУ «Управление «Ростовмелиоводхоз» Ростовской области и рекомендованы к внедрению в производство.

Усовершенствованная технология гидромеханизированной очистки трубчатой дренажной сети оросительных систем с применением низконапорной дренопромывочной машины ДПМ-1, а также поддонов-отстойников для очистки дренажных колодцев внедрена на Багаевско-Садковской и Азовской оросительных системах Ростовской области с годовым экономическим эффектом 710,2 тыс. руб. на один комплекс машин.

Личный вклад автора. Автор принимал непосредственное участие в постановке проблемы, определении цели и задач исследований, в теоретическом обосновании процессов взаимодействия гидравлических размывающих струй дренопромывочных устройств с илистыми отложениями в дренажных трубах, теоретическом исследовании взаимодействия дренопромывочных устройств и водоподающего шланга со стенкой дренажной трубы, в разработке математических моделей и методики расчёта параметров процесса очистки внутренней полости дренажных труб и перемещения дренопромывочных устройств с водоподающим шлангом, в обосновании параметров и изготовлении экспериментальных образцов дренопромывочных устройств, шлангоподающего устройства и дренопромывочной машины ДПМ-1, подборе мест проведения исследований и отборе образцов для лабораторного анализа, осуществлении лабораторных и производственных экспериментов, обобщении результатов экспериментов и разработке практических научно обоснованных рекомендаций, реализации результатов работы при разработке и внедрении усовершенствованной технологии гидромеханизированной очистки трубчатой дренажной сети оросительных систем. Общая доля автора в выполненных научно-исследовательских работах, результаты которых вынесены на защиту, составляет более 80%.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены на научно-технических конференциях, совещаниях и семинарах: Новочеркасск, 1995-2008 г.г. - ежегодные научно-технические конференции НГМА; новочеркасск, 1998 г. - выездная сессия РАСХН, НГМА; Новочеркасск, 2001, 2004 г.г. - международная научно-практическая конференция «Моделирование, теория, методы и средства» (ЮРГТУ); Ставрополь, 2001г. - 1-я Российская научно-практическая конференция «Физико-технические проблемы создания новых технологий в агропромышленном комплексе» (СГСХА); Ростов н/д, 2004 - Всероссийская научно-техническая конференция, посвященная 100-летию со дня рождения И.И. Смирнова «Теория и проектирование сельскохозяйственных машин и оборудования».

Усовершенствованная технология гидромеханизированной очистки трубчатой дренажной сети оросительных систем, а также конструкции дренопромывочных и шлангоподающего устройств отмечены двумя дипломами 1-ой степени на выставке ярмарке «ИННОВ - 2003, 2005» - Новочеркасск, 2003, 2005 (ЮРГТУ).

Публикации. Основные положения диссертационной работы отражены в 46 научных трудах, включающих монографию, 11 работ, опубликованных в рекомендуемых ВАК изданиях, из которых 3 патента. Общая доля личного участия автора в работах, опубликованных в соавторстве, составляет более 75%.

Объем и структура диссертации. Работа изложена на 315 страницах машинописного текста, состоит из 7 глав, общих выводов и рекомендаций производству, списка литературы из 249 наименований, в том числе 23 иностранных авторов, содержит 22 таблицы, 94 рисунка и 27 приложений.

Автор выражает искреннюю признательность и благодарность профессорам НГМА А.А. Коршикову и В.А. Волосухину за помощь и консультации в проведении отдельных исследований.

Содержание работы

Во введении дана общая характеристика работы и её актуальность, а также сформулированы защищаемые положения.

В первой главе «Анализ состояния трубчатой дренажной сети оросительных систем и средств механизации для её очистки» дан анализ существующего состояния трубчатой дренажной сети оросительных систем и выполнен обзор способов, технологий и комплексов машин для производства работ по её очистке.

Отмечено, что только в Ростовской области из общей площади орошаемых земель в 325 тыс.га дренаж был построен на площади 152 тыс.га. На оросительных системах Северо-Кавказского региона построено 20,6 тыс.км дренажа, в том числе в Ростовской области - 6,1 тыс.км, из них закрытый пластмассовый дренаж составляет - 69%. Это определяет масштабы работ по очистке и восстановлению работоспособности дренажных систем.

Вопросам повышения эффективности работы дренажных систем и совершенствованию средств механизации для их очистки посвящены работы: А.Н. Костякова, В.А. Духовного, И.П. Айдарова, А.И. Мурашко, З.Я. Хруцкой, Н.Н. Бредихина, Д.П. Савчука, Ц.Е. Мирцхулавы, Г.А. Сенчукова, В.И. Ольгаренко, В.Н. Щедрина, М.С. Григорова, Е.В. Кузнецова, А.А. Коршикова, В.А. Волосухина, В.М. Зубца, Е.Д. Томина, Б.А. Елизарова, П.К. Лукашенко, В.И. Миронова, Ю.М. Косиченко, А.А. Мащенского и других.

Существующие технологии очистки трубчатой дренажной сети оросительных систем предусматривают применение высоконапорных дренопромывочных машин (с рабочим давлением 2,5 - 10 МПа), предназначенных для промывки дрен в зоне осушения (МР-18, Д-910, ПДТ-125). Данные технологии отличает недостаточная эффективность очистки трубчатой дренажной сети и высокая стоимость производства работ.

Рабочие органы известных дренопромывочных машин имеют параметры, отвечающие условиям промывки дренажных труб зоны осушения, применение их на оросительных системах не обеспечивает требуемую степень очистки дренажных труб.

Анализ применяемых способов подачи дренопромывочных устройств (ДПУ) с водоподающим шлангом в дренажную трубу показал, что максимальная длина промывки дренажных труб современными дренопромывочными машинами не превышает 125м и обеспечивается в основном за счет ручной и реактивной тяги ДПУ, что требует отрывки технологических шурфов по трассе дрены между смежными смотровыми колодцами и приводит к увеличению затрат на промывку 1м дрены.

В существующих технологиях очистка смотровых колодцев трубчатой дренажной сети от илистых отложений осуществляется гидравлическим способом, отличающимся низкой производительностью и высокой себестоимостью работ.

Перечисленные факторы приводят к снижению производительности применяемых комплексов машин для очистки трубчатой дренажной сети оросительных систем до 35 м/ч.

На основании проведенного анализа известных работ в рассматриваемой области и используя системный подход, установлены факторы, влияющие на систему очистки трубчатой дренажной сети оросительных систем.

Эффективность системы очистки трубчатой дренажной сети определяется выходными параметрами, которые отражают процессы взаимодействия системы и внешней среды. Наличие и величина рассогласования этих параметров определяется под влиянием внешних и внутренних факторов (рис. 1).

Рисунок 1 - Система очистки трубчатой дренажной сети

Внешними и внутренними факторам, а также выходными параметрами системы очистки трубчатой дренажной сети являются:

С - сцепление частиц илистых отложений;

с_и - плотность частиц;

d - диаметр частицы;

G_в - вес частицы в воде;

с₀ - плотность воды;

h_и - толщина слоя илистых отложений в дрене;

Р_н - пригружающее действие водного потока;

D - диаметр дрены;

Q_д - расход дрены;

щ₀ - осредненная гидравлическая крупность;

d_ср - средний диаметр частиц;

f_д - коэффициент трения ДПУ о дрену;

f_ш - коэффициент трения шланга о дрену;

L - длина промываемого участка дрены;

Е - модуль упругости материала шланга;

d_н - диаметр ДПУ по центрам размывающих сопел;

d₀ - диаметр радиальных сопел;

d_0т - диаметр тангенциальных сопел;

- угол наклона размывающих сопел;

V_рс - скорость размывающих струй;

Н - напор на выходе из насоса дренопромывочной машины;

Уh_тр - суммарные потери напора в дренопромывочной машине;

с_п - плотность пульпы;

R_ст и R_сф - реакции тыльных и фронтальных струй;

G_ДПУ - сила тяжести ДПУ;

d_шн - наружный диаметр шланга;

D_ш - диаметр шкива ШПУ;

d_p - диаметр прижимающих роликов; z - количество прижимающих роликов;

U_п - скорость подачи ДПУ;

С_о - степень очистки внутренней полости дрены;

n_п - количество проходов ДПУ по промываемому участку дрены;

F_с - сопротивление перемещению ДПУ со шлангом;

F_t - окружная сила на шкиве ШПУ;

F_np - усилие прижимающее водоподающий шланг к шкиву ШПУ.

На основе комплексного анализа процессов гидромеханизированной очистки трубчатой дренажной сети предложена структура системы математических моделей, позволяющая оценить влияние и взаимосвязь математических моделей и элементов системы очистки труб дренажной сети оросительных систем (рис. 2).

Рисунок 2 - Структура системы математических моделей

Структура системы математических моделей показывает, что каждая из рассматриваемых отдельных моделей оказывает воздействие на элементы системы очистки трубчатой дренажной сети. Кроме того, выходные параметры одних моделей являются исходными данными для других моделей. Исходя из предложенной структуры системы математических моделей, в диссертационной работе проводились все необходимые теоретические исследования.

Во второй главе «Обоснование основных параметров дренопромывочных устройств» изложен анализ известных конструкций дренопромывочных устройств, применяемых для размыва илистых отложений внутри дренажных труб, и обоснованы основные геометрические параметры ДПУ с тыльными и фронтальными струями.

На основании проведенного анализа способов очистки дренажных труб и конструкций ДПУ предложено дренопромывочное устройство активного типа с направляющими лыжами и вращающимся струеформирующим насадком (патент РФ №31342), обеспечивающим формирование гидравлических размывающих струй. Для гарантированного размыва илистых отложений внутри дренажной трубы (в зависимости от периодичности очистки, толщины слоя илистых отложений и их физико-механических свойств, вида технологических процессов очистки дренажных труб) в предложенной конструкции ДПУ необходимо использовать как тыльные, так и фронтальные струи. С целью обоснования основных параметров ДПУ рассматривали наиболее сложный режим работы, когда внутренняя полость дренажной трубы полностью заполнена водой. В этом случае гидравлические размывающие струи ДПУ можно считать затопленными свободными струями, обладающими низкой размывающей способностью. К основным параметрам ДПУ относятся геометрические и гидравлические параметры. Для определения геометрических параметров ДПУ сделано допущение о совпадении продольной оси дрены с продольной осью ДПУ. С учётом затопленного режима работы ДПУ и сделанного допущения составлена расчётная схема размещения ДПУ в дренажной трубе (рис. 3).



Рисунок 3 - Схема размещения ДПУ в дренажной трубе

Анализ предложенной схемы позволил получить математическую модель, описывающую связь между основными параметрами ДПУ и диаметром дренажной трубы:

;, (1)

где D - диаметр дрены, м; d₀ и d_0т - диаметр размывающих и тангенциальных сопел ДПУ, м; б и в - углы наклона размывающих и тангенциальных струй, рад.

На основании полученной математической модели приняты следующие геометрические параметры ДПУ: диаметр вращающегося струеформирующего насадка по центрам размывающих сопел d_н = 50мм; диаметр центрального лобового размывающего сопла, характерного только для ДПУ с тыльными струями d_л = 1,5мм; диаметр опорных лыж D_л = 80мм, обусловленный проведением в процессе промывки контроля качества построенной дрены; длина опорных лыж L_л = 160мм.

Внутренняя камера предлагаемого ДПУ состоит из трёх основных частей - расширяющаяся (диффузор), цилиндрическая и сходящаяся часть (конфузор). Диффузор ДПУ рекомендовано изготавливать в виде плавно расширяющегося по криволинейной поверхности участка с постоянным градиентом давления. Цилиндрическая часть камеры ДПУ имеет длину l_ц = d_0т. Конфузор ДПУ предложено выполнять в виде конуса. Толщина стенки ДПУ в местах устройства струеформирующих сопел принята равной д = 3d₀.

В третьей главе «Теоретические основы процесса взаимодействия размывающих струй ДПУ с илистыми отложениями» представлены результаты теоретических исследований процесса взаимодействия размывающих струй ДПУ с несвязными и связными илистыми отложениями в дренажной трубе. Обоснована максимальная допускаемая скорость размывающих струй ДПУ и гидравлические потери напора в дренопромывочной машине. На основании полученных результатов оптимизированы параметры ДПУ (d₀, d_0т, б) как с тыльными, так и с фронтальными струями. Установлено влияние расхода ДПУ на транспортирующую способность водного потока в дренажной трубе. Разработана методика расчёта параметров процесса размыва илистых отложений внутри дренажных труб.

В теоретических исследованиях для характеристики эрозионной стойкости илистых отложений за основной фактор принято сцепление. При рассмотрении задач все илистые отложения заменялись идеализированными, характеризующимися однородностью и сплошностью. В процессе размыва осредненные характеристики как илистых отложений, так и гидравлических струй, а также шероховатость поверхности размыва не изменяются ни в пространстве, ни во времени. Единственным источником отрывающих сил считается воздействие гидравлической размывающей струи. Гидравлическая размывающая струя - равномерная, вращающаяся. Отрыв агрегата илистых отложений зависит от динамического воздействия скорости струи на выступ. Химическое воздействие на процесс отрыва игнорируется. Сопротивляемость выступа, так же как силовое воздействие гидравлической струи, усредняется по поверхности размыва илистых отложений. Размыв происходит агрегатами. В качестве характерного размера принят средний диаметр шара, равнообъёмный отрывающемуся агрегату. Оторванный агрегат мгновенно уносится потоком. Расчётная схема процесса приведена на рисунке 4.

Рисунок 4 - Размыв связных илистых отложений тыльными струями

Уравнение предельного состояния агрегата илистых отложений при указанных выше допущениях имеет вид:

, (2)

где n - коэффициент перегрузки, учитывающий пульсационный характер скоростей; m - коэффициент условий работы; Р_с - лобовое результирующее усилие размывающей струи, Н; д₁d - плечо лобового усилия, м; W - момент сопротивления опорной части агрегата, м³; Р_в - равнодействующая подъемного усилия, Н; S - площадь опорной части агрегата, м²; б - угол наклона тыльной струи, рад; С - сцепление, Па = кг/(мс²); Р_н - пригружающее действие водного потока, Па; G_в - масса агрегата в воде, Н; d - средний диаметр агрегата, м.

Для прогноза процесса отрыва агрегатов находим продолжительность времени воздействия размывающей скорости, необходимого для отрыва агрегата. С этой целью уравнение движения агрегата (шара) записано с учётом приведенной выше зависимости (2) предельного равновесия. В качестве оси вращения принята ось, проходящая через т. А (см. рис. 4):

(3)

где I- момент инерции агрегата, кгм²; д₄d- диаметр опорной части агрегата, м.

После интегрирования получаем уравнение для определения времени воздействия тыльной струи ДПУ на агрегат связных илистых отложений:

(4)

где с₀ - плотность воды, кг/м³;

с_u - плотность илистых отложений, кг/м³;

V_р - размывающая скорость струи, м/с;

л_x, л_y - коэффициенты лобового и подъемного усилий;

д₂d, д₃d - площадь миделя лобового и подъемного усилий, м;

h_и - толщина слоя илистых отложений, м.

Сделав допущение о том, что отрываемый агрегат выступает над поверхностью размыва на д = 0,7d, определяем время воздействия тыльной струи на агрегат связных илистых отложений, исходя из геометрических и гидравлических параметров ДПУ:

, (5)

где - постоянная величина для конкретных условий, м²; С_х - коэффициент гидродинамических сопротивлений; S_х - характерная площадь обтекаемого (или движущегося) тела - ДПУ, м²; ц_р - коэффициент расхода размывающих струй; з - КПД подшипника и уплотнения; ц_т - коэффициент расхода тангенциальных струй.

Приравняв правые части выражений (4, 5) решаем полученное равенство относительно размывающей скорости тыльной струи при очистке дрены от связных илистых отложений с учётом значений S, W и I, получаем модель размыва связных илистых отложений тыльными струями ДПУ в виде:

, (6)

где; и₀ - начальный угол положения центра тяжести агрегата илистых отложений, рад; б - угол наклона тыльных размывающих струй, рад.

Размыв связных илистых отложений фронтальными струями имеет некоторые особенности. Принимаем с допустимой точностью, что при предельном состоянии выступа д = 0,7d усилие Р_в приложено в центре, а лобовая сила отраженной фронтальной гидравлической струи Р_с - выше середины выступа и направлена параллельно стенки дренажной трубы (рис. 5). Воздействие фронтальной гидравлической струи на агрегат создает изгибающий момент, стремящийся оторвать агрегат.

Удерживающими силами являются: сила тяжести частиц илистых отложений в воде, гидродинамическое давление струи, прижимающее действие водного потока и сцепление.

Рисунок 5 - Размыв связных илистых отложений фронтальными струями

Предельное состояние агрегата илистых отложений выражается:

. (7)

Записываем уравнение движения агрегата в дифференциальной форме, полагая, что ось его вращения проходит через начало координат (см. рис. 5):

 (8)

Проинтегрировав (8) и учитывая время воздействия ДПУ, получаем модель для определения размывающей скорости фронтальной струи ДПУ:

, (9)

где б₃ - коэффициент отношения сухих контактов к общей опорной части частицы б₃ = 0,01; б - угол наклона фронтальных размывающих струй, рад.

Используя аналогичные методы, получены модели для определения скоростей струй ДПУ при размыве несвязных илистых отложений:

а) тыльными струями

; (10)

б) фронтальными струями

, (11)

где d - диаметр частицы илистых отложений, м; и₀ - начальный угол положения частицы илистых отложений на поверхности размыва, рад; - постоянная величина для конкретных условий, м².

Кроме того, рассмотрен случай размыва твёрдых связных илистых отложений (показатель консистенции илистых отложений I_L < 0) и получена модель для определения размывающей скорости струи в виде:

, (12)

где S - площадь поперечного сечения сдвигаемого блока илистых отложений, м²;

l, l₁ - плечи сил, м; g - ускорение свободного падения, м/с²;

R_c - радиус вращения центра тяжести блока илистых отложений, м;

R - радиус круглоцилиндрической поверхности скольжения блока илистых отложений, м;

ц - угол внутреннего трения илистых отложений, рад; L - длина поверхности скольжения, м;

- постоянная величина, м².

Полученные скорости размывающих струй, проверены по условиям прочности на смятие и вырыв стенки дренажной трубы с целью исключения её разрушения, то есть соблюдения условий:

;. (13)

Максимальные допускаемые скорости размывающих струй на смятие [V_см] и вырыв [V_вр] стенки дренажной трубы могут быть определены по полученным моделям:

;(14)

,

где [у_см] - допускаемое напряжение на смятие стенки дренажной трубы, Па=кг/(мс²); S_п - площадь перфорации, м²; [ф_вр] - допускаемое напряжение на вырыв стенки дренажной трубы, Па; д - толщина стенки дренажной трубы, м.

Гидравлические потери в дренопромывочной машине складываются из местных сопротивлений и потерь напора по длине гидролинии. Поэтому общую компоновку дренопромывочной машины ДПМ-1 выполняли с учетом минимизации гидравлических потерь.

Известная модель суммарных гидравлических потерь напора в гидролинии дренопромывочной машины имеет вид:

, (15)

где ж_сист - коэффициент сопротивления системы.

Используя уравнение неразрывности V_iщ_i=V_kщ_k и учитывая количество и тип местных сопротивлений, установили коэффициент сопротивления системы:

, (16)

где ж_н, ж_ДПУ, ж_шт, ж_ш - коэффициенты сопротивления соответственно напорного трубопровода, ДПУ, соединительных штуцеров, водоподающего шланга; щ_н, щ_ДПУ, щ_шт, щ_ш - площади соответственно напорного трубопровода, цилиндрической части ДПУ, штуцера, водоподающего шланга.

Рассмотрев процесс взаимодействия размывающей струи с несвязными илистыми отложениями внутри дренажной трубы (рис. 6), установили скорость подачи ДПУ, учитывая закон распределения скоростей в затопленной вращающейся струе (от 0 в пограничном слое до V_p на оси струи).

Область размыва распространяется как по глубине слоя илистых отложений, так и в направлении окружной скорости струи (рис. 6). На основании этого получили модель для определения скорости подачи дренопромывочного устройства при размыве несвязных илистых отложений:

, (17)

где V_pс - действительная скорость размывающих струй при Н = 100м = const;

V_p - необходимая размывающая скорость струй, м/с; n_н - частота вращения струеформирующего насадка, с^-1; n_c - количество размывающих сопел.



Рисунок 6 - Схема к определению скорости подачи ДПУ

Учитывая ранее сделанное допущение о том, что объем отрываемого агрегата равен объёму шара диаметром d, получили модель для определения скорости подачи ДПУ при размыве связных илистых отложений:

. (18)

Полученные модели показывают, что основные геометрические и гидравлические параметры ДПУ (d₀, d_0т, б) оказывают влияние не только на процесс размыва и потери напора в гидролинии дренопромывочной машины, но и на скорость перемещения ДПУ в дренажной трубе (рис. 7, 8).



Рисунок 7 - Зависимость скорости подачи ДПУ с тыльными струями от d₀ и d_0т при б = 55°

Рисунок 8 - Зависимость скорости подачи ДПУ с фронтальными струями от d₀ и d_0т при б = 30°

Для определения оптимального соотношения геометрических параметров ДПУ находим локальный максимум целевой функции - скорость подачи. В результате максимизации получаем для ДПУ с тыльными струями (см. рис 7): d₀ = 4,4мм; d_0т = 3,1мм; б = 55°; для ДПУ с фронтальными струями (см. рис. 8): d₀ = 4,5мм; d_0т = 2,6мм; б = 30°. Количество размывающих сопел n_с = 2.

В процессе размыва илистых отложений в дренажных трубах происходит транспортирование пульпы ДПУ с тыльными струями противоположно вектору скорости подачи, а ДПУ с фронтальными струями - в направлении вектора скорости подачи. Тогда плотность пульпы при транспортировании её водным потоком, создаваемым ДПУ с тыльными струями, составит:

, (19)

где S_и0 - площадь поперечного сечения илистых отложений в дрене до их размыва, м²; с_ие - плотность илистых отложений при естественной влажности, кг/м³; Q_У = Q_ДПУт + Q_д; Q_ДПУт - расход ДПУ с тыльными струями, м³/с; Q_д - расход дрены (если имеется), м³/с.

Плотность пульпы при транспортировании её водным потоком, создаваемым ДПУ с фронтальными струями, определяется из выражения:

, (20)

где - расход ДПУ с фронтальными струями, м³/с.

Сравнивая плотность пульпы, транспортируемой внутри дренажной трубы с транспортирующей способностью водного потока , находим необходимое количество проходов n_п ДПУ как с тыльными, так и с фронтальными струями по промываемому участку дрены:

. (21)

На основании полученных математических моделей предлагается методика расчёта параметров процесса размыва илистых отложений внутри дренажных труб:

1. Проводят исследования состояния трубчатой дренажной сети оросительных систем и определяют толщину слоя илистых отложений внутри дренажных труб, а также их физико-механические свойства (C, d, с_u, ц). На основании исследований определяют принадлежность илистых отложений к связным или несвязным илистым отложениям.

2. Создав массив исходных данных, выполняют расчёт необходимой размывающей скорости V_p для ДПУ с тыльными и фронтальными струями.

3. Определяют частоту вращения струеформирующего насадка ДПУ с тыльными и фронтальными струями при размывающей скорости струи V_p.

4. Используя метод расчёта гидравлических потерь в дренопромывочной машине, находят величину скорости струи V_0p на выходе из размывающих сопел ДПУ при H = 100м.

5. Находят действительную размывающую скорость струи V_pc для ДПУ с тыльными и фронтальными струями.

6. Определяют скорость подачи ДПУ с тыльными и фронтальными струями, а так же действительную частоту вращения ДПУ.

7. Проводят сравнение осевых скоростей размывающих струй при незатопленном режиме работы ДПУ с допускаемыми предельными скоростями.

8. Проверяют транспортирующую способность ДПУ и при необходимости назначают количество проходов ДПУ по промываемому участку дрены.

Основной характеристикой процесса размыва илистых отложений является величина требуемой размывающей скорости струи, которая находится в зависимости от сцепления связных илистых отложений (рис. 9). Кроме того, сцепление оказывает влияние на величину скорости подачи дренопромывочного устройства (рис. 10) внутри дренажного трубопровода, а также на удельный расход воды на промывку 1м дренажной трубы (рис. 11).

Рисунок 9 - Зависимость размывающей скорости V_p струи от сцепления C

Рисунок 10 -Зависимость скорости подачи ДПУ U_n от сцепления C



Рисунок 11 -Зависимость удельного расхода воды на 1м дрены от сцепления С

Применение ДПУ с тыльными струями при размыве связных илистых отложений является более эффективным и, как следствие, обеспечивает снижение удельного расхода воды на промывку 1м дрены.

В четвертой главе «Теоретические основы процесса перемещения водоподающего шланга с ДПУ внутри дренажных труб» представлены результаты теоретических исследований перемещения водоподающего шланга с дренопромывочным устройством внутри дренажных труб, а также обоснование параметров и процесса работы шлангоподающего устройства.

Для эффективной очистки внутренней полости дренажных труб необходимо решить три основные задачи: доставить дренопромывочное устройство в любую точку дрены, подать к нему под требуемым напором соответствующее количество воды, удалить илистые отложений из внутренней полости дренажной трубы.

Решение названных задач возможно только при надёжной работе специального шлангоподающего устройства (ШПУ), располагающегося непосредственно в дренажном колодце. От усилия, развиваемого ШПУ и скорости подачи, зависит характер взаимодействия ДПУ с илистыми отложениями в дрене, а также длина промывки дренажной трубы с одной позиции.

По мере перемещения водоподающего шланга внутри дренажной трубы, а также за счёт касания шланга стенки дренажной трубы, возрастает сопротивление перемещению водоподающего шланга с ДПУ. Анализ сил, действующих на ДПУ с водоподающим шлангом (рис. 12, 13), позволил получить математические модели для определения сопротивления перемещению водоподающего шланга и дренопромывочного устройства:

- с фронтальными струями

; (22)

- с тыльными струями

, (23)

где f_ш - коэффициент трения водоподающего шланга о стенку дренажной трубы; q - равномерно-распределенная нагрузка, Н/м;

L - длина промывки дренажных труб с одной позиции, м; l₁ - длина изогнутого участка шланга, м;

f_д - коэффициент трения лыж ДПУ о стенку дренажной трубы;

G_ДПУ - сила тяжести ДПУ, Н; R_сф - горизонтальная составляющая реакции фронтальных размывающих струй ДПУ, Н;

R_ст - горизонтальная составляющая реакции тыльных размывающих струй и лобовой струи ДПУ, Н;

Д - прогиб водоподающего шланга, м; q₂ - равномерно-распределенная нагрузка на участке l₂ водоподающего шланга с учетом выталкивающей силы воды, Н/м.

Полученные зависимости справедливы при .

Рисунок 12 - Силы, действующие на дренопромывочное устройство

Рисунок 13 - Схема сил, действующих на водоподающий шланг

Графические зависимости (рис. 14, 15), полученные на основе моделей сопротивления перемещению водоподающего шланга и ДПУ, показывают, что при одинаковой длине промывки дренажных труб водоподающий шланг и ДПУ с тыльными струями имеют меньшее сопротивление перемещению. При длине промывки L = 250м сопротивление перемещению водоподающего шланга и ДПУ с тыльными струями составляет F_ст = 217 Н, а при промывке дрены ДПУ с фронтальными струями общее сопротивление составляет F_сф = 393,7 Н.



Рисунок 14 - Зависимость сопротивления перемещению ДПУ с тыльными F_ст и фронтальными F_сф струями от длины L промывки дренажных труб

Рисунок 15 - Зависимость длины промывки дренажных труб L_max от напора воды Н на выходе из насоса дренопромывочной машины

Длина промывки дренажных труб L с одной позиции зависит от напора на выходе из насоса дренопромывочной машины (см. рис. 15). При напоре Н = 100м длина промывки составляет 267м, а диаметр водоподающего шланга d = 25мм, что удовлетворяет основному условию очистки дренажных труб без отрывки технологических шурфов по трассе дрены L_max ? 250м.

Для проталкивания водоподающего шланга с дренопромывочным устройством применяется специально разработанное шлангоподающее устройство (патент №78895), основные параметры которого влияют как на процесс промывки дренажных труб, так и на перемещение ДПУ с водоподающим шлангом.

Главным конструктивным параметром ШПУ является диаметр шкива:

, (24)

где d_шн - наружный диаметр шланга, м; Е - модуль упругости материала шланга, МПа; у_u - предел прочности при растяжении материала шланга, МПа; k_з - коэффициент запаса, k_з = 1,85.

Нормальные силы в сечениях набегающей и сбегающей ветвей водоподающего шланга получаем методом кинетостатики, рассмотрев условие мгновенного равновесия малого элемента шланга на шкиве (рис. 16).

Рисунок 16 - Взаимодействие шкива ШПУ с водоподающим шлангом

На рисунке 16: F - усилие, растягивающее шланг в сечении по нормальным площадкам элемента дуги шланга с центральным углом dб; F_n - нормальная реакция шкива на элемент шланга; F_np - усилие, прижимающее водоподающий шланг к шкиву ШПУ.

Рассматривая уравнение мгновенного равновесия в проекциях на касательную и нормаль , получаем дифференциальное уравнение в виде:

. (25)

Интегрируя и решая (25) относительно прижимающего усилия F_пр, получаем математическую модель:

, (26)

где F_с - сила сопротивления перемещению шланга с ДПУ, Н; F_u- усилие от напряжения изгиба, действующее по нормальным площадкам шланга, Н; F_в - сила гидродинамического воздействия воды на внутреннюю стенку шланга, Н; е - основание натурального логарифма; в - центральный угол дуги скольжения шланга по шкиву, в = 0,7б, рад; б - угол обхвата шкива шлангом, рад; f - коэффициент трения шланга о шкив ШПУ; f_к - коэффициент трения качения роликов прижимающей обоймы по шлангу.

Для определения окружной силы на шкиве ШПУ находим математическую модель:

. (27)

С целью обеспечения необходимого запаса прочности водоподающего шланга выполняли проверку его по контактным и максимальным напряжениям.

По мере перемещения водоподающего шланга с ДПУ внутри дренажной трубы возрастет сопротивление перемещению F_с, что приводит к росту требуемого окружного F_t и прижимающего усилия F_np на шкиве (рис. 17).

Рисунок 17 - Зависимость окружного усилия F_t на шкиве ШПУ и прижимающего усилия F_пр от сопротивления перемещению шланга F_с с ДПУ

Увеличение напора воды на выходе из насоса дренопромывочной машины приводит к увеличению гидродинамической силы воды в шланге F_в и вызывает уменьшение как окружного F_t, так и прижимающего F_np усилий при постоянном сопротивлении перемещению F_с водоподающего шланга с ДПУ (F_с = 393,7 Н) (рис. 18).

В результате теоретических исследований установлены основные конструктивные параметры ШПУ: диаметр шкива D_ш = 580мм, диаметр прижимающих роликов по кругу катания d_p =20мм, количество прижимающих роликов z = 19шт и угол обхвата шкива б = р/2 = 90^о.

При этом выявлено, что уменьшение напора воды на выходе из насоса дренопромывочной машины оказывает негативное влияние (F_в) на проталкивающие свойства шлангоподающего устройства. Величина необходимого и достаточного напора воды на выходе из насоса дренопромывочной машины составляет - 100м.

Применение шлангоподающего устройства обеспечивает необходимую длину промывки дрены (не менее 250м) с одной позиции.

Рисунок 18 - Зависимость окружного усилия на шкиве ШПУ F_t и прижимающего усилия F_пр от гидродинамической силы воды F_в

В пятой главе «Экспериментальные исследования» представлены результаты лабораторных и полевых исследований и выполнено сопоставление их с результатами теоретических исследований, а также изложена методика проведения лабораторных и полевых исследований. В процессе лабораторных и полевых исследований контролировались выходные параметры системы очистки трубчатой дренажной сети.

Методика исследований состоит в применении методов оптимизации эксплуатационных параметров и процессов промывки дренажных труб. При этом использовались теоретические и экспериментальные методы, разработки и исследования, применяемые в гидромелиорации, гидравлике и теории решения изобретательских задач.

Экспериментальные исследования проводились на физических моделях в лабораторных и натурных условиях на опытных участках.

Обработка результатов лабораторных и полевых исследований осуществлялась методами математической статистики с использованием ПЭВМ. Контрольно-измерительная аппаратура, применяемая в лабораторных и полевых исследованиях, была поверена в Северо-Кавказском центре стандартизации, метрологии и сертификации (г. Ростов-на-Дону).

Достоверность полученных результатов подтверждалась большим количеством экспериментальных данных, полученных в результате многолетних лабораторных и полевых экспериментов, многократной повторности в опытно-производственных условиях и высокой степенью сходимости результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Для того чтобы, установить влияние скорости подачи дренопромывочного устройства на степень очистки экспериментальной дренажной гофрированной трубы были проведены лабораторные исследования, которые показали, что с увеличением (от расчётной U_nт = 0,381м/с, U_nф = 0,317м/с) скорости подачи ДПУ снижается степень очистки внутренней полости дренажной трубы (рис. 19), а при снижении от расчётной скорости подачи ДПУ степень очистки остается постоянной (не менее 95%), но при этом возрастает удельный расход воды на промывку 1м дрены.

Отклонение значений расчётных параметров от экспериментальных для ДПУ с тыльными струями составило до 5%, для ДПУ с фронтальными струями до 5,4%.

Лабораторные исследования проталкивающих свойств шлангоподающего устройства в зависимости от силы сопротивления F_с и прижимающего усилия F_пр показали (рис. 20), что расхождение между расчётными и экспериментальными значениями окружного усилия F_t на шкиве ШПУ составляет до 5%.

Полученные результаты подтвердили высокую степень адекватности математических моделей и методики расчёта параметров ШПУ.

Рисунок 19 - Зависимость степени очистки С_о дренажной трубы от скорости подачи ДПУ с тыльными U_пт и фронтальными U_пф струями

Рисунок 20 - Зависимость расчётного F_t и экспериментального F_tэ окружного усилия от осевого усилия в сбегающей ветви водоподающего шланга F_с

В процессе лабораторных исследований были установлены коэффициент трения водоподающего шланга f_ш = 0,31 и направляющих лыж ДПУ f_д = 0,26 о стенку дренажной трубы.

Полевые исследования проводились в Ростовской области на Азовской оросительной системе в ЗАО «Обильное» на площади дренирования 200га. На данном участке глубина залегания водоприемной части дрены до 3 м, уклон i = 0,002, при этом в качестве дренажных труб использованы пластмассовые гофрированные трубы Ш 100мм, протяженностью 800м. Расстояние между смежными дренами составляло 200м, расстояние между смотровыми колодцами 400м. Последние ремонтно-эксплуатационные работы на дренажной сети проводились в 1995г.

Исследования свойств илистых отложений и дренажного стока (табл. 1) показали, что илистые отложения, изъятые из дренажных труб, являются связными, а установленное в дренажном стоке количество железа Fe 0,369мг/дм³ < 3мг/дм³ исключает (А.И. Мурашко) образование охры в дрене.

...