Гидромеханизированная очистка трубчатой дренажной сети оросительных систем

Михеев, Александр Васильевич

Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему
Гидромеханизированная очистка трубчатой дренажной сети оросительных систем
ВАК РФ 06.01.02, Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Автореферат диссертации по теме "Гидромеханизированная очистка трубчатой дренажной сети оросительных систем"

На правах рукописи

ГИДРОМЕХАНИЗИРОВАННАЯ ОЧИСТКА ТРУБЧАТОЙ ДРЕНАЖНОЙ СЕТИ ОРОСИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

06.01.02 - «Мелиорация, рекультивация и охрана земель» 05.20.01 - «Технологии и средства механизации сельского хозяйства))

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

- 9 ЛЕН 7П10

Новочеркасск - 2010

004616625

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

Научный консультант:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки и техники РФ

Коршиков Александр Алексеевич

доктор технических наук, профессор, академик РАСХН, Заслуженный деятел науки и техники РФ Григоров Михаил Стефанович

доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ Кузнецов Евгений Владимирович

доктор технических наук, профессор Краснов Иван Николаевич

Ведущая организация

ФГОУ ВПО «Саратовский аграрный университет им. (ФГОУ ВПО СГАУ)

государственный Н.И. Вавилова»

Защита состоится "24" декабря 2010г. в 10м 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 (8635) 22-44-59.

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@obrnadzor.gov.ru.

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

Автореферат разослан "^f"

2010г.

Учёный секретарь диссертационного совета

Иванова Н.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Международный и отечественный опыт показал, что состояние трубчатой дренажной сети в значительной степени влияет на продуктивность орошаемых земель. От эффективности её 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 удельный расход воды на промывку 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 я 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, пере-

мещения дренопромывочных устройств с водоподающим шлангом внутри дренажных труб, что представляет актуальную научную проблему, имеющую важное теоретическое и хозяйственное 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;

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

- обосновать оптимальные гидравлические и конструктивные параметры дренопромывочных устройств;

- исследовать процесс перемещения водоподающего шланга с дрено-промывочным 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 математических моделей адекватно описывающих процесс размыва и транспортирования илистых отложений внутри дренажных труб;

- теоретические основы процесса перемещения дренопромывочного устройства с водоподающим шлангом;

- математические модели, описывающие процесс взаимодействия шлангоподающего устройства с водоподающим шлангом;

- способ очистки дренажных труб низконапорными гидравлическими струями;

- целевые функции и математические модели, позволяющие определить оптимальные конструктивные и рабочие параметры дренопромывочных и шлангоподающего устройств;

- способ подачи дренопромывочного устройства с водоподающим шлангом в дренажный трубопровод;

- экономико-математическая модель формирования состава 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, зависящие от степени заиления и длины промывки дренажных труб с одной позиции;

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

- технико-экономическая эффективность применения комплекса машин для очистки трубчатой дренажной сети, а также увеличение продуктивности орошаемых земель.

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 очиспси дренажных труб низконапорными гидравлическими струями;

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

- усовершенствованная технология и комплекс маший 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.

Соответствие диссертации Паспорту научных специальностей:

- 06.01.02 - «Мелиорация, рекультивация и охрана земель» пунктам 7,24;

- 05.20.01 - «Технологии и средства механизации сельского хозяйства» пунктам 2,4,6.

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.

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

Достоверность результатов исследований подтверждена:

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

- 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;

- 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.

раторного 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 составляет более 80%.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены на научно-технических конференциях, совещаниях и семинарах: Новочеркасск, 1995-2010 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 г. - Всероссийская научно-техническая конференция, посвященная 100-летию со дня рождения И.И. Смирнова «Теория и проектирование сельскохозяйственных машин и оборудования»; Москва, 2008 г. - международная научно-практическая конференция «Роль мелиорации и водного хозяйства в реализации национальных проектов».

Усовершенствованная технология гидромеханизированной очистки трубчатой дренажной сети оросительных систем, а также конструкции дренопромывоч-ных 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 54 научных трудах, включающих: 2 монографии, 11 работ, опубликованных в рекомендуемых ВАК изданиях, 3 патента. Общая доля личного участия автора в работах, опубликованных в соавторстве, составляет более 75%.

Объем и структура диссертации. Работа изложена на 344 страницах машинописного текста, состоит из введения, 7 глав, общих выводов и рекомендаций производству, списка литературы из 249 наименований, в том числе 23 иностранных авторов, содержит 28 таблиц, 109 рисунков и 27 приложений.

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%. При этом более 50% орошаемых земель находится в неудовлетворительном состоянии из-за низкой эффективности работы трубчатой дренажной сети.

Вопросам повышения эффективности работы дренажных систем и совершенствованию средств механизации для их очистки посвящены работы:

A.Н. Костякова, В.А. Духовного, И.П. Айдарова, А.И. Мурашко, З.Я. Хруц-кой, H.H. Бредихина, Д.П. Савчука, Ц.Е. Мирцхулавы, Г.А. Сенчукова,

B.И. Ольгаренко, В.Н. Щедрина, М.С. Григорова, Е.В. Кузнецова, A.A. Кор-шикова, В.А. Волосухина, В.М. Зубца, Е.Д. Томина, Б.А. Елизарова, П.К. Лукашенко, В.И. Миронова, Ю.М. Косичеико, A.A. 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'дренопромывоч-ными 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 выполняется 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 и/ч.

Проведенный анализ существующих технологий и средств механизации для очистки трубчатой дренажной сети, а так же известных работ в рассматриваемой области, позволил установить факторы, влияющие на гидромеханизированную очистку трубчатой дренажной сети оросительных систем (рис. 1). Эффективность данной очистки определяется выходными параметрами, которые отражают процессы взаимодействия очистки и внешней среды. Наличие и величина рассогласования этих параметров определяется под влиянием внешних и внутренних факторов.

Эффективность технологии очистки возрастёт, если увеличить производительность комплекса машин, степень очистки трубчатой дренажной сети и снизить эксплуатационные затраты. При этом очистка трубчатой дренажной сети приведёт к улучшению её работы и, как следствие, повышению продуктивности орошаемых земель.

Внутренние факторы

Управление мелиоративной системой

Технологии очистки

Технические средства

Рабочие органы дрено-промывочных машин

Внешние факторы

Требования к техническому состоянию трубчатой дренажной сети

Параметры трубчатой дренажной сети

Способы и режимы орошения

Физико-механические свойства илистых отложений

Выходные параметры

Производительность комплекса машин

Эксплуатадионные затраты

Степень очистки дренажной сети

Продуктивность орошаемых земель

Гндромеханизирошшнап очистка трубчатой дреиалснон сети оросительных систем

Процессы

Очистки дренажных труб

а «

° ч.

п. э

Я и

~ Л

& £ § &

3 §

Очистки смотровых колодцев

3 о.

Утилизации илистых отложений

К и

о. и о Р ю о

м о

Сч &

3 §

а з

я 8

а «

я &

Контроль

Рисунок 1 - Структура гидромеханизированной очистки трубчатой дренажной сети оросительных систем С целью оптимизации выходных параметров процесса очистки дренажных труб (рис. 2) необходимо максимизировать скорость подачи дренопро-мывочного устройства, степень очистки дренажных труб, окружную силу на шкиве шлангоподающего устройства (ШПУ) и минимизировать количество проходов ДПУ по промываемому участку дрены, сопротивление перемещению дренопромывочного устройства с водоподающим шлангом, усилие, прижимающее шланг к шкиву шлангоподающего устройства.

Внешние факторы * ф Очистка Хдренажных труб/ -. .. - ' Чг ' Размыв илистых отложений • ' * ф «= «= Внутренние факторы

Физико-механические свойства илистых отложений С, ри, с1,„ 1ги Конструктивные параметры ДПУ <1„, с/о, с?0га> йдпу Гидравлические параметры ДПУ Уро Кыф), Н, ЪИтр

Гидравлические характеристики илистых отложений с1ср, &>о, Ст р{) *> Транспортирование пульпы

Перемещение ДПУ с водоподаюпщм шлангом ___4___А___ Транспортирующая способность уп,рп

Параметры дрены А К Л, Конструктивные параметры ШПУ Параметры водоподающего шланга с1шч, Е

Длина промывки дренажных труб 1 1 1 1 1 Выходные параметры ^С [ Рпр I 1 1 1 1

Рисунок 2 - Элементы процесса очистки дренажных труб

На процесс очистки дренажных труб оказывают влияние следующие факторы и параметры.

1. Внешние (неуправляемые) факторы:

- физико-механические свойства илистых отложений: С - сцепление частиц илистых отложений, Па; ри - плотность частиц илистых отложений, кг/м3; <1Ч - диаметр частицы илистых отложений, м; ки - толщина слоя илистых отложений в дрене, м;

- гидравлические характеристики илистых отложений: с!ср - осредненная крупность частиц всего состава илистых отложений, м; со0 - осредненная гидравлическая крупность илистых отложений, см/с; (?„ - сила тяжести частицы в воде, Н; р0 - плотность воды, кг/м3;

- параметры дрены: О - диаметр дрены, м; ()д - расход дрены, м3/с г - уклон дренажной линии; Р„ - пригружающее действие водного потока, Па;

- длина промывки дренажных труб: Ь - длина промывки дренажных труб с одной позиции, м; /д - коэффициент трения направляющих лыж ДНУ о стенку дренажной трубы; /ш - коэффициент трения водоподающего шланга о стенку дренажной трубы.

2. Внутренние (управляемые) факторы:

- конструктивные параметры ДПУ: с1н - диаметр струеформирующего насадка ДПУ по центрам размывающих сопел, м; ¿а - диаметр размывающих сопел, м; - диаметр тангенциальных сопел, м; а - угол наклона размывающих сопел, рад; йдпу - сила тяжести ДПУ, Н;

- гидравлические параметры ДПУ: Урс - скорость размывающей струи, м/с; Яст(ф) — горизонтальная составляющая реакции размывающих струй ДПУ, Н; Я - напор на выходе из насоса дренопромывочной машины, м; игтр - суммарные потери напора в дренопромывочной машине, м;

- транспортирующая способность: у„ - транспортирующая способность водного потока, создаваемого ДПУ, кг/м3; рп - плотность пульпы, кг/м3;

- конструктивные параметры ШГГУ: £>ш - диаметр шкива ШПУ, м; йр - диаметр прижимающих роликов по кругу катания, м; ъ - количество прижимающих роликов;

- параметры водоподающего шланга: ёшн - наружный диаметр водоподаю-щего шланга, м; Е- модуль упругости материала водоподающего шланга, МПа.

3. Выходные параметры (критерии оптимизации): £У„ - скорость подачи ДПУ, м/с; С0 - степень очистки внутренней полости дрены; п„ - количество проходов ДПУ по промываемому участку дрены; Гс - сила сопротивления перемещению водоподающего шланга и ДПУ, Н; ^ - окружное усилие на шкиве ШПУ, Н; Р„р - усилие, прижимающее водоподакяций шланг к шкиву ШПУ, Н.

На основе анализа процессов гидромеханизированной очистки трубчатой дренажной сети оросительных систем разработана структура системы математических моделей, позволяющая оценить влияние и взаимосвязь математических моделей и элементов процесса очистки дренажных труб (рис. 3).

Структура системы математических моделей показывает, что каждая из рассматриваемых отдельных моделей оказывает воздействие на элементы процесса очистки дренажных труб. Кроме того, выходные параметры одних моделей являются исходными данными для других моделей.

Рисунок 3 - Структура системы математических моделей

Во второй главе «Теоретические исследования процесса очистки дренажных труб от илистых отложений» обоснованы основные конструктивные параметры ДПУ с тыльными и фронтальными струями, а так же представлены результаты теоретических исследований процесса взаимодействия размывающих струй ДПУ с несвязными и связными илистыми отложениями в дренажной трубе. Обоснована максимальная допускаемая скорость размы-

вающих струй ДПУ и гидравлические потери напора в дренопромывочной машине. На основании полученных результатов оптимизированы параметры ДПУ (¿4, ¿от, а) как с тыльными, так и с фронтальными струями. Установлено влияние расхода воды ДПУ на транспортирующую способность водного потока в дренажной трубе. Разработана методика и алгоритм расчёта параметров процесса размыва илистых отложений внутри дренажных труб.

На основании проведенного анализа способов очистки дренажных труб и конструкций ДПУ предложено дренопромывочное устройство (рис. 4) активного типа с направляющими лыжами и вращающимся струеформирующим насадком, обеспечивающим формирование гидравлических размывающих струй.

а - с тыльными струями; б - с фронтальными струями; 1 - лобовое размывающее сопло; 2 - вращающийся струеформирующий насадок; 3 - тангенциальное сопло; 4 и 9- тыльные и фронтальные размывающие сопла; 5 - уплотнение; 6 - подшипник скольжения; 7 - корпус; 8 - направляющие лыжи Рисунок 4 - Конструктивные схемы ДПУ (патент РФ №31342)

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 использованы как тыльные (рис. 4а) так и фронтальные струи (рис. 46).

С целью обоснования основных конструктивных параметров ДПУ сделано допущение о совпадении продольной оси дрены с продольной осью дренопромывочного устройства.

С учётом затопленного режима работы дренопромывочного устройства и сделанного допущения составлена расчётная схема размещения дренопромывочного устройства в дренажной трубе (рис. 5).

Рисунок 5 - Схема размещения ДПУ в дренажной трубе

Анализ предложенной схемы (рис. 5) позволил получить математическую модель, описывающую связь между основными параметрами ДПУ и диаметром дренажной трубы:

ВидА

с!и -Б-Ш^та-, <1Н = ^В1 -Ъ2А^тсоз2Д

т '

где /?„ - угол наклона тангенциальных струй, рад.

В результате проведенных исследований установлены следующие конструктивные параметры ДПУ: диаметр вращающегося струеформирукмцего насадка по центрам размывающих сопел = 50мм; диаметр центрального лобового размывающего сопла, характерного только для ДПУ с тыльными струями (1Л - 1,5мм; диаметр направляющих лыж Д, = 80мм, обусловленный проведением в процессе промывки контроля качества построенной дрены; длина направляющих лыж Ья - 160мм, количество лыж п, = 6.

Внутренняя камера предлагаемого ДПУ состоит из трёх основных частей - расширяющаяся (диффузор), цилиндрическая и сходящаяся часть (кон-фузор). Диффузор ДПУ рекомендовано изготавливать в виде плавно расширяющегося по криволинейной поверхности участка с постоянным градиентом давления. Цилиндрическая часть камеры ДПУ имеет длину 1Ч = с10т. Кон-фузор ДПУ предложено выполнять в виде конуса. Толщина стенки ДПУ в местах устройства струеформирующих сопел принята равной д = 3

В дальнейших теоретических исследованиях процесса очистки дренажных труб от илистых отложений 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 (рис. 6) 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.

777

Рисунок 6 - Размыв связных илистых отложений тыльными струями

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

1 Ре 1 Н—— cos (X

= С + Р„ cosQr +—cosa,

(2)

где п - коэффициент перегрузки, учитывающий пульсационный характер скоростей; т - коэффициент условий работы; Рс - лобовое результирующее усилие размывающей струи, Н; U = ¿¡d - плечо лобового усилия, м; d- средний диаметр агрегата, м; W - момент сопротивления опорной части агрегата, м3; Рв - равнодействующая подъемного усилия, Н; Sa - площадь опорной части агрегата, м2.

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. 6):

2 С 2 Л

= a +1 d р cos а _.i dasac- - d„SaPH cos« - r„Ge cos a cos 9, (3)

dt my W 2 ° 8 j 2 a a 2 a a Н а в

где I- момент инерции агрегата, кгм2; da=S^d - диаметр опорной части агрегата, м; га - радиус опорной части агрегата, м; В - текущий угол положения центра тяжести агрегата, рад.

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

4/(0-0о -а)

2— т Ж 2 - - 5^<ШаРн соэа - сЮд со$асо${00 + а)

где во - начальный угол положения центра тяжести агрегата, рад.

Так как отрываемый агрегат связных илистых отложений выступает над поверхностью размыва на Лв= 0,7с1, находим время воздействия тыльной струи на агрегат, исходя из гидравлических и конструктивных параметров ДПУ:

\,Ас1 _ 16,8дИ0эта 9Р ¡2^

564,48СхЯхс12н(р1 ,

где а =--- - постоянная величина для конкретных условий, м ;

щ(р-аиу(р1

п„ - частота вращения струеформирующего насадка ДПУ, с"1; Сх - коэффициент гидродинамических сопротивлений; - характерная площадь обтекаемого тела - ДПУ, м2; <рр - коэффициент расхода размывающих струй; ц - КПД подшипника и уплотнения; (рт - 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 IV и I, получаем модель для определения размывающей скорости тыльной струи ДПУ в виде:

0,5726

С + ( Рп +1,7465 % со5(0о + а)\ соэаг

-(0,2986 + 0,0353соза)р0--ри

30'

Лр1

ас?о бш2 а ч 2

-дп-а

(6)

Размыв связных илистых отложений фронтальными струями имеет некоторые особенности. Принимаем с допустимой точностью, что при предельном состоянии выступа Ав- 0,7й усилие Ре приложено в центре, а лобовая сила отраженной фронтальной гидравлической струи Рс - выше середины выступа и направлена параллельно стенке дренажной трубы (рис. 7).

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 Рд, прижимающее действие водного потока и сцепление.

Рисунок 7 - Размыв связных илистых отложений фронтальными струями Предельное состояние агрегата илистых отложений выражается:

= С + РЛ+Р„+-

(7)

Записываем уравнение движения агрегата в дифференциальной форме, полагая, что ось его вращения проходит через начало координат (см. рис. 7):

,агв _ п сЛ2 т

РДйа ^ 1

-¿АС-^ад,-\<1а5арн-гаСв СО80. (8)

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

Уп =

( с ^

0,5726 С+Ри+1,7465-^-соб^о

0,3339

— - 3,2237а3( —[ эта т \7t-a

Л>

-1*0 О (* е У *

30 ас/д5т2а{2 °Ая-а

,(9)

где аз - коэффициент отношения сухих контактов к общей опорной части частицы.

Используя аналогичные методы, получены модели для определения скорости струй ДПУ при размыве несвязных илистых отложений: а) тыльными струями

V =

' рн

С + Р..+-

-СОБ

{00 +а)

0,0733« 7л- (л й „

От 30 о,</0 ап «12

(10)

б) фронтальными струями

ри

С + Ря+-£соз&

Ро

0'0733"-1,88«З( *

п-а

вша

1п

,(Ц)

30 "" а^о вт2а1.2 )\п-а

где а{:

■ постоянная величина для конкретных условии, м .

/ф-<1И¥(р1

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

(13)

Максимальные допускаемые скорости размывающих струй на смятие \УсЛ и вырыв [Увр\ стенки дренажной трубы могут быть определены по полученным моделям:

Щ 4 эта

-5.

[О

ж/0р08та

0>75П+1)Л СП ¡г ]

с/0р08та

-,(14)

где [асм] - допускаемое напряжение на смятие стенки дренажной трубы, Па; Бп - площадь перфорации, м2; [тер] - допускаемое напряжение на вырыв стенки дренажной трубы, Па; ёд - толщина стенки дренажной трубы, м.

Гидравлические потери в дренопромывочной машине складываются из местных сопротивлений и потерь напора по длине гидролинии. Поэтому об-

щую компоновку дренопромывочной машины ДПМ-1 выполняли с учетом минимизации гидравлических потерь.

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

I Кр Ссист

(15)

где (акт - коэффициент сопротивления системы; Ук - скорость воды в цилиндрической части камеры ДПУ, м/с; g - ускорение свободного падения, м/с2.

Используя уравнение неразрывности и учитывая количество и

тип местных сопротивлений, установили коэффициент сопротивления системы:

Ссист ^ н

<ЛУ

\®ДПУ )

+ С*

а.

(0„

+ <ГЫ

(16)

где („, Сдпу, Сшт, Сш - коэффициенты сопротивления соответственно напорного трубопровода, ДПУ, соединительных штуцеров, водоподающего шланга; со„, юдпу, сошт, сош - площади соответственно напорного трубопровода, цилиндрической части ДПУ, штуцера, водоподающего шланга, м2; сос - суммарная площадь сопел дренопромывочного устройства, м2.

Рассмотрев процесс взаимодействия размывающей струи с несвязными илистыми отложениями внутри дренажной трубы (рис. 8), установили скорость подачи ДПУ, учитывая закон распределения скоростей в затопленной вращающейся струе (от 0 в пограничном слое до Ур на оси струи).

Область размыва распространяется как по глубине слоя илистых отложений, так и в направлении окружной скорости струи (рис. 8). На основании этого получили модель для определения скорости подачи дренопромывочного устройства при размыве несвязных илистых отложений:

Л/ \2

(17)

_ dlnHnc

У!

Ьи апа

где пс — количество размывающих сопел.

; рс

V \ Р» J

\ ип

Рисунок 8 - Схема к определению скорости подачи ДПУ

Учитывая ранее сделанное допущение о том, что объем отрываемого агрегата равен объёму шара диаметром с1, получили модель для определения скорости подачи ДПУ при размыве связных илистых отложений:

тт _ МЪПнПс

«И

V 42

' рс

Ч^р,

(18)

й^та

Полученные модели показывают, что основные гидравлические и конструктивные параметры ДПУ (<4, ¿от> а) оказывают влияние не только на процесс размыва и потери напора в гидролинии дренопромывочной машины, но и на скорость перемещения ДПУ в дренажной трубе (рис. 9,10).

Рисунок 10 - Зависимость скорости подачи ДПУ с фронтальными струями от

с/о и ¿4» при а = 30° Для определения оптимального соотношения конструктивных параметров

ДПУ находим локальный максимум целевой функции - скорость подачи. В ре-

зультате максимизации получаем для ДПУ с тыльными струями (см. рис. 9): ¿0=4,4мм; с1йт = 3,1мм; а = 55°; для ДПУ с фронтальными струями (см. рис. 10): ¿о - 4,5мм; (¡от = 2,6мм; а = 30°. Количество размывающих сопел пс = 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:

^иаРие+^Ро

- с тыльными струями р„-рг—; (19)

^иОРие | Цг

Ри ип

С л , ®ДПУФ д ¿иОРие + ~ Рй

- с фронтальными струями рп ---г-2-, (20)

Ри и„

где бг = 0дпУт+0д', (2яиУт и 0.дпуф - расход ДПУ с тыльньши или фронтальными струями, м3/с; - площадь поперечного сечения илистых отложений в дрене, м2; рие - плотность илистых отложений при естественной влажности, кг/м3.

Сравнивая плотность пульпы, транспортируемой внутри дренажной трубы рп с транспортирующей способностью водного потока /„, находим необходимое количество проходов п„ ДПУ по промываемому участку дрены:

пп= — - (21)

Гп

Используя полученные математические модели, разработана методика и алгоритм расчёта параметров процесса размыва и транспортирования илистых отложений внутри дренажных труб.

Основным параметром процесса размыва илистых отложений является величина требуемой размывающей скорости струи, которая находится в зависимости от сцепления связных илистых отложений (рис. 11). Сцепление оказывает влияние на величину скорости подачи ДПУ (рис. 12) внутри дрены, а также на удельный расход воды на промывку 1м дрены (рис. 13).

3,5 3

| 2,5 4 2

Ь* 1

0,5 0

Урф{С)

3 5 7 9 С, кПа

11 13 15

Рисунок 11 - Зависимость размывающей скорости ¥р струи от сцепления С

0,25

С) 0,2

■я. 0,15

0,1

0,05

и„т(С

и„ф(С)

1 3 5 7 9 11 13 15 С, кПа

Рисунок 12 -Зависимость скорости подачи ДПУ 1/„ от сцепления С

дет, Л/М деф, л/м

Явф(С)

МО

1 1

2000 4000 6000 8000 1-104 1.2 •1041.4-104

С, Па

Рисунок 13 -Зависимость удельного расхода воды на 1м дрены от сцепления С

Анализ графических зависимостей (см. рис. 11, 12, 13) показывает, что 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 третьей главе «Теоретические исследования 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 ДПУ в любую точку дрены, подать к нему под требуемым напором соответствующее количество воды, удалить илистые отложения из внутренней полости дренажной трубы.

Решение названных задач возможно только при надёжной работе шлангоподающего устройства (ШПУ), которое располагается 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 с ДПУ внутри дренажной трубы возрастает сопротивление перемещению. Анализ сил, действующих на ДПУ с водоподающим шлангом (рис. 14, 15), позволил получить математические модели для определения сопротивления перемещению водоподающего шланга и дренопромывочного устройства:

- с фронтальными струями

(22)

- с тыльными струями Рс =

/ш(ч2^-11шХ)+ч1шХ)+гд[аДПУ

-Я,

,(23)

где д - равномерно-распределенная нагрузка, Н/м; 1Ш\ - длина изогнутого участка шланга, м; Л - прогиб водоподающего шланга, м; Цг - равномерно-распределенная нагрузка на участке 1шг водоподающего шланга с учетом выталкивающей силы воды, Н/м.

Полученные зависимости справедливы при 2/ы <Ь< (1ш2 + 2 /ш1).

Рисунок 14 - Схема сил, действующих на дренопромывочное устройство

у/////////

¡ш\

ип

/////////////////////////////////. ■///////// ■/

В-шпу

ш 1

я.

«ш2

у/;;/;;;/,

Я,

Рисунок 15 - Схема сил, действующих на водоподающий шланг

Графические зависимости (рис. 16), полученные на основе моделей для определения 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 Ь = 250м сопротивление перемещению водоподающего шланга и ДПУ с тыльными струями составляет^ = 217 Н, а при промывке дрены ДПУ с фронтальными струями общее сопротивление составляет Гсф = 393,7 Н.

400 350 300 250 200 150 100 50 0

1 1

РсфЩ \

ь) -

0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 Ь, м

Рисунок 16 - Зависимость сопротивления перемещению ДПУ с тыльными Гс„ и фронтальными ¥Сф струями от длины Ь промывки дренажных труб Для проталкивания водоподающего шланга с дренопромывочным устройством применяется специально разработанное шлангоподающее устройство (патент №78895). Главным конструктивным параметром ШПУ является диаметр шкива (рис. 17).

Рисунок 17 - Взаимодействие шкива ШПУ с водоподающим шлангом

Нормальные силы в сечениях набегающей и сбегающей ветвей водопо-дающего шланга получены методом кинетостатики из условия мгновенного равновесия малого элемента шланга на шкиве (см. рис. 17).

На рисунке 17: ¥ - усилие, растягивающее шланг в сечении по нормальным площадкам элемента дуги шланга с центральным углом Р„ - нормальная реакция шкива на элемент шланга.

Рассматривая уравнение мгновенного равновесия в проекциях на касательную и нормаль Х-АГ* ~Х^* получаем дифференциальное урав-

¿р

нение в виде: --=г = /с1аш. (24)

р+р М-А)

г пр 1 г

V 1 )

Интегрируя и решая (24) относительно прижимающего усилия Рпр, получаем математическую модель:

где Ри- усилие от напряжения изгиба, действующее по нормальным площадкам шланга, Н; Рв - сила гидродинамического воздействия воды на внутреннюю стенку шланга, Н; е - основание натурального логарифма; /? - центральный угол дуги скольжения шланга по шкиву, /? = 0,7аш, рад; аш - угол обхвата шкива шлангом, рад; /- коэффициент трения шланга о шкив ШПУ; /К - коэффициент трения качения роликов прижимающей обоймы по шлангу.

Для определения окружной силы на шкиве ШПУ находим математическую модель:

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

(25)

(26)

По мере перемещения водоподающего шланга с ДПУ внутри дренажной трубы возрастет сопротивление перемещению Fc, что приводит к увеличению требуемого окружного Ft и прижимающего Frp усилий на шкиве ШПУ (рис. 18).

1200 1000 800

400 200

° 0 50 100 150 200 250 300 350 400

К, Н

Рисунок 18 - Зависимость окружного усилия Р, на шкиве ШПУ и прижимающего усилия Рпр от сопротивления перемещению Fí шланга с ДПУ

Увеличение напора воды на выходе из насоса дренопромывочной машины приводит к увеличению гидродинамической силы воды в шланге Р„ и вызывает уменьшение как окружного Р,, так и прижимающего Рпр усилий при постоянном сопротивлении перемещению Рс водоподающего шланга с ДПУ (Рс = 393,7 Н) (рис. 19).

В результате проведённых теоретических исследований установлены основные конструктивные параметры ШПУ: диаметр шкива £>ш = 580мм, диаметр прижимающих роликов по кругу катания с1р =20мм, количество прижимающих роликов г = 19шт и угол обхвата шкива аш = л/2 = 90°. При этом выявлено, что уменьшение напора воды на выходе из насоса дренопромывочной машины оказывает негативное влияние (Ре) 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.

1600 1400 1200

F„ Н тт юоо

гпр, И

800 600 400

0 50 100 150 200 250 300 350 400 Fe, Н

Рисунок 19 - Зависимость окружного усилия на шкиве ШПУ F, и прижимающего усилия Fnp от гидродинамической силы воды F„

В четвертой главе «Методика проведения экспериментальных исследований» изложена методика проведения лабораторных и полевых исследований, а так же схемы и принцип работы экспериментальных установок.

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. Контрольно-измерительная аппаратура, применяемая в лабораторных и полевых исследованиях, была поверена в Северо-Кавказском центре стандартизации, метрологии и сертификации (г. Ростов-на-Дону).

Обработка результатов лабораторных и полевых исследований осуществлялась методами математической статистики с использованием ЭВМ. Для

получения большей информации об изучаемом явлении совместно использовали корреляционный, регрессионный и дисперсионный анализ.

Если в процессе обработки экспериментальных данных расчетное значение критерия Фишера не превышало табличного (7^ < то с соответствующей доверительной вероятностью (95%) уравнение регрессии или математическую модель считали адекватными.

В пятой главе «Экспериментальные исследования» представлены результаты лабораторных и полевых исследований и выполнено сопоставление их с результатами теоретических исследований. В процессе лабораторных и полевых исследований контролировались выходные параметры гидромеханизированной очистки трубчатой дренажной сети оросительных систем.

Для установления влияния скорости подачи дренопромывочного устройства на степень очистки экспериментальной дренажной гофрированной трубы были проведены лабораторные исследования, которые показали, что с увеличением (от расчётной ипт = 0,381м/с, 1/пф = 0,317м/с) скорости подачи ДПУ снижается степень очистки внутренней полости дренажной трубы (рис. 20), 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.

100 -90 -# 80-

о5 70 -!

60 -50 -

ОД 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 11п, м/с

Рисунок 20 - Зависимость степени очистки Са дренажной трубы от скорости подачи ДПУ с тыльными IIпт и фронтальными 11„ф струями

Отклонение расчётных параметров от экспериментальных для ДПУ с тыльными струями составило до 5%, для ДПУ с фронтальными струями до 5,6%.

Лабораторные исследования проталкивающих свойств шлангоподающе-го устройства в зависимости от силы сопротивления Рс и прижимающего усилия Рпр показали (рис. 21), что расхождение между расчётными и экспериментальными значениями окружного усилия Р, на шкиве ШПУ составляет до 5%.

600 500 400

; 300 200 100 0

Р^ =1,3574^ +107,37

Я2 = 0,983

Ра ,

100

150 200

250

300

Рисунок 21 - Зависимость расчётного Р, и экспериментального Р,3 окружного усилия от осевого усилия в сбегающей ветви водоподающего шланга Рс

По критерию Фишера уравнение регрессии (см. рис. 21) (Рфр < Р05; 3,52 < 5,9) и математическая модель (Рф < /^5; 4,23 < 5,9) адекватны. Полученные результаты подтвердили высокую степень адекватности математических моделей, методики и алгоритма расчёта параметров ШПУ.

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

Полевые исследования проводились в Ростовской области на Азовской оросительной системе в ЗАО «Обильное» на площади дренирования 200 га. На данном участке глубина залегания водоприемной части дрены до 3 м, уклон г = 0,002, при этом в качестве дренажных труб использованы пла-

стмассовые гофрированные трубы 0 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 Бе 0,369мг/дм3 < Змг/дм3 исключает (А.И. Мурашко) образование охры в дрене.

Таблица 1 - Характеристика илистых отложений и дренажного стока

№ Определяемые показатели Ед. изм. Фактические значения

Илистые отложения

1 Плотность при естественной влажности кг/м3 1920

2 Плотность частиц кг/м3 2690

3 Сцепление кПа 7

4 - 0,34

5 Осредненный диаметр частиц мм 0,032

6 Содержание железа Ре мг/кг 4,1

7 Классификация илистых отложений как грунта - Суглинок тёмно-серый, иловатый, текучей консистенции

Дренажный сток

8 Взвешенные вещества мг/дм3 35,7

9 Минерализация мг/дм3 3168

10 Железо растворённое мг/дм3 0,331

11 Железо общее мг/дм3 0,369

Промывку дренажных труб проводили с помощью дренопромывочной

машины ДПМ-1, учитывая результаты теоретических и лабораторных исследований (табл. 2). При промывке дрены ДНУ с тыльными струями подачу производили на уклон дренажной линии из низового колодца, а при промывке дрены ДНУ с фронтальными струями подачу производили по уклону дренажной линии из верхового колодца.

В процессе полевых исследований фиксировались сопротивление перемещению ДПУ с водоподающим шлангом, длина промывки дрены с одной

позиции, удельный расход воды на промывку 1м дрены, производительность дренопромывочной машины и комплекса вспомогательных машин (табл. 3). Таблица 2 - Результаты расчёта параметров процессов размыва илистых

отложений и перемещения водоподающего шланга с ДПУ (при Н= 100м)

Параметры Ед. изм. Значение для ДПУ со струями

тыльными фронтальными

Необходимая размывающая скорость м/с 2,092 2,253

Действительная размывающая скорость м/с 14,997 8,473

Осевая скорость размывающей струи м/с 17,337 18,828

Напор в камере ДПУ M 22,784 26,871

Частота вращения струеформирующего насадка ДПУ мин"1 684,606 748,28

Расход воды из ДПУ л/с 0,791 0,777

Скорость подачи ДПУ м/с 0,077 0,065

Частота вращения шкива ШПУ мин"1 2,536 2,14

Число проходов ДПУ - 2 2

Таблица 3 - Результаты производственных исследований промывки дрен

Параметры Ед. изм. Значение для ДПУ со струями

тыльными фронтальными

Производительность дренопромывочной машины ДПМ-1 м/ч 185 156

Давление на выходе из насоса ДПМ-1 МПа 1 1

Удельный расход воды на 1м дрены л/м 15,4 18

Скорость подачи ДПУ м/с 0,077 0,065

Скорость обратного хода ДПУ м/с 0,154 0,13

Частота вращения шкива ШПУ мин'1 2,54 2,15

Длина промывки дрены с одной позиции M до 270 до 260

Средняя толщина слоя илистых отложений мм до 25 до 25

По полученным данным построены графические зависимости окружного усилия, определённого расчётным Ft и экспериментальным путем Р,-„ на шкиве ШПУ от длины промывки дренажной трубы Ь, для ДПУ с тыльными (рис. 22) и фронтальными (рис. 23) струями.

Дисперсионный анализ результатов исследований показал, что по критерию Фишера для ДПУ с тыльными струями (рис. 22) уравнение регрессии (Рфр<Р05; 3,13<4,7) и математическая модель (Рф<Ро5\ 4,2<4,7) адекватны, для

ДПУ с фронтальными струями (рис. 23) уравнение регрессии (i^p^i*05; 3,8<4,7) и математическая модель (F0<FO5; 4,11<4,7) также адекватны.

500 400 Я 300 ^ 200 100 0

0 50 100 150 200 250 300 L, м

Рисунок 22 - Зависимость окружного усилия F, и Fa на шкиве НОТУ от длины промывки дрены L, для ДПУ с тыльными струями

700 600 500 Я 400 bf 300 200 100 0

0 50 100 150 200 250 300 L, м

Рисунок 23 - Зависимость окружного усилия F, и F,3 на шкиве ШПУ от длины промывки дрены L, для ДПУ с фронтальными струями В процессе экспериментов фиксировали максимальную длину промывки дрены с одной позиции при различной величине напора на выходе из насоса дренопромывочной машины.

1 1 -Ft3 =2,1191 +52,35 » 2 - П QO 1 Fг *

F,3

Графические зависимости (рис. 24) показывают, что при напоре на выходе из насоса дренопромывочной машины Н = 100м максимальная длина промывки дрены с одной позиции, установленная аналитически Ьтах и экспериментально Ьэти, составляет более 250 м, что исключает отрывку технологических шурфов по трассе дрены (Ьтах > 250м).

350 300

а 250

200 150 100

50 60 70 80 90 100 110 120 Н, м

Рисунок 24 - Зависимость длины промывки и Ьэтах дренажных труб от напора воды Я на выходе из насоса дренопромывочной машины

Дисперсионный анализ результатов исследований показал, что по критерию Фишера уравнение регрессии (см. рис. 24) {Рфр < Р05, 1,94 < 4,7) и математическая модель [Рф < ^05,3,06 < 4,7) адекватны.

Результаты лабораторных и полевых исследований подтвердили высокую степень адекватности и достоверности предлагаемых автором математических моделей, методики и алгоритмов расчёта параметров процессов размыва илистых отложений и перемещения ДНУ с водоподающим шлангом.

В шестой главе «Усовершенствованная технология гидромеханизированной очистки трубчатой дренажной сети оросительных систем» дано обоснование технологических операций, схем и регламентов на очистку трубчатой дренажной сети оросительных систем.

На основании теоретических, лабораторных и полевых исследований предлагается усовершенствованная технология гидромеханизированной

очистки трубчатой дренажной сети оросительных систем низконапорной (#= 100м) дренопромывочной машиной ДПМ-1.

Усовершенствованная технология состоит из нескольких последовательно выполняемых технологических процессов. На предварительном этапе производят очистку смотровых колодцев механическим способом, а затем выполняют следующие основные технологические операции: 1) промывают дренажную трубу ДПУ с тыльными струями из низового колодца на уклон дренажной линии на расстояние 270м; 2) перемещают дренопромывочную машину ДПМ-1 к центральному смотровому колодцу; 3) производят промывку дренажной трубы ДПУ с тыльными струями на уклон дренажной линии на расстояние 270м; 4) не меняя позиции, промывают нижележащую дренажную линию ДПУ с фронтальными струями на расстояние 1\= Ьк- 260м, где Ьк - расстояние между смотровыми колодцами (на участке дренирования 200га ЗАО «Обильное» /[ = 400 - 260 = 140м); 5) перемещают ДПМ-1 к верховому смотровому колодцу; 6) производят промывку дренажной трубы ДПУ с фронтальными струями на расстояние А. На заключительном этапе производят повторную очистку смотровых колодцев и закрывают крышки колодцев.

При производстве работ по очистке трубчатой дренажной сети на Азовской оросительной в ЗАО «Обильное» утилизация илистых отложений производилась путем использования их для выравнивания просевшего грунта вокруг смотровых колодцев.

Усовершенствованная технология очистки дренажных труб (рис. 25) по сравнению с существующей имеет ряд преимуществ, а именно: количество технологических операций по предлагаемой технологии - 6, по существующей - 12. По существующей технологии требуется отрывка технологических шурфов по трассе дрены, что значительно увеличивает стоимость производства работ и снижает производительность дренопромывочной машины. Исключение данной технологической операции приводит к сокращению количества применяемой техники.

Эксплуатационная (фактическая) производительность дренопромывоч-ной машины ДПМ-1 определяется:

Ъ6ШпфиптЬк ;

Я. =—1---\кя,

1,5 {Ьтипф+1хипт)

(27)

где ке - коэффициент использования ДПМ-1 по времени, составляет кс = 0,79; Ьт - длина промывки дрены (270м) ДПУ с тыльными струями, м.

10 опер. ип —

7 опер. и„ •<—

4 опер. и„ ,<—

1 опер. и„ —

Т4-^ Ж-1 [\12 опер. ип ¡/\9 опер. ип / ^— ♦->" \6 опер. и„ ЯГ ->■ ТТ //\3 опер. и„ у

\ 11 опер. / 8 опер. / 1 6 I 3 •Ьк <-> 5 опер. / 6 2 опер. / 4 и ->

270м /, =¿„-260 м 270м /2 =1К-260 м б) ----

4 опер. Ипф

6 опер. ищ

-<г-

т-\ - _ Л—" Ч^оперЛ^, Л

1 2 опер. 2 ьк 3 5 опер. и 4

1- коллектор; 2 - дрена; 3,4, 5 - центральный, верховой и низовой смотровые колодцы; 6 - технологический шурф (объем земляных работ к 52м3) Рисунок 23 - Схемы производства работ: а) по существующей технологии; б) по предлагаемой технологии С целью оптимизации количественного состава комплекса машин для гидромеханизированной очистки трубчатой дренажной сети оросительных систем предлагается экономико-математическая модель:

^хвт, (28)

/=1 ' Адг

где Зп - удельные приведенные затраты, руб./м; Сф- - себестоимость очистки дренажной сети комплексом машин по у'-му варианту, руб./м; Е„ - нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений; Цму - балансовая стоимость г-ой машины в комплексе, принимаемой по у'-му варианту, руб.; Тфц - фактическое число смен работы г-ой машины комплекса на участке принятое по /-му варианту; Тгц - число смен работы (нормативное) г-ой машины в году поу'-му варианту; Адг - годовой объем работ дренопромывочной машины, м; пм - число типов машин в комплексе; _/ - вариант комплекса; / - вариант машины в комплексе.

Применение усовершенствованной технологии гидромеханизированной очистки трубчатой дренажной сети оросительных систем позволяет механизировать основные технологические операции, повысить производительность комплекса машин при очистке дренажной сети с 35 м/ч (по существующей технологии) до 135 м/ч (по усовершенствованной технологии), а также снизить удельный расход воды на промывку дрены с 70 л/м до 17 л/м и уменьшить потребность в машино-сменах (на 1000м дрены) с 8,36 маш/смен до 1,57 маш/смен.

В седьмой главе «Основные технико-экономические показатели комплекса машин для гидромеханизированной очистки трубчатой дренажной сети оросительных систем» представлен расчёт экономической эффективности от внедрения комплекса машин для гидромеханизированной очистки трубчатой дренажной сети оросительных систем по усовершенствованной технологии.

В процессе расчёта экономической эффективности в качестве базового комплекса машин было принято два варианта: I вариант - существующий комплекс машин с ведущей дренопромывочной машиной ПДТ-125 и вариант II с ведущей дренопромывочной машиной МР-18, в качестве нового рассматривали предлагаемый комплекс машин для очистки трубчатой дренажной сети оросительных систем по усовершенствованной технологии.

Установлены удельные эксплуатационные затраты комплекса машин для гидромеханизированной очистки трубчатой дренажной сети оросительных систем: по усовершенствованной технологии 14,21 руб./м, по существующей технологии (лучшие показатели - I вариант) 32,07 руб./м, удельные приведенные затраты составили соответственно: 21,5 руб./м и 39,83 руб./м.

Годовой экономический эффект от внедрения комплекса машин для гидромеханизированной очистки трубчатой дренажной сети оросительных систем по усовершенствованной технологии составляет 710,2 тыс. руб.

Дополнительным эффектом от внедрения комплекса машин для гидромеханизированной очистки трубчатой дренажной сети оросительных систем пр усовершенствованной технологии является увеличение продуктивности орошаемых земель при возделывании озимой пшеницы на 11 - 15%, кукурузу на зеленый корм 8 -12% (по отчётным данным хозяйств).

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Проведенный анализ показал, что существующие технологии и средства механизации для очистки трубчатой дренажной сети оросительных систем малоэффективны, так как имеют: низкую степень очистки дренажных труб С0\ малую длину промывки дрен Ь в одном направлении (до 125м), что требует выполнять отрывку технологических шурфов по трассе дрены (объем отрываемого шурфа « 52м3); большое количество проходов пп = 4 по промываемому участку дрены; высокий напор на выходе из насоса дренопромы-вочной машины Н свыше 250м и удельный расход воды <?„ на промывку дрены - до 70л/м; низкую производительность комплекса машин - до 35 м/ч.

2. На основании теоретических исследований получены математические модели, методика и алгоритм расчёта параметров процесса размыва илистых отложений, позволяющие определить оптимальные скорости как тыльных У0т = 17,337 м/с, так и фронтальных У0ф = 18,828 м/с размывающих струй дре-

нопромывочного устройства при очистке дренажных труб от связных или несвязных илистых отложений.

3. Теоретические исследования позволили установить оптимальный диаметр вращающегося струеформирующего насадка дренопромывочного устройства по центрам размывающих сопел - 50мм и диаметр центрального лобового размывающего сопла - 1,5мм, характерного только для дренопромывочного устройства с тыльными струями, а так же параметры направляющих лыж, обусловленные проведением в процессе промывки контроля качества построенной дренажной трубы, которые составляют: диаметр лыж - 80мм, длина -160мм, количество лыж пл = 6.

4. В результате максимизации функции скорости подачи дренопромывочного устройства установлено оптимальное сочетание основных гидравлических и конструктивных параметров для дренопромывочного устройства с тыльными струями: диаметр размывающих сопел й?0 = 4,4мм, диаметр тангенциальных сопел с/0т = 3,1мм, угол наклона размывающих сопел а = 55°; для дренопромывочного устройства с фронтальными струями: диаметр размывающих сопел ¿о = 4,5мм, диаметр тангенциальных сопел = 2,6мм, угол наклона размывающих сопел а = 30°. Количество размывающих сопел пс = 2.

5. Установлены зависимости позволяющие определить транспортирующую способность водного потока у™ = 1017 кг/м3 и у„ф = 1010 кг/м3, создаваемого соответственно расходом дренопромывочного устройства с тыльными ()дпут = 0,791 л/с или фронтальными струями Одпуф = 0,777 л/с, а так же действительную плотность пульпы рпт = 1163 кг/м3_ р,1ф - 1142 кг/м3 и необходимое количество проходов дренопромывочного устройства п„ = 2 по промываемому участку дрены с учётом скорости подачи дренопромывочного устройства и„щ = 0,077 м/с и икр = 0,065 м/с, толщины слоя илистых отложений в дрене /?„ =25 мм и их плотностир„ = 1920 кг/м3.

6. Обоснованы наружный диаметр 25мм водоподающего шланга; величина напора на выходе из насоса дренопромывочной машины Н =100м, а также конструктивные параметры шлангоподающего устройства: диаметр шки-

ва £>ш= 580мм, диаметр прижимающих роликов по кругу катания с1Р = 20мм, количество прижимающих роликов г = 19шт, угол обхвата шкива Ош = 90°.

7. Разработаны математические модели и алгоритм расчёта сопротивления перемещению водоподающего шланга и дренопромывочного устройства как с тыльными Рс = 217,041Н, так и с фронтальными Рс = 393,7Н струями, а так же окружного и прижимающего Р^, усилий, действующих на водопо-дающий шланг и шкив шлангоподающего устройства.

8. Применение дренопромывочной машины ДПМ-1 с шлангоподающим устройством обеспечивает длину промывки дренажных труб с одной позиции для дренопромывочного устройства с тыльными струями - 270м, для дренопромывочного устройства с фронтальными струями - 260м, при этом степень очистки внутренней полости дренажных труб возрастает до 95%.

9. Обоснованы технологические схемы, параметры и процессы работы технических средств для очистки трубчатой дренажной сети оросительных систем, которые позволяют уменьшить потребность в машино-сменах (на 1000м дрены) с 8,36 маш/смен (по существующей технологии) до 1,57 маш/смен (по предлагаемой технологии) и снизить удельные эксплуатационные затраты комплекса машин с 32,07 руб./м до 14,21 руб./м.

10. Применение усовершенствованной технологии гидромеханизированной очистки трубчатой дренажной сети оросительных систем позволяет механизировать основные технологические операции, повысить производительность комплекса машин при очистке дренажных труб с 35 м/ч (по существующей технологии) до 135 м/ч (по усовершенствованной технологии), а также снизить удельный расход воды на промывку дрены с 70 л/м до 17 л/м.

11. Предлагаемая технология гидромеханизированной очистки трубчатой дренажной сети оросительных систем позволяет получить годовой экономический эффект в размере 710,2 тыс. руб. на один комплекс машин, а также повысить продуктивность орошаемых земель (по отчётным данным хозяйств при возделывании озимой пшеницы на 11 - 15%, кукурузы на зеленый корм 8 -12%).

РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ

1. С целью снижения энергозатрат при очистке трубчатой дренажной сети оросительных систем необходимо применять низконапорный способ (#= 100м) очистки дренажных труб и дренопромывочную машину ДПМ-1.

2. Для исключения отрывки технологических шурфов по трассе дрены необходимо использовать шлангоподающее устройство и полиэтиленовый шланг (материал шланга ПЭ-80) с наружным диаметром 25мм.

3. Применение активных дренопромывочных устройств с тыльными и фронтальными струями повысит степень очистки дренажных труб до 95%.

4. Для повышения производительности комплекса машин по очистке трубчатой дренажной сети оросительных систем с 35м/ч до 135м/ч и снижения удельных эксплуатационных затрат с 32,07 руб./м до 14,21 руб./м целесообразно применять усовершенствованную технологию и схемы производства работ.

СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Монографии

1. Михеев, A.B. Размыв илистых отложений в дренажных трубах зоны орошения: [монография] Ростов н/Д: Изд-во ЮФУ, 2007. - 106 с.

2. Михеев, A.B. Технология и средства механизации для очистки трубчатой дренажной сети: [монография] Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2010.-173 с.

Список работ, опубликованных в рекомендуемых ВАК изданиях

3. Михеев, A.B. К обоснованию некоторых параметров дренопромывочных машин/ A.B. Михеев, A.A. Коршиков // Мелиорация и водное хозяйство, 1995. № 6. - С. 19. (75% автора).

4. Михеев, A.B. Обоснование комплекса машин для строительства дренажа / A.B. Михеев, A.A. Коршиков // Мелиорация и водное хозяйство, 1997.- № 5. - с. 52-53. (70% автора).

5. Михеев, A.B. Конструкция рабочего органа низконапорного дренопро-мывочного устройства (АДПН-250) / A.B. Михеев, A.A. Коршиков, Н.П Долматов // Мелиорация и водное хозяйство, 2000.- № 5. - С. 27-28 (70% автора)

6. Михеев, A.B. Технология низконапорной очистки закрытых дрен / A.B. Михеев, A.A. Коршиков, Н.П. Долматов // Мелиорация и водное хозяйство, 2001. - № 5. - С. 36-37. (60% автора).

7. Михеев, A.B. Устройство для очистки внутренней поверхности дренажных труб / A.B. Михеев, A.A. Коршиков, Л.И. Назаренко // Строительно-дорожные машины, 2004. - № 7. - С. 46-47. (70% автора).

8. Михеев, A.B. Пути улучшения закрытого горизонтального дренажа на Северном Кавказе / A.B. Михеев, В.В. Журба // Вестник РАСХН, 2005. -

- № 4. - С. 22-23. (80% автора).

9. Михеев, A.B. Перспективы комплексно-механизированных работ по эксплуатации закрытого горизонтального дренажа в зоне орошения // Вестник Донского гос. техн. ун-та, 2005. - Т.5. № 5(27). - С. 712-720.

Ю.Михеев, A.B. Определение размывающей скорости гфи очистке дренажных труб // Мелиорация и водное хозяйство, 2007.- № 4.- С.71-72.

11. Михеев, A.B. Взаимодействие размывающих струй дренопромывочного устройства с илистыми отложениями // Мелиорация и водное хозяйство, 2010.-№4.- С.11-13.

12. Михеев, A.B. Исследование процесса транспортирования пульпы по дренажному трубопроводу / A.B. Михеев, В.В. Журба // Мелиорация и водное хозяйство, 2010,- № 4.- С.13-15. (75% автора).

13. Михеев, A.B. Гидромеханизированная технология очистки трубчатой дренажной сета // Вестник Донского гос. техн. ун-та, 2010. - Т.10. № 5(48).-

- С. 653-660.

Патенты

14. Свидетельство на полезную модель 31342 Российская Федерация, 7 В 08 В 9/04, 9/053 Устройство для очистки внутренней поверхности дренажных труб / Михеев A.B., Коршиков A.A., Назаренко Л.И.; Организация. - Российское агентство по патентам и товарным знакам №2001118876/20 заявл. 06.07.2001; опубл. 10.08.2003 Бюл. №22.

15. Патент № 2238373 Российская Федерация, МПК7 Е 03 F 3/06 F 16 L 1/028 Способ укладки гибких трубопроводов / Михеев A.B., Михайлин A.A., Шуньков В.И., Назаренко Л.И.; Организация. - Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам №2001135940 заявл. 27.12.2001; опубл. 27.08.2003 Бюл. №24.

16. Патент №78895 Российская Федерация, МКП F16L 1/100 (2006.01) Шлангоподающее устройство /Михеев A.B., Журба В.В. Организация. - Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам №2008129002 заявл. 15.07.2008; опубл. 10.12.2008 Бюл. №34. Статьи, опубликованные в сборниках научпых конференций и симпозиумов

17. Михеев, A.B. Исследование эффективности действия гидравлических струй дренопромывочной насадки / A.B. Михеев, A.A. Коршиков // Агропромышленные машины и оборудование (теория, конструкция, расчет): сб. науч. тр. НГМА. - Новочеркасск, 1996. - Вып. 2. - С. 21-25. (80% автора).

18. Михеев, A.B. Обоснование параметров низконапорного дренопромывочного устройства АДПН-250 / A.B. Михеев, Н.П. Долматов // Агропромышленные машины и оборудование (теория, конструкция, расчет): сб. науч тр. / НГМА. - Новочеркасск, 2000. - Вып. 4. - С. 48-56. (50% автора).

19. Михеев, A.B. Экономико-математическая модель состава машин в звене по очистке ЗГД / A.B. Михеев, Н.П. Долматов // Агропромышленные машины и оборудование (теория, конструкция, расчет): сб. науч. тр./ НГМА,-- Новочеркасск, 2000. - Вып. 4. - С. 57-62. (70% автора).

20. Михеев, A.B. Математическая модель технологического процесса очистки дренажа в зоне орошения / A.B. Михеев, A.A. Н.П. Долматов // Моделирование, теория, методы и средства: материалы междунар. науч.--практ. конф. / ЮРГТУ. - Новочеркасск, 2001. - ч: 4. - С. 34-37. (70% автора).

21. Михеев, A.B. Математическая модель гидравлических потерь напора в дренопромывочном устройстве / A.B. Михеев, Н.П. Долматов // Моделирование, теория, методы и средства.: материалы междунар. науч.-практич. конф. / ЮРГТУ. - Новочеркасск, 2001.-ч. 8-С. 26-29. (50% автора).

22. Михеев, A.B. Пути повышения эффективности работы дренажных систем // Совершенствование технологии и средств механизации производственных процессов в АПК: тез. докл. межвуз. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и препод. / НГМА. - Новочеркасск, 2001. - С. 12-13.

23. Михеев, A.B. Перспективы развития дренажных работ в зоне орошения // Физико-технические проблемы создания новых технологий в агропромышленном комплексе: 1-я Рос. науч.-практ. конф.: сб. науч.-трудов (июнь, 2001) / СГСХА,-Ставрополь, 2001.-т.1 -С. 130-132.

24. Михеев, A.B. Влияние скорости подачи дренопромывочной головки на степень очистки дренажной трубы // Агропромышленные машины и оборудование (теория, конструкция, расчет): сб. науч. тр. / НГМА. - Новочеркасск, 2002. - Вып.5 - С. 64-68.

25. Михеев, A.B. Влияние сопротивления перемещению водоподающего шланга на дальность промывки дренажных труб с одной позиции / A.B. Михеев, В.В. Журба // Мелиорация и водное хозяйство: материалы per. науч. -практ. конф., посвящ. 95-летию мелиоративного образования на Юге России./ ФГОУ ВПО НГМА. - Новочеркасск, 2003. - Т.2. - С. 55-57. (65% автора).

26. Михеев, A.B. Обоснование диаметра лобовой струи дренопромывочного устройства / A.B. Михеев, В.В. Журба // Актуальные проблемы мелиорации и водного хозяйства Юга России: науч.-практ. конф. сотрудников, аспирантов и студентов / НГМА. - Новочеркасск: НГМА, 2003. - С. 107-115. (80% автора).

27. Михеев, A.B. Обоснование основных геометрических параметров дренопромывочного устройства // Мелиорация и водное хозяйство: Материалы науч.-техн. конф., посвящ. 70-летию акад. Б.Б. Шумакова (10 сент. 2003г. г. Новочеркасск): / ФГОУ ВПО НГМА, ФГНУ РосНИИПМ.- Новочеркасск: ООО НПО "ТЕМП", 2003.- Вып. 1,- С. 93-96.

28. Михеев, A.B. Низконапорная технология промывки дренажных труб в зоне орошения / A.B. Михеев, A.A. Коршиков, В.В. ЖурбаII Рабочие органы машин и технологии работ в АПК (разработки ученых - производству)/ ФГОУ ВПО НГМА,- Новочеркасск, 2004. - С. 8-13. (60% автора).

29. Михеев, A.B. Механизация перемещения водоподающего шланга внутри дренажного трубопровода / A.B. Михеев, В.В. Журба // ЦНТИ. "Мелиово-

динформ" / Вопросы мелиорации ЦНТИ. "Мелиоводинформ" - 2004. - № 3-4 -- С. 51-55. (70% автора).

30. Михеев, A.B. Низконапорная технология промывки дренажных труб в зоне орошения / A.B. Михеев, A.A. Коршиков, В.В Журба //Теория и проектирование сельскохозяйственных машин и оборудования: материалы Всерос. науч.-техн. конф., посвященной 100 - летаю со дня рождения И.И. Смирнова / под ред. Г.Н. Дьяченко-Ростов н/Д: Изд. центр ДГТУ, 2004,- С. 35-40. (70% автора).

31. Михеев, A.B. Пути повышения эффективности эксплуатации закрытого горизонтального дренажа в зоне орошения // Экологические проблемы природопользования в мелиоративном земледелии: материалыМеждунар. науч-практ. конф. / М-во с-х. Р.Ф. отд-ние мелиор., водн. х-ва Россельхоз акад. ФГОУ - Новочеркасск: ООО НПО «Темп», 2006. - Т. 1. - С. 46-54.

32. Михеев, A.B. Оптимизация параметров шлангоподающего механизма дренопромывщика / A.B. Михеев, В.В. Журба, А.Г. Кондратьев // Совершенствование рабочих органов машин, технологии и организации производства работ в АПК: сб. науч. трудов - Новочеркасск, 2006. - Вып. 7.- С. 11-29. (60% автора).

33. Михеев, A.B. Анализ конструкций ДПУ, применяемых для размыва илистых отложений внутри дренажных труб // Мелиорация и водное хозяйство: материалы науч. - практ. конф. «Современные проблемы мелиорации и водного хозяйства Южного Федерального округа» (Шумаковские чтения совместно с заседанием секции РАСХН), 9-10 нояб. 2006г., г. Новочеркасск / НГМА. - Новочеркасск: Оникс+, 2007. - Вып. 5.-Т.1.-С. 170-174.

34. Михеев, A.B. Проблемы эксплуатации закрытого горизонтального дренаж на орошаемых землях // Материалы международ, науч. - практ. конф. «Роль мелиорации и водного хозяйства в реализации национальных проектов». - М.: МГУП, 2008 - ЧI.- С. 176-179.

35. Михеев, A.B. Процесс перемещения дренопромывочного устройства в дренажных трубах // Совершенствование рабочих органов машин, технологии и организации производства работ в АПК: межвуз. науч.- практ. семинар / НГМА. - Новочеркасск, 2009,- С. 81-88.

36. Михеев, A.B. Теоретические исследования процесса очистки трубчатой дренажной сети оросительных систем // Мелиорация и водное хозяйство: материалы науч.-практ. конф. «Эффективность мелиораций на юге России», 2324 сентяб. 2009г., г. Новочеркасск / НГМА.- Новочеркасск: Лик, 2009.- Вып. 7.-Т.2,- С. 73-82.

37. Михеев, A.B. Усовершенствованная технология гидромеханизированной очистки трубчатой дренажной сети оросительных систем // Технологии и средства механизации в АПК: сб. науч. тр. сотрудников фак-та механизации НГМА / НГМА.- Новочеркасск, 2009. - С. 56 - 59.

Подписано в печать 21.09.2010 г. Формат 60х84Ш6 Объем 2,0 п. л._Тираж 100 экз. Заказ № 227

Типография НГМА, 346428, г. Новочеркасск, ул. Пушкинская, 111

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, доктора технических наук, Михеев, Александр Васильевич, Новочеркасск

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «НОВОЧЕРКАССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕЛИОРАТИВНАЯ

АКАДЕМИЯ»

ГИДРОМЕХАНИЗИРОВАННАЯ ОЧИСТКА ТРУБЧАТОЙ ДРЕНАЖНОЙ СЕТИ ОРОСИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

06.01.02 - «Мелиорация, рекультивация и охрана земель» 05.20.01 - «Технологии и средства механизации сельского хозяйства»

Диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук

Научный консультант -Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор A.A. Коршиков

Новочеркасск - 2010

На правах рукописи

05201150305

Михеев Александр Васильевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................... 6

1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ТРУБЧАТОЙ ДРЕНАЖНОЙ СЕТИ ОРОСИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ И СРЕДСТВ МЕХАНИЗАЦИИ ДЛЯ ЕЁ

ОЧИСТКИ............................................................................ 12

1.1 Анализ состояния трубчатой дренажной сети оросительных систем......................................................................... 12

1.2 Существующие технологии и средства механизации для очистки трубчатой дренажной сети оросительных систем................. 24

1.2.1 Анализ технологий очистки трубчатой дренажной сети оросительных систем.............................................................. 24

1.2.2 Технические средства для очистки трубчатой дренажной сети оросительных систем...................................................... 34

1.2.3 Анализ конструкций дренопромывочных устройств, применяемых для размыва илистых отложений внутри дренажных труб ..48

1.3 Анализ процесса взаимодействия размывающих струй ДНУ с илистыми отложениями................................................... 55

1.3.1 Процесс взаимодействия размывающих струй ДПУ с несвязными илистыми отложениями........................................... 55

1.3.2 Процесс взаимодействия размывающих струй ДПУ со связными илистыми отложениями.............................................. 61

1.4 Анализ факторов, влияющих на процесс очистки трубчатой дренажной сети оросительных систем от илистых отложений ... 65

1.5 Цель и задачи исследований.............................................. 72

ВЫВОДЫ............................................................................ 74

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ

ДРЕНАЖНЫХ ТРУБ ОТ ИЛИСТЫХ ОТЛОЖЕНИЙ...................... 75

2.1 Обоснование конструктивных параметров ДПУ........................ 75

2.2 Теоретические основы процесса размыва несвязных илистых отложений.................................................................... 88

2.2.1 Взаимодействие тыльных струй ДГГУ с несвязными илистыми отложениями................................................................. 88

2.2.2 Взаимодействие фронтальных струй ДПУ с несвязными илистыми отложениями........................................................ 105

2.3 Теоретические основы процесса размыва связных илистых отложений....................................................................... 111

2.3.1 Взаимодействие тыльных струй ДПУ со связными илистыми отложениями................................................................. 111

2.3.2 Взаимодействие фронтальных струй ДПУ со связными илистыми отложениями........................................................ 117

2.4 Размыв твердых связных илистых отложений........................ 121

2.5 Обоснование максимальной допускаемой скорости размывающих струй ДПУ.............................................................. 144 /

2.6 Обоснование гидравлических потерь напора в дренопромывоч-

ной машине.................................................................. 148 .

2.7 Оптимизация параметров ДПУ.......................................... 159

2.7.1 Оптимизация параметров ДПУ с тыльными струями............... 165

2.7.2 Оптимизация параметров ДПУ с фронтальными струями......... 168

2.8 Влияние расхода воды ДПУ на транспортирующую способность водного потока в дренажной трубе.............................. 170

2.8.1 Транспортирующая способность водного потока в дренажных трубах при промывке дрен ДПУ с тыльными струями............. 171

2.8.2 Транспортирующая способность водного потока в дренажных трубах при промывке дрен ДПУ с фронтальными струями........ 177

2.9 Методика расчета параметров процессов размыва и транспортирования илистых отложений внутри дренажных труб........... 181

2.9.1 Алгоритм расчета параметров процессов размыва и транспор-

тирования илистых отложений внутри дренажных труб........... 181

2.9.2 Анализ параметров процессов размыва и транспортирования илистых отложений......................................................... 184

ВЫВОДЫ............................................................................. 190

3 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ВОДОПОДАЮЩЕГО ШЛАНГА С ДПУ ВНУТРИ ДРЕНАЖНЫХ ТРУБ............................................................................. 192

3.1 Исследование процесса перемещения водоподающего шланга с дренопромывочным устройством внутри дренажных труб........ 192

3.2 Обоснование параметров шлангоподающего устройства (ШПУ) 207 ВЫВОДЫ............................................................................. 226

4 МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ........................................................................... 227

4.1 Методика проведения лабораторных исследований................ 227

4.2 Методика проведения полевых исследований....................... 238

4.3 Методика обработки результатов исследований....................... 245

5 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.............................. 250

5.1 Результаты лабораторных исследований.............................. 250

5.1.1 Лабораторные исследования процесса размыва илистых отложений.......................................................................... 250

5.1.2 Лабораторные исследования сопротивления перемещению водоподающего шланга с ДПУ и проталкивающих свойств ШПУ 256

5.2 Результаты полевых исследований...................................... 262

ВЫВОДЫ............................................................................. 276

6 УСОВЕРШЕНСТВОВАННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ГИДРОМЕХАНИЗИРОВАННОЙ ОЧИСТКИ ТРУБЧАТОЙ ДРЕНАЖНОЙ СЕТИ ОРОСИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ.......................................................... 277

6.1 Основные элементы гидромеханизированной технологии очистки трубчатой дренажной сети оросительных систем............. 277

6.2 Экономико-математическая модель формирования состава комплекса машин для очистки трубчатой дренажной сети оросительных систем............................................................ 285

6.3 Обоснование параметров технологических процессов очистки трубчатой дренажной сети оросительных систем................... 293

ВЫВОДЫ............................................................................. 300

7 ОСНОВНЫЕ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ КОМПЛЕКСА МАШИН ДЛЯ ГИДРОМЕХАНИЗИРОВАННОЙ ОЧИСТКИ

ТРУБЧАТОЙ ДРЕНАЖНОЙ СЕТИ ОРОСИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ........ 301

7.1 Расчет основных технико-экономических показателей предлагаемого комплекса машин................................................ 301

ВЫВОДЫ............................................................................. 315

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ................................................................. 316

РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ......................................... 319

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ............................ 320

ПРИЛОЖЕНИЯ..................................................................... 345

ВВЕДЕНИЕ

шурфов (объем отрываемого шурфа ~ 52м ) 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.

технических основ размыва и транспортирования илистых отложений, перемещения дренопромывочных устройств с водоподающим шлангом внутри дренажных труб, что представляет актуальную научную проблему, имеющую важное теоретическое и хозяйственное значение.

Научную новизну представляют:

- теоретические основы процесса перемещения дренопромывочного устройства с водоподающим шлангом;

- способ очистки дренажных труб низконапорными гидравлическими : струями;

- способ подачи дренопромывочного устройства с водоподающим шлангом в дренажный трубопровод;

Практическую значимость составляют:

- оптимальные параметры и процессы работы дренопромывочных устройств;

На защиту выносятся:

- способ очистки дренажных труб низконапорными гидравлическими-струями;

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

Соответствие диссертации Паспорту научных специальностей:

- 06.01.02 - «Мелиорация, рекультивация и охрана земель» пунктам 7, 24;

- 05.20.01 - «Технологии и средства механизации сельского хозяйства» пунктам 2, 4, 6.

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 дренопро-мывочных устройств с водоподающим шлангом внутри дренажных труб.

Методология исследований. В диссертационной работе использованы математическое моделирование процессов, 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 МаШСАБ. Экспериментальные исследования проводились как в лабораторных, так и полевых условиях. Обработка экспериментальных данных осуществлена методами математической статистики.

Достоверность результатов исследований подтверждена:

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

Реализация результатов исследований:

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 процесса взаимодействия дренопромывочных устройств и водоподающего шланга со стенкой дренажной трубы, в разработке математических моделей, методики и алгоритма 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 составляет более 80%.

ция «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 г. - Всероссийская научно-техническая конференция, посвященная 100-летию со дня рождения И.И. Смирнова «Теория и проектирование сельскохозяйственных машин и оборудования»; Москва, 2008 г. - международная научно-практическая конференция «Роль мелиорации и водного хозяйства в реализации национальных проектов».

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

Информация о работе

Михеев, Александр Васильевич
доктора технических наук
Новочеркасск, 2010
ВАК 06.01.02

Диссертация

Гидромеханизированная очистка трубчатой дренажной сети оросительных систем - тема диссертации по сельскому хозяйству, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы