Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. Цель и задачи исследования 13
1.1. Значение доброкачественного и своевременного поения животных и особенности водоснабжения в пастбищных условиях. Используемые водоисточники 13
1.2. Обзор средств механизации подъема воды в пастбищных условиях и классификация ленточных водоподъемников 20
1.2.1. Водоподъемные средства и области их применения 20
1.2.2. Анализ некоторых технических параметров устройств для подъе ма воды 32
1.2.3. Краткий обзор конструкций ленточных водоподъемников 34
1.2.4. Классификация ленточных водоподъемников 46
1.2.5. Пути повышения производительности ленточного водоподъем-н ика 49
1.3. Состояние разработок и исследований ленточных водоподъемников 54
1.4. Цель и задачи исследования 61
2. Теоретические исследования ленточного водоподъемника 63
2.1. Обоснование перспективной конструктивно-технологической схемы ленточного водоподъемника 63
2.1.1. Конструкция и принцип работы базового ленточного водоподъе мника ВЛМ-100А 63
2.1.2. Предпосылки совершенствования конструктивно-технологической схемы ленточного водоподъемника 65
2.2. Теоретическое исследование рабочего процесса и обоснование параметров ленточного водоподъемника 69
2.2.1. Постановка задачи о движении слоя жидкости на ленте 69
2.2.2. Перемещение жидкости лентой водоподъемника в воздушном пространстве 71
2.2.3. Определение толщины слоя жидкости на ленте 73
2.2.4. Производительность ленточного водоподъмника 75.
2.2.5. Коэффициент трения скольжения рабочего органа на ведущем барабане 76
2.3. Обоснование применения поджимного ролика 78
2.3.1. Обоснование диаметра поджимного ролика 79
2.3.2. Отделение жидкости на поджимном ролике 81
3. Методика экспериментальных исследований 84
3.1. Определение коэффициента трения скольжения рабочего органа по ведущему барабану водоподъемника 84
3.2. Экспериментальная установка для исследования рабочего процесса ленточного водоподъемника 89
3.3. Экспериментальные виды поджимных роликов 95
3.3.1. Поджимные ролики с продольными прямыми и извилистыми ребрами 95
3.3.2. Поджимной ролик с поперечными прямыми ребрами 97
3.3.3. Поджимной ролик с V-образными ребрами 98
3.4. Методика многофакторного планирования экспериментов при поиске оптимальных условий процесса водоподъема 99
3.4.1. Методика планирования экспериментов 100
3.4.2. Выбор параметров оптимизации 104
3.5 Количество опытов и их повторность 106
3.6. Методика исследования экспериментальной водоподъемной установки 108
3.7. Выводы ПО
4. Результаты экспериментальных исследований 112
4.1. Определение коэффициента трения скольжения ленты на ведущем барабане водоподъемника в зависимости от скорости скольжения, массы груза натяжного устройства и угла обхвата ленты 112
4.2. Зависимости скорости ленты и коэффициента относительного скольжения ленты от частоты вращения ведущего барабана 117
4.3. Зависимости величины подачи и толщины слоя жидкости на ленте от скорости ленты 120
4.4. Определение зависимости производительности водоподъемника от скорости движения ленты 123
4.4.1. Исследование теоретической конструктивной схемы ленточного водоподъемника 124
4.4.2. Исследование конструктивной схемы ленточного водоподъемни ка заводского исполнения 127
4.4.3. Исследование конструктивной схемы ленточного водоподъемни ка с поджимным роликом с продольными прямыми ребрами 130
4.4.4. Исследование конструктивной схемы ленточного водоподъемни ка с поджимным роликом с продольными извилистыми ребрами 132
4.4.5. Исследование конструктивной схемы ленточного водоподъемни ка с поджимным роликом с поперечными ребрами 135
4.4.6. Исследование конструктивной схемы ленточного водоподъемни ка с поджимным роликом с V-образными ребрами 138
4.5. Рабочие характеристики предлагаемого водоподъемника 142
4.5.1. Выводы по разделу 144
4.6. Результаты экспериментальных исследований процесса подъема воды ленточного водоподъемника с целью отыскания его оптимальных параметров 145
4.6.1. Выбор факторов и уровней варьирования 145
4.7. Отсеивающий эксперимент 149
4.8. Изучение поверхности отклика, уравнение регрессии 157
4.9. Определение оптимальных условий процесса водоподъема 160
4.10. Производственные испытания 161
4.11. Выводы по результатам экспериментальных исследований... 164
5. Экономическая эффективность предлагаемого ленточного водоподъемпика 166
Общие выводы 171
Литература 174
Приложения 182
- Значение доброкачественного и своевременного поения животных и особенности водоснабжения в пастбищных условиях. Используемые водоисточники
- Состояние разработок и исследований ленточных водоподъемников
- Зависимости скорости ленты и коэффициента относительного скольжения ленты от частоты вращения ведущего барабана
- Исследование конструктивной схемы ленточного водоподъемни ка с поджимным роликом с V-образными ребрами
Введение к работе
В своем послании «Казахстан - 2030» Президент страны Н.А. Назарбаев указывает, что в числе первоочередных приоритетных направлений рыночной экономики является развитие сельского хозяйства на ближайшие 13 лет: «На первых порах, до 2010 года, нам необходимо сосредоточиться на трудоемких отраслях, которые перспективны с позиции их возможностей и конкурентоспособности, это в порядке приоритетов, сельское хозяйство,... и создание инфраструктуры». [1]
Одной из важнейших отраслей сельскохозяйственного производства является животноводство. В будущем животноводство должно обеспечить легкую и пищевую промышленность необходимым сырьем, а население полноценными и качественными продуктами питания на уровне обоснованных норм. Важная роль в решении этих задач принадлежит развитию животноводства на основе ускоренного освоения интенсивных методов производства животноводческой продукции и применения новейших технологий. новой техники и автоматизации.
Дальнейшее развитие животноводства, в основном, мясного скотоводства и овцеводства, связано с максимальным использованием естественных пастбищ. В правительственном постановлении по развитию агропромышленного комплекса Республики Казахстан до 2010 года поставлена задача дальнейшего развития животноводства с максимальным использованием естественных пастбищ. [2] Природные пастбища - основной источник дешевого и наиболее ценного зеленого корма, за счет которого удовлетворяется почти 75% потребности животноводства. Пастбищное содержание положительно влияет на здоровье, продуктивность и воспроизводительные функции животных и улучшает экономические показатели отрасли. Однако
7 пастбищные угодья нельзя рационально использовать без обеспечения выпасаемого скота доброкачественной водой.
Республика Казахстан имеет относительно хорошие условия для производства животноводческой продукции в условиях пастбищ, важным фактором которых является обеспечение гарантированного водоснабжения за счет механизации водоподъема из основных водоисточников - шахтных и трубчатых колодцев.
Установлено, что при нормальном кормлении доброкачественная вода способствует повышению удоя у коров на 25 - 30%, приросту живой массы нагульных животных до 7 - 10% и настригу шерсти до 8 - 10% [3, 4]. Кроме того, по развитию села в правительственном постановлении Республики Казахстан ставится задача решить проблему водоснабжения. [2]
Вода - важная составная часть всего живого на земле. Она является одним из основных материалов клеток живого организма и участвует во многих биологических процессах, протекающих в организме животных. Обмен веществ возможен только при условии, когда питательные вещества и продукты обмена растворены и находятся в движении. Главным растворителем для них служит вода. С водой в различные части тела доставляются питательные, и с ней же из организма животных уносятся ненужные и вредные для него продукты обмена.
Свободный доступ к воде умеренной температуры способствует использованию концентрирующейся в теле энергии на образование продукции - молока, мяса, жира, шерсти и т.д. Специальные наблюдения показали, что у взрослых овец и ягнят, получавших на пастбище воду вволю, в 2,9 раза увеличивался прирост живой массы, в 1,1 раза длина туловища ив 1,5 раза прирост шерсти [4].
Факторами, определяющими потребность животных в воде, являются физиологическое состояние, возраст и масса тела, порода,
8 продуктивность, состав корма, метеорологические условия, температура воды, а также индивидуальные привычки животных.
С гигиенической точки зрения целесообразно удовлетворять животных питьевой водой вволю, давать ее многократно, лучше через равные промежутки времени. Недостаток воды в организме отрицательно влияет на потребление корма животными, при этом, чем сильнее жажда, тем ниже потребление питательных веществ. Как известно [5], уменьшение потребления корма ведет к снижению продуктивности сельскохозяйственных животных.
В связи с вышесказанным, механизация пастбищного поения имеет важное значение. С целью получения наивысшей продуктивности животных необходимы водоподъемные устройства, обеспечивающие своевременное, бесперебойное и в достаточных количествах подачу воды. Кроме того в настоящее время существует большое количество крестьянских хозяйств и малых населенных пунктов, которым необходимо обеспечение водой, которую можно достать из подземных источников с помощью не дорогостоящих и высокопроизводительных водоподъемных агрегатов.
На ряду с другими типами водоподъемных машин большое распространение в пастбищном водоснабжении получили ленточные водоподъемники. К достоинству этих машин следует отнести простоту, надежность, легкость в эксплуатации и техническом обслуживании, ремонтопригодность в условиях хозяйств и экономичность агрегата [6].
Для водообеспечения пастбищ широко используются водоподъемники с ленточным рабочим органом ВЛМ-ЮОА, ГЛВ-250. ВЛС-50, ВЛМ-С и т.д. Однако неэффективный отвод (съем) поднятой воды с внутренней поверхности водонесущей ветви ленты и плохие условия трения между рабочей поверхностью ведущего шкива и лентой ухудшают технологический процесс этих машин и необоснованно увеличивают удельную потребляемую энергию.
Учитывая высокую стоимость энергоносителей, в настоящее время становится важным вопрос изыскания путей снижения энергозатрат. Поиски путей снижения расхода энергии связано с улучшением технологического процесса и таких технических показателей, как подача и потребляемая мощность.
Поэтому задача создания и внедрения в практику водоподъемных машин, исключающих выше названные недостатки указанных водоподъемников, является актуальной и ее решение имеет важное значение для животноводческой отрасли. Решению этой задачи -разработке на основе научных исследований и обоснованию параметров ленточного водоподъемника, обеспечивающего улучшение технологического процесса, и посвящена настоящая диссертационная работа.
На защиту выносится новая конструктивно-технологическая схема ленточного водоподъемника (патент Республики Казахстан на изобретение №12018), [84] и следующие научные положения: аналитические выражения для определения основных конструктивно-режимных параметров предложенного ленточного водоподъемника, полученные в результате теоретических исследований; результаты экспериментальных исследований и полученные на их основе зависимости по проверке выдвинутых теоретических положений и определению оптимальных конструктивно-режимных параметров водоподъемника; результаты экономической оценки эффективности применения предложенного водоподъемника.
10 Цель исследования - повышение производительности процесса на основе совершенствования конструктивно-технологической схемы ленточного водоподъемника.
Предмет исследования - ленточный водоподъемник с усовершенствованной конструктивно-технологической схемой.
Объект исследования - процесс подъема воды ленточным водоподъемником.
Задачи исследования: определить закономерности изменения производительности ленточного водоподъемника в зависимости от его конструктивно-технологических параметров; - аналитически описать рабочий процесс ленточного водоподъемника с усовершенствованной конструктивно- технологической схемой и определить его основные режимные параметры; - исследовать влияние параметров и конфигурации ребер поджимного ролика водоподъемника на эффективность процесса съема поднятой воды; - обосновать оптимальные конструктивно-технологические параметры ленточного водоподъемника и режимы работы, обеспечивающие снижение энергоемкости процесса подъема воды. - дать обоснование экономической эффективности и разработать рекомендации сельскохозяйственному производству по изготовлению и использованию предлагаемого ленточного водоподъемника.
Методика исследования. Теоретические исследования проведены на основании известных законов механики и гидравлики. Решение полученных уравнений осуществлялось с помощью математической системы Mathcad 5,0 на ПЭВМ. Экспериментальные исследования проводились на основании действующих ГОСТов и ОСТо в, оораоотка полученных результатов осуществлялась на ПЭВМ с помощью программы обработки зизуальныЗ* . данных «IMAGE-PRO PLUS 2,0» и статической шалоговой системе STADIA (версия 4). С помощью расчетно-сонструктивного метода на основе результатов математического юделирования были получены оптимальные значения онструктивных и технологических параметров для устройства, еализующего процесс подъема воды. Научная новизна работы. на основе взаимосвязи свойств воды и центробежных сил, оявляющихся при прохождении лентой поджимного ролика боснована возможность повышения производительности ленточного одоподъемника за счет съема воды с двух сторон ленты и за счет меньшения проскальзывания ленты на ведущем барабане одоподъемника. теоретическими и экспериментальными исследованиями доказана озможность повышения производительности за счет установки оджимного ролика на восходящей ветви водоподъемника и за счет зменения конфигурации ребер поджимного ролика. получены аналитические зависимости для определения ациональнцх параметров ленточного водоподъемника повышенной роизводительности; на основе экспериментальных исследований олучена математическая модель количественных показателей роцесса подъема воды. оценена экономическая эффективность ленточного водоподъемника эвышенной производительности.
Достоверность основных положений, выводов и рекомендаций здтверждается сходимостью результатов теоретических и хпериментальных исследований, корреляционным анализом хпериментальных данных с определением доверительных ітервалов случайных величин.
12 Практическую ценность представляют: конструкция ленточного водоподъемника повышенной производительности; расчет конструктивно-технологических параметров ленточного водоподъемника; результаты проверки в лабораторных и производственных условиях основных положений работы.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлены на международной научно-практической конференции (Кокшетау 1999г.); научно-практических конференциях Оренбургского ГАУ (Оренбург 2000, 2001, 2003 гг.); научно-практических конференциях Костанайского ГУ (Костанай 1998...2003г.).
Внедрение. Опытный образец ленточного водоподъемника повышенной производительности проходил проверку и был внедрен в крестьянском хозяйстве «Крысин В.И.», Алтынсаринского района, Костанайской области.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе получен 1 патент на изобретение, подана заявка на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов и предложений, списка использованной литературы (113 наименований), приложения. Работа изложена на 184 страницах машинописного текста, содержит 40 рисунков, 14 таблиц, 24 приложений.
Значение доброкачественного и своевременного поения животных и особенности водоснабжения в пастбищных условиях. Используемые водоисточники
Известные многочисленные исследования [3,4,7,8,9] показывают, что при нормальном кормлении доброкачественное и своевременное поение сельскохозяйственных животных положительно влияет на их здоровье, способствует повышению продуктивности и рациональному использованию природных кормовых угодий, что ведет к общему повышению рентабельности животноводства.
Установлено, что хорошо налаженный доброкачественный водопой при нормальной кормообеспеченности способствует повышению удоя у коров на 25 - 30%, приросту живой массы нагульных животных до 7 - 10%, настригу шерсти до 8 - 10%, а также снижению себестоимости продукции на 20 - 30% [3,4,10].
Лучшей для поения сельскохозяйственных животных является пресная проточная вода с наличием углекислого газа и бикарбонатов кальция и магния в растворе, но при отсутствии продуктов гниения органических веществ, вредных химических соединений, возбудителей болезней и т.п. При поении животных недоброкачественной водой распространяются такие инфекционные болезни, как сибирская язва, бруцеллез, ящур и ряд паразитных заболеваний. В связи с этим воду, предназначенную для животных, следует считать пригодной только в том случае, если она своим качеством соответствует ГОСТу [11].
Вода является универсальным растворителем органических и неорганических веществ в организме животного, она способна образовывать растворы с твердыми, жидкими и газообразными веществами. Все жизненные процессы в живом организме протекают при активном ее участии. Известно, что только при определенном соотношении воды в теле животного жизнедеятельность организма протекает нормально. Научными исследованиями [3] установлено, что на 1 кг. сухого вещества корма животные потребляют следующие количества воды: лошади - 2-3 л., крупный рогатый скот - 4-6 л., овцы - 2-3 л. Как на недостаток, так и избыток воды организм животных реагирует очень остро. Так в работе [12] отмечается, что при дефиците воды в теле животного нарушается обмен веществ, увеличивается количество молочной кислоты, снижается интенсивность окислительных процессов, увеличивается вязкость крови, повышается температура тела, краснеет кожа, учащается дыхание, обедняются водой органы и ткани, нарушается секреция пищеварительных желез, пропадает аппетит, падает продуктивность. Потеря 20 -22% содержащейся в теле воды приводит к гибели животного [4]. Избыточное количество воды в организме животного и накопление ее в тканях и органах ослабляет работу почек и сердца, а также ухудшает пищеварение [13]. Несвоевременное поение наряду с частыми перегонами на большое расстояние утомляет скот, сокращает продолжительность пастьбы, что неизбежно ведет к потере живой массы животных и снижению их продуктивности [3]. Факторами, определяющими потребность животных в воде, являются физиологическое состояние, возраст и масса тела, продуктивность, состав корма, метеорологические условия, температура воды, а также индивидуальные привычки животных [14, 15]. Потребление жидкости у жвачных животных регулируется центральной нервной системой [13,16]. При повышении температуры окружающей среды животные становятся, более чувствительны к недостатку воды. По данным исследований [17] при температуре окружающего воздуха выше 30 С нормы потребления воды на поение животных увеличиваются на 25%. В пастбищных условиях еще большее значение приобретают степень минерализации и температура воды, удаленность водоисточника, рельеф местности, режим водопотребления отдельных видов и групп скота. Температура воды, потребляемой животными, имеет важное значение как физиологический фактор. Для взрослых животных она должна быть 15 ... 20 С, беременных маток - 12 ... 15 С, молодняка 15 ... 30 С в зависимости от возраста [18]. Это обусловлено тем, что слишком холодная вода вызывает увеличение затрат энергии для согревания ее внутри организма, приводит к снижению продуктивности и заболеваниям дыхательных путей животных. Минерализованность воды также оказывает большое влияние на здоровье животных. Реакция животных на минеральный состав воды различна и зависит от их вида, возраста и физиологического состояния, а также от количества и состава солей в воде. Многолетние наблюдения за потреблением воды пастбищными животными в пустынных районах Средней Азии, в частности Туркмении, показывают, что различные виды и группы животных по разному относятся к содержанию в воде минеральных веществ [19]. Более требовательны к минеральному составу и жесткости воды лошади, далее идут крупный рогатый скот, овцы, козы и верблюды [4, 13]. Чрезмерная минерализация, кроме вредного воздействия на организм животного и человека, вызывает либо усиленную коррозию металла, либо осаждение на нем солей, вывод из строя деталей водоподъемного оборудования, фильтров, обсадочных труб скважин [6]. Удаленность водоисточника в прямую зависит от размеров участков пастбищного водоснабжения, определяемые допустимой нагрузкой на кормовые угодья (дебитом имеющихся или возможных водоисточников). При этом необходимо обеспечить, чтобы расстояние от пастбищ до водопойного пункта (радиус водопоя) преодолевалось скотом без утомления и снижения его продуктивности [3]. Радиус водопоя животных на равнинной местности составляет: для крупного рогатого скота в степных и лесостепных районах - 2-4 км., засушливых степях, полупустынях - 4-6 км.; для лошадей соответственно - 4-5 и 5-8 км.; для верблюдов - 6-7 и 7-8 км.; для овец и коз - 2,5-4 и 3-6 км.
Отсюда расстояния между водопунктами, соответствующие удвоенным радиусам водопоя, равны для овец 5-12 км; максимальное расстояние между водопунктами на скотопрогонной трассе при маршевом гоне - не более 18-25 км; при гоне пасом 8-12 км.
В засушливых районах, недостаточно обеспеченных водой и при малой урожайности пустынных пастбищ, радиус водопоя увеличивают, а для пастбищ в условиях холмистой или овражистой местности его уменьшают по сравнению с пустынной местностью на 30-40% [3].
Установлено [20], что при сокращении радиуса водопоя с 5 км. до 3 км. прирост массы овец увеличивается на 4%; до 1 км. на 18%. настриг шерсти - соответственно на 2 и 5,5%.
Состояние разработок и исследований ленточных водоподъемников
При движении ленты сверху вниз, она огибает ведомый барабан водоподъемника в толще воды накопителя. Работа ленточного водоподъемника осуществляется на различных, скоростных режимах и при выходе рабочего органа-ленты из накопителя наблюдается продергивание ленты относительно слоев воды, что приводит к снижению производительности водоподъемника. Для устранения этого фактора необходимо изменять и находить оптимальную глубину погружения ведомого шкива водоподъемника в толщу воды накопителя и оптимизировать кинематический режим работы установки.
В процессе работы ленточного водоподъемника при выходе рабочего органа-ленты из накопителя жидкости, она увлекает за собой определенный слой воды, который удерживается на ней и поднимается вверх. Пока лента движется до ведущего барабана водоподъемника происходит самопроизвольное стекание жидкости по ленте вниз обратно в водоисточник, что влияет на количество воды поднятое на верх, а следовательно влияет на производительность ленточного водоподъемника. Чтобы этого не происходило или как можно меньше терялось жидкости, необходимо выбирать скорость движения ленты больше, чем скорость стекания жидкости по ней.
Вышеперечисленные факторы, влияющие на производительность ленточного водоподъемника можно уменьшить, или устранить, изменением конструктивной схемы базового водоподъемника, применяя различные дополнительные элементы, в частности поджимной ролик. Известно, что предшественниками ленточных водоподъемников являются шнуровые, так как их принцип работы одинаков. Впервые шнуровой насос был изобретен во Франции (1782г.) механиком Вера. При подъеме на большую высоту наблюдался срыв значительной части жидкости со шнура. Вследствие малой подачи они распространения не получили. Русский изобретатель инженер Шухов В.Г. в 1886 году разработал конструкцию насоса, работающего, по принципу открытого шнура, успешно осуществлявший подъем воды на 17 саженей. Насос Шухова В.Г. также не нашел практического применения. В 1897 году выдающийся русский ученый профессор Жуковский Н.Е. получил патент на шнуровой насос с направляющим рукавом. Такая конструкция позволила уменьшить объемные потери поднимаемой жидкости. Профессор Жуковский Н.Е. был одним из первых ученых, занимавшихся разработкой теории шнуровых насосов. Об этом свидетельствует его работа "О трении жидкости при большой разности скорости ее струй" (доложенной V водопроводному съезду в Киеве в марте 1901г.), где профессор Жуковский Н.Е. указывает, что им была выработана теория шнурового насоса, к сожалению не опубликованная по неизвестным причинам. В 1910г. во Франции Бесоне-Фавр предложил водоподъемник "Шен-Элис", конструкция которого основана на идеях Вера и Жуковского Н.Е. В качестве рабочего органа данного водоподъемника служила цепь, поверх которой была навита спираль из проводки. Инженер-технолог Шенберг СП. в своей диссертации "Гидромеханика вязкой жидкости и гидравлические фрикционные машины" (Киев, 1915 г.) рассматривает ламинарий режим движения слоя жидкости на шнуре. При этом изложил теорию шнурового насоса, основанную на приложении уравнений вязкой жидкости Навье-Стокса. Полученные им формулы выражены в сложной форме, что крайне затрудняет их использование. Наиболее полно теория шнуровых насосов изложена профессором Лейбензоном Л.С. В своей работе [44] , автор приводит теоретические результаты исследования рабочего процесса шнурового насоса при телескопическом (ламинарный) и гидравлическом (турбулентный) режимах движения жидкости на шнуре, как с направляющим рукавом, так с открытым шнуром. Последний имеет круглое поперечное сечение. Рассматривая телескопический режим движения жидкости, профессор Лейбензон Л.С. берет в основу закон продольного внутреннего трения Ньютона (1686 г.), согласно которому касательное напряжение представлено следующей зависимостью: где: ).L - коэффициент вязкости, м"/с; du / dx - градиент скорости. При рассмотрении гидравлического режима движения жидкости на шнуре профессор Лейбензон Л.С, следуя Ж.Буссинеску, принимает следующий закон для касательного напряжения: где: Цо - номинальная величина коэффициента вязкости, м7с; х - расстояние частицы жидкости от оси шнура, м. Следует отметить, что подобный подход к решению данной задачи не соответствует современному состоянию гидродинамики вязкой жидкости, в частности, теории турбулентного движения. Проведенные в 1939 - 1940 г.г. Евстихиевым Б.Е. эксперименты [45] по изучение работы шнурового насоса с различными конструкциями рабочего органа, подтвердили теоретические выводы профессора Лейбензона Л.С. и предположение о том, что шнуровые водоподъемники пригодны для использования их в целях сельскохозяйственного водоснабжения, пастбищного поения скота и т.д. В 1951-1953 г.г. Барановым В.А. в качестве рабочего органа водоподъемника был предложен перфорированный прорезиненный ремень (лента), что позволило уменьшить объемные потери жидкости, наблюдаемые на шнуровых насосах с открытым рабочим органом. Это обстоятельство заставило инженера Машкова В.Н. обратить особое внимание на изучение этих водоподъемников.
Зависимости скорости ленты и коэффициента относительного скольжения ленты от частоты вращения ведущего барабана
Определение коэффициента трения скольжения ленты на ведущем барабане водоподъемника в зависимости от скорости скольжения, массы груза натяжного устройства и угла обхвата ленты. На основании изложенных выше соображений (разделы 2.2.5 и 3.1) нами была выбрана, при определении коэффициента трения скольжения, футеровка из прорезиненной ленты с резиновой обкладкой, которая имеет преимущество перед другими по своим механическим и прочностным качествам.
В качестве рабочего органа (водоподъемной ленты) взят прорезиненный ремень на хлопчатобумажной основе. На основании опытов были построены кривые зависимости коэффициента трения скольжения р.. Оказалось, что эти зависимости носят весьма неопределенный характер в данных пределах изменений параметров; возможно, что здесь сказалось недостаточная точность опытов. Исходя, из этих соображений зависимости коэффициентов трения скольжения и от этих параметров были осреднены и построены единые кривые. По результатам этих осредненных данных составлены графики зависимости коэффициента трения скольжения p. от скорости скольжения $ск и массы натяжного устройства m (рисунок 4.1 и 4.2) и выведена эмпирическая формула, характеризующая вид этой зависимости: .i = а/а ЭкскесЭ1. (4.1) где а,к,с - константы, зависящие от прилагаемой нагрузки и условии трения; а - УГОЛ обхвата; t - масса натяжного устройства, кг; Эск - скорость скольжения рабочего органа (ленты) на ведущем барабане, м/сек. Зависимость коэффициента трения скольжения и от скорости скольжения 9СК и силы натяжения t при а = 180"; при t: 1 -5,5кг, 2 - 9,5кг, 3 - 13,5кг. 4 - 17,5кг, 5 -21,5кг, 6 - 25,5кг, 7 - 29,5кг, 8- 33,5кг (снизу вверх). Константы определены методом постепенного приближения и сведены их данные в таблицу 1 (приложения). Проанализируем полученные кривые. С увеличением скорости скольжения 9СК коэффициент трения скольжения J.L падает; при малых нагрузках t падение проявляется более интенсивно, особенно на малых скоростях скольжения. С увеличением нагрузки кривые имеют тенденцию к выпрямлению, в частности, при максимальных нагрузках они приближаются к прямым. Падение коэффициента трения с увеличением скорости объясняется с нашей точки зрения, сокращением продолжительности действия фрикционной связи и, соответственно, уменьшением площади касания, которая не успевает увеличиваться, пока относительная скорость скольжения равна нулю. Кроме того, при увеличении скорости рабочего органа количество подаваемой воды тоже увеличивается; при этом возникает гидродинамическая подъемная сила, вызывающая сплывание (подъем) скользящей ленты и уменьшение контактной поверхности. Явление трения с физической точки зрения можно объяснить, как задевание неровностей поверхности одной детали за другую. При уменьшении скорости скольжения рабочего органа на барабане больше неровностей окажется в зацеплении между собой, что должно увеличить коэффициент трения. Особенно это проявляется при малых скоростях (0,05...1,0 м/сек) и больших нагрузках (t = 20...30 кг), где происходит увеличение коэффициента трения скольжения. При нагружении рабочего органа на барабане вначале вступают в контакт отдельные выступы, затем, по мере увеличения нагрузки, число контактирующих выступов возрастает. В начальный период площадь контакта растет быстро, затем рост ее замедляется, и величина площади касания стремится к некоторому постоянному значению. Этим объясняются закономерности, которые отмечены выше, т.е. увеличение коэффициента трения скольжения с увеличением прилагаемой нагрузки. При скоростях скольжения менее 0,1 м/сек обнаруживается уменьшение коэффициента трения с увеличением прилагаемой нагрузки t и с увеличением скорости скольжения; коэффициент трения скольжения переходит здесь через максимальное значение; уменьшение коэффициента при увеличении веса натяжного устройства при малых скоростях скольжения объясняется тем. что в этих случаях между лентой и футеровкой шкива существует граничное трение. При дальнейшем увеличении скорости граничное трение переходит в полужидкое.
Аналогичным образом построены кривые зависимости, тягового усилия Р от скорости скольжения Зск и силы натяжения t . Тяговое усилие определено как разность усилий натяжения между набегающей и сбегающей ветвями ленты по формуле:
Исследование конструктивной схемы ленточного водоподъемни ка с поджимным роликом с V-образными ребрами
Масса балласта на ведомом натяжном барабане (т) оказывает значительное влияние на производительность ленточного водоподъемника, так как при уменьшении массы происходит уменьшение натяжения рабочего органа - ленты, а следовательно, увеличивается проскальзывание ленты, уменьшается тяговое усилие, что приводит к уменьшению производительности водоподъемника. При увеличении массы балласта происходит натяжение рабочего органа, уменьшается буксование ленты на ведущем барабане, а также происходит уменьшение колебания ее, что приводит к увеличению производительности ленточного водоподъемника. Это подтверждают экспериментальные данные и графики зависимостей, которые были приведены раннее в этой главе. 2. Глубина погружения ведомого натяжного барабана (Н). На данный фактор оказывают влияние некоторые обстоятельства. Такие как общая глубина залегания воды, чистота данной воды и ее заилистость. Хоть обстоятельств, влияющих на глубину погружения ведомого натяжного барабана не мало, но они оказывают влияние незначительное. Изменение глубины погружения небольшое, поэтому на производительность особого влияния не оказывает. 3. Скорость рабочего органа - ленты (Э) оказывает значительное влияние на производительность ленточного водоподъемника. При уменьшении рабочей скорости ленты происходит уменьшение производительности водоподъемника в прямопропорциональной зависимости. При увеличении рабочей скорости происходит увеличение производительности. При испытании экспериментальной установки ленточного водоподъемника нами использовался определенный небольшой диапазон изменения частоты вращения ведущего барабана, которая приводит к изменению рабочей скорости ленты. 4. Количество ребер на поджимном ролике (п). При изменении количества ребер на поджимном ролике влияет на прогиб ленты в 147 вертикальной плоскости. При уменьшении количества ребер на ролике приводит к увеличению прогиба ленты в вертикальной плоскости, что влияет на износ ленты, на ее срок службы, а также на производительность водоподъемника, так как появляется ударное явление ребер по ленте, которое приводит к увеличению колебаний рабочего органа и к уменьшению производительности водоподъемника. При увеличении количества ребер на поджимном ролике приводит к устранению прогиба ленты в вертикальной плоскости, уменьшается колебание ленты, так как амплитуда ударов ребер по ленте уменьшается, происходит повышение производительности водоподъемника. 5. Расстояние поджимного ролика от ведущего барабана по вертикали (h). Перемещение ролика по вертикали относительно ведущего барабана, незначительно изменяет натяжение ленты и угол обхвата ею ведущего барабана, что влияет на проскальзывание рабочего органа на нем и влияет на производительность водоподъемника. Так при уменьшении расстояния между поджимным роликом и ведущим барабаном в вертикальной плоскости происходит увеличение натяжения ленты и увеличение угла обхвата ею ведущего барабана, а это приводит к увеличению производительности. Так при увеличении расстояния между поджимным роликом и ведущим барабаном в вертикальной плоскости, мы наблюдаем обратную картину. Но диапазон изменения этого расстояния небольшой из-за конструктивных параметров приемного корпуса водоподъемника. 6. Размер угла V-образных ребер поджимного ролика (у). Изменение утла ребер поджимного ролика влияет на сбор поднятой жидкости по длине ролика (от краев к середине) и на накопление ее каждым ребром для дальнейшей передачи в водоприемный корпус водоподъемника (исключая потери воды по краям ролика). Так же изменение угла ребер влияет на перекрытие ребер, т.е. лента опирается на ролик на два и более ребра, что приводит к исключению 148 прогибания ленты в вертикальной плоскости, к увеличению долговечности ленты, к увеличению производительности водоподъемника. 7. Расстояние между поджимным роликом и ведущим барабаном по горизонтали (1). При уменьшении данного расстояния в горизонтальной плоскости приводит к увеличению угла обхвата ведущего барабана лентой, а это уменьшает ее проскальзывание на барабане и увеличивает производительность водоподъемника. Так же при этом увеличиваются центробежные силы инерции на поджимном ролике, которые приводят к полному снятию поднятой жидкости внутренней стороной ленты на ролике в водоприемный корпус водоподъемника. При увеличении расстояния между поджимным роликом и ведущим барабаном в горизонтальной плоскости происходит обратное явление. Диапазон изменения данного расстояния небольшой, так как ограничивается конструктивными параметрами ленточного водоподъемника.
