Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ эксплуатационного состояния оросительных каналов в республике Дагестан 9
1.1 Природно - мелиоративная оценка оросительных систем в республике Дагестан 9
1.2 Эксплуатационное состояние оросительных каналов 15
1.3 Анализ существующих способов и средств механизации очистки оросительных каналов от растительных остатков 21
1.3.1 Существующие способы очистки 21
1.3.2 Технические способы и средства очистки каналов 23
1.4 Анализ энергоисточников для реализации сороочистительного процесса 29
1.4.1 Условия работы сороочистителей 29
1.4.2 Альтернативные энергоисточники 31
Выводы 36
2. Теоретические аспекты совершенствования процесса очистки оросительных каналов от растительных остатков 37
2.1 Технологическое обоснование предлагаемого способа очистки каналов от растительных остатков 37
2.2 Обоснование конструктивно - технологической схемы сороочистителя 41
2.3 Теоретические предпосылки эффективности применения самоприводных сороочистителей 46
2.4 Выбор основных параметров рабочего полотна самоприводного соро очистителя 48
2.5 Взаимодействие самоприводной движущейся решетки с потоком воды 53
Выводы 68
3. Методика исследований 69
3.1 Исследование интенсивности засорения водного потока оросительных каналов в период эксплуатации 69
3.2 Методика исследования параметров пропускных отверстий рабочего полотна самоприводного сороочистителя 74
3.3 Методика исследований энергетических параметров сороочистительного процесса 16
3.4 Методика исследования процесса очистки канала от растительных остатков самоприводным сороочистителем 78
4. Результаты исследований и их анализ 80
4.1 Оценка эксплуатационного состояния оросительных каналов 80
4.2 Гидравлические характеристики скребка самоприводного сороочистителя 86
4.3 Определение параметров рабочего полотна сороочистителя 92
4.4 Эксплуатационные характеристики самоприводного сороочистителя ДРС - 1,2 96
Выводы 101
5. Производственные испытания и технико-экономическая оценка предложенного технического средства эксплуаталии канала 103
5.1 Производственные испытания самоприводного сороочистителя... 103
5.2 Технико-экономическая эффективность применения самоприводных сороочистителей 107
Выводы 118
Общие выводы 120
Рекомендации производству 123
Список использованной литературы 124
Приложения 135
- Анализ существующих способов и средств механизации очистки оросительных каналов от растительных остатков
- Анализ энергоисточников для реализации сороочистительного процесса
- Обоснование конструктивно - технологической схемы сороочистителя
- Методика исследования параметров пропускных отверстий рабочего полотна самоприводного сороочистителя
Введение к работе
К основным проблемам, возникающим в процессе эксплуатации оросительные каналов, можно отнести их заиление, размыв дамб, а также зарастание сорной растительностью, При окашивании каналов, современными средствами механизации, значительная часть срезанных стеблей попадает в воду и, двигаясь по течению, забивает водопроводящие отверстия гидротехнических сооружений. В каналах, проходящих вблизи населенных пунктов, наблюдается засоренность бытовыми отходами. Такое состояние существующих оросительных систем требует реконструкции и повышения их технического уровня эксплуатации. Однако финансирование эксплуатационных мероприятий за последние 8 лет сократилось в 10-12 раз. Начиная с 1992 года, на государственных межхозяйственных системах Республики Дагестан объемы работ по ремонту гидросооружений уменьшились в 3 раза, объемы очистки каналов в 5.5 раз, а на внутрихозяйственных системах в 20-30 раз и более.
Наиболее эффективно очистку водного потока осуществляют с помощью стационарных решеток. Однако сороудерживаюгцие решетки периодически сами нуждаются в очистке, и чаще всего вручную, а применение специальных технических средств требует значительных затрат на топливо или электроэнергию.
Поэтому проблема удаления растительных остатков из потока воды чрезвычайно актуальна, поскольку решение ее позволит повысить технический уровень эксплуатации каналов, что и является целью настоящих исследований.
Для достижения поставленной цели необходимо разработать техническое средство, позволяющее снизить энергоемкость процесса удаления растительных остатков из водного потока в канале.
Цель и задачи исследований. Целью исследований - разработка технического способа и средств механизированной очистки оросительных каналов от растительных остатков.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи: оценить эксплуатационное состояние оросительных каналов; разработать технический способ очистки каналов на основе применения движущихся решеток; обосновать и разработать конструктивно-технологическую схему самоприводной движущейся решетки; исследовать гидродинамические характеристики параметров самодвижущейся решетки; выполнить технико-экономическую оценку применения самоприводной движущейся решетки.
Теоретической и методологической базой исследований явились труды российских и зарубежных ученых. В качестве конкретных инструментов исследований использованы методы теории вероятности и математической статистики, разработки информационных технологий для решения оптимизационных задач.
На защиту выносятся: обоснование технического способа, очистки каналов от растительных остатков; конструктивно-технологическая схема самоприводной движущейся решетки (ДРС-1.2); математические модели процесса очистки водного потока сороочистителем ДРС-1.2; эксплуатационные показатели работы ДРС-1.2 в процессе очистки оросительных каналов.
Объектами исследований явились оросительные каналы, способы и средства очистки каналов от растительных остатков.
Предметами исследований явились состояние засоренности каналов, математической модели, характеризующие скоростные и силовые показатели процесса очистки оросительного канала самоприводным сороочистителем. Научная новизна работы состоит в том, что: предложен технический способ очистки каналов от растительных остатков с использованием энергии потока воды; разработана конструктивно-технологическая схема самоприводной движущейся решетки; обоснованы критерии оценки эффективности процесса очистки потока самогфиводным сороочистителем; получены математические модели, характеризующие энергетические и кинематические параметры самоприводного сороочистителя;
Личный вклад автора. Автором проведены исследования в лабораториях ФГОУ ВПО НГМА и натурные эксперименты на объектах ГУ УОС КОР Республики Дагестан. Автор обработал полученный материал, а также участвовал в составлении рекомендаций по очистке оросительных каналов.
Практическая значимость работы — разработано техническое средство очистки оросительно-обводнительных каналов от растительных остатков.
Результаты исследований могут быть использованы проектными и эксплуатационными водохозяйственными организациями.
Достоверность полученных автором результатов подтверждается применением современных методик проведения исследований и методов математико-статисгаческой обработки экспериментальных данных, полученных в лабораторных и полевых условиях. Результаты исследований подтверждены актом внедрения ГУ УОС КОР.
Апробация работы. Основные разделы диссертационной работы докладывались на научно-практических конференциях, проводимых НГМА, РГСУ, СтГАУ в период 1999-2003 гг.
Реализация работы. Результаты НИР внедрены в Государственное учреждение. Управление оросительных систем им. Октябрьской революции Республики Дагестан.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 12 печатных работ общим объемом 2,5 п.л.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 разделов, выводов и рекомендаций производству, списка литературы из 114 источников, в том числе иностранных. Общий объем работы составил 141 стр. компьютерного набора, включая 53 рисунка, 9 таблиц, 3 приложения
Анализ существующих способов и средств механизации очистки оросительных каналов от растительных остатков
В настоящее время в сельском хозяйстве для очистки каналов от растительности применяют биологический, химический, микробиологический:, термический, гидромеханический и механический способы [15, 18, 23, 46, 86, 89,105-107].
Термический способ заключается в выжигании растительности топливом, которое распыляют форсунками. При этом используют дизельное топливо или газ. Эффективность применения термического способа еще ниже, так как погруженная растительность не выжигается. Опавшие в воду стебли суходольных растений не уничтожаются, поэтому цикл механизированных работ так же не завершен. Применение данного способа в 3-4 раза дороже механического [29].
Биологический способ борьбы с растительностью заключается в разведении травоядных рыб в каналах. Такой способ полностью окупается и при этом полупогруженная и погруженная масса полностью уничтожается. Данный способ не получил широкого распространения, так как требует использования в управлениях систем специалистов-ихтиологов, а также выполнения целого комплекса рыбоохранных работ [23].
Химический способ позволяет эффективно уничтожать все виды сорной растительности, произрастающих на оросительных каналах. Для этого используют сильнодействующие препараты отразин, симозин, раундап и другие. Несомненным достоинством подобных препаратов является длительный срок их действия, так как обработанные участки каналов в течение нескольких лет не зарастают травой. Несмотря на указанные достоинства, химический способ не получил широкого распространения из-за отравления окружающей среды. Причем, отравление не только непосредственное, но и вторичное, когда в процессе разложения отмирающих затопленных растений в воде образуется сероводород. Такая вода непригодна для орошения. Кроме того, зеленая масса бесполезно уничтожается, а цикл механизированных работ не завершен, так как отмирающую растительность необходимо после химической обработки удалять из канала другими способами [105-107].
Гидравлический способ борьбы с погруженной растительностью заключается в создании максимальных глубин и скоростей воды, что сдерживает развитие растений [51]. Способ закрашивания воды исследован в США. На водозаборе устанавливают емкость с красителем, который равномерно распределяется у поверхности воды. Тонкий слой красителя поглощает солнечные лучи, без которых рост водорослей невозможен, Способ прост, не требует больших затрат. Однако широкого применения не получил из-за недостаточной изученности влияния красителей на окружающую среду [106].
Гидромеханический способ применяют для удаления растительности, а так же для одновременного удаления наносов и растительности. В подобном случае землесосы снабжают специальными фрезами, способными измельчать растительность. Важное достоинство гидромеханического способа - возможность удаления срезанной растительности за пределы канала. К недостаткам следует отнести высокую стоимость работ, а также узкую область применения [93].
Ручной способ удаления растительности из каналов применяется для устранения недостатков вышеуказанных способов. Ручной способ практически универсален. Затруднения возникают при скашивании полупогруженной растительности. Основные недостатки: большие затраты тяжелого физического труда в неблагоприятных условиях, высокая стоимость, малая производительность.
Технические способы, предусматривающие скашивание и удаление растительности, наиболее универсальны. Научно-исследовательскими институтами в сотрудничестве с промышленностью созданы косилки с ротационными и сегментно-пальцевыми режущими аппаратами, которые обеспечивают надежный срез растительности на откосах каналов. Однако процесс удаления растительности, плывущей в потоке воды,, до настоящего времени механизирован недостаточно.
Технические способы удаления растительных остатков из каналов можно разделить на две группы: с предварительным задержанием остатков в канале, без задержания, то есть непосредственное удаление (рисунок 1.4).
Первые способы основаны на задержании остатков решетками, перехватывающими все сечение потока, либо наплавными заграждениями (бонами), которые задерживают плывущие по поверхности воды предметы. Анализ показывает, что предпочтение следует отдать решеткам, так как надежность задержания остатков здесь выше. Однако высокая стоимость установки и очистки решеток препятствуют их широкому применению. Наплавные заграждения проще по конструкции, дешевле и в меньшей степени изменяют гидравлические характеристики каналов. Их применяют только в том случае, когда масса растительных остатков движется по поверхности воды. Второй способ - способ непосредственного удаления растительных остатков [3]. Способ предусматривает забор растительной массы из воды и транспортирование ее на дамбу канала, что требует установки на сороочистителях отдельного привода и сооружения электролиний. Широкого применения данный способ не получил, так как различные трубчатые переходы и другие гидротехнические сооружения (ГТС) находятся на больших расстояниях друг от друга.
Анализ энергоисточников для реализации сороочистительного процесса
Как видно из проведенного анализа конструкций сороочистителей, для их привода необходим специальный двигатель (50-52). В практике эксплуатации оросительных систем, как правило, используют электрический привод, который требуют прокладывания электросиловых линий. Указываемые линии имеют воздушную конструкцию, содержащую опоры, изоляторы и токонесущие провода, выполняемые из цветных металлов для снижения сопротивления и, следовательно, уменьшения потерь энергии. Так как гидротехнические сооружения и насосные станции удалены друг от друга на значительные расстояния, то и протяженность электросиловых линий должна быть большой (16), В создавшихся экономических условиях проблематичны не только возможность строительства протяженных электросиловых линий, монтаж сороочистителей с электрическими двигателями. Наиболее остро стоит проблема сохранности растянувшихся в степи электролиний и рассредоточенных по системе электродвигателей. Для их охраны и эксплуатации потребуется целая армия сторожей и электриков, содержание которых обойдется в круглую сумму. Однако основной потребитель дополнительных расходов - систематическая оплата покупаемой электроэнергии. Так как для привода каждого рассмотренного выше сороочистителя необходим электродвигатель мощностью в несколько киловатт, а надежная защита гидросооружений оросительной системы может возрасти на несколько сотен и даже тысяч киловатт. Указанные выше причины сдерживают повсеместное использование движущихся решеток. Дизельные двигатели используют преимущественно для привода мобильных сороочистителей - навесных или плавучих (34), на которых использование электроприбора невозможно. Дизели обеспечивают достаточную автономность машины, однако требует постоянного надзора, топлива, более сложны по конструкции и в эксплуатации, чем электродвигатели. По указанным причинам дизельные двигатели не нашли применения на стационарных сороочистителях, хотя довольно широко используются на насосных станциях небольшой мощностью. Для привода сороочистителей необходимы простой по конструкции и в эксплуатации, надежный, неприхотливый двигатель мощностью от нескольких сот ватт до нескольких киловатт, что зависит от расхода мусора через конкретное гидротехническое сооружение. Наряду с эксплуатационными затруднениями, назваными выше, следует отменить, что рабочий процесс сороочистителей не предъявляет к их двигателям высоких требований по стабильности скорости вращения и крутящего момента (93).
Проведенный анализ условий и характера работы сороочистителей позволяет сделать заключение о целесообразности перевода их на альтернативные источники энергии, что позволит не только отказаться от централизованного энергоснабжения, но, главное, решить большинство вышеуказанных проблем. При поиске нового альтернативного источника энергии для реализации предлагаемого способа очистки каналов от растительных остатков необходимо заострить внимание не только на экономии средств, но и на экономической стороне рассматриваемой проблемы. Как было указано, для реакции сороочистителельных процессов на каналах необходим автономный энергоисточник мощностью не более нескольких киловатт, а также со сравнительно невысокой стабильностью скорости вращения вала и крутящего момента. Подобные энергоисточник не должен иметь дорогостоящих элементов, быть простым по конструкции и в эксплуатации, не требовать охраны или специальной защиты и не зависеть от погодных условий или времени суток. В качестве альтернативных энергоисточников можно назвать следующие: - Солнечные батареи; - Гелиогенераторы; - Ветроустановки; - Биологические газогенератор; Термогинераторы; - Гидротурбины. Солнечные батареи представляют собой прозрачные пластины, внутрь которых вмонтированы полупроводниковые элементы, генерирующие электрический ток при освещении. Генерируемая энергия пропорциональна площади облучаемой поверхности. Подобные источники тока широко используются для питания маломощных потребителей, например, микрокалькуляторов (105-107). Солнечные батареи имеют высокую стоимость и требуют применения аккумуляторных батарей для обеспечения круглосуточного энергоснабжения потребителя. В пасмурную погоду низкая облачность задерживает световой поток, и мощность энергоисточника падает. С учетом недостатков, указанные выше, солнечные батареи целесообразно использовать для привода сороочистителей на оросительных системах, расположенных в регионах с большим количеством безоблачных дней. В процессе эксплуатации солнечных батарей необходимо периодически очищать их поверхность от пыли и влаги, проверять напряжение и силу генерируемого тока.
Батареи сравнительно неприхотливы в эксплуатации. В будущем солнечные батареи могут найти более широкое применение в качестве автономных источников электрического тока. Однако применение солнечных батарей для привода рассредоточенных по системе сороочистителеи затруднительно из-за отсутствия их надлежащей охраны, высокой стоимости и невозможности аккумулировать энергию на длительные периоды пасмурной погоды. Гелиогенераторы представляют собой парогенераторные системы, собирающие солнечные лучи в фокус посредством сферических или конических зеркал. Генерируемый находящийся в фокусе пар приводит в действие турбину электрогенератора. Гелиогенераторы имеют те же недостатки, что и солнечные батареи, однако зависимость отдаваемой мощности зеркал от угла падения солнечных лучей больше, чем у солнечных батарей. Следовательно, использование гелиогенераторов для привода автономных сороочистителеи так же не целесообразно.
Обоснование конструктивно - технологической схемы сороочистителя
В процессе очистки каналов от растительных остатков движущимися решетками наиболее энергоемким процессом является разрыв растительного пласта и извлечение сора из потока.
Применяемые механические способы очистки задерживают сорную растительность, а затем удаляют ее в ручную или с помощью различных дополнительных механизмов, либо непосредственно удаляют из потока, затем транспортируют ее к дамбе канала. Все это требует больших затрат в эксплуатации подобных механизмов.
Возможность применения самоприводных движущихся решеток позволит исключить дополнительные средства, затрачиваемые Б работе сороочистителей. Однако отличительной чертой их будет являться то, что у них ограниченный энергопотенциал, так как потенциал потока ограничен, а речь здесь идет о возможности привода от потока воды в канале. Поэтому перед нами стоит задача разработки более рационального способа очистки, с целью снижения энергозатрат на удаление сорной растительности из потока.
Применение способа с предварительным перемещением растительных остатков к дамбе канала, должно значительно снизить затраты энергии на очистку, так как перемещать растительную массу гораздо легче в воде чем извлечь ее а затем транспортировать. Использование данного способа возможно только лишь при комбинированной работе двух механизмов, назначение которых перемещать сорггую растительность к дамбе и извлекать ее за пределы канала. Все это определяет характер движения этих механизмов. Таким образом, первая часть соро очистителя будет перемещать растительные остатки к краю канала. Кроме того, при разработке конструктивно технологической схемы сороочистителя необходимо учесть, что первая часть должна быть выполнена в виде совмещения гидродинамического двигателя и рабочего полотна. Это определяет то, что рабочее полотно будет приводиться в движение от потока воды, и тем самым перемещать сорную растительность к дамбе канала. Здесь речь идет о совмещении в один рабочий орган лопаток, для восприятия потока, и скребков, для захвата сорной растительности. Однако применение классической двухплоскостнои схемы движущихся решеток невозможно, так как усилия на обеих ветвях будут создавать встречные крутящие моменты. В сложившейся ситуации необходимо рассмотреть возможность применения трехплоскостной схемы к самоприводной части сороочистителя 1 (рис. 2.1).
В данном случае можно установить скребки так чтобы две из трех ветвей способствовали движению рабочего полотна, а одна нет, так как она будет двигаться навстречу потоку. Третью ветвь, в целях уменьшения встречного гидродинамического сопротивления, можно укрыть от основного потока. Форма скребков в данном случае будет отличаться от других форм, так как для обеспечения равномерности восприятия потока обоими рабочими ветвями они должны сохранять симметрию относительно несущего элемента.
Таким образом к основным параметрам скребка (рис. 2.2) можно будет отнести его радиус, ширину и длину, а влияние толщины при относительно малых скоростях обтекания незначительно и ею можно пренебречь.
Вторая часть сороочистителя 5 будет выполнять те же задачи, что и неполнопрофильные движущиеся решетки, т.е. транспортировать перемещенную к краю канала сорную растительность. Однако отличительной чертой их будет то, что они будут иметь привод от вала самоприводной части, что делает всю работу сороочистителя автономной. Для снижения энергоемкости процесса очистки на транспортировку сорной растительности, привод второй части будет осуществляться через редуктор 2 и цепную передачу 4.
Для обеспечения высокой степени очистки потока необходимо еще предусмотреть очистные устройства 3 и 6, в задачи которых входит съем растительной массы с рабочего полотна первой и второй частей сороочистителя. Ведь от качества очистки рабочих полотен будет зависеть эффективность очистки канала.
Как видно из рисунка 2.1 очистка рабочих полотен должна производиться на двух участках. Первый - съем растительной массы с рабочего полотна самоприводной части сороочистителя и перемещение ее к полотну транспортирующего механизма. Второй - очистка транспортирующего полотна в верхней точке движущейся решетки. На первом участке наиболее целесообразным будет применение гидромеханического способа очистки, т.е. съем растительности с помощью специальных пальцев и перемещение ее к полотну транспортирующего механизма водным потоком. При этом пальцы должны иметь определенную кривизну, обеспечивающую наиболее качественную очистку. Для увеличения качества задержки и перемещения, а затем и съема сорной растительности, скребки так же необходимо снабдить пальцами (рис. 2.3 а).
На втором участке речь может идти только о механическом способе очистки. Однако применение щеток с активными вращающимися элементами, как показала практика, требует значительных частот вращения для качественной очистки от водорослей и другой водной растительности, что невозможно обеспечить при работе самоприводных сороочистителей. В данном случае наиболее рациональным решением может быть применение пассивных направляющих (рис. 2.3 б) по которым под действием сил тяжести будет скатываться в корзину 7 (рис. 2.1) сорная растительность.
Методика исследования параметров пропускных отверстий рабочего полотна самоприводного сороочистителя
Объектом настоящих исследований является предложенный способ сороочистительных работ с использованием самодвижущейся решетки. Самоприводной сороочиститель состоит их четырех комбинированно работающих механизмов (рисунок 2,2). Параметры транспортирующего полотна исследованы учеными многих стран, в том числе и России. Объектом настоящих исследований является рабочее полотно самоприводной части, в задачи которой входит частичное преобразование кинетической энергии потока в движущую силу решетки и осуществление качественной задержки сорной растительности.
Для решения поставленной цели необходимо было определить степень задержки растительных остатков в зависимости от параметров рабочего полотна. Основные задерживающие элементы рабочего органа образуют в поперечном сечении канала так называемую решетку. К ее основным параметрам можно отнести шаг скребков и расстояние между пальцами (рисунок 2.5), Для исследования влияния параметров рабочего полотна на качество задержки сорной массы была изготовлена специальная установка (рисунок 3.4), которая состоит из двух параллельно расположенных решеток. Конструкция первой позволяет изменять расстояния между вертикальными и горизонтальными прутьями решетки.
Горизонтальное расстояние между прутьями первой решетки можно соотнести с шагом скребков рабочего полотна, а по вертикали - с расстоянием между пальцами. Интервал изменения расстояния в горизонтальном и вертикальном направлениях принимали равным 40 мм. В задачи второй решетки входило задержание растительной массы, прошедшей сквозь первую решетку. Степень задержки сорной массы определяли соотношением массы растительных остатков на первой решетке к общей массе:
Исследования проводили на опытном участке N 2 межхозяйственного канала оросительной системы им. Октябрьской революции в республике Дагестан. Установку помешали в канал, предварительно установив минимальное сечение пропускных отверстий. Затем по результатам ранее выполненной последовательной выборки водорослей перед установкой, на расстоянии 3 м, отпускали в поток массу растительности, соответствующую тем группам, где процентное соотношение с общей массой выборки превышает 8 - 10 %. После каждого опыта массу задерживаемой растительности каждой решеткой взвешивали. Полученные данные заносили в таблицу результатов исследований. Каждый опыт имел трехкратную повторность.
Для определения энергетических параметров сороочистительного процесса использовали методику, ранее разработанную на кафедре «Агропромышленные машины и оборудование» («Мелиоративные и строительные машины») ЫГМА. Усилия, возникающие в элементах сороочистителя, измеряли методом тензометрирования. Однако для дополнительного преобразования первообразного сигнала, вызванного деформациями тензометрического звена нагрузками, использовали стабилизированный источник электрического тока и генератор переменной частоты (рисунок 3.) Деформация частоты последнего пропорциональна усилию, действующему на тензозвено. В цепь обратной связи генератора включен измерительный полумост (резисторы Rl, R2).
Балансировка его осуществляется переменным резистором R3. Так как генератор имеет сравнительно небольшие размеры, место его установки определяется только размерами тензозвена. При использовании генератора в полевых условиях никаких соединительных проводников не требуется, так как передача сигнала к регистрирующему блоку осуществляется индуктивным способом. Полная автономность генераторно-измерительного блока - несомненное преимущество данной методики. Приемно-дешифрующий блок позволяет осуществлять запись сигналов на магнитную ленту с последующей подачей на параллельный порт компьютера или производить отчет непосредственного значения усилия по шкале предварительно протарированного микроамперметра.
