Совершенствование гидравлических регуляторов с ленточным регулирующим органом для внутрихозяйственной сети оросительных систем Дегтярев Владимир Георгиевич

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1 Обзор и анализ способов и средств водораспределения на оросительных системах 10

1.1 Обзор и анализ способов водораспределения на оросительных системах 10

1.2 Обзор и анализ средств водораспределения на оросительных системах 16

1.2.1 Регуляторы уровня прямого действия 16

1.2.2 Регуляторы уровня непрямого действия 19

1.3 Достоинства и недостатки способов и средств водораспределения применительно к внутрихозяйственной сети оросительных систем 25

Выводы по первой главе 27

Глава 2 Теоретические исследования и конструктивно технологические решения по регуляторам воды с ленточным регулирующим органом 30

2.1 Теоретический анализ и технологические аспекты САР при использовании регуляторов распределения воды 30

2.2 Теоретическое обоснование адаптивных конструктивно-технологических элементов регуляторов с ленточным регулирующим органом 34

2.3 Ленточные регуляторы расхода и уровня воды, адаптированные к работе в САР 40

Выводы по второй главе 43

Глава 3 Лабораторные исследования регулятора с ленточным регулирующим органом 44

3.1 Методика и результаты лабораторных исследований расходных характеристик регулятора с ленточным регулирующим органом 44

3.2 Лабораторные исследования управляющих расходных характеристик регулятора с ленточным регулирующим рабочим органом 55

3.3 Гидродинамические исследования регулятора с ленточным регулирующим органом в системе Computational Fluid Dynamic 63

Выводы по третьей главе 71

Глава 4 Натурные исследования регуляторов с ленточным регулирующим органом и их экономическое обоснование 73

4.1 Методика и результаты натурных исследований расходных характеристик регулятора с ленточным регулирующим органом 73

4.2 Исследования расходных характеристик рабочей полости натурного образца регулятора с ленточным регулирующим органом 77

4.3 Натурные исследования управляющих расходных характеристик регулятора с ленточным регулирующим органом 89

4.4 Исследование ленточного регулятора в 3D математической модели с профилированным седлом для создания характеристик линейных по входным параметрам 97

4.4.1 Преобразование расходной характеристики и перепрофилировка ленточного регулирующего органа 97

4.4.2 Исследование регулятора с ленточным регулирующим органом, линеаризующим расходные характеристики 101

4.5 Методика инженерного расчета регулятора с ленточным регулирующим органом 106

4.6 Экономическое обоснование применения ленточных регуляторов расхода и уровня воды 112

Выводы по четвертой главе 119

Заключение 121

Список литературы 124

Приложения 138

• Регуляторы уровня непрямого действия
• Лабораторные исследования управляющих расходных характеристик регулятора с ленточным регулирующим рабочим органом
• Натурные исследования управляющих расходных характеристик регулятора с ленточным регулирующим органом
• Экономическое обоснование применения ленточных регуляторов расхода и уровня воды

Введение к работе

Актуальность темы исследований. Производство сельскохозяйственной продукции зависит от множества факторов: климата, плодородия почв, наличия влаги должного количества и др. Очевидно, что именно южные регионы Российской Федерации должны и являются основными производителями различной сельхозпродукции и однозначно теплолюбивой. В качестве примера можно привести Краснодарский край, являющийся основным рисопроизводящим регионом, он также лидер по валовому сбору зерна, что составляет порядка 10 % от общероссийского сбора; сахарной свеклы порядка 17,3 %, один из ведущих производителей семян подсолнечника порядка 15 % и винограда порядка 37 %.

Несмотря на действительно уникальные природно-климатические условия

Краснодарского края, достичь столь значительных успехов в сельскохозяйственном производстве невозможно без гидромелиорации. Ведь рис вообще произрастает в затопленном состоянии, а овощи и виноград дадут урожай в 2–3 раза хуже на богаре.

В бассейнах основных рек Южного федерального округа (ЮФО) РФ, активно участвующих в производстве сельскохозяйственной продукции, давно существует дефицит водных ресурсов. Вода, требуется не только сельскому хозяйству, но и развивающейся промышленности и стремительно растущей отрасли туризма.

Исходя из сложившейся ситуации, необходим поиск новых технологических решений, переход от экстенсивного к интенсивному пути развития. Именно такой путь развития использования водных ресурсов для производства сельскохозяйственной продукции должен позволить сократить водопотребление и, как следствие, увеличить посевные площади, не нанося ущерба экологии бассейнов рек ЮФО РФ.

Современное орошение осуществляется высокоэффективной техникой: капельные линии; спринклерное орошение; системы микродождевания; барабанные и широкозахватные дождевальные машины. Работа данной техники, являющейся исполнительным механизмом в более сложной системе управления, в том числе и водораспределением, требует подачи воды строго по потребности нужного количества и качества.

В свою очередь в виду сложности управления подобными системами, имеющими большую протяженность, при наличии огромных объемов воды, находящихся в управлении, когда в итоге надо управлять уровнем воды в каждом водоприемнике или чеке в пределах одного сантиметра, невозможно обойтись без средств автоматизации.

Степень разработанности темы. Вопросами автоматизации водоподачи

и водораспределения на межхозяйственном звене оросительных системах занимались следующие ученые: Э. Э. Маковский, Я. В. Бочкарев, П. И. Коваленко, В. Н. Щедрин, М. С. Григоров, Е. В. Кузнецов, Т. И. Сафронова и др.

Существенный вклад при автоматизации внутрихозяйственной оросительной сети внесли следующие ученые: Ю. А. Свистунов, С. В. Кибальников, А. Е. Новиков, А. А. Пахомов, В. Т. Островский, В. М. Журавлев, А. А. Ильмер и др.

Если водораспределение на уровне магистральных каналов в увязке с хозяйственными каналами первого уровня еще каким-то образом пытаются включить в процесс автоматизации, то низовое звено до настоящего времени практически оставлено без внимания. Ряд работ в этом направлении предпринятых в 80-х годах прошлого столетия не нашли должного отклика на производстве ввиду явных недоработок средств автоматизации. Настало время вернуться к решению данного вопроса на более высоком уровне. Этому способствуют новые материалы, конструкции на их основе и новые технологии исследований.

Цель исследований – Совершенствование гидравлических регуляторов для повышения эффективности эксплуатации оросительных систем и рационального использования водных ресурсов.

Задачи исследований:

1. Анализ эксплуатационных возможностей систем автоматического регулирования (САР)
водораспределения на внутрихозяйственной сети с учетом конструктивно-технологических
элементов гидравлических регуляторов.

2. Разработка гидравлических регуляторов с ленточными регулирующими органами, на
основе теоретических исследований их адаптации к работе на внутрихозяйственном звене
оросительной системы;

1. Лабораторные исследования основных и управляющих расходных характеристик, и гидродинамических характеристик регулятора с ленточным регулирующим органом при 3D математическом моделировании.

2. Натурные исследования основных расходных и гидродинамических характеристик, а также исследования регулятора в 3D математической модели с профилированным седлом, обеспечивающим линейные расходные характеристики.

3. Разработка методики инженерного расчета регулятора с ленточным регулирующим органом.

4. Экономическое обоснование применения гидравлических регуляторов с ленточным регулирующим органом.

Объект исследования – инженерно-мелиоративные системы и гидравлические регуляторы с ленточным регулирующим органом.

Предмет исследований – конструктивные параметры, технологические режимы, статические и динамические характеристики регуляторов с ленточным регулирующим органом для внутрихозяйственного звена оросительной системы.

Научная новизна. Выполнены комбинированные исследования лабораторных

и натурных разработанных регуляторов с ленточным регулирующим органом, статических
характеристик посредством регрессионного анализа с получением уравнений множественной
регрессии для истечений с рабочей и управляющей полостей, а также динамических
характеристик регуляторов посредством 3D математического моделирования при

теоретическом обосновании профилирования отверстий истечения.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Теоретически обоснованы статические и гидродинамические характеристики

гидравлических регуляторов с ленточным регулирующим органом, в том числе при линеаризованных характеристиках. Разработаны конструкции гидравлических регуляторов с ленточными регулирующими органами (регулятор расхода воды – пат. №2519508 РФ, МПК G05D7/01, стабилизатор расхода воды – пат. №2520068 РФ, МПК G05D7/01), методика их проектирования и инженерного расчета для внутрихозяйственного звена оросительной системы. Дана оценка эффективности проекта мелиорации сельскохозяйственных земель за счет экономии оросительной воды при использовании ленточных регуляторов с линейными выходными характеристиками в хозяйстве многолетних плодоносящих насаждений Абинского района. При затратах на внедрение регулятора 18 966,14 руб., сэкономленный объем оросительной воды в хозяйстве многолетних насаждений семечковых площадью 230 га позволит дополнительно обеспечить водой 20,8 га, величина дисконтированного прироста чистого дохода составляет 7 649 381,00 руб., а прирост чистого дохода составляет 2 889 049,00 руб., срок окупаемости при внедрении в производство регулятора с ленточным регулирующим органом составляет 4 года.

Методология и методы исследования – методы теоретического и системного анализа, математического и компьютерного моделирования, теории многофакторных экспериментов с элементами математической статистики.

Математическое моделирование осуществлялось с использованием пакетов программ
SolidWorks и FlowVision. Результаты экспериментов обрабатывались на ПЭВМ

с использованием программ MatCad и wxMaxima. Расчет экономической эффективности от внедрения ленточных регуляторов, выполнен в программном продукте Гранд-Смета, данные обрабатывали с использованием пакета Excel Microsoft Office.

Положения, выносимые на защиту:

– гидравлические регуляторы с ленточными регулирующими органами, адаптированные к работе на внутрихозяйственном звене оросительной системы;

– регрессионные модели влияния конструктивно-технологических факторов на расходные характеристики регуляторов с ленточным регулирующим органом;

– результаты лабораторных и натурных экспериментов распределения скоростей, давлений и расходных характеристик в регуляторах с ленточным регулирующим органом, в том числе с теоретически обоснованным профилированным седлом и на основе 3D математического моделирования;

– методика инженерного расчета основных конструктивных и технологических параметров гидравлических регуляторов с ленточным регулирующим органом;

– расчеты чистого дисконтированного дохода и сроки окупаемости при внедрении в производство регулятора с ленточным регулирующим органом.

Степень достоверности и апробация результатов.

Достоверность полученных результатов, основных выводов и предложений практике определяется большим объемом экспериментальных и теоретических исследований, использованием апробированных методов и способов планирования экспериментов и обработки полученных данных, высоким уровнем сходимости результатов моделирования и лабораторных опытов с результатами опытно-производственной проверки.

Результаты исследований были внедрены в производство в ОАО «КСП «Светлогорское» и в Садово-парковый оздоровительный центр «Сад грез» на системах водораспределения из каналов старшего порядка во внутрихозяйственные водораспределители для орошения деревьев, где регуляторы уровня воды с ленточным регулирующим органом, адаптированным к работе в системе автоматического регулирования, показали хорошую работоспособность в течение 3 лет.

Результаты исследований внедрены в учебный процесс Кубанского ГАУ, а регуляторы уровня воды с ленточным регулирующим органом используются в лабораторном оборудовании учебного процесса на факультете гидромелиорации.

Основные положения диссертационной работы и результаты исследований докладывались и обсуждались: на ежегодных научных конференциях Кубанского ГАУ им. И. Т. Трубилина (г. Краснодар, 2015–2017 гг.); на Региональной научно-практической конференции «Актуальные вопросы экономики и технологического развития отраслей народного хозяйства» (г. Краснодар, 2016 г.); на Всероссийских научно-практических конференциях молодых ученых «Научное обеспечение агропромышленного комплекса» (г. Краснодар, 2015–2017 г.); на Международной научной конференции «Актуальные вопросы современной техники и технологии» (г. Липецк, 2016 г.); на Международной научно-практической конференции «Эволюция современной науки» (г. Киров, 2016 г.); на Международной научно-практической конференции «Теория и практика приоритетных научных исследований» (г. Смоленск, 2016 г.); на международной научно-практической конференции «Современные концепции развития науки» (г. Казань, 2016 г.).

Публикация результатов исследований.

По материалам диссертационной работы опубликовано 17 печатных работ, из них 6 публикаций в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 5 – в материалах Международных научно-практических конференций, остальные – в других изданиях. По результатам исследований получены 2 патента Российской Федерации на изобретения.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 136 наименования и приложения. Диссертация изложена на 186 страницах машинописного текста, содержит 80 рисунков и 20 таблиц.

Регуляторы уровня непрямого действия

На рисунке 1.11 представлена блок-схема регуляторов уровня непрямого действия.

Регулятор уровня воды непрямого действия с замкнутой эластичной оболочкой (рисунок 1.12). Он устанавливается в трубчатом водовыпуске со стороны верхнего бьефа.

Регулятор уровня включает потокоудерживающую емкость из гибкой оболочки 1, закрепленную внутри водопропускного отверстия 2 гидротехнического сооружения 3. Гибкая оболочка 1 имеет два патрубка – впускной 4, который соединен с бьефом верхним 5, и Рисунок 1.11 – Блок-схема регуляторов уровня непрямого действия выпускной 6, соединенный с бьефом нижним 7. Один из патрубков в зависимости от того, в каком из бьефов необходимо регулировать горизонт воды, оснащен поплавковым клапаном 8. – гибкая оболочка; 2 – водопропускное отверстие; 3 – гидротехническое сооружение; 4 – впускной патрубок; 5 – верхний бьеф; 6 – выпускной патрубок; 7 – нижний бьеф; 8 – поплавковый клапан

Регулятор работает следующим образом. При понижении горизонта воды в нижнем бьефе поплавковый клапан 8 открывает отверстие в выпускном патрубке 6. Вода протекает из верхнего бьефа 5 через гибкую оболочку 1 в нижний бьеф 7. Давление внутри гибкой оболочки 1 уменьшается, и последняя под воздействием основного потока деформируется, открывая водовыпускное отверстие 2. Уровень воды в нижнем бьефе поднимается до заданного горизонта, после чего поплавковый клапан 8 закрывается. Полость гибкой оболочки заполняется водой до тех пор, пока давление воды не сравняется с обеих сторон гибкой оболочки, т. е. до полного перекрытия водовыпускного отверстия [56].

Регулирующий орган в этом регуляторе выполнен в виде замкнутой эластичной оболочки с отверстиями. Регулятор уровня воды непрямого действия РУР-300 (рисунок 1.13). Он устанавливается в трубчатом водовыпуске со стороны верхнего бьефа. – фильтр; 2 – входной патрубок; 3 – гибкая оболочка; 4 – уровень воды в чеке; 5 – поплавок; 6 – прорезиненная лента; 7 – сливное отверстие; 8 – выходной патрубок; 9 – отверстие; 10 – водовыпуск

Регулятор работает следующим образом. Через фильтр 1 вода с верхнего бьефа поступает во входной патрубок 2. При положении уровня воды 4 в чеке выше заданного поплавок 5 всплывает и натягивает прорезиненную ленту 6, которая перекрывает сливное отверстие 7. Отток воды в этом случае по выходному патрубку 8 прекращается, и вода через отверстие 9 заполняет полость гибкой оболочки 3, которая перекрывает трубчатый водовыпуск 10. При этом поплавок 5 опускается, и лента 6 открывает отверстие 9, через которое по патрубку 8 начинается интенсивный излив воды. В результате через отверстие 9 вода из гибкой оболочки 3 сбрасывается. Под действием напора воды верхнего бьефа гибкая оболочка 3 сминается, открывая водовыпуск 10. Таким образом, уровень в нижнем бьефе поддерживается около заданного уровня 4 [57].

Регулирующий орган в этом регуляторе выполнен в виде рукава с замкнутой гибкой оболочкой.

Регулятор уровня воды непрямого действия с уплотнительными полукольцами (рисунок 1.14). Он устанавливается внутри трубчатого водовыпуска. 19 , V – водослив; 2 – эластичная замкнутая оболочка; 3 – патрубок; 4 – отверстие; 5 – верхний бьеф; 6 – отверстие; 7 – нижний бьеф; 8 – трубопровод; 9 – поплавковый датчик; 10 – клапан; 11 – шток; 12 – поплавок; 13 – кожух; 14 – отверстие; 15 – гидравлический порог; 16 – основание сооружения; 17 – пазы; 18 – плоский подъемный щит; 19 – привод; 20 – ряд полуколец

Регулятор уровня содержит водослив 1, выполненный в виде горизонтальной трубы, с установленным внутри него в головной части рабочим запорным органом в виде эластичной замкнутой оболочки 2, которая имеет несколько отверстий, отверстие с патрубком 3 для стравливания воздуха, отверстие 4, сообщающее оболочку с верхним бьефом 5 и служащее для заполнения ее водой, и отверстие 6, сообщающее оболочку с нижним бьефом 7 через трубопровод 8 и служащее для слива воды, это отверстие в несколько раз больше по диаметру чем отверстие 4. Трубопровод 8 снабжен на конце, выходящим в нижний бьеф 7, поплавковым датчиком 9, включающим клапан 10 со штоком 11, на котором закреплен чувствительный орган-поплавок 12. Поплавковый датчик 9 заключен в кожух 13, который сообщен с нижним бьефом отверстием 14. Отверстие 4, служащее для заполнения оболочки 2, расположено в нижней части среза водослива 1 в гидравлическом пороге 15. Высота порога 15 выбрана в пределах 1/5–1/15 диаметра водослива, который служит для создания дополнительной разности напоров и способствует заполнению водой оболочки 2. Наличие порога 15 обеспечивает стабильность работы затвора при малых перепадах уровней. Порог 15 служит одновременно балкой крепления эластичной оболочки 2 к основанию сооружения 16. Для этого использованы пазы 17 плоского подъемного щита 18 с приводом 19, который сооружен в настоящее время почти на всех водосливах. В верхней части оболочки 2 закреплены несколько рядов полуколец 20, обеспечивающих более плотное прилегание верхней части оболочки 2 к стенке водослива 1. Регулятор работает следующим образом. В начале заполнения нижнего бьефа 7 поплавок 12 поплавкового датчика 9 опущен и клапан 10 открыт. Отверстие 6, служащее для слива, открыто, и вся вода, поступающая в оболочку 2 через отверстие 4 из верхнего бьефа 5, выливается в нижний бьеф 7, не успевая заполнить оболочку 2, т. к. отверстие 6 значительно больше отверстия 4. Эластичная оболочка 2 прижимается струей воды, проходящей через водослив 1, к его стенкам.

По мере наполнения нижнего бьефа 7 до требуемого уровня поплавковый датчик 9 перекрывает трубопровод 8 и тем самым отверстие 6, служащее для слива. Оболочка 2 начинает заполняться водой, поступающей из отверстия 4 и увеличиваться в объеме до такой величины, что полностью перекрывает водослив 1, и подача воды в нижний бьеф 7 прекращается. При убыли воды в нижнем бьефе 7 поплавковый датчик 9 освобождает отверстие 6, оболочка 2 несколько уменьшает свой объем и открывает доступ воды через водослив 1 до наполнения нижнего бьефа 7 до требуемого уровня [58].

Регулирующий орган в этом регуляторе выполнен в виде замкнутой эластичной оболочки с отверстиями и рядом уплотнительных полуколец, размещенных на верхней части оболочки. Регулятор уровня РУТ (рисунок 1.15) ставят в торце патрубочного водовыпуска с части нижнего бьефа, представляет собой регулятор непрямого действия.

Регулятор работает следующим образом. При увеличении уровня воды в чеке выше заданного указателем 1 поплавок 2 всплывает, поднимая вверх тяги 3 и 6. В результате кронштейн 8 поворачивается вокруг оси 7 и гибкий патрубок 9 соединяется с отверстием в стенке 5. По импульсной трубке 11 с верхнего бьефа поступает вода, которая через патрубок 9 проходит внутрь оболочкового затвора 10. Поскольку площадь сечения затвора больше площади сечения трубчатого водовыпуска 4, а давление на единицу площади, определяемое напором верхнего бьефа, изменяется синхронно, создается избыточное усилие со стороны оболочкового затвора, который закрывает трубчатый водовыпуск 4. За счет испарения и фильтрации уровень воды в рисовом чеке падает, поплавок 2 опускается, увлекая вниз жестко связанные с ним тяги 3 и 6. Патрубок 9, поворачиваясь в кронштейне 8 вокруг оси 7, отходит от стенки 5. Вода сливается из полости затвора 10, давление в нем падает, и под действием напора трубчатого водовыпуска оболочковый затвор 10 сминается, открывая подачу воды в чек. Под действием основного потока гибкая оболочка прижимается к жесткой стенке и выдавливает, как из тюбика, взвешенные частицы ила, оставшиеся в полости затвора. При подсоединении патрубка к отверстию струя из гибкого патрубка смывает остатки илистых частиц и способствует чистоте прилегаемых поверхностей у стенки и торца патрубка [59].

Регулирующий орган в этом регуляторе выполнен в виде оболочкового затвора.

Сифонный регулятор уровня (рисунок 1.16). устанавливают на системе водовыпусков типа «Монах» (ТП 820-175). Внутри имеющегося железобетонной части 4 устраивают перегородку железобетонную 5, а верхнюю часть накрывают Г-образной плиткой 2 и места стыковки герметизируются. и 7 – патрубки; 2 – плита; 3 – отверстие; 4 – оголовок; 5 – перегородка; 6 – поплавковый датчик; 8 – сопло Вентури; 9 – патрубок

Регулятор работает следующим образом. При увеличении уровня воды в чеке выше заданного поплавковый клапан 6 перекрывает ток воды по патрубку 7. В результате прекращается отсос воздуха по патрубку 9, соединенному с сужением сопла Вентури 8. Через отверстие 3 в капор сифона, образованный оголовком 4, плитой 2 и перегородкой 5, поступает атмосферный воздух, и сифон разряжается. Расход воды в пруд-накопитель при этом прекращается, и уровень воды в нем вследствие затрат на суммарное испарение и фильтрацию падает. Поплавковый клапан 6 открывается и возникает ток воды по патрубкам 1 и 7 и через сопло Вентури 8. В сужении сопла Вентури возникает вакуум и из капора сифона отсасывается воздух, вследствие того, что расход притока воздуха через отверстие 3 намного меньше его оттока по патрубку 9. Сифон заряжается и в чек поступает максимальный расход воды, также существуют усовершенствованные конструкции данного регулятора [60, 61].

Лабораторные исследования управляющих расходных характеристик регулятора с ленточным регулирующим рабочим органом

Разработанные регуляторы воды с ленточным регулирующим рабочим органом исследованы в ряде аспектов [90, 91]. При этом теоретическое обоснование их использования в САР [75, 81], ставит задачу возможности упрощения систем регулирования, если добиться линеаризации расхода, в зависимости от открытия ленточного регулирующего органа [75]. Схема ленточного регулятора представлена на рисунке 3.1. Схемы плана и продольного разреза экспериментальной лабораторной установки представлены на рисунках 3.2 и 3.3.

Поставлена задача: исследовать расходные характеристики воды q, из управляющей полости регулятора В данном исследовании переменными свободными приняты: уровень в бьефе верхнем воды (Я) и открытие проходного сечения седла ленточного органа (а). Было решено аппроксимировать q = f(H, а) полиномом второй степени, основываясь на исследованиях [96, 97]. Эксперимент проведен по программе ЦКП второго порядка. Факторы, интервалы варьирования и принятые уровни в эксперименте представлены в таблице 3.5.

ЦКП второго порядка предполагает выполнение в центре плана серии, из трех опытов, что сделано и представлено, под номерами 9, 10 и 11. Результаты опытов и планирование матрицы приведены в таблице 3.6.

Матрица X плана с результатами эксперимента ji фактическими представлена в таблице 3.7.

План второго порядка для двух факторов и полученные данные позволяют оценивать коэффициенты функции вида, представленного в формулах 3.1-3.3.

При уровне нормативной значимости, находящейся в 5 % интервале и числе степеней свободы 2 нормативное значение критерия Стьюдента tT = 4,303. Оно больше наблюденных значений критерия t для коэффициента Ь1Ь следовательно, указанный коэффициент признается статистически незначимым и удаляется из уравнения регрессии.

Незначимым оказался коэффициент при квадратичном члене, поэтому оставшиеся показатели нашли по равенству (3.3) и получили

По F-критерию Фишера оцениваем адекватность модели по формуле (3.6).

При определении 5аД ищем SR расчетных уj значений функции отклика от полученных в результате опыта у/ в точках диапазона варьирования факторами при изменяющейся функции, воспользуемся wxMaxima.

Найдем матрицу значений: matrix ([65,70], [91,75], [25,55], [24,70], [55,88], [68,48], [78,73], [25,13], [62,18], [62,18], [62,18]).

Вычислим отклонения расчетных значений по матрице функции отклика от экспериментальных значений: matrix ([-0,94], [3,07], [-1,16], [2,86], [4,38], [-3,66], [-2,13], [-1,70], [0,76], [1,67], [-3,14]).

В заключение данной операции, вычислим сумму квадратов отклонений расчетных значений функции отклика от экспериментальных значений, которая численно будет равна 73,28.

Из полученной суммы SR вычитаем сумму SE, использованную для определения дисперсии Sy по результатам опытов в центре плана

В связи с тем, что представленное уравнение адекватно, данное можно использовать, как интерполяционную зависимость, для вычисления величины q, в данной области, где был осуществлен эксперимент.

Для наглядного представления физических явлений исследуемых процессов необходимо построить график поверхности функции отклика и сечения по ней. Реализуя данное были осуществлены нижеследующие расчеты, при использовании программного комплекса wxMaxima.

plot3d (-16,225 + 0,631-х +42,231-у-0,560-х-у-2,565-у2, [х,18,30], [у,1,5], [xlabel, «Напор Я, см»], [ylabel, «Открытие а, см»], [zlabel, «Расход q, см3/с»], [plot_format,gnuplot], [gnuplot_preamble, «set hidden3d»])$.

Полученная поверхность функции q = /(Я, а) представлена графически на рисунке 3.9.

Представленный график позволяет видеть, что функция не имеет скачкообразных отклонений, при изменениях аргументов во всем диапазоне. Это позволяет утверждать, что исследованный регулятор, в представленном диапазоне анализируемых факторов, является средством регулирования параметров, не вносящем дополнительных возмущений в систему и должен хорошо вписываться в процессы управления водораспределением.

С целью получения графика линий уровня функции отклика q = /(Я, а), представленного на рисунке 3.10, выполнены нижеследующие расчеты contour_plot (-16,225 + 0,631 х + 42,231 у - 0,560 х у - 2,565 у2, [х,18,30], [y,1,5], [xlabel, «Напор Я, см»],[ylabel, «Открытие а, см»], [gnuplot_preamble, «set cntrparam levels 12»])$.

С повышением рабочего напора, большие значения открытия ленты по седлу регулятора, не только увеличивают пропускную способность истечения из управляющей полости в целом, но степень этого влияния значимо увеличивается. С увеличением значений открытия ленты по седлу регулятора, большие значения рабочего напора увеличивают расход из полости управления в регуляторе в целом, однако степень влияния данного параметра на функцию увеличивается.

Для построения сечений функции отклика, представленного на рисунке 3.11, введем обозначения и выполним ниже представленные подсчеты

Натурные исследования управляющих расходных характеристик регулятора с ленточным регулирующим органом

При использовании системы FlowVision в 3D постановке и по полученным при производстве исследований натурного образца данным решалась задача потока воды моделирования и расходных характеристик исследования из управляющей полости натурного образца регулятора воды с ленточным регулирующим органом [123, 124].

С применением общепринятого описания турбулентности к-Е, осуществлено представление движения жидкости в устройстве для регулирования и определены гидродинамические данные в границах пространственной модели движения воды с локальными завихрениями, что обрисовывается системой уравнений представленных в (3.11)-(3.14). Параметры: ак = 1, az = 1,3, а = 0,09, сг = 1,44, с2 = 1,92.

Геометрические характеристики натурного ленточного регулятора воды изображены на рисунке 4.3.

Составление твердотельной расчетной модели осуществлено в программе SolidWorks 2015. Модель расчетная изображена на рисунке 4.5, с размерами 300 х 300 мм. Изучение ленточного регулятора выполнялось при давлениях «Н» 4 903, 9 806, 14 709 Па и открытиях ленты «а» 1, 2, 3,40, 80, 120, 160 и 200 мм. Граничные условия - свободное истечение на выходе.

Определенные характеристики ленточного регулятора по модели математической, и по конструктивно-технологическим параметрам приведенным, представлены таблице 4.7.

Как пример на рисунках 4.20, 4.21, 4.22 представлены гидродинамические характеристики изменений скоростей и давлений на отметках 0,000, 0,010, 0,020 м, для открытия ленты «» на 160 мм при рабочем давлении «» 4 903, 9 806, 14 709 Па, соответственно.

Рассмотрение графиков распределения скоростей и давлений на представленных отметках сечений изображает, что числовые значения давления при входе в регулятор однообразны, наибольшая скорость и меньшее давление просматривается на отметке 0,000 м.

С ростом дистанции по плоскостям равных уровней от плоскости с оценкой 0,00 м величина прохождения объема воды через поперечной сечение потока в единицу времени и давление уменьшаются по линейному параметру проходного отверстия. Следовательно, чем больше величина напора в месте входа потока в устройство, тем безусловная разность значений величины прохождения объема воды через поперечное сечение потока в единицу времени и давлений по плоскостям уменьшается. Величина прохождения объема воды через поперечное сечение потока в единицу времени по линейному параметру отверстия прохода с начала седла увеличивается, доходя до максимума у грани запорного органа, далее существенно уменьшается до величин, которые меньше от начальных. Затем, за гибким рабочим органом, числовое значение скорости восстанавливается, и соответствует скорости в управляющей полости регулятора. Изменение давления в полости ленточного регулятора обратно пропорционально распределению скорости, данное согласуется с общефизическими законами, и подтверждено графически. Наличие отрицательного давления (см. рис. 4.20 и 4.21) указывает на возможные зоны кавитации при определенных режимах работы регулятора влияющих на его эксплуатационные характеристики.

Следует отметить, что на графиках, отдельные результаты изысканий 3D математической модели программе FlowVision сведены в таблицу 4.8.

Более глубокое изучение регулятора с гибким рабочим органом, по реализованным методами численного моделирования работы реальной модели в 3D постановке и проведенным натурным изысканиям можно выполнить, обретя уравнения процессов регрессионные. Исходные данные подготавливаются в виде матричных файлов для чего воспользуемся программой wxMaxima, для их чтения необходимо загрузить numericalio. В программе фактологический материал дается матрицей, при этом используется функция numericalio – read_matrix, которая рассматривает матрицу по данным представленным в программе:

C:/PROGRA–1/MAXIMA–1.0–2/share/maxima/5.28.0–2/share/numericalio/ numericalio.mac data: read_matrix(«D: / matris3 / RR2.txt»).

Оценка функции отклика qn = /(Я, а) изображает следующее изменение расходного параметра из объема управления в пределах анализа, как определяющей функции, при трансформации независимых переменных, а именно открытие гибкого рабочего элемента (ленты) «а» и рабочего напора «Я», для всего диапазона проведенных опытов, не проявляют существенного, ступенчатого действия на функцию, способного осуществить шаткую работу устройства.

С целью составления графика значений функции при влиянии одного аргумента и постоянстве другого qn = f(H, а) реализуем действия

Оценка значений при влиянии одного аргумента и постоянстве другого qn = f(H, а) свидетельствует, что в исследуемой границе трансформации параметров независимых переменных, показания рабочего напора на входе в регулятор «Я» в интервале 50-150 см и раскрытия гибкого рабочего органа «а» в диапазоне 4-20 см, квазиоптимальные рабочие характеристики регулятора, с учетом минимального прохождения жидкости в единицу времени из управляющего объема, реализуется раскрытием гибкого рабочего органа «а» равное 8-14 см, для всех параметров модификации этого аргумента как давления воды на подступах в устройство. Для детализированного анализа, желательно выполнить дифференцированное исследование полученное на основе визуализированных графиков функций в 3D модели Чп = f(.H, а), при ряде неизменных варьируемых в исследованиях значений.

Экономическое обоснование применения ленточных регуляторов расхода и уровня воды

Для оценки экономической эффективности разработанных нами средств регулирования оросительной воды мы рассматриваем использование данных систем при орошении многолетних плодоносящих насаждений на площадях 230 га семечковых деревьев, расположенного в Абинском районе Краснодарского края [126, 127]. Общая площадь сельхозугодий анализируемого хозяйства составляет 1 985 га из них площадь многолетних насаждений 1 587 га, плодоносящих - 1 148 га, семечковых - 922 га. Часть сада семечковых деревьев площадью 230 га переведена на капельное орошение (интенсивный сад). Оросительная норма в выбранном районе в среднем составляет 630 м3/га. Для выбранного плодового хозяйства необходимо 5 регулятора расхода и уровня воды. За счет выходных линейных характеристик регулятора достигается общая более простая связь с системой автоматизации водораспределения. Использование более простой и, как следствие, более надежной САР экономятся водные ресурсы. Экономия водных ресурсов составляет 9 % от общего расхода воды за весь вегетационный период, который, в общем, составляет 165 дней. Следовательно, экономия водных ресурсов составит

Для определения эффективности разработанных средств регулирования рассчитан экологический эффект при использовании значения стоимости водного налога по бассейну реки Кубань [128]. Величина водного налога составляет 540 руб./1 000 м3 (Налоговый Кодекс РФ Глава 25.2 Водный налог, статья 333.12 Налоговые ставки).

Экономия оросительной воды с хозяйства многолетних насаждений семечковых площадью 230 га, расположенного в Абинском районе Краснодарского края, позволит прибавочно снабдить водой 20,8 га или в расчете на 100 га - 9 га.

Эффективность по представленному при приобретении дополнительной продукции с площади расширения определяется по формуле

Для рассматриваемой оросительной системе в интенсивном саду при использовании капельной системы орошения, используя современные подходы к процессу ухода за растениями средняя рентабельность производства яблок R на уровне 46 %, следовательно, величина затрат составит

Расчет капитальных вложений по мелиоративному проекту был рассчитан согласно действующих на территории РФ методических рекомендаций [129, 130] путем определения стоимости единицы продукции по формуле

Для определения прямых затрат был использован базисно-индексный метод [126], для перевода в текущие цены был использован переводной индекс ОЗП=17.433, ЭМ-ЗПМ=7,623, ЗПМ=17,433, МАТ=4,862 (4 квартал 2015).

Стоимость единицы продукции - регулятор расхода и уровня воды - с учетом изготовления, материалов и монтажа составила 18 966,14 руб., что представлено в приложении И. Стоимость ремонта - 4 554,80 руб. (см. приложение И) [131]. Расчет производился в программном комплексе Гранд-Смета.

При расчете стоимости единицы продукции - ленточный регулятор расхода и уровня воды - были учтены все возможные расходы, включая непредвиденные затраты в размере 2 %, НДС 18 % и др. [132].

Оценка эффективности проекта экономии оросительной воды за счет линеаризации внутрихозяйственного водораспределения при использовании ленточных регуляторов расхода и уровня воды на многолетнем плодовом семечковом хозяйстве Абинского района совершается с применением дисконтирования [133, 134].

Основным экономическим нормативом, используемым при дисконтировании, является норма дисконта, выражаемая в долях единицы и отражающая максимальную доходность альтернативных безрисковых вложений [135].

Дисконтирование денежного потока на m-шаге осуществляется с применением значения дисконтирования ат

а = (4.21)

где Е - годовая норма дисконта.

Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиционных проектов мелиорации сельскохозяйственных земель РД-АПК 300.01.003-03 п. 2.7.3 рекомендуют принимать годовую норму дисконта в пределах 6-8 %.

Оценочные значения по инвестиционному предложению.

Существенным критериальным численным значением эффективности проекта экономии оросительной воды за счет оптимизации процессов водораспределения при использовании ленточного регулятора расхода и уровня воды, будет дисконтированный прирост чистого дохода (ДПЧД), определяемый как накопленное за весь расчетный период сальдо приростного денежного потока

ДПЧД = Im/mam, (4.22)

где fm - сальдо приростного денежного потока на m-м шаге; ат - значение дисконтирования.

За расчетную пору равную 10 годам дисконтированный прирост чистого дохода (ДПЧД) при реализации ленточных регуляторов расхода и уровня воды и за счет орошения сэкономленной водой дополнительных площадей многолетних плодоносящих насаждений составляет 7 649,381 тыс. руб.

Кроме существенного дохода, при исчислении эффективности Методическими рекомендациями рекомендуется определять следующие показатели [136]:

- чистый доход «с мелиорацией»;

- чистый доход «без мелиорации»;

- прирост чистого дохода;

- внутреннюю норму доходности;

- индексы доходности затрат и инвестиций;

- сроки окупаемости.

Прирост чистого дохода определяется как накопленное за весь расчетный период сальдо приростного денежного потока

За расчетную пору равную 10 годам прирост чистого дохода (ПЧД) при внедрении ленточных регуляторов расхода и уровня воды - 2 889,049 тыс. руб.

Проект неэффективен, если его ДПЧД отрицателен, и эффективным, если ДПЧД положителен.

При употреблении ленточных регуляторов расхода и уровня воды ДПЧД - больше нуля, исходя из чего констатируем, проект - эффективен.

Индексы доходности:

- индекс доходности затрат при использовании ленточных регуляторов расхода и уровня воды равен 1,05;

- индекс доходности инвестиций (ИД) при использовании ленточных регуляторов расхода и уровня воды равен 1,55.

- индекс доходности дисконтированных инвестиций (ИДД) при использовании ленточных регуляторов расхода и уровня воды равен 1,2.

Система экономии оросительной воды за счет использования ленточных регуляторов расхода и уровня воды на примере многолетних плодоносящих насаждений Абинского района является эффективной, так как для эффективных проектов индекс доходности дисконтированных затрат и ИДД превышают 1.

Система экономии оросительной воды за счет использования ленточных регуляторов расхода и уровня воды на примере хозяйства многолетних плодоносящих насаждений Абинского района окупится на 4-ый год эффективного использования.

Расчетные данные по оценке эффективности проекта экономии оросительной воды за счет использования ленточных регуляторов с линейными выходными характеристиками, на примере хозяйства многолетних плодоносящих насаждений Абинского района, выведем в таблицу 4.11.

Представленное позволяет констатировать - реализация системы регулирования оросительной воды на примере хозяйства многолетних плодоносящих насаждений Абинского района является экономически целесообразным действием.