Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния открытых оросителей и способов их очистки от растительности и мусора 9
1.1. Анализ состояния проблемы 9
1.2. Основные причины некачественного функционирования оросительных каналов 18
1.3. Технологии и технические средства для очистки оросительной воды на водозаборах насосных станций 21
1.4. Предлагаемые способы очистки воды от мусора и водорослей в открытых каналах 24
1.5. Видовой состав растительности преобладающей на оросительных каналах 27
1.6. Классификация и анализ конструкций режущих аппаратов косилок 30
1.7.Устройство для скашивания растительности с откосов канала и его усовершенствование 34
Выводы по первой главе 38
2. Теоретическое обоснование параметров и определение показателей ротационного кустореза 40
2.1. Обоснование способа резания растительных материалов ножом 40
2.2. Теоретическое обоснование выбора траектории движения ножа режущего аппарата 43
2.3. Определение зоны резания и величины приращения стерни 48
2.4. Определение скорости резания при работе кустореза 51
2.5. Теоретическая зависимость угла установки защитного кожуха от скорости частицы и угла установки ножа 54
2.6. Определение мощности, необходимой для привода ротора кустореза 59
Выводы по второй главе 61
3. Программа и методика исследований 63
3.1. Месторасположение и краткая характеристика объектов 63
3.2. Методика полевых исследований 63
3.3. Метеорологические условия исследований 68
3.4. Методика определения основных эксплуатационных показателей открытых каналов 69
3.4.1. Проектирование и расчет лабораторной установки 69
3.4.2. Подбор насосно-силового оборудования 71
3.4.3. Проектирование лотка канала для проведения исследования 71
3.5. Методика расчета воды в канале при неустановившемся движении воды 72
3.5.1. Методы и средства измерения и контроля основных параметров 72
3.5.2. Методика определения гидравлических параметров лотка 72
3.5.3. Методика определения гидродинамического давления и скоростей движения жидкости 73
3.6. Критерии оценки значений показателей, полученных экспериментальными исследованиями 75
3.7. Методика расчета расхода воды в канале при неустановившемся движении воды 77
3.8. Критерии оценки значений показателей полученных экспериментальными исследованиями 81
3.8.1. Критерий Стьюдента критерий) 81
4. Результаты экспериментальных исследований по совершенствованию очистки оросительных каналов 84
4.1. Исследования по динамике зарастания каналов и её влияние на эксплуатационные показатели 84
4.2. Увеличение потерь оросительной воды из каналов вследствие зарастания 86
4.3. Результаты исследования гидробиологического режима оросительного канала 91
4.4. Гидравлические исследования 93
4.5. Оценка эффективности работы водозаборных сооружений и насосных станций 97
4.6. Результаты исследований воздушно-пузырьковой и гидроструйной завесы 103
4.7. Результаты исследования активной механической очистки оросительной воды 107
4.8. Исследования по определению основных параметров роторного кустореза 112
4.8.1. Определение допустимой скорости резания 112
4.8.2.Влияние основных технологических параметров кустореза на мощность для привода ротора 114
Выводы по четвертой главе 116
5. Экономическая эффективность применения разработанных устройств очистки каналов и оросительной воды 117
5.1. Экономические показатели использования гидротехнологий очистки воды 117
5.2. Экономические показатели эксплуатации кустореза 122
Выводы по пятой главе 126
Основные выводы 127
Литература 129
Приложение
- Технологии и технические средства для очистки оросительной воды на водозаборах насосных станций
- Теоретическое обоснование выбора траектории движения ножа режущего аппарата
- Методика определения основных эксплуатационных показателей открытых каналов
- Увеличение потерь оросительной воды из каналов вследствие зарастания
Введение к работе
Актуальность темы. Мелиорация - одна из важнейших отраслей сельского хозяйства позволяющая увеличивать производство продукции, получать гарантированные и высокие урожаи сельскохозяйственных культур.
До 70% сельскохозяйственных угодий в РФ располагается в засушливой зоне. В связи с этим поддержание в работоспособном состоянии оросительных каналов, осуществляющих подачу воды на орошаемые площади, важнейшая и актуальная задача. На современном этапе назрела необходимость проведения ремонта и реконструкции оросительных систем.
Несмотря на то, что в настоящее время во многих отраслях промышленности и сельского хозяйства трудоемкие ручные процессы в большинстве своем механизированы, вопрос очистки русел каналов от растительности и наносов требует серьезных доработок и усовершенствования. Кроме этого необходимо периодически проводить окашивание откосов и берм каналов.
На основании проведенной оценки состояния открытых мелиоративных каналов можно отметить, что недостаточная очистка оросительной воды приводит к снижению производительности насосных станций. В результате забираемый насосами мусор попадает в напорные трубопроводы закрытой оросительной сети, забивая до 20-25% дождевальных аппаратов и насадок дождевальных машин. При этом качество и эффективность полива в значительной степени ухудшается, что приводит к снижению урожайности сельскохозяйственных культур. Кроме того, наличие сорной растительности на откосах каналов вызывает их разрушение, приводит к увеличению фильтрации воды, снижает скорость течения потока.
Таким образом, проблема очистки оросительной воды от мусора растительного происхождения и разработки кустореза с роторным режущим аппара том для среза растительности и удаление ее с откосов каналов является весьма актуальной задачей.
Научная новизна. Впервые в Волгоградской области проведен мониторинг открытых каналов и по его результатам предложены технологические и технические решения для очистки оросительной воды и поддержания каналов в исправном состоянии.
На основании теоретических и экспериментальных исследований обоснованы основные конструкторские и кинематические параметры режущего аппарата с роторным рабочим органом, усовершенствована конструкция ножа для удаления растительности с откоса канала.
Практическая значимость исследований. На основе проведенных исследований разработаны предложения по очистке оросительной воды на водозаборах насосных станций, что позволяет повысить производительность насос-но-силовых агрегатов, обеспечить бесперебойную работу дождевальных машин. При этом энергетические затраты снижаются на 15-20% по сравнению с традиционными.
Разработано устройство для окашивания откосов канала, которое обеспечивает качественный срез растительности независимо от видового состава.
Полученные результаты исследований могут быть использованы проектными организациями, а также организациями, эксплуатирующими оросительные системы.
Реализация результатов исследований. Полученные результаты исследований прошли производственную проверку в Большой Волгоградской, Горо-дищенской и Заволжской оросительных системах Волгоградской области.
На защиту выносятся:
- качественные показатели мониторинга состояния оросительных каналов в заросшем и чистом виде;
- предложенные комплексные технологические и технические решения, такие как воздушно-пузырьковая, гидроструйная завесы и механическая очистка оросительной воды от мусора и водорослей;
- результаты экспериментальных исследований работы технических средств по очистке оросительной воды от различных механических примесей;
- устройство для скашивания растительности с откосов канала в виде роторного кустореза, обеспечивающего качественный срез.
Апробация и публикация работ. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на научно-практических и международных конференциях ВГСХА (г. Волгоград) в 2003-2005 гг., ПГСХА (г. Пенза) в 2005 СГАУ (г.Саратов) в 2005 г.
По теме диссертации опубликовано 7 научных работ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов и предложений. Изложена на 152 страницах, включает 22 таблицы, 39 рисунков и 10 приложений. Список используемой литературы состоит из 114 наименований.
Технологии и технические средства для очистки оросительной воды на водозаборах насосных станций
Анализ различных литературных источников показывает, что устройства для очистки оросительной воды на водозаборах насосных станций в зависимости от состава и степени засоренности оросительной воды в значительной степени отличаются друг от друга, как по способу, так и конструктивному исполнению. На основании этого можно отметить, что существующие технические средства очистки оросительной воды от мусора и водорослей производятся следующими способами: механический, гидроструйный, воздушно-пузырьковый, циркуляционный.
Объединяющим фактором технических средств при механическом способе очистки оросительной воды на водозаборах насосных станций является задержание сора и водорослей с помощью заградительных решеток различного типа, устанавливаемых перед всасывающей линией насосных агрегатов.
Данные технические решения изложены в трудах А.Г. Кондратьева, А.И. Фабрикова, А.А. Сильчинкова, Л.И. Румянцева, Г.И. Андреева и др. [1, 2, 4, 5, 6, 9, 10, 19, 29, 37, 50, 51, 52, 54, 55, 56, 66, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 79, 87, 97, 102, 109, 111, 112, 113, 114]. Однако существенным недостатком применения данного способа при его реализации является сложность и большая габаритность конструктивного исполнения, большие эксплуатационные затраты по обслуживанию и низкая эффективность в работе.
Основными направлениями при разработке такого типа технических средств явилось их совершенствование и поиск решений по повышению их надежности в работе, снижению трудозатрат по очистке решеток и сеток от водорослей.
Таким образом, на основании проведенных анализов технических средств механического способа очистки оросительной воды от мусора и водорослей выполнена классификация технологии очистки сороудерживающих решеток (табл. 1.5).
Учитывая анализ технических решений и данные таблицы, можно констатировать, что наиболее эффективная очистка воды осуществляется механическими сороудерживающими устройствами при непрерывном циклическом режиме движения устройства, или непрерывным, с периодическим или постоянным использованием направленных струй воды для промывки решеток.
Однако, учитывая стохастическое наличие мусора и водорослей в водозаборном сооружении и создание экономного режима в процессе его работы, требуется организовать работу сороудерживающего устройства в «активном» - в движении и «пассивном» - без движения режиме работы.
Это возможно лишь при разработке дополнительных, как технологических и технических решений, обеспечивающих переход из одного режима в другой с использованием процесса автоматизации технологии очистки оросительной воды.
Наиболее часто, применяемым в практике способом очистки оросительной воды на водозаборах подкачивающих насосных станций от мусора и водорослей является циркуляция потока, создаваемая искусственно воздушно-пузырьковыми, гидравлическими водоструйными завесами или устройствами, установленными в потоке воды. Они не создают подпоров оросительной воды, не имеют вращающихся элементов, экономичны в изготовлении, просты в эксплуатации и позволяют отвести сорные включения из зоны водозабора насосной станции. Для реализации данных способов разработано множество технических решений [2, 6, 19, 36, 42, 45, 58, 64, 67, 75, 76, 77, 78, 81, 89, 91, 96, 100, 103, 105, 106,107].
Конструктивное исполнение данных технических решений заключается в размещении в потоке воды различных устройств для закручивания потока перед водозабором. Это могут быть напорные трубопроводы, имеющие перфорации и, за счет сжатого воздуха или напора воды насоса, создающие исходящие потоки, способствующие отгону мусора и водорослей от водозаборного сооружения. Данные технические решения несомненно являются инструментарием искусственного создания перспективного способа очистки оросительной воды -метода циркуляции потока.
Циркуляционный способ основан на эффекте поперечной циркуляции, создаваемой в потоке воды перед водозаборным сооружением и исключающей попадание сорных включений в насосно-силовые агрегаты. В этом случае массы плавающих водорослей и других сорных включений перемещаются самим потоком к одному из берегов и далее - в обводнительный канал - мусоросборник. Неравномерность движения воды в плане водозабора насосной станции также является одной из причин возникновения поперечной циркуляции и не требует дополнительных затрат.
Из анализа выше перечисленных способов видно, что основной их задачей является предотвращение попадания мусора и водорослей в зону влияния насосно-силового оборудования с последующим удалением накопленного мусора. Однако ни один из них не может в полной мере обеспечить надежную работу подкачивающих насосных станций из-за низкой эффективности работы, громоздкости их конструктивного исполнения и больших энергетических затрат при эксплуатации.
Отсюда следует, что проблема очистки оросительной воды от мусора растительного происхождения и зеленых водорослей остается до конца нерешенной и требует дополнительных исследований, теоретических и конструкторских проработок.
Теоретическое обоснование выбора траектории движения ножа режущего аппарата
При работе ротационного режущего аппарата с горизонтальной осью вращения любая точка режущего аппарата, в т.ч. и нож движутся по сложной траектории. В математике подобные траектории называются трахоидами. Одной из ее разновидностей является циклоида. Скорость любой точки ножа роторного диска представляет собой геометрическую сумму окружной U и поступательной vM скоростей машины. При этом вал барабана, режущего аппарата может вращаться как по часовой стрелке, так и против нее. При вращении вала по часовой стрелке (сверху вниз) траектория движения ножа режущего аппарата будет представлена циклоидой с нижним расположением петли. Определим зависимости по которым будет изменяться траектория движения ножа. Для этого представим циклоиду в осях координат XOY, - к Представленные уравнения и являются уравнениями циклоиды в параметрическом виде. Наряду с рассмотренной траекторией может быть перемещение ножа по циклоиде при вращении ротора против часовой стрелки, т.е. снизу вверх. Представим указанную циклоиду в осях координат и выразим уравнения траектории движения ножа в параметрическом виде для точки Аг. Если продифференцировать выражение Хг по времени t, то в результате определим абсолютную скорость. Известно, что нож ротора при работе кустореза, скашивая сорняк, отбрасывает его в сторону и оставляет на откосе. Анализируя уравнения (2) и (3) Xj и Хг приходим к выводу, что проекция пути на рабочей ветви циклоиды при Х2 по мере поворота ротора увеличивается, в то время как для Xi поворот ротора на тот же угол приводит к уменьшению указанного пути
Кроме этого, если продифференцировать уравнения (2.6) и (2.7) для Xi и Хг по времени t, то в результате получим: выражение проекций абсолютных скоростей на ось х: Отсюда следует, что проекция абсолютной скорости на ось X при вращении ротора против часовой стрелки выражение (2.9) выше, чем та же проекция при вращении ротора в противоположную сторону - выражение (2.8). Следовательно более качественный срез кустов сорной растительности, а также более высокая производительность машины будет получена при вращении ротора против часовой стрелки (рис. 2.4). Если в выражении (2.7) величину уг приравнять , где - высота растений, то можно записать: Принимаем, что R величина переменная и относительно точки А будет представлена: Полученное значение R подставим в выражение (2.12) по оси X, получим: Полученное значение Хг позволяет построить траекторию движения ножа в зависимости от изменения времени, угловой скорости ротора и скорости движения машины. Для определения угловой скорости вращения ротора возьмем первую производную по Y2 в выражении (2.12) где u - окружная скорость ножа. Если вместо R подставить его значение из выражения (2.11), то окружная скорость будет равна: Отсюда угловая скорость со равна: Окружная скорость, с которой работают роторные режущие аппараты известна и может быть более 35 м/с. Отсюда, используя зависимость (2.9) можно определить угловую скорость ротора. При этом необходимо учитывать жесткость самих срезаемых растений. Поскольку движение ножа режущего аппарата предполагается по циклоиде, то на ней существует такая точка, где проекция абсолютной скорости на ось ОХ можно приравнять нулю, т.е. vx = 0. А поскольку эта точка будет располагаться в другой четверти, то тригонометрическая функция будет представлена в виде cos (тг + cot) = - cos cot.
Методика определения основных эксплуатационных показателей открытых каналов
Для измерения отдельных показателей потока использовались гидрометрические приборы ГР-99, ИСТ-1 № 633, микровертушки и т.д. Гидрометрические работы на подводящем канале проводились по общепринятой методике, описанной в «Сводной информации о методах измерений при гидравлических исследованиях. Совершенствование методов и аппаратов для производства измерений при гидравлических и гидрологических исследованиях». Измерение скоростей потока на РЗУ осуществлялось во всех узловых точках. Расходы воды через сечения потока определялись посредством суммирования отдельных расходов через элементарные сечения, отнесенные к точке замера скорости. Для определения параметров водяного потока разработана лабораторная установка. Кроме того использованы приборы, позволяющие привести измеряемые лабораторной установкой параметры к фактическим - в канале. В качестве результирующих гидравлических картин движения потока через водозаборные сооружения составлялись эпюры скоростей потока в живых сечениях, в которых проводились замеры. Строились эпюры распределения скоростей потока с соответствующими линиями свободной поверхности при исследуемых расходных режимах НС, графики H-Q, режима работы узлов системы технического водоснабжения и насосной станции. Методическую основу исследований составляли государственные и отраслевые стандарты по системе разработки и постановки на производство и эксплуатацию водопотребляющих систем (ОСТ 33-03-82, ГОСТ 16504-81, ОСТ 70.11.2-74, ГОСТ 23728-79, ГОСТ 24055-80, ГОСТ 24059-80). Заполнение оросительного канала в 2001 и подготовка к первому поливу проводилась с 15 по 20 мая. Погодные условия этого периода характеризовались повышенной температурой воздуха мах 22,8 С и умеренным ветровым режимом, ветром, преимущественно юго-восточного направления (табл. П.4.2). С 21 мая происходит смена направления ветра на северо-западный до сильного и в связи с этим, идет постепенное снижение температуры воздуха. К концу третьей декады мая максимальная температура воздуха составляла +16,4 С, а на почве местами отмечались заморозки до -3 С.
Температура поливной воды не превышала + 10 С. К концу этого месяца, несмотря на осадки ливневого характера, поливная вода прогревалась до + 14 С. В июне наблюдался очень неустойчивый температурный режим. Максимальная температура воздуха достигала 26,9 С, минимальная 11,4 С. Ветровой режим - умеренный. Температура поливной воды находилась в пределах 19-23 С. В этот период отмечалось усиленное развитие обрастающих водорослей, препятствующих нормальному проведению полива, в связи с чем проводилась чистка канала вручную. Июль характеризовался высоким температурным режимом и длительным не проведением поливов, в связи с первым укосом с 5 по 25 июля, а постоянный уровень воды в канале способствовал бурному развитию биомассы водорослей и моллюсков. Самые высокие температуры воздуха и оросительной воды за летний период 2001г. отмечаются в июле месяце. Максимальные температуры в этом месяце: воздуха + 32,4 С, а оросительной воды + 23 С. Ветровой режим - слабый, до умеренного, лишь в отдельные дни - сильный. В начале августа - наблюдается второй пик накопления биомассы в оросительном канале. Поливы были прекращены 3 сентября, в связи с подготовкой к уборке зеленой массы люцерны, но канал оставался наполнен водой весь сентябрь до 1 октября. Погодные условия в сентябре характеризовались неустой чивым температурным режимом и обилием осадков ливневого характера. На поверхности почвы местами отмечались заморозки, температура воды в канале сохранялась от 15 до 20 С. В целом условия в канале в течение поливного периода были благоприятны для развития обрастающих водорослей и моллюсков.
Увеличение потерь оросительной воды из каналов вследствие зарастания
На основе анализа вышеизложенного можно отметить что, глубина наполнения каналов в зависимости от степени их зарастания значительно изменяется, т.е. с ростом сорняков в живом сечении канала увеличивается и глубина наполнения. Отметим, что закономерность повышения горизонтов и, следовательно, увеличение смоченного периметра каналов для оросительных систем, практически остается одинаковой и приведенные данные являются типичными. Это объясняется, прежде всего, однообразием условий движения потока в заросших руслах. Результаты наблюдений показали, что по типу растительности и темпам зарастания оросительные каналы изучаемой зоны создают довольно однообразную картину по всей зоне. Для оценки влияния фактора зарастания на величину фильтрационных потерь оросительной воды через ложе незакрепленных каналов длительный период проводились систематические натурные исследования потерь воды на каналах. Главным критерием при определении коэффициента полезного действия каналов оросительных систем, является потеря оросительной воды на фильтрацию. Анализ изменения величины потерь на фильтрацию проводился для канала Городищенской оросительной системы, который по геологическому строению ложа подстилающего слоя и типу сорной растительности, а так же степени зарастания русла является типичным для условий региона. Исследования изменения потерь воды на фильтрацию в зависимости от степени зарастания канала проводились в различные сроки вегетационного периода растений при среднем расходе воды в канале, так как длительный период поддерживать его не представлялось возможны. Величина потерь воды на фильтрацию в канале приведена в таблице 4.5. Анализируя данные табл. 4.5 можно отметить, что слабо заросшим считается канал при густоте растений в среднем до 30 растений на 1 м2, среднее заросшим от 30 до 60 шт., густо заросшим - более 60 шт. Зависимости степени потерь на фильтрацию от зарастания дана на рис. 4.2. Таким образом, при известной густоте растений можно определить для любого канала степень увеличения фильтрационных потерь в относительных величинах. Например, при густоте растений 35-40 кустов и высоте 0,25-0,6 м потери составляют более 60-80 %. При этом увеличение потерь воды в каналах от зарастания, в относительных величинах характеризуется коэффициентом R j . Как показывают материалы наших наблюдений, данные других исследователей, КПД мелких и средних оросительных каналов может быть увеличен на 50-80 % по сравнению с заросшими только за счет очистки их от растительности. Это значит, что при своевременном уничтожении сорной растительности в русле каналов сокращаются потери на фильтрацию в 2-3 раза, увеличивается КПД каналов в 1,5-2 раза и более чем в 2 раза возрастают скорости течения воды (табл. 4.6) и (рис. 4.3). Потери на испарение. Вследствие зарастания живого сечения канала увеличивается зеркало свободной поверхности воды, а следовательно возрастают потери ее не только на фильтрацию, но и на испарение. Степень увеличения испарения с водной поверхности характеризуется коэффициентом «Rv».
Поскольку величина «Rv» зависит от изменения ширины зеркала, а она связана с глубиной наполнения h и заложением откосов m в чистом и заросшем канале, то вычисление производится аналитически в табличной форме с использованием натурных данных (прил. 4.1) по каналам где m = 1,0 и т= 1,5. Анализ имеющихся данных показывает, что увеличение ширины зеркала свободной поверхности при зарастании каналов повышается на 10-30 %. Это значит, что на каждом погонном метре канала увеличиваются потери на испа- рение на 60 - 80 % по сравнению с потерями в чистом канале. Отметим, что степень изменения горизонта воды от зарастания достигает величины 1,86 -1,92 и увеличивается с уменьшением глубины наполнения каналов, т.е. чем больше канал, тем меньше влияние на него фактора зарастания. Расчеты, проведенные для каналов с заложением откосов от 1,0 до 2,0 показывают, что при увеличении глубины наполнения каналов в следствие зарастания в 2 раза (что подтверждено натурными данными), площадь зеркала испарения увеличивается от 50 % до 60 % (табл. 4.6). Таким образом, потери на испарение от зарастания каналов с разным заложением откосов возрастают пропорционально увеличению площади испарения, т.е. на 20 - 30 % по сравнению с потерями на испарение в незаросших каналах. Оросительные системы на территории Волгоградской области относятся в большинстве своем к равнинным системам, каналы которых имеют средние уклоны от 0,001 до 0,0005. При проектировании каналов за основной режим работы был принят режим с нормальными горизонтами. Однако, как показывает практика, большинство каналов среднего и мелкого звена, а зачастую и крупные каналы, вследствие резкого снижения пропускной способности, функционируют при высоких форсированных горизонтах. Таким образом, вследствие интенсивного зарастания каналы большую часть поливного сезона работают в условиях высокого коэффициента шероховатости при n = 0,17 - 0,20 при форсированных горизонтах. Поэтому с резким увеличением смоченного периметра увеличиваются потери оросительной воды на фильтрацию 1,5 - 2 раза. Это становится причиной дополнительного заболачивания орошаемых земель и прилегающих к каналам территорий. Одновременно работа каналов на форсированных горизонтах увеличивает площадь зеркала свободной поверхности от 50 до 66 % и увеличивает потери оросительной воды на испарение. Высокие горизонты воды в каналах не редко вызывают прорывы дамб, что приводит к затоплению орошаемых площадей. Следовательно, функционирование ирригационных систем на высоких форсированных горизонтах нежелательно.
Похожие диссертации на Совершенствование технологии очистки оросительных каналов гидравлическим и механическим способами
