Технология непрерывной подачи объёмно - фильтрующих материалов при строительстве и реконструкции закрытого горизонтального дренажа
1На правах рукописи
НИКИТЕНКО АНДРЕЙ ВАСИЛЬЕВИЧ ТЕХНОЛОГИЯ НЕПРЕРЫВНОЙ ПОДАЧИ ОБЪЁМНО - ФИЛЬТРУЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ И РЕКОНСТРУКЦИИ ЗАКРЫТОГО ГОРИЗОНТАЛЬНОГО ДРЕНАЖА Специальность: 06.01.02 – «Мелиорация, рекультивация и охрана земель»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук
Новочеркасск – 2013 2
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образователь ном учреждении высшего профессионального образования «Новочеркасская госу дарственная мелиоративная академия»
Научный консультант: Коршиков Александр Алексеевич доктор технических наук, профессор
Официальные оппоненты: Тарасьянц Сергей Андреевич доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Новочеркасская государственная мелиоративная академия», профессор кафедры «Водоснабжения и водоотведения» Кузнецов Евгений Владимирович доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ, ФГБОУ ВПО «Кубанский государ ственный аграрный университет», зав. кафедрой «Гидравлики и сельскохозяйственного водоснабже ния» Федеральное государственное бюджетное научное
Ведущая организация:
учреждение «Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации» (ФГБНУ «РосНИИПМ»).
Защита диссертации состоится «24» октября 2013 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 220.049.01 в ФГБОУ ВПО «Новочеркасская государ ственная мелиоративная академия» по адресу: 346428, г. Новочеркасск, Ростовская область, ул. Пушкинская, 111, ауд. 339.
С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в научном отделе биб лиотеки ФГБОУ ВПО «Новочеркасская государственная мелиоративная академия» по адресу: 346428, г. Новочеркасск, Ростовская область, ул. Пушкинская, 111.
Автореферат разослан «23» сентября 2013 г. и размещён на официальных Ин тернет - сайтах ВАК РФ и НГМА Учёный секретарь диссертационного совета Иванова Нина Анисимовна
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. По данным Федерального агентства ка дастра объектов недвижимости 52,7% орошаемых площадей Южного федерального округа подвержены вторичному засолению, которое обусловлено интенсивным под нятием уровня грунтовых вод (УГВ) из-за низкой эффективности работы закрытого горизонтального дренажа (ЗГД).
Установлены три основных фактора снижения эффективности работы ЗГД:
ошибки проектирования, строительные дефекты, неправильная эксплуатация. Боль шая часть отказов дренажа в первые годы его эксплуатации приходится на долю строительных дефектов, что связано в первую очередь с недостаточной изученно стью процессов укладки ЗГД.
По современной узкотраншейной технологии строительства дренажа укладку дренажных труб на дно траншеи с одновременной их обсыпкой объёмно фильтрующими материалами производят бункерами дреноукладчиков. Исследования конструкций бункеров как отечественного, так и зарубежного производства показа ли, что ограниченное пространство бункера дреноукладчика в совокупности с физи ко-механическими свойствами фильтрующей обсыпки провоцируют образование внутри бункера статически устойчивых сводов. При этом процесс подачи объёмно фильтрующего материала (ОФМ) осуществляется прерывисто с образованием пу стот, что приводит к возникновению сифонных перегибов, нарушению целостности дренажных линий, сдавливанию дренажной трубы и способствует в дальнейшем ин тенсивному засорению и заиливанию дрены.
В связи с этим совершенствование технологиии и агрегатов, обеспечивающих высокое качество строительства ЗГД, устойчивое и высокоэффективное функциони рование дренажных систем является важной и актуальной проблемой.
Степень разработанности темы. Существующая технология подачи ОФМ к месту его укладки и послойного распределения для защиты дренажной трубы не предусматривает возможности контроля и управления процессом дозирования ОФМ в автоматическом режиме, что приводит к образованию многочисленных строитель ных дефектов. Основы теории и практики по обеспечению бесперебойной подачи сыпучих материалов бункерными устройствами изложены в трудах А. Н. Панченко (1977, 1979, 1985), Р. Л. Зенкова (1964, 1977, 1987), К. В. Алферова (1946, 1955), Л.В.
Гячева (1968), В. А. Богомягкого (1973, 2007), С.К. Янчина (1966), Э. В. Дженике (1968) и других учёных с обоснованием изыскания, проектирования и конструиро вания дозирующих бункерных устройств.
Цель исследования - повышение эффективности, надёжности и долговечно сти работы закрытого горизонтального дренажа за счёт совершенствования техноло гии обсыпки пластмассовых дренажных труб сыпучим объёмно-фильтрующим мате риалом.
Задачи исследования:
выполнить анализ существующих технологий и средств строительства ЗГД в зоне орошения, а так же конструкций дренажных фильтров;
провести анализ факторов, влияющих на качество обсыпки дренажных труб сы пучим ОФМ при строительстве ЗГД узкотраншейным способом;
разработать математическую модель процесса подачи ОФМ в зону его послой ного распределения и обосновать параметры устройства для механизированного раз рушения статически устойчивых сводов из ОФМ в бункере узкотраншейного дрено укладчика разработать методику расчёта сводоразрушающего устройства;
разработать технологию обсыпки дренажных труб ОФМ и провести опытно производственную проверку бункера оснащённого сводоразрушающим устройством;
выполнить технико-экономическое обоснование результатов исследований.
Научная новизна исследования:
установлены факторы, провоцирующие образование статически устойчивых сводов из ОФМ в бункере узкотраншейного дреноукладчика;
разработана математическая модель процесса подачи ОФМ в зону его послой ного распределения;
разработана методика расчёта оптимальных параметров сводоразрушающего устройства для осуществления обсыпки пластмассовых дренажных труб сыпучим ОФМ без образования статически устойчивых сводов в бункере-дозаторе дреноукла дочного устройства;
предложена технология обсыпки дренажных труб объёмно-фильтрующим мате риалом с применением разработанного сводоразрушающего механизма;
Теоретическая и практическая значимость работы. В результате теорети ческих и экспериментальных исследований разработана математическая модель про цесса подачи ОФМ в зону его послойного распределения, которая позволила опреде лить условия образования статически устойчивого свода ОФМ в бункере дрено укладчика, получить выражения для определения режимов работы сводоразрушаю щего устройства, зависимости для определения необходимых конструктивных и ре жимных параметров бункерного устройства дреноукладчика.
На основании проведённых исследований производству предложены новая технология подачи объёмно-фильтрующих материалов при строительстве и рекон струкции закрытого горизонтального дренажа, а так же комбинированный рабочий орган для механизированного разрушения сводов в бункере узкотраншейного дрено укладчика (патент РФ E02F 5/10 76356 U1).
Работа выполнена по плану Межведомственной координационной программы фундаментальных исследований по научному обеспечению АПК РФ на 2011 – г.г., тема: «Разработка орудий, средств и технологий механизации строительства, восстановления и эксплуатации мелиоративных систем и объектов природообу стройства».
Методология и методы исследования. Теоретические исследования выпол нены на базе математических и логических методов познания объекта, эксперимен тальные - с использованием стандартных и частных методик проведения экспери ментов и методов их планирования. Опытные данные научных исследований полу чены в результате использования общеизвестных методик натурных и лабораторных экспериментов, метрологически аттестованных приборов и стандартного оборудова ния промышленного изготовления.
Положения, выносимые на защиту:
технология обсыпки дренажных труб объёмно-фильтрующим материалом с применением разработанного сводоразрушающего механизма;
физико-механическая модель сыпучего ОФМ;
математическая модель процесса подачи сыпучего ОФМ в зону его послойного распределения;
конструкция рабочего органа для механизированного разрушения статически устойчивых сводов из ОФМ в бункере узкотраншейного дреноукладчика (патент РФ E02F 5/10 76356 U1);
методика расчёта параметров рабочего органа для разрушения статически устойчивых сводов в бункере узкотраншейного дреноукладчика.
Степень достоверности и апробация результатов подтверждена достаточ ным объёмом экспериментального материала, применением стандартных методик математико-статистической обработки экспериментальных данных, удовлетворимой сходимостью экспериментальных и теоретических данных, критическим анализом и заключением экспертов.
Материалы диссертации и результаты исследований обсуждены и одобрены на межвузовских научно-технических конференциях «Совершенствование технологий и средств механизации производственных процессов в АПК» (г. Новочеркасск, 2007, 2009, 2011 гг.), международных научно-практических конференциях МГУП (г.
Москва, 2008, 2009 гг.), международной научной конференции «Человек в современ ном мире» (г. Ростов на Дону, 2010 г.), донской аграрной научно-практической кон ференции «Инновационные пути развития агропромышленного комплекса: задачи и перспективы» (г. Зерноград, 2012 г.), международной научно-практической конфе ренции «Интеграция науки и образования - стратегия устойчивого развития водно мелиоративного комплекса» (г. Новочеркасск, 2013 г).
По материалам диссертации опубликовано 10 научных работ общим объёмом с учётом долевого участия в коллективных публикациях 3,3 п.л., из них лично автора 2,8 п.л. Получен патент на полезную модель.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, определены цель и задачи ис следования, научная новизна, практическая значимость работы, научные результаты выносимые на защиту, достоверность и апробация работы В первой главе «Состояние вопроса. Цель и задачи исследований» изложено современное состояние проблемы с анализом отечественного и зарубежного опыта повышения эффективности дренажных систем и совершенствования технологий строительства: Е.Д. Томин (1987), В. А. Духовный (1979, 1981), В. Н. Бердянский (1964, 1981), Н. Н. Бредихин (1987, 1988), А. А. Коршиков (1982, 1990, 1997), А. В.
Колганов (1982, 1998), Г. А. Сенчуков (1993, 2003), В. Н. Щедрин (2001, 2005), В. И.
Миронов (1992, 1997, 2001, 2002, 2004), Н. Г. Пивовар (1980, 1982, 1985), А. Т. Лис конов (1992), Ц. Е. Мирцхулава (1974), А. И. Мурашко (1973, 1978, 1982), Э. Е. Фи шер (1973, 1989), L. Awenson (1977), L. S. Fisher, A. R. Jarret (1984) и другие учёные.
Обобщение результатов исследований показало, что эффективность и эксплуа тационная долговечность закрытого горизонтального дренажа главным образом определяются качеством устройства и надёжностью работы дренажных фильтров. В работах Н.Н. Бредихина (1984), А. К. Бехбудова (1978), В. А. Васильченко (1981), В.
А. Шрейдера (1970), А. И. Мурашко (1982), Г. Г. Шилера (1997) и ряда других авто ров показано, что наиболее оптимальной является конструкция дрены, выполненная с фильтром из синтетических нетканых полотен (геополотно) и обсыпкой объёмны ми фильтрующими материалами (песчано-гравийная смесь).
При узкотраншейном способе строительства дренажа операция укладки дрены включает процесс изоляции дренажной трубы ОФМ с его одновременным распреде лением вокруг дрены. Всвязи с малой шириной траншеи, вводятся ограничения на геометрические параметры бункера. Опыт укладки дрен показал, что раскладка филь тра и дренажных труб бункерами имеет ряд недостатков: слой фильтра распределяется неравномерно, что приводит к волнообразной укладке труб;
внутри грузового отсека образуются статически устойчивые своды, которые приводят к прерывистой подаче или полному прекращению истечения ОФМ;
после укладки тело фильтровой обсыпки не имеет конечного агрегатного состояния и в нем протекают структурные деформации, приводящие к изменению проектных уклонов.
Строительство горизонтального пластмассового дренажа узкотраншейным способом осуществляется специализированными дреноукладчиками. Бункеры как отечественных, так и зарубежных дреноукладчиков выполнены по общей конструк тивной схеме с нераздельной совместной раскладкой подстилающего и застилаю щего слоёв песчано-гравийного фильтра. Основной недостаток применяемых кон струкций заключается в образовании внутри бункера статически устойчивых сводов, которые препятствуют свободному истечению ОФМ через щелевой распределитель.
Такое положение вызвано, прежде всего, недостаточной изученностью технологии формирования защитной изоляции дрены, отсутствием адекватной математической модели процесса и, как следствие, нерациональными с точки зрения сводообразова ния параметрами бункеров.
Таким образом, существенным резервом улучшения технологии распределения слоёв фильтра является применение устройств способствующих непрерывному истече нию ОФМ, обеспечивающих требуемое качество укладки дрены и повышение произ водительности дреноукладчиков.
Решением задачи по обеспечению бесперебойной подачи ОФМ является оснащение бункеров побудителями провоцирующими истечение материала через разгрузочные отверстия на базе физико-математических моделей описывающих про цессы, происходящие при истечении сыпучих материалов. Исследованием законо мерностей движения сыпучего материала из дозировочных бункеров занимались Л.В.
Гячев (1968), В.А. Богомягких (2007), Э. В. Дженике (1968) и другие, однако работы большинства авторов направлены на изучение процесса дозирования при свободном истечении сыпучих тел. При этом следует особо подчеркнуть, что процессы движе ния ОФМ в бункере дозаторе дреноукладчика практически не рассматривались.
Во второй главе «Математическое моделирование процесса подачи ОФМ в зону его послойного распределения» на основании комбинированной механической модели сыпучего тела Л.В. Гячева и В.А. Богомягких, подчиняющейся закону Куло на, объяснен механизм статического сводообразования ОФМ в бункере дреноуклад чика, определены условия устойчивостиих сводчатых структур, их основные пара метры, а также влияние этих параметров на расходные характеристики щелевого распределителя бункера дреноукладчика.
Модель сыпучего ОФМ дополнена допущениями, которые позволяют учиты вать реальную форму частиц ОФМ через коэффициенты формы - kф и искажения формы - kи.ф. и приводить произвольную форму ОФМ к условно шаровой - d y, что существенно влияет на адекватность результатов теоретических исследований. По наблюдениям форма реальной частицы ОФМ близка к форме параболического бо чонка, для которого справедливо:
d у k ф kи.ф с, (1) где К ф 0,72 - коэффициент, характеризующий форму частицы ОФМ;
Ки.ф. 3 b 2a 2 ac 0,75c 2, (2) К и.ф. - коэффициент, характеризующий искажение формы реальной частицы где ОФМ от формы шара;
a, b, c – соответственно, ширина, длинна и толщина частицы ОФМ.
d y 0,72 3 b 2a 2 ac 0,75c 2 (3) Согласно предложенной модели любая частица «А» ОФМ в потоке участвует, в двух движениях – поступательном со скоростью VА.Е и относительном - VА.R (рисунок 1).
Такой характер перемещения ча стиц в потоке является следствием того, что в процессе движения частицы сближаются. Происходит «эффект» сужения потока, ведущий к увеличению сил трения между частицами, что при водит к появлению тормозящих им пульсов, которые препятствуют движе нию и обуславливают возникновение 1 – линии переносного движения;
2 – ли- неустойчивых и статически устойчивых нии скольжения относительного движения;
3 – статически устойчивый свод сводов.
Рисунок 1 – Процесс движения ЗФМ В момент образования статически в желобе бункера устойчивого свода его опорой является частица ОФМ, расположенная на стенке желоба (рисунок 2). Для равновесия опоры свода необходимо выполнение условия Q F. При Q F условие устойчивости опоры свода для гидравлического движения ЗФМ в желобе имеет вид:
ст, (4) где cm - угол трения частиц ОФМ о стенку желоба.
Из приведенного выше следует, что равновесие опоры статически устойчивого свода не нарушится да же тогда, когда ст 0. В этом слу чае условие устойчивости опоры ста тически устойчивого свода запишется в виде:
(5) Рисунок 2 – Схема условия образования статически устойчивого свода Из указанных зависимостей следует, что при гидравлическом движении ОФМ в желобе устойчивость опоры статического свода зависит от угла наклона стенки желоба. Статический свод наиболее устойчив при диаметре жёлоба меньшим или равным наибольшему сводообразующему размеру:
Rж Rн.св (6) Таким образом, статически устойчивый свод (рисунок 3) образуется при вы полнении выше указанных условий (1, 2 и 3).
Рисунок 3 - Схема сил, дей ствующих на элемент «dS» ста тически устойчивого свода Уравнения равновесия свода примет вид:
y 0;
T dT cosw dw T cos w P dx 0 ;
(7) x 0;
T dT sinw dw T sin w P dy 0, (8) где w - угол, образованный элементом дуги «dS» с осью Оу;
Р1 и Р - усилия, приходящиеся на единицу длины проекций свода.
Их интегрирование позволит получить систему:
dy dS P x c1 ;
T dx (9) T P x c2.
dS Решением системы относительно «Т», будет дифференциальное уравнение P x c dx P y c. (10) 1 dy dx Его решение при начальных условиях x H f св и y 0;
dy x y 2 H f св H f св.
2c P 2c x (11) P P P 1 1 Приводя уравнение (11) при с P R ctg H P к явному виду относи тельно «у», получим уравнение кривой статически устойчивого свода в продольном сечении желоба:
2 H P P R ctg H f P 2 2H P P R ctg (12) P св.
2 y x x H f 1 1 Р cв P P P Преобразование уравнения (12) и его решение позволит определить высоту свода:
f св А Rн.св ctg Rн.св А2 ctg 2 A, (13) Для гидравлического вида движения ОФМ в желобе коэффициент «А» равен:
А 2ctg пр tg б, (14) где – угол укладки частиц ОФМ в желобе Наибольший сводообразующий размер желоба бункера:
dyA2a 3 tg ст 3 sin 2 tg Dн.св 3 sin 1 tg o. (15) где - плотность частицы «т», кг/м3;
- удельный вес частицы «т»;
о - осевая податливость свода.
В формуле (15) tg tg nр ст а. (16) cos 1 tg ст tg np теоретический коэффициент для гидравлического истечения ОФМ из бункера.
Разрушение статически устойчивого свода происходит при разовом и доста точном импульсе, но вместо него на этом же месте сразу же образуется новый. На основании этого можно предположить, что время разрушения «старого» свода равно времени образования «нового», то есть, t раз tобр.
При подаче внешнего импульса на его «замковую» частицу, последняя начина ет свободное падение с высоты, равной стреле f св свода, под действием гравитаци онной силы «Gm» - силы тяжести замковой частицы «m».
Дифференциальное уравнение свободного падения замковой частицы «m» по оси х с высоты, равной стреле f св свода, будет иметь вид:
d 2 x m 2 m g. (17) dt Решение данного уравнения позволит получить:
2 f св t t раз f св g cos, (18) g cos Формула (18) не учитывает осевую податливость «o» статически устойчивого свода и, следовательно, темп его разрушения. Полное время разрушения устойчивого свода t раз.
в 10 15 раз больше Линейная частота возникновения или разрушения статически устойчивого свода равна:
g cos 1 v, (19) 2 f св t п.обр kp где t. - полное время разрушения свода.
Частота вращения сводоразрушающего устройства:
g cos nв (20) 2 Rсв kp Формула (19) определяет максимально допустимые обороты сводоразрушаю щего устройства, при которых достигается околорезонансное разряжение ОФМ, предотвращающее возникновение статически устойчивых сводов.
Процесс дозирования ОФМ сводоразрушающим устройством представлен на рисунке 4. Шнек транспортирует объём ОФМ (V1) плотностью (1) к выпускной щели бункера размером b l, где b - ши рина щели, а l - её длина.
Объём V1 уплотняется под Рисунок 4 – Схема подачи шнеком ОФМ действием динамического давления к выпускной щели бункера шнека и становится равным V2. Тогда, V2 2 m2, где 2 – плотность укладываемо го ОФМ. Определяя массу ОФМ через число частиц nч в объёме V, плотность от дельной частицы - и условный диаметр частицы d y, находится дефицит частиц nд.ч в объёме V1 :
6 V 1 1, nд.ч nч.в nч.д (21) dy где nд.ч, nч.в - действительное и возможное число частиц в объёме ОФМ.
В выражении (21) сомножитель 1 1 - относительная скважность ОФМ в объёме V1, выраженная в долях единицы с1 1 1. Аналогично решается задача по определению относительной скважности ОФМ в объёме V2. Тогда, с - коэффициент относительной скважности в объёмах V2 и V1.
с При укладке дренажная труба испытывает давление от создаваемого напором шнека динамического давления н.дин и давления слоя ОФМ h, то есть, абс н.дин h. Условие сохранения кольцевой устойчивости дренажной трубы имеет вид:
1 Vо2.ш cos см абс 2 g h. (22) В третьей главе «Методика лабораторно-полевых исследований» представле на методика и программа проведения экспериментов, описано оборудование и ме лиоративно-хозяйственные условия объекта исследования.
На первом этапе исследований согласно ГОСТ 25100-82 «Грунты. Классифи кация» проведены лабораторные испытания песчано-гравийной смеси (ПГС) для определения её основных физико-механических свойств.
На втором этапе исследований был изготовлен в металле экспериментальный образец бункера дреноукладчика с сводоразрушающим механизмом в виде двух наклонных комбинированных шнеков (рисунок 5). Исследования проводились в грунтовом канале кафедры «Машины природообустройства» НГМА.
Для определения величины максимально возможной нагрузки на стандартную гофрированную дренажную трубу были проведены натурные испытания дрен с обсыпкой ОФМ и без обсыпки кратковременными механическими нагрузками на одноосное сжатие.
а б а) механизм сводоразрушения;
б) привод механизма сводоразрушения Рисунок 5 – Экспериментальный бункер дреноукладчика Качество обсыпки дрены ПГС экспериментальным бункером дреноукладчика со сводоразрушающим устройством осуществлялось визуально по специальным па раметрам, объединённым в оценочные группы «неудовлетворительно», «удовлетво рительно» и «хорошо».
Для проведения трёхфакторного эксперимента с целью определения опти мальных параметров и режимов работы сводоразрушающего устройства использо ван план Бокса-Бенкина.
Полевые исследования проводились в ЗАО «Краснокутское» Веселовского района, где в рамках диссертационной работы была проведена реконструкция дре нажной линии, путем замены повре жденного участка дрены длинной м на новый, уложенный по разрабо танной технологии. После чего в пе риод с 2010 по 2012 г.г. исследовалась её работоспособность. Укладка дре нажных труб осуществлялась экскава тором ЭТЦ – 208, который оснащён Рисунок 6 – Экскаватор ЭТЦ -208 с бункером-трубоукладчиком предло экспериментальным бункером женной конструкции (рисунок 6).
Дрена заложена в соответствии с ВСН 33-2.03-86 по методике, предложенной НГМА и дополненной автором. Водопроводящая часть выполнена из дренажных гофрированных ПВХ труб (ТУ 2248-003-2003) диаметром 110 мм, обернутых в один слой нетканым ЗФМ с обсыпкой по периметру песчано-гравийной смесью (ПГС).
Подача ПГС и формирование фильтра вокруг дренажной трубы, производи лась принудительно сводоразрушающим устройством. Требуемая плотность тела фильтра достигалась регулированием частот вращения комбинированных шнеков сводоразрушающего устройства. Это вызывает изменение сил динамического воз действия транспортируемого потока ПГС на укладываемый слой фильтрующей обсыпки, обеспечивая необходимую плотность материала. Диапазон изменения частот находился в пределах от 40 до 100 об/мин в зависимости от скорости движе ния дреноукладчика. Во время испытаний ходоуменьшитель трактора позволил изменять рабочую скорость передвижения в диапазоне от 0,11 до 0,98 км/ч.
Исследование работы дрены заключалось в определении её технической и ме лиоративной эффективности. Исследование технической эффективности дрены вы полнялось по методу, предложенному Р.Г. Джанумовым и Ю.Г.Филипповым.
В четвертой главе «Результаты лабораторно-полевых исследований и их ана лиз» произведён анализ исследований основных физико-механических свойств ПГС, представлены результаты экспериментальных исследований разработанных техно логии и устройства для непрерывной подачи ОФМ в зону послойного распределе ния.
Полученные характеристики ПГС соответствуют требованиям ВСН 33-2.208 86, предъявляемым к фильтрам и обеспечивают образование в теле фильтра пор и фильтрационных ходов, достаточных для свободного выноса в дрену частиц грунта диаметром менее мм и задержания частиц диаметром более мм.
Хронометраж образования статически устойчивых сводов в бункере дрено укладчика показал, что среднее время простоя бункера составило 27 % от общего времени смены. Отсюда следует, что в бункере необходима установка сводоразру шающего устройства, параметры и режимы которого обеспечивали бы равномерное истечение ОФМ из бункера дреноукладчика.
В результате экспериментальных исследований получено поле частот внешнего воздействия на свод в зависимости от угла наклона стенки бункера и величины стрелы статически устойчивого свода ст, образующегося в бункере.
В опытах угол изменялся от 0 до 90, а от 0,1 до 0,4 м. В результате полу в чены графики функций одни из которых представлены на рисунках 7, 8.
А () Рисунок 7 – График функции Рисунок 8 – График функции ( ) при при Анализ графиков (рисунки 7, 8) показывает, что каждым значениям и со ответствует частота возникновения и разрушения статически устойчивых сводов.
Следовательно, для каждых значений и можно определить значения числа обо ротов шнека, обеспечивающие заданный расход ОФМ и его разрыхление.
В реальной конструкции угол находится в диапазоне от 0 до 10 при этом, м, что соответствует требованиям укладки дренажа (рисунки 9, 10).
() Рисунок 9 – График функции Рисунок 10 – График функции ( ) при при В связи с тем, что расход ОФМ зависит от осевой подачи шнека, выбор числа оборотов шнека необходимо производить исходя из подачи секундного объёма ОФМ, укладываемого вокруг дренажной трубы в процессе строительства дренажа.
Доказано, что основными факторами, влияющими на величину наибольшего сводообразующего размера Dн.св выпускной щели бункера, являются размер dy частиц ОФМ и осевая податливость статически устойчивого свода о, зависящая от физико механических свойств ОФМ и фрикционных свойств материала бункера.
Теоретические исследования показали, что одним из основных параметров до зирования ОФМ при строительстве дренажа является отношение скоростей.
Это отношение зависит от. Проведенный эксперимент под твердил эти выводы и показал, что для любого соотношения и суще ствует конкретное соотношение, по которому можно определять при за данном значении, или наоборот.
Проведены сравнительные лабораторные исследования экспериментального и базового бункеров по качеству укладки ОФМ и соответствующих энергетических за трат. На рисунке 11 показана оценка качества укладки.
а б в а – прерывистая укладка ОФМ бункером базового дреноукладчика;
б - неравномерная укладка ОФМ бункером со сводоразрушающим устройством при ;
в - качественная укладка ОФМ бункера со сводоразрушающим устрой ством при Рисунок 11 – Лабораторные исследования качества укладки ОФМ бункерами базового дреноукладчика и предложенной конструкции Результаты тяговых сравнительных испытаний показали, что сводоразрушаю щее устройство позволяет уменьшить тяговое сопротивление, примерно, на 7% за счет нагнетаемого шнеками потока ОФМ и повысить оценку качества укладки с негативной на хорошую. При этом подтверждено, что скорость укладки дренажа должна обеспечивать соотношение плотностей ОФМ, выходящих из желоба бункера и укладываемых на дно траншеи.
Для выявления степени влияния факторов на процесс дозирования ОФМ был проведён трёхфакторный эксперимент. В него вошли факторы, полученные в резуль ;
тате выполнения априорного ранжирования ( - соотношение - форма вы пускного отверстия;
- площадь выпускного отверстия бункера). Математическая модель, полученная в результате описания поверхности отклика уравнением регрес сии второго порядка приняла вид:
(23) Модель проверялась с помощью критерия Фишера и дала хорошие результаты с вероятностью, так как расч таб Далее анализируя полученное уравнение регрессии, были построены графики поверхности отклика. Для этого последнее уравнение подверглось каноническому преобразованию, которое в стандартной канонической форме имеет вид:
. (24) Подставляя различные значения « » в последнее уравнение, получаем уравне ния соответствующих контурных линий – гипербол, в совокупности представляю щих собой целое семейство сопряженных гипербол (линий равного значения соот ношений ОФМ, выходящего из выпускного отверстия бункера, площадь ко торого соответствует наибольшей сводообразующей площади (рисунок 12)).
Рисунок 12 - Двумерное сечение поверхности отклика при Из графика следует, что оптимальный вариант отношения плотностей ОФМ для круглого сечения жёлоба равен, или.
Это условие справедливо для статического уплотнения ОФМ в желобе бункера. В динамике при работающем шнеке уплотнение ОФМ снижается в раза. По этому, оптимальным будет значение.
Жёлоб бункера переходит в щелевую форму, при которой, как следует из ри сунка 12, или, что отвечает оптимальным условиям.
Таким образом, исходя из простоты изготовления бункера с щелевым отверстием, в предлагаемой конструкции устройства принимаем щелевое отверстие с размерами.
Аналогичным способом строились двумерные сечения при,.
Результаты трёхфакторного эксперимента позволяют сделать следующие вы воды:
1. Форма выпускного отверстия бункера, в принципе, не влияет на соотноше. Следовательно, её следует выбирать конструктивно, исходя из конфигу ние рации укладываемого валка ОФМ.
2. Ширина щелевого отверстия бункера при дозировании ОФМ, должна быть больше сводообразующей, то есть.
3. Соотношение должно находиться в пределах от 1,1 до 1,2.
Анализ результатов исследования эффективности работы дрен уложенных по предлагаемой технологии показал, что с наименьшим фильтрационным сопротивле нием (таблица 1) работает новая дрена (ФС = 18,53 м).
Таблица 1 - Средние значения фильтрационных сопротивлений дрен, рассчитанных различными методами По А.М. Сойферу Решение обратных задач Фильтрационное со- Фильтрационное со Номер противление, м противление, м Число Число дрены наблюдений наблюдений тип кон- тип кон дрена дрена струкции струкции 3Др-1 16 17,52 17,52 14 18,53 18, 3Др-2 16 18,58 14 22, 18,32 21, 3Др-3 16 18,06 14 21, Фильтрационное сопротивление новой конструкции с песчанно-гравийной об сыпкой на 12-15% меньше существующей.
Применительно к рассматриваемым конструкциям выполнены расчёты коэф фициентов гидравлического сопротивления и водозабора, и установлены зависимо сти q=f(h). Водозаборные характери стики исследуемых дрен, зависимости удельных расходов от напоров (рисунок 0, 13) и фильтрационные сопротивления (таблица 2), установленные различными методами, позволяют сделать обосно ванные выводы об эффективности изу чаемых конструкций. Так, у дрены, 3 уложенной с применением новой тех нологии обсыпки фильтрационное со 1-дрена 3Др–1;
2-дрена 3Др–2;
3-дрена 3Др– противление в среднем на 10-15% Рисунок 13 – График удельных расходов меньше, чем у конструкции построен дрен от действующих напоров ных по традиционной технологии.
Таблица 2 - Показатели технической эффективности конструкций дрен Технология Удельный Фильтрационное Коэффициенты Показатель обсыпки дрены расход, сопротивление, водоприём.
ОФМ Ф, м способности q, л/скм, м/ сут по решение А.М. Сойферу обратных задач Внедряемая 0,40…0,55 17,52 18,53 3,75 0,28 0, Традиционная 0,36…0,52 18,32 21,69 4,10 0,22 0, Дрена, уложенная взамен повреждённой характеризуется меньшим значением коэффициента гидравлического сопротивления ( = 3,75), большим коэффициентом водозабора ( = 0,28) и обеспечивает удельные расходы в среднем до 0,5-0,6 л/скм при напорах до 0,6 м.
Анализ результатов полевых исследований дрен позволяет сделать заключение об эффективности новой технологии обсыпки труб ОФМ и целесообразности её применения для строительства и реконструкции дренажа.
На основании теоретических и экспериментальных исследований разработана методика расчёта дозирующей системы бункера дреноукладчика.
В пятой главе «Экономическая эффективность разработки» рассмотрены эко номические показатели применения усовершенствованного технологического приё ма обсыпки дренажных труб. Предлагаемая технология предусматривает исключе ние остановок дреноукладчика, вызванных прекращением истечения ОФМ из бунке ра в придренную полость. Такие остановки занимают до 35% общего времени цикла.
Исключение остановок приводит к увеличению производительности работ на 18%.
Экономический эффект от применения разработанных технологий и технологи ческих средств составляет 14140 рублей на 1000 м реконструируемого дренажа, что составит для оросительной системы ЗАО «Краснокутское» 1256000 рублей.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 1. Технологические процессы и технические средства, применяемые при строи тельстве и реконструкции ЗГД, не обеспечивают равномерную подачу ОФМ в зону его распределения. Низкое качество укладки обусловлено недостаточной изученно стью процесса формирования защитной изоляции дрены, нерациональными с точки зрения сводообразования параметрами бункеров.
2. Предложенная математическая модель процесса подачи ОФМ в зону его по слойного распределения позволяет определить скорости движения и условия образо вания в бункере дреноукладчика статически устойчивого свода ОФМ, а так же ре жимы воздействия на него сводообрушителем, при которых достигается околорезо нансное разряжение ОФМ, предотвращающее сводообразование.
3. Поступательная скорость агрегатирования устройства при строительстве дре нажа прямо пропорциональна осевой скорости шнека-дозатора, соотношению плот ностей, истекающего из бункера и укладываемого в валок ОФМ, квадрату ширины щели выпускного отверстия и обратно пропорциональна ширине и высоте валка ОФМ.
4. Полученные зависимости позволили определить все необходимые конструк тивные и режимные параметры бункерного устройства с улучшенным качеством технологического процесса. Так для дреноукладчика УДМ-350М оборудованного бункером со сводоразрушителем и шнековым дозатором, число оборотов ворошилки равно 10,1 об/мин, размеры выпускной щели 4030 см, скорость движения дрено укладчика 187,2 м/час.
5. Проведенные экспериментальные исследования спроектированного по пред ложенной методологии бункера со сводоразрушителем и шнековым дозатором под твердили его работоспособность и высокую эффективность.
6. Технологические затраты на строительство дренажа по предложенной техно логии более чем на 15% ниже затрат по существующей технологии. Производитель ности работ повышается на 18%. Внедрение технологии непрерывной подачи ОФМ основанной на применении разработанного бункера дреноукладчика с устройством сводоразрушения и дозирования ОФМ (патент РФ E02F 5/10 76356 U1) позволило получить экономический эффект в сумме 14140 рублей на 1000 метров реконструи руемого дренажа, что составит для оросительной системы ЗАО «Краснокутское» Ве селовского района 1256000 рублей.
Рекомендации 1. Для адекватного описания процесса движения ОФМ в бункере дреноукладчи ка необходимо учитывать параметры бункера, физико-механические свойства ОФМ и форму его реальных частиц. Выпускное отверстие бункера должно превышать его наибольший сводообразующий размер.
2. Кинематические параметры сводоразрушающего механизма необходимо рас считывать исходя из условия, что подпор, создаваемый работающим шнеком должен соответствовать допускаемому напряжению на смятие дренажной трубы. Макси мальное уменьшение диаметра дренажной трубы не должно превышать 3%.
4. Необходимо определять величину максимально возможной нагрузки на дре нажную трубу кратковременными механическими нагрузками на одноосное сжатие.
Перспективы дальнейшей разработки темы - адаптировать результаты исследований и разработать методику для обоснова ния параметров устройства механизированного разрушения статически устойчивых сводов в бункере безтраншейного дреноукладчика;
- уточнить математическую модель процесса подачи ОФМ в зону его послой ного распределения с учетом силового воздействия статически устойчивого свода фильтра на нагрузки элементов конструкции бункера дреноукладчика.
Список работ, опубликованных автором по теме диссертации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:
1. Никитенко, А. В. Математическое моделирование процесса сводообразова ния сыпучего защитно-фильтрующего материала в грузовом отсеке бункера дрено укладчика / А. В. Никитенко. // Природообустройство: науч.-практич. журн. / МГУП. – 2010. - № 1. – С. 89 – 93.
2. Никитенко, А.В. Частотная характеристика образования статически устойчи вых сводов объемно-фильтрующего материала в жёлобе бункера узкотраншейного дреноукладчика / А.В. Никитенко, А.В. Осипов // Труды КубГАУ. – Краснодар. 2010. - № 3 (24). – С. 169 – 171.
3. Никитенко, А.В. Методика инженерного расчёта дозирующей системы узко траншейного дреноукладчика / А. В. Никитенко // Мелиорация и водное хозяйство.
– 2010. - № 4. – С. 15 – 16.
4. Никитенко, А.В. Исследование технологии принудительной обсыпки дре нажных труб объёмно-фильтрующим материалом при строительстве закрытого го ризонтального дренажа / А.В. Никитенко, В.П. Максимов // Политематический сете вой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного универ ситета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. – Краснодар: КубГАУ, – №04(88). – – Режим досту 2013. IDA [article ID]: 0881304043.
па: http://ej.kubagro.ru/2013/04/pdf/43.pdf, 0,813 у.п.л., импакт-фактор РИНЦ=0,577.
патенты:
5. Бункер узкотраншейного дреноукладчика: пат. RU 76356 U1 Рос. Федерация:
МПК E02F 5/10 (2006.01) / А.В. Никитенко.;
заявитель и патентообладатель Ново черк. гос. мелиор.акад. – № 2007126508/22;
заявл. 11.07.2007;
опубл. 20.09.2008, Бюл.
№ 26. – 2 с.: ил. (автор – 100%).
в других изданиях:
6. Никитенко, А. В. Уплотнение песчанно-гравийного фильтра при строитель стве закрытого горизонтального дренажа усовершенствованным бункером дрено укладчика / А. В. Никитенко. // Роль мелиорации и водного хозяйства в реализации национальных проектов: материалы междунар. науч.–практ. конф./ МГУП. – М., 2008. – Ч. 1. - С. 186 – 189.
7. Никитенко, А. В. Анализ бункеров узкотраншейных дреноукладчиков, при меняемых для строительства пластмассового закрытого горизонтального дренажа в зоне орошения/ А. В. Никитенко // Технологии и средства механизации в АПК: сб.
науч. Тр. / НГМА. - Новочеркасск, 2009. – С. 153 -156.
8. Никитенко, А. В. Закрытый горизонтальный дренаж как средство ухода за насаждениями винограда / А. В. Никитенко // Человек в современном мире: между нар. сб. науч. – практич. работ / ГинГо – Ростов н/Д, 2010. – Вып. 3. – С. 318 – 322.
9. Никитенко, А.В. Назначение дренажных фильтров и требования, к ним предъявляемые / А. В. Никитенко // Человек. Общество. Природа: междунар. сб.
науч.-практич. работ. / ГинГо. – Ростов н/Д, 2011. – Вып. 1. – С. 322 – 326.
Никитенко, А. В. Исследование кольцевой устойчивости пластиковых 10.
дренажных труб/ А. В. Никитенко// Инновационные пути развития агропромышлен ного комплекса: задачи и перспективы: междунар. сб. науч. трудов // Высокоэффек тивные технологии и технические средства в сельском хозяйстве. – ФГБОУ ВПО АЧГАА. – Зерноград, 2012. – С. 265 – 269.
11. Никитенко, А.В. Технико-экономическое обоснование технологии принуди тельной обсыпки дренажных труб объёмно-фильтрующим материалом/ А.В. Ники тенко, В.П. Максимов. // Материалы междунар. науч.-практ. конф. 29-30 мая 2013 г.
«Интеграция науки и образования – стратегия устойчивого развития водно мелиоративного комплекса страны» / Новочерк. гос. мелиор. акад. – Новочеркасск:
Лик, 2013. – С. 244-251.
Подписано к печати Формат 6080 1/ Объем 1,0 п.л. Тираж экз. Заказ № Отдел оперативной полиграфии ФГБОУ ВПО НГМА, 346428 г. Новочеркасск, ул. Пушкинская,