Гидромеханизированная очистка трубчатой дренажной сети оросительных систем (02.03.2009)

Автор: Михеев Александр Васильевич

Содержание работы

Во введении дана общая характеристика работы и её актуальность, а также сформулированы защищаемые положения.

В первой главе «Анализ состояния трубчатой дренажной сети оросительных систем и средств механизации для её очистки» дан анализ существующего состояния трубчатой дренажной сети оросительных систем и выполнен обзор способов, технологий и комплексов машин для производства работ по её очистке.

Отмечено, что только в Ростовской области из общей площади орошаемых земель в 325 тыс.га дренаж был построен на площади 152 тыс.га. На оросительных системах Северо-Кавказского региона построено 20,6 тыс.км дренажа, в том числе в Ростовской области - 6,1 тыс.км, из них закрытый пластмассовый дренаж составляет - 69%. Это определяет масштабы работ по очистке и восстановлению работоспособности дренажных систем.

Вопросам повышения эффективности работы дренажных систем и совершенствованию средств механизации для их очистки посвящены работы: А.Н. Костякова, В.А. Духовного, И.П. Айдарова, А.И. Мурашко, З.Я. Хруцкой, Н.Н. Бредихина, Д.П. Савчука, Ц.Е. Мирцхулавы, Г.А. Сенчукова,

В.И. Ольгаренко, В.Н. Щедрина, М.С. Григорова, Е.В. Кузнецова, А.А. Коршикова, В.А. Волосухина, В.М. Зубца, Е.Д. Томина, Б.А. Елизарова, П.К. Лукашенко, В.И. Миронова, Ю.М. Косиченко, А.А. Мащенского и других.

Существующие технологии очистки трубчатой дренажной сети оросительных систем предусматривают применение высоконапорных дренопромывочных машин (с рабочим давлением 2,5 - 10 МПа), предназначенных для промывки дрен в зоне осушения (МР-18, Д-910, ПДТ-125). Данные технологии отличает недостаточная эффективность очистки трубчатой дренажной сети и высокая стоимость производства работ.

Рабочие органы известных дренопромывочных машин имеют параметры, отвечающие условиям промывки дренажных труб зоны осушения, применение их на оросительных системах не обеспечивает требуемую степень очистки дренажных труб.

Анализ применяемых способов подачи дренопромывочных устройств (ДПУ) с водоподающим шлангом в дренажную трубу показал, что максимальная длина промывки дренажных труб современными дренопромывочными машинами не превышает 125м и обеспечивается в основном за счет ручной и реактивной тяги ДПУ, что требует отрывки технологических шурфов по трассе дрены между смежными смотровыми колодцами и приводит к увеличению затрат на промывку 1м дрены.

В существующих технологиях очистка смотровых колодцев трубчатой дренажной сети от илистых отложений осуществляется гидравлическим способом, отличающимся низкой производительностью и высокой себестоимостью работ.

Перечисленные факторы приводят к снижению производительности применяемых комплексов машин для очистки трубчатой дренажной сети оросительных систем до 35 м/ч.

На основании проведенного анализа известных работ в рассматриваемой области и используя системный подход, установлены факторы, влияющие на систему очистки трубчатой дренажной сети оросительных систем. Эффективность системы очистки трубчатой дренажной сети определяется выходными параметрами, которые отражают процессы взаимодействия системы и внешней среды. Наличие и величина рассогласования этих параметров определяется под влиянием внешних и внутренних факторов (рис. 1).

Рисунок 1 - Система очистки трубчатой дренажной сети

Внешними и внутренними факторам, а также выходными параметрами системы очистки трубчатой дренажной сети являются: С - сцепление частиц илистых отложений; ?и - плотность частиц; d - диаметр частицы; Gв - вес частицы в воде; ?0 - плотность воды; hи – толщина слоя илистых отложений в дрене; Рн - пригружающее действие водного потока; D – диаметр дрены; Qд – расход дрены; ?0 – осредненная гидравлическая крупность; dср - средний диаметр частиц; fд – коэффициент трения ДПУ о дрену; fш - коэффициент трения шланга о дрену; L – длина промываемого участка дрены; Е – модуль упругости материала шланга; dн - диаметр ДПУ по центрам размывающих сопел; d0 - диаметр радиальных сопел; d0т - диаметр тангенциальных сопел; ( - угол наклона размывающих сопел; Vрс – скорость размывающих струй; Н – напор на выходе из насоса дренопромывочной машины; ?hтр – суммарные потери напора в дренопромывочной машине; ?п – плотность пульпы; Rст и Rсф – реакции тыльных и фронтальных струй; GДПУ - сила тяжести ДПУ; dшн - наружный диаметр шланга;

Dш – диаметр шкива ШПУ; dp - диаметр прижимающих роликов; z - количество прижимающих роликов; Uп – скорость подачи ДПУ; Со – степень очистки внутренней полости дрены; nп – количество проходов ДПУ по промываемому участку дрены; Fс - сопротивление перемещению ДПУ со шлангом; Ft - окружная сила на шкиве ШПУ; Fnp – усилие прижимающее водоподающий шланг к шкиву ШПУ.

На основе комплексного анализа процессов гидромеханизированной очистки трубчатой дренажной сети предложена структура системы математических моделей, позволяющая оценить влияние и взаимосвязь математических моделей и элементов системы очистки труб дренажной сети оросительных систем (рис. 2).

Рисунок 2 - Структура системы математических моделей

Структура системы математических моделей показывает, что каждая из рассматриваемых отдельных моделей оказывает воздействие на элементы системы очистки трубчатой дренажной сети. Кроме того, выходные параметры одних моделей являются исходными данными для других моделей. Исходя из предложенной структуры системы математических моделей, в диссертационной работе проводились все необходимые теоретические исследования.

Во второй главе «Обоснование основных параметров дренопромывочных устройств» изложен анализ известных конструкций дренопромывочных устройств, применяемых для размыва илистых отложений внутри дренажных труб, и обоснованы основные геометрические параметры ДПУ с тыльными и фронтальными струями.

На основании проведенного анализа способов очистки дренажных труб и конструкций ДПУ предложено дренопромывочное устройство активного типа с направляющими лыжами и вращающимся струеформирующим насадком (патент РФ №31342), обеспечивающим формирование гидравлических размывающих струй.

Для гарантированного размыва илистых отложений внутри дренажной трубы (в зависимости от периодичности очистки, толщины слоя илистых отложений и их физико-механических свойств, вида технологических процессов очистки дренажных труб) в предложенной конструкции ДПУ необходимо использовать как тыльные, так и фронтальные струи.

С целью обоснования основных параметров ДПУ рассматривали наиболее сложный режим работы, когда внутренняя полость дренажной трубы полностью заполнена водой. В этом случае гидравлические размывающие струи ДПУ можно считать затопленными свободными струями, обладающими низкой размывающей способностью.

К основным параметрам ДПУ относятся геометрические и гидравлические параметры. Для определения геометрических параметров ДПУ сделано допущение о совпадении продольной оси дрены с продольной осью ДПУ.

С учётом затопленного режима работы ДПУ и сделанного допущения составлена расчётная схема размещения ДПУ в дренажной трубе (рис. 3).

Рисунок 3 - Схема размещения ДПУ в дренажной трубе

Анализ предложенной схемы позволил получить математическую модель, описывающую связь между основными параметрами ДПУ и диаметром дренажной трубы:

где D - диаметр дрены, м; d0 и d0т - диаметр размывающих и тангенциальных сопел ДПУ, м; ? и ? – углы наклона размывающих и тангенциальных струй, рад.

На основании полученной математической модели приняты следующие геометрические параметры ДПУ: диаметр вращающегося струеформирующего насадка по центрам размывающих сопел dн = 50мм; диаметр центрального лобового размывающего сопла, характерного только для ДПУ с тыльными струями dл = 1,5мм; диаметр опорных лыж Dл = 80мм, обусловленный проведением в процессе промывки контроля качества построенной дрены; длина опорных лыж Lл = 160мм.

Внутренняя камера предлагаемого ДПУ состоит из трёх основных частей – расширяющаяся (диффузор), цилиндрическая и сходящаяся часть (конфузор). Диффузор ДПУ рекомендовано изготавливать в виде плавно расширяющегося по криволинейной поверхности участка с постоянным градиентом давления. Цилиндрическая часть камеры ДПУ имеет длину lц = d0т. Конфузор ДПУ предложено выполнять в виде конуса. Толщина стенки ДПУ в местах устройства струеформирующих сопел принята равной ? = 3d0.

В третьей главе «Теоретические основы процесса взаимодействия размывающих струй ДПУ с илистыми отложениями» представлены результаты теоретических исследований процесса взаимодействия размывающих струй ДПУ с несвязными и связными илистыми отложениями в дренажной трубе. Обоснована максимальная допускаемая скорость размывающих струй ДПУ и гидравлические потери напора в дренопромывочной машине. На основании полученных результатов оптимизированы параметры ДПУ (d0, d0т, ?) как с тыльными, так и с фронтальными струями. Установлено влияние расхода ДПУ на транспортирующую способность водного потока в дренажной трубе. Разработана методика расчёта параметров процесса размыва илистых отложений внутри дренажных труб.

В теоретических исследованиях для характеристики эрозионной стойкости илистых отложений за основной фактор принято сцепление. При рассмотрении задач все илистые отложения заменялись идеализированными, характеризующимися однородностью и сплошностью. В процессе размыва осредненные характеристики как илистых отложений, так и гидравлических струй, а также шероховатость поверхности размыва не изменяются ни в пространстве, ни во времени. Единственным источником отрывающих сил считается воздействие гидравлической размывающей струи. Гидравлическая размывающая струя – равномерная, вращающаяся. Отрыв агрегата илистых отложений зависит от динамического воздействия скорости струи на выступ. Химическое воздействие на процесс отрыва игнорируется. Сопротивляемость выступа, так же как силовое воздействие гидравлической струи, усредняется по поверхности размыва илистых отложений. Размыв происходит агрегатами. В качестве характерного размера принят средний диаметр шара, равнообъёмный отрывающемуся агрегату. Оторванный агрегат мгновенно уносится потоком. Расчётная схема процесса приведена на рисунке 4.

Рисунок 4 – Размыв связных илистых отложений тыльными струями

Уравнение предельного состояния агрегата илистых отложений при указанных выше допущениях имеет вид:

где n - коэффициент перегрузки, учитывающий пульсационный характер скоростей; m – коэффициент условий работы; Рс – лобовое результирующее усилие размывающей струи, Н; ?1d – плечо лобового усилия, м; W – момент сопротивления опорной части агрегата, м3; Рв – равнодействующая подъемного усилия, Н; S – площадь опорной части агрегата, м2; ? – угол наклона тыльной струи, рад; С – сцепление, Па = кг/(мс2); Рн – пригружающее действие водного потока, Па; Gв – масса агрегата в воде, Н; d – средний диаметр агрегата, м.

Для прогноза процесса отрыва агрегатов находим продолжительность времени воздействия размывающей скорости, необходимого для отрыва агрегата. С этой целью уравнение движения агрегата (шара) записано с учётом приведенной выше зависимости (2) предельного равновесия. В качестве оси вращения принята ось, проходящая через т. А (см. рис. 4):

где I- момент инерции агрегата, кгм2; ?4d- диаметр опорной части агрегата, м.

После интегрирования получаем уравнение для определения времени воздействия тыльной струи ДПУ на агрегат связных илистых отложений:

где ?0 – плотность воды, кг/м3; ?u – плотность илистых отложений, кг/м3;

Vр – размывающая скорость струи, м/с; ?x, ?y – коэффициенты лобового и подъемного усилий; ?2d, ?3d – площадь миделя лобового и подъемного усилий, м; hи – толщина слоя илистых отложений, м.

Сделав допущение о том, что отрываемый агрегат выступает над поверхностью размыва на ? = 0,7d, определяем время воздействия тыльной струи на агрегат связных илистых отложений, исходя из геометрических и гидравлических параметров ДПУ:


загрузка...