Ходы исследование
Автоматизированный полив сельхозкультур основа высоких урожаев и повышения производительности труда. Следовательно, от элементов и устройств применяемой автоматики требуется надежная и бесперебойная работа. Поэтому, начиная со стадии разработки этих устройств и кончая производством и эксплуатацией, вопросы надежности, так как проблема надежности является не только технической, но и важной экономической задачей.
Теория надежности, разработанная в последние десятилетия открывает большие возможности для качественной оценки надежности существующей техники полива, в т.ч. систем микроорошения.
Надежность – это свойство оборудования или системы выполнять заданные функции, сохранять свои эксплуатационные показатели в течение требуемого промежутка временя или требуемой наработки.
Из числа существующей техники полива, стационарная дождевальная система состоящая из большого числа однотипных элементов, расположенных в определенном порядке на поле и необходимых для проведения полива сельскохозяйственных культур.
Определение надежности одного из этих элементов решает вопрос надежности систем. Вопросами надежности стационарных систем орошения в частности, снабженных дождевальными установками занимались многие ученые в бывшем Советском Союзе и за рубежом.
Для изучения элементов расчета по надежности систем малоинтенсивного дождевания (на примере импульсного дождевания автоколебательного действия) следует рассмотреть технологическое и технико-экономическое обоснование дождевальных систем.
Оптимальные параметры системы малоинтенсивного орошения определялись нами путем поиска минимума функции удельных приведенных затрат Суд. зависящей от площади системы S; отношения сторон θ; расходы системы Q; напора Н, соответствующего давлению диктующей точки; условного оросительного периода Ту, равного
где М оросительная норма, м; q/ – максимальная ордината гидромодуля м/с).
Числа распределительных трубопроводов N; расстояния между поливной техникой (дождевальным установкам) l; коэффициента Х, равного при расстановке аппаратов по квадратом 0,2; длины i-го трубопровода системы li его диаметра Di и расхода Qi, коэффициентов k, m, β зависящих от шероховатости внутренней поверхности труб; стоимостей поливной техники (дождевальных аппаратов и др.).Сg и напорообразующего узла Сн; стоимости одного кВт/ч электроэнергии; коэффициента полезного действия насосного агрегата η, равного 0,7 коэффициента неравномерности расхода
(1)
где r – отношение давления начала выплеска P2 к давлению конца выплеска Р1), равного 1,02 – 1,25; коэффициента Е0 = Е1 + Е2 (Е1, Е2 – нормативные коэффициенты эффективности капитальных вложений и ежегодных отчислений на амортизацию и ремонт); коэффициентов b, d зависящих от материала и стоимости укладки труб и эксплуатационных затрат на содержание обслуживающего персонала системы Эn:
Исследования показали, что наиболее экономичным является вариант одновременной работы всех дождевальных аппаратов системы, т.е., когда на системе производится предельное рассредоточение поливного тока. Функция (2) для этого случая имеет минимум в точках, определяемых выражениями:
(3)
где
(4)
Подставляя в формулы (3) и (4) коэффициенты, соответствующие стальным трубопроводам (d = 1,4; m = 5,1; β = 1,8; К = 0,00107; В = 50; Е0 = 0,2; Кн = 1,1), получаем расчетные формулы для определения и которые для удобства их использования, представлены номограммами (рисунок).
Анологичные номограммы построены и для труб, изготовленных из пластмасс и других материалов.
Оптимальные диаметры трубопроводов Dопт,I, количество поливных трубопроводов Х, подвешенных к распределительному трубопроводу, количество дождевальных аппаратов на поливном трубопроводе y определяют по следующим соотношениям:
(5)
При изменении исходных параметров S, q/ , θ, М) в пределах:
30 <= S <= 300 га,
0,3 10-7 <= q/ <= 1,0 x 10-7 м/с,
0,25 <= θ <= 4, 0,3 <= M <= 1,0 м
1000 м3/га, оптимальные параметры системы изменяются в пределах:
35 <= l <= 135 м; 3 <= N <= 65;
1 <= x <= 50; и 1 <= y <= 33.
Привязываясь к площадям закрепленным конкретным природнохозяйственным условиям, определим параметры систем малоинтенсивного орошения на примере импульсного дождевания.
Номограмма для определения параметров импульсного аппарата
Считаем эти площади установлены и равны 150 – 400 га и характеризуются в среднем оптимальным отношением сторон 1-3, а природно-хозяйственные условия оросительной нормой 0,35 – 0,75 м и максимальной ординатой гидромодуля 0,6 х 10-7 – 1,0 х 10-7 м/с.
Осредненным исходным данным S = 200 га, = 2; М = 0,55 м, q/ = 0,8х х10-7 м/с, соответствуют следующие оптимальные параметры системы l = 50 м, N = 22, х = 10, у = 8 полученные с помощью ранее приведенной программы и формул (4.5). Для других возделываемых культур и природно-хозяйственных условий эти параметры определяются аналогично.
Полученные значения N, l, x, y, Dопт. I – позволяют определить основные конструктивные и технологические параметры поливной техники (импульсных дождевателей аппаратов автоколебательного действия): как напор Н2, соответствующей давлению начала выплеска Р2, напор Н1, соответствующий давлению конца выплеска Р1; конструктивный объем пневмогидроаккумлятора W0 и диаметр сопла D.
Основываясь на материалах ряда работ ученых Мира, и результатов проведенных в Институте Эрозия и Орошения НАНА исследований посвященных определению некоторых параметров поливной техники в т.ч. дождевальных аппаратов обычного типа, аппаратов импульсного действия и др., по которым нами предлагаются следующие характеристические управления для определения основных параметров у импульсных аппаратов в зависимости от напора. Но, соответствующего начальному давлению в пневмоаккумляторе Р0 и на соответствующего атмосферному давлению Ра, площадей поперечного сечения подводящего трубопровода 2, коэффициентов расхода на входе пневмогидроаккумлятор 1 и сопла 2, ресурсов пневмогидроаккумлятора Т*, дождевального аппарата N*, коэффициентов, зависящих от стоимости дождевального аппарата d1 и d2,
(6)
W0 = R2 = 
(7)
(8)
Следует отметить, что уравнение (6) приводит в соответствие водоподачу и водопотребление растений, а уравнение (7) и (8) характеризуют, соответственно ,оптимальные размеры дождевальных аппаратов и агротехнические требования и качества дождя ( количество дождевальных капель с диаметром более 1,0-1,5 мм в общем потоке дождевальной струи должно быть менее 10 %).
Каждой группе М,q, S, θ соответствуют вполне определенные значения х, у, N, l параметров системы и Н2 Н1,W0, D параметров импульсного аппарата. Принимая во внимание, что на реальной системе Т1 => Т2 и сумма гидравлических сопротивлений до наихудшего по условиям наполнения пневмогидроаккумлятора системы ∑ξ => 1, уравнение (6) можно представит в виде:
(9)
Qi – коэффициент, равный для стальных труб 2,64. 10 -3/
Уравнения (7,8 и 9) совместно с формулой А.П. Русецкого представляют собой замкнутую систему уравнений.
Зная экономический радиус действия импульсного аппарата и параметр С системы (С = 3-5), поиск решения следует вести по соответствующим С кривым в следующем порядке по а1 а4 ,а7 ,а10 по С = 3, по а2, а5, а8 , а11 при С = 4 и по а3, а6, а9, а12 при С = 5.
Параметры дождевального аппарата при промежуточных значениях С определяются путем интерполяции.
Используя результаты, полученные ранее, определим конструктивные и технологические параметры импульсного аппарата для тех же природно-хозяйственных условий. При расстановке аппаратов по квадратам экономичный его радиус действия R = 21 – 35, а параметр С = 3.
С помощью номограммы (рисунок) и входных величин К и C получены следующие параметры импульсного аппарата:
P1 = 450 кПа, P2 = 700 кПа, W0 = 0,19 м3, D = 20 мм.
Для решения комплекса мероприятий по надежности систем является безотказность элементов дождевальных систем.
Исследования показателей безотказности основных элементов стационарных дождевальных системы приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований, оценена помехоустойчивость устройств телеуправления, определены параметры рассеивания оросительных норм, выпадаемых отдельными дождевателями и установлены виды и параметры распределений наработок до отказа основных элементов систем дождевания.
В моменты принятия устройством телеуправления команды «выбор объекта» в сети технологических трубопроводов возникают переходные процессы. Установлено, что давление Р при этом может принимать значения меньшей величины статистического давления перенастройки устройства телеуправления Р/0 и длительность воздействия ложного сигнала может достигать 0,15 – 1,2 сек.
Получена следующая экспериментально подтвержденная зависимость между временем обработки командного сигнала tk, ходом штока h эффективной площадью мембраны Fэ, площадью поперечного сечения трубки, соединяющей технологический трубопровод с рабочей полостью гидропривода ω, коэффициентом жесткости возвратной пружины К2, удельным весом воды γб и ускорением силы тяжести g:
(10)
По формуле (10) была произведена оценка времени перенастройки устройства автоматизированного телеуправления. При мгновенном понижении. давления в полости гидропривода до атмосферного от давления 340 кПа, соответствующего давлению «выбор объекта», требуется 0,34 с что в 1,5 раза больше длительности ложного сигнала.
Зависимости (10) позволяет не только оценивать время перенастройки устройства автоматизированного управления технологическим процессом орошения по каналу систем телеуправления, но и назначать его конструктивные значение параметров в соответствии с требованиями помехоустойчивости элементов систем телеуправления.
Рассеивание давления начала выплеска импульсных аппаратов автоколебательного действия приводит к рассеиванию их объемов выплеска ΔW, следовательно, и слоя дождя М, так как они связаны между собой зависимостями
и 
(число циклов работы аппарата в году и площадь его обслуживания).
Испытаниями импульсных аппаратов (выборка 100) и последующей обработкой полученных данных установлено, что распределения Р2 и Р1, подчиняются нормальному закону с коэффициентами вариации νр2 = 0,04 и νр1 = 0,093. Имея в виду, что
и 
плотность распределения М можно представить в виде:
(11)
Распределение (11) может быть использовано при оценке ущерба от конструктивного несовершенства импульсных аппаратов. Очевидно, чем меньше отношение 
, тем аппарат совершеннее.
Проведены исследования (таблица) по определению видов и параметров распределений наработок до отказа (
, σ – cсреднее и среднее квадратическое отклонение) типичных устройств систем дождевания, включающих в себе наиболее распространенные элементы в гидроавтоматике: подземных выдвижных гидрантов (элементы 1, 2), устройств систем автоматизированной телеуправления (элементы 3, 4), поворотных механизмов (и элемент 5) а так же импульсных дождевальных аппаратов (элементов 6, 7, 8, 9). Установлено, что распределение времени восстановления этих элементов можно характеризовать средним временем восстановления Тв.
|
Среда-вода, t ° среды 15-20 °С, нагрузка циклическая 200-800 кПа |
|||||
|
Элементы |
Материал |
Характеристика длин двойного хода, мм |
Закон распределения |
Параметры распределений |
|
|
N(τ) цикл – 10-3 |
NE, r |
||||
|
1. Воротник 200 ГОСТ 6678-72 |
Резина 4004 МРТУ 38-5-1166-64 |
Абразивный износ,140 °С |
Нормальный |
0,76(0,14) |
3,56 |
|
2. Манжета 280х320 ГОСТ 6969-74 |
« --- --- » |
«--------» |
« -» |
1,25 (0.23) |
2,45 |
|
3. Мембрана 50 ГОСТ 9887-78 |
Резина 3825 МРТУ 38-5-1166-64 |
Усталостный износ: 30 |
« -» |
6,7 (1,45) |
1,25 |
|
4. Храповой механизм |
« --- --- » |
Заклинивание |
Экспоненциальный |
4,2 (4,2) |
0,25 |
|
5. Мембрана 50 ГОСТ 9887-78 |
Резина 3825 МРТУ 38-5-1166-64 |
Усталостный износ: 10 |
Нормальный |
1500(500) |
0,25 |
Результаты исследования и их обсуждение
В результате специальных исследований получена следующая зависимость между средним сроком службы деталей изготовленных из резины или пластмасс Тср, средним числом циклов работы N#0 в году и экспериментальным значением параметра старения этих материалов в воде Т0, равного 6,8 лет:
(12)
Помимо этих мероприятий необходимо для решения оптимального уровня эксплуатационной надежности стационарных систем следует разработать организационные мероприятия. Для организационных мероприятий особое значение имеет выполнение профилактических работ и правильно проведенные сроки.
Определение сроков проведения профилактики – одно из основных проблем профилактического обслуживания, тесно связанная с содержанием профилактических работ и организацией их выполнения. Эти сроки обычно определяют при исследовании следующей целевой функции:
(13)
Выводы
Выведенный нами показатель оценки совершенства целесообразно применять с целью выбора наиболее совершенной конструкции, так как он экономически обобщает показатели ремонтопригодности, сохраняемости и безопасности систем дождевания.