АНАЛИЗ НАДЕЖНОСТИ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РЕГУЛЯТОРА УРОВНЯ ВОДЫ НИЖНЕГО БЬЕФА Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

ХНИЧЕСКИЕ НАУК

УДК 626.824

АНАЛИЗ НАДЕЖНОСТИ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РЕГУЛЯТОРА УРОВНЯ ВОДЫ НИЖНЕГО БЬЕФА

АТАМАНОВА Ольга Викторовна, д-р техн. наук, профессор кафедры «Экология», Саратовский государственный технический университет им. Гагарина Ю.А., O_V_Atamanova@mail.ru

МАТВИЕЦ Валентина Васильевна, канд. техн. наук, доцент, Кыргызско-Российский Славянский университет, г. Бишкек

В Кыргызской Республике, где развито орошаемое земледелие, оросительные системы в большинстве своем представлены каналами открытого типа. Водоподача на головных сооружениях ирригационных систем обеспечивается автоматическими регуляторами гидравлического действия. В настоящее время возникла необходимость исследовать и оценить надежность таких автоматизированных водораспределительных сооружений. В статье приведено описание объекта исследований - головного сооружения на Ат-Башинском канале (Кыргызская Республика). Приводится описание конструкции автоматического регулятора уровня воды на головном сооружении Ат-Башинского канала. Обоснованы исследуемые параметры сооружения и устройства регулирования уровня воды в канале. По результатам полевых исследований автоматического регулятора (от 26.04.2012 г.) выявлены его повреждения, которые могут привести к отказу сооружения. После анализа конструкции и другой имеющейся информации с учетом полевых наблюдений было построено дерево отказов регулятора. Проведен качественный анализ надежности гидравлического регулятора уровня воды на головном сооружении Ат-Башинского магистрального канала. Для каждого из элементов регулятора были установлены: среднее время безотказной работы; интенсивность отказов; вероятность безотказной работы. Рассчитана вероятность возникновения отказа всех основных элементов регулятора. Вероятность безотказной работы всего сооружения составляет 0,61. Установлено, что применение таких конструкций целесообразно только на сооружениях, где ведется постоянный контроль их работы. Невозможно применение таких конструкций на сооружениях, удаленных от гидрологических постов и пунктов наблюдений. Проведенные расчеты позволили сделать выводы о надежности конструкции автоматического регулятора на головном сооружении Ат-Башинского канала.

Ключевые слова: регулятор, надежность, дерево отказов, структурный анализ

Введение

Кыргызстан называют республикой орошаемого земледелия. Десятки тысяч каналов обеспечивают подачу воды для орошения сельскохозяйственных культур. Головные сооружения ирригационных систем обычно оснащены регуляторами уровней (расходов) воды, подающими требуемые расходы воды в систему.

В последние годы службы эксплуатации всерьез задумались о надежности работы автоматизированных сооружений на оросительных системах, поскольку именно от этих сооружений зависит рациональное и бережное использование оросительной воды в республике.

Назрела необходимость решения задачи оценки надежности автоматизированных водораспределительных сооружений на каналах целого ряда

оросительных систем.

Объект и методы исследования

Одним из сооружений, нуждающихся в оценке надежности функционирования регуляторов, явился головной узел Ат-Башинского магистрального канала, расположенный в Чуйской области Кыргызстана. Головное сооружение Ат-Башинского магистрального канала (АМК) оборудовано гидравлическим регулятором уровня (АРУ-Г) конструкции Э.Э. Маковского (рисунок 1).

Головное сооружение АМК построено в 1932 году, имеет общую пропускную способность 102 м3/с. Представляет собой водозаборный узел с лобовым подходом по фронту сбросного регулятора и боковым водозабором в АМК. Боковой водозабор состоит из двух пролетов, каждый из которых перекрыт гидравлическим регулятором конструк-

© Атаманова О. В., Матвиец В. В. 2015 г.

ции Э.Э. Маковского (АРУ-Г). Регуляторы были установлены в 1971 году [Инструкция, 1976].

Регулятор служит для стабилизации заданных уровней нижнего бьефа и в случае переполнения верхнего бьефа автоматически переходит на стабилизацию заданных уровней верхнего бьефа [Маковский, Волчкова, 1981]. Если появляется неисправность в системе датчиков регулятора, то автоматически включается вторая защита от переполнения, представленная сдвоенным сифоном. При отключении датчика нижнего бьефа регулятор стабилизирует заданные уровни верхнего бьефа. Если отключен датчик уровня верхнего бьефа, то система стабилизирует заданные уровни нижнего бьефа, а защита от переполнения канала выполняется регулятором при работе сдвоенного сифона. В случае отключения обоих датчиков уровни верхнего бьефа стабилизируются регулятором при функционировании сдвоенного сифона.

Конструкция регулятора представлена на рисунке 2. Ввиду сложности конструкции, мы рас-

смотрим лишь те элементы, которые служат для стабилизации уровня воды нижнего бьефа, т.е. для требуемой подачи воды в Ат-Башинский канал.

Работа гидравлического регулятора происходит следующим образом [Маковский, Волчкова, 1981]. Если уровень нижнего бьефа превышает заданную отметку 14, то мембрана датчика 5 нижнего бьефа вдавливается поплавком 4 в камеру и отжимает жидкость по трубопроводу 7 в камеру клапана затвора. При этом мембрана 8 увеличивает перекрытие отверстия под клапаном 9 и сокращает выход воды из затвора 1. В результате объем воды в затворе 1 накапливается, затвор садится и уменьшает расход в нижний бьеф до тех пор, пока не восстановится заданный уровень 14. В случае понижения отметки уровня против заданной, наоборот, жидкость протекает в камеру мембраны 5 и мембраны 8 увеличивает расход в нижний бьеф. Так работает система стабилизации заданного уровня нижнего бьефа, пока уровень в верхнем бьефе ниже уровня 15.

Рис.1- Головное сооружение Ат-Башинского магистрального канала

1- затвор прислонного типа; 2 - опоры и ось вращения затвора; 3 - датчик уровня верхнего бьефа; 4 - поплавок датчика нижнего бьефа; 5 - мембрана датчика нижнего бьефа; 6 - винт уставки датчика нижнего бьефа; 7 - трубопровод; 9 - отверстия для слива воды из затвора 1, дросселируемое мембранным клапаном 8; 10 - патрубок для впуска воды в затвор; 11 - камера для фильтра, очищающий воду от плавника; 12 - сдвоенный сифон для защиты от переполнения верхнего бьефа; 13 - уровень воды в затворе; 14 - уровень воды нижнего бьефа; 15 - уровень воды перед сооружением; 16 - защитная сетка; 17 - колодец сооружения с порогом Рис. 2 - Гидравлический регулятор уровня воды нижнего бьефа с защитой от переполнения

Датчик уровня верхнего бьефа начнет функционировать, если уровень воды достигнет заданной отметки 15 независимо от положения уровня в нижнем бьефе. Если отключить датчик уровня верхнего бьефа (стопорением поплавка ограничительными винтами), то система будет работать только как авторегулятор уровня нижнего бьефа.

Исследования надежности проводились на левом АРУ-Г, работавшем 20 лет в качестве авторегулятора уровня воды нижнего бьефа сооружения. В ходе проведения натурного исследования левого АРУ-Г (от 26.04.2012 г.) были выявлены следующие его повреждения:

• отсутствуют датчики уровня верхнего и нижнего бьефов;

• сдвоенный сифон имеет местами повреждения, вызванные ржавлением металла;

• начиная с 1991 г. сифон работает за счет сдвоенного сифона и обеспечивает только защиту от переполнения канала в верхнем бьефе;

• для предотвращения переполнения канала в случае заклинивания затвора прислонного типа (а такое имело место быть) установлены механические лебедки.

Отказом регулятора было принято считать отсутствие стабилизации расхода воды в нижнем бьефе при колебаниях уровня в старшем канале.

После анализа конструкции и другой имеющийся информации с учетом натурных наблюдений

было построено дерево отказов регулятора, прибыло построено дерево отказов регулятора, приведенное на рисунке 3. Условные обозначенные, используемые при построении дерева отказов, приведены в таблице 1.

При составлении дерева отказов для регулятора сделаны следующие допущения:

• датчик верхнего бьефа отключен и работает только датчик нижнего бьефа;

• уровень воды в верхнем бьефе находится между отметками 1,5 (минимальное значение) и 2,7 (максимальное значение);

• при изменении положения уставки не учитывается человеческий фактор, так как целью расчета надежности является нахождение конструктивных недостатков регулятора, поэтому этот момент принимается нами как событие-условие;

• не требуется принудительная гидравлическая промывка наносов.

Построенное дерево отказов и имеющаяся информация позволяют провести качественный анализ надежности гидравлического регулятора на головном сооружении Ат-Башинского магистрального канала.

На сегодняшний день конструкция работает лишь как защита от переполнения верхнего бьефа.

Согласно таблице 1 выполнен количественный расчет надежности регулятора АРУ-Г.

Таблица 1 - Показатели надежности элементов регулятора АРУ-Г

№ Наименование элемента Среднее время безотказной работы, T, ч Интенсивность отказов, Л, ч-1 Вероятность безотказной работы, Р Вероятность возникновения отказа, Q

1 Мембрана 5 4392 2,2810-4 0,962 0,038

2 Трубопровод 11 4224 2,3710-4 0,961 0,039

3 Клапан 8 2196 4,5510-4 0,926 0,074

4 Фильтр 11 745 1,342 10-3 0,798 0,202

5 Патрубок для впуска воды 2 1800 5,5610-4 0,911 0,089

6 Затвор 1 1488 6,7210-4 0,893 0,107

7 Обшивка затвора 1 43920 2,310-5 0,996 0,004

8 Уставка 6 336 310-3 0,607 0,393

Вероятность отказа датчика нижнего бьефа определяем по формуле [Штильман, 2005]:

(1)

Вероятность возникновения отказа устройства впуска воды в затвор определяется по формуле [Штиль-ман, 2005]:

(2)

() = 1 - П?=1(1 - = 1 - (1 - 0,202) ■ (1 - 0,089) = 0,273.

(3)

Q=XQi 1" XQj г ZQikQk=0,107(1 _ 0,004)+ ¡■=1 \ ¡=1 j к

0,004(1 - 0,107) + 0,107 ■ 0,004 = 0,111. Учитываем событие-условие, что положение уставки 6 выставлено правильно и вовремя согласно формуле:

Q = QaQc = ОД44 ■ 0,393 = 0,057. (4)

Отсутствие стабилизации уровня нижнего бьефа при изменении уровня в верхнем бьефе определяется по формуле

а = 2Г=10,(1 - 2?=1 <г}) + Ек <2^- =

0,057(1 - [0,273 + 0,111]) (5)

+0,273(1 - [0,057 + 0,111]) +

+0,111(1 - [0,057+ 0,273]) +

0,057- 0,273 + 0,057 ■ 0,111 +

0,273- 0,111 = 0,39.

Структурный анализ надежности гидравлических авторегуляторов уровня нижнего бьефа (на примере АРУ-Г на головном сооружении Атбашинского магистрального канала) позволил сделать следующие выводы

Рис.3 - Дерево отказов гидравлического регулятора на головном сооружении Ат-Башинского магистрального канала

Выводы

1. Фактический срок службы сооружения составил около 20 лет. На сегодняшний день регулятор работает на грани предельного состояния и требует капитального ремонта.

2. Количественный расчет показал, что вероятность безотказной работы составляет 0,61.

3. Как показал опыт эксплуатации, при постоянном (ежедневном) наблюдении за работой сооружения и своевременном ремонте регулятор работает безотказно в течение всего поливного сезона. Соответственно, применение таких конструкций возможно только на сооружениях, где ведется постоянный контроль. Невозможно применение таких конструкций на сооружениях, удаленных от гидропостов и пунктов наблюдений.

4. Наиболее уязвимыми элементами являются камера мембраны 5 и трубопровод 11, заполненные машинным маслом малой вязкости, а

также сам затвор, который подвижен при стабилизации уровня воды.

5. Сведения, полученные в результате анализа конструкции регулятора, могут быть использованы для определения путей повышения надежности автоматизированных водовыпускных сооружений.

Список литературы

1. Инструкция по эксплуатации Ат-Башинского канала [Текст]. - Фрунзе, 1976. - 95 с.

2. Маковский, Э. Э. Автоматизированные автономные системы трансформации неравномерного стока [Текст] / Э. Э. Маковский, В. В. Волчкова. -Фрунзе: Илим, 1981. - 354 с.

3. Штильман, В. Б. Повышение надежности во-допроводящих трактов гидротехнических сооружений на основе методов системного анализа работы затворов [Текст]: автореф. дис. ... д-ра техн. наук : 05.23.07 / В. Б. Штильман. - СПб., 2005. - 40 с

АNALYSIS OF RELIABILITY OF THE LOWER REACH WATER LEVEL HYDRAULIC REGULATOR

Atamanova Olga V., professor of the Department of «Ecology», Doctor of Technical Sciences, Professor, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov,, O_V_Atamanova@mail.ru

Matviets Valentina V., Associate Professor of the Department of «<Hydraulic Engineering Construction and Water Resources», Candidate of Technical Sciences, Kyrgyz Russian Slavic University named after the First President of Russia B.N. Yeltsin

The Kyrgyz Republic has spread irrigated agriculture. Irrigation systems are generally made in the form of open artificial channels. The flow of water on the headworks of irrigation systems perform automatic controllers hydraulic action. At present there is a need to investigate and assess the reliability of such automated installations for water distribution. The article describes the research object - headwork on At-Bashi Channel (Kyrgyz Republic). The construction of automatic water level controller on headwork At-Bashi Channel was describes. Parameters of investigated structure and of water level controller in an open channel was found. According to the results of field research of an automatic regulator (from 26.04.2012 was) is set the damage that can lead to failure of the headwork. After analyzing the structure and of other available information, taking into account the field observations, was compiled fault tree of controller. The qualitative analysis of reliability of the hydraulic regulator of water level on a headwork of the At-Bashi main channel was carried out. For each of the elements of the controller installed: average time of no-failure operation; failure rate; the probability of failure-free operation. The probability of failure of the main elements of the controller was

calculated. Probability of failure of the entire structure was 0.61. Found that the use of such structures is only suitable for constructions where constant control of their work. The such structures it is impossible to use in the constructions remote from the hydrological stations and observation points. The calculations allow to draw conclusions about the reliability of the design of an automatic controller for headwork At-Bashi Channel. Key words: the regulator, reliability, fault tree, structural analysis

Literatura

1. Instruktsiya po ekspluatatsii At-Bashinskogo kanala, Frunze, 1976. - 95 s.

2. MakovskiyE.E., Volchkova V. V. Avtomatizirovannyie avtonomnyie sistemytransformatsiineravnomernogo stoka [Tekst]. - Frunze: Ilim, 1981. - 354 s.

3. Shtilman V.B. Povyishenie nadezhnosti vodoprovodyaschih traktov gidrotehnicheskih sooruzheniy na osnove metodov sistemnogo analiza rabotyi zatvorov [Tekst]: avtoreferat dok.tehn.nauk: 05.23.07 / V.B. Shtilman. - S-Pb., 2005. - 40 s.

УДК 631.356

ОПТИМИЗАЦИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПОТОКА ЭНЕРГИИ К ВРАЩАЮЩИМСЯ ЗВЕНЬЯМ

МАШИНЫ ДЛЯ УБОРКИ ТОПИНАМБУРА

БАЙБОБОЕВ Набижон Гуломович, д-р техн. наук, професор, зав. кафедрой «(Механизация сельского хозяйства», ngbayboboev@gmail.com

МУХАМЕДОВ Жобирхон Мирзаевич канд. тех. наук, доцент кафедры «(Механизация сельского хозяйства»

ХАМЗАЕВ Асрорхон Акмалхонович ассистент кафедры черчения, asrorhon1983@umail.uz

Наманганский инженерно-педагогический инститиут, Республика Узбекистан, asrorhon1983@ umail.uz

В статье проведен анализ распределения потока энергии к вращающимся звеньям различных конструкций копателя для уборки картофеля и топинамбура. Приведены результаты экспериментальных исследований по изучению характера динамической загруженности барабана. В результате составлена рациональная схема подвода и распределения потока энергии к вращающимся звеньям предлагаемой конструкции копателя для уборки топинамбура, позволяющая повысить их надежности и работоспособности.

Ключевые слова: топинамбур, копатель, энергия, лемех, элеватор, передача, редуктор, вал, привод, машина.

Введение

Анализ конструкций отечественных и зарубежных картофелеуборочных машин и нескольких рекомендуемых, опытной конструкции, машин для уборки топинамбура [1,2] показал, что получить хорошее качество уборки корнеклубнеплодов, в том числе топинамбура, в тяжелых почвенно-кли-матических условиях можно за счет применения машины более простой конструкции с меньшим количеством рабочих органов, но в то же время при рациональной их компоновке, правильном выборе и обеспечении оптимальных режимов работы. Существенный вклад в решение многих вопросов динамики, прочности и надежности сельхозмашин внесли Ю.В.Гринков, Г.Е.Листопад, С.А.Алферов, С.Н.Кожевников, С.Д.Дмитриченко и др.

Следует отметить, что начало систематического изучения кинематики и динамики вращающихся звеньев машин, т.е. роторных систем, положено Ф.М.Диментбергом, А.С.Кельзоном, М.Я.Кущелем, Э.Л.Подзняковым, работы которых легли в основу многих исследований в различных отраслях машиностроения.

Предмет исследования

Известно, что загруженность, конструктивное выполнение и геометрические размеры того или иного узла в машине зависят от схемы подвода и распределения потока энергии между вращающимся звеньями [3]. Исходя из этого, Н.Г.Байбобоев и Р.Рустамов в своих научных работах составили схему подвода и распределения потока энергии к вращающимся звеньям существующей машины для уборки картофеля (рисунок 1) [2].

Анализ данной схемы подвода и распределения потока энергии показывает:

- при работе машины с приводом от вала отбора мощности (ВОМ) трактора ведущий и ведомый валы раздаточного редуктора и цепные муфты, установленные на этих валах, нагружены неравномерно, поскольку энергия от звездочки, которая установлена на ведущем валу редуктора, передается только на основной вал элеватора, в то время как от ведомого вала редуктора получают вращение все остальные подвижные звенья;

- передача энергии к некоторым вращающим-

© Байбобоев Н. Г., Мухамедов Ж. М., Хамзаев А.А. 2015 г.