JUSTIFICATION OF THE MAXIMUM PERMISSIBLE VELOCITY OF THE DESTROYING JETS OF THE DRAIN-WASHING DEVICE Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

JUSTIFICATION OF THE MAXIMUM PERMISSIBLE VELOCITY OF THE DESTROYING JETS

OF THE DRAIN-WASHING DEVICE

Mikheev A.,

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor Department «Automobiles and transport-technological complexes» South Russian State Polytechnic University (NPI) named after M.I. Platova, Novocherkassk, Russian Federation

Mikheeva N.

Master student

Faculty of Robotics and Integrated Automation Moscow State Technical University named after N.E. Bauman (National Research University), Moscow, Russian Federation

ОБОСНОВАНИЕ МАКСИМАЛЬНОЙ ДОПУСКАЕМОЙ СКОРОСТИ РАЗМЫВАЮЩИХ СТРУЙ

ДРЕНОПРОМЫВОЧНОГО УСТРОЙСТВА

Михеев А.В.,

Кандидат технических наук, доцент Кафедра «Автомобили и транспортно-технологические комплексы» ФГБОУ ВО «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ)

имени М.И. Платова», г. Новочеркасск, Российская Федерация

Михеева Н.А. Магистрант

Факультет «Робототехника и комплексная автоматизация» ФГБОУ ВО «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)», г. Москва, Российская Федерация

Abstract

This article discusses the issues of determining the limiting value of the velocity of hydraulic jets for the erosion of silt deposits in drainage pipelines made of various materials. Аннотация

В данной статье рассмотрены вопросы определения предельного значения скорости гидравлических струй для размыва илистых отложений в дренажных трубопроводах, выполненных из различных материалов.

Keywords: drainage flushing device, flushing of drainage pipes, jets, deformations, allowable stresses, allowable maximum jet velocity.

Ключевые слова: дренопромывочное устройство, промывка дренажных труб, струи, деформации, допускаемые напряжения, допускаемая максимальная скорость струи.

В процессе эксплуатации закрытый горизонтальный дренаж на орошаемых землях подвержен заилению, что приводит к значительному снижению эффективности его работы. Для удаления илистых отложений из полости дренажных трубопроводов применяют специальные машины рабочим органом, которых являются дренопромывочное устройство. Оно предназначено для формирования размывающих струй. Струи обеспечивают разрушение илистых отложений и их вынос из внутренней полости дренажной трубы. В процессе очистки труб происходит контакт размывающих струй не только с илистыми отложениями, но и со стенками трубопровода. Максимальную допускаемую скорость размывающей струи дренопромывочного устройства определяем из условия взаимодействия струи со стенкой дренажной трубы [1, 2].

Анализируя динамическое воздействие струи на стенку дренажной трубы, приходим к выводу о том, что в результате воздействия стенка дренажной

трубы испытывает следующие деформации: смятие и вырыв.

Исходя из указанных деформаций, определяем допускаемые напряжения (допускаемые скорости струи). При этом необходимо учитывать, что дренажная труба выполнена гофрированной. Наличие гофра в конструкции дренажной трубы повышает жесткость трубы в поперечном сечении.

Как показали исследования, при обсыпке дренажной трубы, обернутой в стеклохолст или другой защитно-фильтрующий материал, защитно-фильтрующий материал взаимодействует только с выпуклыми гофрами дренажной трубы. Вогнутые гофры не взаимодействуют с защитно-фильтрующим материалом и между ними возникают полости. Кроме того, вогнутые гофры ослаблены наличием в них перфорации. Поэтому расчеты необходимо проводить по вогнутым внутрь дренажной трубы гофрам, с учетом наличия перфорации (рис. 1) [2].

В данном случае целесообразно рассматривать незатопленное состояние дренопромывочного устройства. При этом струи будут являться свободными незатопленными, а толщину илистых отложений внутри дренажной трубы необходимо принимать равной нулю (Ни = 0).

Это допущение обосновывается тем, что динамическое воздействие незатопленной струи на стенку дренажной трубы, без учета илистых отложений, значительно выше, чем затопленной. Следовательно, при одинаковой скорости струи может произойти разрушение стенки дренажной трубы

[4].

1 - стенка дренажной трубы; 2 - незатопленная струя дренопромывочного устройства;

3 - дренопромывочное устройство. Рисунок 1 - Схема взаимодействия размывающей незатопленной струи со стенкой дренажной трубы

Напряжение на смятие (см. рис. 1) стенки дренажной трубы можно определить из условия:

^см £ [&см] (!)

З1

где ¥Рс - усилие размывающей струи, Н;

З1 - площадь пятна контакта струи со стенкой дренажной трубы, м2;

[&см ] - допускаемое напряжение на смятие стенки дренажной трубы, Па.

Усилие размывающей незатопленной свободной струи определяем по известной из гидравлики зависимости [4]:

г- тл2 •

Ррс = РоУрЬша,

где йс - диаметр незатопленной струи, м.

[VCM ] =

4Sl[vCM ]

nd^p0sina

тогда, с учетом условия отсутствия смятия стенки дренажной трубы, получаем допускаемую максимальную скорость струи:

[Км ] =

i

4

nd<

\

4sina

[&CM ]

nd0p0sina

,(5)

где Бп - площадь перфорации, м2;

2а0э - большая ось эллипса пятна контакта

наклонённой струи, м, @оэ =

dn

2sina

(2)

Так как диаметр незатопленной струи в пределах начального участка равен диаметру в начальном сечении = 0 , то выразим из уравнения

(1) допускаемую максимальную скорость струи с учетом условия отсутствия смятия стенки дренажной трубы:

2Ь0э - малая ось эллипса пятна контакта накло-

.. „ и _й0

ненной струи, м, Ь0э = .

Напряжение на вырыв стенки дренажной трубы можно определить из условия:

Ррс £[Твр],

Г

вР

S

(6)

2

(3)

Площадь пятна контакта определим как площадь эллипса, ослабленную перфорацией:

1 с1 2

З1 = ^0эЬ0Э - Зп = --Бп ,(4)

4 Бта

где З2 - площадь поверхности вырыва стенки дренажной трубы, м2;

[твр] - допускаемое напряжение на вырыв стенки дренажной трубы, Па.

Допускаемую максимальную скорость струи из условия отсутствия вырыва стенки дренажной трубы, с учетом зависимости (2), можно определить:

[Vep ] =

4S2^p ]

nd0;po sin a

(7)

Площадь поверхности вырыва стенки дренажной трубы найдем по зависимости:

S2 = Lэ-дд, (8)

где Ьэ - длина эллипса пятна контакта наклонённой струи, м;

дд - толщина стенки дренажной трубы, м.

4 = 4a0s E(e),

4 « 41,5(a03 + Ь0э)->/a03b03 S2 = %8д [1,5(00э + Ь0э )- ää

=>

S2 = к5д d0

д

0,751

sin а

+1 I--

1 1

2 V sin а

.(10)

-э _ '^0э, (9)

где Е(е) - полный эллиптический интеграл 2-го рода.

Полный эллиптический интеграл 2-го рода можно разложить в ряд, но решение получается достаточно сложным для практического применения.

Поэтому длину эллипса находим приближенно:

Подставим значение площади поверхности вы-рыва стенки дренажной трубы в зависимость (7) и найдем максимальную допускаемую скорость струи из условия отсутствия вырыва:

К-1=]|

0,75i 1 + ,1-'Г^ ^ sin а ) 2 V sin а к ]

d0 р0 sin а

.(11)

1

Таблица 1

Основные физико-механические свойства изделий из НПВХ, ПЭВП и ПЭНП [3]

Показатель Ед. изм. НПВХ ПЭВП ПЭНП

Плотность кг/м3 1350 - 1430 940 - 960 920 - 930

Предел прочности при: растяжении МПа 45 - 70 22 - 23 12 - 15

сжатии МПа 60 - 90 24 12,5

изгибе МПа 70 - 120 20 - 35 12

на срез МПа - 20 - 36 14 - 17

Предел текучести при растяжении МПа 45 - 60 22 - 26 9 - 11

Относительное удлинение при разрыве % 5 - 40 400 - 800 400 - 600

Температура хрупкости оС 0 - 70 - 70

Коэффициент Пуассона - 0,24 0,32 0,32

Таким образом, полученные на основании теоретических исследований скорости Vop размывающих струй дренопромывочного устройства для несвязных или связных илистых отложений необходимо проверять по условиям прочности стенки дренажной трубы с целью исключения разрушения дренажной трубы и выхода ее из строя:

К <[V ] к <

У 0 р — У см J; у 0 р —

V

(12)

0р — и см\; г 0р — V вр Допускаемые напряжения на смятие и вырыв стенки дренажной трубы можно принимать исходя из свойств материала дренажной трубы (табл. 1) или определять экспериментально.

Если одно из условий (12) не выполняется, то промывка дрены невозможна, так как это приведет к разрушению дренажной трубы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Михеев А.В., Михеева Н.А. Расчет парка машин для очистки полиэтиленового закрытого горизонтального дренажа. / Annali d'Italia, №3 / 2020, s. 52 - 53.

2. Михеев А.В. Технология и средства механизации для очистки трубчатой дренажной сети. -Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2010. - 173 с.

3. Мурашко, А.И. Сельскохозяйственный дренаж в гумидной зоне. - М.: Колос, 1992. - 272 с.

4. Штеренлихт, Д.В. Гидравлика [Текст]: Учебник для вузов.- М.: Энергоатомиздат, 1984. -640 с.