CC BY
32
Е.Г. Иванов
МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОЕ РАБОЧЕЕ ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОЧИСТКИ ХОЗЯЙСТВЕННЫХ ВОДОЕМОВ
"П технологическом цикле эксплуатации хозяйственных во-АДдоемов и мелиоративных систем значительное место занимают ремонтные работы, так как без надлежащего ухода за гидротехническими объектами невозможно добиться их эффективной работы. Снижение ремонтно-эксплуатацион-ных расходов может быть достигнуто, как путем снижения капитальных затрат на приобретение техники, так и путем совершенствования технологий ремонтных работ, применением более производительных механизмов, с высоким коэффициентом их использования и малыми издержками на содержание, хранение, эксплуатацию.
При этом спецификой рассматриваемого вида работ является их значительное разнообразие, и широкий диапазон грунтовых условий их выполнения, что при требуемом уровне по показателям качества приводит к обширной номенклатуре потребных механизмов и соответствующем росте затрат на изготовление, содержание, замену, обслуживающий персонал.
В рассматриваемой ситуации целесообразным подходом является принятие концепции представления технического объекта в качестве многовариантной системы и удовлетворения растущих потребностей за счет её же ресурсов, путем наиболее полного раскрытия и реализации скрытых способностей и всех её качеств. Последующим развитием указанного направления является представление типичных конструктивных схем (на пример, роторно-лопастных устройств) в виде модулей, наделенных широким набором способностей. Следовательно, задача по созданию или адаптации технической системы сводится к усилению одних и ослаблению других качеств опорного модуля.
Эта тенденция применительно к проблеме очистки каналов определяет, с одной стороны, появление различных видов безмоторных технологий очистки мелиоративных каналов, например,
сифоном, энергией потока в канале и др., т. е. путем реализации способностей самого потока в канале. С другой стороны, этот факт положил основу развития многофункциональной техники, т.е. адаптирующихся конструкций с широким спектром выполнения работ различного вида и в обширном диапазоне условий функционирования.
Так, для очистки спускных каналов и водоёмов используются высокопроизводительные рабочие органы непрерывного действия
- роторные метатели с торцовыми режущими кромками или дополнительно оснащенные торцовой фрезой. Эти рабочие органы имеют компактные размеры, просты по конструкции, надежны, имеют невысокую стоимость, очень эффективны при дальности транспортирования грунта до 30 метров.
Однако, проведение ремонтных работ с помощью этих рабочих органов требует необходимости в специальной подготовке водоёма - а именно осуществление общего спуска воды, а также удаление воды из углублений, которые непременно присутствуют на дне водоема. А так как указанные рабочие органы предназначены в основном для работы с надводными грунтами, то для удаления во-
ды из углублений приходится использовать различную водооткачивающую технику, причем чаще всего на основе ротоно-
лопастных центробежных насосов.
На основании аналогии в конструкциях и рабочих процессах роторно-лопастных фрезметателя и погружного грунтового насоса, являющихся сменными рабочими органами канало-очистителями серии МР, предлагается к использованию многофункциональный рабочий орган фрезметатель-
грунтонасос по авторским свидетельствам СССР
№1033396, №1180319, имеющий возможность работы в качестве фрезметателя, погружного грунтового насоса, по-
Рис. 2. Многофункциональный рабочий орган, настроенный на работу под водой
гружного грунтового насоса с совмещенной гидрорыхли-тельной системой.
Устройство содержит установленный на приводном валу ротор, выполненный в виде диска с радиальными лопастями (у = 80 - 120) и размещенный в корпусе. Корпус выполнен в виде полого барабана, имеющего входное отверстие на торце и выходное, переходящее в патрубок, на обечайке. Входное отверстие сопряжено со съём-
Рис. 3. Многофункциональный рабочий орган, настроенный на работу в качестве фрезметателя
ным всасывающим патрубком - грунтозаборником, выходное через патрубок - со съёмным напорным трубопроводом. Привод рабочего оборудования включает гидромотор 210.25 и понижающий редуктор. Конструкция корпуса предусматривает за счет диаметрального разъёма возможность трансформировать устройство из погружного лопастного насоса в роторный метатель и наоборот, при минимальных затратах времени и труда. Для эффективной работы в качестве фрезметателя на незатопленных грунтах на лопастях предусмотрены торцовые режущие кромки.
Такой набор способностей обеспечивает возможность без привлечения комплекта специальных механизмов выполнять:
- очистку «сухих» каналов;
Рис. 4. Очистка канала фрезметательным рабочим органом
- каналов с существенным уровнем воды - гидромеханизированным способом,
- производить перекачивание воды при ремонтных работах.
Рис. 5. Работа МРО гидромеханизированным способом
Рис. 6. Перекачивание воды из порыва при выполнении ремонтных работ
Анализ энергетических характеристик при использовании МРО в качестве насоса показывает область работоспособности Q-H при ограничениях либо по мощности базовой машины, либо по давлению в гидравлической системе привода.
Однако результаты проведенных испытаний показали, во-первых, относительно невысокий к.п.д. устройства при его работе в качестве насоса (^ = 30 %), а также повышенную трудоемкость по установке-снятию нагнетательного трубопровода, что послужило причиной для дальнейшего совершенствования устройства и создания более перспективной конструкции.
В модернизированном варианте сохранена тангенциальная площадка для разгона грунта, остальная же дуга окружности ротора образует отливной канал для более удобной разгрузки рабочего колеса (при работе устройства в качестве насоса).
К тому же напорный трубопровод имеет в новой конструкции постоянное закрепление.
Проведенные мероприятия обеспечили повышение производительности МРО при его работе в качестве погружного центробежного насоса, как по визуальным оценкам, так и по проведенным замерам, на основании которых построены универсальные энергетические характеристики.
?
Рис. 10. Работа модернизированного варианта МРО в качестве насоса Рис. 8. Модернизированный МРО - насос со спиральным отливным каналом
Рис. 9. Модернизированный вариант МРО для работы с «сухими» грунтами
Особенностью рабочих колес с радиальными лопастями является то, что КПД насоса растет с увеличением меридиональной скорости, т. е. с повышением подачи насоса, следовательно, при определении технической производительности необходимо брать показатели рабочего режима, ограниченные либо условием располагаемой мощности, либо допустимым давлением в гидросистеме привода. Исходя из указанных условий, получены следующие
технические характеристики работы МРО в качестве насосов.
Показатели Насос со спиральным корпусом Насос с тангенциальным корпусом
[Рг. с.] [N1 [Рг. с.] [N1
Подача, м3/ч 370 455 330 400
Напор, м 9,3 14 8 11
Обороты, мин-1 300 385 300 360
Мощность, кВт 25 42 27 42
Опыт эксплуатации созданного многофункционального рабочего оборудования для очистки хозяйственных водоемов (МПРЭО Горьковское, Богородского района Нижегородской области, РВУ-2 Волготрансгаза г. Нижнего Новгорода, Жовтневого управления оросительных систем г. Николаева УССР) показал, что оба конструктивных варианта целесообразно применять при выполнении ремонтно-восстановительных и очистных работ.
Совокупность заложенных в конструкцию функциональных возможностей позволяет:
Ограничение рабочей области 0~Н
Н.м
40 80 120 160 200 240 280 320 360 400 440 480 520 560 600 640 680 720
ф,м/ч
Рис. 11. Энергетические характеристики модернизированного варианта МРО
- при незначительном уровне воды в водоёме (до 15 см) удалять из него грунт свободным метанием;
- при достаточном количестве воды очищать водоём гидромеханизированным способом;
- производить перекачивание воды, например, из порывов для обеспечения ремонтных работ.
Время трансформации рабочего оборудования в различные качества не превышает 1 минуты. Причем при работе устройства в качестве фрезметателя получена более компактная по отношению к прототипу струя транспортируемого материала, это обеспечено более плавными формами проходных сечений межлопастных каналов.
Однако, наряду с указанными достоинствами, рассматриваемым конструкциям присущ общий недостаток, заключающийся в отсутствии эффективного рыхления разрабатываемого грунта при работе гидромеханизированным способом. Этот недостаток определяет возможность работы либо позиционным методом воронок, что не производительно и не удовлетворяет агротехническим требованиям на очистку водохозяйственного объекта, либо при малых скоростях перемещения базовой машины и при высокой квалификации механизатора-багер-мейстера.
Совокупность специфических признаков рассматриваемого опорного модуля роторно-лопастного типа:
- цилиндрическое исполнение корпуса;
- установка рабочего колеса в корпусе с минимальным радиальным зазором;
- радиальное положение лопастей в колесе;
обуславливают появление нового для центробежных насосов
эффекта - образования дополнительного вихревого течения в меж-лопастном объёме после прохождения им языка напорного тангенциального патрубка.
Указанное обстоятельство приводит к увеличению абсолютной скорости движения жидкости на выходе с лопастей, образованию высокоэнергетического течения и аномального участка на цилиндрической поверхности корпуса со значительным превышением давления по отношению к напорному патрубку. Величина этого превышения растет с увеличением подачи, определяется также ориентацией входного потока и может достигать значения 170 %.
Это означает, что при величине напора Н = 12 м давление на аномальном участке может достигнуть величины h = 20 м, то есть
на основе этого эффекта имеется возможность к низконапорному насосу достроить совмещенную гидрорыхлительную систему с достаточным для работы давлением.
Для реализации этой возможности на аномальном участке устанавливаются два поочередно работающих рыхлительных патрубка. Причем первый по ходу вращения колеса патрубок смещен относительно языка напорного патрубка на угловую величину
2% Ц
а —----н агссов—- ,
г Щ
и каждый из них выполнен в виде форточки из части обечайки, качающейся на цилиндрическом шарнире через рычаги от одного ис-
полнительного гидроцилиндра (рис 12), управляемого электромагнитным золотником от электронного реле блока.
Продолжением каждого рыхлительного патрубка являются насадки, которые ориентируют рыхлящий поток в направлении всасывающего зева грунтозаборника (рис.13).
Предусмотрено два комплекта насадок:
- для работы на облицованных каналах насадки крепятся к неподвижному корпусу (рис. 14).
- для работы на водоёме в земляном русле с грунтами первой и второй категорий каждая патрубок-насадка крепится к подвижным форточкам-обечайкам и ориентирует рыхлительные струи в направление входного отверстия в крышке, что позволяет при работе производить не только поочередное действие рыхлительных струй, но и их сканирование при открытии и закрытии форточек обечаек (рис. 15). Всасывающий патрубок-грунтозаборник при этом снят.
Результаты испытаний МРО с совмещенной гидрорыхлитель-ной системой (1989-1990 гг.) показали, что при работе на
Рис. 13. Ориентация рыхлительных насадок
облицованном канале глубиной по уровню воды 1,2 метра очистка
Рис. 14. Настройка и работа гидрорыхлительной системы на облицованном канале
производилась за два прохода, работа рыхлительных патрубков обеспечивала эффективный размыв наносов, зачистку по дну и противоположному откосу, а также смыв растительного слоя.
Дальность действия сосредоточенной рыхлительной струи по визуальным наблюдениям составила не менее 5 метров (рис. 15),
Рис. 15. Настройка и работа гидрорыхлительной системы в грунтовом водоёме
что даёт возможность повысить скорость рабочего перемещения базовой машины до 450 м/час., увеличив тем самым производительность очистки по отношению к существующим устройствам. Объёмная консистенция смеси, по результатам замеров, составила более 30 %, что при подаче насоса 270 м3/час. обеспечивает производительность по грунту не менее 80 м3/час (рис. 16).
Ретроспективный анализ техники для очистки хозяйственных водоёмов и общие тенденции развития научно-техничес-кого прогресса позволяют выявить эволюционную цепь развития машин этого класса, основанную на закономерности циклического устранения недостатков.
Первоначальное решение проблемы очистки водоёмов свелось к применению имеющихся универсальных землеройных машин: бульдозеров, экскаваторов.
Необходимость соблюдения агротехнических требований при очистных работах вызвала появление специальных машин.
Требование наиболее эффективного использования специальной техники путем расширения функциональных возможностей обусловило создание машин со сменными рабочими органами.
Актуальное для современного этапа развития повышение эффективности и интенсификации рабочих процессов разрабатывающих грунт машин определяет необходимость:
- разработки машин на основе использования новых физических эффектов;
Рис. 16. Дальность действия струи и достигнутая консистенция смеси 30 %
- оснащения машин многофункциональными рабочими органами, адаптирующимися к различным условиям эксплуатации;
- создания на основе развития многофункциональных рабочих органов и компьютерных систем землеройных роботов.
Следовательно, предлагаемые конструкции вписываются в общие закономерности развития технических систем и дальнейшие работы по рассматриваемому направлению обладают признаками полезности, перспективности, актуальности.
— Коротко об авторах -----------------------------------------
Иванов Е.Г.— Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия.
