CC BY
8
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
3. Дружилов С. А. Загрязненность информационной среды и проблема здоровья личности // Современные наукоемкие технологии. 2013. № 4. С. 89-92.
4. Кирейчева Л. В., Юрченко И. Ф. Роль мелиорации земель в решении проблемы продовольственной безопасности России // Вестник российской сельскохозяйственной науки. 2015. № 2. С. 13-15.
5. Обоснование эффективности планирования технологических процессов водопользования и оперативное управление водораспределением на базе использования метода Монте-Карло / В. И. Ольгаренко, И. Ф. Юрченко, И. В. Ольгаренко [и др.] // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации. 2018. № 1 (29). С. 49-65.
6. Юрченко И. Ф., Носов А. К. Оптимизационная модель формирования вариантов развития мелиораций в составе схемы комплексного использования и охраны водных объектов // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. 2015. № 2. С. 53-66.
7. Юрченко И. Ф. Системы поддержки принятия решений как фактор повышения эффективности управления мелиорацией (обзор) // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации. 2017. № 2 (26). С. 195-209.
8. Яблоков А. В., Левченко В. Ф., Керженцев А. С. Преодолимы ли трудности перехода антропосферы в ноосферу // Биосфера. 2016. Т. 8. № 3. С. 247-257.
9. Bandurin M. A., Yurchenko I. F., Bandurina I. P. Computer Technology to Assess the Capacity Reserve of the Irrigation Facilities of the Agro-Industrial Complex // 2019 International MultiConference on Industrial Engineering and Modern Technologies, FarEastCon 2019. Vladivostok: Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., 2019. P. 8933970.
10. Ben-Shahar O. Data Pollution // Journal of Legal Analysis. 2019. Vol. 11. Р. 104-159.
Информация об авторе
Юрченко Ирина Федоровна, главный научный сотрудник отдела «Природоохранных и информационных технологий» Всероссийского научно исследовательского института гидротехники и мелиорации имени А. Н. Костякова (РФ, 127550 г. Москва, ул. Большая Академическая , дом 44, строение 2), доктор технических наук, доцент, ORCID: 0000-0003-2390-1736. Тел. +7 916 328-85-81, email: Irina.507@mail.ru.
DOI: 10.32786/2071-9485-2022-03-58 LINIING OF CHANNELS OF RECLAMATION SYSTEMS MADE OF CONCRETE ON LOCAL AGGREGATES WITH THE CONSTRUCTION
OF MATHEMATICAL MODEL
E. V. Vasilyeva1, V. M. Fedorov2, N. N. Chibinev1
1South-Russian State Polytechnic University named after M. I. Platov, Novocherkassk 2Novocherkassk Engineering and Land Reclamation Institute named after A.K. Kortunov - the branch of the Federal State Budget Educational Institution of Higher Education «Don State Agrarian University», Novocherkassk
Received 04.05.2022 Submitted 26.08.2022
Abstract
Introduction. Channels of reclamation systems, built and put into operation in the 50-70 years of the last century, are in poor condition today. First of all, this concerns the distribution network channels. Only in the South of Russia, the length of such channels reaches 70 thousand km and, basically, they are made in earthen channels, having low efficiency, hydraulic efficiency and operational reliability. As a result, numerous violations of the ecological plan along the entire length of the network in the form of rising ground water levels, salinization and waterlogging of adjacent territories. To solve the problem, it is necessary to perform channels in lined channels (clothes). The aim of the research was to use concrete mixtures on inexpensive local aggregates with a high content of polluting particles and optimization of the components of the mixture for forming slabs and concreting channels. Materials and methods. As concrete aggregates, crushed stone fractions of 5-20 mm and seeding (stone crushing waste) fractions of 0-5 mm of the Potapov-sky deposit with a content of 6.4-6.9 % and 18.2-18.8 % of pulverized and clay particles, respectively, are proposed. Concrete cubes with an edge of 100 mm were made from the prepared mixtures on a vibrating
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
compaction table, which were then placed in a laboratory steaming chamber for accelerated strength gain. As for the frost resistance of concrete, the normalized characteristics were determined by the results of tests of concrete samples-cubes of 28-day age. To solve prescription problems, methods of planning an experiment with the construction of a geometric image of the response function using linear algebra methods were used. Results and conclusions. When forming slabs and concreting channel linings, it is recommended to seal concrete mixtures on aggregates with a high content of pulverized and clay particles by forced pressing or (and) rolling, and to reduce the initial water content by adding a formate-alcohol plasti-cizer to the mixture. With a cement consumption from 360 to 440 kg/m3, the dosage of the plasticizer in the form of an aqueous solution in an amount of 3.0 % of the cement weight should be considered optimal. The addition of formate-alcohol plasticizer to the mixture increased the strength of concrete after heat and moisture treatment by 60-80 %. Accelerated tests of concrete samples for frost resistance in sodium chloride solution confirmed the conformity of concrete on substandard aggregates for slabs and channel linings to the mark 300. The results of the research revealed the possibility of expanding the raw material base for forming slabs and lining channels of reclamation systems through the use of inexpensive local substandard aggregates in concrete.
Keywords: channels, reclamation systems, clothing and cladding, concrete, concrete aggregates, crushed stone and seeding, pulverized and clay particles, plasticizer, vibrating, pressing, experiment planning, concrete properties.
Citation. Vasilyeva E.V., Fedorov V.M., Chibinev N.N. Lining of channels of reclamation systems made of concrete on local aggregates with the construction of mathematical model. Proc. of the Lower Volga Agro-University Comp. 2022. 3(67). 513-525 (in Russian). DOI: 10.32786/20719485-2022-03-58.
Author's contribution. These authors of this study were directly involved in the formulation of the problem, the planning of the study, the analysis, the presentation of conclusions and the preparation of proposals to production. The authors of this article have read and approved the final version of the article.
Conflict of interest. The authors declare that there is no conflict of interest.
УДК 631.672
ОДЕЖДА КАНАЛОВ МЕЛИОРАТИВНЫХ СИСТЕМ ИЗ БЕТОНА НА МЕСТНЫХ ЗАПОЛНИТЕЛЯХ С ПОСТРОЕНИЕМ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ
Е. В. Васильева1, кандидат технических наук
В. М. Федоров2, доктор технических наук Н. Н. Чибинёв1, кандидат технических наук
1Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) им. М. И. Платова, Новочеркасск, Россия 2Новочеркасский инженерно-мелиоративный институт им. А. К. Кортунова -филиал Донского государственного аграрного университета, Новочеркасск, Россия
Дата поступления в редакцию 04.05.2022 Дата принятия к печати 26.08.2022
Актуальность. Каналы мелиоративных систем, построенные и введенные в эксплуатацию в 50-70 годы прошлого столетия, находятся сегодня в неудовлетворительном состоянии. В первую очередь, это касается каналов распределительной сети. Только на Юге России протяженность таких каналов достигает 70 тыс. км и, в основном, выполнены они в земляных руслах, имеют низкие показатели КПД, гидравлической эффективности и эксплуатационной надежности. В результате многочисленные нарушения экологического плана на всем протяжении сети в виде подъема уровня грунтовых вод, засоления и заболачивания прилегающих территорий. Для решения проблемы необходимо выполнение каналов в облицованных руслах (одеждах). Целью исследований являлось использование для формования плит и бетонирования каналов бетонных смесей на недорогих местных заполнителях с повышенным содержанием загрязняющих частиц и оптимизацией компонентов смеси. Материалы и методы. В качестве заполнителей бетона предложены щебень фрак-
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
ции 5-20 мм и высевка (отход камнедробления) фракции 0-5 мм Потаповского месторождения с содержанием, соответственно, 6,4-6,9 % и 18,2-18,8 % пылевидных и глинистых частиц. Из приготовленных смесей на виброуплотняющем столе изготавливались бетонные кубики с ребром 100 мм, помещаемые затем в лабораторную пропарочную камеру для ускоренного набора прочности. Что касается морозостойкости бетона, то нормируемые характеристики определялись по результатам испытаний бетонных образцов-кубов 28-суточного возраста. Для решения рецептурных задач применялись методы планирования эксперимента с построением геометрического образа функции отклика способами линейной алгебры. Результаты и выводы. При формовании плит и бетонировании облицовок каналов уплотнение бетонных смесей на заполнителях с повышенным содержанием пылевидных и глинистых частиц рекомендовано производить принудительным прессованием или (и) укатыванием, а снижение начального водосодержания обеспечивать добавлением в смесь пластификатора формиатно-спиртового. При расходе цемента от 360 до 440 кг/м3 дозировку пластификатора в виде водного раствора в количестве 3,0 % от массы цемента следует считать оптимальной. Добавление пластификатора формиатно-спиртового в состав смеси повысило прочность бетона после тепловлажностной обработки на 60-80 %. Ускоренными испытаниями бетонных образцов на морозостойкость в растворе хлорида натрия подтверждено соответствие бетона на некондиционных заполнителях для плит и облицовок каналов марке 300. Результаты проведенных исследований выявили возможность расширения сырьевой базы для формования плит и устройства облицовок каналов мелиоративных систем за счет использования в бетоне недорогих местных некондиционных заполнителей.
Ключевые слова: мелиоративные системы, облицовка каналов, заполнители бетона, пластификаторы, свойства бетона.
Цитирование. Васильева Е. В., Федоров В. М., Чибинев Н. Н. Одежда каналов мелиоративных систем из бетона на местных заполнителях с построением математической модели. Известия НВ АУК. 2022. 3(67). 513-525. DOI: 10.32786/2071-9485-2022-03-58.
Авторский вклад. Авторы настоящего исследования непосредственно участвовали в постановке проблемы, планировании исследования, анализе, в изложении выводов и подготовке предложений производству. Авторы настоящей статьи ознакомились с представленным окончательным вариантом статьи и одобрили его.
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Введение. Каналы мелиоративных систем, построенные и введенные в эксплуатацию в 50-70 годы прошлого столетия, находятся сегодня в неудовлетворительном состоянии. В первую очередь, это касается каналов распределительной сети, протяженность которых измеряется тысячами километров. Только на Юге России протяженность таких каналов достигает 70 тыс. км и, в основном, выполнены они в земляных руслах, имеют низкие показатели КПД, гидравлической эффективности и эксплуатационной надежности. В результате многочисленные нарушения экологического плана на всем протяжении сети в виде подъема уровня грунтовых вод, засоления и заболачивания прилегающих территорий. Для решения проблемы необходимо выполнение каналов в облицованных руслах (одеждах) [1-5, 8]. Наиболее эффективными и надежными одеждами каналов признаны бетонные облицовки. В сравнении с другими они имеют больший срок службы, большую надежность и эффективность. Учитывая масштаб проблемы, необходимы большие объемы бетона и бетонных работ, поэтому облицовки каналов следует выполнять не только качественно и надежно, но и сравнительно экономично, а значит с использованием ресурсосберегающих технологий [5-9].
Производство бетонных работ требует добычи, переработки и транспортировки большого количества минерального сырья. В условиях рыночной экономики затраты на эти работы должны быть минимизированы, так как основной задачей строительства и водохозяйственного строительства, в частности, является возведение объектов с наименьшими затратами. Как уже отмечалось, эта задача может быть решена с приме-
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
нением ресурсосберегающих технологий, позволяющих, наряду с другими, решать и вопросы использования в качестве сырья дешевых местных строительных материалов. Практически повсеместно имеются крупные месторождения некондиционных, с точки зрения применения в строительстве, нерудных полезных ископаемых, которые сегодня рассматриваются, в том числе, и как дополнительные источники сырья с целью получения заполнителей для бетона, который, по всей видимости, будет основным строительным материалом и в 21 веке [6, 7, 9].
Материалы и методы. На территории Южного федерального округа и, главным образом Ростовской области, к числу наиболее востребованных относятся нерудные материалы Потаповского, Быстрореченского и Жирновского месторождений. Щебень и высевка (отход дробления) из каменных пород этих месторождений, пользуются наибольшим спросом в качестве заполнителей для бетона. И если массовый спрос на щебень и высевку последних двух месторождений в обозримом будущем очевиден, то перспективы щебня и высевки Потаповского месторождения вызывают сомнения. И связано это, главным образом, с повышенным содержанием пылевидных и глинистых частиц в щебне и высевке этого месторождения, неблагоприятно влияющих на прочностные и эксплуатационные качества бетона [7, 9, 10-12].
В щебне Потаповского месторождения фракции 5-20 мм содержится 6,4-6,9 % пылевидных и глинистых частиц, а высевка (отход камнедробления песчаника) содержит их в количестве 18,2-18,8 %. Бетонные смеси на подобного рода заполнителях имеют малую подвижность и повышенную водопотребность. Способствует этому и неправильная форма зерен высевки, рваная и шероховатая их поверхность, что хотя и обеспечивает качественное сцепление с цементным камнем, но затрудняет перемешивание, удобоукладываемость (формуемость) и уплотнение бетонной смеси, поэтому в отличие от песков, обладающих относительно гладкой поверхностью и дающих подвижные смеси, высевки с повышенным содержанием пылевидных и глинистых частиц, не обеспечивают требуемой удобоуклады-ваемой бетонной смеси и должного ее уплотнения при вибрировании. В связи с чем, для качественного уплотнения таких смесей предлагается использовать не вибрирование, а принудительное прессование или (и) укатывание. Независимо от качества заполнителей, прессование или укатывание обеспечат принудительное вертикальное и горизонтальное перемещение частиц бетонной смеси, их взаимное сближение, устойчивую ориентацию и плотную упаковку в объеме уплотняемого слоя. Результатом такого воздействия на бетонную смесь будут бетоны высокой плотности и прочности при заметно меньшем расходе цемента [7, 9, 10].
Результаты и обсуждение. На рисунках 1 и 2 приведены схемы уплотнения бетонных смесей на заполнителях с повышенным содержанием пылевидных и глинистых частиц при бетонировании плит и каналов.
Приготовление бетонной смеси следует осуществлять в бетоносмесителях принудительного действия. Продолжительность перемешивания не менее 60 с. Для доставки и укладки смеси могут использоваться автосамосвалы, бетоноукладчики, краны.
Укладку и распределение бетонной смеси необходимо производить послойно. При формовании плит для облицовки канала подачу смеси в металлическую форму следует производить автосамосвалами, а разравнивание - мобильным отвалом или бульдозером. При бетонировании каналов бетонную смесь по дну и откосам рекомендуется распределять укладочным бункером бетоноукладчика, размеры которого соответствуют размерам поперечного сечения канала, либо распределительными шнеками или скребковыми цепями. Уплотнение смеси следует производить вальцами или катками статического (или вибрационного) действия. После укладки и укатки бетонной смеси поверхность бетона должна находиться в увлажненном состоянии.
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Рисунок 1 - Уплотнение бетонной смеси при формовании плит: а) прессование смеси; б) укатывание смеси; в) подготовка к армированию; 1 - прессующий валец; 2 - укатывающий валец; 3 - уплотненный слой смеси;
4 - межслойная арматура
Figure 1 - Compaction of the concrete mixture when forming slabs: a) pressing of the mixture; b) rolling of the mixture; c) preparation for reinforcement; 1 - pressing roller; 2 - rolling roller; 3 - compacted layer of the mixture; 4 - interlayer reinforcement
a)
Рисунок 2 - Уплотнение бетонных смесей при бетонировании каналов: а) уплотнение смеси трёхвальцовым катком; б) уплотнение смеси прицепным и двухвальцовым катком; в) уплотнение смеси навесным катком; 1 - слой бетонирования; 2 - двухвальцовый каток; 3 - трёхвальцовый каток; 4 - прицепной каток; 5 - валец катка; 6 - навесной каток; 7 - стрела; 8 - тяговые канаты; 9 - трактор
Figure 2 - Compaction of concrete mixtures during concreting channels: a) compaction of the mixture
with a three-roll roller; b) compaction of the mixture with a trailer and a two-roll roller; c) compaction of the mixture with a mounted roller; 1 - concreting layer; 2 - two-roll roller; 3 - three-roll roller; 4 - trailer roller; 5 - roller drum; 6 - mounted roller; 7 - boom; 8 - traction ropes; 9 - tractor
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Для повышения прочностных и эксплуатационных свойств бетона плит и облицованного им русла канала, помимо рекомендованной технологии уплотнения таких смесей, дополнительно, целесообразно было бы снизить и начальное водосодержание смесей. И осуществить это можно за счет использования высокоэффективных пластифицирующих добавок, а чтобы не увеличить стоимость работ, желательно изыскать добавку из числа крупнотоннажных промышленных отходов.
В качестве добавки рекомендуется пластификатор формиатно-спиртовый (ПФС), являющийся побочным продуктом производства пентаэритрита, представляющий собой водный раствор формиата натрия, сиропообразующих веществ и полиспиртов - монопентаэритрита и полипентаэритритов. ПФС, более чем на порядок дешевле С-3, СМФ, ЛСТМ и других подобных им пластификаторов, доставляется в виде водного раствора 40-50 % концентрации по массе в бочках и цистернах. Транспортирование осуществляется автомобильным и железнодорожным транспортом [9, 10].
Для выявления влияния физико-химического воздействия водного раствора ПФС на прочностные и эксплуатационные свойства бетона на заполнителях с повышенным содержанием пылевидных и глинистых частиц использовался Новороссийский портландцемент марки 500, заполнителями служили щебень из песчаника фракции 5-20 мм Потаповского месторождения с содержанием пылевидных и глинистых частиц в количестве 6,4-6,9 % и отход камнедробления песчаника фракции 0-5 мм (высевка) Потаповского месторождения с модулем крупности 2,48 с содержанием 18,2-18,8 % пылевидных и глинистых частиц. Для решения рецептурно-технологических задач применялись методы теории планирования эксперимента с построением геометрического образа функции отклика способами линейной алгебры. При этом соблюдались соотношения: Ц + Выс = 950 кг/м3, Щ = 1270 кг/м3, где: Ц, Выс, Щ - соответственно, расходы цемента, высевки, щебня [9, 10].
Условия кодирования и варьирования факторов планируемого экспериментального исследования приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Кодирование и варьирование факторов Table 1 - Coding and variation of factors
Факторы Код X- Основной уровень, X0 % Интервал варьирования, AXi Нижний уровень, «-» Верхний уровень, «+»
Цемент 400 40 360 440
ПФС x2 3,0 2,0 1,0 5,0
Графический план эксперимента представлен на рисунке 3, а матрица планирования и условия эксперимента приведены в таблице 2.
Таблица 2 - Матрица планирования и условия эксперимента
Table 2 - Planning matrix and experimental conditions
Номер опыта План X,2 X2 X1 X2 Факторы
Xi X2 X! (Ц) X2 (ПФС)
1 0 0 0 0 0 400 3,0
2 -1 0 1 0 0 360 3,0
3 1 0 1 0 0 440 3,0
4 -0,5 0,87 0,25 0,75 -0,43 380 5,0
5 0,5 0,87 0,25 0,75 0,43 420 5,0
6 -0,5 -0,87 0,25 0,75 0,43 380 1,0
7 0,5 -0,87 0,25 0,75 -0,43 420 1,0
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Из рисунка 3 видно, что точки принятого плана эксперимента имеют координаты вершин правильного шестиугольника, построенного в пределах варьирования факторов ± 1 в кодированной форме. Выбранный план удобен тем, что переход от кодированных значений факторов к натуральным и наоборот можно осуществить графически по соответственным осям (рисунок 3).
Рисунок 3 - План эксперимента на шестиугольнике Figure 3 - The plan of the experiment on the hexagon
По результатам семи опытов (шесть вершин и центр шестиугольника) вычисляются неизвестные коэффициенты уравнения регрессии второго порядка:
yR = bo + bX + b2X2 + ЬцХ? + b22X| + bi2XX2, (1)
где: bo = (0y)-^Jiiy); b = i/3(iy); Ъц = 4/3(i/y);
bti = 2/3( iiy) + i/eYkU iiy)-( 0 y)■ (2)
По формулам (2) были подсчитаны коэффициенты уравнения регрессии второго порядка, расчётные значения которых приведены ниже:
Ъо = 189,0 - (89,0 + 65,0) = 35,0; bi = 8,25/3 = 2,75; b2 = 2,18/3 = 0,73; bn = 4/3 ■ (0,13) = 0,17; bn = 2/3 ■ (89,0) + 5/6 ■ (89,0 + 65,0) - 189,0 = - 1,40; b22 =2/3 ■ (65,0) + 5/6 ■ (89,0 + 65,0) - 189,0 = - 17,40.
Для прочности бетона на сжатие после тепловлажностной обработки было получено регрессионное уравнение в нижеприведённом виде:
yR = 35,0 + 2,75Х1 + 0,73Х2 - 1,40Х? - 17,40Х| + 0,17Х1Х2. (3)
Регрессионный анализ модели (3) произведём после определения ошибки эксперимента и расчёта ошибок коэффициентов уравнения^ С учётом трёхкратной повторно-сти опытов, дисперсия воспроизводимости и ошибка проведённого эксперимента по воспроизводимости составят: =0,27; S3V = V0,27 =0,519^
519
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Таблица 3 - Расчёт ошибок коэффициентов Table 3 - Calculation of coefficient errors
bM bo bt bu h
T, 1,0 0,577 1,224 1,155
Ti • Ssv 0,519 0,299 0,635 0,599
t ■ Ti ■ Бэу 0,914 0,527 1,118 1,055
Примечание. Ti - расчётные коэффициенты для оценки ошибок коэффициентов регрессии; t -критерий Стьюдента, t = 1,761 (Юдин М. И. Планирование эксперимента и обработка результатов. Краснодар: КГАУ, 2004. 239 с.).
Таблица 4 - Регрессионный анализ модели
_Table 4 - Regression analysis of the model_
bM Начальная модель Ькр Конечная модель jjy bij {'Jy )
b 35,0 0,914 35,0 189,0 6615,0
b\ 2,75 0,527 2,75 8,25 22,69
b2 0,73 0,527 0,73 2,18 1,59
bu -1,40 1,118 -1,40 89,0 -124,60
b22 -17,40 1,118 -17,40 65,0 -1131,0
Ь12 0,17 1,055 0 0,13 0
Сумма квадратов SSмод:
SSмод = 5383,68; SSЭV =5*7 / = 0,27 ■ N (п - 1) = 0,27 ■ 7(3-1) = 3,78; Сумма квадратов SS = SSмод + SSэv = 5387,46.
Проводим проверку адекватности модели при риске а = 0,05, и числе степеней свободы /на = 7 - 5 = 2 и /э = N (п -1) = 14. Сумма квадратов SSна :
=( УУ)-(!^мод + SSэv ) = 5388,45 - (5383,68 + 3,7Ю = а99,
- дисперсия неадекватности sH¡а :
£2на= SSнa //на = 0,99/(7-5) = 0,495,
- критерий Фишера:
Fa = $^на /5Д, = 0,495 /0,27 = 1,83 , Fa = 1,83^т =3,76.
Таким образом, можно допустить, что математическая модель (4) с риском а = 0,05 адекватно описывает результаты эксперимента:
ун = 35,0 + 2,75Х1 + 0,73Х2 - 1,40X1 - 17,40Х%, (4)
Анализ модели (4) произведём после определения её типа и построения соответствующего ей геометрического образа. Для этого воспользуемся общей теорией поверхностей второго порядка [8], принимая:
ь0 - у = а0; ьу = 2ау; ь = 2а1; ьи = аи . (5)
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Инварианты кривой второго порядка составят: сумма коэффициентов при квадратичных членах:
£ = ¿11 + Ь22 = -1,4 - 17,4 = -18.8; - определитель, составленный из коэффициентов при старших членах:
д =
= 24,36;
0,5Ь12 = -1,4 0 ¿22 0 -17,4
- определитель третьего порядка, составленный из всех коэффициентов:
ии 0,5Ь12
Д =
Ъ11 0,5Ь12 0,5Ъг 0,5Ь12 Ь22 0,5Ь2 .0,5^ 0,5Ь2 Ь0
-1,4 0 1,375 0 -17,4 0,365 1,375 0,365 35,0
= 885,68.
(6)
(7)
Принимая во внимание, что 5 > 0, Д Ф 0, SД < 0 уравнение (4) описывает эллиптическую поверхность отклика.
Используя инварианты (5), (6) и (7), приведём уравнение (4) к удобной для анализа и геометрической интерпретации канонической форме:
Л1Х12 + Д2 х| + С = 0.
Коэффициенты канонической формы вычисляем через инварианты:
С = ^ = ^ = 36,36,
8 24,36 ' '
к.12 = - ± 1—-6 = -9,4 ± 8,0;
1,2 2 у/ 4
1,40; ^2=-17,40.
(8)
(9) (10)
С геометрической точки зрения переход к уравнению (8) означает перенос начала координат в центр кривой (поверхности) и поворот их на некоторый угол до совмещения с главными осями кривой (поверхностями) второго порядка.
С учётом (9) и (10) каноническая форма уравнения (4) примет вид:
-1,40*1 - 17,40Х2 + 36,36 = Ятво , а координаты центра поверхности отклика определятся по формулам:
(11)
^01 =
02
—0,5Ь1 0,5Ь12 1-1,375 0
-0,5 Ь2 Ь22 = 1-0,365 — 17.4о1 _ 23,93
Ьц 0,5Ь12 1-1,40 0 1 24,36
0,5Ь12 Ь22 1 0 -17.401
Ьц —0,5Ь1 1-1,40 —1,3751
0,5 Ь12 -0,5Ь2 = 1 0 -0,3651 _ 0,511
Ьц 0,5Ь12 1-1,40 0 1 24,36
0,5Ь12 Ь22 1 0 —17,4о1
= 0,98,
= 0,021.
(12)
Так как коэффициент Ъ12 равен нулю, то нет поворота новых осей относительно первоначальных.
По канонической форме (11) полуоси эллипсов определяются из нижеследующих соотношений:
а
( 36,36—^ТВО
1,40
ь =
36,36—^ТВО 17,40
(13)
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Задаваясь для функции отклика шагом Ду^, = 1,0, получим ряд сечений, проекции которых на факторную плоскость будут эллипсами с полуосями, определяемыми по формулам (13).
Для ДТВО = 36,3; а = 136,36~36,3 = 0,21; Ь = 136,36~36,3 = 0,06:
^ ТВО ' ' л! 1,40 ' д! 17,40 '
_ л ~ 36,36-36,0 - 7 36,36-36,0 - 1 .
Для ДТВО = 36,0; а = I—-- = 0,51; Ь = /—-- = 0,14:
^ ТВО ' ' л! 1,40 ' л! 17,40 '
тт г> «П 36,36-35,0 7 36,36-35,0
Для йТВО = 35,0; а = I-= 0,98; Ь = I-= 0,28:
^ ТВО ' ' Л 1,40 ' Л 17,40 '
„ л . . - 36,36-34,0 1 1 36,36-34,0 -
Для ДТВО = 34,0; а = I—-- = 1,298; Ь = /—-- = 0,37;
^ ТВО ' ' -1 1,40 ' л 17,40 ' '
_ л „„ - 36,36-33,0 1 __ 7 36,36-33,0 - . _
Для ДТВО = 33,0; а = I—-- = 1,55; Ь = /—-- = 0,45;
^ ТВО ' ' -1 1,40 ' л 17,40 ' '
тт о ооп 36,36-32,0 7 36,36-32,0
Для йтво = 32,0; а = ,/ 140 = 1,76; ь = / 1740 = 0,50;
36,36-31,0 7 36,36-31,0
Для йтво = 31,0; а = ,/ 140 = 1,96 ь = / 1740 = 0,56;
36,36-30,0 7 36,36-30,0
Для йтво = 30,0; а =./ 140 = 2,13; ь = / 17 40 = 0,61
тт о оп л 36,36-29,0 0 , д 36,36-29,0
Для йтво = 29,0; а = ,/ 140 = 2,3 ь = / 17 40 = 0,65;
тт ™ ^ 36,36-28,0 _ . . 7 36,36-28,0 - _
Для йтво = 28,0;а = ,140 , = 2,44;ь = 0,7;
тт 36,36-27,0 _ 7 36,36-27,0 - _ .
Для йтво = 27,0; а = ,140 , = 2,59; ь = 0,74;
тт П Л 36,36-26,0 д 36,36-26,0
Для йТВО = 26,0; а = I-= 2,72; Ь = I-= 0,77;
^ ТВО ' ' л 1,40 ' л 17,40 ' '
тт П 36,36-24,0 7 36,36-24,0 _ _ .
Для Дтво = 24,0; а = .1 '140 , = 2,97; ь =0,84;
ТТ О ООП 36,36-22,0 ,, д 36,36-22,0
Для йТВО = 22,0; а = I-= 3,20; Ь =1-= 0,91.
^ ТВО ' ' 1,40 ' 17,40 '
Геометрический образ модели у^ (йТВО) изображен на рисунке 4.
В пользу предложенных для плит и облицовок каналов бетонов свидетельствуют и результаты сравнительных испытаний бетонных образцов-кубов с расходами цемента 360 кг/м3 и 430 кг/м3 с такими же заполнителями, но без добавления в смесь пластификатора ПФС. Прочность при одноосном сжатии образцов-кубов после ТВО, имеющих дозировку цемента в количестве 360 кг/м3, соответствовала 16,24 МПа, а в количестве 430 кг/м3 - 21,8 МПа. При добавлении в смесь пластификатора ПФС прочностные показатели бетонов с расходами цемента 360 кг/м3 и 430 кг/м3 достигают, соответственно, 30,85 МПа и 36,27 МПа. Такой прирост (60-80 %) прочности объясняется тем, что мельчайшие пылевидные и глинистые частицы коллоидных размеров в присутствии пластификатора ПФС проявляют дефлокулирующее действие в гидратирующейся системе "цемент-вода" и играют роль центров кристаллизации в контактной зоне на границе цементного камня с заполнителем, что способствует появлению дополнительных связей в твердеющей системе, которые создают условия для ускоренного формирова-
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
ния кристаллизационной структуры цементного камня, более полной и быстрой коагуляции его коллоидных составляющих, что и обеспечивает, в конечном счете, повышение плотности и прочности бетона.
360 380
400
420
440
Ц.кг
Рисунок 4 - Геометрический образ модели yR прочности бетона после тепловлажностной (ТВО) обработки Figure 4 - Geometric image of the concrete strength model after heat and moisture treatment
Морозостойкость бетона определялась по ускоренному методу согласно ГОСТ 10060-2012 и оценивалась способностью выдерживать в насыщенном раствором соли состоянии многократное замораживание и оттаивание без внешних признаков разрушения и существенного снижения прочности. Нормируемые характеристики определялись по результатам испытаний бетонных образцов-кубов с ребром 100 мм 28-суточного возраста. Насыщение и оттаивание образцов осуществлялось в ваннах с 5 %-ным водным раствором хлорида натрия температурой 20 °С, а замораживание - в морозильной камере, обеспечивающей достижение и поддержание температуры воздуха и среды замораживания минус 50 °С [10, 11]. Состав бетона: Ц = 430 кг/м3, Выс = 520 кг/м3, Щ = 1270 кг/м3, В = 180 л/м3, ПФС = 12,9 кг/м3.
Результаты испытаний при числе циклов попеременного замораживания и оттаивания - 37:
- среднее значение прочности Rcp контрольных образцов - 43,9 МПа, основных -44,5 МПа;
- среднеквадратичное отклонение бп для контрольных образцов - 1,92 МПа, для основных - 1,32 МПа;
- коэффициент вариации Vm прочности для контрольных образцов - 4,37 %, для основных - 2,97 %;
- нижняя граница доверительного интервала прочности при критерии Стьюдента 2,57 для контрольных образцов: 43,9 - 2,57 . 1,92 = 38,97 МПа; для основных: 44,5 - 2,57 . 1,32 = 41,11 МПа.
Таким образом, образцы бетона с упомянутым выше составом выдержали 37 циклов испытаний, что соответствует марки бетона по морозостойкости 300.
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
В результате проведенных исследований появляется возможность расширения сырьевой базы для производства сборных железобетонных элементов и снижения стоимости работ при устройстве бетонных облицовок каналов мелиоративных систем за счет использования в бетоне недорогих местных заполнителей.
Выводы. Предложены сборные (из плит) и монолитные облицовки мелиоративных каналов из бетона на недорогих местных заполнителях. При формовании плит и бетонировании облицовок рекомендовано уплотнение бетонных смесей на заполнителях с повышенным содержанием пылевидных и глинистых частиц производить принудительным прессованием или (и) укатыванием, а снижение начального водосодержания обеспечивать добавлением в смесь пластификатора формиатно-спиртового, являющемся отходом производства пентаэритрита. Установлено существенное влияние пластификатора формиатно-спиртового на прочностные и эксплуатационные свойства бетона. Методами теории планирования эксперимента получена полиномиальная модель второго порядка, адекватно на 5 %-ном уровне значимости описывающая зависимость прочности бетона на недорогих местных заполнителях от расхода цемента и дозировки пластификатора ПФС: при расходе цемента от 360 до 440 кг/м3 дозировку пластификатора в виде водного раствора в количестве 3,0 % от массы цемента, следует считать оптимальной; добавление пластификатора ПФС в состав смеси повысило прочность бетона после тепловлажностной обработки на 60-80 %. Ускоренными испытаниями бетонных образцов на морозостойкость в растворе хлорида натрия подтверждено соответствие бетона на некондиционных заполнителях для плит и облицовок каналов марке 300. Результаты проведенных исследований выявили возможность расширения сырьевой базы для формования плит и устройства облицовок каналов мелиоративных систем за счет использования в бетоне недорогих местных заполнителей.
Библиографический список
1. Актуальные вопросы развития мелиоративной отрасли и использования водных ресурсов в АПК / В. Н. Щедрин, А. В. Колганов, Г. А. Сенчуков, В. Д. Гостищев // Мелиорация и водное хозяйство. 2021. № 4. C. 8-12.
2. Власов М. В., Васильев М. С., Григоров С. М. Теоретическое обоснование совершенствования эксплуатации оросительных систем // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации. 2018. № 3 (31). С. 23-28.
3. Гулюк Г. Г. Новые проблемы мелиорации 2021-2025 гг. и пути их решения // Мелиорация и водное хозяйство. 2021. № 1. C. 2-5.
4. Косиченко Ю. М., Баев О. А., Гарбуз А. Ю. Оценка комплексной реконструкции и модернизации оросительных систем // Мелиорация и водное хозяйство. 2021. № 2. C. 6-12.
5. Мищенко Н. А., Алдошкин А. А., Козлова Л. К. Инновационные технологические и технические решения для оросительных систем на различные площади орошения // Вестник мелиоративной науки. 2022. № 1. С. 9-17.
6. Носов А. К., Трунин В. В. Защитные технологии бетонных конструкций гидротехнических сооружений // Пути повышения эффективности орошаемого земледелия. 2017. № 1 (65). С. 234-239.
7. Сайфидинов Б., Близнецова М. М. Эффективные направления защиты конструкций гидротехнических сооружений // Тенденции развития науки и образования. 2021. № 73-3. С. 82-86.
8. Состояние и основные направления развития мелиорации земель сельскохозяйственного назначения в Рязанской области / П. Н. Ванюшин, А. В. Нефедов, А. В. Кузин, Н. А. Иванникова // Вестник Рязанского государственного агротехнологического университета им. П. А. Костычева. 2017. № 4 (36). С. 11-17.
9. Федоров В. М., Васильева Е. В., Яковенко Е. А. Безопасные и надежные сооружения водохозяйственных систем из укатанных бетонов. Новочеркасск: Лик, 2019. 166 с.
10. Gorbach P., Gordeev K. Indirect reinforcement of reinforced concrete structures // Modern Technologies and Scientific and Technological Progress. 2022. No 1. P. 165-166.
***** ИЗВЕСТИЯ *****
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: № 3 2022
НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
11. Technical solutions for reinforcing concrete structures / E. I. Khobot, P. I. Knyshova, T. E. Demochkin, A. V. Poliakov // Journal of Critical Reviews. 2020. No 7 (9). P. 796-801.
12. The mechanical properties of centrifuged concrete in reinforced concrete structures / R. Kliukas, O. Lukoseviciene, A. Jaras, B. Jonaitis // Applied Sciences. 2020. V. 10 (10). 3570.
Информация об авторах Васильева Елена Викторовна, доцент кафедры «Экология и промышленная безопасность» ЮжноРоссийский государственный политехнический университет (Новочеркасский Политехнический Институт) имени М.И. Платова (346428, Ростовская обл., г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132), кандидат технических наук, тел. 89085080528, e-mail: karalenka5@yandex.ru
Федоров Виктор Матвеевич, профессор Новочеркасского инженерно-мелиоративного института им. А. К. Кортунова - филиал Донского государственного аграрного университета (346428, Ростовская обл., г. Новочеркасск, ул. Пушкинская, 111), e-mail: viktor-fedorov1955@yandex.ru Чибинёв Николай Николаевич, доцент кафедры «Экология и промышленная безопасность», Южно-Российский государственный политехнический университет (Новочеркасский Политехнический Институт) имени М.И. Платова (346428, Ростовская обл., г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132), кандидат технических наук, тел. 89185431953, e-mail: fire.expert.ug@gmail.com
DOI: 10.32786/2071-9485-2022-03-59 THE POSSIBILITIES OF CONTROL OF AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE WHEN IT IS USED AS A BRAKE
V. M. Zotov1, A. I. Ryabov2, F.R. Al-Sumaidaee2, 4, A. Sh.H. Al-Jumaili3, 5
1 Volgograd State Agrarian University, Volgograd 2Volgograd State University, Volgograd 3Moscow Polytechnic University, Moscow 4Iraqi State University of Technology, Iraq, Baghdad 5Ministry of Higher Education and Scientific Research of Iraq, Iraq, Baghdad
Received 01.07.2022 Submitted 30.08.2022
Summary
The article analyzes the designs of currently used motor brakes and their effectiveness in terms of the possibility of regulating the power of mechanical losses of the engine. Their advantages and disadvantages are shown. The motor brake with a flap proposed by the authors makes it possible to increase the braking efficiency of the car by the engine and stabilize the braking torque due to an automated control system for an additional valve.
Abstract
Introduction. The article notes that at the present stage of the development of the automotive industry, the most promising way to increase the braking efficiency, reduce the loads on the service brake system, increase its reliability, as well as the safety of the car on descents, especially protracted ones, is the use of engine brakes of various designs. Compared to hydraulic and electric auxiliary braking systems, engine brakes have a simpler design, and most importantly, several times less weight and cost. Materials and methods. The article analyzes the designs of currently used motor brakes and their effectiveness in terms of the possibility of regulating the power of mechanical losses of the engine. It is shown that the existing motor brakes do not allow the driver to smoothly adjust the power of the mechanical losses of the engine and the speed of the car during braking and, consequently, to choose the necessary braking intensity without connecting the service braking system. At the same time, the analysis showed that the Constantdrossel motor brake, developed by Daimler AG engineers, provides the possibility of regulating the power of mechanical losses of the engine, provided that the speed of rotation of the crankshaft is not lower than 900 revolutions per minute. Otherwise, there is an increasing leakage of gas through the constant throttle; as a result, the braking effect decreases and the motor brake is automatically deactivated. Results and conclusions. To eliminate this drawback, it is proposed to supplement the motor brake with a flap an automated control system for mechanical loss-
