CC BY
59
чч\
X;
20 40 60 80 100
Рис. 4 - Объём незамёрзшей воды в стволе водонапорной башни (ВБР-15У-10) перед смыканием горизонтального сечения в зависимости от разных погодных условий
\ у
\
v\
\л.
20 40 60 8 0 1С
%
Рис. 6 - Расхождение между значениями объёмов нароста льда (момент смыкания горизонтального сечения) в стволе водонапорной башни (ВБР-15У-10), полученными теоретически и экспериментально для разных погодных условий
Время работы водонапорной башни при внедрении предлагаемых мероприятий возрастает в 1,63—2 раза в зависимости от погодных условий (рис. 7).
Увеличение времени работы водонапорной башни (ВБР-15) в критических условиях до момента перемерзания в 1,63 и 1,99 раза показало при технико-экономическом анализе прибыль 350523,39 руб., снижение годовых эксплуатационных издержек на 62631,044 руб. и амортизационных отчислений на 53040,244 руб. с учётом срока окупаемости 0,998 года.
Вывод. Проведение расчётных процедур со значениями факторов в интервале реализации режима дискретного водопотребления показало достоверность и адекватность математической интерпретации льдообразования в стволе водонапорной башни на момент смыкания, определённый теоретически
20 40 60 80 100
%
Рис. 5 - Объём льда в стволе водонапорной башни (ВБР-15У-10) при смыкании горизонтального сечения (исключении вертикального тока воды) в зависимости от погодных условий
2
1 95 1.9
1.85 1.8 1.75 1.7 1.65 1.6
20 40 60 30 100
%
Рис. 7 - Отношение времени работы башни до смыкания льда в горизонтальном сечении при внедрении мероприятий к времени работы стандартной башни до смыкания ледяного нароста в разных погодных условиях.
и зафиксированный экспериментально, а техническое управление параметрами пристеночного слоя воды увеличивает время функционирования проектируемой башни в 1,63—1,99 раза для экстремальных условий её эксплуатации.
Литература
1. Асманкин Е.М., Фомин М.Б., Рязанов А.Б. Использование низкопотенциальной энергии для предотвращения льдообразования в металлических водонапорных башнях // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2015. № 6. С. 27-28.
2. Асманкин Е.М. Математическая модель, функционально-параметрического состояния водонапорной башни для условий эксплуатации при отрицательных температурах окружающего воздуха / Е.М. Асманкин, Ю.А. Ушаков, И.А. Рахимжанова, М.Б. Фомин // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2016. № 3 (59). С. 72-74.
3. Асманкин Е.М. Способ повышения устойчивости водонапорной ёмкости к обледенению / Е.М. Асманкин, И.А. Рахимжанова, М.Б. Фомин, И.Н. Дементьева // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2016. № 2 (58). С. 48-49.
Повышение эффективности машин с колёсной формулой 4x2 при движении на скользких и грязных несущих поверхностях
А.А. Калугин, к.т.н., С.В. Золотых, к.т.н., ФГБОУ ВО Южно-Уральский ГАУ
Движение колёсных машин (автомобили, зерноуборочные комбайны, колёсные тракторы и
другая мобильная колёсная техника) по опорным поверхностям с высокой несущей способностью значительно отличается от движения последних по деформируемым грунтам. Прежде всего это отличие связано не только с большими затратами
энергии на дорожные сопротивления (образование колеи, заносы, нарушение боковой и курсовой устойчивости, буксование и др.), но и с ухудшением эффективности работы самих машин (потеря скорости движения, повышенный расход топлива, несвоевременная доставка грузов и др.) [1—3].
Снижение отрицательных явлений, указанных выше, при движении машин с колёсной формулой 4x2 по деформируемым грунтам осуществляется достаточно большим количеством конструктивных инженерных решений (централизованная подкачка шин, применение шин повышенной, высокой и особо высокой проходимости, цепи, колодки и траки противоскольжения, самоблокирующиеся дифференциалы и др.) (рис. 1) [1—4]. Применение шипов и цепей противоскольжения при эксплуатации машин разрушает поверхность дороги [2, 3, 5, 6].
Использование различных блокирующихся дифференциалов, централизованная подкачка шин усложняют конструкцию колёсных машин, ухудшают их экономичность. При этом в настоящее время около 94% колёсных машин в сельскохозяйственном производстве снабжены шестеренчатыми дифференциалами, которые в трудных дорожных условиях снижают свои динамические качества из-за буксования колёсных движителей. Буксование вызывает такие явления, как шум, вибрация и др., которые влияют на характеристики функционального состояния операторов и, как следствие, приводят к его утомлению и ошибочным действиям [3, 5, 7].
Помимо отмеченных выше средств снижения буксования одним из наиболее эффективных способов может быть регулирование давления воздуха в шинах: снижение или в отдельных случаях
повышение давления для обеспечения лучшего контакта колеса с несущей поверхностью. При этом необходимо отметить, что снижение давления воздуха в шине лишь на 1 кг/см2 позволяет увеличить сцепные качества до 20% [1—3, 8]. Это говорит о сравнительно высокой эффективности предлагаемого способа повышения тягово-сцепных качеств колёсных машин.
В сельскохозяйственном производстве применяются и специальные машины (автоцистерны, автокраны, пожарные машины, на строительстве и обслуживании ЛЭП, перевозках удобрений и др.). Однако в составе машинно-тракторного парка сельскохозяйственного производства они занимают весьма малый процент, достигающий не более 1,5—2%. Технологическая конструкция централизованной подкачки весьма сложна и в определённых условиях требует достаточно большого внимания со стороны водителя, особенно в условиях размытых дорог и глубокого снега. В таких условиях для прекращения буксования колёс водитель зачастую снижает давление воздуха в шинах до недопустимых пределов, что сказывается на ресурсе ходимости пневматических шин. В основном это происходит по причине отсутствия автоматических следящих систем, а также вследствие взаимодействия грунта с рисунком беговой дорожки шины, обусловленного конструкцией дифференциала, давлением в шинах, скоростью движения машины, нагрузкой на колёса и др.
На основании вышеизложенного предлагается конструкция противобуксовочной системы (ПБС), позволяющей регулировать давление воздуха в пневматических шинах транспортных средств с колёсной формулой 4x2.
Рис. 1 - Основные способы и средства снижения буксования и улучшения тягово-сцепных качеств колёсных машин
Эта система состоит из следующих основных элементов (рис. 2): пневматического компрессора 5, ресивера 2, воздуховодов подвода воздуха к шинам ведущих колёс 7, электромагнитных клапанов 8, 9, 10 и 11, манометров 4, кнопочного пульта управления системой 3. Питание компрессора и электромагнитных клапанов осуществляется от бортовой сети машины (12/24 V).
Предлагаемая ПБС работает следующим образом. При буксовании одного из ведущих колёс оператор (водитель) нажимает кнопку пульта 3, соответствующую выпускному ЭМ клапану буксующего колеса. ЭМ клапан открывается и происходит выпуск воздуха из шины буксующего колеса в атмосферу. При этом, удерживая кнопку пульта 3, оператор визуально контролирует величину давления в шине по расположенному в кабине манометру 4. Если колесо выходит из фазы буксования и машина продолжает движение, оператор прекращает нажатие кнопки управления ЭМ клапаном буксующего колеса. Выпускной ЭМ клапан буксующего колеса закрывается. После снижения давления воздуха в шине и прекращения буксования, как правило, необходимо довести величину давления в шине до нормального рабочего. Для этого оператор нажимает на пульте 3 кнопку, соответствующую ЭМ клапану, работающему на подкачку ранее забуксовавшего ведущего колеса. ЭМ клапан открывается и пропускает воздух от ресивера 2 к шине буксующего колеса. Зафиксировав нормальную рабочую величину давления в шине по манометру 4, оператор прекращает на-
жатие кнопки, выпускной ЭМ клапан буксующего колеса закрывается. В том случае, если снижение давления в шине буксующего колеса не привело к прекращению буксования, необходимо, наоборот, повысить давление выше нормального рабочего для реализации сцепления шины с несущей поверхностью (в этом случае, например, это может быть слой жидкой грязи, имеющей под собой твёрдую поверхность). Для этого оператор нажимает на пульте 3 кнопку, соответствующую ЭМ клапану, работающему на подкачку ранее забуксовавшего ведущего колеса. ЭМ клапан открывается и пропускает воздух от ресивера 2 к шине буксующего колеса. Фиксируя прекращение процесса буксования вследствие повышения давления выше нормального рабочего, оператор отпускает кнопку, а впускной ЭМ клапан буксующего колеса закрывается. После прекращения буксования, контролируя величину давления по манометру, оператор может привести её к нормальной, открыв ЭМ клапан на выпуск воздуха из ранее забуксовавшего ведущего колеса.
Монтаж противобуксовочной системы на ведущих колёсах машины состоит в подготовке каналов подвода воздуха в ступице и полуоси колеса (рис. 3). Воздуховод 4 от ресивера пропускается через подготовленное по его диаметру отверстие в диске колеса и соединяется со штуцером 3, который посредством резьбового соединения устанавливается в засверлённое отверстие ступицы. В полуоси сверлением выполнен канал 5 для подачи воздуха к пневматической шине. В области установки штуцера 3 предусмотрены сальники 1 для герме-
Рис. 2 - Общая принципиальная схема противобуксовочной системы:
I - пневматическая шина; 2 - ресивер; 3 - пульт с кнопками управления электромагнитными клапанами; 4 -манометры контроля давления воздуха в шинах ведущих колёс; 5 - компрессор; 6 - ниппель пневматической шины; 7 - воздуховоды подвода воздуха к шинам ведущих колёс; 8 - выпускной ЭМ клапан левого ведущего колеса; 9 - впускной ЭМ клапан левого ведущего колеса; 10 - впускной ЭМ клапан правого ведущего колеса;
II - выпускной ЭМ клапан правого ведущего колеса; 12 - патрубки выхода воздуха из шин в атмосферу
тизации процесса истечения воздуха и стопорные кольца 2 для предотвращения осевого смещения сальников. Для установки сальников в требуемом месте трубы полуоси выполняется проточка, позволяющая разместить сальники стандартного наружного диаметра. Подвод воздуха к ниппелю шины осуществляется посредством выходного шланга 6 (рис. 3).
ниями: перетекание воздуха (газа) происходит без изменения температуры и выделения тепла; оба резервуара (за них принимаются ёмкость ресивера и внутренний объём пневматической шины) считаются жёсткими; перетекание сжатого воздуха (газа) происходит после открытия ЭМ клапана.
Время истечения воздуха (газа) из ресивера 2 через клапан 3 в шину 1 может быть установлено на основе ранее полученной в ходе проведения исследования зависимости [7, 8]:
1
'"К 1
1
П^2 О V2 -М» -Рср(
I»
4
(1)
Рис. 3 - Ступица ведущего колеса автомобиля ЗИЛ-4331, оснащённого противобуксовочной системой:
1 - сальники; 2 - стопорные кольца; 3 - штуцер с резьбой; 4 - воздуховод; 5 - канал в полуоси для подачи воздуха к пневматической шине; 6 - выходной шланг подвода воздуха к шине
Реализуемые в предложенной конструкции режимы работы ПБС должны быть обоснованы основными параметрами процессов истечения воздуха при подкачке и снижении давления воздуха в шине, а также временными характеристиками указанных процессов. Для решения поставленной задачи используем основные положения теории движения газов [7—9]. Воспользуемся принципиальной схемой (рис. 4) и определёнными допуще-
где — время перетекания воздуха (газа), с; 1 — диаметр воздуховода, м; Др(т) = р1 — р2 — разность давлений в резервуарах (в зависимости от количества перетёкшей массы воздуха);
Рср(т) — средняя плотность воздуха (газа), кг/м3; Ед — сумма всех местных гидравлических сопротивлений в воздуховоде со стороны пневматической шины 1 до выхода воздуха (газа) через выпускной ЭМ клапан 4; X — коэффициент трения по длине воздуховода длиной I и диаметром 1;
1
1
1+ + А
I — коэффициент расхода,
учитывающий потери напора (давления) (для задвижки ц«0,7; для круглого сечения составляет и 0,82) [8].
Выражение (1) позволяет обосновать размеры величин, входящих в эту зависимость. В частности, можно определить диаметры воздуховодов, массу перетёкшего воздуха (газа), объём ресивера и требуемое давление в нём, любое время t, необходимое для перетекания массы т воздуха (газа) из ресивера в шину, а также из шины в атмосферу. Для определения среднего массового расхода воздуха (газа) 0ср за время полного перетекания и скорости истечения воздуха (газа) у(т), в любой момент времени могут быть использованы следующие равенства [7, 8]:
„ шк .. = 4' 9(ш) йСр =-к; (2) и V (ш) =р-—2
гк рср (ш) •
(3)
Рис. 4 - Принципиальная расчетная схема процесса истечения воздуха:
1 - шина (2 резервуар); 2 - ресивер (1 резервуар); 3 - впускной ЭМ клапан; 4 - выпускной ЭМ клапан для выхода воздуха (газа) из шины в атмосферу; 5 - воздуховод
где Qcр — средний массовый расход воздуха (газа), кг/с;
тк — максимальное значение перетёкшей массы, кг;
У(т) — скорость истечения воздуха (газа), м/с.
Полученная зависимость (1) представляет математическую модель [7, 8] для определения временных характеристик работы предложенной системы. По этой формуле можно оптимизировать время работы ПБС и её конструктивные параметры под конкретную марку колёсной машины (автомобиля,
трактора) [7-9]. Представленные теоретические расчёты и предложенное техническое решение можно использовать для дальнейшего прикладного исследования вопросов комплексного поиска решений проблемы снижения буксования колёсных пневматических движителей машин.
Литература
1. Агейкин Я.С. Проходимость автомобилей. М.: Машиностроение, 1981. 230 с.
2. Бабков В.Ф. и др. Проходимость колёсных машин по грунту. М.: Автотрансиздат, 1959.
3. Горшков Ю.Г. Повышение эффективности функционирования системы «дифференциал — пневматический колёсный движитель — несущая поверхность» мобильных машин сельскохозяйственного назначения: дисс. ... докт. техн. наук. Челябинск, 1999. 311 с.
4. Ульянов Ф.Г. Повышение проходимости и тяговых свойств колёсных тракторов на пневматических шинах. М.: Машиностроение, 1964.
5. Калугин А.А. Улучшение условий и безопасности труда операторов колёсных машин в сельскохозяйственном производстве за счёт организационных и технических мероприятий: дисс. ... канд. техн. наук. Челябинск, 2012.
6. Горшков Ю.Г., Четыркин Ю.Б. Повышение эффективности тягово-сцепных свойств грузовых автомобилей и колёсных тракторов, в трансмиссию которых введены межколёсные самоблокирующиеся дифференциалы // Научное обозрение. 2012. № 3.
7. Горшков Ю.Г., Старунова И.Н., Калугин А.А. Автоматическое регулирование давления воздуха в шинах - фактор безопасного движения колёсных машин на склонах // Техника в сельском хозяйстве. 2014. № 1. С. 13—15.
8. Горшков Ю.Г. Исследование влияния угла склона на дисбаланс нагружения бортов колёсной машины и изменение направления вектора центра тяжести / Ю.Г. Горшков, И.Н. Старунова, А.А. Калугин, М.А. Белоусов // Научное обозрение. 2014. № 1. С. 28-32.
9. Горшков Ю.Г. Обоснование необходимого времени регулирования давления воздуха в шинах при движении транспортного средства по склону / Ю.Г. Горшков, И.Н. Старунова, А.А. Калугин, В.В. Бакунин // Научное обозрение. 2014. № 4. С. 116-122.
Обоснование преимуществ модернизации узла водоочистки для капельного орошения и инвестиционной привлекательности
Н.А. Антонова, н.с., Ю.Е. Домашенко, к.т.н., С.М. Васильев,
д.т.н., ФГБНУ РосНИИПМ
Согласно данным ФАО, из 311 млн га орошаемых земель только 84% из них действительно орошается, что составляет 16% всех возделываемых земель и даёт 44% всей продукции растениеводства. Система орошения важна для роста и стабилизации доходов и обеспечивает устойчивое развитие мелких производителей сельскохозяйственной продукции [1].
Обязательным элементом перспективных на сегодняшний день капельных систем орошения является узел водоочистки. Снижение концентрации взвешенных веществ требуется для поверхностных вод и реализуется на песчано-гравийных фильтрах, использование которых в привычном для нас конструктивном оформлении началось ещё в конце XIX в. [2].
В рамках модернизации очистного оборудования систем капельного полива предлагается заменить песчано-гравийные фильтры на механические, использующие в качестве фильтрующего материала фильтрующие блоки, изготовленные на основе горелых пород терриконов. Модернизация узла водоочистки позволит повысить эффективность выполняемых технологических операций и будет способствовать улучшению экологической ситуации в Ростовской области за счёт утилизации отходов угледобывающей промышленности.
Цель исследования — обоснование преимуществ модернизации узла водоочистки для капельного орошения при целевом подходе с использованием интегрального метода квалиметрии и инвестиционной привлекательности.
Материал и методы исследования. В ряде исследований узел водоочистки для систем капельного орошения рассматривается как самостоятельная система, результат функционирования которой необходимо определить не только по одному целевому показателю - эффективности очистки, но и с учётом показательных факторов разной направленности. Такая оценка многокритериальных систем осуществляется с помощью аналитического, статистического, экспертного и комбинированного методов [3, 4].
На практике используют комплексный или комбинированный метод оценки с применением доступных средств статистического, аналитического и экспертного методов. Приведение функционирования системы к единому показателю, учитывающему иерархичность различных классификационных групп свойств в форме весовых коэффициентов достижения цели, - комплексному или интегральному осуществляется в рамках интегрального метода. Оценка работы узла очистки природной воды для систем капельного орошения осуществлялась интегральным методом в рамках комплексного подхода с максимальным использованием средств аналитического аппарата. При оценке любой системы необходимо стремиться к достижению целевой функции [4]:
П р
^ тах, (1)
I =1 с
где ¥ - полезный результат, достигаемый при реализации исследуемого варианта, характеризуется комплексным показателем качества функционирования узла водоочистки; С - приведённые затраты на реализацию оцениваемого варианта;
