Обоснование параметров ленточного водоподъемника при работе на повышенных скоростях

Развитие животноводства, в частности мясного скотоводства и овцеводства, связано с использованием естественным пастбищ. Казахстан имеет большую площадь естественных пастбищ, из которой большая часть находится в сухостепной зоне с малым количеством осадков и поверхностных водоисточников, а для успешного развития пастбищного скотоводства поение животных должно осуществляться в соответствии с зоотехническими требованиями, т. е. должна выдерживаться кратность, продолжительность поения и др. 3,5].

Поэтому вопрос о пастбищном водоснабжении на сегодняшний день имеет большое экономическое значение. Важность развития сельского хозяйства, в частности пастбищного скотоводства, отражено Н. А. Назарбаевым в стратегии развития нашего государства «Казахстан 2030». «На первых порах, до 2010 года нам необходимо сосредоточиться на трудоемких отраслях, которые перспективны с позиции их возможностей и конкурентоспособности. Это, в порядке приоритетов, сельское хозяйство, лесная и лесоперерабатывающая промышленность, легкая и пищевая промышленность, туризм, жилищное строительство и создание инфраструктуры.» [1].

Пастбищное водоснабжение имеет свои специфические особенности, отличающие его от водоснабжения сельских населенных пунктов, а именно: территориальная разбросанность мелких водоисточников на значительных расстояниях при плохом качестве дорог, сезонность использования пастбищного участка и водопункта, непосредственный и кратный водопой у водопунктов, прямое воздействие природных факторов на сооружения и машины, применение местных маломощных энергетических установок, малый свободный напор над земной поверхностью, недостаток квалифицированного обслуживающего персонала, отдаленность ремонтно-технической базы и др.

В общем виде пастбищное водоснабжение включает: строительство, ремонт и эксплуатацию водоподъемных агрегатов и вспомогательных сооружений, подъем воды, ее транспортирование и распределение, обеззараживание и улучшение качества воды, энергоснабжение. На пастбищах источниками водоснабжения могут быть: буровые скважины, шахтные колодцы, открытые водоемы и хозяйственные водопроводы. Общая схема водоснабжения на пастбищах состоит из водоисточника, водоподъемника, запасного резервуара, площадки с водопойными корытами.

Для водоснабжения водопойных пунктов в первую очередь необходимо использовать подземные воды, как более надежный и экономичный источник. Подземные воды не требуют очистки и тем самым упрощают эксплуатацию. На долю подземных вод приходится более 65%, а в некоторых районах круглогодового пастбищного содержания скота — около 90% объема потребляемой животными воды. Поэтому, роль средств механизации для подъема подземных вод трудно переоценить.

Гарантированное водоснабжение на пастбищах и в сельских населенных пунктах в значительной мере зависит от надежности конструкций и показателей водоподъемносиловых агрегатов. К основным природно-хозяйственным условиям, от которых зависит механизация пастбищного водоснабжения, относятся:

— климатические: температура воздуха, снежный покров, промерзание грунта, ветер;

— проходимость сезонных пастбищ транспортом (рельеф местности и грунтовые поверхности);

— сезон, период использования и скотоемкость пастбищных массивов.

К выше перечисленным факторам, влияющим на выбор средств механизации водопойных пунктов, в условиях рыночной экономики добавляются и выходят на одно из первых мест по значимости факторы, определяющие экономические показатели водопойных пунктов в целом, и водоподъемных агрегатов в частности. В настоящее время происходит постоянный рост цен на источники энергии, и это легко объяснимо, ведь объем традиционных видов топлив, не смотря на их, казалось бы, неисчерпаемые запасы постоянно сокращается. При этом потребность в их количестве не снижается, а увеличивается с каждым годом. Не все мелкие крестьянские хозяйства, которые в большом количестве образовались после реорганизации совхозов и колхозов, могут позволить себе содержание на своем балансе довольно дорогих в эксплуатации и обслуживании водоподъемносиловых агрегатов, требующих квалифицированного обслуживающего персонала, расхода, топлива и электроэнергии.

Поэтому целесообразно было бы использование нетрадиционных источников энергии, в частности энергии ветра, что благоприятно в Костанайской области с ее степным ландшафтом и устойчивой розой ветров. На сегодняшний день уже существует ряд ветровых установок, которые с успехом могут применяться для приведения в действие водоподъемных агрегатов. Предпосылкой для использования ветровых установок является наличие на большей части территории Казахстана ветров достаточной силы. Положительной стороной использования ветровых установок на водопойных пунктах является то, что не требуется подведение электроэнергии, подвоз горючесмазочных материалов, а затраты на содержание водопойных пунктов с ветровыми установками значительно упрощаются из-за отсутствия таких элементов, как двигатель внутреннего сгорания и электрооборудования.

Поэтому считаем целесообразным оснащение водопойных пунктов ветровыми установками и водоподъемников малой производительности.

Наиболее простыми по конструкции из всех типов водоподъемников, используемых на пастбищах, являются ленточные.

Ленточные водоподъемники относятся к капиллярным водоподъемным механизмам, принцип их работы основан на использовании сил молекулярного притяжения, возникающих в поднимаемой лентой слое воды.

Отличительные достоинства капиллярных водоподъемников — простота конструкции и обслуживания, надежность, высокий (в среднем 0,55) по сравнению с насосами к.п.д., а также возможность регулирования высоты подъема и подачи воды в широких пределах. [2].

Кроме того, ленточные водоподъемники отличаются доступностью ремонта в условиях малых крестьянских хозяйств, высокой экономичностью агрегата, высокой ограниченностью по содержанию механических примесей (до 0,5%) и минерализацией воды (до 10 г/дм3), малым моментом трогания рабочего органа (ленты), что позволяет применять привод с использованием энергии ветра. 2].

Таким образом, считаем исследования в области создания и модернизации ленточных водоподъемников весьма перспективными и полезными для индустриализации аграрного производства нашей страны, снижения себестоимости отечественной сельскохозяйственной продукции в целом, повышения ее конкурентоспособности перед предстоящим вступлением Казахстана во Всемирную Торговую Организацию.

На защиту выносится конструктивная схема ленточного водоподъемника и следующие научные положения: а) аналитические выражения для определения основных параметров предложенного ленточного водоподъемника, полученные в результате теоретических изысканийб) результаты экспериментальных исследований и полученные на их основе зависимости по проверке выдвинутой на основании теоретических изысканий рабочей гипотезы и определению оптимальных параметров водоподъемникав) результаты экономической оценки эффективности применения предложенного водоподъемника.

Цель исследования — повышение производительности ленточного водоподъемника.

Предмет исследования — аналитические и функциональные зависимости процесса работы ленточного водоподъемника в режиме повышенных скоростей.

Объект исследования — процесс подъема воды ленточным водоподъемником.

Задачи исследования:

1. Провести анализ и классификацию совершенствований и наметить пути повышения производительности ленточного водоподъемника.

2. Разработать кинематическую схему ленточного водоподъемника для работы на повышенных скоростях.

3. Обосновать теоретически повышение производительности ленточного водоподъемника за счет изменения скоростного режима.

3.1 Установление слагаемых производительности скоростного ленточного водоподъемника.

3.2 Обоснование конструктивных совершенствований, направленных на повышение производительности скоростного водоподъемника;

3.3 Распределение гидродинамического давления в слое воды между лентой и ведущим барабаном;

3.4 Определение толщины слоя жидкости между поверхностью ведущего барабана и лентой.

4. Исследовать экспериментально конструктивно-режимные параметры усовершенствованного скоростного ленточного водоподъемника.

4.1 Сравнительные исследования кинематических схем ленточных водоподъемников с дополнительными роликами;

4.2 Обоснование угла расположения прижимного ролика;

4.3 Обоснование усилия прижатия ролика к ленте:

4.4 Исследования влияния комплекса параметров на выходные характеристики ленточного водоподъемника- 4.5 Оптимизация конструктивно-режимных параметров.

5. Провести производственные испытания предлагаемого ленточного водоподъемника.

6. Дать технико-экономическую оценку предлагаемого ленточного водоподъемника.

Методика исследования.

Теоретические исследования проведены на основании известных законов механики и гидродинамики. Решение полученных уравнений осуществлялось с помощью математической системы MathCAD 2000 на ПЭВМ. Экспериментальные исследования проводились на основании действующих ГОСТов и ОСТов, обработка полученных результатов осуществлялась на ПЭВМ с использованием электронных таблиц Excel. На основе результатов математического моделирования были получены оптимальные значения конструктивных и технологических параметров ленточного водоподъемника для работы на повышенных скоростях.

Научная новизна работы.

— обоснована возможность повышения производительности ленточного водоподъемника за счет уменьшения проскальзывания ленты на ведущем барабане водоподъемника путем компенсации силы гидродинамического давления возникающей в слое воды между лентой и ведущим барабаном;

— теоретическими и экспериментальными исследованиями доказана возможность повышения производительности с помощью конструктивного совершенствования установкой прижимного ролика внутри водосборного корпуса: получены аналитические зависимости для определения рациональных параметров ленточного водоподъемника для работы на повышенных скоростяхна основе экспериментальных исследований получена математическая модель количественных показателей процесса подъема водыобоснована технико-экономическая эффективность предлагаемого ленточного водоподъемника.

Достоверность основных положений, выводов и рекомендаций подтверждается сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований с определением доверительных интервалов случайных величин.

Практическую ценность представляют:

— конструкция ленточного водоподъемника для работы на повышенных скоростях;

— методика расчета конструктивно-режимных параметров ленточного водоподъемника;

— результаты проверки в лабораторных и производственных условиях основных положений работы.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлялись на научно-практических конференциях Костанайского государственного университета (Костанай, 2003.2005г.), международной научно-практической конференции Костанайского инженерно-экономического университета (Костанай, март 2005 г.) — научно-практических конференциях Оренбургского государственного аграрного университета (Оренбург, 2004.2005 гг.) — международной научно-практической конференции Рудненского индустриального института (Рудный, сентябрь 2005 г.).

Внедрение. Опытный образец ленточного водоподъемника повышенной производительности прошел производственные испытания в крестьянском хозяйстве «Крысин В.И.», Алтынсаринского района, Костанайской области.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ, подана заявка на изобретение № 2005/0657.1 от 10.05.2005 г.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов и предложений, списка использованной литературы (101 наименование) и приложений. Работа изложена на 158 страницах машинописного текста, содержит 71 рисунок, 20 таблиц, 6 приложений.

ОБШИЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ.

1. В настоящее время в связи с ростом количества мелких потребителей воды (фермерские и индивидуальные хозяйства), возросла потребность в малых водоподъемных агрегатах. Обзор технических характеристик, условий функционирования, обслуживания, работы и агрегатирования с источниками энергии показывает целесообразность использования в данных условиях ленточных водоподъемников. Классификация направлений совершенствований их показывает, что интенсификации параметров ленточных водоподъемников не уделяется достаточного внимания, в частности, при работе на повышенных скоростях.

2. Одним из основных факторов снижающим производительность скоростного ленточного водоподъемника является проскальзывание ленты на ведущем барабане. Кроме того, проскальзывание ленты, в свою очередь, приводит к уменьшению производительности из-за вибрации ленты и стекания воды вниз в водоисточник.

3. Аналитические исследования с использованием контактно-гидродинамической теории смазки позволили получить математические зависимости распределения давления, толщины слоя воды между лентой и поверхностью ведущего барабана в зоне их взаимодействия при различных частотах вращения. Компенсация максимального гидродинамического давления в слое воды (при, а = 38.8°. 98.8° и п = 310. 670 мин" 1) осуществлена прижатием ленты к поверхности ведущего барабана. Разработан ленточный водоподъемник (заявка на изобретение в КазИИС РК № 2005/0657.1 от 10.05.2005 г.) с установленным внутри водосборного короба прижимным роликом и регулируемым усилием прижатия.

4. Теоретическими и предварительными экспериментальными исследованиями кинематических схем, влияния частоты вращения ведущего барабана на удельную мощность и производительность обоснованы:

— возможный диапазон углов установки прижимного ролика равный 75°. 105° для уменьшения проскальзывания ленты по поверхности ведущего барабана ленточного водоподъемника при п > 480 мин" 1;

— нецелесообразность установки прижимного ролика при других значениях углов и номинальных скоростных режимах серийных ленточных водоподъемников.

5. Отсеивающие и дополнительные опыты с комплексом критериев оптимизации (скорость ленты, коэффициент проскальзывания, потребляемая мощность, производительность и удельная потребляемая мощность) позволили рекомендовать ленточный водоподъемник с одним прижимным роликом и неупругим покрытием его боковой поверхности, диаметром равным 60 мм при угле установки а=90°.

6. Проведение полнофакторного эксперимента с использованием ротабелыюго плана Бокса при функции отклика удельная потребляемая мощность позволило:

— получить математическую модель, адекватно описывающую с доверительной вероятностью 95% процесс подъема воды;

— провести аналитическую оптимизацию по методу крутого восхождения уравнения регрессии второго порядка;

— обосновать следующие параметры усовершенствованного ленточного водоподъемника: частота вращения ведущего барабана п = 620 мин" 1, усилие прижатия ролика F = 179 Н, расположение ролика — радиальное;

— добиться максимальной производительности Q = 8,2 м3/ч, минимальной удельной потребляемой мощности Ny4= 0,18 кВт ч /м3.

7. Сравнительные исследования серийного и предлагаемого водоподъемников показали существенные преимущества последнего (повышение производительности на 37,1% и снижение удельной потребляемой мощности на 24,2%).

8. Производственные испытания усовершенствованного ленточ-ного водоподъемника при рекомендуемых значениях его конструктивноо режимных параметров позволило получить Q= 7,3.7,5 м/ч и Nya=0,203.0,215 кВтч/м. Расчет технико-экономических показателей свидетельствует о годовых экономии электроэнергии равной 54,2 кВт ч, экономии труда — 56,8 чел ч, экономическом эффекте — 2653,18 тенге (564,51 руб.) на одну установку.