Обоснование основных параметров и режимов работы ковшовых каналоочистительных машин для зоны осушения

АКТУАЛЬНОСТЬ ИССЛЕДОВАНИЯ. Основа технической эксплуатации мелиоративных систем — это проведение необходимых работ по содержанию и ремонту их элементов с целью поддержания систем в работоспособном состоянии.

Очистка каналов осушительной системы от наносов — наиболее ответственная и трудоемкая операция. Механизация проведения этих работ непростое с технологической стороны и дорогостоящее мероприятие, связанное с созданием и качественным изготовлением целого комплекса машин, способных проводить ремонтные работы в самых разнообразных естественно-производственных условиях.

Особенно остро стоит вопрос с механизацией проведения текущих ремонтов, когда очистке подвергается только дно канала. Эта операция, с точки зрения эффективности работы системы, имеет решающее значение.

В нашей стране, начиная с 60-х годов, создано немало различных типов мелиоративных машин, в том числе очистных. За время их эксплуатации в достаточной мере определены их достоинства и недостатки, однако, в их оценке выявлено и немало противоречий. Сегодня, после почти десятилетнего перерыва в выпуске каких-либо машин для мелиорации необходимо обосновать дальнейшие шаги в этой области, а именно решить вопросы о возобновлении выпуска машин или замене их на новую технику, определив тем самым главные направления в конструкторских работах.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ. Повышение эффективности механизации эксплуатационно-ремонтных работ на осушительных системах, обратив внимание на главные приоритеты: качество, производительность и стоимость работ.

Для достижения этой цели поставлены следующие задачи:

1. Охарактеризовать естественно-производственные условия зоны осушения на примере функциональной классификации объектов осушительных систем.

2. Провести анализ конструкций каналоочистительных машин с точки зрения их технологических возможностей.

3. Определить технико-эксплуатационные и экономические показатели машин, предназначенных для очистки дна каналов при проведении текущих ремонтов.

4. Установить приоритеты машин в различных условиях эксплуатации.

5. Провести теоретические и экспериментальные исследования позволяющие обосновать основные параметры рабочего органа в машинах с продольным движением ковша в жестких направляющих.

6. Предложить и обосновать конструкционные схемы новых машин для рекомендации их выпуска в ближайшие годы.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ. Решение поставленных задач было осуществлено посредством теоретических и экспериментальных исследований. Расчеты по технико-эксплуатационным и экономическим показателям машин и установлению приоритетов были выполнены с применением ЭВМ.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. На защиту выносятся следующие наиболее существенные результаты, определяющие научную новизну:

1. Постановка задачи и результаты расчетов по определению технико-эксплуатационных и экономических показателей каналоочистителей.

2. Предложена физическая модель рабочего органа с использованием теории приближенного физического моделирования (по В.И. Баловневу).

3. Результаты экспериментальных исследований по обоснованию параметров рабочего органа каналоочистителя с продольным движением ковша в жестких направляющих.

4. Даны рекомендации по организации работ и рациональному использованию машин.

5. Предложены, для дальнейшей разработки в КБ, конструктивные схемы ковшей с уточненными параметрами. Обоснованность и достоверность научных положений подтверждается теоретическими и экспериментальными исследованиями, а также официальными документами.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ.

1. Производственные организации получают возможность обоснованно выбирать типы каналоочистительных машин в зависимости от условий эксплуатации и планировать рациональное использование их на объектах мелиоративных систем.

2. Землепользователи могут выбирать наиболее выгодные для своего хозяйства организационные варианты, т. е. приобретать ли очистные машины в собственность, использовать их на условиях аренды или поручить, на условиях подряда, провести все операции по уходу за сетью специализированным предприятиям.

3. Заводы-изготовители могут обоснованно планировать выпуск каналоочистительных машин, как по типам, так и по объемам.

4. Конструкторские организации получают подтверждение выбранных направлений и могут использовать их при создании новой техники.

5. Планирующие организации смогут обосновать финансирование землепользователей в виде выдачи кредитов, организации прокатных пунктов или создании специализированных эксплуатационно-ремонтных станций ведущих работы на условиях подряда.

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Каналоочиститель с продольным движением ковша в жестких направляющих с измененными по результатам данной работы параметрами одобрен МСХиП РФ.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения диссертации доложены и одобрены на научно-технических конференциях Московского государственного университета природообустройства в 1997, 1998 и 1999 годах. 8.

ПУБЛИКАЦИИ. Тезисы докладов научно-технических конференций проходивших в МГУП 1997 — 1999 годах.

1. Методика проведения лабораторных исследований по определению основных параметров ковша каналоочистителя. Тезисы докладов научно-технической конференции. МГУП-М.: 1997 г., с. 148.

2. Обоснование геометрических параметров ковша каналоочистителя РР-303. Тезисы докладов научно-технической конференции. МГУПМ.: 1998 г., с. 168.

3. Обоснование геометрических параметров ковшей каналоочистителя с продольной очисткой дна каналов. Тезисы докладов научно-технической конференции. МГУП-М.: 1999 г., с. 136.

4. Положительное решение на патент. Суриков В. В., Абдулмажидов Х. А. «Ковш каналоочистителя», № 99 108 582/03 (9 269). — М.: ФИПС, 1999 г.

5. Повышение эффективности работы ковша каналоочистителя РР-303.(В печати).

1. ХАРАКТЕРИСТИКА МЕЛИОРАТИВНЫХ СИСТЕМ ЗОНЫ.

ОСУШЕНИЯ.

Механизация эксплуатационно-ремонтных работ на мелиоративных системах является непростой проблемой. Трудности вызваны в первую очередь разнообразием естественно-производственных условий. Специфика географических зон, различия в геометрических размерах каналов, размещение их на местности, удельные объемы заиления и наносов, плотность и характер зарастания дна и откосов растительностью предопределяют комплексы специальных машин с широким диапазоном конструктивных схем и параметров рабочих органов.

Мелиоративные организации являются составной частью общей системы, образующей природно-хозяйственный комплекс мелиорации и водного хозяйства, входящий в систему более высокого порядка — агропромышленный комплекс.

В рамках глобальной проблемы АПК страны главная задача всего комплекса мелиорации и водного хозяйства может быть сформулировано как «повышение плодородия почв без нанесения ущерба окружающей среде». При этом требования, предъявляемые к мелиоративной технике предназначенной для выполнения системных целей мелиоративной сферы АПК также должны носить системный характер.

Для мелиоративной техники эти требования можно записать в следующем виде:

— эколого-технические и технологические требования, заключающиеся в достижении техникой установленных качественных показателей выполнения работ в рамках общей технологической цепи мелиоративных предприятий, с учетом достижения как количественных, так и соблюдения экологических требований с целью исключения неблагоприятных антропогенных воздействий на окружающую среду;

— эксплуатационные требования, заключающиеся в улучшении основных показателей машин, в первую очередь за счет роста производительности машин и сокращения обслуживающего персонала.

Положение усугубляется различным состоянием каналов: деформированным профилем, изменением уровня воды в течение сезона — от паводка до полного высыхания, засоренностью русла камнями и погребенной древесиной. Наконец, затрудняют механизированную очистку многочисленные сооружения на каналах: мосты, затворы, водовыпуски и т. п. Нередко затруднены подходы к каналам. Это может носить постоянный характер, например, близость лесного массива, строений и т. д. и временный. В последнем случае ограничения, как правило, связаны с посевами, когда запахиваются дороги вдоль каналов и бермы вплоть до самых бровок.

Совершенно очевидно, что при комплектовании парка должны учитываться все основные производственные и природные условия, и произведена оценка влияния тех или иных факторов на технологические свойства очистных машин.

Прежде всего, необходимо различать зоны орошения и осушения. Различия зон, с точки зрения механизации [37] достаточно велики. Это относится к номенклатуре эксплуатационных операций, конструктивным формам каналов, соотношению их геометрических размеров, удельным объемам очистки, видам растительности, засоряющим русла и дополнительным ограничениям, связанным с шириной дамб, подходам к каналам, наличием креплений и антифильтрационных покрытий и т. д.

Очевидно, что необходимо располагать двумя комплексами машин — для зоны осушения и для зоны орошения.

Разумеется, что отдельные машины или рабочие органы каждой из систем могут оказаться достаточно идентичными, но в целом следует ожидать создание совершенно самостоятельных комплексов.

В данной работе поставлена задача, предложить и обосновать комплекс машин для проведения эксплуатационно-ремонтных работ на каналах, обслуживающих мелиоративные системы в зоне осушения, поэтому сбор материалов по естественно-производственным условиям проведен именно по этой зоне.

За основу был взят обширный материал, собранный кафедрой мелиоративных и строительных машин МГУП в 1970. 1975 г. г. по России, Белоруссии и Латвии. На этой базе данных и произведены технико-экономические расчеты.

Практика содержания мелиоративных систем зоны осушения показывает, что эксплуатационные работы следует разграничить на ежегодные, называемые «уходом» и ремонты, необходимость в которых возникает периодически раз в несколько лет. Такие ремонты получили название «текущих» .

Название «уход» получило [69] распространение в те же годы, когда практически все ежегодные работы выполнялись вручную, силами русловых ремонтеров. Ручной труд обеспечивал очень тщательное проведение работ и по окашиванию, и по удалению наносов со дна канала с восстановлением дернового покрова на поврежденных участках откосов. Если говорить о каналах регулирующей и проводящей сетей, то при ручном обслуживании другие ремонты как текущий, так и капитальный сводились к минимуму и составляли за сезон 1,5.3,0% от всех объемов. Причем эти цифры складывались, главным образом, из аварийных объемов в результате обрушений, оползней, завалов после интенсивных паводков, ливневых дождей и т. п.

Опыт работы русловых ремонтеров показал, что если операции ухода за каналами проводятся особенно тщательно, как это имело место в ряде областей России и Прибалтике, необходимость в капитальных ремонтах каналов практически отпадает.

Годовые задания русловых ремонтеров в зоне осушения состояли из обслуживания 8. 12 км каналов и сооружений на них. В обслуживание входило: очистка русла, скашивание и удаление растительности, ремонт креплений и одерновки, а также работы (плотницкие, бетонные, земляные), связанные с ремонтом сооружений и дорог. Разнообразие операций, выполняемых русловыми ремонтерами, создает немалые трудности попыткам механизировать их труд. Какая-то часть работ, безусловно, останется за ручным трудом, однако главные и наиболее трудоемкие операции технического ухода за каналами необходимо полностью механизировать. Оптимальное решение этой проблемы и должно в значительной степени снизить расходы на эксплуатацию осушительных систем.

Однако, на сегодняшний день эту проблему нельзя считать окончательно решенной. Несмотря на обширную номенклатуру новых каналоочистительных машин выпускаемых серийно, несмотря на непрерывный количественный рост очистной техники, эксплуатационники продолжают настаивать на создании новых конструкций и типоразмеров машин, ссылаясь на производственные и экономические соображения.

Рассмотрим, в чем заключаются главные особенности решаемой задачи.

1. В существующих машинах в качестве главного параметра, определяющего типоразмер машины, выбрана глубина очищаемого канала. Это правомерно для машин, предназначенных для строительства, реконструкции и капитальных ремонтов. В этих случаях с увеличением глубины канала увеличивается и объем удаляемого грунта, что в свою очередь отражается на производительности, мощности, массе и стоимости машины. Так, используя примеры выполненных конструкций машин, предназначенных для капитального ремонта каналов глубиной 1,5 м, к машинам для 3-х метровых каналов сопровождается 3.5 кратным увеличением их массы и стоимости. Однако только при полной реализации энергетических возможностей более мощной и тяжелой машины и ее достаточной загрузке можно добиться приемлемой стоимости ее эксплуатации.

Совсем иная картина будет иметь место при попытке механизировать операции, входящие в номенклатуру работ по уходу. Например, при очистке дна от наносов и заиления. Здесь глубина не может служить главной характеристикой канала, ибо нет прямой связи между этим параметром и удельными объемами наносов. При одной и той же ширине каналов по дну или небольшой разнице в этих размерах, что характерно для осушительной сети, удельные объемы заиления каналов глубиной в 1 или 3 м могут оказаться примерно равными.

2. Средние удельные объемы ежегодных работ по удалению наносов чрезвычайно малы [69, 34] и составляют у большинства каналов от 0,02 до о.

0,10 м на 1 метре длины. Это соответствует толщине стружки 5. 15 см. Понятно, что такие каналоочистительные машины как многоковшовые экскаваторы поперечного копания типа ЭМ-152, ЭМ-202 или роторный МР-16 на этих работах окажутся не эффективными и дорогостоящими.

Расчеты показывают, что оптимальные мощности машин для очистки дна осушительных каналов лежат в интервалах — для каналов регулирующей сети -10. 14 кВт, а для проводящей сети — 18.25 кВт.

Заметим также, что заиление и наносы распределяются по длине каналов крайне неравномерно. Для проводящей сети, например, максимальные объемы, сосредоточены обычно в зонах, близких к устьям дрен или открытых осушителей. В то же время в других частях каналов объемы наносов могут быть в несколько раз меньше, а в отдельных случаях совсем незначительны. Такая же картина наблюдается на каналах регулирующей сети, где необходимость в очистке возникает главным образом на нижних отметках. Использование в таких условиях мощных высокопроизводительных очистных машин обязательно приведет к большим потерям, связанным не только с недогрузкой машин, но и увеличением транспортных (холостых) пробегов.

3. Одной из главных операций ухода является скашивание растительности с откосов, дна и берм каналов. Есть мнение, что проведение этих операций может быть осуществлено каналоочистительными машинами землеройного типа, используемых как базовые шасси, путем навески сменных рабочих окашивающих органов. Такие органы, в свое время, предусматривались на каналоочи-стителях ЭМ-202. Были и попытки совместить косилку с одноковшовым экскаватором. Это выполнено в частности на машине КМ-82. Расчеты показывают, что путь этот не самый лучший.

4. Естественно-производственные условия мелиоративных систем настолько разнообразны, особенно это касается геометрических размеров каналов, что решать проблемы очистки можно только комплексом машин различных типоразмеров. Поэтому, прежде всего, следует обозначить главные зоны и характеристики их естественно-производственных условий.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

1. В процессе испытаний подтверждено главное достоинство каналоочистителя РР-303 — высокое качество работ. Речь идет не только о проведении каких либо доделочных операциях, но и о значительном продлении сроков службы каналов до капитального ремонта. Выявлены преимущества в стоимости проводимых очистных работ каналоочистителя РР-303 с продольным движением ковша в жестких направляющих. Разница в затратах по сравнению с другими типами машин, а именно МР-14 и КМ-82 составляет 40. 60%.

2. За два с лишним года эксплуатации каналоочистителя на системах «Ярославмелиорация» не произошло ни одной существенной поломки машины, что, безусловно, подтверждает ее исключительную надежность.

3. Определены максимальные усилия копания для модели ковша каналоочистителя при различной толщине стружки с последующим пересчетом их на натуру, используя теорию физического моделирования. И на основе этих данных установлены вместимости ковшей.

4. Определены основные оптимальные параметры ковшей каналоочистителя (ширина, длина и высота).

5. Подтверждена и необходимость в установке отбойной плиты, что, безусловно, будет способствовать лучшему наполнению ковша, и исключит просыпание грунта в момент его подъема. Все это, несомненно, скажется и на производительности.

6. Определены зависимости наполняемости ковша и объема призмы волочения от длины набора грунта, на основании которых можно определить место установки отбойной плиты.

7. На основании проведенных экспериментальных исследований предложено новое техническое решение рабочего органа каналоочистителя — ковш с использованием дисков для достижения свободного резания, что позволит значительно снизить тяговые сопротивления и повысить качество проводимых.

142 работ. Кроме того, диски разрезают растительность и дерн и тем самым повышают наполняемость ковша.

8. Для существующих осушительных каналов с шириной по дну 400 и 600 мм целесообразно применять каналоочиститель РР-303 с оптимизированными параметрами и дополнительными устройствами (дисками), предложенными в данной работе. За счет снижения тяговых сопротивлений можно повысить производительность и качество очистки (т.е. максимально приблизить параметры очищаемых каналов к конструктивным). Для каналов с шириной по дну 800 мм и более рекомендуется использовать ковш шириной 400 мм в два прохода.

9. В ходе экономического расчета для базовой и новой техники определены: Годовая эксплуатационная производительностьцена единицы конечной продукции, производимой каналоочистителемколичество машино-часов работы каналоочистителягодовые текущие издержки потребителя. И на основе этих данных определен прирост экономического эффекта за счет использования нового ковша каналоочистителя 16 076,3 рубля.