close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Совершенствование гидравлических регуляторов с ленточным регулирующим органом для внутрихозяйственной сети оросительных систем

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Дегтярев Владимир Георгиевич
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ РЕГУЛЯТОРОВ
С ЛЕНТОЧНЫМ РЕГУЛИРУЮЩИМ ОРГАНОМ
ДЛЯ ВНУТРИХОЗЯЙСТВЕННОЙ СЕТИ
ОРОСИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
Специальность: 06.01.02 – Мелиорация, рекультивация и охрана земель
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Краснодар, 2018
Диссертационная работа выполнена в федеральном государственном бюджетном
образовательном учреждении высшего образования «Кубанский государственный аграрный
университет имени И. Т. Трубилина».
Научный руководитель:
Свистунов Юрий Анатольевич,
доктор технических наук, профессор
Официальные оппоненты:
Щедрин Вячеслав Николаевич,
академик РАН, доктор технических наук, профессор,
директор
ФГБНУ
«Российский
научноисследовательский институт проблем мелиорации»
Ольгаренко Игорь Владимирович, доктор технических
наук, доцент, профессор кафедры «Техносферная
безопасность, мелиорация и природообустройство»
Новочеркасский инженерно-мелиоративный институт
имени А. К. Кортунова – филиал федерального
государственного
бюджетного
образовательного
учреждения
высшего
образования
«Донской
государственный аграрный университет»
Ведущая организация
ФГБОУ ВО «Саратовский государственный аграрный
университет им. Н. И. Вавилова»
Защита диссертации состоится «22» мая 2018 года в 10 ч 15 мин на заседании
диссертационного совета Д 220.008.02 при ФГБОУ ВО Волгоградский ГАУ по адресу: 400002,
г. Волгоград, Университетский проспект, 26, ауд. 303 Д.
С диссертацией можно ознакомится в научной библиотеке и на сайте ФГБОУ ВО
Волгоградский ГАУ http://volgau.com.
Автореферат разослан «____» ____________ 2018 г.
Ученый секретарь диссертационного совета,
кандидат технических наук, доцент
А. В. Седов
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследований. Производство сельскохозяйственной продукции
зависит от множества факторов: климата, плодородия почв, наличия влаги должного
количества и др. Очевидно, что именно южные регионы Российской Федерации должны
и являются основными производителями различной сельхозпродукции и однозначно
теплолюбивой. В качестве примера можно привести Краснодарский край, являющийся
основным рисопроизводящим регионом, он также лидер по валовому сбору зерна, что
составляет порядка 10 % от общероссийского сбора; сахарной свеклы порядка 17,3 %, один из
ведущих производителей семян подсолнечника порядка 15 % и винограда порядка 37 %.
Несмотря
на
действительно
уникальные
природно-климатические
условия
Краснодарского края, достичь столь значительных успехов в сельскохозяйственном
производстве невозможно без гидромелиорации. Ведь рис вообще произрастает в затопленном
состоянии, а овощи и виноград дадут урожай в 2–3 раза хуже на богаре.
В бассейнах основных рек Южного федерального округа (ЮФО) РФ, активно
участвующих в производстве сельскохозяйственной продукции, давно существует дефицит
водных ресурсов. Вода, требуется не только сельскому хозяйству, но и развивающейся
промышленности и стремительно растущей отрасли туризма.
Исходя из сложившейся ситуации, необходим поиск новых технологических решений,
переход от экстенсивного к интенсивному пути развития. Именно такой путь развития
использования водных ресурсов для производства сельскохозяйственной продукции должен
позволить сократить водопотребление и, как следствие, увеличить посевные площади, не
нанося ущерба экологии бассейнов рек ЮФО РФ.
Современное орошение осуществляется высокоэффективной техникой: капельные линии;
спринклерное орошение; системы микродождевания; барабанные и широкозахватные
дождевальные машины. Работа данной техники, являющейся исполнительным механизмом
в более сложной системе управления, в том числе и водораспределением, требует подачи воды
строго по потребности нужного количества и качества.
В свою очередь в виду сложности управления подобными системами, имеющими
большую протяженность, при наличии огромных объемов воды, находящихся в управлении,
когда в итоге надо управлять уровнем воды в каждом водоприемнике или чеке в пределах
одного сантиметра, невозможно обойтись без средств автоматизации.
Степень
разработанности
темы.
Вопросами
автоматизации
водоподачи
и водораспределения на межхозяйственном звене оросительных системах занимались
следующие ученые: Э. Э. Маковский, Я. В. Бочкарев, П. И. Коваленко, В. Н. Щедрин,
М. С. Григоров, Е. В. Кузнецов, Т. И. Сафронова и др.
Существенный вклад при автоматизации внутрихозяйственной оросительной сети внесли
следующие ученые: Ю. А. Свистунов, С. В. Кибальников, А. Е. Новиков, А. А. Пахомов,
В. Т. Островский, В. М. Журавлев, А. А. Ильмер и др.
Если водораспределение на уровне магистральных каналов в увязке с хозяйственными
каналами первого уровня еще каким-то образом пытаются включить в процесс автоматизации,
то низовое звено до настоящего времени практически оставлено без внимания. Ряд работ в этом
направлении предпринятых в 80-х годах прошлого столетия не нашли должного отклика на
производстве ввиду явных недоработок средств автоматизации. Настало время вернуться к
решению данного вопроса на более высоком уровне. Этому способствуют новые материалы,
конструкции на их основе и новые технологии исследований.
Цель исследований – Совершенствование гидравлических регуляторов для повышения
эффективности эксплуатации оросительных систем и рационального использования водных
ресурсов.
3
Задачи исследований:
1. Анализ эксплуатационных возможностей систем автоматического регулирования (САР)
водораспределения на внутрихозяйственной сети с учетом конструктивно-технологических
элементов гидравлических регуляторов.
2. Разработка гидравлических регуляторов с ленточными регулирующими органами, на
основе теоретических исследований их адаптации к работе на внутрихозяйственном звене
оросительной системы;
3. Лабораторные исследования основных и управляющих расходных характеристик,
и гидродинамических характеристик регулятора с ленточным регулирующим органом при 3D
математическом моделировании.
4. Натурные исследования основных расходных и гидродинамических характеристик,
а также исследования регулятора в 3D математической модели с профилированным седлом,
обеспечивающим линейные расходные характеристики.
5. Разработка методики инженерного расчета регулятора с ленточным регулирующим
органом.
6. Экономическое обоснование применения гидравлических регуляторов с ленточным
регулирующим органом.
Объект исследования – инженерно-мелиоративные системы и гидравлические
регуляторы с ленточным регулирующим органом.
Предмет исследований – конструктивные параметры, технологические режимы,
статические и динамические характеристики регуляторов с ленточным регулирующим органом
для внутрихозяйственного звена оросительной системы.
Научная новизна. Выполнены комбинированные исследования лабораторных
и натурных разработанных регуляторов с ленточным регулирующим органом, статических
характеристик посредством регрессионного анализа с получением уравнений множественной
регрессии для истечений с рабочей и управляющей полостей, а также динамических
характеристик регуляторов посредством 3D математического моделирования при
теоретическом обосновании профилирования отверстий истечения.
Теоретическая и практическая значимость работы.
Теоретически обоснованы статические и гидродинамические характеристики
гидравлических регуляторов с ленточным регулирующим органом, в том числе при
линеаризованных характеристиках. Разработаны конструкции гидравлических регуляторов
с ленточными регулирующими органами (регулятор расхода воды – пат. №2519508 РФ, МПК
G05D7/01, стабилизатор расхода воды – пат. №2520068 РФ, МПК G05D7/01), методика их
проектирования и инженерного расчета для внутрихозяйственного звена оросительной
системы. Дана оценка эффективности проекта мелиорации сельскохозяйственных земель за
счет экономии оросительной воды при использовании ленточных регуляторов с линейными
выходными характеристиками в хозяйстве многолетних плодоносящих насаждений Абинского
района. При затратах на внедрение регулятора 18 966,14 руб., сэкономленный объем
оросительной воды в хозяйстве многолетних насаждений семечковых площадью 230 га
позволит дополнительно обеспечить водой 20,8 га, величина дисконтированного прироста
чистого дохода составляет 7 649 381,00 руб., а прирост чистого дохода составляет
2 889 049,00 руб., срок окупаемости при внедрении в производство регулятора с ленточным
регулирующим органом составляет 4 года.
Методология и методы исследования – методы теоретического и системного анализа,
математического и компьютерного моделирования, теории многофакторных экспериментов
с элементами математической статистики.
Математическое моделирование осуществлялось с использованием пакетов программ
SolidWorks и FlowVision. Результаты экспериментов обрабатывались на ПЭВМ
с использованием программ MatCad и wxMaxima. Расчет экономической эффективности от
внедрения ленточных регуляторов, выполнен в программном продукте Гранд-Смета, данные
обрабатывали с использованием пакета Excel Microsoft Office.
4
Положения, выносимые на защиту:
– гидравлические регуляторы с ленточными регулирующими органами, адаптированные
к работе на внутрихозяйственном звене оросительной системы;
– регрессионные модели влияния конструктивно-технологических факторов на расходные
характеристики регуляторов с ленточным регулирующим органом;
– результаты лабораторных и натурных экспериментов распределения скоростей,
давлений и расходных характеристик в регуляторах с ленточным регулирующим органом, в том
числе с теоретически обоснованным профилированным седлом и на основе 3D
математического моделирования;
– методика инженерного расчета основных конструктивных и технологических
параметров гидравлических регуляторов с ленточным регулирующим органом;
– расчеты чистого дисконтированного дохода и сроки окупаемости при внедрении
в производство регулятора с ленточным регулирующим органом.
Степень достоверности и апробация результатов.
Достоверность полученных результатов, основных выводов и предложений практике
определяется большим объемом экспериментальных и теоретических исследований,
использованием апробированных методов и способов планирования экспериментов и
обработки полученных данных, высоким уровнем сходимости результатов моделирования и
лабораторных опытов с результатами опытно-производственной проверки.
Результаты исследований были внедрены в производство в ОАО «КСП «Светлогорское» и
в Садово-парковый оздоровительный центр «Сад грез» на системах водораспределения из
каналов старшего порядка во внутрихозяйственные водораспределители для орошения
деревьев, где регуляторы уровня воды с ленточным регулирующим органом, адаптированным к
работе в системе автоматического регулирования, показали хорошую работоспособность в
течение 3 лет.
Результаты исследований внедрены в учебный процесс Кубанского ГАУ, а регуляторы
уровня воды с ленточным регулирующим органом используются в лабораторном оборудовании
учебного процесса на факультете гидромелиорации.
Основные положения диссертационной работы и результаты исследований докладывались
и обсуждались: на ежегодных научных конференциях Кубанского ГАУ им. И. Т. Трубилина
(г. Краснодар, 2015–2017 гг.); на Региональной научно-практической конференции
«Актуальные вопросы экономики и технологического развития отраслей народного хозяйства»
(г. Краснодар, 2016 г.); на Всероссийских научно-практических конференциях молодых ученых
«Научное обеспечение агропромышленного комплекса» (г. Краснодар, 2015–2017 г.);
на Международной научной конференции «Актуальные вопросы современной техники и
технологии» (г. Липецк, 2016 г.); на Международной научно-практической конференции
«Эволюция современной науки» (г. Киров, 2016 г.); на Международной научно-практической
конференции «Теория и практика приоритетных научных исследований» (г. Смоленск, 2016 г.);
на международной научно-практической конференции «Современные концепции развития
науки» (г. Казань, 2016 г.).
Публикация результатов исследований.
По материалам диссертационной работы опубликовано 17 печатных работ, из них
6 публикаций в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 5 – в материалах Международных
научно-практических конференций, остальные – в других изданиях. По результатам
исследований получены 2 патента Российской Федерации на изобретения.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав,
заключения, списка литературы, включающего 136 наименования и приложения. Диссертация
изложена на 186 страницах машинописного текста, содержит 80 рисунков и 20 таблиц.
5
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность исследований, сформулирована цель работы,
научная новизна, практическая значимость и представлены основные положения, выносимые
на защиту.
В первой главе рассмотрены способы водораспределения, анализ которых позволил
констатировать, что все они основаны на управлении расходом воды или уровнем воды
на объекте. Специфика современного производства предполагает использование САР в виду
наличия в обороте больших площадей орошения и объемов дефицитной воды.
Существенный вклад в исследование вопросов автоматизации водоподачи
и водораспределения на оросительных системах внесли Э. Э. Маковский, Я. В. Бочкарев,
П. И. Коваленко, В. Н. Щедрин, Е. В. Кузнецов, М. С. Григоров, Ю. А. Свистунов,
А. А. Пахомов и другие ученые.
Водораспределение с использованием САР можно представить совокупностью объекта
регулирования и автоматического регулятора. Из экономической целесообразности
предпочтение необходимо отдавать регуляторам гидравлического действия. Принято различать
гидравлические регуляторы прямого и непрямого действия, блок схема последнего приведена
на рисунке 1.
Возмущения
Бассейн
Регулирующий
орган
Привод
регулирующего
органа
Чувствительный
элемент
Задающее
воздействие
Рисунок 1 – Блок-схема регуляторов уровня непрямого действия
Представленный анализ регуляторов по принципам действия позволил констатировать,
что регуляторы прямого действия не обеспечивают должного качества параметров управления
и не могут удовлетворять требованиям внутрихозяйственной оросительной сети. Нашедшие
применение на сети регуляторы непрямого действия, обеспечивающие должное качество,
использовали в качестве рабочего органа гибкие оболочки. Однако именно гибкие оболочки,
выполненные из легкого типа водонепроницаемых тканей (q = 0,6–1,0 кг/м2), явились наиболее
уязвимым местом регуляторов, так как в местах опирания на элементы трубчатого водовыпуска
оболочки подвержены истиранию.
Сформулированы цели и задачи исследований.
Во второй главе осуществлен анализ эксплуатационных возможностей САР
водораспределения с учетом элементов ее составляющих, в том числе регуляторов
гидравлического действия.
Рассмотрена совместная работа ленточного регулятора в системе автоматического
регулирования водораспределительного канала и бассейна накопителя. Формализованное
изображение функциональных элементов САР представлено на рисунке 2.
Канонический вид уравнения статики представленного объекта имеет вид
П = О ,
где Qп и Qо
–
секундные расходы притока и оттока воды в бассейне и из него
в установившемся режиме.
6
1 – заданный уровень воды
в канале;
 – уровень воды в бассейне;
П – приток воды;
 – свободный слив (отток воды);
 – разность уровней воды;
1 – площадь входного отверстия;
2 – площадь выходного отверстия
Рисунок 2 – Формализованное изображение функциональных элементов САР
Канонический вид уравнения динамики учитывает отклонения параметров в объекте
регулирования от установившегося состояния при изменении притока и оттока воды в бассейне.
За бесконечно малый отрезок времени dt в бассейн втекает объем воды П  из канала,
проходя через регулятор, и из бассейна вытекает объем воды  .
Изменение объема воды в бассейне (dV) можно представить двумя разными
зависимостями
(2)
 = П  −   (1)
или  = Ω,
где Ω – площадь поперечного сечения бассейна.
Приравнивая правые части зависимостей (1) и (2), получим следующее дифференциальное
уравнение

П  −   = Ω или Ω  = П −  .
(3)
Уравнение равновесного состояния бассейна, отражающее постоянство уровня воды в
нем, выражается равенством расходов притока П0 и оттока 0, в точке равновесного
состояния системы
(4)
П0 = 0.
Чтобы записать уравнение динамики в отклонениях, как это принято в теории систем
автоматического регулирования (САР) следует учесть, что
 = 0 + ∆;
П = П0 + ∆П;
 = 0 + ∆ .
С учетом уравнения (4) уравнение (3) принимает вид
∆
(5)
Ω  = ∆П + ∆ .
Расход притекающей в бассейн воды и расход вытекающей из него воды определяются
соответственно выражениями
(6) и  = 2 2 √2,
(7)
П = 1 1√2(1 −  )
где 1 и 2
– коэффициенты расхода;
1 и 2 – площади входного и выходного проходных сечений, соответственно;
– уровень воды в водораспределительном канале;
1
– уровень воды в бассейне.

Если в уравнениях (6) и (7) принять 1 = const, 2 = const,  = const, 2 = const, то
П = П (1, 1 ,  )
и
(8)
 =  ( )
Зависимости (8) представляют собой непрерывные функции, что позволяет разложить их
в ряд Тейлора. После соответствующих преобразований получим уравнение в виде
{
7

Т  +  = 01  + 02 ,
где
–
Ω
(с)
Uч
П

1 10
01 =
Uч0
При этом
=
02
П
1
П

1 10
=
Uч0
–
постоянная времени объекта, характеризующая
его инерционность;
безразмерные коэффициенты усиления при
действии одного из возмущений, в том числе
и регулирующего воздействия.
П
= 1 √2(10 − 0 );
П

= 1 10
(9)
1
−1
2√2(10− 0 )
;
= 1 10


=
1
2√2(10 − 0 )
1
2 2 2 2 .
√
;
0
Представленное дифференциальное уравнение является линейным с постоянными
коэффициентами, это вытекает из условия не сжимаемости жидкости, а также из постоянства
производных в точке равновесного состояния системы.
Уравнение (9) при переходе к операторной форме может быть представлено в виде
(10)
0 () = 01  + 02 ,
где в уравнении собственный оператор объекта
(11)
0 () =  + 1 .
Если предположить, что наполнение в водораспределительном канале постоянное, что
соответствует практике, а также то, что истечение из бассейна осуществляется через
шандорный водовыпуск, то есть площадь отверстия истечения фактически постоянна, то
уравнение (10) можно упростить
(12)
0 () = 01 
где собственный оператор
(13)
 () =   +  ,
где

01
1
 =
01
 =


–
время объекта;
–
коэффициент самовыравнивания;
–
отклонение от равновесного положения регулирующего органа (ленты
запорного органа) на объекте;
изменение регулируемого параметра (уровня воды в бассейне).
–
Для исследования переходного процесса в бассейне выбираем типовое возмущение
объекта, появляющееся из-за скачкообразного перемещения ленты регулятора на величину  =
0 при  = 0. При этом в течение всего переходного процесса лента регулятора удерживается в
положении 0 = const, что обеспечивает постоянство проходного сечения в регуляторе.
Уравнение объекта при этом оказывается неоднородным дифференциальным уравнением
первого порядка. Частное решение неоднородного уравнения принимается в виде
(14)
н() = 0 0 .
Таким образом, частное решение представленного уравнения характеризует вынужденное
движение в объекте параметра регулирования (Н) при воздействии регулирующего органа,
(открытии ленточного запорного органа – 1).
Полученное путем преобразований характеристическое уравнение вида
(15)
 + 1 = 0
1
позволяет определить его корень из выражения  = −  . Вещественность корня определяет
апериодичность процесса, отрицательный знак – сходимость переходного процесса на объекте.
8
Для систем внутрихозяйственного водораспределения разработаны регулирующие
устройства с линейными расходными характеристиками. Один из регуляторов по патенту
РФ № 2520068 показан на рисунке 3.
В регуляторах условие соблюдения постоянства расходных характеристик реализуется
посредством придания специальных профилей различным конструктивным элементам.
а)
б)
а – общий вид регулятора расхода; б – разрез А-А регулятора расхода; 1 – корпус; 2 – седло;
3 – профилированный вырез; 4 – гибкая лента; 5 – управляющая полость; 6 – сливной канал;
7 – мембранный корпус; 8 – трубопровод; 9 – мембрана; 10 – шток; 11 – винт уставки;
12 – пружина уставки; 13 – клапан
Рисунок 3 – Регулятор расхода воды с профилированный вырезом на седле
В третьей главе представлены исследования расходной характеристики  = (, )
лабораторного образца ленточного регулятора от уровня воды в верхнем бьефе () и открытия
проходного сечения седла ленточного регулирующего органа (). Получена адекватная
регрессионная модель с статистически значимыми коэффициентами уравнения вида
(16)
 = −370,65 + 83,73 + 1917,83 + 10,86 − 212,412 .
Геометрическая интерпретация поверхности функции отклика  = (, ), а также
графики линий уровня функции отклика представлены на рисунке 4 и выполнены при
использовании программного комплекса wxMaxima.
Для расходных характеристик регулятора установлено, что с увеличением рабочего
напора (H) большие значения открытия ленты по седлу регулятора (a) увеличивают
пропускную способность в целом, но степень этого влияния уменьшается.
Рисунок 4 – Геометрическая интерпретация поверхности функции отклика
 = (, ) и графики линий уровня
9
Представлены исследования управляющих расходных характеристик  =  (, )
лабораторного образца ленточного регулятора от уровня воды в верхнем бьефе () и открытия
проходного сечения седла ленточного регулирующего органа (). Получена адекватная
регрессионная модель с статистически значимыми коэффициентами уравнения вида
(17)
 = −16,225 + 0,631 + 42,231 − 0,560 − 2,5652 .
Геометрическая интерпретация поверхности функции отклика  =  (, ), а также
графики линий уровня функции отклика представлены на рисунке 5 и выполнены
при использовании программного комплекса wxMaxima.
5
90
80
70
60
50
40
30
4.5
Открытие а, см
4
3.5
3
2.5
2
1.5
1
18
20
22
24
26
28
30
Напор Н, см
Рисунок 5 – Геометрическая интерпретация поверхности функции отклика
 =  (, ) и графики линий уровня
Для управляющих расходных характеристик регулятора  = (, ) установлено, что
с увеличением значений открытия ленты по седлу регулятора  влияние рабочего напора 
кардинально изменяется: при незначительном открытии регулирующего органа, с увеличением
рабочего напора незначительно увеличивается расход из отверстия в управляющей полости
регулятора. В дальнейшем с увеличением значений открытия ленты по седлу регулятора,
увеличение рабочего напора приводит к уменьшению функции отклика.
Представлены гидродинамические исследования регулятора, основанные на методах
математического моделирования. Трехмерная модель расчетной области, представляющая
собой проточную часть ленточного регулятора, была создана в программе SolidWorks.
Твердотельная модель расчетной области ленточного регулятора и ее расчетная сетка
приведены на рисунке 6.
Рисунок 6 – Твердотельная модель расчетной области ленточного регулятора
и ее расчетная сетка
10
Моделирование течения в ленточном регуляторе и определение его гидродинамических
характеристик для различных положений гибкой ленты выполнены в рамках модели
турбулентного течения несжимаемой жидкости.
Уравнение Навье-Стокса (закон сохранения импульса)


+  ( ×  ) = −


1
+  ((µ + µ )( + () )) + S.
(18)
Уравнение неразрывности (закон сохранения массы жидкости)
∇ = 0.
(19)
Модель турбулентной несжимаемой жидкости основана на стандартной  −  модели
турбулентности, в которой турбулентная вязкость  выражается через величины  − .
Уравнения для  и 
()

()

µ
+  ( ) =  ((µ +   ) ) + µ  − ;

µ





(20)
+  () =  ((µ + ) ) + 1 µ  − 2 1 .

2
Обозначения:  =    ;  =  − 3 ( ∙  +


µ


) ;  =   +  .


Решение уравнений математической модели осуществлено в программе FlowVision
по сгенерированной сетке с размерами ячеек 20 × 20 × 20.
Эпюры модуля скорости во всем исследуемом диапазоне и поля скоростей в вертикальной
и горизонтальной плоскостях симметрии при  = 0,0001 м представлены на рисунке 7.
 = 0,0001 м
– эпюры модуля скорости;
– статическое давление;
– полное давление
Рисунок 7 – Эпюры модуля скорости и поля скоростей в вертикальной
и горизонтальной плоскостях симметрии
Из представленного видно, что непосредственно у верхней поверхности опорного седла
модуль скорости резко изменяется, при этом скорость потока меняет величину и направление.
Изменение направления вектора скорости приводит к сжатию струи из проходного сечения
седла. Знак минус свидетельствует об изменении направления движения жидкости.
11
Результаты расчета в виде графиков распределения статического давления и поля его
распределения в вертикальной и горизонтальной плоскостях симметрии при  = 0,0001 м
представлены на рисунке 8.
 = 0,0001 м
Рисунок 8 – Графики распределения статического давления и поля его распределения
в вертикальной и горизонтальной плоскостях симметрии
Распределение полного давления и поля его распределения в вертикальной
и горизонтальной плоскостях симметрии при  = 0,0001 м представлено на рисунке 9.
 = 0,0001 м
Рисунок 9 – Графики распределения полного давления и поля его распределения
в вертикальной и горизонтальной плоскостях симметрии
Как видно из представленного в проходном сечении седла статическое давление достигает
своего максимального значения, а динамическое давление (скоростной напор), определяемое
как разность давлений полного и статического, – своего максимального значения.
Распределение давления в горизонтальной плоскости и зависимость изменения модуля
скорости по ширине опорного седла при  = 0,01 м представлено на рисунке 10.
Распределение давления в горизонтальной плоскости регулятора плавно уменьшается
от своих максимальных значений на входе при приближении к проходному сечению на седле,
где достигается минимум. В управляющей полости регулятора по всей горизонтальной
12
плоскости давление практически одинаковое и находится в значениях лишь несколько больших
от минимальных.
Рисунок 10 – Распределение давления в горизонтальной
плоскости и зависимость изменения модуля скорости
по ширине опорного седла при  = 0,01 м
Полученные интегральные гидродинамические характеристики течения при различных
положениях гибкой ленты регулирующего органа позволили осуществить детальный анализ
происходящего в лабораторном регуляторе.
В четвертой главе представлены натурные исследования регулятора c ленточным
регулирующим органом при геометрических размерах на входе 300 х 300 мм. Получена
адекватная регрессионная модель основных  расходных характеристик натурного образца
регулятора вида
 =  (, ) = −13714,20 + 184,363 + 10248,61 + 16,619 + 1,78 2 − 224,082 . (21)
Геометрическая интерпретация поверхности функции отклика  = (, ), а также
графики линий уровня функции отклика представлены на рисунке 11 и выполнены
при использовании программного комплекса wxMaxima.
при a = 4; 8; 12; 16; 20 см
Рисунок 11 – Геометрическая интерпретация поверхности функции отклика
основных  расходных характеристик и графики сечения поверхности линиями уровня
13
Получена адекватная регрессионная модель управляющих расходных характеристик
 =  (, ) натурного образца регулятора вида
 = 4196,32 − 12,554 ×  − 720,69 ×  + 1,744 ×  ×  + 0,024 ×  2 + 28,859 × 2 .
(22)
Геометрическая интерпретация поверхности функции отклика  =  (, ), а также
графики линий уровня функции отклика представлены на рисунке 12, выполнены
при использовании программного комплекса wxMaxima.
Рисунок 12 – Геометрическая интерпретация поверхности функции отклика
управляющих  расходных характеристик и графики линий уровня
Анализ материала, полученного при исследовании основных и управляющих расходных
характеристик натурного образца ленточного регулятора, подтверждает результаты
лабораторных исследований.
Представлены гидродинамические исследования натурного регулятора, основанные
на методах математического моделирования. Трехмерная модель расчетной области создана
в программе SolidWorks. В программном комплексе FlowVision построена расчетная модель,
проведено моделирование течения воды и построены поля скоростей, распределения
статического и полного давлений в ленточном регуляторе. Проведен анализ течения и
получены графические зависимости для модуля скорости и распределения статического и
полного давлений, а также эпюры модулей скорости и полей скоростей в регуляторе вдоль
ширины опорного седла натурного образца ленточного регулирующего органа, что
представлено на рисунках 13 и 14.
САР водораспределения на внутрихозяйственной сети оросительных систем
при использовании ленточных регуляторов будет наиболее эффективна при наличии линейной
характеристики, когда обеспечивается пропорциональная зависимость между основным
расходом  и ходом гибкой ленты a. В относительных величинах приведенное имеет вид
 = ̅ +  и  = ̅,
(23)
где
 = ⁄
 =  ⁄
 = ⁄
 − 
̅ =

–
–
–
–
расход,
выраженный
в
относительных
единицах
от максимального расхода  в пределах регулирования;
минимальный (нерегулируемый) расход, выраженный
в относительных единицах;
перемещение гибкой ленты, соответствующее расходу μ,
выраженное в относительных единицах;
постоянный коэффициент.
14
–
–
–
эпюры модуля
скорости;
статическое
давление;
полное давление
Рисунок 13 – Эпюры модуля
скорости и графики
распределения статического
и полного давлений
при Z = 0,0001 м
Рисунок 14 – Эпюра модуля скорости и поле скоростей в регуляторе
Практические аспекты представленных теоретических рассуждений были реализованы
преобразованием расходных характеристики за счет перепрофилировки ленточного
регулирующего органа, представленного на рисунке 15 а. На этом же рисунке представлена
расчетная модель регулятора с профилированным седлом выполненная в программном
комплексе SolidWorks (рисунок 15 б).
Осуществлен анализ гидродинамических параметров на разных высотах натурного
регулятора в сечениях на отметках 0,000, 0,010, 0,020 м от уровня седла. При общих
геометрических размерах регулятора на входе 300 х 640 мм. Исследование регулятора
осуществлено при давлении равном 4 903, 6 867, 8 829 Па, открытии ленты в 40, 80, 120, 160,
200 мм и граничных условиях на выходе – свободное истечение. Результаты одного из аспектов
исследований представлены на рисунке 16.
Разработана методика инженерного расчета регулятора с ленточным регулирующим
органом.
Осуществлено экономическое обоснование применения гидравлических регуляторов
с ленточным регулирующим органом на инженерно-мелиоративных системах. Расчет
осуществлялся через объем сэкономленной воды при использовании разработанных ленточных
регуляторов по ставке водного налога по бассейну реки Кубань. Экономия позволяет
дополнительно обеспечить водой площади сельскохозяйственного назначения.
15
а
б
Рисунок 15 – Расчетная твердотельная модель регулятора с профилированным седлом
–
–
–
график давления на
отметке 0,000
график давления на
отметке 0,010
график давления на
отметке 0,020
Рисунок 16 – График давления потока
жидкости при истечении через
проходное сечение седла регулятора
при давлении на входе 4 903 Па
и соответствующих плоскостях
сечений 0,000; 0,010 и 0,020 м
Капитальные вложения в проект были рассчитаны как стоимость единицы продукции
(регулятор расхода и уровня воды), а именно прямые затраты (ПЗ) плюс накладные расходы
(НР) плюс сметная прибыль (СП), также были учтены все возможные лимитированные
расходы, включая непредвиденные затраты и НДС. Прямые затраты определялись базисноиндексным методом с применением переводных коэффициентов на текущий квартал.
Стоимость рассчитывалась в программном продукте Гранд-Смета с учетом стоимости
материалов, изготовления регулятора расхода и уровня воды, а также монтажа и составила
18 966,00 рублей. Стоимость восстановительных работ (ремонта) также рассчитывалась через
прямые затраты и составила 4 555,00 рублей.
Оценка эффективности проекта экономии оросительной воды при использовании
ленточных регуляторов расхода и уровня воды в хозяйстве семечковых деревьев Абинского
района Краснодарского края производилась с использованием дисконтирования
соответствующих денежных потоков.
16
За расчетный период равный 10 годам дисконтированный прирост чистого дохода (ДПЧД)
при использовании ленточных регуляторов расхода и уровня воды составит 7 649,381 тыс. руб,
а прирост чистого дохода (ПЧД) составит 2 889,049 тыс. руб. Все индексы доходности затрат
и инвестиций имеют положительные значения, в виду чего проект был признан эффективным.
Приведенные расчеты показали, что внедрение предлагаемой системы регулирования подачи
оросительной воды является экономически целесообразным действием и окупится на 4-ый год
эффективного использования.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Осуществлен анализ эксплуатационных возможностей САР водораспределения
с учетом элементов ее составляющих, который показал, что реальные условия эксплуатации
САР приводят к ее старению, к неравномерному износу отдельных ее конструктивных
элементов, что в конечном итоге изменяет технологические параметры регулирования до
значений, превышающих допустимые.
2. Разработаны гидравлические регуляторы с ленточными регулирующими органами,
адаптированные к работе в САР. Регулятор расхода воды (пат. РФ № 2519508) имеющий
водовыпускной патрубок прямоугольной формы с седлом, перекрываемым запорным
элементом – гибкой лентой, образующей с корпусом водовыпускной патрубок управляющую
часть, имеющую связь с верхним бьефом и имеющее устройство для слива, на котором
расположен клапан, присоединенный связью к мембране мембранного корпуса, при этом
управляющий элемент с профилированным вырезом. Стабилизатор расхода воды (пат.
РФ № 2520068) имеющий водовыпускной патрубок прямоугольного сечения с седлом,
перекрываемым запорным элементом – гибкой лентой, образующей с корпусом управляющую
полость, имеющую связь с верхним бьефом и снабженную сливным каналом, на котором
размещен клапан, соединенный связью с мембраной мембранного корпуса, полость которого
имеет связь с верхним бьефом, в качестве управляющего органа использовано седло
водовыпускной трубы.
3. Выполнены лабораторные исследования основных Q и управляющих q расходных
характеристик регулятора c ленточным регулирующим органом. Получены адекватные
регрессионные модели. Построены графики поверхности, линий уровня и сечений функции
отклика Q=f(H, a), показывающие, что во всем диапазоне изменения рабочего напора от 18 до
30 см функция непрерывно возрастает от 3 037,4 до 8 049,1 см3/с при увеличении открытия
запорного органа от 1 до 5 см, а также поверхности, линий уровня и сечений функции отклика
q=f(H, a), показывающие, что в параметрах работы с рабочим напором от 18 до 30 см функция
отклика растет. Однако при открытии а = 1 см расход регулятора остается практически
неизменным в параметрах работы с рабочим напором. При a = 1,5 см и даже при a = 2 см в
параметрах работы с рабочим напором, увеличение функции отклика весьма незначительно.
Дальнейшее увеличение открытия регулирующего органа ведет к значительному прогрессу
влияния данного фактора на функцию отклика и, чем больше степень открытия, тем больше
степень
этого
влияния.
Осуществлены
лабораторные
исследования
основных
гидродинамических характеристик регулятора с ленточным регулирующим органом при 3D
математическом моделировании. Установлено, что у поверхности опорного седла скорость
потока меняет величину и направление, при этом максимальное значение скорости 1,84 м/с,
а минимальное – 0,30 м/с; максимальное значение полного давления 2 095,47 Па,
17
а минимальное 1 561,46 Па; максимальное статическое давление 1 639,47 Па, а минимальное –
304,84 Па.
4. Выполнены натурные исследования основных Q и управляющих q расходных
характеристик регулятора c ленточным регулирующим органом. Получены адекватные
регрессионные модели. Построены графики поверхности, линий уровня и сечений функций
отклика Q=f(H, a), показывающие, что при увеличении открытия регулирующего органа от 4 до
20 см и рабочего напора от 40 до 160 см основной расход регулятора увеличивается от 40 000
до 220 000 см3/с, а также поверхности, линий уровня и сечений функции отклика натурного
образца q=f(H, a), показывающие, что при значениях напора от 50 до 90 см наименьшее
значение функции при открытии по седлу 10 ±1 см составляет до 500 см3/с, при увеличении
напора от 90 до 160 см наименьшее значение функции будет при открытии по седлу 8 ±2 см,
которое составляет до 1 000 см3/с.
Осуществлены натурные исследования основных гидродинамических характеристик
регулятора с ленточным регулирующим органом при 3D математическом моделировании, в том
числе с теоретически обоснованным профилированным седлом. Установлено, что при давлении
на входе 4 903 Па и открытии ленты запорного органа на 80 мм скорость на выходе из
регулятора имеет максимальное значение 3,14 м/с при практически нулевом давлении. При
этом незначительное изменение положения сечения приводит к значительным изменениям
скорости и давления в полости регулятора. При увеличении открытия ленты запорного органа
степень влияния положения сечения уменьшается, так при а = 160 мм, максимальное значение
скорости – 2,91 м/с при минимальных давлениях переходящих к отрицательным значениям на
плоскости седла. При этом значения как скоростей, так и давлений выходят с экстремальных
значений более плавно. При открытии ленты на 200 мм по всему седлу регулятора скорость
и давление изменяются незначительно от 2,36 до 2,832 м/с и от 328 до 780 Па, соответственно.
Осуществлен анализ полученного материала исследований и при других давлениях на входе
и открытиях ленточного запорного органа регулятора.
5. Разработана методика инженерного расчета регулятора с ленточным регулирующим
органом, в том числе с профилированным седлом для создания линейных расходных
характеристик. Методика инженерного расчета регулятора выполнена пошагово, что повышает
надежность проектирования. Рассмотрен на конкретном примере алгоритм создания
профилированного отверстия истечения в регуляторе, обеспечивающего расходные
характеристики линейные по параметрам.
6. Осуществлено экономическое обоснование применения гидравлических регуляторов
с ленточным регулирующим органом на инженерно-мелиоративных системах. За расчетный
период равный 10 годам дисконтированный прирост чистого дохода (ДПЧД) при
использовании ленточных регуляторов расхода и уровня воды составит 7 649 381,00 рублей,
а прирост чистого дохода (ПЧД) составит 2 889 049,00 рублей. При этом индекс доходности
затрат (ИДЗ) равен 1,05, индекс доходности инвестиций (ИДИ) равен 1,55, индекс доходности
дисконтированных инвестиций (ИДД) равен 1,2, в виду чего проект был признан эффективным.
Срок окупаемости проекта составляет 4 года.
Рекомендации производству
Разработанная методика инженерного расчета ленточных регуляторов и полученные
статические и динамические характеристики гидравлических регуляторов позволяют
18
выполнить расчет квазиоптимальных конструктивно-технологических параметров устройства, в
том числе с профилированным седлом, обеспечивающим линейные расходные характеристики.
Полученные результаты рекомендуется использовать при расчете и проектировании
гидравлических регуляторов с ленточным рабочим органом для внутрихозяйственной сети
оросительных систем.
Перспективы дальнейшей разработки темы
Дальнейшие исследования и разработки будут посвящены гидравлическим регуляторам
с ленточным рабочим органом, обеспечивающим линейные расходные характеристики за счет
профилированного выреза на задней грани устройства, используемого в качестве задающего
органа слива из управляющей полости.
Отдельного рассмотрения требуют вопросы роли и места гидравлических регуляторов,
обеспечивающих линейные расходные характеристики в системе автоматического
регулирования водораспределением на внутрихозяйственном звене оросительной системы.
Основные положения диссертационной работы опубликованы:
– в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ:
1. Дегтярев, В. Г. Теоретический анализ и экспериментальные исследования адаптивного
датчика регулятора расхода воды [Текст] / В. Г. Дегтярев, Г. В. Дегтярев // Труды Кубанского
государственного аграрного университета. – 2012. – № 3(36). – С. 299–302.
2. Дегтярев, В. Г. Технологические аспекты систем автоматического регулирования (САР)
уровня для трубчатых водовыпусков рисовых чеков [Текст] / В. Г. Дегтярев, Г. В. Дегтярев //
Труды Кубанского государственного аграрного университета. – 2012. – № 3(36). – С. 315–318.
3. Дегтярев, В. Г. Ленточный регулятор расхода с адаптивными характеристиками для рисовых
чеков [Текст] / В. Г. Дегтярев, Г. В. Дегтярев // Труды Кубанского государственного аграрного
университета. – 2012. – № 3 (36). – С. 336–340.
4. Дегтярев, В. Г. Экспериментальные исследования и математическое 3D моделирование
ленточного регулятора расхода воды [Текст] / В. Г. Дегтярев, О. Г. Дегтярева // Труды
Кубанского государственного аграрного университета. –2015. – № 6 (57). – С. 175–181.
5. Дегтярев В. Г. Исследование течения жидкости в лабораторном образце ленточного
запорного органа регулятора воды при использовании CAE-системы FlowVision /
В. Г. Дегтярев, Н. В. Коженко, Г. В. Дегтярев // Политематический сетевой электронный
научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал
КубГАУ) [Электронный ресурс]. – Краснодар: КубГАУ, 2016. – № 05(119). С. 1134–1158. – IDA
[article ID]: 1191605080. – Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2016/05/pdf/80.pdf, 1,562 у.п.л.
6. Дегтярев, В. Г. Лабораторные исследования основных расходных характеристик ленточного
регулятора в зависимости от напора и положения запорного органа [Текст] / В. Г. Дегтярев, Ю.
А. Свистунов // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации. – 2016. – № 3(23) – С.
185 - 201.
– в прочих изданиях:
7. Дегтярев, В. Г. Лабораторные исследования расходных характеристик задатчика ленточного
регулятора от положения запорного органа и напора [Текст] / В. Г. Дегтярев // Актуальные
вопросы современной техники и технологии: сб. трудов по материалам ХХII Междунар. науч.
конф. – Липецк: Научное партнерство «Аргумент», 2016. – С. 56–66.
8. Дегтярев, В. Г. Ленточные регуляторы расхода воды как средство автоматизации
водораспределения на рисовых чеках [Текст] / В. Г. Дегтярев, Ю. А. Свистунов // Научное
19
обеспечение агропромышленного комплекса: сб. ст. по материалам IX Всероссийской конф.
молодых ученых. – Краснодар: КубГАУ, 2016. – С. 152–153.
9. Дегтярев, В. Г. Системы автоматического регулирования на рисовых чеках [Текст] /
В. Г. Дегтярев // Актуальные вопросы экономики и технологического развития отраслей
народного хозяйства: материалы региональной науч.-практ. конф. аспирантов, магистрантов и
преподавателей. – Краснодар: Издательство «Магарин», 2016. – С.79–84.
10. Дегтярев, В. Г. Исследование расходных характеристик из управляющей полости
ленточного регулятора на 3D натурной модели [Текст] / В. Г. Дегтярев // Эволюция
современной науки: сб. ст. Междунар. науч.-практ. конф. в 4-х частях. – Киров: ООО
«Аэтерна», 2016. – С. 69–79.
11. Дегтярев, В. Г. Исследование 3D модели в САЕ-системе FlowVision расходных
характеристик регулирующего органа натурного образца ленточного регулятора воды для
рисовых чеков [Текст] / В. Г. Дегтярев, Ю. А. Свистунов // Теория и практика приоритетных
научных исследований: сб. научных трудов по материалам Междунар. науч.-практ. конф. в 4-х
частях. – Смоленск: ООО «Новаленсо», 2016. – С. 96–107.
12. Коженко, Н. В. Возможности САЕ-системы FlowVision при исследовании ленточного
запорного органа регуляторов расхода [Текст]/ Н. В. Коженко, В. Г. Дегтярев, Д. А. Дацьо //
Научное обеспечение агропромышленного комплекса: материалы IХ Всероссийская науч.практ. конф. молодых ученых, посвященная 75-летию В. М. Шевцова – Краснодар: КубГАУ,
2016. – С. 799–801.
13. Дегтярев, В. Г. Характеристики ленточного регулятора, представленного в плоской и 3D
моделях [Текст] / В. Г. Дегтярев // Современные концепции развития науки: сб. ст. Междунар.
науч.-практ. конф. – Казань: ООО «Аэтерна», 2016. – С. 42–46.
14. Дегтярев, В. Г. Ленточный регулятор расхода и уровня воды с профилированным вырезом и
его экономическая эффективность [Текст] / В. Г. Дегтярев // Приоритеты и научное
обеспечение технологического прогресса: сб. ст. Междунар. науч.-практ. конф, – Нижний
Новгород: ООО «Аэтерна», 2016. – С. 40–43.
15. Дегтярев, В. Г. Себестоимость риса и автоматические системы регулирования [Текст] /
В. Г. Дегтярев // Научное обеспечение агропромышленного комплекса: сб. ст. по материалам X
Всероссийской конф. молодых ученых, посвященной 120-летию И. С. Косенко. – Краснодар:
КубГАУ, 2017. – С. 1021–1022.
– патенты:
16. Пат. 2519508 Российская Федерация, МПК G 05 D 7/01. Регулятор расхода воды [Текст] /
В. Г. Дегтярев, Г. В. Дегтярев; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Кубанский
государственный аграрный университет». – № 2012149515; заявл. 20.11.2012; опубл. 10.06.2014,
Бюл. № 16.
17. Пат. 2520068 Российская Федерация, МПК G 05 D 7/01. Стабилизатор расхода воды /
В. Г. Дегтярев, Г. В. Дегтярев; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Кубанский
государственный аграрный университет». – № 2012148643; заявл. 15.11.2012; опубл. 20.06.2014,
Бюл. № 17.
Подписано в печать «____» _____________ 2018 года. Формат 60х84/1/16
Объем уч. изд. 1 п. л.
Тираж 100 экз.
Заказ №
Типография ООО «КРОН», 350089, г. Краснодар, проспект Чекистов, 20
тел./факс: 8-800-700-6-777, 8-989-281-21-21 E-mail: kron-posuda@mail.ru
20
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа