Очистка каналов мелиоративных систем с помощью машин с различными видами сменного рабочего оборудования

Т ерриторию Российской Федерации с точки зрения проведения мелиоративных работ можно условно разделить на две зоны:зона осушения и зона орошения.К зоне осушения можно отнести территории с избытком заболоченных районов, требующих сезонного удаления избытков влаги со строгим соблюдением требуемого водного режима, это преимущественно «северные» территории (европейская часть): Центральный федеральный округ, Северо-Западный федеральный округ и Приволжский федеральный округ.К зоне орошения относятся южные территории, преимущественно регионы Южного федерального округа и Республики Северо-Кавказского федерального округа со Ставропольским краем. Следует отметить, что некоторые регионы страны относятся к зонам рискованного земледелия, это примерно 70% территорий.

В некоторых регионах может осуществляться как осушение, так и орошение, часто это связано с сезонно-климатическими условиями. В паводковый период излишки воды необходимо сбрасывать, а в период засухи, наоборот, влагу необходимо сохранить. В таких случаях применяется система двойного регулирования. Для осушения территорий и для орошения сельскохозяйственных земель используются различные методы с разными элементами перемещения воды, такие как дренажные системы, капельное орошение и т.д. Применение открытых каналов для проведения осушительных мелиораций на сельскохозяйственных землях в некотором смысле имеет определенный недостаток, заключающийся в уменьшении площади, используемой под сельскохозяйственные угодья.Во избежание таких проблем на мелиоративных системах используют закрытый дренаж. Однако основным элементом для удаления влаги на осушительных системах и для подвода большого количества воды на оросительных системах в настоящее время все еще остаются каналы [1, 2, 3].

Обычно поперечный профиль канала имеет форму трапеции. Оросительные каналы имеют сравнительно большую пропускную способность, чем осушительные каналы. Естественными осушительными каналами являются небольшие реки. Конструкция каналов зависит от объема воды, перемещаемого за единицу времени;типа грунта,в котором построен канал;предназначения канала и его формированием на данной конкретной террито-рии;геометрических параметров рабочих органов, с помощью которых прокладывается канал.Кроме каналов трапецеидального сечения существуют и каналы параболического сечения, форма которых наиболее близка к поперечному профилю естественных осушителей, т.е. рек.

Осушительные каналы могут быть в земляном теле с закрепленным дном и незакрепленным дном. Каналы с закрепленным дном составляют лишь незначительную часть.

При проектировании мелиоративных систем соблюдается последовательное командное формирование, при котором уровень воды старшего порядка выше,чем уровня младшего порядка.

Цель и задачи исследования

Цель исследования заключается в анализе комплексов мелиоративных каналоочистителей с различными рабочими органами и определении наиболее оптимального из них. Для достижения данной цели решены задачи по определению: естественно-производственных условий эксплуатации мелиоративных систем; конструктивных характеристик профилей мелиоративных каналов; изменений проектных размеров каналов в процессе эксплуатации; характеристик технико-эксплуатационных показателей каналоочистительных машин; характеристик ведущей машины комплекса – каналоочистителя, наиболее качественно выполняющего операцию по очистке с соблюдением требуемого уклона дна канала; наиболее оптимального комплекса машин с точки зрения производительности.

Методы исследования

В настоящей статье представлены материалы, полученные методами эмпирического исследования, как наблюдение, сравнение, измерение и моделирование систем по формированию комплексов каналоочистительных машин. Каналы в поперечном сечении имеют дно и откосы, в верхней части формируется берма, по которой могут перемещаться каналоочистительные машины. Каналы могут быть построены в выемке, а также в насыпи. Такой параметр как заложение откосов формируется в зависимости расхода воды и типа грунта, в котором прокладывается канал. В этом смысле каналы с трапецеидальным профилем по сравнению с параболическим наиболее удобны при подборе типа рабочего органа для проведения очистных работ.

В процессе эксплуатации мелиоративных каналов наблюдается изменение первоначального конструктивного профиля, связанного с появлением наносов, заилений, растительности и мелкого кустарника. Обычно при проектировании рабочего оборудования каналоочистительных машин так же, как и каналокопа-телей, основным параметром принимается глубина канала. Однако исследования состояния осушительных каналов показывают, что часто распределение наносов и заилений по длине каналов крайне неравномерно.В таких случаях основным параметром для проектирования рабочих органов становится толщина наносов, при эксплуатации каналов в течение 2-3 лет этот показатель может быть равным 0,15…0,25 м.

Основными причинами деформации и нарушения пропускной способности оросительных каналов особенно в начальный период эксплуатации являются размывы, заиления и зарастание; влияние низких температур особенно в глинистых грунтах; дополнительные нагрузки от кавальеров и просадка грунта (к просадочным относятся лессовые грунты, наиболее распространенные в Средней Азии).

Результаты и обсуждение

Существуют каналоочистительные машины, различающиеся по режиму работы – на машины периодического и непрерывного действия; по виду рабочего органа – с пассивным и активным рабочим органом, по приводу рабочего оборудования – гидравлические и канатно-блочные. Рабочее оборудование неполноповоротное или полноповоротное, может быть установлено

Рис. 1. Каналоочиститель с ковшом на жестких направляющих Fig. 1. Canal cleanerwith a bucketon rigid guides

гусеничное ходовое устройство. Применение пневмо-колесного ходового устройства с задним неполноповоротным рабочим оборудованием при очистке каналов малоэффективно. Наиболее эффективны с точки зрения технологии проводимых очистных работ гусеничные каналоочистительные машины с полноповоротным рабочим оборудованием. В качестве рабочего органа каналоочистителей непрерывного действия обычно применяются фрезерные и роторные конструкции. Такие машины обладают высокой производительностью и в настоящее время они востребованы.

Недостатком таких машин является невозможность обеспечения вращающимся рабочим органом первоначальных геометрических размеров канала [4, 5, 6].

К каналоочистительным машинам периодического действия относятся ковшовые каналоочистители. Они представлены машинами, работающими с бермы канала, а также внутриканальными, движущимися по оси канала. Каналоочистители периодического действия несколько уступают каналоочистителям непрерывного действия в производительности, но обладают высоким качеством работ. Особенно в этом смысле выделяется

Рис. 2. Рабочее оборудование с продольным по оси канала движением ковша:1,2,9 - концевые блоки; 3,7 - гидроцилиндры передвижения ковша; 4 - рама рабочего оборудования; 5,8 -передний и задний телескопы стрелы; 6 - направляющие балки; 10 - винтовая штанга; 11 - передняя подвижная опора; 12 - упорный щит; 13 - траверса; 14 - рабочий орган (ковш); 15 - роликовые опоры траверсы; 16 — задняя подвижная опора

Fig. 2. Working equipmentwith bucketmovementlongitudinalalong the channel axis:1,2,9 - endblocks; 3,7 - bucketmovement hydraulic cylinders; 4 - frame ofworking equipment; 5,8 - frontandrearboom telescopes; 6 - guide beams; 10 - screw rod; 11 - front movable support; 12 - thrustshield; 13 -traverse; 14 - working body (bucket); 15 - rollerbearings ofthe traverse; 16 -rearmovable support

каналоочиститель с ковшом на жесткой направляющей, который обеспечивает высокое качество очистных работ на каналах как с закрепленным дном, так и незакрепленным (рис. 1).

Эта машина с боковой навеской рабочего оборудования работает позиционно с бермы. Рабочее оборудование представляет собой навесную составную телескопическую стрелу,на конце которой навешена направляющая конструкция для ковша (рис. 2). Ковш перемещается по направляющим, представляющим собой два швеллера, посредством гидроцилиндров и скоростного четырехкратного полиспаста [7].

Каналоочиститель – русловой ремонтер, выполняет заданный технологический процесс по очистке канала,очищая дно каналов от наносов глубиной до 3 м и шириной по дну до 0,8 м. Зафиксирован широкий диапазон естественного фона,на котором может работать каналоочиститель.Машина надежно очищает каналы с толщиной наносов от 0,05 до 0,25 м. Наличие воды в канале, а также вид наносов и грунтовые условия не оказывают существенного влияния на качество очистки.Технологический процесс обеспечивает не только очистку дна от нано-сов,но и удаление донной растительности с разрушением ее корневой системы.

Производительность каналоочиститетеля с ковшом на жестких направляющих [м3/ч] как для машины периодического действия определяется по формуле:

П=q·n где q– вместимость ковша, м3;

n – число циклов в час, n= —— = ————

Тц t1+t2+ta+t4

где Т_ц – продолжительность цикла, t₁, t₂, t₃, t₄ – соответственно продолжительности [c] движения ковша при копании, продолжительность подъема и выгрузки ковша, продолжительность передвижения машины на новую позицию, продолжительность опускания ковша в канал.

Продолжительность цикла в зависимости от глубины канала может быть в пределах от 40 до 55 сек. Производительность машины на очистке неукрепленных каналов с ковшом вместимостью 0,25 м3 составляет 20-28 м3/ч или 200-400 м/ч.

В качестве ведущей машины комплекса, кроме кана-лоочистителя РР-303, можно рассматривать также очиститель каналов навесной ОКН-0,5, который представляет собой машину цикличного действия. Данная машина снабжается расширенным ковшом поперечного копания и предназначена для очистки откосов каналов. Цикл работы машины при этом состоит из следующих операций: отрыв грунта от массива, подъем ковша с грунтом на требуемую высоту, поворот ковша в сторону бермы, разгрузка ковша и обратная подача ковша в забой.

Кроме того, машина имеет сменный активный фрезерный рабочий орган. Производительность в этом случае определяется как произведение площади поперечного сечения снимаемой стружки на рабочую скорость машины. Однако применение активного рабочего органа для очистки дна каналов с закрепленными откосами приводит к разрушению элементов крепления.Сложности возникают также в обеспечении прямолинейного движения активного рабочего органа при осуществлении подачи базовой машины.

Очистка мелиоративных каналов не может быть произведена только лишь одним типоразмером машин определенного назначения.С учетом сопутствующих операций полная очистка каналов производится комплексом машин,содержащим машины различного назначения и определенного их количества.Содержание и количество машин одного комплекса определяется видами и последовательностью выполняемых операций.

К примеру, при капитальном ремонте каналов необходимо выполнить следующие операции: окаши-вание откосов, удаление наносов и растительности со дна и откосов, сбор и погрузка перемещенных со дна на берму наносов, заилений и растительности в транспортное средство. В соответствии с перечисленными видами работ комплекс может содержать каналоокашивающую машину, каналоочиститель, бульдозер, экскаватор и самосвал. Функции бульдозера и экскаватора может выполнять пневмоколесный экскаватор с рабочим оборудованием обратная лопата и бульдозерным отвалом.

Таким образом, в зависимости от типов и типоразмеров машин может быть сформировано большое количество комплексов машин по очистке каналов. Можно предположить, что представленные операции могут быть выполнены одним из трех комплексов с определенными машинами: 1. Каналоочиститель РР-303, экскаватор ЭО-3322, погрузчик на базе трактора МТЗ-82, самосвал ГАЗ-33098; 2. Каналоочиститель ОКН-0,5, каналоокашивающая машина КМ-82, экскаватор ЭО-2621, самосвал КамАЗ-43255; 3. Каналоочиститель МР-16, экскаватора ЕК-14, погрузчик ТО-18 , самосвал ЗИЛ5301. Задача в этом случае заключается в определении наиболее оптимального комплекса. Для решения данной задачи можно использовать алгоритм на графах, предложенный голландским ученым Дейкстрой [8 , 9, 10]. Изначально алгоритм использовался для нахождения кратчайшего пути от одной из вершин графа до всех остальных.Если в проводимом исследовании по выбору оптимально комплекса применить алгоритм Дейкстры и заменить «нахождение кратчайшего пути» на «определение комплекса с минимальными энергетическими затратами»,то можно вывести граф с оптимальным комплексом.

Экономическая оценка использования различных комплексов путем энергетического анализа работы машины в условиях меняющейся из года в год ценовой политики наиболее адекватно показывает расходы на производство тех или иных работ. Энергозатраты по сравнению с финансовыми не

Рис. 3. Сетевой граф возможных комплексов машин с результатами расчёта по приведённым затратам и выбором оптимального варианта

Fig. 3. Network graph ofpossible complexes ofmachines with the results of the calculation forthe reducedcosts and the choice of the optimalvariant

зависят от цен,поэтому их можно рассматривать в качестве наиболее постоянного фактора при выборе машин.При оценке экономической эффективности от использования машин, сущность которой заключается в сравнении экономических показателей существующей базовой системы с предлагаемой новой системой, экономические затраты можно полностью заменить энергетическими затратами [10, 11].

Полные энергозатраты на проведение технологической операции (или работы машины) Э п , МДж/га, определяются по формуле:

Эп=∑ j Эпрj +∑ j Эоj, где Эпрj – прямые удельные затраты энергии по j-ой выполняемой операции (или машине), МДж/га;

Э_оj – затраты, осуществленные при использовании энергоносителей, МДж/га.

Прямые удельные затраты на выполнение j -ой технологической операции (или машине) можно определить по формуле [10, 11]:

Э прj = ∑

q kj e k

k где qkj– норма расхода энергоносителей k-го вида, используемых при выполнении технологического процесса (или для работы машины) на единицу объема работы, кг/га;

e_k – энергосодержание k-го энергоносителя, МДж.

Норма расхода энергоносителей (топлива) за 1 маш.-ч работы q_kj , кг/маш.-ч, определена согласно Своду правил по проектированию и строительству СП12-102-2001.

На рисунке 3представлен граф,выполненный на основе энергетических затрат машин различных вариантов.

Желтыми стрелками указаны наименьшие энергетические затраты машин из представленного перечня по трем каналоочистительным комплексам на соответствующих участках выполнения работ.

Выводы

По полученному графу оптимальный комплекс, выбранный на основе минимальных энергетических затрат для выполнения конкретной операции очистки мелиоративного канала,включает в себя кана-лоочиститель РР-303, каналоокашивающую машину КМ-82, экскаватор ЭО-2621 и самосвал ГАЗ-33098.

Основной задачей для качественной очистки каналов является определение наиболее оптимального комплекса.Решить такую задачу необходимо, учитывая системный подход и с учетом одного наиболее важного критерия.При очистке каналов наиболее важными критериями является качество очистки каналов с минимальными энергетическим затратами, обеспечивающее полное функционирование мелиоративной системы. Немаловажным являются и технико-экономические и технико-эксплуатационные показатели. Одним из способов решения проблемы выбора наиболее оптимального комплекса каналоочистительных машин является использование алгоритма Дейкстры.

Об авторе:

Aboutthe Author:

KhamzatA. Abdulmazhidov – Cand. Sci. (Engineering), Associate Professor of the Department of Reclamation and Construction Machinery of the Institute of Reclamation, Water Management and Construction named after A.N.