ЗАВИСИМОСТЬ КАЧЕСТВА ОЧИСТКИ ДРЕНАЖНОГО ТРУБОПРОВОДА ОТ ПАРАМЕТРОВ ДРЕНОПРОМЫВОЧНОГО УСТРОЙСТВА

Долматов Н. П.¹, Михеев А. В.²

¹ORCID: 0000-0002-1825-0023, Кандидат технических наук, доцент, ²ORCID: 0000-0002-1825-0025, Кандидат технических наук, профессор, Новочеркасский инженерно-мелиоративный институт имени А. К. Кортунова ФГБОУ ВО «Донской государственный аграрный университет»

ЗАВИСИМОСТЬ КАЧЕСТВА ОЧИСТКИ ДРЕНАЖНОГО ТРУБОПРОВОДА ОТ ПАРАМЕТРОВ ДРЕНОПРОМЫВОЧНОГО УСТРОЙСТВА

Аннотация

В статье приведены расчеты по обоснованию количества струеформирующих насадок. Обоснована зависимость скорости подачи дренопромывочного устройства от скорости истечения воды из струеформирующих насадок. Приведена зависимость скорости резания наносных отложений от от времени резания. Определена величина расхода воды одного струеформирующего насадка, что дает возможность определить общий расход воды дренопромывочного устройства на единицу площади промываемой дренажной трубы. При расчетах в данной статье учитывались условия несвязных наносных отложений.

Ключевые слова: скорость, количество, время, устройство, расход.

Dolmatov N. P.¹, Miheyev A. V.²

¹ORCID: 0000-0002-1825-0023, PhD in Engineering, Associate Professor, ²ORCID: 0000-0002-1825-0025, PhD in Engineering, Professor, Novocherkassk Engineering Meliorative Institute named after A.K.Kortunov Federal State University Don State Agrarian University

DEPENDENCE OF DRAINAGE PIPE CLEANING QUALITY ON THE PARAMETERS OF DRAINAGE WASHING DEVICE

Abstract

The paper presents the calculations for justification of the amount of jet forming nozzles. The dependence of the filing rate of drainage watering device from the water flow rate in jet forming nozzles was justified. The dependence of the speed of alluvial deposits cutting from the cutting time is presented as well. Authors determined the rate of water flow of one jet forming nozzle, which makes it possible to determine the total water consumption in drainage watering device per unit of area of flushed drain pipe. At the calculations in this article the conditions of incoherent alluvial deposits were considered.

Keywords: cutting speed, the number of jet forming nozzles, cutting time, drainage watering device, total consumption.

Расширение масштабов и объемов строительства дренажа на орошаемых землях определяет новые требования к его проектированию и строительству, связанные с внедрением в практику строительства новых механизмов и технологий. Переход на длинномерные дренажные трубы и современную дреноукладочную технику позволил повысить темпы строительства дренажа. Однако в условиях просадочных и водонасыщенных грунтов снижается коэффициент земельного использования. Просадки грунта по трассам дрен препятствуют сельскохозяйственной обработке почв.

В первые 3 года эксплуатации дренажа происходит процесс восстановления естественной плотности обратной засыпки дрены. А значит и восстановление структуры грунта в наддренной полосе. По мере восстановления естественной плотности, происходит уменьшение величины макропор обратной засыпки, а так как перемещение частичек грунта происходит по макропорам, то процесс восстановления естественной плотности обратной засыпки способствует уменьшению выноса частичек грунта в полость дренажной трубы и снижает интенсивность отложения ила в дрене.

Одна из самых острых проблем искусственного дренирования мелиорируемых  земель является очистка (промывка) постоянно засоряющихся дренажных трубопроводов.

До сих пор решение проблемы очистки закрытого горизонтального дренажа (ЗГД) затрудняется отсутствием эффективных и высокопроизводительных средств механизации этого процесса, и в первую очередь промывочного устройства для очистки дренажных трубопроводов. Дренажные трубы очищают механическим, химическим и гидравлическим способами. Наиболее эффективным и широко применяемым является гидравлический способ промывки дрен (рисунок 1). Данный способ заключается в следующем: напорный шланг с рабочим органом (дренопромывочная головка) вводят в дренажную трубу из открытого коллектора, через шурф или смотровой колодец и размывают наилок.

 

Рис. 1 - Гидравлический способ очистки: 1 - реактивная дренопромывочная головка; 2 - напорный шланг; 3 - дрена; 4 - дренажный колодец

 

Дренажные трубопроводы промывают дренопромывочными машинами. Эти дренопромывщики серийно выпускались для работы в зоне осушения, а значит и рабочие органы рассчитывались и конструировались для промывки труб диаметром 50 мм. Но эти же машины применяют в зоне орошения, где диаметр дренажной трубы 110 мм. В связи с этим, одной из важнейших задач является разработка более совершенного дренопромывочного устройства для промывки ЗГД на оросительных системах. Одним из основных элементов дренопромывочной машины является ее рабочий орган - дренопромывочная головка.

На процесс взаимодействия рабочих органов на наилок влияет огромное количество различных факторов: – конструктивные (геометрические и кинематические) параметры орудия; – физико-механические свойства разрабатываемой среды (состав, плотность, влажность и т.п.); – технология проведения работ. Несмотря на обширную литературу, этот вопрос не имеет однозначного решения. Очевидно, что взаимоувязка всех факторов представляет чрезвычайно сложную задачу, поэтому универсальной формулы не существует и для каждого конкретного случая требуется свой в зависимости от поставленной цели подход.

На основе лабораторных исследований [1] и расчетов представленных в предыдущей публикации [2] можно определить расход воды, необходимый для размыва заданного слоя наносных отложений, а так же скорость истечения жидкости из струеформирующих насадок (СФН). Для этого потребуется установить связь размера диаметра области размыва заданного слоя наносных отложений с поступательной скоростью движения распределительной камеры дренопромывочного устройства (РК ДПУ) в дренажной трубе.

В результате проведенных исследований было установлено, что угол ориентации струеформирующего насадка существенно влияет на гидравлические характеристики дренопромывочного устройства, а так­же на эффективность очистки дренажной трубы от наносных отложений.

Процесс размыва слоя несвязных наносных отложений гидравлической незатопленной струей происходит с определенной фиксированной скоростью. Назовем эту величину скоростью резания (U_рез), связь ее с толщиной слоя наносных отложений имеет следующий вид:

 (1)

где t_{рез -} время необходимое для разработки струей заданного слоя наносных отложений в диаметре воронки размыва

Связь времени t_рез с размывающей скоростью имеет следующий вид:

  (2)

После подстановки (1) в формулу определяющую длину струи   получаем следующее равенство:

  (3)

Условный шаг перемещения РК ДПУ в дренажной трубе связан с размером области размыва. Очевидно, что время резания заданного слоя наносных отложений должно совпадать со временем поступательного перемещения РК ДПУ на фиксированный шаг. Согласно [3] указанная связь может быть представлена в следующем виде:

  (4)

где К_{зап -} коэффициент запаса, учитывающий степень перекрытия промытых областей в процессе поступательного движения РК ДПУ, изменяется в диапазоне 1,5 ¸ 2,0.

U_n - поступательная скорость перемещения рабочей камеры ДПУ в дренажной трубе, составляет

Приравняв правые части формул (2) и (4) и решив полученное равенство относительно диаметра области размыва, с учетом (3) получаем зависимость следующего вида:

  (5)

Необходимая для размыва заданного слоя наносных отложений скорость истечения из СФН U_o может быть найдена из совместного решения равенств   и (5). После математических преобразований получаем выражение для скорости истечения из струеформирующего насадка следующего вида:

  (6)

Размывающую скорость U_р, входящую в полученную зависимость, можно определить по одной из формул русловой гидравлики, например:

  (7)

где d_н - осредненный диаметр частиц наносных отложений;

C_f - коэффициент сопротивления обтекания частицы, согласно [4] равен 1,2;

ρ, ρm - плотность воды и частиц грунта наносных отложений;

g - ускорение свободного падения.

Расход одного струеформирующего насадка Q_o составляет:   (8) где ω₀ - площадь поперечного сечения отверстия струеформирующего насадка, составляет:   (9)

Расчетное количество струеформирующих насадков n_нзр  определится из условия промывки всего внутреннего периметра дренажной трубы. Этому условию отвечает следующая зависимость:

  (10)

Найденное количество СФН является наименьшим, так как не учитывается взаимное перекрытие смежных областей промывки в поперечной плоскости дренажной трубы по ее периметру. Для определения необходимого количества СФН необходимо ввести в формулу (1) перед диаметром воронки размыва коэффициент перекрытия K_п. С учетом этого, зависимость для определения необходимого количества СФН на РК ДПУ (n_нз), принимает следующий вид:

  (11)

В первом приближении значение коэффициента перекрытия можно принять равным  K_п ≈ 2/3.

Тогда расход ДПУ составит

  (12)

а общий объем воды необходимый для размыва заданного слоя наносных отложений по всей длине дренажной трубы за время t_п можно определить по следующей зависимости:

  (13)

Объем воды, необходимый для размыва заданного слоя наносных отложений на длине 1 п.м. дренажной трубы W_1пм, составляет:

  (14)

Таким образом, в результате проведенных расчетов возможно определение количества СФН, а также объема воды необходимого для размыва наилка в полости дренажного трубопровода.

Список литературы / References

1. Долматов Н. П., Михеев А. В. Технико-экономическое обоснование параметров дренопромывочной головки / Н. П. Долматов, А. В. Михеев // Вестник ЮРГТУ (НПИ). Социально-экономические науки. – 2016. – № 2, – С. 53-61.
2. Долматов Н. П. Технико-экономическая эффективность функционирования дренопромывочного устройства в условиях мелиорации земель / Н. П. Долматов, А. В. Михеев, Л. Г. Долматова // Международный научно-исследовательский журнал.-2016. -№ 11(53), - С. 13-17.
3. Мурашко А. И. Защита дренажа от заиления / А. И. Мурашко – М.: Урожай, 1978. – 150с.
4. Абрамович Г. Н. Теория турбулентных струй / Г. Н. Абрамович – М.: Наука, 1984. – 750 с.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Dolmatov N.P., Mikheyev A.V. Tekhniko-ekonomicheskoye obosnovaniye parametrov drenopromyvochnoy golovki [Feasibility Study of Parameters of Drainage Watering Head] // «Vestnik YuRGTU (NPI)». Sotsialno-ekonomicheskiye nauki ["Bulletin of Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI)". Social economic sciences.] - 2016. - No 2 – P. 53-61. [In Russian]
2. Dolmatov N.P., Mikheyev A.V. Dolmatova L.G. Tekhniko-ekonomicheskaya effektivnost funktsionirovaniya drenopromyvochnogo ustroistva v usloviakh melioratsii zemel [Technical and Economic Efficiency of Drainage Watering Device under Land Reclamation Conditions] // Mezhdunarodniy issledovatelskiy zhurnal [International Research journal.] - 2016. - No 11. [In Russian]
3. Murashko A.I. Zashchita drenaga ot zaileniya. [Protection of Drainage against Silting.] - Mn.: Urozhay, 1978 – 150p. [In Russian]
4. Abramovich G.N. Teoriya turbulentnykh struy [Theory of Turbulent Jets.] - M.: Nauka, 1984 - 750 p. [In Russian]