автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Разработка электротехнических устройств для добычи удобрений, кормов и песчано-гравийных материалов в агрокомплексах

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ПРИМЕНЕНИЕ ЗЕМЛЕСОСНЫХ СНАРЯДОВ ПРИ ДОБЫЧЕ САПРОПЕЛЯ.

ГЛАВА 2. ДОБЫЧА ПЕСЧАНО-ГРАВИЙНЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ С ПОМОЩЬЮ ЗЕМСНАРЯДОВ.

2.1. Песчано-гравийные смеси.

2.2. Типы землесосных снарядов.

2.3. Технология работы землесо^^дях^^рядов.

2.4. Управление работой землесосного снаряда.

2.5. Пути повышения производительности землесосных снарядов.

ГЛАВА 3. УПРАВЛЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬЮ ЗЕМЛЕСОСНОГО СНАРЯДА.

3.1. Основные понятия и определения.

3.2. Алгоритм управления производительностью.

3.3. Определение максимально достижимой производительности.

3.4. Обработка экспериментальных данных.

3.5. Выводы.

ГЛАВА 4. ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА И КОНСИСТЕНЦИИ ГИДРОСМЕСИ.

4.1. Измерение расхода.

4.1.1. Электромагнитный расходомер.

4.1.2. Гидродинамический расходомер.

4.1.3. Измерение расхода электросолевым методом.

4.2. Измерение консистенции.

4.2.1. Гидростатические грунтомеры.

4.2.2. Гамма - грунтомер.

ГЛАВА 5. ИЗМЕРЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ЗЕМЛЕСОСНОГО СНАРЯДА.

5.1. Метод измерения.

5.2. Измерение толщины снимаемого слоя.

5.3. Измерение скорости перемещения земснаряда.

5.4. Запись глубин и траектории перемещения землесосного снаряда.

Выводы.

Актуальность работы: Комплекс большого числа производственных отраслей, входящих в состав сельского хозяйства определяет разнообразие сельскохозяйственных процессов: по мелиорации и обработке почвы, по растениеводству, по животноводству и многие другие.

Мелиорация, в свою очередь разделяется на три основные группы: мелиорация земель, находящихся в неблагоприятных условиях водного режима; земель, обладающих неблагоприятными физическими и химическими свойствами; земель, подверженных вредному механическому действию воды или ветра. Все эти группы улучшения земель требуют комплексного подхода и связаны с использованием естественных'водных источников и созданием новых искусственных водоемов. Борьба же с оврагами, оползнями и размывом почвы находит применение, как в сельском хозяйстве, так и при разного рода строительствах - дорожном, промышленном, и пр.

Эти задачи осуществляются широкой комплексной системой агротехнических и гидротехнических мероприятий, регулирующих количество и скорость стока вод, а также состояние почв во всем бассейне.

Мелиорация оврагов проводится с целью прекращения роста, закрепления и их хозяйственного освоения. Возможно частичное или полное засыпание оврагов грунтом и дальнейшее насаждение на освоенных землях лесов или садов.

Рыбная мелиорация улучшает на длительный срок биотехнические условия рыбохозяйственного водоема и значительно повышает его продуктивность.

К мелиоративным мероприятиям внутри водоема относят, помимо прочего, углубление водоема, очистка дна от ила, б торфа и посторонних предметов, насыпка минерального грунта, засыпка ям, бочагов и выравнивание рельефа дна. Применяют также устранение избыточных потерь воды на фильтрацию путем покрытия дна водоема водоупорным грунтом.

Практически все перечисленные мелиоративные работы с наибольшей эффективностью могут выполняться с применением землесосных снарядов.

С их помощью проводится также размывка и намывка дамб и плотин, засыпка оврагов, прокладка трубопроводов через водные преграды, добыча нерудных строительных материалов для нужд промышленности и сельского хозяйства, а также добыча сапропелей со дна водоемов для использования их в качестве удобрений или на корм скоту.

За последние годы объём добываемых песчано-гравийных материалов, используемых в сельскохозяйственном строительстве и производстве, а также в промышленности достигает 200 млн.м3 в год.

Добыча органических удобрений - сапропелей со дна водоемов еще не получила достаточно широкого распространения. Однако это очень перспективное направление применения землесосных снарядов как с точки зрения сельскохозяйственного производства, производства удобрений и подкормок, так и с точки зрения природоохранных мероприятий по очистке водоемов.

Ограниченное использование сапропелей и землесосных снарядов для их добычи объясняется, во-первых недостаточной изученностью проблем, связанных с добычей и применением сапропелей, а во-вторых довольно большой стоимостью землесосных снарядов и недостаточным финансированием сельскохозяйственных предприятий, которые готовы использовать эту технику. 7

С развитием речного транспорта, землесосными снарядами выполняется большой объём дноуглубительных работ для обеспечения требуемых габаритов судового хода, создания новых судоходных трасс, и для очистки русел рек. Это также большое поле деятельности для применения землесосных снарядов.

Работа любого земснаряда представляет собой сложную совокупность взаимосвязанных технологических процессов. Изучение закономерностей оперативных перемещений земснарядов, разработки грунта под водой, транспортировки ПГС по трубопроводу необходимо для эффективного использования возможностей существующих земснарядов, а также для совершенствования существующего и создания нового технологического оборудования.

Основным показателем эффективности работы землесосного снаряда является объём извлеченных песчано-гравийных смесей (ПГС) или других материалов за определенный промежуток времени при минимальных затратах.

С производительностью земснаряда непосредственно связаны удельные энергетические затраты, т.е. расход топлива на единицу произведенной продукции. Если земснаряд работает с производительностью меньше эффективной, то это ведет к увеличению удельного расхода топлива и другим негативным последствиям.

Таким образом, изучение технологии и режимов работы машин и механизмов земснарядов с целью создания новых и совершенствования существующих систем управления, повышающих эффективность работы земснарядов, является актуальной задачей.

Использование земснарядов для добычи ПГС, органических удобрений и для дноуглубления различаются по услови8 ям и режимам работы технологического оборудования, по организации и технологии производства работ. Однако, закономерности технологических процессов и большей части оборудования у них аналогичны. Поэтому целесообразно совместное рассмотрение общих технологических процессов с учетом работы земснарядов при добыче ПГС и сапропелей, и при выполнении дноуглубительных и дноочистительных работ.

Цель работы: Различными авторами было показано, что земснаряды практически всегда работают с неполным использованием их технических ресурсов т.к. отсутствуют приборы и устройства для контроля и управления режимами машин и механизмов.

Цель работы достичь наиболее эффективного в конкретных условиях работы режима добычи ПГС и удобрений.

Задача исследований. 1. Разработка элементов и систем электроприводов землесосных снарядов в технологической линии добычи сапропелей, песчано-гравийных смесей и дноуглублении; 2. Исследовании обновлении и разработки методов повышения эффективности и качества, выполняемых ими работ с использованием ЭВМ и средств цифровой техники .

Научная новизна работы. Разработан способ управления режимом работы становой лебедки, обеспечивающий достижение максимально возможной производительности землесосного снаряда в данных конкретных условиях работы.' Разработаны и внедрены алгоритмы управления электроприводом при автоматическом поиске эффективного режима грунтозабора: "шаговый метод" и "стабилизация' расхода" гидросмеси на определенном уровне с автоматическим определением рода и "тяжести" грунта. 9

Предложен новый метод измерения производительности землесосного снаряда путем измерения скорости перемещения земснаряда по траншее и измерения толщины снимаемого слоя грунта с помощью специального цифрового эхолота и вычисление концентрации твердых веществ в гидросмеси для достижения эффективного режима работы грунтозаборного устройства. Применена система ориентации "Створ - 2" для определения местоположений. Разработана методика определения местоположения землесосного снаряда с использованием системы ориентации "Створ - 2". Автоматизированы работы по хранению карты разработок и проведения долгосрочных прогнозов на ЭВМ.

Основные положения, выносимые на защиту.

- наиболее рациональный по производительности режим работы грунтозаборного устройства;

- алгоритмы автоматизированного управления электроприводом становой лебедки, а производительность землесосного снаряда с учетом рода грунта;

- способ измерения производительности землесосного снаряда и консистенции гидросмеси с автоматическим определением рода грунта;

- метод форматирования базы данных массива при записи в ЭВМ траектории перемещения землесосного снаряда в рабочем режиме и при холостых перемещениях с возможностью долгосрочного проектирования участков работы на прорезях и в карьерах.

Практическая ценность результатов работы заключается в следующем:

1. Теоретически исследованы и экспериментально проверены режимы управления с помощью ЭВМ электроприводом ста

10 новой лебедки, позволившие увеличить производительность землесосного снаряда до 25 %.

2. Разработаны и внедрены методы измерения производительности землесосного снаряда и определения консистенции гидросмеси.

3. Автоматизирован процесс записи траектории земснаряда и формирования банка данных для последующего анализа.

4. Теоретические и экспериментальные исследования использованы в учебном процессе на электромеханическом и гидротехническом факультетах Новосибирской государственной академии водного транспорта (НГАВТ). Создана специализированная учебная лаборатория, оснащенная современным оборудованием (системой ориентации "Створ-2", цифровым эхолотом, ПВМ и др).

Обоснованность и достоверность. В связи с производственной направленностью рекомендации проверены и внедрены на землесосных снарядах Обского, Ленского и Волжского водных бассейнов. Предложения по автоматизации технологического процесса дноуглубления и добычи ПГС осуществлены на наиболее мощных землесосных снарядах проекта 1-517-03, проектной производительностью 2500 куб.м. в час, а также рекомендованы для добычи сапропелей менее мощными земснарядами типа ДЭ-650, МЗ-10, ЗГМ-1.

Обоснованность и достоверность полученных в диссертации результатов подтверждается высокой степенью совпадения теоретических и экспериментальных данных. Подтверждена высокая точность совпадения предложенной аппроксимации зависимости расхода гидросмеси от консистенции, на основании которой сформированы режимы управления производительностью землесосного.снаряда, для различных грунтов; определены эффективные расход и консистенция гидросмеси.

12

Выводы.

1. В новых экономических условиях, наряду с использованием крупных землесосных снарядов, возрос интерес к

103 землесосам небольшой производительности для добычи различных материалов со дна водоемов, а также органических удобрений (сапропеля). Кроме того, в сельскохозяйственном производстве такие земснаряды применяют для 'борьбы с оврагами, рекультивации земель и пр.

2. Анализ опыта эксплуатации земснарядов различных типов в различных условиях показывает, что практически все они работают с неполным использованием технических ресурсов по производительности. Только за счет повышения эффективности работы существующего парка земснарядов, производительность может быть повышена до 25 %.

3. Резервы повышения эффективности работы земснаряда лежат в повышении его производительности по грунту. .Это достигают автоматическим управлением электроприводом лебедок по разработанному алгоритму.

4. В настоящее время производительность практически не измеряется ни на одном из серийно выпускаемых земснарядов. Это вызвано тем, что нет приборов, с помощью которых можно было бы надежно и с достаточно высокой точностью измерять консистенцию пульпьк Для автоматизированного управления процессом добычи грунта, разработаны приборы, измеряющие расход и консистенцию гидросмеси, а также позволяющие автоматически определять род грунта.

5. В работе теоретически обосновано и экспериментально доказано, что зависимость производительности от консистенции пульпы носит экстремальный характер. Причем эта зависимость практически не зависит от типа грунтопри-емного устройства, от типа насоса и от добываемых материалов. Максимум производительности достигается при различных соотношениях расхода и консистенции, зависящих от рода грунта. Обеспечить максимум производительности можно

104 только при одновременном измерении расхода и консистенции пульпы. На этом основании разработан алгоритм автоматизированного управления током якоря электродвигателя становой лебедки (управляющее воздействие). Алгоритм внедрен на землесосах проекта 1-517-03 в Обском и Ленском водных бассейнах.

6. Предложен метод измерения консистенции пульпы 5 путем измерения толщины снимаемого слоя грунта и скорости перемещения земснаряда по траншее. Этим методом измеряется производительность по грунту (¡2' а консистенцию ^ необходимую для автоматического управления определяют путем деления производительности по грунту на расход гидросмеси <2СЛ/.

7. Проведенные многочисленные экспериментальные проверки алгоритма, теоретических исследований и методов измерений позволяют сделать вывод о достоверности полученных результатов.

8. Впервые установлена в рубке землесосного снаряда электронная вычислительная машина. Благодаря этому появилась возможность решать задачи, которые без ЭВМ решить практически невозможно. Разработана программа для ЭВМ, с помощью которой запоминаются координаты точек, в которых работал земснаряд, и глубина в этих точках. Это дает возможность долгосрочного планирования карьеров по добыче сапропеля и других материалов. Подсчитывают объём добытого грунта, измеряется производительность, осуществляют автоматическое управление электроприводами оперативных лебедок.

9. Организовано мелкосерийное производство систем ориентации земснарядов "Створ-2", включающие в себя под

1. Автоматизация технологического процесса дноуглубления. Сборник трудов НИИВТа. МРФ РСФСР, НИИВТ. - Новосибирск, 1979 г. - 97 с.

2. Алексеенко А.Г. Основы микроэлектроники. М.: Сов. радио. 1977 г. - 408 с.

3. Антомонов Ю.Г. Автоматическое управление с применением вычислительных машин. JI.: Судпромгиз, 1982 г. - 340 с.

4. Вабиков М.А., Когинсомт A.B. Элементы и устройства автоматики. М.: Высшая школа, 1975 г. - 464 е.,

5. Байцер Б. Архитектура вычислительных комплексов Пер. с англ. /Пер. Селиванова Ю.П., Квасова Б.А. М, Мир, 1974 г,в 2-х т. т.1 - 498 с, т2. - 566 с.

6. Бедрековский М.А., Кручинин Н.С. Подолян В.А. Микропроцессы. М.: Радио и Связь, 1981 г. - 70 с.

7. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. М.: Наука, 1975 г. - 845 с

8. Власов A.A. Техническая эксплуатация дноуглубительного флота. М.: Транспорт, 1970 г. - 99 с.

9. Власов В.Г. Алгоритм вычисления координат земснаряда в подсистеме "Ориентация". Труды НИИВТа, выпуск 145. Новосибирск, НИИВТ, 1979 г. - 129 с.

10. Власов В.Г. Определение начальных координат земснаряда. Труды НИИВТа, выпуск 145. Новосибирск, 1979г. - 32 с.

11. Глушков В.М. и др. Обработка информационных массивов в автоматизированных системах управления. Ки ев, Наукова думка, 1970 г. - 162 с.107

12. Горбунов Д.И. Дноуглубление. М.: Транспорт, 1984 г. - 232 с.

13. Гришанин К.В., Дегтярев В.В., Селезнев В.М. Водные пути. М.: Транспорт, 1986г. - 399 с.

14. Данциг Д. Линейное программирование, его обобщения и применения. М: Прогресс, 1976 г. - 240 с.

15. Джермейн К. Программирование на IBM. М. Мир, 1981г. - 410 с.

16. Дроздов Е.А., Пятибратов А.П. Основы построения и функционирования вычислительных систем. М. : Энергия, 1973 г. - 368 с.

17. Жученко В. А. Новая технология гидромеханизированной добычи и разработки грунтов. М. : Стройиздат. 1973г. - 285 с.

18. Иванов В.А., Лукин Н.В., Разживин С.Н. Суда технического флота. М.: Транспорт, 1982 - 361 с.

19. Иващенко H.H. Автоматическое регулирование. М.: Машиностроение, 1973 г. 185 с.

20. Инструкция по гидравлическому расчету систем напорного гидротранспорта грунтов. /ВНИИГ им. Веденеева. Л.: Энергия, 1977 г. - 81 с.

21. Кальфа В., Овчинников В.В., Рякин О.М. Основы автоматизации управления производственными процессами. М.: Сов. радио. 1980 г. 359 с.

22. Комплексная автоматизация процесса дноуглубления. Сб.: Сборник научных трудов НИИВТ, 198 6 г. 44 с.

23. Комплект приборов для контроля и учета производительности земснаряда проекта 23-110. Техническое описание. Академия наук УССР, институт гидродинамики. Киев, 1976 г. 36 с.108

24. Коханский А.И. и др. Пути повышения эффективности построения тренажеров судовых автоматизированных систем. М.: Судостроение, 1988 г., с 25-27.

25. Кравченко Ж.Я., Власов В.Г. Оценка качества расположения траекторий грунтоприемника траншейного землесоса. Труды НИИВТа, выпуск 14 5, Новосибирск, НИИВ'Т, 1979г. - 129 с.

26. Лукин Н.В. Расчет и проектирование грунтонасос-ных установок речных землесосов. МРФ РСФСР, ГИИВТ. -Горький, 1974 г. 48 с.

27. Лукин Н.В. Характеристики землесосов и эффективные режимы их работы. Труды ГИИВТа, выпуск 110. -Горький, ГИИВТ, 1969 г. 39 с.

28. Меламут Д.Л. Гидромеханизация в мелиоративном и водохозяйственном строительстве. М.: Стройиздат, 1981 г. - 300 с.

29. Мячев A.A. Организация управляющих вычислительных комплексов. М. Энергия, 19 90 г. - 271 с.

30. Огородников С.П. Гидромеханизация разработки грунтов. М.: Стройиздат, 1986 г. - 256 с.

31. Олейников В.А., Зотов Н.С., Пришвин A.M. Основы эффективного и экстремального управления. М.: Высшая школа, 1989 г. - 296 с.

32. Повышение точности определения места земснаряда. World Dradging and Marine Const. May 1988, N5, p. 19-20.

33. Повышение эффективности дноуглубительных работ за счет применения на земснарядах комплексной системы определения местоположения судна и регистрации данных. World Dredging and Marine Const. 1988, May,24, N5. p -13-18.

34. Попов В. И. Терешкин Д. С. Электрооборудование иавтоматизация речных земснарядов. М.: Тр-т. 1980 г. -216 с.

35. Проектирование и эксплуатация дноуглубительной техники. Минречфлот РСФСР. Труды ГИИВТа, Выпуск 10. -Вол-го-Вятское книжное издание. Горький, 1979 г. 151 с.

36. Рощупкин Д.В. Разработка грунтов землесосными снарядами. М.: Транспорт, 1969 г. - 136 с.

37. Силин H.A. Кобернин С.Г. Режимы работы крупных землесосных снарядов и трубопроводов. Киев. Изд. АН УССР, 1962 г. - 215 с.

38. Стариков А. С. Технологические процессы земснарядов. М. : Транспорт, 1989 г. - 289 с.

39. Стариков А. С. Технология работы речных земснарядов. М. : Транспорт, 1969 г. - 240 с.

40. Суевалов Л.Ф. Самонастраивающиеся системы в судовой автоматике. Л. Судостроение, 1986 г. - 310 с.

41. Уайлд Д. Дж. Методы поиска экстремума. М. Наука, 1967 г. - 216 с.

42. Федоров С.М., Литвинов А.П. Автоматические системы с цифровыми управляющими машинами. М.: Энергия, 1985 г. - 256 с.

43. Фигурнов В.Э. IBM для пользователя. Уфа. ПК "Дегтярев и сын", 1993 г. - 352 с.

44. Харин А. И. Разработка грунтов плавучими землесосными снарядами. М.: Стройиздат, 1966 г. - 235 с.110

45. Чекренев А. И., Гришанин К.В. Водные пути. М.: Транспорт, 1975 г. - 471 с.

46. Шкундин Б.М. Землесосные работы в гидротехническом строительстве. М.: Высшая школа, 1977 г. - 239 с.

47. Э. Кетлин. Программирование на языке Бейсик. Версия True BASIC. Пер. с англ. Т.Г.Никольской и П.П.Сухарева под ред. В.Р. Шапыгина. М: Мир, 19 90 г.

48. Власов Ю.В. Вычисление производительности землесоса.: Сборник научных трудов. Новосибирск: НИИВТ, 1986. - 40 с.

49. Власов Ю.В. Применение радиодальномеров при добыче песчано-гравийных смесей.: Сборник научных трудов. -Барнаул: АлтГТУ, 1996.-72с.

50. Власов Ю.В., Горелов В. П. Использование землесосных снарядов при добыче инертных наполнителей композитов для сельскохозяйственного и промышленного строительства.: Сборник научных трудов. Барнаул: АлтГТУ, 1996. -85 с.

51. Власов Ю.В. Добыча ПГС с помощью землесосов для сельскохозяйственного строительства.: Сборник научных трудов. Барнаул: АлтГТУ, 1996. - 90 с.

52. Власов Ю.В., Горелов В. П. Измерение производительности землесоса.: Сборник научных трудов. Новосибирск: НГАВТ, 1997. - 45 с.

53. Власов В.Г., Власов Ю.В. Расстановка береговых радиостанций в системе ориентации "Створ-2".: Сборник научных трудов Новосибирск: НГАВТ, 1997. - 53 с.

54. Власов Ю.В., Горелов В.П. Автоматическое измерение производительности землесоса. Сборник научных трудов. Новосибирская государственная академия водного транспорта. Новосибирск: 1998 г. - с 7-16.1.l

55. Власов Ю.В. Измерение расхода и консистенции гидросмеси для автоматизированного управления работой землесосного снаряда. Сборник научных трудов. НГАВТ. Новосибирск, 1998 г. с 16-26.

56. Власов Ю.В. Повышение эффективности землесосных снарядов при добычи нерудных материалов со дна рек и озер./ Доклад на научно-технической конференции, посвященной 300-летиюРоссийского флота.: Павлодар, 1996 г. -8с.