СРЕДСТВА ГИДРОМЕХАНИЗАЦИИ ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ ОТ ДОННЫХ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА

На правах рукописи

СОГИН АЛЕКСАНДР ВАСИЛЬЕВИЧ

СРЕДСТВА ГИДРОМЕХАНИЗАЦИИ ДЛЯ ОЧИСТКИ
ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ ОТ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ

Специальность 05.20.01

«Технология и средства механизации сельского хозяйства»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

МОСКВА – 2011

Работа выполнена на кафедре «Организация и технологии строительства объектов природообустройства» Московского государственного университета природообустройства

Научный консультант		доктор технических наук, профессор Сметанин Владимир Иванович Заведующий кафедрой организации и технологии строительства объектов природообустройства МГУП
Официальные оппоненты		доктор технических наук, профессор Балабанов Виктор Иванович Заведующий кафедрой Механизации растениеводства РГАУ-МСХА им. К.А.Тимирязева
		доктор технических наук, профессор Личман Геннадий Иванович Всероссийский институт механизации сельского хозяйства (ГНУВИМ)
		доктор технических наук, профессор
		Куляшов Анатолий Павлович
		Заведующий кафедрой Строительные и дорожные машины НГТУ им. Р. Е. Алексеева
Ведущая организация		Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации (ВНИИГиМ) им. А.Н. Костякова

Защита состоится _7 июня_ 2011 г. в _15-00_часов на заседании
диссертационного совета Д 212.165.04 при
Московском государственном университете природообустройства по адресу:

Москва, ___________________, ауд. № 2/201

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан ____ __________ 2011 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

Т.И. Сурикова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Экологическая безопасность и рациональное использование водных объектов как источников чистой воды в прямой степени зависит от степени их загрязненности и заиленности донными отложениями. Загрязняющие вещества совместно с поверхностным стоком, образующимся на водосборе, промышленными и бытовыми сбросами, и привносимые из атмосферного воздуха, поступают в водные объекты и по мере их накопления ухудшают их экологическое благополучие и провоцируют интенсивное образование донных отложений. Накоплению органических донных отложений способствует осаждение отмирающей водной флоры и фауны, а также листвы и веток околоводной растительности. Сапропели – донные отложения с содержанием органики более 15% и наличию в них органоминеральной составляющей, делают их прекрасным органоминеральным удобрением.

Количество сапропелевых отложений в водоемах Российской Федерации ежегодно увеличиваются на 1106 м3, а их общий запас исчисляется миллиардами кубических метров. Накопленные в огромных количествах сапропели являются хорошим органо-минральным удобрением и источником органического сырья для сельского хозяйства, промышленности, строительства, медицины.

Известны различные технологические приемы очистки водных объектов от донных отложений, например, ручной, механизированный и гидромеханизированный способы. Однако, в настоящее время, выпуск машин и механизмов для очистки водных объектов в России практически прекращен.

В связи с этим для очистки водных объектов от донных отложений и добычи сапропелей необходимы новые подходы к созданию современных машин и новых технологий.

Цель работы. Разработка научных основ и создание инновационных средств гидромеханизации для очистки водных объектов от донных отложений.

Объекты исследования. На разных этапах работы в качестве объектов исследований являлись донные отложения в водоемах Нижегородской области, рабочие органы и движители мобильных земснарядов «Нижегородец-1», «Нижегородец-2» и «ЗРС-М», а также технологии очистки водоемов от донных и сапропелевых отложений.

Общая методология исследований. В теоретической части работы применены методы теории вероятностей, математической статистики, математического моделирования на ПЭВМ. При математическом моделировании использованы пакеты современных расчетных и моделирующих программ: Excel, MathCAD, MatLAB, конструкторская программа Auto CAD.

Экспериментальные исследования проведены в натурных условиях на опытных и серийных образцах техники для гидромеханизации. Результаты экспериментальных исследований обрабатывались с использованием специального оборудования. Все теоретические исследования и обработка экспериментальных данных выполнены с применением программного обеспечения MS Office и стандартных программ офисного обеспечения.

Разработана и применена новая методология создания землесосных снарядов.

Научная новизна. Разработана новая концепция создания инновационных машин для очистки водных объектов от донных отложений и добычи сапропелей; научно обоснована методика дистанционного определения физико-механических свойств донных отложений в естественном сложении; разработана математическая модель расчета фрезерного рабочего органа земснаряда, учитвающая взаимодействие его с донными отложениями; разработана комплексная методика расчета параметров самопередвижения земснаряда в переходных средах вода-суша.

Достоверность результатов. Экспериментальными исследованиями, проведенными на мобильных земснарядах, опытных образцах, стендах и установках, установлена справедливость физических представлений и теоретических положений, обоснованность допущений и адекватность математических моделей.

Практическая ценность заключается в реализации разработанных методик при проектировании, создании и эксплуатации мобильных землесосных снарядов «Нижегородец-1» и «Нижегородец-2» и создании новой методологии поискового проектирования машин и технологий для очистки водоемов от донных отложений.

Реализация работы. Результаты исследований использованы при создании новых и модернизации существующих технических средств гидромеханизации для очистки водных объектов от донных отложений.

На комплекс технических средств гидромеханизации получены 33 авторских свидетельства и патента, которые реализованы на практике в научно-производственном предприятии «Сапропель».

Под руководством и при участии автора были спроектированы и изготовлены различные модификации земснарядов «Нижегородец», которые успешно выполняют очистку водоемов от донных отложений. В 1987-1995 гг. производилась добыча сапропеля на озере Глуховское в колхозе «Гигант» Шатковского района Нижегородской области.

По заказу организации «Смоленскагропромпроект» (1991 г.) был спроектирован и изготовлен земснаряд для добычи сапропеля, очистки водоемов и добычи песка.

Для научно-исследовательского института измерительных систем (НИИС) Министерства атомной промышленности РФ (г. Нижний Новгород) в 1992 г. спроектирован и изготовлен земснаряд, с помощью которого выполнены работы по добыче сапропеля и очистке водоемов в совхозе «Майский» Вадского района Нижегородской области.

С помощью модернизированной модели производились работы (2002 г.) по добыче песка в р. Кудьма пос. Дружный Богородского р-на Нижегородской области, осуществлялось строительство пожарного водоема в Кудьминской промзоне Богородского района.

По заказу «Главного Федерального Управления инженерных защит Чебоксарского водохранилища» (2003 г.) выполнен большой объем работ по очистке водоотводящих каналов Фокинской сельхознизины Воротынского района Нижегородской области.

На основании выполненных исследований в настоящее время под руководством автора создаются различные типы землесосных снарядов, комплектуемые грунтозаборными устройствами с учетом конкретных природных условий объекта.

При помощи разработанных технических средств гидромеханизации выполнялись работы:

-по очистке водозабора на р. Быстрица пос. Лянгасово Кировской области;

-по совмещенной работе добыче сапропеля и очистке водоема (оз. Глуховское пос. Красный Бор Шатковского района Нижегородской области);

-по очистке каналов инженерной защиты Чебоксарского водохранилища;

-по очистке водохранилища и русел рек (водохранилища на р. Валава г. Лысково Нижегородской области, по восстановлению русла реки Железница г. Выкса Нижегородской области);

-по строительству пожарных и мелиоративных водоемов (пос. Лакша Богородского раона Нижегородской области);

-по строительству рыбоводных прудов Фокинской сельхознизины (пос. Воротынец Нижегородской области);

-по намыву строительных площадок и замыву территории (микрорайон «Водный мир» Автозаводского района г. Нижний Новгород; г. Выкса Нижегородская область строительство трубопрокатного завода);

-при пожаротушении полигона твердых бытовых отходов (пос. Игумново г. Нижний Новгород);

-при намыве песков для строительства дорог (дер. Галкино Балахнинский район Нижегородской области; дер. Чуварлей Дальнеконстантиновский район Нижегородской области).

Проведенные исследования по самоходности землесосных снарядов с применением роторно-винтового движителя позволили разработать технические решения и получить патенты и авторские свидетельства на плавающие рабочие машины (земснаряды), которые в дальнейшем открывают новое направление в создании самопередвижных земснарядов. Получен патент № 42237 на изобретение машины с роторно-винтовым движителем для самостоятельного входа в воду и для самостоятельного передвижения по воде, патент № 39900 для вездеходного малогабаритного земснаряда с комбинированным колесным и роторно-винтовым движителем, патент № 41746 для глубоководной разработки подводных грунтов с самоперемещающейся подводной площадкой на роторно-винтовых движителях, на которой установлено заборное устройство, патент № 41314 для автоматического привода заборного устройства при разработке подводных грунтов.

Получены авторские свидетельства на роторно-винтовые движители (авт. свид. № 551215, 901141, 1205434) и на машины с роторно-винтовым движителем для передвижения по топким грунтам и для работы в переходных средах вода-суша (авт. свид. № 745762, 996254, 1284850), на различные конструктивные решения машин для добычи сапропеля (авт. свид. № 1687790) машины для обезвоживания сапропелевых массивов (авт. свид. № 1250189) и для очистки водоемов (авт. свид. № 1687750), а также на земснаряд (авт. свид. № 1700158) и рабочие органы к земснаряду (авт. свид. № 1738937, 1754852).

На основе теоретических исследований по взаимодействию роторно-винтового движителя с переувлажненными, топкими грунтами и водой предложена конструкция базовой машины для механизации процессов в прудовом рыбоводстве и машина для забора воды из труднодоступных водоемов (авт. свид. № 1123593).

В результате найденных новых технических решений технических средств гидромеханизации, получено 21 авторское свидетельство на изобретения и 7 патентов.

Апробация работы. Отдельные этапы и основное содержание работы докладывались на научно-технических конференциях и семинарах: на Всероссийском семинаре «Торфяные и сапропелевые ресурсы России: проблемы комплексного изучения, рационального использования, структура геологической службы по торфу и сапропелю (г. Н. Новгород, 1999), на научной конференции Нижегородской сельскохозяйственной академии (Н. Новгород, 2001), на Девятых Международных рождественских чтениях на секции «Православие и современная техническая реальность» (Московский энергетический институт — технический университет, 2001 г.), на научно-практической конференции агропромышленного комитета Горьковской области «Повышение плодородия почв в колхозах и совхозах области» (Горький, 1989), на VII зональной конференции кафедр «Трактора и автомобили» сельскохозяйственных вузов Поволжья и Предуралья по вопросам совершенствования конструкции и повышения производительности тракторов, автомобилей и автотракторных средств (Горький, 1982), на научной конференции профессорско-преподавательского состава, научных работников и специалистов сельского хозяйства на тему: «Достижение науки — сельскохозяйственному производству» (Пенза, 1985), на международной научно-технической конференции НГТУ АВТО-НН «Автомобильный транспорт в ХХI веке» (Н. Новгород, 2003), на научно-технической конференции Волжской Государственной академии водного транспорта (Н.Новгород, 2003), на международной научно-технической конференции НГТУ АВТО-НН - 2005 (Н. Новгород, 2005), на международной научно-технической конференции НГТУ «Проблемы транспортных и технологических комплексов» (Н.Новгород, 2008), на всероссийской молодежной научно-технической конференции НГТУ АВТО-НН - 2009 (Н. Новгород, 2009), доклады на IV и V съездах гидромеханизаторов России (Москва, 2006, 2009), на 12-ом Международном научно-промышленном форуме «Великие реки (экологическая, гидрометеорологическая, энергетическая безопасность)"/I C E F в 2010 г.

Отдельные этапы работы опубликованы в виде статей в научно-техническом журнале «Транспортно-технологические машины и комплексы» (Москва-Н. Новгород, 2003, 2004, 2006 г.), в научно-техническом журнале Известия высших учебных заведений «Машиностроение» №5 и №6 2006, в научно-техническом издании Нижегородской научной школы вездеходных, транспортно-технологических комплексов и специального оборудования (Н. Новгород, 2007), в сборниках научных статей «Гидромеханизация -2006» и «Гидромеханизация -2009» по материалам IV и V съездов гидромеханизаторов России (Москва, 2006, 2009).

Квалификационная формула работы. Диссертационная работа является самостоятельной научной работой, в которой на основании выполненных автором исследований изложены положения, которые можно квалифицировать, как совокупность научно обоснованных технических решений, заключающихся в обосновании и разработке научных методов создания средств гидромеханизации для очистки водных объектов от донных отложений. Внедрение технических решений при создании семейства самоходных мобильных земснарядов вносит значительный вклад в решение народно-хозяйственных, социальных и экологических задач при восстановлении и оздоровлении водоемов.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 76 печатных работ, в том числе: 13 работ в изданиях согласно Перечню ВАК РФ, 33 описания изобретений к авторским свидетельствам и патентам.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав, выводов, списка использованной литературы из 334 источников и приложений. Общий объем работы 360 страниц, в том числе текст работы без приложений изложен на 305 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулированы цель, научная новизна и практическая ценность, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрено состояние вопроса и определены задачи исследования.

Вопросам разработки техники и технологии очистки водоемов от донных отложений уделяется большое внимание в работах отечественных и зарубежных ученых. Большой вклад в исследования по добыче сапропеля и оценке экологического состояния водных объектов внесли Б. М. Шкундин, М. Ф. Новиков, Г. А. Нурок, И. М. Ялтанец, Д. В. Рощупкин, А. И. Харин. Достаточно давно известно несколько результативных направлений использования сапропелей и продуктов их переработки, о чем подробно говорится в работах А. И. Фомина, М. З. и Н. В. Лопотко, Н. В. Кислова, С. М. Штина. Работы Д. В. Рощупкина, Б. Е. Романенко, А. И. Харина, С. П. Огородникова, Б. М. Шкундина, позволили установить основные закономерности процесса всасывания и создать высокоэффективные рабочие органы землесосных снарядов.

Основой теоретических и экспериментальных исследований, кроме указанных выше, послужили работы, посвященные процессу резания донных отложений. В работах В. Д. Абезгауза, Г. Н. Синеокова, А. Ш. Рабиновича, А. Н. Зеленина, Ю. А. Ветрова, а также сотрудниками лаборатории гидромеханизации Калининского политехнического института (г. Тверь) С. П. Огородниковым, В. А. Балябиным, И. И. Михеевым рассмотрен ряд вопросов процесса износа и затупления режущих элементов землеройно-добывающих машин.

Теоретическим и экспериментальным исследованиям роторно-винтовых машин посвящены работы ряда зарубежных ученых, например, Дж. Гордона, Х. Дугоффа, Р. Эрлиха, А. Солтынского, Б. Коула и др.

Исследованиям в этой области отводится значительная часть научных работ отечественных ученых: Н.Ф. Кошарного, А.Ф. Николаева, С.В Рукавишникова, В.И. Вологдина, В.И. Захаренкова, А.П. Куляшова, В. А. Шапкина и других ученых Нижегородской научной школы исследования роторно-винтового движителя.

В целом анализ выполненных исследований показал, что к настоящему времени необходимо выработать рекомендации в области модернизации технологий восстановления водных объектов.

В соответствии с поставленной целью и проведенным обзором работ сформулированы основные задачи исследования.

1. Провести количественное и качественное сравнение факторов, влияющих на экологическое состояние водных объектов.

2. Выполнить анализ проблемы создания современных инновационных и энергосберегающих технологий и технических средств, применяемых для очистки водоемов от донных отложений.

3. Провести аналитические и экспериментальные исследования физико-механических свойств донных отложений.

4. Разработать методику дистанционного определения физико-механических свойств донных отложений.

5. На основании экспериментально-теоретических исследований донных отложений обосновать выбор параметров рабочего органа землесосного снаряда.

6. Выработать основы инновационной методологии создания машин и технологий для очистки водоемов от донных отложений.

7. Провести математическое моделирование параметров рабочего органа земснаряда для выявления зависимости геометрических, конструкционных и кинематических параметров в зависимости от физико-механических свойств водно-сапропелевой среды.