Показатели надёжности и основные виды отказов элементов систем капельного орошения

УДК 631.347:631.674.6

ПОКАЗАТЕЛИ НАДЁЖНОСТИ И ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ОТКАЗОВ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМ КАПЕЛЬНОГО ОРОШЕНИЯ

INDICES OF RELIABILITY AND KEY TYPES FAILURES OF ELEMENTS OF DROP IRRIGATION SYSTEMS

А.Д. Ахмедов, доктор технических наук, профессор Е.Э. Джамалетдинова, аспирант В.А. Шкода, аспирант

A.D. Akhmedov, E.E. Dzhamaletdinova, V.A. Shkoda

Волгоградский государственный аграрный университет Volgograd State Agrarian University

В условиях эксплуатации на надёжность (работоспособность) элементов систем капельного орошения, как и других оросительных систем, могут влиять различные факторы, которые делятся на объективные и субъективные. Учитывая особенность капельного орошения, мы рас-сматрели в данной статье основные виды и классификации отказов систем капельного орошения. Бесперебойная работа всякой системы гарантируется не бесконечно. В результате длительной эксплуатации системы отдельные её элементы стареют и изнашиваются, что может быть причиной её отказа. К таким элементам можно отнести отдельные элементы насосной станции, запорно-регулирующие элементы распределительно-поливной сети и др. Анализируя полученные результаты, можно отметить, что все виды и классификации отказов носят случайный характер. На основе их учёта мы установили основные виды отказов элементов систем капельного орошения. Установлено, что под отказом оросительных систем, в том числе и систем капельного орошения, понимается нарушение ее работоспособности, обусловленное отказом одного из элементов, вследствие которого система частично или полностью не может выполнять свою функцию в заданном интервале времени. Так, при проведении исследований с применением капельного полива не было обнаружено выхода из строя капельницы, отстойника, распределительного и участкового трубопроводов, т.е. коэффициент надежности этих элементов за рассматриваемый период приблизительно равняется единице. На основе полученных данных построен график зависимости вероятности безопасной работы капельницы от мутности оросительной воды при разных диаметрах поливного отверстия. На основании данного графика установлена вероятность ее безотказной работы (коэффициент надежности) в зависимости от мутности оросительной воды и крупности твердых частиц, которые колеблются в пределах 90 - 98 % от их допустимого количества.

Under operating conditions, the reliability (efficiency) of elements of drip irrigation systems, as well as other irrigation systems, can be influenced by various factors, which are divided into objective and subjective. Taking into account the peculiarity of drip irrigation, in this article we consider the main types and classifications of refusals of drip irrigation systems. The uninterrupted operation of any system is not guaranteed indefinitely. As a result of prolonged operation of the system, some of its elements become old and wear out, which may be the reasons for its failure. These elements include separate elements of the pumping station, shut-off and regulating elements of the distribution and irrigation network, etc. Analyzing the results obtained, it can be noted that all types and classifications of failures are random. Based on their accounting, we have established the main types of failures of elements of drip irrigation systems. It is established that under the refusal of irrigation systems, including drip irrigation systems, is a violation of its performance due to the failure of one of the elements, due to which the system partially or completely can not perform its function in a given time interval. So, during the research with the use of drip irrigation, there was no breakdown of a dropper, a settler, a distribution and district pipeline, i.e. the reliability factor of these elements for the period under consideration is approximately equal to unity. On the basis of the obtained data, a plot is constructed of the probability of safe operation of the dropper from the turbidity of the irrigation water at different

diameters of the irrigation opening. As a result of this schedule, the probability of its failure-free operation (reliability factor) is established, depending on the turbidity of the water and the particle size, which range from 90 to 98% of their allowable amount.

Ключевые слова: капельное орошение, надежность, виды отказов, классификация отказов, характерные признаки отказа, причина возникновения отказа.

Key words: drip irrigation, reliability, types of failures, classification of failures, characteristic signs of failure, cause of failure.

Введение. Надежность (безотказность) любых систем в основном зависит от тех элементов, которые составляют данную систему. Следовательно, при выходе из строя отдельных этих элементов (авторегулятор постоянного расхода, насосная станция, соро-собирающая сетка, отстойник, магистральный, распределительный, участковый и поливной трубопроводы, капельница, соединительные и регулирующие арматуры) система капельного орошения может находиться в состоянии отказа [1, 3, 5].

Отказ - это случайное событие, после наступления которого дальнейшая эксплуатация данного элемента без проведения восстановительных работ невозможна. Например, при отказе авторегулятора постоянного расхода нарушается работоспособность данного элемента, поэтому невозможно обеспечить равномерно подачу воды систем капельного орошения. Под отказом насосной станции понимается событие, при котором количество работоспособных насосных агрегатов в определенном интервале времени не может обеспечить в нужном количестве подачу воды [2, 10, 7, 11].

Отказами магистрального напорного трубопровода, распределительного, участкового и поливного трубопроводов считаются поломки и разрушения трубопроводов.

Материалы и методы. Оценку работоспособности капельницы, согласно рекомендациям Науменко И.И., Токар А.И., можно провести по коэффициенту равномерности распределения расхода воды капельницами [9, 8]. Согласно их рекомендациям, отказ капельниц и поливного трубопровода можно принять за событие, при котором коэффициент равномерности полива Кр < 0,50 и коэффициент изменения среднего расхода поливного трубопровода Кэ >0,50.

Различают три типа отказов:

1) отказы в начале эксплуатации в период освоения техники - они устраняются при временной эксплуатации, испытаниях и вводе в действие (приработка техники);

2) отказы вследствие износов отдельных элементов в системе (старение) - они устраняются заменой элементов до износа;

3) отказы вследствие переменных условий и концентрации нагрузок - это случайные отказы, которые оцениваются по законам больших чисел, они устраняются резервированием и улучшением конструкций.

По каждому типу отказов собираются статистические данные на основании испытаний в процессе эксплуатации, по которым оцениваются фактические распределения измеренных величин и подбираются соответствующие закономерности из теории случайных процессов.

При определении надежности систем капельного орошения в первую очередь необходимо определить виды отказов и классифицировать их по определенной схеме. Далее необходимо определить те количественные характеристики, которые являются показателем надежности [5].

Результаты и обсуждение. Рассмотрим возможные виды отказов каждого элемента системы капельного полива в отдельности (таблица 1).

382

ИЗВЕСТИЯ

№ 2 (50) 2018

Таблица 1 - Возможные виды отказов элементов капельного полива

№ п/п Элемент систем капельного полива Причины возникновения, признаки отказа

1 Насосная станция Отказ происходит в результате поломки трубопроводной арматуры, сгорели пускатель или обмотка двигателя, пришло в негодность рабочее колесо насоса и др.

2 Авторегулятор постоянного расхода Вследствие выхода его из строя нарушается подача постоянного расхода воды.

3 Напорный магистральный трубопровод Отказами этого узла являются поломка трубопровода, разгерметизация соединений, течь воды через трубопроводную арматуру и др.

4 Узел очистки - отстойник и кассетный фильтр и (или) сорособираюшая сетка Основными видами отказов узла очистки являются недо-очищение поливной воды и порча (разрыв) сорособираю-щей сетки.

5 Шаровой кран К отказу этого элемента можно отнести выход его из строя, следствием которого является невозможность регулирования расхода воды и утечка.

6 Капельницы Исследования показали, что в капельницах в период проведения поливов мутной водой характерным видом отказов является уменьшение ее расхода от первоначального или полное закупоривание поливного отверстия. В межполивные периоды наблюдались случаи засорения капельницы паутиной, оставляемой клещами.

Объекты гидромелиоративных систем по уровню надежности можно классифицировать по двум группам. Те объекты, отказы которых недопустимы, относятся к первой группе. Такие объекты требует огромных материальных затрат и не могут длительное время функционировать. Те объекты, которые на долговременный период выходят из строя, но не приводят к колоссальным материальным ущербам, относятся ко второй группе. Согласно данным предпосылкам, системы капельного орошения по надежности можно отнести ко второй группе.

Для определения показателей надежности любых систем необходимо учитывать те восстанавливаемые и невосстанавливаемые элементы, из которых это система состоит.

При установлении критерия надежности в первую очередь проанализируем невосстанавливаемые элементы. Следовательно, вероятность безотказной работы Р (t) будет вычисляться по формуле:

P

где Т - время непрерывной безотказной работы; t - определенное время, заданное в условиях эксплуатации.

Учитывая статистические данные об отказах, вероятность безотказной работы можно оценивать следующим выражением:

N0-n

P

N0

где N0 - число элементов в начале испытаний; n(t) - число отказавших элементов за время i.

Учитывая формулы (1), (2) и преобразуя их, вероятность безотказной работы элемента можно выразить в следующем виде:

P(t) = ехр - j*A(t)dt |,

где A(t) - интенсивность отказов.

Тогда выражение интенсивности отказов вычисляется по формуле:

Я

V У NCpAt P(t)' V '

.. Ni+Nl+1 + —+Nl+n _ ..

где NCp =----среднее число исправно работающих элементов; Ni - число элементов, исправно работающих в начале интервала At; N{+1 - число элементов, исправно работающих в конце интервала At; n(At) - число отказавших элементов в интервале времени; a(0 = Jj(A) -частота отказов.

Формулы (4) иногда называют и основным уравнением надежности.

В целом для восстанавливаемых систем, как отмечалось выше, с учетом первого отказа изложенные критерии также применимы.

При эксплуатации элементов для достижения высокой надежности систем необходимо в течение длительной эксплуатации этих элементов провести своевременную замену до момента отказа. Следовательно, чем выше надежность, тем ниже интенсивность отказов.

Учитывая вышеизложенные предпосылки, приведенные формулы можно изобразить в виде кривой зависимости интенсивности отказов элементов систем от времени эксплуатации, которая представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 - График кривой зависимости интенсивности отказов элементов оросительной системы от времени

Из графика видно, что средняя долговечность элементов оросительной системы можно разделить на три периода:

1) от 0 до 1 - период приработки;

2) от 1 до 2 - период нормальной работы;

3) от 2 до 3 - период износа.

Значение интенсивности отказов в период приработки достаточно велико. Поэтому дефектные элементы в этом периоде очень часто выходят из строя. Когда интенсивность отказов начинает снижаться, наступает период нормальной эксплуатации системы. Если еще не наступает износ, но происходят внезапные отказы, то тогда интенсивность отказов растет постоянно.

По результатам проведенных исследований нами выявлены основные факторы, определяющие эксплуатационную надежность системы капельного орошения. Их условно можно разделить на три группы (рисунок 2).

ИЗВЕСТИЯ'

№ 2 (50) 2018

Рисунок 2 - Структурная схема основных факторов, влияющих на эксплуатационную

надежность системы капельного орошения

Рассмотрим некоторые классификации отказов технических систем [2, 4, 7, 12].

Отказ по причине возникновения и по характеру проявления может быть: внезапный, постепенный, зависимый, полный, устойчивый, частичный, самоустраняющий, скрытый (неявный), конструкционный, производственный, эксплуатационный, старение (износ), механический и биологический.

Анализируя все виды отказов и учитывая некоторые особенности эксплуатации систем капельного орошения, мы считаем необходимым классифицировать отказы по следующим девяти признакам (таблица 2).

Таблица 2 - Классификация отказов систем капельного орошения

Группа классификации Классификационный признак Отказ

1 Характер появления Внезапный, постепенный

2 Время возникновения Приработочный, период проведения поливов, межполивной период и период хранения

3 Причина возникновения Конструкционная, биологическая, эксплуатационная, производственная, механическая, износная, причина не установлена

4 Последствия Частичный и полный срыв программы полива

5 Взаимосвязь Независимый, зависимый

6 Сложность устранения Первая, вторая и третья группа сложности

7 Способ устранения Самоустраняющийся, с восстановлением и/или с заменой элемента

8 При расчёте нет необходимости учёта показателей надёжности Отказы, устраняемые при ремонте и при плановом техническом обслуживании системы. Отказы, возникающие по вине обслуживающего персонала, а также отказы, появляющиеся вследствие срыва энергосбережения

9 Частота возникновения Единичный, повторяющийся

В целом все эти виды классификации и отказов элементов систем капельного орошения носят случайный характер. Следовательно, их учет дает возможность при эксплуатации таких систем установить критерии отказов элементов.

Таким образом, за период проведения нами исследования не обнаружено ни единого отказа в работе распределительного и участкового трубопроводов, отстойника, капельницы, т.е. за рассматриваемый период коэффициент надежности этих элементов равнялся единице (Р(г) = 1,0). Следовательно, устанавливая закон распределения показателей надежности, сравнительно легко можно провести контроль надежности в период эксплуатации.

С целью определения безотказной работы основного элемента систем капельного орошения, лимитирующего надежность системы - капельного водовыпуска, нами проводились исследования при разных диаметрах водовыпускного отверстия в зависимости от мутности оросительной воды. Результаты полученных данных показаны в таблице 3 и на рисунке 3.

Таблица 3 - Влияние диаметра водовыпускного отверстия и мутности оросительной воды на вероятность безотказной работы капельницы

а = 1,0 а = 1,5 а = 2,0

Мутность воды р, г/л Вероятность безотказной работы капельницы Р

0,0 0,99 0,0 1,0 0,0 1,0

0,2 0,98 0,2 1,0 0,2 1,0

0,4 0,95 0,4 0,995 0,4 1,0

0,6 0,93 0,6 0,985 0,6 0,998

0,8 0,9 0,8 0,98 0,8 0,99

1,0 0,87 1,0 0,96 1,0 0,98

1,2 0,82 1,2 0,94 1,2 0,97

1,4 0,77 1,4 0,90 1,4 0,96

1,6 0,71 1,6 0,87 1,6 0,95

1,8 0,64 1,8 0,83 1,8 0,93

2,0 0,58 2,0 0,80 2,0 0,91

Анализируя рисунок 3, следует отметить, что крупность твердых частиц во всех опытах не превышала 1/3 части диаметра водовыпускного отверстия dOTв. При одинаковой степени мутности с увеличением диаметра капельного водовыпуска повышается работоспособность последнего.

При изменении диаметров капельного водовыпуска от сСлв = 1,0 мм до сСлв = 2,0 мм с мутностью поливной воды 2,0 г/л работоспособность капельного водовыпусков повышается от 58 до 96 % соответственно. Согласно структурной схеме надежности систем капельного орошения, из вышесказанного следует, что коэффициент надежности в большинстве случаев равняется единице или приближается к ней. Анализируя данные, с учетом вероятности безотказной работы, из графика видим, что коэффициент надежности систем капельного орошения при диаметрах ё=1,5 мм и ё=2,0 мм водовыпускного отверстия изменяется в пределах: Р(1) = 0,80.. .1,0, что больше рекомендуемой 0,798.

***** ИЗВЕСТИЯ ***** № 2 (50} 2018

НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

1,2

3 0,4

и о Я

о. <а И

о I 1 1 1 1 I 1 1 1 1 I 1 1 1 1 I 1 1 1 1 I 1 1 1 1

0 0,5 1 1,5 2 2,5

Мутность воды р, г/л

♦ с! = 1,0 Вероятность безотказной работы капельницы Р (I) -•-(1=1,5 Вероятность безотказной работы капельницы Р (г) —А—(1-2,0 Вероятность безотказной работы капельницы Р (М

Рисунок 3 - График зависимости изменения вероятности безотказной работы капельницы от мутности воды при разных диаметрах водовыпускного отверстия:

d=1,0 мм, d=1,5 мм, d=2,0 мм

По результатам математической обработки полученных данных можно установить следующие уравнения регрессии в виде:

при d = 1,0 мм; у = - 0,205 • Х + 1,036; R2 = 0,953;

при d = 1,5 мм; у = - 0,105 • Х + 1,037; R2 = 0,892;

при d = 2,0 мм; у = - 0,044 • Х + 1,015; R2 = 0,898.

Из вышеперечисленных уравнений видно, что корреляционная связь в изучаемых пределах адекватно описывает процесс влияния диаметра водовыпускного отверстия и мутности оросительной воды на вероятность безотказной работы капельницы, поскольку фактические полученные данные коэффициентов корреляции, стремясь к единице, значительно превышают теоретические граничные значения:

Rсв = 0,898. ..0,953 > Ro,5 = 0,7.

Заключение. На основании выполненных исследований можно сделать следующие выводы:

- установлены основные критерии отказа разработанных конструкций и систем капельного орошения, выявлены основные причины возникновения отказов и классифицированы;

- как показывают исследования, отказы элементов системы капельного орошения носят случайный характер, но их учет способствует прогнозированию их эксплуатационного ресурса;

- обоснована надежность работы систем капельного полива и экспериментально уточнено влияние диаметра водовыпускного отверстия и мутности оросительной воды на вероятность безотказной работы капельницы.

Библиографический список

1. Ахмедов, А.Д. Особенность оценки равномерности водораспределения в низконапорных системах капельного орошения [Текст] /А.Д. Ахмедов, Е.Ю. Галиуллина // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. - 2012. - № 3 (270). - С. 174-179.

2. Ахмедов, А.Д. Показатели надежности (работоспособности) систем капельного орошения [Текст] /А.Д. Ахмедов // Технологии и технические средства в мелиорации: юбилейный Междунар. сбор. науч. трудов, посвященный 50-летию начала реализации широкомасштабной программы мелиорации земель и 50-летию образования ВНИИ «Радуга». - Коломна, 2017. - С. 20-24.

3. Бородычёв, В.В. Современные технологии капельного орошения овощных культур [Текст]: монография / В.В. Бородычёв. - Волгоград, 2010. - 241 с.

4. Журба, М.Г. Капельное орошение: проблемы чистой воды и надёжности капельниц [Текст] / М.Г. Журба // Гидротехника и мелиорация. - 1982. - № 7. - С. 37-38.

5. Икромов, И.И. Анализ факторов, влияющих на надёжность (работоспособность) элементов системы микроорошения [Текст] / И.И. Икромов, М. Рахимов // Сб. науч. тр. Тадж. аграр. универ. - Душанбе, 2001. - С. 147-150.

6. Мирцхулава, Ц.Е. О качестве, надёжности оросительных систем и о прогнозе ущерба от снижения уровня надёжности [Текст] / Ц.Е. Мирцхулава // Доклады ВАСХНИЛ, 1977. - № 12. - С. 33-35.

7. Науменко, И.И. Гидравлические исследования надёжности капельных оросительных систем [Текст] / И.И. Науменко, А.И. Токар // Гидравлика и гидротехника. - 1985. - № 40. - С. 52-56.

8. Науменко, И.И. Оценка надёжности работы капельниц [Текст] / И.И. Науменко, А.И. Токар // Мелиорация и водное хозяйство. - 1986. - № 65. - С. 84-87.

9. Рекомендации по исследованиям надёжности и работоспособности элементов систем капельного орошения [Текст] / И.И. Науменко, А.М. Сидоренко, З.Р. Маланчук, А.И. Токар // НТД 33.03.002 - 86. - К.: Укргипроводхоз, 1986. - 68 с.

10. Современные перспективные водосберегающие способы полива в Нижнем Поволжье [Текст]: монография / М.С. Григоров, А.С. Овчинников, Е.П. Боровой, А.Д. Ахмедов. -Волгоград: ФГОУ ВПО Волгоградская ГСХА, 2010. - 244 с.

11. Токар, А.И. Гидравлическая надежность капельниц [Текст] / А.И. Токар // Рекомендации по внедрению техники и технологии производства в области мелиорации и сельского хозяйства: сб. научн. трудов. - Равно, 1984. - С. 9-13.

12. Ясониди, О.Е. Долговечность и надежность работы систем капельного орошения [Текст] / О.Е. Ясониди, В. Калинин, Н. Бредихин // Труды НИМИ. - Т. 19. - Новочеркасск, 1979. - С. 29-34.

Reference

1. Ahmedov, A. D. Osobennost' ocenki ravnomernosti vodoraspredeleniya v nizkonapomyh sistemah kapel'nogo orosheniya [Tekst] /A. D. Ahmedov, E. Yu. Galiullina // Izvestiya Nizhnevolzh-skogo agrouniversitetskogo kompleksa: nauka i vysshee professional'noe obrazovanie. - 2012. - № 3 (270). - S. 174-179.

2. Ahmedov, A. D. Pokazateli nadezhnosti (rabotosposobnosti) sistem kapel'nogo orosheniya [Tekst] /A. D. Ahmedov // Tehnologii i tehnicheskie sredstva v melioracii: yubilejnyj Mezhdunar. sbor. nauch. trudov, posvyaschennyj 50-letiyu nachala realizacii shirokomasshtabnoj programmy melioracii zemel' i 50-letiyu obrazovaniya VNII "Raduga". - Kolomna, 2017. - S. 20-24.

3. Borodychjov, V. V. Sovremennye tehnologii kapel'nogo orosheniya ovoschnyh kul'tur [Tekst]: monografiya / V. V. Borodychjov. - Volgograd, 2010. - 241 s.

4. Zhurba, M. G. Kapel'noe oroshenie: problemy chistoj vody i nadjozhnosti kapel'nic [Tekst] / M. G. Zhurba // Gidrotehnika i melioraciya. - 1982. - № 7. - S. 37-38.

5. Ikromov, I. I. Analiz faktorov, vliyayuschih na nadjozhnost' (rabotosposobnost') jelementov sistemy mikroorosheniya [Tekst] / I. I. Ikromov, M. Rahimov // Sb. nauch. tr. Tadzh. agrar. univer. -Dushanbe, 2001. - S. 147-150.

6. Mirchulava, C. E. O kachestve, nadjozhnosti orositel'nyh sistem i o prognoze uscherba ot snizheniya urovnya nadjozhnosti [Tekst] / C. E. Mirchulava // Doklady VASXNIL, 1977. - № 12. -S. 33-35.

7. Naumenko, I. I. Gidravlicheskie issledovaniya nadjozhnosti kapel'nyh orositel'nyh sistem [Tekst] / I. I. Naumenko, A. I. Tokar // Gidravlika i gidrotehnika. - 1985. - № 40. - S. 52-56.

8. Naumenko, I. I. Ocenka nadjozhnosti raboty kapel'nic [Tekst] / I. I. Naumenko, A. I. Tokar // Melioraciya i vodnoe hozyajstvo. - 1986. - № 65. - S. 84-87.

9. Rekomendacii po issledovaniyam nadjozhnosti i rabotosposobnosti jelementov sistem kapel'nogo orosheniya [Tekst] / I. I. Naumenko, A. M. Sidorenko, Z. R. Malanchuk, A. I. Tokar // NTD 33.03.002 - 86. - K.: Ukrgiprovodhoz, 1986. - 68 s.

10. Sovremennye perspektivnye vodosberegayuschie sposoby poliva v Nizhnem Povolzh'e [Tekst]: monografiya / M. S. Grigorov, A. S. Ovchinnikov, E. P. Borovoj, A. D. Ahmedov. - Volgograd: FGOU VPO Volgogradskaya GSXA, 2010. - 244 s.

11. Tokar, A. I. Gidravlicheskaya nadezhnost' kapel'nic [Tekst] / A. I. Tokar // Rekomendacii po vnedreniyu tehniki i tehnologii proizvodstva v oblasti melioracii i sel'skogo hozyajstva: sb. nauchn. trudov. - Ravno, 1984. - S. 9-13.

12. Yasonidi, O. E. Dolgovechnost' i nadezhnost' raboty sistem kapel'nogo orosheniya [Tekst] / O. E. Yasonidi, V. Kalinin, N. Bredihin // Trudy NIMI. - T. 19. - Novocherkassk, 1979. - S. 29-34.

E-mail: askar-5@mail.ru