Кушнир В.Г., Бенюх О.А.

Костанайский государственный университет им. А.Байтурсынова, Казахстан

ЭТАПЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ВОДОПОДЪЕМНЫХ АГРЕГАТОВ

Ленточные водоподъемники относятся к капиллярным водоподъемным механизмам, т.к. принцип их работы основан на использовании сил молекулярного притяжения поднимаемой воды. Первые документальные упоминания об использовании водоподъемных механизмов подобного типа относятся к Китаю начала I тысячелетия н.э. [1]

Классический ленточный водоподъемник представляет собой бесконечную гибкую ленту перекинутую через два барабана, один из которых - верхний является ведущим, а нижний опускается в воду. Верхнему барабану придается вращение, которое через ленту передается нижнему. Восходящая ветвь ленты за счет сил молекулярного притяжения увлекает за собой вверх слой воды, который сбрасывается с ленты при огибании ей верхнего барабана рис. 1.

Рис 1. Классическая схема ленточного водоподъемника.

Как уже отмечалось, в качестве рабочего органа на современных ЛВ используется прорезиненная лента, однако первые водоподъемники использовали для этих целей цепи, а позднее шнуры.

Впервые о цепном подъемнике упоминается в сочинении Ван Чуна (27-97 г.г.) “Лунь хэн” (“Критические рассуждения”). Однако не исключено, что это устройство существовало в Китае и ранее. Цепной подъемник первоначально использовался для подъема воды и назывался “ступальным колесом” (тачэ). Такое название происходит от того, что в движение он приводился двумя работниками, которые переступали каждый с педали на педаль. Эти педали укреплялись на оси колеса с зубьями, которое тянуло снизу вверх соединенные цепочкой лотки с водой. Внизу находилось другое колесо с зубьями, установленное таким образом, чтобы угол наклона движущейся цепочки с лотками составлял приблизительно 75 градусов. Обычно высота подъема не превышала 5 м.

Рис 2. Примитивная ирригационная установка тачэ. Рисунок из книги Ван Чжэна “Нун шу” (“Книга о земледелии”), изданной в 1314 г.

В средневековом Китае цепные подъемники повсеместно использовались при ирригации, иссушении болот и для подъема питьевой воды. Существовали еще подъемники, позволявшие транспортировать землю и песок, что требовалось при различных строительных работах.

Рис 3. Китайская передвижная ирригационная машина нючэ с бычьим приводом. Рисунок из книги Ван Чжэна “Нун шу” (“Книга о земледелии”), изданной в 1314 г.

При династии Юань водоподъемники уже приводились в действие при помощи силы воды или ветра. Вместо деревянных лотков, соединенных в цепь, которая надевалась на заборное и подающее колеса, часто использовали сосуды, сделанные из толстого бамбука с сохраненной перепонкой. Для мощных водоподъемников использовались заборные и подающие колеса диаметром до 20 м.

Рис 4. Водоподъемник.

Первые европейские цепные подъемники с квадратными поддонами были сделаны в шестнадцатом столетии. В 17 в. В Британском флоте такие подъемники использовались для выкачивания воды из трюмов. Первое упоминание использования цепного водоподъемника в России относится к 1641г. [3]

В 1782г. французский инженер Вера также построил насос по этому принципу, но из-за низкой производительности его изобретение распространения не получило. В качестве рабочего органа он впервые применил шнур. В 1897г. Н.Е. Жуковский предложил использовать в качестве рабочего органа шнур, восходящая ветвь которого для уменьшения срыва воды была заключена в трубу. Жуковский, а также С.П. Шенберг (Киев, 1915) и Л.С. Лейбензон (Москва, 1924) попытались выработать теорию для описания процесса подъема воды шнуровым водоподъемником. В других странах также предпринимались усилия по созданию водоподъемников с использованием в качестве рабочих органов веревок, тросов, веревок с узлами и т.п., однако из-за увеличения объемных потерь (разбрызгивания) при увеличении высоты подъема воды все они не получили сколько-нибудь заметного распространения.

В 1943-1953 гг. в Ташкенте под руководством В.А. Баранова были произведены исследования по использованию в качестве рабочего органа прорезиненной ленты. Дальнейшие исследования В.Н. Машкова (1954-1955 гг.) и А.Г. Еременкова (1958-1961 гг.) подтвердили выгодное отличие плоского прорезиненного ремня от шнура для использования в качестве рабочего органа для водоподъемников. На то же время приходится начало серийного производства ЛВ для нужд сельского хозяйства средне-азиатских республик и Казахстана. [2]

С момента появления ленточного водоподъемника и по настоящее время не прекращаются исследования направленные на изучение как отдельных процессов происходящих при подъеме воды таким способом, так и на совершенствование конструкции и выборе оптимальных параметров работы ленточного водоподъемника. Все виды исследований по этому направлению условно можно разделить на следующие виды:

а) исследования направленные на совершенствование отдельных узлов

б) исследования направленные на оптимизацию параметров как отдельных узлов, так оптимизацию режимов работы ленточного водоподъемника;

в) исследования по изменению принципиальной схемы ленточного водоподъемника.

Несмотря на кажущуюся простоту, при работе ленточного водоподъемника происходят довольно сложные процессы, которые выдвигают подчас противоречивые требования как к конструкции самого водоподъемника, так и к режимам его работы. Остановимся на наиболее примечательных из них.

Лента, как уже было сказано выше, является рабочим органом водоподъемника. Основные исследования в этой области были направлены на изучение возможности повышения слоя воды на ленте (и как следствие – повышения производительности), а также на изучение прочностных характеристик ленты. При решении первой задачи были предложены различные виды перфорации ленты, при этом производительность ленточного водоподъемника повышалась, однако перфорация отрицательно сказывалась на сроке службы ленты. Для решения второй задачи предлагалось применять различные материалы для изготовления ленты (шерсть, многослойный прорезиненный бельтинг, лавсановая основа и т.д).

Довольно много исследований относится к совершенствованию конструкции ведущего барабана. Целью исследований, как правило, было улучшение сцепных свойств барабана и ленты (применение шипов, поперечных пластин и т.п.), а также улучшение отвода воды из пространства между лентой и барабаном для уменьшения взаимного проскальзывания. Для решения последней задачи проводились опыты по использованию армированных барабанов, перфорированных ободов, ободов с водоотводящими каналами, а также барабанных дисков с криволинейной поверхностью.

Как правило, все конструктивные усовершенствования имели двойственный характер, т.е. при их использовании улучшались одни параметры и ухудшались другие (например перфорация ленты повышала производительность ленточного водоподъемника, но снижала износостойкость ленты), поэтому часто приходилось решать задачи оптимизации тех или иных параметров. Исследования в этой области проводились в направлении оптимизации параметров отдельных узлов (оптимальный рисунок перфорации, оптимальный диаметр ведущего барабана, оптимальный угол обхвата ведущего барабана лентой, оптимальный вес груза), а также оптимизировались сами режимы работы ленточного водоподъемника (скорость ленты, глубина погружения, высота подъема и т.д.). [4]

Немало работ посвящено улучшению принципиальной схемы ленточного водоподъемника. В основном, разработчики решали задачу повышения производительности путем использования двух ведущих барабанов, двух лотков для сбора воды с разных сторон ленты, использовали различные поджимные и отклоняющие ролики, а также водосборные пластины различных конструкций. Как правило, критерием для оптимизации вновь созданных конструкций выступала производительность и потребляемая мощность.

ЛИТЕРАТУРА

1. Машков В.Н. Исследование ленточных водоподъемников и некоторые вопросы их эксплуатации на шахтных колодцах в пустынях Средней Азии. Автореферат дис. канд.техн.наук.-Ташкент, 1958.

2. Каплан Р.М., Каскарауов И.А. К исследованию ленточных водоподъемников для пастбищных скважин. Вестник с/х науки.-Алма-Ата, 1971.-№7.

3. Кульпин П.И. , Нечаев В.А, Нечаев Б.В. Экспериментальные исследования

водоподъемника с повышенной скоростью движения ленты. Механизация работ в животноводстве. Сб. научных работ. Саратовский СХИ.–Саратов, 1975,

вып.43.

4. Батурин А.Т. и др. Детали машин. Машиностроение – М., 1971