1.2. Современное состояние парка дождевальных машин.

По данным "Обзора по качеству тракторов, сельскохозяйственных, растениеводческих и животноводческих машин" Центральной государственной машиноиспытательной станции (МИС) за 1993 год, составленному по материалам периодических испытаний машин, проведенных МИС и по результатам обследования работы машин в хозяйственных условиях видно, что за 1991 год было испытано 421 образец сельскохозяйственной техники, выпускаемой заводами Российской Фе­дерации, из них 31 машина для орошения, а в 1992году они уже не обследовались.(81]

Преобладающими дефектами, выявленными при испытаниях сель­скохозяйственных машин, являются:

• расхождение технико-экономических показателей с данными ТУ;

• отступление от чертежей и другой научно-технической документации (НТД);

• низкое качество сборки, регулировки, подтяжки крепежа;

• низкое качество окраски и антикоррозионного покрытия, неком­плектность, подтекание топлива, некачественная упаковка;

• низкое качество сварочных работ;

• наличие конструктивных недостатков.

Нами проанализированы данные Департамента мелиорации земель и сельскохозяйственного водоснабжения Минсельхозпрода России, из которых видно, что парк дождевальных машин сократился в 1998 году по сравнению с 1990 годом почти в 2,5 раза, а процент исправных ДМ и установок, имеющихся в наличии в Российской Федерации, катастрофически падает и на данный момент составляет менее 50 % из имеющегося парка машин. Из чего следует, что растет и число отказов, (таблицы 1.2, 1.3).

Рассмотрев наличие и состояние ДМ и установок, мы выбрали объектами исследований машины ДДА-100, "Фрегат", "Волжанка", так как они составляют основной парк поливной техники на современном этапе. В настоящее время эти марки дождевальных машин находятся в производстве.

1.3. Особенности дождевальных машин как систем с точки зрения теории надежности.

В данной работе мы будем рассматривать дождевальную машину как сложную конструктивную подсистему оросительной сети. Хотя удельный вес ДМ как подсистемы ОС невелик, степень их надежности во многом определяет безотказность оросительной системы в целом.

Дождевальная машина - последнее связующее звено в цепочке элементов оросительной системы - "источник орошения - водопотребитель". Основное требование к ней - обеспечить массив орошения заданной поливной нормой, оптимальной для данных эксплуатационных условий.

Специфическая особенность ДМ состоит в том, что это система движущихся узлов и механизмов и их комплектующих, которую можно рассматривать аналогично другим сельскохозяйственным машинам.

Таблица 1.2

Наличие и техническое состояние дождевальных машин и установок в Российской Федерации.

Годы	1990	1991	1992	1993	1994	1995	1996	1997	1998
Наличие, шт.	71303	66490	63345	58350	52697	53176	41332	35461	29880
Исправные, шт.	66469	51626	54169	40397	40533	33941	20380	17425	14430
Процент исправных, %	93	78	85	69	77	64	49	49	48

Таблица 1.3

Парк дождевальной техники по состоянию на 01.01.97.

Машина	Всего		Исправных		С истекшим сроком службы		Площадь орошения
	тыс. шт.	%	тыс. шт.	%	тыс. шт.	%	тыс. га	%
Фрегат	15,1	36,53	7,4	49,01	7,929	52,51	911	36,60
Волжанка	10,7	25,89	5,8	54,21	6,364	59,48	483	19,41
Днепр	1,885	4,56	0,87	46,15	0,515	27,32	141	5,66
Кубань	0,701	1,70	0,32	45,65	0,1	14,27	71	2,85
ДДА-100	6,283	15,20	2,828	45,01	2,898	46,12	597	23,99
ДДН	3,398	8,22	1,523	44,82	1,912	56,27	216	8,68
Прочие	3,265	7,90	1,706	52,25	1,443	44,20	67	2,69
Всего	41,332	100	20,38	49,31	21,561	52,17	2489	100

Процесс функционирования дождевальных машин может быть оценен показателями качества и показателями эффективности ее работы. Показатели оценок работы выбираем с учетом экологических требований. Под уровнем качества функционирования понимается отношение характеристики качества функционирования системы в некотором данном состоянии к соответствующей характеристике в исправном состоянии. В качестве показателя эффективности функционирования системы принимается "выходной эффект", т.е. полезный результат, получаемый при эксплуатации ДМ за данный интервал времени.

Конкретные показатели указанных оценок работы системы выбираются в зависимости от назначения, типа, характера работы. Для оценки качества выполнения основной функции ДМ принимаются расходы подаваемой растениям воды или отношения этих количеств для периодов нарушенного или нормального функционирования.

Дождевальные машины относятся к многофункциональным системам, так как они должны обеспечить подачу заданных количеств воды для различных сельскохозяйственных культур и обеспечить требуемое качество и давление в точках ее отбора из системы.

Под отказами ДМ понимаем события, заключающиеся в нарушении нормального выполнения ею функций водообеспечения орошаемого поля. В результате отказов в ДМ могут происходить следующие виды нарушения нормального количества и качества водообеспечения орошаемого поля: [1] (рис. 1.3) Схема функционирования дождевальных машин как систем с детерминированным и управляемым процессом водообеспечения. Верхняя горизонтальная прямая 1 представляет график подачи заданного (постоянного) расхода; пунктирная линия 2 - график фактической подачи воды системой (при ее исправном состоянии); линия 3 соответствует предельно допустимому уровню временного снижения подачи воды (по условиям технологического процесса); линия 4 - пол­ному прекращению подачи воды.

Рис. 1.3. Схема функционирования системы с детерминированным и управляемым процессом

Рассмотрим:

а)временное снижение подачи, не достигающее предельно допу­стимого уровня.

Пусть длительность этих периодов будетr₁, r₂, r₃; для каждого периода глубина снижения h_i<h_норм, ,(т. е. ниже допускаемой нормами); относительные глубины снижения, т. е. отклонения наибольшего наблюдаемого снижения к допустимому нормами , будут соответственно

h_i /h_норм

В числе показателей качества функционирования могут быть использованы суммарная длительность интервалов подобных снижений за поливной период ; отношение , где Т - общая длительность

периода проведенных наблюдений; средняя глубина снижения

, где n -общее число снижений подобного рода;

б) временное снижение подачи ниже допустимого уровня, т.е. частичные отказы системы.

Длительность их периодовt₁, t₂, …и т.д. ; глубина сниженияh_i>h_норм

Для оценки качества функционирования могут быть получены показатели, аналогичные приведенным в п. "а" (и по длительности и по глубине); в этом случае величинаh_i /h_норм >1;

в)перерывы подачи воды на орошаемое поле.

В качестве оценки функционирования в данном случае может использоваться критерий ∑Т_io (в поливной сезон), а также критерий Ɵ₁, характеризующий эффективность работы системы:

(1.2)

где отношение времени безотказной работы к календарному сроку работы.

Критерий , полученный в результате статистической обработки данных наблюдений, позволяет определить статистическую вероятность безотказной работы ДМ. Если учитывать все виды отказов (недопустимое снижение и перерыв в подаче воды), то соответствующий критерий будет определяться из выражения

(1.3)

Значительно сложнее осуществление оценки качества функционирования систем со случайным и неуправляемым процессом.

Наличие в ДМ большого числа элементов с разным уровнем надежности значительно усложняет расчет ее надежности, так как требует проведения громоздких вычислений вероятностей всевозможных состояний системы. Поэтому ДМ рассматриваем как совокупность подсистем, состоящих из элементов с одинаковой надежностью. Тогда для каждой подсистемы расчет надежности значительно упрощается. Затем возможно объединение подсистем в общую систему и рассматрение надежности ДМ в целом.

При оценке показателей надежности ДМ существует необходимость изучения причин, характера и законов распределения отказов отдельных элементов, разделение отказов по причинам и характеру возникновения при расчете надежности элементов и систем во времени. Большую роль при разработке методов расчета надежности ДМ имеют законы распределения отказов во времени. В настоящее время наиболее детально разработаны методы расчета надежности систем для стационарного пуассоновского потока отказов элементов, который должен удовлетворять трем свойствам: стационарности, отсутствию послед­ствий и ординарности.

Стационарность предусматривает независимость вероятности отказов от времени, отсутствие последствий - независимости отказов в дальнейшем от числа отказов, которые произошли раньше.

Ординарность означает, что вероятность одновременного появления двух и более отказов в некоторый момент времени значительно меньше по сравнению с вероятностью появления одного отказа.

Если рассматривать зависимость интенсивности отказов элементов дождевальных машин от времени эксплуатации, то можно отметить, что на надежность значительно влияют отказы в период приработки и в пе­риод износа, (рис. 1.4)

Рис. 1.4. Характер распределения отказов:

1- период приработки;

2- период нормальной работы;

3- период износа

Промежуток времени от 0 до 1 является периодом приработки элементов. Значение интенсивности отказов в этом периоде достаточно велико. В этом промежутке времени наиболее часто выходят из строя дефектные элементы. Постепенно интенсивность отказов снижается, приближаясь к некоторой установившийся величине , соответствующей следующему периоду, называемому периодом нормальной эксплуатации, когда происходят лишь внезапные отказы, еще не наступил износ. Этот промежуток времени характеризуется постоянным значением интенсивности отказов. Третий интервал несет рост интенсивности отказов, вызванных старением.

В данной работе мы рассматриваем периоды нормальной эксплуатации, то есть срок службы рассматриваемых нами машин находится в пределах от трех до восьми лет.

1.4. Экологический риск при проведении полива дождевальными машинами.

Изучая труды академика Ц.Е. Мирцхулавы по надежности оросительных систем, нельзя не отметить его последние разработки, посвященные проблеме экологических нарушений (предсказаний риска нарушений, мерам по снижению опасности). [70]

Наряду с надежностью на практике используют термин "риск", подразумевая темп реализации опасностей, то есть возможность отклонения от намеченной цели.

Риском считается безразмерная величина от 0 до 1, определяемая как частота или вероятность возникновения одного события при не наступлении другого. Под "риском" часто понимают ожидаемую частоту возникновения или размер ущерба, или же некоторую комбинацию этих величин. Риск - неизбежный спутник почти любого решения, принимаемого человеком.

Предусматривают несколько видов риска. Рассматривая организацию проведения полива дождевальными машинами, остановимся на понятии "экологического риска". [70]

Экологический риск - вероятность неблагоприятных для экологических ресурсов последствий любых антропогенных изменений природных объектов и факторов.

Говоря о поливе сельскохозяйственных культур дождеванием, особого внимания заслуживает вопрос о предотвращении возможности возникновения эрозии почв. Так, еще в 60-е годы академиком Ц.Е. Мирцхулава ставился вопрос о необходимости всестороннего изучения "предельно допустимых норм одного из самых грозных экологических нарушений земельных ресурсов - эрозии, а также надежного безаварийного функционирования объектов".

Например, при поливе дождеванием поверхностный сток возникает наиболее часто на уплотненных участках (колеи сельскохозяйственных машин и агрегатов, дождевальной техники, тропы, полевые дороги). Поэтому система обработки почв на орошаемых землях должна включать мероприятия по борьбе с уплотнением почв сельскохозяйственными агрегатами , а полевые дороги спроектированы вне радиуса действия искусственного дождя. На практике этим вопросам уделяется недостаточное внимание, поэтому при поливе дождеванием имеют место большие потери поливной воды на сток, образование струйчатых размывов, а при поливе дорог даже микро оврагов.

Помимо возникающей водной эрозии при отказах ДМ, отрицательным явлением с точки зрения экологии при эксплуатации является и загрязнение почвы и растений горюче-смазочными материалами при заправке двигателей и смазке узлов машин.

Степень ненадежности ДМ во многом определяет негативные эколого-мелиоративные последствия, которые могут возникнуть при дождевании.

Рекомендации, разработанные по повышению надежности элементов дождевальных машин, мероприятий по ремонту машин, обоснование количества запасных частей помогут избежать появления негативных эколого-мелиоративных последствий , а также обеспечить необходимый уровень выполнения технологического процесса дождевания при использовании имеющегося парка дождевальной техники с привлечением наименьшего количества денежных затрат.

Для разработки мер по сохранению экологической безопасности орошаемого поля требуется: описание симптомов, причин отказов; описание самих отказов: установление состояния, при котором происходят отказы; разработка методов прогноза риска отказов; описание последствий неисправной работы; разработка мероприятий по снижению возникновения аварийных ситуаций. Упрощенный прогноз риска может быть осуществлен с помощью "дерева отказов". При анализе дерева отказов используется алгоритм построения последовательности событий (ветвей дерева), приводящих к нежелательному исходу (событию в вер­шине дерева). Дерево отказов может быть применено для анализа любых последовательностей событий, обуславливающих отказы. При этом на­ряду с оценкой риска можно качественно описать типы неисправностей, то есть пути, которые приводят к отказу. [70] Одним из недостатков этого метода является невозможность количественно оценить относительную важность рассматриваемых состояний ДМ.

Для количественной оценки выхода из строя элементов ДМ, которые являются случайными событиями, используются модели теории вероятностей. Согласно данным наблюдений можно приблизительно предсказать частоту возникновения случайного события, точность предсказания будет зависеть от длины ряда наблюдений, количества выборки и т.д. Прогноз основан на предложении, что события, имевшие место в прошлом, сохраняются и в настоящее время, и в перспективе.

Поэтому для установления возникающего экологического риска при поливе дождеванием нам необходимо не только установить взаимосвязь причин возникновения отказов ДМ, но и классифицировать эти отказы, определить группы их сложности.