Устройство и производительность дноуглубительных снарядов

Дноуглубительные снаряды, независимо от типа и назначения, имеют следующие основные части:

1) корпус, в котором размещается все рабочее, силовое и вспомогательное оборудование снаряда;

2) дноуглубительное устройство (рабочий орган);

3) главную энергетическую установку, приводящую в действие дноуглубительное устройство;

4) палубные механизмы для оперативных перемещений корпуса во время грунтозабора;

5) средства управления работой земснаряда.

7.4.1. Землесосы

На землесосах, как уже отмечалось, используется гидравлический способ отделения грунта от дна и его отвода по трубопроводам к месту отвала. Схема устройства речного землесоса приведена на рис. 7.10, 7.11.

Корпус речного землесоса – простых грубых обводов, имеет вырез (прорезь) для размещения в нем всасывающей трубы с охватывающей ее рамой. Главным рабочим органом землесоса является грунтовый насос центробежного типа, обеспечивающий всасывание водогрунтовой смеси и ее перемещение по грунтопроводам. Насос приводится в действие главным двигателем землесоса. При остановке главного двигателя землесос обеспечивается энергией от вспомогательного дизель-генератора.

Входная часть насоса соединена со всасывающем грунтопроводом, а выходная – с напорным грунтопроводом. Основную часть всасывающего трубопровода составляет наклонная всасывающая труба, поворачивающаяся в вертикальной плоскости. Она через гибкое соединение сообщается с корпусным всасывающим трубопроводом, присоединенным к грунтовому насосу. На конце всасывающей трубы расположен всасывающий наконечник (грунтоприемник). Подъем и опускание наклонной всасывающей трубы на необходимую глубину осуществляется при помощи рамоподъемного устройства.

Напорный грунтопровод состоит из корпусной и плавучей части. К насосу присоединяется вертикально расположенный патрубок, за которым находится имеющее большой радиус кривизны колено, направляющее водогрунтовую смесь (гидросмесь) в горизонтально расположенный участок корпусного грунтопровода. Этот участок размещается на крыше верхней надстройки землесоса. В кормовой части снаряда гидросмесь через два колена и наклонно расположенный грунтопровод, спускается вниз, к месту присоединения плавучего грунтопровода. С напорным корпусным грунтопроводом плавучий трубопровод соединен при помощи двух шаровых соединений. Такое соединение обеспечивает необходимую степень подвижности, как в горизонтальной плоскости, так и в вертикальной, когда землесос по мере расходования топлива начинает “всплывать” по отношению к плавучей части напорного грунтопровода.

Плавучий грунтопровод (рефулер) расположен на понтонах и его отдельные звенья (трубы) соединяются между собой при помощи гибких соединений. Понтон представляет собой два жестко соединенных вместе поплавка. Последний понтон рефулера, называемый концевым, оборудован двумя якорями, тросами и лебедками. Якоря и тросы служат для удержания понтона на месте отвала грунта, для спуска понтона по течению, а также для перемещения понтона в стороны от оси отвала.

Принцип работы землесоса по извлечению и отводу грунта состоит в следующем. Грунтовый насос заливается водой и приводится в действие главным двигателем. С помощью рамоподъемного устройства всасывающая труба заглубляется в грунт. При работе заполненного водой насоса во всасывающей трубе создается вакуум (давление ниже атмосферного). Над грунтоприемником действует атмосферное давление и давление столба воды, соответствующее глубине опускания грунтоприемника. Под действием разницы давлений вода, находящаяся перед грунтоприемником, начинает входить в него с определенной скоростью. Подтекающая к приемнику вода захватывает и увлекает за собой частицы грунта. Пространство вокруг зева (отверстия) грунтоприемника, в пределах которого вода размывает и увлекает грунт, называют сферой всасывания. Смесь частиц грунта с водой (гидросмесь) перемещается по всасывающему грунтопроводу к насосу. В насосе гидросмесь попадает на вращающиеся лопасти рабочего колеса и отбрасывается в начало корпусной части напорного грунтопровода, где создается повышенное (выше атмосферного) давление. Около выходного отверстия плавучего рефулера давление равно атмосферному. Под действием разницы давлений гидросмесь движется по напорному грунтопроводу к месту отвала грунта.

Производительность землесоса по грунту, м³/ч, определяется по выражению

, (7.2)

где: Q_см – расход гидросмеси (производительность землесоса по смеси), м³/ч;

Р – консистенция пористого грунта (содержание грунта в гидросмеси), %;

V_см – скорость движения гидросмеси в напорном грунтопроводе, м/с;

Д_н – диаметр напорного грунтопровода, м.

Содержание грунта в гидросмеси принято характеризовать консистенцией (насыщением). При дноуглублении под консистенцией Р понимают отношение объема грунта вместе с порами (с пористостью, свойственной грунту на дне до его разработки) к объему гидросмеси. Насыщение 15–18% считается удовлетворительным при разработке легких грунтов и 12% – при разработке тяжелых грунтов.

Производительность по грунту у речных землесосов, эксплуатируемых на внутренних водных путях, составляет от 200 до 2500 м³/ч.

Землесосы обычно используются при разработке несвязных, главным образом, песчаных и песчано-гравелистых грунтов. Для работы на связных (глинистых) грунтах землесосы оборудуются механическими разрыхлителями, при помощи которых грунт срезается и подводится к всасывающему отверстию грунтоприемника.

В настоящее время на внутренних водных путях при производстве дноуглубительных работ за пределами судового хода все большее применение получают рефулерные фрезерные землесосы (рис. 7.12, 7.13). Для углубления эксплуатируемых транзитных судовых ходов их не применяют из-за необходимости пропуска судов.

Основной принцип работы такого снаряда состоит в следующем. Землесос, оборудованный фрезой на конце рамы и грунтовыми насосами, выполняет разработку грунта, используя свайно-тросовую систему рабочих перемещений. Фреза отделяет грунт от дна и осуществляет принудительную передачу разрыхленного грунта в зону активного всасывания, откуда он увлекается потоком воды в приемное отверстие всасывающего грунтоприемника, расположенного в полости фрезы. Гидросмесь при помощи грунтовых насосов транспортируется по плавучему трубопроводу к месту укладки отвала грунта.

Отличительной особенностью грунтозаборного устройства свайно-якорного землесоса является наличие прочной металлической рамы, на верхнем поясе которой установлен валопровод механического разрыхлителя.

Нижний конец валопровода несет на своей консольной части механический разрыхлитель. Верхний конец валопровода соединяется через редуктор с двигателем разрыхлителя. Наклонная всасывающая труба размещается внутри рамы. Всасывание гидросмеси осуществляется грунтоприемником, зев которого расположен внутри фрезы разрыхлителя.

Для повышения эффективности грунтозабора и увеличения глубины всасывания на некоторых землесосах применяют погружной насос, установленный на раме. Погружные насосы обычно применяются в комбинации с одним или двумя грунтовыми насосами, расположенными в корпусе снаряда.

Для подъема и опускания грунтозаборного устройства на необходимую глубину нижняя часть рамы через рамоподъемный полиспаст подвешивается к порталу.

Для выполнения рабочих перемещений у фрезерных землесосов используются лишь два носовых боковых якоря и свайное устройство, которое установлено в кормовой оконечности корпуса снаряда (см. рис. 7.12). Свайное устройство той или иной конструкции с помощью погруженной в дно рабочей сваи фиксирует на месте соответствующую точку корпуса. Наматыванием и сматыванием канатов, закрепленных за якоря, достигается поворот земснаряда вокруг зафиксированной точки, вследствие которого грунтозаборное устройство перемещается по дуге окружности.

На современных свайно-якорных землесосах перекладку боковых якорей производят с помощью специальных грузовых стрел, установленных по бортам у носовой оконечности корпуса. Оперативные папильонажные канаты выведены через блоки, укрепленные на раме грунтозаборного устройства.

Для периодической перекладки каждого якоря к его головной части постоянно прикреплен подъемный канат, выведенный через стрелу от отдельной подъемной лебедки.

Технологические особенности разработки грунтов с применением механических разрыхлителей заключается в том, что первичное их отделение от дна осуществляется механическим разрыхлителем, а всасывание образовавшейся гидросмеси – всасывающим наконечником, совмещенным с рыхлителем в одном грунтозаборном узле.

Грунтозаборный узел с механическим разрыхлителем современного земснаряда состоит из режущего органа (фрезы) с приводом, всасывающего грунтоприемника и концевого участка рамы рыхлителя.

В настоящее время наибольшее применение получили фрезерные рыхлители. Это объясняется их простотой в конструктивном и эксплуатационном отношении и высокой эффективностью при разработке грунтов различных типов. В практике дноуглубления наиболее широко применяются нереверсивные фрезерные рыхлители. Они отличаются наличием ножей с односторонней режущей кромкой и поэтому они могут срезать грунт только при одном направлении вращения. Нереверсивные фрезы подразделяются на открытые, закрытые и отвальные (рис. 7.14).

Открытые фрезы отличаются наличием полностью или частично открытой лобовой части фрезы и состоят из ступицы, ножей, спиц, соединяющих ножи со ступицей, и опорного кольца, обеспечивающего пространственную жесткость. Закрытые фрезы отличаются наличием режущих элементов на всей поверхности их контакта с грунтом (в том числе и в лобовой части) и состоят из ступицы, криволинейных ножей и опорного кольца. Закрытые фрезы имеют переднее смыкание ножей на ступице. Отвальные фрезы отличаются от других фрезерных разрыхлителей наличием отвально-направляющих поверхностей, обеспечивающих принудительное перемещение грунта из области резания в область активного всасывания. Конструктивно они состоят из ступицы, отвалов и опорного кольца. В отвальных фрезах отсутствует переднее смыкание ножей (как в закрытых фрезах) и нет спиц (как в открытых), а отвально-направляющие поверхности сопрягаются непосредственно со ступицей.

7.4.2. Многочерпаковые снаряды

Многочерпаковые снаряды эффективно используются при разработке связных и несвязных грунтов (глины, суглинки, песок с включениями камней). Они являются снарядами с механическим способом отделения и подъема грунта. Отделение грунта от дна и его подъем у этих земснарядов осуществляется бесконечной черпаковой цепью, состоящей из соединенных между собой черпаков. У большинства речных многочерпаковых снарядов, извлеченный грунт транспортируется к месту отвала в грунтоотвозных шаландах. Реже грунт удаляется в отвал по длинному лотку-лонгкулуару.

Многочерпаковый шаландовый снаряд состоит из корпуса, рабочего органа, энергетической установки и вспомогательных судовых устройств (рис. 7.15, 7.16).

Основным рабочим органом снаряда является черпаковая цепь, которая размещается в передней части корпуса в его рамной прорези. Черпаковая цепь огибает два барабана – верхний и нижний. Верхний барабан

является ведущим, а нижний – направляющим. Черпаковая цепь приводится в движение верхним барабаном, при этом нижний барабан вращается вхолостую и служит для направления движения черпаковой цепи. Верхний барабан приводится во вращение электродвигателем при помощи черпакового привода, который представляет собой комплекс зубчатых передач. Вращение верхнему барабану от электродвигателя через редуктор передается посредством больших зубчатых колес, посаженых на консольных частях вала барабана. Черпаковый привод размещен на площадке черпаковой башни.

Нижний барабан укреплен на нижнем конце черпаковой рамы. Для размещения барабана конец рамы выполнен в виде развилки, подкрепленной для прочности листами.

Верхний конец черпаковой рамы заканчивается отверстием через которое проходит и закрепляется ось подвеса рамы. На этой оси рама подвешивается к черпаковой башне. Нижний конец рамы на тросах подвешен к рамоподъемной станине и может быть поднят или опущен при помощи рамоподъемной лебедки. Рама снабжена роликовыми скатами, которые поддерживают от провисания поднимающуюся часть цепи с черпаками, наполненными грунтом. Благодаря их наличию уменьшается трение цепи, так как она движется по каткам, вращающимся в подшипниках роликового ската.

Резанье черпаком грунта и его заполнение происходит при вращении черпака относительно оси нижнего барабана. При определенных условиях
резание грунта может происходить и черпаками, идущими в нижней части бухты черпаковой цепи, которые врезаются в грунт под собственным весом.

Черпаки, заполненные грунтом, поднимаются до верхнего барабана, поворачиваются вместе с ним и при опрокидывании опорожняются в грунтовый колодец, расположенный внутри черпаковой башни. В зависимости от положения распределительного клапана, грунт из колодца направляется в лоток правого или левого борта снаряда. По лотку грунт скатывается в трюм грунтоотвозной шаланды, учаленной к борту снаряда.

Обычно загрузку шаланд ведут поочередно с обоих бортов снаряда и их смену осуществляют без прекращения работы снаряда.

Производительность многочерпакового снаряда по грунту, м³/ч, определяется по формуле

, (7.3)

где: W_ч – емкость черпака, м³;

n_ч – число черпаков, проходящих через верхний барабан за минуту;

к_н – коэффициент наполнения черпаков грунтом;

к_р – коэффициент разрыхления грунта после заполнения им черпака.

Коэффициент разрыхления грунта в черпаках – это коэффициент увеличения объема грунта, взрыхляющегося при заполнении черпаков. Он представляет собой отношение объема грунта в разрыхленном состоянии (в черпаке) к объему грунта ненарушенной структуры (на дне). Значения коэффициента зависят от рода грунта: к_р = 1,08÷1,28 для песка; 1,24÷1,30 –галька; 1,08÷1,17 – супесь; 1,30÷1,45 – глина.

Коэффициент наполнения к_н представляет собой отношение объема грунта в черпаке к полной геометрической емкости черпака.Среднее значение коэффициента составляет 0,65÷0,80. При работе на липких глинах наполнение черпаков может снижаться до 0,4–0,6 их полной геометрической вместимости.

Речные многочерпаковые снаряды имеют производительность по грунту от 100 до 500 м³/ч и по численности составляют около половины всего дноуглубительного флота. Они являются незаменимыми при разработке каменистых и засоренных грунтов или необходимости укладки отвала грунта на большие расстояния.

7.4.3. Одночерпаковые дноуглубительные снаряды

На внутренних водных путях применяются одночерпаковые снаряды двух типов: штанговые и грейферные. Они относятся к машинам периодического (циклического) действия. Основным грунтозаборным органом одночерпаковых снарядов является ковш или грейфер.

В цикл одночерпаковых снарядов входят следующие операции: установка ковша (грейфера) над местом погружения в воду; опускание рабочего органа в воду; забор грунта со дна; подъем и поворот рабочего органа в сторону; опорожнение ковша (грейфера); обратный поворот рабочего органа к новому месту забора грунта.

Рабочее устройство штангового снаряда (рис. 7.17, 7.18) состоит из грунтозаборного ковша совкового типа, свайного устройства и оперативных лебедок. Черпаковое устройство работает по принципу экскаватора с прямой лопатой.

Основным органом снаряда является ковш, который жестко закреплен на конце штанги, которую еще называют рукоятью ковша. Штанга проходит через обойму в стреле и опирается на специальный подшипник. Она может передвигаться и вращаться с помощью напорного механизма.

Стрела крепится к поворотной платформе, которая установлена на основании, приваренном к палубе снаряда. Между платформой и основанием располагается поворотный круг. Верхний конец стрелы удерживается в рабочем положении с помощью канатной оттяжки, закрепленной на двух наклонных стойках, установленных у бортов на палубе снаряда. Наклонные стойки удерживаются вантами.

На поворотной платформе установлены напорная, подъемная и грузовая лебедки, которые предназначены для изменения вылета штанги, глубины черпания и подъема и опускания ковша.

Изменение вылета штанги и глубины черпания осуществляется напорным механизмом, состоящим из лебедки, системы канатов и блоков, установленных как на штанге, так и на стреле. Запасовка канатов напорного механизма выполнена таким образом, что независимо от положения штанги, канаты всегда остаются натянутыми. Это позволяет при вращении барабана лебедки в одну сторону выдвигать рукоять, а при вращении в другую – возвращать штангу в исходное положение.

Ковш поднимается канатом, один конец которого закреплен на барабане подъемной лебедки, а другой – на ковше. Ковш опорожняется через открывающееся при помощи каната донышко.

Работа штангового снаряда происходит следующим образом. При вращении барабана подъемной лебедки штанга под действием собственного веса поворачивается вокруг горизонтальной оси и занимает вертикальное положение. В этом положении штанга под действием напорного механизма и своего веса опускается до дна, и ковш врезается в грунт. Затем вращением барабана подъемной лебедки выбирается канат, закрепленный на ковше. При этом ковш со штангой поворачивается вокруг оси вращения и заполняется грунтом. Поворот ковша происходит до тех пор, пока штанга не займет горизонтальное положение. Чтобы уменьшить кренящий момент, возникающий от веса ковша с грунтом, осуществляется возвратное перемещение штанги к корпусу снаряда.

Ковш поворотом платформы перемещается к месту его разгрузки в шаланду, зачаленную к борту снаряда, или к месту отвала грунта. Для разгрузки ковша штанга при необходимости может быть выдвинута к месту разгрузки. Для опорожнения ковша его днище открывается, и грунт высыпается из ковша.

Во время грунтозабора штангового земснаряда горизонтальная составляющая реакции грунта передается корпусу снаряда, стремясь сместить его в сторону, противоположенную движению ковша. Эта составляющая достигает большой величины. Поэтому во время работы штанговый снаряд удерживается на месте на двух носовых закольных сваях и одной упорной кормовой сваи.

Перемещение снаряда вдоль прорези к новому месту забора грунта осуществляется при помощи ковша, который с помощью напорного устройства заносят вперед и опускают на дно. Затем поднимают сваи и корпус снаряда подтягивают вперед напорным механизмом штанги. После этого начинается процесс грунтозабора на новом месте.

Иногда кормовую сваю устанавливают на тележке, которая перемещается при помощи ходового устройства вдоль прорези корпуса. В этом случае подача вперед осуществляется посредством штанги и упорной сваи. Перемещение осуществляется путем отталкивания корпуса снаряда от заколотой упорной сваи при помощи ходового устройства тележки. При этом носовые закольные сваи должны быть подняты.

Для перемещения снаряда на значительное расстояние, или для ухода с прорези при пропуске судов используется установленные на палубе оперативные лебедки, канаты которых закреплены на якорях.

Основным достоинством штанговых снарядов является возможность создания больших режущих усилий, а следовательно, способность разрабатывать наиболее прочные грунты.

Существенным достоинством грейферных снарядов (рис. 7.19, 7.20) является возможность разработки ими грунта на большой глубине, не доступной другим земснарядам, а также возможность извлекать крупные камни и другие крупногабаритные предметы.

Все механизмы грейферного снаряда смонтированы на поворотной платформе. Стрела снаряда нижнем концом шарнирно соединена с поворотной платформой, а верхним – с помощью каната закреплена на барабане лебедки. При вращении барабана лебедки верхний конец стрелы в зависимости от направления вращения поднимается или опускается, изменяя вылет стрелы.

Рис. 7.19. Грейферный земснаряд

1 – ковш; 2 трос; 3 – стрела; 4 – поворотный механизм; 5 – лебедка

Рис. 7.20. Общий вид грейферного земснаряда

На верхнем конце стрелы расположены блоки, через которые проходят канаты с подвешенным грейфером. Концы этих канатов закреплены на барабанах двух лебедок, при помощи которых грейфер поднимается или опускается, а также открывается и закрывается.

В отличии от плавучих кранов, предназначенных для перегрузочных работ, грейферные земснаряды оборудованы средствами оперативных перемещений, с помощью которых достигается упорядоченное снятие удаляемого слоя грунта по всей углубляемой площади. Грейферные снаряды также отличаются большей грузоподъемностью лебедок грейфера.

Грейферы, используемые при дноуглубительных работах, обычно бывают двух типов: двухчелюстные и многочелюстные (лепестковые). Двухчелюстные грейферы применяют при работе на легких грунтах, а лепестковые – на тяжелых. В отличие от грейферов для выполнения перегрузочных работ с навалочными грузами, грейферы земснарядов имеют бóльшую вместимость и бóльшую собственную массу.

Процесс извлечения грунта грейферным снарядом происходит следующим образом. Находящийся в открытом состоянии грейфер бросают на дно. Под действием собственного веса грейфер острыми кромками врезается в грунт. Натяжением соответствующего замыкающего каната челюсти грейфера закрываются, отделяя грунт от дна. Заполненный грунтом грейфер поднимают из воды с одновременным поворотом стрелы к месту разгрузке в шаланду или к месту укладки в отвал.

Часовую производительность одночерпаковых снарядов по грунту, м³/ч, определяют по формуле

, (7.4)

где: W – емкость ковша (грейфера), м³;

n_э = 60/t_ц – число рабочих циклов за минуту, (t_ц – время одного цикла).

Производительность отечественных одночерпаковых снарядов составляет от 50 до 120 м³/ч. Предназначены они в основном для разработки глинистых, галечных и каменистых грунтов, сильно засоренных грунтов, а также скалоуборочных работ.

Основной производственной характеристикой земснарядов всех типов является его техническая производительность, т. е. производительность, достигаемая при оптимальных условиях работы.

Производительность земснарядов в конкретных условиях работы на отдельных перекатах может существенно отличаться от технической в результате влияния ряда факторов. Такими факторами являются: род грунта, глубина его извлечения, толщина снимаемого слоя грунта, высота и дальность рефулирования, способ работы земснаряда. Влияние этих факторов на техническую производительность Q_т учитывается в наряд-задании на разработку конкретной прорези введением расчетного коэффициента использования технической производительности К_р для данных условий. Тогда расчетная производительность снарядов, м³/ч, определяется выражением

, (7.5)

Рабочее время земснаряда, ч, указываемое в наряд-задании, определяется делением объема извлекаемого грунта на расчетную производительность:

, (7.6)

где: W_п – объем грунта, подлежащий извлечению на прорези, м³.

Остановки (простои) во время работы земснаряда бывают производственные и периодические. К вспомогательным производственным операциям, требующим временного прекращения работы земснаряда, относятся:

- установка земснаряда на месте работы и сборка его после окончания разработки прорези;

- перекладка станового и боковых якорей;

- переход землесоса с траншеи на траншею;

- переводы плавучего грунтопровода;

- перезаколка свай;

- смена и ожидание грунтоотвозных шаланд.

К периодическим операциям, также требующим остановки работы земснаряда, относят

- смену грунтозаборных и разрыхляющих устройств;

- мелкий профилактический ремонт;

- очистку грунтовых путей при разработке засоренных грунтов;

- прием топлива;

- пропуск транспортных судов.

Для сокращения перерывов в работе земснаряда во время выполнения производственных и периодических операций рекомендуется применять передовые методы их выполнения без прекращения работы или практиковать одновременное выполнение двух-трех операций.