Извлечение грунта земснарядами

В настоящее время судоходные прорези, выполняемые землесосами без механических разрыхлителей, разрабатываются траншейным способом. Ширина траншей на уровне проектного дна прорези назначается равной ширине корпуса снаряда, т.е. составляет 8-10 м. Заглубление приемника в грунт зависит от толщины снимаемого слоя, от ширины траншеи и от ширины входного отверстия грунтоприемника. Она выбирается с учетом этих факторов так, чтобы после окончания работ на прорези продольные гребни на границах траншей не выступали над поверхностью проектного дна. Данное условие называют условием чистоты выработки. Наибольшее распространение на современных землесосах имеют так называемые уширенные грунтоприемники. Ширина их отверстий составляет в среднем 2,5 диаметра всасывающего трубопровода или, приблизительно, от 1/7 до 1/5 ширины траншеи. Для того, чтобы продольные гребни не выступали над проектным дном, уширенные приемники приходится заглублять в грунт значительно ниже проектного дна. Через несколько дней после окончания разработки прорези течение сглаживает продольные гребни, и поперечное сечение прорези приобретает ложбинообразный вид, а сглаженное дно оказывается расположенным на 0,7–0,8 м ниже проектного дна. Такое переуглубление полезно при разработке капитальных прорезей и эксплуатационных прорезей, подверженных сильной заносимости. В других случаях извлечение излишнего объема грунта нецелесообразно и приводит к увеличению себестоимости разработки грунта. Уменьшить переуглубление и, значит, ускорить разработку прорезей можно с помощью щелевидных приемников с шириной зева от половины ширины корпуса снаряда до полной ширины. Но такие грунтоприемники не получили широкого распространения. Общие недостатки щелевидных приемников состоят в их большой массе и необходимости установки специального насоса.

При заборе грунта траншейным способом землесос перемещается вдоль траншеи и его уширенный приемник всасывает водогрунтовую смесь с большой глубины (рис. 7.28). Область, в пределах которой устремляющаяся к приемнику вода захватывает и увлекает за собой частицы грунта, называется сферой всасывания. Из частей грунтового массива, расположенных выше и с боковых сторон сферы всасывания, грунт поступает к приемнику в результате оползания под действием собственного веса. Мгновенные откосы грунта, примыкающего к сфере всасывания, отличаются большой крутизной. Среднее значение коэффициента такого неустановившегося откоса в песчаных грунтах составляет около 1,0.

Грунт, сползающий с фронтального откоса, практически весь попадает в сферу всасывания, а значит, и в приемное отверстие. Обрушение же боковых откосов происходит после того, как приемник продвинулся дальше по траншее. Обрушение откосов за сферой всасывания заполняет грунтом нижнюю часть траншеи. В результате формируются траншеи с установившимися боковыми откосами. Для песков среднее значение коэффициента установившегося откоса равно 3,0. При работе уширенных приемников переход от неустановившихся к установившимся откосам меняет и форму поперечного сечения траншеи. Поперечный разрез прорези, разрабатываемой уширенным приемником, показан на рис. 7.29. Рассмотрение этой схемы грунтозабора позволяет определить основные параметры работы землесоса:

- заглубление приемника в грунт, при котором обеспечивается разработка прорези до проектного дна;

- скорость движения землесоса по траншее, при которой обеспечивается расчетная производительность снаряда по грунтоотводу.

В створе, где в данный момент находится грунтоприемник землесоса, поперечное сечение траншеи имеет форму трапеции. На рис. 7.29 она отмечена цифрами 1, 2, 3, 4. Площадь мгновенного сечения называется площадью всасывания и она определяется по формуле

, (7.7)

где: m_о » 1 – коэффициент неустановившегося откоса грунта;

Н_с – заглубление приемника в грунт, м;

b_с – ширина отверстия грунтоприемника, м.

В створе, где откосы стабилизировались, поперечное сечение траншеи представляет треугольник высотой

, (7.8)

где: h_п – полезная толщина снимаемого слоя, м

b_т – ширина траншеи на уровне проектного дна, м;

m » 3 – коэффициент установившегося откоса.

Площадь установившегося поперечного сечения называют площадью траншеи. На рис. 7.29 площадь крайней левой траншеи I, с которой начинается разработка прорези, отмечена цифрами 5, 6, 7. Площадь траншеи определяется по формуле

, (7.9)

Площадь всасывания F_вс и площадь траншеи F_т должны быть равны. Это равенство позволяет определить заглубление приемника в грунт

, (7.10)

Как видно из формулы, для определенного землесоса, имеющего грунтоприемник шириной b_с, величина заглубления приемника в грунт Н_с изменяется в зависимости от полезной толщины снимаемого слоя h_п. Формула (7.10) есть условие чистоты выработки – при значении Н_с, подсчитанной по этой формуле, гребни между траншеями непосредственно после окончания работ на прорези будут расположены в плоскости проектного дна.

Средняя величина переуглубления при работе уширенных приемников выражается формулой

, (7.11)

Рис. 7.29 показывает, что площадь второй и последующих траншей меньше площади первой траншеи на величину площади перекрытия mh_п² (отмечена цифрами 7, 8, 9). Отсюда площадь второй и последующих траншей

, (7.12)

Производительность землесоса в грунтозаборе при траншейном способе работы определяется выражением

, (7.13)

где: V_т – скорость перемещения снаряда вдоль траншеи, м/мин.

Согласно основному условию технологии работы землесосов, производительность в грунтозаборе должна быть равна производительности в грунтоотводе. Движение гидросмеси по грунтопроводам испытывает влияние рода грунта, длин и диаметров всасывающего и напорного трубопроводов, конструкции грунтового насоса и частоты вращения его рабочего колеса. Так как, кроме рода грунта, все факторы, определяющие грунтоотвод практически постоянны и не зависят от управления снарядом, то для каждого грунта существует предельное значение производительности в грунтоотводе Q_г. Если это предельное значение установлено, задачей технологии грунтозабора становится назначение таких параметров работы (заглубление приемника в грунт Н_с и скорости перемещения V_т), при которых обеспечивается равенство . Это дает формулу для назначения скорости движения земснаряда по траншеи:

, (7.14)

Площадь F_Т для первой траншеи должна определяться по формуле (7.9), а для второй и последующих – по формуле (7.12). Таким образом, по первой траншее каждой серии землесос двигается медленнее, чем на остальных.

Получив значения величин Н_с и V_т, подсчитанные для различных толщин снимаемого слоя грунта, составляют технологическую карту работы землесоса, которая позволяет разрабатывать прорези с необходимой чистотой при эффективном использовании производительности землесоса. Карту составляют в виде графиков или таблиц. При составлении технологической карты в тех случаях, когда не предполагается работа с укороченным или удлиненным плавучим трубопроводом, для определения скорости перемещения V_т расчетное значение производительности Q_г находят умножением технической производительности Q_т на коэффициент снижения производительности по роду грунта: . Для коэффициента K_г имеется таблица нормативных значений, но практически его также устанавливают из опыта работы на перекатах.

Для разработки связных грунтов применяют землесосы с механическими разрыхлителями. В дноуглублении наиболее распространены разрыхлители фрезерного типа. Снаряд, оборудованный механическим разрыхлителем, перемещается по прорези папильонажным способом.

При удалении грунтов со дна водоема с использованием фрезерных разрыхлителей осуществляются три связных между собой процесса: 1) отделение грунта от дна; 2) передача срезанного грунта в зону активного всасывания; 3) всасывание образовавшейся гидросмеси.

Процесс резания грунта является начальным. Глинистые и плотные грунты отделяются от массива ножами разрыхлителя в виде «ломтей» (отдельных кусков) или стружки, которая может иметь разную толщину в зависимости от соотношения между скоростью вращения фрезы и скоростью ее движения по папильонажной ленте. Особенность процесса резания грунта под водой заключаются в совмещении в одной зоне процессов резания и гидравлического всасывания грунта. Срезанный ножами фрезы грунт попадает во внутреннюю полость фрезы, откуда увлекается потоком воды в приемное отверстие всасывающего трубопровода.

На рис. 7.30 приведена схема разработки связного грунта разрыхлителем фрезерного типа. К торцевой части фрезы 1 примыкает всасывающий наконечник 2. После папильонажного хода передний откос массива грунта имеет вид поверхности с продольным сечением BFC. Для разработки следующей ленты земснаряд перемещают вперед на величину подачи l_с. При заглублении фрезы в грунт H_с сечение разработанной папильонажной ленты имеет вид фигуры ABFCDE. В пределах папильонажной ленты такого сечения фреза отделяет от массива и разрыхляет грунт независимо от действия грунтонасосной установки.

Извлечение разрыхленного грунта производится водой, поступающей в зев всасывающего наконечника. При этом всасывается лишь та часть грунта, которая оказалась в пределах сферы всасывания. Факт разработки фрезой ленты грунта определенного сечения и объема вовсе не означает, что этот грунт извлечен землесосом со дна водоема. Некоторая часть грунта выпадает из фрезы и остается на дне (попадает в «просор»). Объясняется это тем, что сфера всасывания не охватывает всю внутреннюю полость фрезы. При образовании «просора» профиль дна после прохода землесоса имеет вид не линии DCGK, а линии LM. Для обеспечения чистоты выработки остаток разрыхленного грунта («просор») подбирается при повторном проходе по папильонажной ленте.

Таким образом, эффективность разработки грунтов фрезерными землесосами в целом зависит не только от эффективности резания, но и от эффективности последующего всасывания. Грунт может быть эффективно разрушен, но при нерациональной организации всасывания попадает в «просор», что ведет к общему снижению производительности снаряда.

Режим грунтозабора при работе фрезерного землесоса определяется тремя параметрами: заглублением фрезы в грунт H_с, подачей вперед l_с и скоростью папильонирования V_п. При работе на связных грунтах заглубление фрезы в грунт H_с принимается равным сумме полезной толщины снимаемого слоя h_п и установленного запаса на неровность выработки h_з, причем заглубление, равное полуторному диаметру фрезы считается предельным. Это связано с тем, что при бόльших заглублениях обвалы грунта затрудняют работу разрыхлителя. Обычно при толщине снимаемого слоя больше диаметра фрезы разработка прорези ведется в два и более слоя.

Из схемы грунтозабора, показанной на рис. 7.30, видно, что на границах папильонажных лент фреза оставляет гребни. Вершины гребней должны лежать в плоскости проектного дна. Запас на неровность выработки равен высоте гребней, или, что то же самое, величине переуглубления.

Подача вперед определяется запасом на неровность выработки h_з и углом наклона рамы снаряда к горизонту α (т.е. глубиной опускания рамы):

. (7.15)

Площадь поперечного сечения папильонажной ленты, или площадь резания, определяется выражением

. (7.16)

Величина, которую можно условно назвать площадью всасывания определяется по формуле

, (7.17)

где: j – отношение объема грунта, всасываемого в приемник, к объему грунта, срезаемого фрезой. Это отношение на грунтах средней плотности составляет около 0,8. При разработке тяжелых глин оно может падать до нуля.

Тогда скорость папильонирования V_п определится по следующей формуле

. (7.18)

где: Q_г – расчетное значение производительности снаряда, которое устанавливается исходя из технической производительности и значений коэффициентов ее использования по роду грунта и по толщине снимаемого слоя. Последний коэффициент устанавливается посредством натурных испытаний.

Ограничение скорости папильонирования V_п связано с требованием к толщине срезаемой фрезой стружки грунта, которая не должна превышать допустимую по условиям всасывания. Стружка в сечении имеет серповидную форму с максимальной толщиной равной

, (7.19)

где: n_ф – частота вращения фрезы, 1/мин;

z – число ножей.

Срезанный ножами грунт попадает в полость фрезы, откуда увлекается потоком воды в грунтоприемник. Если толщина стружки большая, влекущая сила потока окажется недостаточной и грунт в приемное отверстие поступать не будет. Ориентировочно считают, что предельная толщина стружки составляет 0,1 м. Тогда при данной частоте вращения фрезы предельное значение скорости папильонирования определяется выражением

. (7.20)

Скорость папильонирования, подсчитанная по формуле (7.18), должна быть проверена на соблюдение неравенства

Все фрезы имеют постоянное направление вращения, так как двигатели разрыхлителя не имеют реверса. При папильонировании землесоса в одну сторону ножи срезают стружки, поднимаясь в процессе вращения (работа «в подрез»), в другую, – опускаясь от поверхности грунта к основанию срезаемого слоя (работа «в накат») (рис. 7.31).

При работе в накат реакция грунта направлена вверх, т.е. противодействует силе веса рамы с размещенным на ней устройствами. При работе в подрез реакция грунта направлена вниз, т.е. складывается с силой веса. Поэтому ленты, пройденные в накат, оказываются менее глубокими, чем ленты, пройденные в подрез. Если грунт очень плотный, то при работе в накат фреза может выкатываться на поверхность неразработанного дна. В этом случае приходится разрабатывать грунт только во время папильонирования в одну сторону, когда фреза работает в подрез. В другую сторону папильонирование производится или с поднятой над грунтом фрезой (холостой ход), или по уже разработанной ленте – для подборки «просора».

Следует отметить, что транспорт по трубопроводам связных грунтов изучен недостаточно. Надежных данных ни о допустимых консистенциях, ни тем более о способности потока переносить грунт в комьях не имеется.

Извлечение грунта многочерпаковым земснарядом характеризуется непрерывностью процесса черпания, одновременно с которым происходит транспортирование грунта к грунтовому колодцу, находящемуся внутри черпаковой башни, и опорожнение черпаков. Непрерывность этого процесса достигается в результате того, что одновременно с движением черпаковой цепи земснаряд перемещается по площади в поперечном направлении, т.е. папильонирует.

При папильонажном способе работы многочерпаковый снаряд движется от одной кромки прорези к другой, срезая ленту шириной, равной подаче земснаряда вперед по становому тросу l_c.

Забор грунта многочерпаковым снарядом начинается после опускания рамы на заданную глубину разработки прорези. Резание черпаком грунта и его заполнение происходит при вращении черпака относительно оси нижнего барабана. При снятии тонкого слоя резание грунта и его зачерпывание может происходить в процессе линейного перемещения черпаков в шлейфе цепи, т.е. раньше, чем они придут на нижний барабан.

Наполнение черпаков грунтом находится в прямой зависимости от рода грунта и толщины снимаемого слоя, а также от правильного сочетания скоростей движения черпаковой цепи и папильонирования, величины подачи земснаряда вперед по становому тросу, глубины черпания и длины шлейфа черпаковой цепи.

Правильно поставленная технология работы многочерпакового земснаряда должна обеспечивать наибольшую в конкретных условиях производительность и углубление прорези на проектную глубину с наименьшим запасом на неровность выработки.

Производительность Q_г, м³/ч, многочерпакового снаряда по грунтозабору при разработке грунта с толщиной снимаемого слоя (включая запас на неровность выработки) h_сл определяется значением подачи l_с и скоростью папильонирования V_п, т.е.

, (7.21)

Производительность по грунтоотводу, определяемая пропускной способностью черпаковой цепи,

, (7.22)

Из формул (7.21) и (7.22) следует

, (7.23)

Приведенные формулы показывают, что производительность многочерпакового снаряда находится в прямой зависимости от значения подачи, скорости папильонирования и толщины срезаемого слоя грунта, а также скорости движения черпаковой цепи, вместимости черпака и степени его использования. Достижение наиболее эффективного режима работы земснаряда в каждом конкретном случае определяется правильным выбором величин, входящих в равенство (7.23).

Глубина опускания рамы от поверхности воды до режущей кромки черпаков, проходящих через нижний барабан (рис. 7.32) определяется из выражения

, (7.24)

где: h – глубина на перекате при рабочем уровне;

h_п – полезная толщина снимаемого слоя;

h_н – запас на неровность выработки, который в зависимости от рода грунта и производительности снаряда находится в пределах 0,05-0,3 м.

Скорость черпаковой цепи на каждом объекте работы подбирают опытным путем, стремясь достичь наибольшего ее значения. Ограничением для скорости движения черпаковой цепи является чрезмерная неравномерность нагрузки, вызывающая рывки цепи, сильные удары на верхнем барабане и его проворачивание. При больших скоростях движения черпаковой цепи может происходить неполное опорожнение черпаков на верхнем барабане, особенно липких глин. В этих случаях опорожнение черпака происходит после того, как он прошел грунтовой колодец и движется в перевернутом виде вниз (т.е. грунт попадает на уже разработанную часть прорези). Плохая вываливаемость грунта вынуждает снижать скорость черпаковой цепи, чтобы увеличить время нахождения черпака над колодцем. У отечественных многочерпаковых снарядов нормальная скорость движения черпаковой цепи составляет 16-18 черпаков/мин. По данным практики при работе на липких грунтах скорость движения цепи снижают до 8-10 черпаков/мин с одновременным уменьшением наполнения черпаков до 0,4-0,6 их полной геометрической емкости.

Подача вперед по становому тросу назначается из условия разработки прорези до проектного дна с достаточной чистотой выработки и обеспечения наиболее полного наполнения черпаков грунтом.

Подача снаряда вперед l_c зависит от рода грунта, толщины снимаемого слоя h_сл и длины шлейфа S.

На процесс разработки грунта многочерпаковыми снарядами большое влияние оказывает толщина снимаемого слоя. Поэтому различают технологию работы земснарядов на тонких и толстых слоях грунта. Применительно к многочерпаковым снарядам тонкими слоями считают такие, толщина h_сл которых меньше вылета черпака (h_сл < a, где a – вылет черпака). К толстым относят слои, толщина которых больше вылета черпака (h_сл > а).

При разработки тонких слоев (рис. 7.33) спинка и полозья черпаков шлейфа располагаются выше поверхности дна и не мешают резанию грунта и заполнению черпаков, движущихся в шлейфе цепи на подходе к нижнему черпаковому барабану. Подачу вперед l_c, т.е. ширину папильонажной ленты, определяют в зависимости от длины шлейфа S. В принципе она может быть равна шлейфу, например, при извлечении особо “легких” по трудности разработки грунтов (ила, очень мягкие глины). Но для того чтобы на дне прорези между папильонажными лентами не оставались выступающие над проектным дном поперечные гребни, величина подачи вперед на тонких слоях назначается меньше длины шлейфа. В большинстве случаев при работе на несвязных грунтах подачу назначают не более 0,75S, т.е. l_c £ 0.75S, а при работе на плотных связных грунтах – l_c £ 0.5S. Уменьшение подачи вперед при работе на глинистых грунтах связано с тем, что такой грунт оказывает большое сопротивление резанию.

Длина шлейфа черпаковой цепи изменяется в зависимости от глубины черпания Н_ч, т.е. угла наклона черпаковой рамы, поэтому каждой глубине черпания соответствует определенная подача. При малой глубине черпания шлейф имеет наибольшую длину, а при большой – шлейф невелик или вовсе может отсутствовать, поэтому при большой глубине черпания подачу следует выбирать не по длине шлейфа, а руководствуясь допустимой высотой гребней между папильонажными лентами.

Папильонажная лента, срезаемая черпаками шлейфа (см. рис. 7.33), в поперечном сечении имеет вид фигуры ABCDEF. Передний откос, образовавшийся после снятия предыдущей ленты, имеет вид кривой BCD, после прохода данной ленты – кривой AED. В нижней части рис. 7.33 схематически изображен вид сверху на режущие грунт черпаки шлейфа, причем черпаки показаны в сечении некоторой поверхностью MN. Резание грунта происходит на длине пути от линии DD^′, соответствующей началу врезания черпаков в откос предыдущей ленты, до линии AA^′, на которой черпаки выходят из грунта. Относительно земснаряда черпаки движутся вместе с цепью со средней скоростью V_ц, вместе с земснарядом они перемещаются со скоростью папильонирования V_п. Направление движения черпаков относительно дна определяется вектором абсолютной скорости V_a. Черпак 1 изображен в процессе срезания стружки I, черпак 2 – стружки II. Черпак 3 показан перед началом срезания стружки III.

Слои грунта h_сл > а относят к толстым (рис. 7.34). Снятие таких слоев черпаками шлейфа практически невозможно, так как в механическое взаимодействие с грунтом вступают полозья черпаков и соединительные звенья. На рис. 7.34 линией FG обозначена поверхность связного грунта в случае удаления толстого слоя. Чтобы исключить мятие грунта полозьями черпаков, подачу l_c в этом случае ограничивают значением радиального вылета черпака a_р = r_к – r_с (где r_к, r_с – соответственно, радиус поворота козырька и спинки черпака вокруг оси нижнего барабана) и назначают равной

, (7.25)

Это необходимо для того, чтобы нижний барабан не вминался в грунт и не мешал перемещению земснаряда поперек прорези. Подача вперед при работе на толстых грунтах связного грунта обычно составляет 0,25 – 0,5 м.

Сечение папильонажной ленты (см. рис. 7.34) при снятии толстого слоя плотного связного грунта (черпаки шлейфа не заглубляются в грунт) имеет вид фигуры FGPE. Основная масса грунта срезается черпаками, плотно прилегающими к нижнему черпаковому барабану и поворачивающимися вместе с ним.

Подача вперед на толстых слоях несвязного грунта больше, чем величины подачи при разработке связных глинистых грунтов. Для стандартных черпаков при разработке несвязного грунта, осыпающегося с заложением откоса подача колеблется от 0,4 до 1,2 м и составляет примерно 0,5÷0,75 шага черпаковой цепи t.

Режимом работы многочерпакового земснаряда и его производительностью управляют, регулируя скорость папильонирования, при этом руководствуются заполнением черпаков по мере их выхода из-под воды.

Обычно на земснарядах папильонажные лебедки допускают скорость бокового перемещения снаряда до 15-20 м/мин. Однако с такой скоростью папильонировать нельзя, так как следы смежных черпаков не будут перекрываться, и между ними будут оставаться гребни, выступающие над поверхностью проектного дна прорези. Кроме того, при таких скоростях папильонирования будет происходить смятие грунта боковой стенкой черпака. Во избежание этого следы, оставляемые отдельными черпаками, перекрываются на величину, равную не менее 0,4-0,5 ширины черпака b_ч (см. рис. 7.32). Тогда скорость, V_п, м/мин, папильонирования из условия достаточного перекрытия следов черпаков должна удовлетворять условию

, (7.26)

Величина подачи вперед и скорость папильонирования находятся между собой в обратно пропорциональной зависимости, т.е. чем больше скорость папильонирования, тем меньше может быть допущена величина подачи. Для правильного выбора соотношения между ними с целью достижения максимальной производительности земснаряда составляются технологические карты. Эти карты являются ориентировочным руководством для определения режима работы земснаряда.

При составлении технологической карты прежде всего устанавливают расчетную производительность Q_г, м³/ч, земснаряда путем умножения его технической производительности Q_т на расчетный коэффициент снижения производительности K_р, т.е. . За расчетный коэффициент снижения производительности многочерпакового снаряда принимается наименьший из коэффициентов на род грунта К_г и на толщину снимаемого слоя грунта K_с.

Задаются несколькими значениями глубины черпания H_ч, по которым определяют длину шлейфа черпаковой цепи S. Для ряда значений толщин снимаемого слоя h_сл устанавливают величину подачи вперед l_с и подсчитывают площадь папильонажной ленты F_с, м², срезаемой черпаком, по формуле

. (7.27)

Скорость папильонирования V_п, м/мин, определяют по выражению

. (7.28)

Подсчитанная по формуле (7.28) скорость V_п не должна быть больше предельно допустимой скорости папильонирования по условию перекрытия следов черпаков, т.е. .

Технологическая карта оформляется в виде таблицы. Руководствуясь технологической картой в соответствии с характеристикой извлекаемого грунта, глубины черпания и толщиной снимаемого слоя, вахтенный начальник назначает режим работы земснаряда. В процессе работы режим корректируется в соответствии с фактическим ходом технологического процесса (наполнение и опорожнение черпаков, поведение привода, раскачка корпуса и т.п.).