Принципиальная конструкция дорожного конвейера.
Огромным преимуществом рельсомобильной дороги является её наборная конструкция. То есть дорога полностью состоит из стандартных элементов, которые производятся и собираются на заводе, а на местности необходима только сборка дороги из довольно крупных блоков. (Для сравнения обычные рельсы на шпалах выравниваются на месте после укладки, как по направлению, так и по высоте. Процесс сложный, долгий и соответственно некачественный).
Наборная крупноблочная конструкция позволяет полностью автоматизировать процесс сборки дороги, более того возможно создания «дорожного конвейера» для автоматической прокладки рельсомобильной дороги одой машиной с невероятной скоростью 1 кмч. Причём, круглый год и в любых грунтовых и погодных условиях. То есть 24*30*12=8640 км в год. (Для сравнения, по планам правительства [За пять лет намерены построить порядка 10 тысяч километров новых федеральных и региональных дорог], то есть, по всей стране всего 2000 км дорог в год).
Докажем принципиальную возможность такого конвейера.
Рассмотрим самый сложный вариант:
1) Железнодорожная нагрузка 11 тонн на колесо.
2) Пученистый грунт с глубиной промерзания 2.5 метра.
3) Дорога рассчитана на использование стандартных железнодорожных вагонов (минимальное расстояние между осями 1.35 метра).
Для доказательства временных характеристик конвейера построим компьютерную модель.
Конструктивно рельсомобильная дорога состоит всего из четырёх элементов:
1) Стандартные строительные сваи.
2) Рельсовые балки длиной 12 метров, полностью собранные на заводе.
3)Железобетонные плиты для рельсомобильного разъезда.
4) Выравнивающие прокладки, для крепления рельсовых балок на сваи, полностью собранные на заводе.
Таким образом, дорожному конвейеру надо выполнить следующие операции:
1) Площадь будущей дороги очищается от леса, слегка выравнивается (+- 10 сантиметров) и обрабатывается препаратами, препятствующими росту растительности. Свайный фундамент позволяет строить дороги со значительно большими значениями продольных и поперечных уклонов, поэтому затраты на выравнивания рельефа местности будут значительно меньше, чем для автомобильной и тем более железной дороги.
2) Создание самодвижущейся конвейерной ленты для транспортировки свай и рельс к месту установки. Для этого будем одновременно строить две полосы. По правой материалы доставляются к конвейеру, а по левой возвращаются пустые платформы.
3) Создание свайного фундамента в виде четырёх линий свай (две колеи по 1520 мм). Сваи в линии устанавливаются через 1.35 метра.
4) Обрезка свай по линии дороги и установка на них амортизирующих прокладок.
5) Установка на прокладки рельсовых балок в сборе и их крепление с фиксацией ширины колеи.
6) Перемещение дорожного конвейера по только что построенной дороге и повтор цикла строительства.
То есть, все операции стандартны и хорошо отработаны, а значит, возможна и их циклическая последовательность. Однако остаётся вопрос скорости работы такого конвейера и связанной со скоростью ценой конвейера.
5.21 Самодвижущийся конвейериз«балок-транспортёров».
Основу конвейера составляет закольцованная конвейерная лента из 30 железобетонных балластных балок-транспортёров длиной 12 метров и массой 32 тонны каждая. Причём верхний ряд балок движется по роликам нижнего. В результате, получается своеобразная танковая гусеница, которая двигает сама себя. А ролики верхнего ряда создают конвейерную ленту для транспортировки свай к месту установки. Учитывая время на организацию подъёма опускания балок, максимальная скорость движения балок получается 3 кмч, а средняя 1 кмч.
Этим обеспечивается:
1) Выравнивание конвейера в поперечном направлении.
2) Движение самого конвейера в автоматическом режиме за счёт направляющих роликов с двух сторон.
3) Транспортировка свай к месту установки в автоматическом режиме.
4) Рельсовая опора для передвижения сваеустанавливающего оборудования.
5) Собственный вес балок (2х32тонны) используется как балластный груз для сваевдавливающих установок.
На концах балок размещён узел жёсткого крепления их друг к другу. Вес и габариты балок позволяют транспортировать их по дорогам общего пользования на стандартных полуприцепах.
Армирование балок позволяет выдерживать порядка 40 тонн при пролёте в 12 метров, то есть аналогично стандартным балкам автомобильных мостов, которые в несколько раз меньшего объёма и веса.
Самоходные опоры-опускатели
Вначале балки опираются на самоходные опоры-опускатели на гусеничном ходу. Опора-опускатель обеспечивает выравнивание верхней платформы в поперечном направлении и по высоте в продольном направлении. Верхняя платформа оснащена роликами с электроприводом для движения балок транспортёров перед опусканием. Каждая балка-транспортёр опирается на 2 опоры-опускателя. После установки свай под концы балки, опоры-опускатели переезжают из конца конвейера в начало. Гидроцилиндр обеспечивает плавное опускание балок-транспортёров. Скорость движения опор-опускателей при переезде 12 кмч.
То есть, что-то вроде такой платформы.
В принципе, возможно встроить опоры-опускатели в балки-транспортёры по принципу перемещающихся вдоль балки-транспортёра аутригеров .
В результате, создана конвейерная лента, двигающаяся со средней скоростью 1 кмч.
5.23 Установка свай.
Скорость работы конвейера определяется скоростью выполнения самой медленной операции, входящей в конвейерную цепочку. Но так как все операции стандартны, то одну операцию может одновременно выполнять несколько механизмов. Для движения конвейера со скоростью 1 кмч каждый этап работы должен происходить со скоростью 1 кмч. Например, расчистка участка земли под дорогу должна осуществляться бульдозером со скоростью 1 кмч. Если один бульдозер не справляется с такой скоростью, то надо использовать два, три и так далее бульдозеров. То есть, любая операция может быть выполнена теоретически за любое время в зависимости от количества машин одновременно выполняющих эту операцию (но так чтобы они не мешали друг другу). Понятно, что чем меньше используется машин, тем стоимость самого конвейера меньше. Поэтому, для конвейера главным критерием является производительность агрегатов конвейера.
Для техники главным параметром является [техническая производительность], то есть, максимальная производительность техники при идеальной организации технологического процесса с учётом всех вспомогательных операций при непрерывной работе. То есть учитывается время на замену расходных материалов, например, головок бура, но не учитывается время, например, на профилактическое обслуживание.
Все операции дорожного конвейера могут выполняться стандартным существующим оборудованием со скоростью более 1 кмч. То есть, надо доказать, что конвейер может транспортировать к месту установки и устанавливать 4000м/1.35м=2962 сваи в час.
1) Докажем возможность перемещения 3000 свай со скоростью 1 кмч
Уложим сваи длиной 4м (то есть, длиннее и нет смысла) по 4 штуки в ряд и вверх в 3 ряда с небольшим смещением для удобства захвата при подъёме, то есть 12 свай на 4 метра. Получим «пакет» из 12 свай, занимающий 4 погонных метра дороги. На эти 4 метра надо установить как раз 12 свай 4м/1.35м*4ряда=12 свай. То есть, конвейерная лента дорожного конвейера должна двигаться со средней скоростью 1 кмч. Прибавим время для перемещения самого конвейера со скоростью 1 кмч. Получим скорость движения в 2 кмч, что вдвое медленнее скорости пешехода, то есть легко достижимо.
2) Теперь докажем техническую возможность установки 3000 свай в час.
Так как нагрузка от дороги (12 тонн на колесо для железной дороги) по строительным меркам мизерная [Предварительная оценка расчетных нагрузок, допускаемых на забивные сваи 300х300 в различных грунтовых условиях до 100 тонн], то сваи используются не как средство заглубления фундамента до достаточно прочного грунта, а как простые опоры. Но для независимости от пученистых грунтов целесообразно заглублять сваи ниже глубины промерзания грунта(около трёх метров). Для гарантированного заглубления свай можно использовать мощные гидромолоты или предварительное бурение скважин под сваи. Использование дорогих гидромолотов экономически нецелесообразно, поэтому используем следующую технологию установки свай:
1) Впереди конвейера едет [георадар грунта на 10 метров], определяющий структуру грунта.
2) Если в месте установки сваи присутствуют фрагменты прочного грунта, то производим лидерное бурение скважины под сваю. Если нет, то производим бурение на глубину около полуметра для придания вертикального направления свае.
буровая установка.
3) Поднимаем сваю с конвейерной ленты и устанавливаем в лидерную скважину.
4) Забиваем или вдавливаем сваю ниже глубины промерзания и до достижения требуемой нагрузки.
5) Обрезаем остаток сваи на проектном уровне.
Так как работает конвейер, то все эти операции выполняются одновременно. Таким образом, скорость работы конвейера в 1 кмч зависит от производительности бурильного, сваезабивочного и обрезного оборудования. Нам надо устанавливать 3000 свай в час. То есть при производительности одного агрегата 10 свай в час надо 300 установок, при производительности 20 свай в час 150 установок и так далее. То есть, в принципе, без учёта цены, возможно достичь практически любой скорости строительства.
Главным принципом конвейера является минимальный простой оборудования. Поэтому, желательно производительность всех агрегатов приводить к производительности самого быстрого. Самой быстрой операцией при установке свай является операция подъёма и позиционирования сваи длительностью около 40 секунд. Поэтому целесообразно остальные операции привести к этому значению.
Рассмотрим различные варианты оборудования для забивки свай. Причём нас интересует не техническая производительность, а потоковая, то есть непосредственно время движения сваи в глубину, так как вспомогательные операции, которые занимают в три раза больше времени выполняются другими агрегатами конвейера параллельно [Забивка или вибропогружение свай занимает 20_30% времени от всего цикла].
Сравним производительность оборудование для установки свай [среднее время забивки 10-метровой сваи электромагнитным молотом составляет 2,72 мин, а дизель-молотом С-330 — 7 мин], [Гидро-молот Ропат средняя скорость 1 метр в минуту], [Скорость задавливания сваи 5.6 м_мин (Starke 180)]. Для сваевдавливающей машины Starke 180, потоковая скорость будет в два с лишним раза выше, так как для трёхметровых свай не нужен обратный холостой ход и перехват зажима. То есть, средняя потоковая скорость будет значительно больше чем 5.6 м. мин.
| Оборудование | Дизель-молот | Гидро-молот Ропатопат | Электромагнитный молот | Сваевдавливатель Stark 180 | Гидроцилиндр подъёма кузова самосвала |
| Средняя скорость[м.в мин ] | 0.7 | 3.6 | 5.6 | ||
| Время на 3х метровую сваю | 260 секунд | 180 секунд | 50 секунд | 32 секунды | 10-30 секунд |
| Количество свай в час | 13.8 | ||||
| Количество агрегатов на 1 кмч |
Из таблицы видно, что для обеспечения скорости конвейера в 1 кмч нужно 215 дизель молотов, что вполне реально. То есть, мы доказали, что скорость в 1кмч реально достижима серийным строительным оборудованием.
Другим важным принципом конвейера является надёжность составляющих агрегатов, которая тем выше, чем этих агрегатов меньше и чем меньше в них составных частей. А учитывая высокую стоимость и механическую ненадёжность сваебойного оборудования, для конвейера по всем характеристикам надо использовать технологию вдавливания свай.
Сваевдавливающая установка.
Определим максимальную нагрузку для вдавливания свай как железнодорожную нагрузку с трёхкратным запасом прочности (11тонн*300%=33 тонны). Для сравнения запас прочности для автомобильных дорог 60% (5 тонн*160%=8 тонн, и то весной запрещают проезд грузовиков).
По сути сваевдавливающая установка это несущая рама с гидроцилиндром. Так как, максимальная длина устанавливаемых свай 4 метра, а нагрузка на сваю 32 тонны, то можно использовать стандартный телескопический гидроцилиндр самосвала. Например [Гидроцилиндр подъема платформы (кузова)_ КАМАЗ 9517 25т 63130 руб]. При этом нет необходимости в дорогих и ненадёжных зажимах свай. Самой главной проблемой сваевдавливающих установок является их балластный вес и сложность его перемещения к месту установки свай. Но в нашем случае в качестве балласта используются балки конвейера весом 32 тонны каждая. А перемещение рамы сваевдавливающего оборудования осуществляется по рельсам, то есть вообще без проблем. Более того, в качестве дополнительного балласта можно использовать вес стройматериалов на конвейерной ленте. Поэтому, одна сваевдавливающая установка состоит из дешёвой металлической рамы и телескопического гидроцилиндра. Так как надо устанавливать по четыре сваи в ряд, то четыре гидроцилиндра можно установить на одну раму по принципу аутригеров на автокране.
Основной проблемой использования сваевдавливающего оборудования на 32 тонны является невозможность заглубления в грунт с сопротивлением более 32 тонн. А это может понадобиться для заглубления свай ниже глубины промерзания. Эта проблема решается лидерным бурением скважины под сваи. К тому же, при наличие скважины время на вдавливание свай существенно сокращается.
Скорость бурения скважины сильно зависит от типа грунта. Но в зависимости от типа грунта применяются разные способы установки свай (подробнее «Конструкция фундамента для разных типов грунта»). Для слабого грунта бурение вообще не нужно, а для прочного его глубина минимальна. То есть, надо пробурить либо глубокую скважину в слабом грунте, либо очень неглубокую в твёрдом или вечномёрзлом. При этом время, затраченное на бурение скважины будет примерно одинаковое. То есть, самый времязатратный вариант это бурение скважины на глубину промерзания грунта. Для этого подойдёт стандартная бурильная установка, например, [Машина бурильная шнековая МБШ 421-02 техническая производительность до 160 м в час]. Так как нам нужна глубина не 30 метров, а всего 2 метра, то есть, не надо тратить время на наращивание шнека, а вспомогательные операции выполняются параллельно, то потоковая производительность будет как минимум в полтора раза выше, то есть около 4 метров в минуту, чего вполне достаточно для бурения двухметровой скважины за 40 секунд. Для особо сложных грунтов можно одну скважину последовательно бурить двумя установками, то есть с производительностью 120 м. в час, что даже меньше заявленной технической производительности (160 м. в час). Таким образом, за 40 секунд можно пробурить скважину необходимой глубины в любом грунте.