Выбор типа земснаряда и способа работы

При выборе типа и производительности земснаряда следует учитывать: технико–экономические показатели земснарядов; грунтовые условия; условия транспортирования грунта; продолжительность выполнения работы; размеры снаряда.

Там, где выбор типа земснаряда определяется свойствами грунта, основными являются следующие условия. Скальные и валунные грунты, тяжелые глины, сильно засоренные грунты следует разрабатывать одночерпаковыми штанговыми снарядами, галечные и гравелистные грунты – многочерпаковыми снарядами, уплотненные и заиленные несвязные грунты – землесосами с гидравлическим и механическим рыхлителями, рыхлые несвязные – землесосами без рыхлителей.

Грейферные снаряды применяют для удаления в небольших объемах галечных и связных грунтов с удельным сопротивлением резанию до 20 кг/см, засоренных топлой древесиной, а также для извлечения валунов и разрушенных взрывами скальных грунтов.

При использовании многочерпакового снаряда на уборке взорванного или дробленого скального грунта черпаковую цепь усиливают, грунтоотводные устройства и шаланды дополнительно упрочняют, работу выполняют с применением грунтозаборного экрана. Кроме того, необходимо разрешение администрации бассейна внутренних водных путей на выполнение подобных работ.

Выбор типа снаряда по условиям удаления грунта определяется следующими положениями.

Шаландовые снаряды применяют преимущественно в случаях: расположения отвала в удалении от места разработки прорези; недопустимости даже частичного перекрытия фарватера плавучим грунтопроводом по условиям пропуска судов, сплава леса и т.д.; большой засоренности грунта древесиной, камнями и др.; на участках водохранилищ, где по условиям волнения нельзя использовать землесосные снаряды с плавучими грунтопроводами.

Рефулерные землесосы используют преимущественно при удалении грунта на относительно небольшие расстояния от прорези, при укладке отвала грунта на берегу и при необходимости укладки извлекаемого грунта в тело выправительного сооружения.

Землесосные снаряды с подвесными консольными трубопроводами для выброса гидросмеси эффективно применяют на каналах, где возможна укладка грунта на берег, на барах и малых реках.

Для большого объема работ снаряд выбирают на основании технико–экономических расчетов.

1.3.4. Регулирование рабочего режима
несамоходного землесосного снаряда

Управляя работой землесосного снаряда, следует добиваться режима, соответствующего наибольшей в данных условиях производительности. С увеличением производительности сокращаются сроки выполнения работы, уменьшаются удельные расходы топлива и улучшаются условия намыва отвала.

Производительность земснаряда зависит от многих факторов, изменяющихся в процессе работы, поэтому режим работы следует постоянно регулировать в зависимости от конкретных условий. Ход рабочего процесса контролируют по установленным на посту управления приборам. На различных объектах работы факторами, ограничивающими производительность, могут быть условия грунтозабора или условия транспортирования грунта по напорному грунтопроводу.

При выполнении дноуглубительных работ производительность земснаряда чаще зависит от условий грунтозабора. К ним относятся: толщина снимаемого слоя грунта; степень уплотнения и засоренности грунта; несоответствие грунтоприемника виду грунта или глубине разработки; качество работы гидрорыхлителя; глубина извлечения грунта; держащая способность якорей, сдерживающая скорость продвижения снаряда. Снижение производительности обусловливается также неравномерностью процесса разработки и всасывания грунта, колебаниями консистенции гидросмеси.

Признаками ограничения производительности земснаряда условиями грунтозабора являются: невозможность повышения скорости рабочего перемещения землесоса из–за чрезмерного натяжения оперативных тросов, "сползания" якорей, ограниченной скорости лебедок; необходимость частых очисток решетки наконечника или приемного патрубка грунтового насоса; чрезмерный рост вакуума из–за большой глубины всасывания или разработки плотных заиленных грунтов. Эти признаки характеризуют лимитирующую роль грунтозабора лишь в том случае, если соблюдается плавное регулирование рабочего режима. Рывки, резкие изменения скорости лебедок, а также глубины опускания грунтозаборного устройства ведут к неоправданным нарушениям режима.

В том случае если при работе производительность земснаряда ограничивается условиями грунтозабора, необходимо, прежде всего, принять меры по его интенсификации. К таким мерам относятся: закладка более цепких или тяжелых якорей, подключение или наладка работы гидравлического рыхлителя, смена всасывающего наконечника, подбор рациональных параметров работы фрезы (частота вращения, подача, заглубление) или ее замена, подбор технологических параметров (длина подачи, ширина траншеи, заглубление наконечника), тщательное соблюдение равномерности рабочего режима.

В процессе управления земснарядом при лимитирующем грунтозаборе нужно регулировать скорость рабочих перемещений, ориентируясь на показания тех приборов, которые характеризуют сдерживающие факторы. Например, если у траншейного снаряда вследствие медленного обрушения грунта с откосов траншеи рама упирается в грунт, вызывающий перегрузку становой лебедки, ориентирующими при регулировании скорости рабочих перемещений снаряда будут показания тягомера или амперметра становой лебедки. При перегрузке фрезы регулировать рабочий режим надо с ориентировкой на допустимый предел силы тока по амперметру рыхлителя.

Ограничение производительности земснаряда по условиям гидротранспортирования грунта возможно в случаях: работы на крупнозернистых грунтах (гравий, крупный песок); работы с увеличенной дальностью и высотой рефулирования; большого износа или наличия неисправностей в грунтовом насосе и двигателе. Производительность снаряда уменьшается вследствие закупорки (забоя) грунтопровода грунтом.

Возможность забоя определяют по следующим признакам: при плавном небольшом увеличении скорости снаряда вакуум сначала возрастает, затем начинает снижаться вследствие уменьшения расхода гидросмеси; показания манометра увеличиваются; показания расходомера уменьшаются; нагрузка на двигатель уменьшается, вследствие чего повышается частота его вращения; струя, вытекающая из напорного грунтопровода, заметно слабеет, нижняя часть ее становится прерывистой и падает отвесно.

Чтобы предотвратить закупорку грунтопровода при появлении перечисленных признаков, следует уменьшить скорость перемещения снаряда, а при необходимости – приподнять раму. Скорость перемещения земснаряда нужно регулировать так, чтобы не допускать предзабойное состояние. Забой грунтопровода возможен, кроме того от внезапного засорения наконечника, от прососа воздуха. Часто угроза забоя возникает при несоблюдении плавного регулирования рабочего процесса. Слишком быстрое заглубление всасывающего наконечника в грунт, резкие боковые отклонения, быстрое наращивание скорости перемещения снаряда приводят к резкому возрастанию вакуума и падению расхода гидросмеси.

В большинстве случаев наибольшей производительности земснаряда соответствует транспортирование смеси с осаждением части грунта в напорном грунтопроводе. Высота слоя осевшего грунта может достигать четверти диаметра грунтопровода. Наличие слоя осевшего грунта свидетельствует о работе с консистенцией гидросмеси, близкой к предельно допустимой.

При разработке крупнозернистых гравелистых и галечных
грунтов возможно чрезмерное накопление грунта в грунтопроводе, ведущее к снижению транспортирующей способности установки и угрозе закупорки грунтопровода. На таких грунтах нельзя работать с большим слоем осевшего грунта, так как в случае доведения установки до предзабойного состояния необходима последующая длительная непроизводительная промывка грунтопровода водой.

В случае уменьшения производительности земснаряда вследствие ухудшения транспортирующей способности нужно принимать меры к повышению расхода гидросмеси, при этом тщательно следить за состоянием грунтового насоса и всасывающей линии, своевременно устранять неисправности, ведущие к снижению расхода гидросмеси.

Для обеспечения производительной работы земснаряда необходим постоянный контроль за состоянием всасывающего грунтопровода. Прососы воздуха через малейшие неплотности в шаровом соединении, во фланцах и швах грунтопровода вызывают резкое уменьшение расхода гидросмеси и производительности земснаряда. Признаком проникновения воздуха во всасывающую магистраль служит ограниченное значение вакуума, при попытке повышения которого форсированием грунтозабора наблюдается уменьшение показаний манометра. При этом показание вакуумметра остается ниже предельного значения для данного грунтового насоса. О неплотности магистрали свидетельствует затрудненный пуск грунтового насоса. При обнаружении малейших неплотностей следует принять меры к немедленному их устранению.

1.3.5. Обеспечение заданной глубины
при траншейном способе работы землесосным снарядом

Траншейным способом прорезь разрабатывают со значительным заглублением грунтоприемника ниже проектного дна. Образующаяся траншея имеет вначале крутые откосы, грунт на которых находится в неустойчивом состоянии и продолжает осыпаться в основание траншеи в течение нескольких минут (рыхлые чистые пески) или нескольких часов (заиленные грунты). Через 2–3 сут после окончания разработки прорези (или отдельного ее участка) течение сглаживает продольные гребни и поперечное сечение прорези приобретает ложбинообразный вид и сглаженное дно оказывается расположенным ниже проектного дна.

Полный объем переуглубления, распределенный по всей площади прорези, соответствует линейному размеру технологического переуглубления прорези. Эта величина называется запасом на неровность выработки.

При работе землесосного снаряда с всасывающим наконечником, ширина которого менее 1/3 ширины траншеи, запас на неровность выработки (м)

(2.8)

где: В_т – ширина траншеи на уровне проектного дна, м;

т_р – расчетный коэффициент заложения откосов траншеи (принимают в зависимости от скорости течения и плотности грунта в пределах 3–4; если земснаряд работает с гидравлическим рыхлителем, то m_р = 4÷5, при отсутствии течения коэффициент т_р принимают равным коэффициенту установившегося откоса,
т.е. т_р = 2,5÷3).

При использовании широкого всасывающего наконечника для удаления слоя более определенного "критического" значения запас на неровность выработки не зависит от ширины наконечника, так как боковые откосы смыкаются в основании траншеи по завершении осыпания грунта. В этом случае запас Dh рассчитывают по формуле (2.8.). Для землесосных снарядов производительностью 2500 м3/ч при работе с наконечниками шириной 10 м взаимосвязь критической толщины полезного слоя, необходимого заглубления наконечника в зависимости от свойств грунта и ширины траншей показана в табл. 2.5.

Таблица 2.5

Взаимосвязь критической толщины полезного слоя,
в зависимости от свойств грунта и ширины траншей

При удалении широким всасывающим наконечником слоя грунта менее критического запас на неровность выработки определяется расчетом по формуле

(2.9)

где: h_р – заглубление наконечника в грунт ниже уровня проектного дна, равное высоте гребней между траншеями, м.

Заглубление широкого наконечника ниже проектного дна можно ориентировочно определить по формуле

(2.10)

где: h_п – средняя толщина полезно удаляемого слоя грунта, м;

В_т, b_н – соответственно ширина траншеи и зева всасывающего наконечника, м.

В процессе работы земснаряда это расчетное значение заглубления наконечника корректируют в зависимости от фактически достигаемой глубины на гребнях траншей.

С учетом неизбежных боковых отклонений земснаряда при движении по траншеям минимальные значения запаса Dh и заглубления h_р принимают равными 0,2 м вне зависимости от результатов расчета по формулам.

Длину серий и ширину траншей назначают с учетом местных условий. Для землесосного снаряда производительностью более 300 м³/ч длина серий обычно равна 100 м, а для снаряда меньшей производительности – 50 м. Ширину траншеи в большинстве случаев принимают равной ширине корпуса земснаряда. Это позволяет, пользуясь продольными створами, устанавливаемыми через траншею, разрабатывать каждую траншею: по одной перемещаются, удерживая в створе правый, по другой – левый борт снаряда.

Для уменьшения переуглубления траншеи и количества грунта, извлекаемого ниже проектного дна, при наличии средств ориентации земснаряда целесообразно уменьшать ширину траншей. Узкие траншеи особенно целесообразны при углублении перекатов, на которых под слоем песка залегают твердые или связные грунты, ограничивающие возможность заглубления всасывающего наконечника в грунт. В этих случаях, если нет специальных средств ориентации, ширину траншеи принимают обычно равной половине ширины корпуса земснаряда. Земснаряд удерживают на створах последовательно каждым бортом и диаметральной плоскостью.

Если в процессе работы земснаряда заметно сказывается размывающее действие речного потока, могут быть применены методы ускоренной разработки прорези: сквозная проходка отдельных траншей (на кромках и оси прорези) через гребень переката и т.п.

Результаты работы земснаряда зависят от заглубления всасывающего наконечника и скорости перемещения снаряда по траншее. Скорость нужно всегда поддерживать максимально возможной, заглубление же всасывающего наконечника следует регулировать в соответствии с фактической глубиной, вырабатываемой на гребнях траншей. Если глубина недостаточна, наконечник нужно больше заглублять в грунт, если глубина на гребне больше необходимой, то во избежание неоправданных переборов грунта наконечник нужно приподнять.

Ориентировочно заглубление (м) всасывающего наконечника в грунт для снятия тонкого слоя

(2.11)

где: т_м – коэффициент заложения мгновенных откосов траншей, зависящий от свойств грунта и скорости перемещения земснаряда.

Зависимость коэффициента заложения мгновенного откоса от скорости продвижения v_т для некоторых грунтов показана на рис. 2.1.

Рис. 2.1. График зависимости коэффициента заложения мгновенного откоса траншеи от скорости продвижения землесосного снаряда при разработке песчаного грунта рыхлого (кривая 1), средней плотности (2), разнозернистого плотного (3)

Подобные зависимости определяют путем измерения фактического профиля разрабатываемой траншеи при разной скорости земснаряда. Для достижения расчетной производительности Q_р, предусмотренной в наряде–задании, скорость перемещения (м/мин) земснаряда по траншее

(2.12)

Если фактическая скорость перемещения по траншее больше расчетной и при этом обеспечивается заданная глубина на прорези, то земснаряд работает более производительно, чем предусмотрено заданием. Пониженная фактическая скорость свидетельствует о недостаточно эффективной работе.

Когда траншея пройдена на всю длину серии до контрольного поперечного створа, землесосный снаряд переводят на следующую траншею. Для этого приподнимают грунтозаборное устройство над уровнем дна, и, сматывая передний становой канат, спускают снаряд вниз по течению до начала серии. Скорость сплывания снаряда под действием течения возрастает. Необходимо своевременно начинать постепенное его притормаживание, так как при резком торможении, особенно крупного земснаряда и на быстром течении, возможны обрыв каната и повреждение лебедки.

При отсутствии или малой скорости течения для перемещения землесоса на новые траншеи необходимо использовать одну из задних лебедок, якорь которой должен быть заложен в направлении перемещения.

Заглубление всасывающего наконечника в грунт на очередной траншее начинают ниже (на 3–5 м) поперечного створа в начале серии с таким расчетом, чтобы к створу успеть достичь требуемого заглубления наконечника. Скорость заглубления наконечника регулируют, ориентируясь на натяжение рамоподъемного каната.

1.3.6. Обеспечение заданной глубины
при работе землесоса с механическим разрыхлителем

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. 2.2 приведена схема разработки связного грунта разрыхлителем фрезерного типа.

Рис. 2.2. Забор связного грунта рыхлителем 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. 2.2, 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):

. (2.13)

Величина, которую можно условно назвать площадью всасывания определяется по формуле

, (2.14)

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

. (2.15)

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.

, (2.16)

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.

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 основнию срезаемого слоя (работа «в накат») (рис. 2.3).

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.

Рис. 2.3 – Работа фрезерного разрыхлителя:

а – работа «в накат»; б – работа «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. Нет надежных данных о допустимых конси–стенциях при транспортировании грунта в комьях.