Управление работой многочерпаковых земснарядов

Многочерпаковые земснаряды применяются для дноуглубления в нашей стране уже почти 150 лет. В 1859-1860 гг. в Германии и Бельгии были заказаны для России первые такие снаряды. А в 1864 г. они были впервые использованы при проведении дноуглубительных работ на Волге. С 1886 г. строительство речных дноуглубительных снарядов началось на Ижорском, Путиловском, Сормовском, Коломенском и других заводах России. Несмотря на широкое распространение землесосных снарядов, многочерпаковые земснаряды составляют около половины всего состава дноуглубительного флота. Они применяются для разработки каменистых и засоренных грунтов. Если местные условия не позволяют расположить отвал грунта рядом с прорезью, то с помощью шаланд его можно переместить на большие расстояния. Для разработки песчаных грунтов многочерпаковые земснаряды обычно не применяют, поскольку для разработки песков более эффективны землесосные снаряды.

Многочерпаковый снаряд представляет собой плавсредство, на котором расположена черпаковая рама с черпаковой цепью и черпаками (рис. 7.1). При движении черпаков происходит их наполнение и транспортировка грунта на поверхность. В верхней части рамы происходит опорожнение черпаков, извлеченный грунт попадает в грунтовый колодец и по лотку отводится в шаланду. С помощью шаланд грунт транспортируется в отвал. Одновременно с движением черпаковой цепи земснаряд перемещается по площади прорези в поперечном направлении (папильонирует). Способы перемещения многочерпаковых снарядов по прорези были описаны выше. Здесь более подробно рассмотрим процесс черпания грунта.

Производительность многочерпакового снаряда определяется скоростью папильонирования, величиной подачи вперед по становому тросу, скоростью движения черпаковой цепи, глубиной черпания (угла наклона черпаковой рамы) и некоторыми другими факторами.

На рис. 7.2 представлен вид сбоку черпакового устройства у нижнего барабана. Подходящая к нему бухта черпаковой цепи располагается по цепной линии (кривой свободно висящей цепи), которая имеет две опорные точки: ребро верхнего и ребро нижнего барабанов.

Пройдя по нижнему барабану, черпаковая цепь движется по роликам к верхнему барабану.

Рис. 7.2. Вид сбоку черпакового устройства у нижнего барабана

При нормальном натяжении цепи, траектория черпаков пересекает в двух точках линию, проведенную горизонтально через нижнюю точку козырька черпака, вступившего на нижний барабан. Расстояние между этими точками называется шлейфом s, а его величина зависит от угла наклона рамы и длины бухты. Введем следующие обозначения: r_к – радиус, который описывает крайняя точка козырька при вращении на нижнем барабане; r_c – радиус движения крайней точки спинки черпака; r_р – радиус реборд (дисков) нижнего барабана; а_р= r_к–r_с радиальный вылет черпака; а - полный вылет черпака, равный кратчайшему расстоянию от козырька до спинки черпака.

Форма следа, оставляемого черпаком в грунте зависит от формы зева черпака. Зевом называется входное отверстие черпака. Для выяснения процесса черпания, рассмотрим сначала черпаки с зевом прямоугольной формы и слой грунта h<а_р. Приведем в движение черпаковую цепь и продвинем земснаряд на 1.5-2.0 м вперед. Черпаки разработают весь грунт, лежащий перед ними и будут черпать воду. Если земснаряду придать боковое перемещение (рис. 7.3), то каждый черпак будет двигаться по собственной траектории и встретит тем большее количество грунта, чем больше скорость папильонирования. Траектории движения черпаков будут параллельны в плане, если скорость папильонирования и скорость движения черпаковой цепи будут постоянными.

Рис. 7.3. Форма следа черпаков при разной скорости папильонирования,

где v_r – радиальная скорость движения черпака

При небольшой скорости папильонирования следы от черпаков будут перекрываться. При увеличении скорости перекрытие черпаков будет уменьшаться и могут образоваться неразработанные участки дна. Поверхность дна для черпаков прямоугольной формы получится ровной, а для криволинейной формы она всегда будет неровной и высота бугров увеличивается с ростом скорости папильонирования.

Чтобы дно судоходной прорези было разработано по всей площади и не имело пропусков, следы забора грунта отдельными черпаками должны вплотную примыкать один к другому и частично перекрываться. Если режущая кромка черпака имеет криволинейную форму, то ширина следа является величиной переменной и зависит от степени погружения черпака в грунт. Она растет с увеличением толщины слоя удаляемого грунта и при толщине равной или больше вылета режущей кромки черпака ширина следа становится постоянной.

Важной характеристикой работы земснаряда является его производительность. Если известна скорость папильонированияn_п (м/мин), толщина снимаемого слоя грунта h (м) и подача вперед l_с (м), то часовая производительность определится следующим выражением

. (7.1)

Производительность можно определить и исходя из пропускной способности черпаковой цепи

, (7.2)

где: k_н – средний коэффициент наполнения черпаков грунтом;

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

w_ч – вместимость одного черпака, м³;

k_р – коэффициент разрыхления грунта после заполнения им черпака.

Таким образом, производительность зависит от рода грунта, толщины снимаемого слоя, от правильного соотношения скорости движения черпаковой цепи и скорости папильонирования и величины подачи вперед по становому тросу. При прочих равных условиях, чем больше скорость папильонирования и подача вперед, тем больше будет наполнение черпаков и больше производительность.

Рассматривая конкретный перекат и земснаряд, мы имеем следующие объективные факторы: толщину слоя грунта, шаг черпаковой цепи и объем черпака. Эти факторы мы изменить не в силах, поэтому для увеличения производительности можно варьировать только скоростью папильонирования, скоростью черпаковой цепи и подачей вперед по становому тросу. Определим влияние этих факторов на производительность.

Производительность прямо пропорционально зависит от скорости папильонирования и подачи вперед. Ограничением по скорости папильонирования будет образование неразработанных полос между соседними черпаками (см. рис. 7.3), технические возможности папильонажных лебедок и вероятность схода черпаковой цепи с нижнего барабана. А подача вперед ограничена длиной шлейфа (см. рис. 7.2), потому, что при большей подаче остаются неразработанные участки прорези.

Из формулы (7.2) видно, что чем больше скорость движения черпаковой цепи, тем больше производительность. Ограничением здесь является техническая возможность механизмов и качество грунта. На легких грунтах при увеличении скорости черпаковой цепи коэффициент разрыхления увеличивается, а производительность может не вырасти. На липких грунтах грунт может прилипнуть к черпаку, и он много раз проходит над грунтовым колодцем, не опоражниваясь. В этом случае приходится уменьшать скорость черпаковой цепи.

Многочерпаковые снаряды после работы оставляют большей или меньшей высоты бугры между соседними черпаками, кроме этого образуются отложения в результате просора грунта из черпаков и его утечки из шаланд. Конечно, течение частично выравнивает поверхность дна, но все же отдельные неровности могут остаться. Для обеспечения гарантированной глубины прорези черпаки опускают ниже проектного дна на величину запаса на неровность выработки, т. е. работают с переуглублением. Дополнительно извлекаемый и удаляемый из прорези грунт соответствует технологическим допускам и включается в планируемый и учитываемый объем. Поскольку извлечение этого объема грунта не дает увеличения судоходной глубины, запас на неровность выработки должен быть минимальным.

Запас на неровность выработки регламентируется (табл.7.1) и зависит от производительности земснаряда, подачи вперед и характеристик грунта.

Таблица 7.1

Запасы на неровность выработки при работе многочерпакового снаряда

Примечание:

В числителе указан запас на неровность выработки при отношении подачи к длине шлейфа менее 0.5, в знаменателе – при отношении более 0.5.

Чтобы запас соответствовал значениям табл. 7.1, следы, оставляемые отдельными черпаками должны перекрываться не менее чем на 0.4-0.5 ширины черпака (т.е. b_c<0.5÷0.6b_ч ,где b_с – ширина стружки). Скорость, м/мин, папильонирования должна удовлетворять выражению

,

где: b_ч – ширина зева черпаков, м;

β – угол между осью земснаряда и направлением, перпендикулярным вектору скорости папильонирования (т.е. между осью земснаряда и осью прорези).

В зависимости от толщины снимаемого слоя грунта различают технологию работы многочерпаковых земснарядов на тонких и толстых слоях.

Тонкими слоями (см. рис. 7.4) считают такие, толщина h_c которых меньше полного вылета а черпака (h_c<a) и одновременно меньше разности между радиусом r_к поворота козырька черпака вокруг оси нижнего барабана и радиусом r_р реборды барабана (h_c<r_к–r_р).

К толстым относят слои больше полного вылета а черпака (h_c>а) или разности r_к–r_р.

Рис. 7.4. Схема забора черпаками тонких слоев несвязного грунта

при длинном шлейфе

Рассмотрим особенности работы многочерпаковых снарядов на тонких и толстых слоях.