Глава VII. Извлечение грунта черпаковыми земснарядами и скалоуборочные работы

Глава VII. ИЗВЛЕЧЕНИЕ ГРУНТА ЧЕРПАКОВЫМИ ЗЕМСНАРЯДАМИ И СКАЛОУБОРОЧНЫЕ РАБОТЫ

 

Забор грунта многочерпаковыми земснарядами

При работе на тонких слоях

 

На рис. 7.2 видно, что черпаки вырабатывают в грунте криволинейную поверхность, соответствующую форме нижней ветви черпаковой бухты и дуге вращения черпаков вокруг нижнего барабана. Поэтому подача вперед не должна превышать длины шлейфа. Ограничивает величину подачи и сила, стремящаяся сдвинуть черпаковую цепь при ее подходе к нижнему барабану. Это боковая составляющая равна равнодействующей от силы резания и смятия грунта черпаками при их движении. Чем слабее (длиннее) черпаковая бухта и меньше направляющие реборды нижнего барабана, тем больше вероятность сдвига черпаковой цепи с нижнего барабана. Для уменьшения затрат на срезывание и смятие грунта, нельзя допускать, чтобы боковая поверхность черпаковых планок, рамы, реборд и тела нижнего барабана упиралась и сминала грунт при боковом движении.

Из формулы (7.2), видно, что важную роль в повышении производительности играет наполнение черпаков грунтом. Коэффициент наполнения зависит от правильного соотношения подачи земснаряда вперед и ширины b _с снимаемой черпаком стружки грунта.

Рассмотрим процесс забора черпаками тонких слоев слабого (несвязного) грунта. На рис. 7.4 показана нижняя часть черпакового устройства. Горизонтальная линия А-А проведена через нижнюю точку козырька черпака, только что вошедшего на нижний барабан. Она отвечает положению рабочего дна прорези с учетом переуглубления и при подаче вперед равной длине шлейфа. Часть провисающей бухты черпаковой цепи, расположенную ниже линии А-А, называют шлейфом, а расстояние S – длиной шлейфа. Горизонтальная линия В-В расположена в плоскости рабочего дна прорези при подаче вперед меньше длины шлейфа. Положение этой линии зависит от провиса черпаковой цепи ниже линии А-А изначения подачи вперед l _с.

При работе на тонких слоях нижний барабан находится выше поверхности неразработанного грунта и поэтому не мешает перемещению земснаряда поперек прорези. В идеале подачу вперед можно было бы делать равной длине шлейфа. Но в связи с различным натяжением тросов нижний барабан движется поперек прорези по извилистой траектории, а не по дуге с постоянным радиусом. Поэтому при подаче равной длине шлейфа на прорези могут остаться неразработанные поперечные гребни грунта. С учетом этого подачу вперед при разработке тонкого слоя несвязных и слабых связных грунтов принято назначать не более 0,75 длины шлейфа.

При разработке плотных связных грунтов, возникает значительное сопротивление резанию и большое боковое давление на черпаковую цепь в пределах шлейфа. Это может привести к ее сбрасыванию с нижнего барабана, и, исходя из опыта работы, на таких грунтах подачу назначают не более половины длины шлейфа.

Длина шлейфа зависит конструкции земснаряда и от глубины черпания, т.е. угла наклона черпаковой рамы. Поэтому каждой глубине черпания соответствует определенная подача. При малой глубине черпания шлейф имеет большую длину (S = 1.5–4.0 t, где t – шаг черпаковой цепи), а при большой глубине 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.

Если от рабочего дна(рис. 7.5) отложить действительную толщину снимаемого слоя h_{c д}, с учетом запаса на неровность выработки h _н, то полезная толщина снимаемого слоя будет равна разности h_c = h_{c д} – h _н.

 

Рис. 7.5. Положение дна переката: до разработки, проектного и рабочего

 

Рассмотренная схема разработки грунта на тонких слоях несколько упрощена, в действительности перед передним откосом папильонажной ленты образуется вал грунта. После подачи вперед этот вал попадает на середину шлейфа, изменяя значения h_c и h_{c д}. При черпании рыхлых грунтов на величине снимаемого слоя сказывается провис шлейфа h_s. При разработке связных и каменистых грунтов с большим сопротивлением резанию черпаки скользят по поверхности дна. Влияние провиса шлейфа здесь весьма незначительно и им можно пренебречь.

Наполнение черпаков грунтом можно определить из схемы на рис. 7.4. Площадь F_c, м², папильонажной стружки, срезаемой черпаком при тонком слое, равна

                         .                          (7.3)

 

Объем папильонажной стружки w_c, м³, рассчитывается по формуле

                                                            ,                                  (7.4)

 

– коэффициент неполноты объема снимаемой стружки из-за криволинейности очертания зева черпака, равный отношению действительного объема стружки wc к объему параллелепипеда такой же высоты, длины и ширины (здесь Fг – поперечная площадь гребней, остающихся на рабочем дне прорези).

 

Обычно значение φ изменяется от 0.8 до 1.0.

К снижению производительности могут приводить следующие факторы. В процессе работы рыхлый несвязный грунт вываливается из черпаков в тот момент, когда они выходят из грунта, находясь на нижнем барабане. При больших скоростях движения черпаковой цепи может происходить неполное опорожнение черпаков на верхнем барабане. При разработке липких глин часть грунта из черпака также может не вывалиться в колодец и тогда черпак опорожнится на уже разработанной части прорези или придет с частью грунта к следующему грунтозабору.

Уменьшению просора грунта способствует снижение скорости движения черпаковой цепи, величина которой подбирается опытным путем. При значительном уменьшении производительности земснаряда допускается увеличивать запас на неровность выработки, но работать с нормальной скоростью движения черпаков. Ограничением скорости черпаковой цепи является неравномерность нагрузки, вызывающая рывки, сильные удары на верхнем барабане и даже его проворачивание.

При работе на толстых слоях

 

В зависимости от характеристик грунта процесс забора черпаками на толстых слоях имеет свои особенности, поэтому рассмотрим работу земснаряда отдельно на связных и несвязных грунтах.

При разработке несвязных грунтов папильонажным способом грунт осыпается и вдоль папильонажной ленты образуется откос с заложением т. На рис. 7.6 показан боковой вид нижней части черпакового устройства, подача вперед может ограничиваться двумя обстоятельствами.

 

 

Рис.7.6. Схема забора черпаками толстых слоев несвязного грунта

при длинном шлейфе

Во-первых, упором спинки черпака, вошедшего на нижний барабан в откос осыпи. Если такого ограничения не сделать, то при папильонировании звенья черпаковой цепи и реборда нижнего барабана будут мять грунт.

Во-вторых, длиной шлейфа, которая зависит от угла наклона черпаковой рамы. В практике дноуглубления чаще встречается первое ограничение. В этом случае, грунт находящийся левее точки 1 (см. рис. 7.6)попадает в черпак, когда он находится в шлейфе. Грунт между точками 1 и 3 забирает черпак при вращении вместе с нижним барабаном. А грунт, лежащий выше точки 3, непосредственно в черпак не попадает и осыпается уже после выхода черпака из откоса. Положение точки 3 зависит от размеров черпака, барабана и от заложения откоса. Толщину снимаемого слоя грунта в точке 3 принято называть критической толщиной h _к. Пользуясь этим определением, при разработке несвязных грунтов толстыми слоями будем считать слои при h_c > h _к. Слои толщиной, меньшей критической (h_c < h _к), но большей вылета черпака (т.е. при h_c > а), будем считать промежуточными. Численное значение критической глубины при разработке несвязного грунта, осыпающегося с заложением откоса т можно определить графически или рассчитать по формуле (7.5)

 

                               ,                               (7.5)

где: r_с – радиус, описываемый спинкой черпака (см. рис. 7.1).

 

При заложениях откоса т= 2÷3 для стандартных черпаков вместимостью w _ч = 100-830 л это значение находится в пределах 0.6-1.5 м.

Рассмотрим теперь определение подачи вперед на толстых слоях несвязного грунта при h_c > h _к (см. рис. 7.6). После выхода черпака из откоса в точке 3, на неразработанной части грунта остается круговая поверхность, которая имеет в верхней части откос более крутой, чем естественный откос грунта. Это приводит к осыпанию грунта и к моменту разработки следующей папильонажной ленты откос снова становится естественным. Площади осыпи и завала будут одинаковыми. Из рис. 7.6 видно, что при увеличении слоя грунта подача вперед будет уменьшаться, и при h_c >1.5 h _к она становится меньше 0.75 м. Например, для черпаков емкостью 830 л подача будет равна 0.68 м при заложении откоса m = 2. Поэтому при h_c >1.5 h _к рекомендуется производить разработку грунта в несколько слоев.

Площадь стружки папильонажной ленты грунта и ее объем рассчитываются по формулам:

                                       ,                                        (7.6)

                                      .                                                                    (7.7)

Для лучшего наполнения черпака на толстых слоях несвязного грунта при подаче l_c ≤ 0,5 s ширину стружки b _с можно не ограничивать неровностями выработки, а, увеличивая скорость папильонирования, назначать ее больше 0.6 b_c. Остающиеся косые гребни срезаются при следующих папильонажных ходах черпаками шлейфа.

Связный грунт, в отличие от несвязного, не осыпается и при разработке толстых слоев (рис. 7.7) подачу вперед ограничивают величиной радиального вылета черпака а_р= r _к – r _с и назначают равной

                                                    

                                 .                                 (7.8)

 

 

Рис. 7.7. Схема забора черпаками толстых слоев связного грунта

 

 

Это необходимо для того, чтобы нижний барабан не вминался в грунт и не мешал перемещению земснаряда поперек прорези.

Величина подачи вперед l _с при работе на толстых слоях связного грунта обычно равна 0.25-0.7 м. При таких малых подачах основное срезывание грунта и наполнение черпаков происходят при их вращении на нижнем барабане.

Для лучшего наполнения черпаков ширину стружки назначают только из условия предупреждения смятия грунта примерно равной b _с =0.6 b _г, не учитывая чистоту выработки. При таких маленьких подачах вперед черпаки шлейфа несколько раз пересекают одну и ту же папильонажную ленту, срезают оставшиеся неровности дна и одновременно подбирают просоры. Это позволяет работать без запаса на неровность выработки или при его сниженном значении.

При толщине слоя h_c > l.5 r _к у поверхности грунта остаются нависающие козырьки значительных размеров, при обвале которых может повредиться черпаковая цепь. Поэтому разработку грунта ведут послойно так, чтобы каждый слой имел толщину не более 1.5 r _к.

                                                    

И их опорожнение

 

В процессе движения черпаков по раме различают следующие характерные моменты. Во-первых, вращение черпака на нижнем барабане и его выход из грунта. Во-вторых, вращение на нижнем барабане в воде, переход на раму и движение по раме до уровня воды. В-третьих, подъем черпака по раме от уровня воды до верхнего барабана. В-четвертых, вращение на верхнем барабане и опорожнение черпака. И в-пятых, движение в провисающей бухте от верхнего барабана до грунтозабора.

При выходе из грунта плоскость зева черпака может быть наклонена на 45 и более градусов к горизонту, поэтому часть забранного несвязного грунта может вывалиться через козырек на неразработанное дно при тонких слоях или на откос осыпи при толстых слоях. Высота точки выхода черпака из грунта зависит от толщины слоя, а при работе на толстых слоях несвязного грунта еще и от пологости откоса осыпи. Вывалившийся из черпака грунт, образует временный вал и несколько ограничивает дальнейшее вываливание грунта. При низких уровнях воды этот вал уменьшает глубину и затрудняет пропуск транспортных судов мимо работающего земснаряда.

При вращении черпака на нижнем барабане и его движении к поверхности воды может происходить вываливание части несвязного грунта и его вымывание течением. Правда, эти потери сравнительно невелики.

При подъеме грунта по раме от воды до верхнего барабана плоскость зева черпака может быть не горизонтальной. Поэтому грунт может сливаться через козырек при глубине черпания больше оптимальной и через спинку при глубине меньше оптимальной. Отношение объема оставшегося в черпаке грунта к полной геометрической вместимости черпака называют коэффициентом наполнения черпака к_н. Он зависит от характеристик грунта, величины подачи вперед, скорости папильонирования и скорости черпаковой цепи. В процессе работы стремятся к увеличению этого коэффициента.

На верхнем барабане черпак получает вращательное движение, во время которого грунт вываливается в грунтоприемный колодец. Несвязные грунты хорошо вываливаются из черпаков не только при нормальной скорости движения черпаковой цепи (16-18 черпаков/мин), но и при повышенной.

Липкие глины очень трудно и не полностью вываливаются из черпаков на верхнем барабане. Нередко опорожнение черпака происходит, после того как он прошел грунтовый колодец и движется в перевернутом виде вниз (т.е. грунт попадает на уже разработанную часть прорези).

Коэффициент наполнения черпака при разработке липких глинистых грунтов вычисляют по формуле

                                    ,                                    (7.9)

где: к_н – коэффициент наполнения для нелипких связных грунтов;

к_оп – коэффициент опорожнения, определяемый опытным путем.

 

Плохая вываливаемость связных грунтов вынуждает уменьшать наполнение черпаков и скорость черпаковой цепи, чтобы увеличить время нахождения черпака над колодцем. Скорость цепи снижают до 8-12 черпаков/мин, а наполнение черпаков до 0.4-0.6 их полной геометрической вместимости. Иногда эти меры оказываются недостаточными из-за забивания черпаков липким грунтом. Приходится останавливать работу земснаряда для очистки черпаков. Время на такую очистку  может достигать половины рабочего времени.

Для лучшего опорожнения к внутренней поверхности черпака приваривают круглый прут диаметром 30 мм на расстоянии 50-100 мм от режущей кромки козырька. Стружка грунта огибает прут, смачивается водой со стороны черпака и падает внутрь в скрученном виде. Это уменьшает прилипаемость грунта к стенкам черпака.

И управление их работой

 

Правильно организованный процесс работы многочерпакового земснаряда должен обеспечить проектную глубину с наименьшим запасом на неровность выработки и максимально возможную в конкретных условиях производительность. Различают производительность снаряда по грунтозабору и грунтоподъему.

Часовая производительность снаряда в грунтозаборе на несвязных и связных грунтах с ненарушенной структурой определяется по формуле

 

                                 .                                (7.10)

 

Она прямо пропорционально зависит от толщины снимаемого слоя, подачи вперед и скорости папильонирования. При неизменной толщине слоя вдоль папильонажной ленты максимальная производительность определяется подачей вперед и скоростью папильонирования. Если толщина слоя вдоль папильонажной ленты  изменяется, то подачу вперед назначают по наибольшей толщине при небольшой скорости папильонирования, чтобы иметь возможность увеличить скорость папильонирования при уменьшении толщины слоя.

Часовая производительность снаряда по грунтоподъемуопределяется по следующей зависимости для связных не липких грунтов

                                    ,                                  (7.11)

и для липких грунтов

                                  .                                (7.12)

 

Она прямо пропорциональна скорости черпаковой цепи, коэффициенту наполнения черпаков и обратно пропорциональна коэффициенту разрыхления. Наибольшую скорость черпаковой цепи на каждом объекте работы подбирают опытным путем, стремясь уменьшить просор грунта и неравномерность нагрузок при грунтозаборе. Наполнением черпаков управляют, изменяя скорость папильонирования.

При назначении режимов грунтозабора и грунтоподъема учитывают также внешние факторы,понижающие производительность, а именно:

- изменчивость толщины снимаемого слоя грунта на отдельных участках прорези;

- необходимость уменьшения скорости папильонирования при развороте земснаряда на кромках прорези (для подбора обвалов грунта и предотвращения схода цепи с нижнего черпакового барабана из-за боковых воздействий на ее шлейф);

- снижение скорости папильонирования при маневрах шаланд (постанов­ка под погрузку, отвод к отвалу);

- засоренность разрабатываемого грунта;

- пропуск транспортных судов;

- выполнение вспомогательных технологических операций (перекладка папильонажных якорей).

Если бы весь грунт, снятый черпаками при грунтозаборе, доходил до верхнего барабана и там опоражнивался, то имело бы место равенство Q _п = Q _з. В действительности оно может быть только на толстых слоях и при отсутствии вымыва грунта из черпаков. В других случаях производительность по грунтоподъему оказывается меньше производительности по грунтозабору.

Для правильного выбора соотношений между технологическими элементами разрабатываются технологические карты. Эти карты являются ориентировочным руководством для определения режима работы земснаряда и выдачи заданий вахтам. В них устанавливают расчетную производительность земснарядов и предусматривают такой режим грунтозабора и грунтоподъема, который может обеспечить эту производительность. Состав технологической карты приведен в следующей форме:

Технологическая карта

для многочерпакового земснаряда __________

технической производительностью Q _т __________ м³/ч,

для работы на_______________грунте,

полной геометрической вместимости черпака_________л,

при скорости черпаковой цепи_________черпак/мин

 

Глубина черпания

Длина шлейфа s, м

Толщина снимаемого слоя с запасом на неровность выработки hсд, м

Подача вперед по становому тросу lc, м

Площадь папильонажной ленты Fc, м2

Расчетная производительность Qр, м3/ч

Скорость папильонирования nп, м/мин

 

За глубину черпания (опускания рамы) принимают погружение ниже уровня воды режущей кромки черпака, только что вошедшего на нижний барабан, а под толщиной снимаемого слоя проектную толщину слоя плюс запас на неровность выработки (h_c + h _н). Расчетная производительность определяется по формуле Q_p = К_р × Q _т. За расчетный коэффициент снижения производительности К_р для многочерпаковых земснарядов принимают наименьший из коэффициентов по роду грунта К_г, по толщине снимаемого слоя грунта К_с.

Коэффициент К_г для типовых снарядов устанавливают на основании отчетных данных о производительности однотипных снарядов за предыдущие годы или по «Инструкции по землечерпательным работам». Коэффициент по толщине снимаемого слоя грунта К_с=1 при работе с грунтозаборным экраном, без экрана значение коэффициента определяют по данным табл.7.2.

Таблица 7.2

Значения коэффициента по толщине снимаемого слоя грунта

 

Отношение толщины снимаемого слоя грунта к вылету черпака h сд / a	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	>0.5
Коэффициент Кс	0.2	0.4	0.6	0.8	1.0	1.0

 

Руководствуясь технологической картой, вахтенный начальник назначает режим работы по грунтозабору и грунтоподъему. В процессе работы режим непрерывно корректируется в соответствии с фактическим ходом технологического процесса (наполнение и опорожнение черпаков, поведение привода, раскачка корпуса и т.п.).

Для контроля заданной глубины необходимо периодически производить промеры с борта земснаряда ниже грунтоприемного колодца или с кормы.

В процессе папильонирования по ширине прорези снаряд подходит то к левой, то к правой кромке прорези. Вахтенный начальник проверяет нахождение снаряда на кромке по створным знакам или с помощью системы GPS, затем прекращает папильонирование, делает подачу вперед и начинает папильонирование к другой кромке. Вахтенный начальник следит также за работой шаланд и грунтовых лотков.

Скорость движения черпаковой цепи, величина подачи вперед и скорость папильонирования определяют производительность земснаряда и мощность двигателя черпакового привода, фактически расходуемую для достижения этой производительности.

Общая мощность, затрачиваемая при работе многочерпакового снаряда, определяется по формуле

 

                               .                              (7.13)

Мощность N_p двигателя черпакового привода, кВт, затрачивается на резание, зачерпывание грунта и на преодоление сопротивлений при заполнении черпаков

,

где: Р_р – усилие резания грунта, кН;

v_ч – скорость резания грунта черпаками на нижнем барабане, м/мин.

 

Мощность N _п, кВт, необходимая для подъема срезанного грунта от дна до поверхности воды и от поверхности воды до верхнего барабана

                      ,                    (7.14)

где: Q_п – проектная производительность земснаряда;

Н_ч – глубина черпания;

Н_п – высота подъема грунта от уровня воды до центра тяжести его в черпаке над осью верхнего барабана.

 

Суммарные затраты мощности N _{м ex} на механические потери (возникающие в самом двигателе, передаточных механизмах и соединениях черпаковой цепи, а также при вращении черпаковых барабанов, подчерпаковых скатов) и преодоление сопротивления воды могут быть учтены с помощью к.п.д. черпакового устройства η_ч.у..

Выражение (7.13) в этом случае примет вид

                                  ,                                 (7.15)

 

Значения к.п.д. черпакового устройства для земснарядов разной производительности с учетом их конструктивных особенностей приведены в литературе [7].

Шаландовый и лотковый

Глава VII. ИЗВЛЕЧЕНИЕ ГРУНТА ЧЕРПАКОВЫМИ ЗЕМСНАРЯДАМИ И СКАЛОУБОРОЧНЫЕ РАБОТЫ