Оптимальный режим работы земснаряда

Оптимальным называют такой режим, при котором землесос дает наибольшую часовую производительность или затрачивает наименьшее время на углубление перекатов, или на выполнение другой работы.

Наибольшая производительность землесоса не всегда дает возможность выполнить работу при наименьшей затрате времени. Это объясняется тем, что объем грунта, извлекаемый земснарядами, слагается из кубатуры, извлечение которой необходимо для получения заданных габаритов, и из кубатуры, обусловливаемой неровностями выработки — допусками.

На траншейных землесосах с существующими грунтозаборными устройствами допуски значительно больше, чем на землесосах, работающих папильонажем.

Процесс всасывания грунта траншейным наконечником с отверстием, имеющим овальную или круглую форму, иллюстрируется схемой (рис. 81).

Рис. 81. Схема грунтозабора

В результате работы грунтового насоса в зев погруженного в воду наконечника непрерывно поступает вода. Направления и скорости движения воды к зеву из точек окружающего пространства характеризуются линиями тока 1 (рис. 81, а). С приближением к зеву наконечника скорость движения воды увеличивается и в плоскости зева достигает 1,5—2,0 м/сек. Точки с одинаковыми скоростями располагаются на поверхностях, разрез которых плоскостью, совпадающей с осью всасывающей трубы, характеризуется кривыми2.

С приближением всасывающего отверстия к поверхности грунта сфера всасывания сжимается. Струи воды, соприкасаясь с грунтом, размывают его и увлекают во всасывающее отверстие (рис. 81, б). При этом, отдельные струи проникают в грунт, образуя фильтрационные токи, также способствующие увлечению частиц грунта во всасывающее отверстие. Пористость грунта возрастает с увеличением крупности его частиц. Поэтому при крупных фракциях песка увеличивается количество всасываемых частиц.

Землесос в процессе всасывания песчаного грунта перемещается по траншее, наконечник следует за размываемой поверхностью грунта. Величина зазора между наконечником и поверхностью грунта зависит от крупности фракций. Если грунт плотный и плохо размывается, то ширина зазора и фильтрационные токи уменьшаются, а скорости струй у поверхности грунта возрастают. Это несколько повышает объем всасываемого грунта. Зона, в пределах которой происходит перемещение частиц грунта в сторону всасывающего отверстия, называется сферой всасывания. Рассмотренная сфера, ограниченная линиями 3 (рис. 81, б и в), зависит от расхода, свойств грунта и скорости перемещения землесоса. Практически радиус сферы всасывания не превышает 1 м.

Всасывающий наконечник не соприкасается с поверхностью грунта, так как последняя по мере продвижения землесоса отодвигается, т. е. грунт не оказывает сопротивления движению землесоса. Тяговое усилие в становом тросе, в основном, зависит от действия течения и ветра на корпус землесоса и на плавучий грунтопровод, а также усилий в задних боковых и становых тросах.

Подсасывание грунта в пределах сферы всасывания приводит к оползанию и обрушению расположенного выше грунта, который попадает в сферу всасывания и увлекается струями воды во всасывающее отверстие. При постоянной скорости движения землесоса обеспечивается равномерное всасывание грунта и он работает с устойчивым содержанием грунта в пульпе. Откосы 4 при разработке траншеи (рис. 81, б и в), сохраняют примерно постоянную величину.

Плотно слежавшиеся и заиленные пески обрушиваются медленно и неравномерно, периодически происходят обвалы грунта. Поэтому откосы 5 и 6 круче, чем на рыхлом песке. С повышением скорости перемещения землесоса по траншее грунт может образовать навес над всасывающим наконечником, а рама всасывающей трубы упираться в поверхность грунта. В этом случае перемещение землесоса прекратится. Дальнейшее перемещение его станет возможным после того, как в результате всасывания грунта произойдет обрушение откоса. При таких грунтовых условиях содержание в пульпе грунта не бывает постоянным.

Некоторое выравнивание содержания в пульпе грунта достигается регулированием скорости перемещения землесоса. При обрушении грунта в сферу всасывания скорость перемещения землесоса уменьшается; по мере извлечения обрушившегося грунта — увеличивается. Это осуществляется системой автоматического регулирования перемещения землесоса САРЗ-4КМ.

Траншеи располагают на таком расстоянии одна от другой или всасывающую трубу заглубляют в грунт на такую величину, чтобы на гребнях между траншеями получились требуемые глубины.

Землесос по траншее перемещается сравнительно быстро, поэтому в процессе извлечения грунта откосы траншей не поспевают приобрести свойственные для данного грунта углы естественные откосы. Это происходит после перемещения землесоса на некоторое расстояние.

Поперечное сечение траншеи (рис. 82), вместо установившегося откоса с коэффициентом my, после прохода всасывающей грубы через данное поперечное сечение, т. е. в момент прекращения извлечения грунта, имеет мгновенные откосы с коэффициентом mм. Для того, чтобы при установившихся откосах на гребнях траншеи была требуемая глубина, площадь поперечного сечения траншеи с мгновенными откосами должна равняться площади сечений траншеи с установившимися откосами, если последние сохранятся в дальнейшем.

Рис. 82. Поперечное сечение траншей с мгновенными и установившимися откосами

Однако этого не бывает. Откосы под влиянием течения и волн (ветровых и судовых) трансформируются, гребни сглаживаются и глубины в пределах разрабатываемого участка увеличиваются. Если такое увеличение глубин не учитывать, то прорезь после работы землесоса окажется переуглубленной.

При определении технологии работы траншейного землесоса исходят из того, что заданная глубина должна быть на гребнях между траншеями с установившимися откосами. В этом случае заглубление всасывающей трубы определяют, исходя из равенства поперечных сечений траншей с установившимися и мгновенными откосами.

Площадь поперечного сечения одиночной траншеи с установившимися откосами равна

.                               (23)


Площадь поперечного сечения траншеи с мгновенными откосами равна:


.                                   (24)


Величина заглубления всасывающей трубы h3 определяется из равенства

;


.           (25)


На второй, третьей и следующих траншеях грунта извлекается несколько меньше, чем на первой траншее. Следовательно, заглубление определяется площадью первой траншеи, уменьшенной на величину площади заштрихованного треугольника (см. рис. 82).
Из формулы (25) вытекает, что заглубление, необходимое для получения требуемой глубины на гребнях между траншеями, зависит от ширины наконечника (Вн), принятой ширины траншей, толщины подлежащего удалению слоя грунта и коэффициентов заложения мгновенного и установившегося откосов.

При отсутствии течения и волнения коэффициент установившегося откоса для песчаных грунтов составляет от 2 до 3. При наличии течения и волнения величина этого коэффициента возрастет до 4—5, а в отдельных случаях и до большей величины. Мгновенные откосы зависят от скорости перемещения землесоса по траншее и от крупности фракций песка. Коэффициенты мгновенного откоса для песков разной крупности приведены на графике рис. 83. График составлен по результатам испытаний землесосов в производственных условиях, проводившихся ЦНИИЭВТом. По такому графику и формуле (25) можно определить величину заглубления всасывающего наконечника траншейного землесоса. Для удобства перемещения его по створам ширину траншеи принимают равной или близкой ширине корпуса.

Рис. 83. График зависимости коэффициентов заложения мгновенных откосов от скорости перемещения землесоса по траншее:
1 — мелкозернистый рыхлый песок; 2 — однородный песок средней плотности; 3 — разнозернистый плотный песок

Например, если В =9,0 м, mM=1, my=5, Вн=1,0 и hc= 0,8, то h3=3,35 м, т. е. заглубление всасывающего наконечника должно быть на 2,55 м ниже проектного дна.

Если коэффициент установившегося откоса 2, то h3=3,80 т. е. ниже проектного дна на 3,00 м.

Заглубление всасывающего наконечника ниже проектного дна изменяется в зависимости от коэффициента установившегося откоса. С увеличением скорости перемещения землесоса, т. е. с повышением производительности, заглубление всасывающего наконечника возрастает.

Свойства грунта по длине прорези могут изменяться. Поэтому для предотвращения излишнего переуглубления и связанного с этим непроизводительного извлечения грунта, надлежит измерять глубины, получающиеся на гребнях траншей и корректировать заглубление всасывающего наконечника.

Иногда траншеи разрабатывают с учетом оползания и размыва гребней между ними. В этом случае после прохода землесоса глубина на гребнях может быть меньше проектной. Большей частью оползание и размыв гребней происходят на протяжении 20—25 м, т. е., если в непосредственной близости от всасывающего наконечника глубины на гребнях меньше требуемых, то у кормы землесоса они соответствуют заданной глубине.

Рис. 84. Схема разработки прорези с расчетом на ее частичный размыв

Если для частичного размыва прорези можно использовать энергию потока, то разрабатывают часть траншей в последовательности, способствующей размыву прорези. Например, при шести траншеях разрабатывают 3-ю и 4-ю по всей длине прорези (рис. 84, а); 2-ю и 5-ю размывает поток и в дальнейшем потребуется полностью или частично углубить только 1-ю и 6-ю траншеи. Для сосредоточения потока в пределах прорези разработку последней начинают с верхней части (рис. 84, б). Разработав две-три верхних серии, землесос, пропуская средние серии, спускается в нижнюю часть прорези, где разрабатывает также две- три серии траншей. После этого землесос устанавливают на крайние траншеи пропущенных серий. Таким путем достигается размыв средней (заштрихованной) части прорези. Пропускаемые траншеи можно располагать и в другой последовательности, например, в шахматном порядке (рис. 84, в).

Производительность землесоса возрастет с увеличением расхода и содержания грунта в пульпе. Поэтому следует работать с максимально возможным числом оборотов грунтового насоса и скоростью передвижения землесоса по траншее. При этом необходимо иметь в виду, что когда содержание грунта в пульпе достигнет некоторой определенной для каждых грунтовых условий величины, то в грунтопроводе образуется неподвижный (мертвый) слой грунта, расход пульпы снижается и может произойти забой грунтопровода. Чрезмерное падение расхода сопровождается снижением давления в напорном грунтопроводе (регистрируемым манометром) и уменьшением вакуума во всасывающем грунтопроводе (по вакуумметру). Струя пульпы, выбрасываемая из грунтопровода, делается слабее. Описанным явлениям предшествует достижение землесосом наибольшей возможной производительности.

Наличие в нижней части грунтопровода неподвижного слоя может быть и тогда, когда землесос дает наибольшую производительность. При этом с увеличением расхода или с уменьшением насыщения пульпы грунтом величина этого слоя уменьшается и наоборот, когда расход пульпы уменьшается, то неподвижный слой возрастает.

Наивыгоднейший режим работы землесоса определяют для каждой работы. Для этого в начале работы форсируют продвижение землесоса по прорези и доводят насыщение пульпы грунтом до такого состояния, при котором появляются явные признаки начинающегося забоя грунтопровода.

Начало забоя сопровождается следующими явлениями:

вакуум возрастает (до 550—600 мм рт. ст.); стрелка вакуумметра сначала стоит неустойчиво, колеблется, а затем показания сразу падают

вследствие резкого уменьшения расхода;

показания манометра также сначала повышаются, а затем быстро снижаются;

струя, вытекающая из напорного грунтопровода, заметно темнеет и делается слабее; нижняя образующая струи становится «рваной»;

работа двигателя обычно неустойчива; при отсутствии автоматического предельного регулятора число оборотов двигателя увеличивается; появляется характерная вибрация корпуса.

Для предотвращения полного забоя грунтопровода, при появлении перечисленных выше признаков прекращают продвижение землесоса по траншее, предварительно записав показания вакуумметра, манометра и грунтомера. Затем грунтопровод промывают, снова увеличивают содержание грунта в пульпе до такого состояния, чтобы опять появились признаки начала забоя и вновь фиксируют показания перечисленных выше приборов.

Повторив такие испытания несколько раз, устанавливают показания вакуумметра, манометра и грунтомера, соответствующие началу образования забоя грунтопровода. Величину предельного вакуума уменьшают на 5—10% и полученное значение принимают за нормальное, которое должно поддерживаться в процессе работы землесоса.

Плотность, состав грунта и толщина удаляемого слоя по длине прорези изменяются. Поэтому принятый режим работы землесоса систематически корректируют, проводя описанные выше определения расчетных значений приборов.

Показания грунтомера, вакуумметра и манометра характеризуют происходящие в грунтопроводе процессы. Так, в случае засорения всасывающего отверстия, грунтомер показывает незначительное содержание грунта в пульпе, а вакуумметр — сильное разрежение. Наименьшие одновременные показания вакуумметра, манометра и грунтомера бывают при всасывании поды без грунта. По мере увеличения содержания его в пульпе показания всех приборов возрастают. Скорость перемещения землесоса должна быть такой, чтобы грунтомер показывал требуемое содержание грунта в пульпе, а показания вакуумметра и манометра соответствовали нормальному режиму работы грунтового насоса.

Нормальная работа землесоса может нарушаться обвалами грунта. В таких случаях закупоривается всасывающее отверстие, вакуум резко возрастает, превышая наибольшее допустимое значение. Расход падает, давление в напорном грунтопроводе снижается, выпадает грунт, увеличивается толщина неподвижного слоя в грунтопроводе и может произойти забой последнего. Чтобы предотвратить забой и восстановить нормальный режим работы землесоса, всасывающую трубу поднимают на 1—2 м, затем спускают его по траншее на 1,5-2 м и промывают грунтопровод. После промывки грунтопровода всасывающую трубу осаживают и продолжают работу на грунте.
Работа землесоса нарушается вследствие засорения мусором, камнями всасывающего отверстия. Для его очистки поднимают всасывающую трубу и прекращают всасывание. Очистку производят багром. Засорение обнаруживают по показаниям вакуумметра.

Системой автоматического регулирования скорость перемещения землесоса устанавливается в зависимости от расчетного насыщения пульпы грунтом.

Такие факторы, как толщина удаляемого слоя, гранулометрический состав и плотность грунта могут изменяться. Поэтому нельзя на основе предварительных расчетов и даже материалов наблюдений устанавливать для датчиков постоянные расчетные пределы изменения скорости движения землесоса. Расчетные данные помогают приблизительно определять и назначать некоторые исходные диапазоны регулирования до того, как будут выявлены фактически необходимые в данном конкретном случае параметры настройки системы САРЗ.
Лучших показателей работы автоматизированного землесоса можно достичь в том случае, если настройку САРЗ производить в соответствии с фактическими условиями и возможностями земснаряда и по мере их изменения своевременно корректировать настройку. САРЗ — устройство, предназначенное для соблюдения рационального режима работы землесоса, но не заменяющее вахтенного начальника при установлении этого режима. Наоборот, для эффективного использования САРЗ требуются особо тщательные наблюдения и анализ рабочих процессов, чтобы своевременно выявлять несоответствие настройки отдельных элементов системы изменившимся условиям работы и соответственно корректировать настройку.

Первоначальную настройку системы САРЗ производят в описываемой ниже последовательности.

В начале разработки прорези управляют землесосом так, как указано выше, вручную, чтобы выявить показатели наиболее производительного режима. После того, как такой режим будет найден, в процессе движения землесоса с соответствующей этому режиму скоростью, определяют расчетные пределы датчиков: вакуумметра, манометра и консистометра. Верхний предел на вакуумметре должен соответствовать тому наибольшему значению вакуума, которое предшествует наступлению «предзабойного режима». Нижний предел обычно устанавливают приблизительно на 20 мм рт. ст. менее верхнего предела. Более широкий диапазон (до 40—50 мм рт. ст.) между верхним и нижним пределами вакуумметра принимают лишь при работе на засоренных и очень плотных песчаных грунтах, когда вакуум неустойчив.

В разнообразных условиях работы землесосов «ДЭ-650» наиболее характерны следующие показания вакуумметра. При перекачивании чистой воды в большинстве случаев вакуум составляет от 220 до 260 мм рт. ст. Предельный вакуум, при котором в случае засорения всасывающего наконечника начинается заметное падение расхода, обычно равен от 520 до 560 мм рт. ст. При разработке чистого рыхлого песчаного грунта с глубиной извлечения до 5 м на датчике вакуумметра задают диапазон изменений вакуума приблизительно с пределами 400—420 мм рт. ст. В случае опускания рамы до 8—10 м пределы соответственно повышают приблизительно до 430—450 мм. При пониженном расходе пульпы (длинный грунтопровод, сниженные обороты, изношенная крылатка) пределы на вакуумметре задают около 370—390 мм рт. ст. При работе землесоса на участках с засоренными грунтами эти величины могут быть 380—430 мм рт. ст.
Верхний предел на датчике манометра устанавливают приблизительно на 0,1 кг/см2 выше давления, характеризующего режим максимальной производительности; нижний предел — на 0,1 кг/см2 ниже давления на воде. На землесосах «ДЭ» показание манометра на посту управления, в случае перекачивания чистой воды, составляет от 0,7 до 1,0 кг/см2, поэтому нижний предел на датчике манометра задают соответственно от 0,6 до 0,9 кг/см2. Верхний предел — на давление от 1,2 до 1,7 кг/см2.

Показания задающей стрелки консистометра соответствуют насыщению от 22 до 28%. При разработке гравелистых и засоренных грунтов задаваемую консистенцию пульпы уменьшают до 16—18%. При настройке САРЗ задающую стрелку консистометра устанавливают приблизительно на 3% ниже того показания, которое достигнуто в процессе ручной пробы, при максимальной производительности.
Ширина диапазона регулирования у консистометра постоянна и равна от 6 до 10%.

Если все элементы САРЗ настроены правильно, то режим работы землесоса устойчив. Скорость становой лебедки изменяется редко, причем изменения эти невелики; серводвигатель, регулирующий скорость лебедки, включается не чаще, чем через 30—40 сек, а в особо благоприятных грунтовых условиях еще реже (через 1—2 мин).

При появлении сигнала о засорении всасывающего отверстия перемещение землесоса автоматически прекращается. В таких случаях очищают всасывающее отверстие.

При сигнале «Завал» всасывающего отверстия, появляющимся при оползании откоса грунта, система приостанавливает перемещение землесоса, обвалившийся грунт всасывается и землесос автоматически продолжает перемещение по траншее.

В случае появления признаков забоя напорной части грунтопровода перемещение землесоса по траншее также прекращается.

Наличие датчика динамометра станового троса при чрезмерном увеличении тяговых усилий предотвращает повреждение лебедки и обрыв троса. Предельно допустимое значение натяжения станового троса отмечают на тягомере, исходя из конкретных условий работы землесоса.

Стрелку подачемера переводят в нулевое положение, соответствующее началу траншеи; вторую стрелку ставят на деление, соответствующее длине траншеи.

Датчик подачемера подает сигнал после того, как земснарядом будет пройдено заданное расстояние и его перемещение по траншее прекратится.

Передвижение землесоса поперек прорези осуществляют выбиранием боковых тросов, ручным управлением лебедок.
Автоматическое регулирование скорости перемещения землесоса исключает резкие изменения содержания грунта в пульпе, т. е. режим работы грунтового насоса не подвергается значительным изменениям.

Система САРЗ при правильной настройке увеличивает в среднем производительность землесоса на 20%. Настройку производят с учетом конкретных условий производства работ (плотности и гранулометрического состава грунта, толщины габаритного слоя грунта и др.). Чтобы облегчить настройку, Северным БУПом для землесосов составлена технологическая карта (рис. 85а), в которой для оптимального содержания грунта в пульпе даны:

изменение показаний вакуумметра и манометра в зависимости от длины грунтопровода (I квадрант);


Рис. 85а. Технологическая карта траншейного землесоса

зависимость производительности землесоса (содержания грунта в пульпе) от длины грунтопровода (II квадрант);

скорость перемещения землесоса по траншее в зависимости от производительности, габаритной толщины (полезного) слоя и плотности грунта (III квадрант);

заглубление всасывающего наконечника ниже проектного дна в зависимости от скорости перемещения землесоса, габаритного слоя и плотности грунта (IV квадрант).

Рассматриваемые зависимости установлены на основании расчетов и графиков, помещенных ранее.

Технологическая карта содержит ориентировочные данные для выбора заглубления всасывающего наконечника, показании контрольно-измерительных приборов и скорости перемещения землесоса в зависимости от толщины удаляемого сдоя и свойств грунта. Режим работы, определяемый картой, корректируют в. соответствии с фактическими грунтовыми условиями.

Для упрощения карты скорости продвижения по траншее даны для рыхлого и плотного (крайних значений) песчаного грунта. Для рыхлого песка статический коэффициент откоса m=3; для плотного — m—2,5. Для песков средней плотности следует брать средние скорости движения по траншее. Заглубление всасывающего наконечника дано для рыхлого и средней плотности песка; оно корректируется в соответствии с фактически получающимися откосами.

Для каждого грунта даны две шкалы скоростей продвижения. Одна шкала — обычная; вторая — с чередующейся штриховкой предназначена для определения верхней и нижней границ скоростей, в пределах которых САРЗ должен выдерживать заданный режим перемещения по траншее. В каждом интервале выписано по 2 числа — верхняя и нижняя границы скоростей. Эти границы задаются на пульте управления САРЗ.

Можно ограничиться одной обычной шкалой, по которой определяют норму, а верхняя и нижняя границы скоростей задаются +0,1 м/мин от нормы.

Определение расчетного режима работы для мелкого песка с толщиной габаритного слоя 1 —1,2 м при длине грунтопровода 380 м показано на графике.

Расчетное содержание грунта в пульпе при производительности 840 м3/час составляет 28%, показания вакуумметра — 390 мм, манометра — 0,95 кг/см2; для устойчивой работы системы этот предел увеличивается на 0,1, т. е. до 1,05 кг/см2.
При заданной толщине удаляемого слоя грунта скорость передвижения землесоса 0,8—0,6 м/мин, заглубление всасывающего наконечника — 225 см.

На датчиках САРЗ-4К подвижные контакты устанавливают для вакуумметра 390 и 350 мм, для манометра 1,05 кг/см2; указатель содержания в пульпе грунта ставится на 28%. Границы скоростей передвижения землесоса задаются в пределах 0,8—0,6 м/мин.

Для упрощения и удобства определения параметров САРЗ пользуются портативной технологической линейкой, состоящей из корпуса и движка. Образец линейки приведен на рис. 85б. В правой части линейки помещены указания по ее применению.

Рис. 85б. Технологическая линейка