ГРУНТОЗАБОРНОЕ УСТРОЙСТВО ЗЕМЛЕСОСНОГО СНАРЯДА

Предполагаемая полезная модель относится к гидромеханизации, в частности, к техническим средствам добычи полезных ископаемых из-под воды.
Известно грунтозаборное устройство землесосного снаряда, включающее всасывающий наконечник и коллектор с соплами, при этом всасывающий наконечник разделен коллектором с соплами по высоте на две отдельные всасывающие секции (а.с. СССР №1208145, Е 02 F 3/88, 1984). Известное грунтозаборное устройство позволяет вести разработку грунта на различных глубинах. Недостатком известного устройства является низкая консистенция грунта, так как при всасывании размытого гидрорыхлителем грунта подсасывается большое количество чистой воды по периметру наконечника. Это снижает эффективность работы устройства. Кроме того, так как забор грунта осуществляется через узкую щель между наконечником и грунтом в условиях малой активной зоны всасывания, то режим грунтозабора постоянно изменяется из-за изменения свойств грунта, высоты его откоса, скорости перемещения устройства и т.д., что снижает производительность грунтозабора. Рыхление грунта осуществляется методом размыва, характеризующегося малой зоной активного рыхления. Это также снижает стабильность процесса грунтозабора, а при обрушении откосов грунта происходит забой наконечника и прекращение работы.
Известно также грунтозаборное устройство землесосного снаряда, включающее всасывающий наконечник со смежным ему водоподводящим каналом с элементом для регулирования проходного сечения и гидрорыхлитель, при этом нижняя часть разделительной стенки между всасывающим наконечником и водоподводящим каналом выполнена в виде одной или нескольких пластин, установленных с возможностью перемещения вдоль разделительной стенки (а.с. СССР №1155688, Е 02 F 3/88, 1982). В данном грунтозаборном устройстве процесс рыхления грунта предполагается осуществлять диффузионным способом, что повышает консистенцию водогрунтовой смеси. Однако забор грунта также осуществляется всасыванием через узкую щель. При этом величина всасывающей щели может регулироваться не только перемещением наконечника, но и изменением положения пластин, установленных на разделительной стенке между всасывающим наконечником и водоподводящим каналом, что повышает стабильность грунтозабора по сравнению с предыдущим техническим решением. Однако активная зона всасывания также остается малой, поэтому на стабильность процесса грунтозабора большое влияние оказывает множество факторов, что снижает производительность. Кроме того, необходимо отметить сложность рабочих перемещений грунтозаборного устройства, так как оно предназначено для работы только под слоем грунта. При наличии же связанных подстилающих слоев работа устройства вообще исключается.
Известно и принято за прототип грунтозаборное устройство землесосного снаряда, включающее наконечник с всасывающим зевом, трубу подвода воды и гидромонитор для рыхления грунта (Папулов В.И., Меныциков А.И., Иванов А.С. Разработка подводных месторождений полезных ископаемых. - М.: ЦП НТГО, МГИ, 1983, с.12, рис.4.1г). Рыхление грунта может осуществляться гидромонитором как методом размыва, так и диффузионным методом, благодаря возможности осевого перемещения гидромонитора, что несколько повышает консистенцию водогрунтовой смеси. Однако забор грунта также осуществляется только всасыванием через узкую щель, поэтому активная зона всасывания остается малой, что исключает стабильность грунтозабора и снижает его производительность.
Решаемая предполагаемой полезной моделью задача - увеличение активной зоны всасывания грунта.
Технический результат, который может быть получен при использовании заявляемого технического решения - повышение производительности забора грунта за счет повышения консистенции засасываемой водогрунтовой смеси и стабильности процесса грунтозабора.
Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в известном грунтозаборном устройстве землесосного снаряда, включающем наконечник с всасывающим зевом, трубу подвода воды и гидромонитор для рыхления грунта, согласно предлагаемой полезной модели гидромонитор снабжен соплами для транспортирования грунта, направленными в сторону наконечника.
Возможны дополнительные варианты грунтозаборного устройства землесосного снаряда, в которых целесообразно, чтобы:
- сопла для транспортирования грунта были выполнены Г-образными;
- гидромонитор был выполнен в виде патрубка с соплами, установленными на его торце и на боковой поверхности;
- гидромонитор был установлен в центре всасывающего зева наконечника;
- гидромонитор был установлен над всасывающим зевом наконечника;
- оно было снабжено пульсатором, установленным на трубе подвода воды;
- гидромонитор был выполнен в виде двух патрубков с соплами, установленными на их торцах и боковых поверхностях;
- пульсатор был выполнен в виде перекидного клапана, установленного в месте соединения патрубков с трубой подвода воды с возможностью поворота;
- сопла по торцам патрубков для рыхления грунта были установлены под углом 0-90° к оси гидромонитора;
- гидромонитор был установлен с возможностью осевого перемещения;
- наконечник был снабжен коллектором с соплами для рыхления грунта;
- коллектор был установлен под всасывающим зевом наконечника;
- сопла были установлены под углом 90-180° к плоскости зева наконечника;
- коллектор был выполнен в виде патрубка с соплами и установлен с возможностью поворота относительно своей оси;
- коллектор был выполнен в виде двух патрубков, установленных по боковым сторонам наконечника;
- наконечник был снабжен экраном;
- сопла для транспортирования грунта были установлены в каналах.
Указанные преимущества, а также особенности предлагаемой полезной модели поясняются вариантами ее осуществления со ссылками на чертежи: на фиг.1 показано устройство с гидромонитором в центре всасывающего зева наконечника; на фиг.2 - вид А на фиг.1; на фиг.3 разрез Б-Б на фиг.1; на фиг.4 - устройство с гидромонитором над всасывающим зевом; на фиг.5 - устройство с пульсатором и коллектором под всасывающим зевом; на фиг.6 - разрез В-В на фиг.5; на фиг.7 - устройство с коллектором по боковым сторонам всасывающего зева; на фиг.8 - вид Г на фиг.7; на фиг.9 - разрез Д-Д на фиг.7; на фиг.10 - устройство со струенаправляющими каналами на гидромониторе; на фиг.11 - разрез Е-Е на фиг.10; на фиг.12 - разрез Ж-Ж на фиг.10; на фиг.13 - схема работы устройства.
Грунтозаборное устройство землесосного снаряда включает наконечник 1 с всасывающим зевом 2, трубу 3 подвода воды и гидромонитор 4 для рыхления грунта. Гидромонитор 4 снабжен соплами 5 для транспортирования грунта. На торце гидромонитора 4 установлено сопло 6 для рыхления грунта. Наконечник 1 соединен с всасывающей трубой 7. В зеве 2 может быть установлена решетка 8 с ребрами для защиты от попадания посторонних включений. Над зевом 2 может быть установлен экран 9. Устройство может быть снабжено коллектором 10 с соплами 11 и трубой 12 подвода воды и гидроцилиндром 13. Устройство может быть снабжено пульсатором 14, направляющей втулкой 15с гидроцилиндром 16. Коллектор 10 может быть установлен в подшипниках 17, снабжен распределителем
18 и соплами 19 на его торцах. Гидромонитор может быть выполнен из двух патрубков 20 и 21, соединенных с трубой 3 через заслонку 22 с приводом от силового цилиндра 23. Устройство может быть снабжено коллектором, выполненным в виде двух патрубков 24 и 25, установленных по боковым сторонам зева 2, соединенных с гидромонитором каналами 26 и снабженных соплами 27. Устройство может быть снабжено ребрами 28, установленными на гидромониторе, и рассекателем потока 29, установленном в наконечнике 1 над патрубком гидромонитора.
Грунтозаборное устройство землесосного снаряда работает следующим образом. Перед началом работы подается вода по трубе 3 в гидромонитор 4 от насоса гидрорыхлителя (на черт. не показан). Затем наконечник 1 опускается на заданную глубину разработки и включается грунтовой насос (не показан). В процессе работы Грунтозаборное устройство перемещается вперед и опускается вниз, при этом гидромонитор 4 внедряется в грунт благодаря размывающему действию вытекающей из сопла 6 воды. Размытый грунт вытесняется поступающей вновь из сопла 6 водой вдоль поверхности гидромонитора 4 и подхватывается струями воды, вытекающими из сопел 5 и транспортируется ими далее к всасывающему зеву 2. Сопла 5 установлены вдоль гидромонитора 4 и обеспечивают транспортирование грунта по всей его длине до всасывающего зева 2. Через зев 2 грунт поступает в наконечник 1 и далее по всасывающей трубе 7 транспортируется к грунтовому насосу. Благодаря установке сопел 5 по длине гидромонитора 4 осуществляется принудительное транспортирование размытого и взвешенного вытекающей из сопла 6 струей воды грунта к всасывающему зеву 2. При этом грунт находится во взвешенном состоянии по всей длине гидромонитора, и весь этот объем перемещается к зеву 2. Таким образом, зона активного всасывания (зона грунтозабора) и составляет весь этот объем перемещаемого к зеву 2 грунта. При этом к зеву 2 поступает уже подготовленная водогрунтовая смесь, образовавшаяся в результате перемешивания грунта с водой, поступающей из сопел 6 и 5. Подбирая соотношение расхода воды, вытекающей из сопел 6 и 5, с производительностью земснаряда по грунту, можно осуществлять грунтозабор с оптимальной консистенцией водогрунтовой смеси, обеспечивающей максимальную производительность земснаряда. Формирование водогрунтовой смеси по длине гидромонитора 4 исключает влияние изменения свойств грунта в массиве на консистенцию водогрунтовой смеси: попадающиеся слежавшиеся прослойки грунта будут разрушаться струями воды из сопел 6 и 5 на протяжении всего движения грунта вдоль гидромонитора 4, и в зев 2 будет поступать однородная водогрунтовая смесь расчетной консистенции, что стабилизирует процесс грунтозабора и способствует увеличению производительности земснаряда. Благодаря большой протяженности зоны взвешенного грунта вдоль гидромонитора 4, попавшие крупногабаритные включения (например, булыжники) будут проваливаться в этой зоне вниз и не попадут в зев 2. Это снизит потери времени на очистку грунтопровода, что также повысит эксплуатационную производительность земснаряда. При внезапном обрушении свода грунта над грунтоприемником исключаются его завалы, так как грунт будет активно размываться струями из сопел 6 и 5 и транспортироваться к зеву 2 в виде водогрунтовой смеси, исключая срыв грунтозабора и остановку земснаряда для освобождения грунтоприемника от завала.
Выполнение сопел 5 Г-образными обеспечивает не только транспортирование грунта к зеву 2, а также и рыхление его в массиве при перемещениях грунтозаборного устройства, что способствует повышению консистенции забираемого грунта. Кроме того, Г-образное исполнение сопел позволяет выполнять и устанавливать их вдоль оси гидромонитора 4 таким образом, чтобы сопла больших размеров (диаметр и высота вылета) располагались ближе к зеву, а по мере удаления от зева размеры сопел уменьшались. Это обеспечивает создание зоны активного всасывания в виде конуса с основанием у всасывающего зева 2 и вершиной у сопла 6, что облегчает процесс заглубления в грунт, а также увеличивает объем транспортируемого грунта по мере приближения к зеву 2 и производительность
земснаряда по грунтозабору при оптимальном расходе энергии на гидрорыхление и принудительное транспортирование грунта.
Выполнение гидромонитора 4 в виде патрубка с соплами 5 на его боковой поверхности и 6 на торце обеспечивает снижение потерь на трение при принудительном перемещении грунта к зеву 2 вдоль оси гидромонитора, что повышает производительность по грунтозабору.
Установка гидромонитора 4 в центре зева 2 наконечника 1 обеспечивает высокопроизводительный грунтозабор при разработке несвязного грунта. При работе ямным способом по мере выбирания грунта при опускании грунтозаборного устройства с откосов будет сползать грунт, обеспечивая равномерное насыщение водогрунтовой смеси по всему объему зоны активного всасывания, что повышает производительность.
Установка гидромонитора 4 над зевом 2 наконечника 1 обеспечивает высокопроизводительный грунтозабор при разработке грунта с прослойками связного, когда не происходит равномерного сползания откосов, а может происходить внезапное их обрушение в зону активного всасывания. При работе ямным способом по мере опускания наконечника 1 производится выбирание грунта снизу, поэтому работают боковые и нижние сопла 5, перемещая грунт к зеву 2 (фиг.4). При этом боковые сопла установлены под углом, направляющим их к зеву 2. При внезапном обрушении откосов грунта гидромонитор 4 предотвратит завал зева 2, закрывая его и обеспечивая перемешивание грунта с водой, вытекающей из сопел 5 и 6.
Установка пульсатора 14 на трубе подачи воды к соплам 5 и 6 (фиг.5) обеспечивает повышение производительности грунтозабора, так как при вращении прерывателя пульсатора гидромонитор 4 поочередно соединяется и разобщается с трубой подачи воды, благодаря чему вытекающие струи воды из сопел 5 и 6 будут прерывисты - пульсирующие. Известно, что эффект воздействия пульсирующих струй на грунт более эффективен, чем при однородном истечении. Поэтому при наличии пульсатора струи из сопел 6 размывают большее количество грунта, а струи из сопел 5 могут перемещать более высоко-насыщенную водогрунтовую смесь, что повысит производительность грунтозабора.
Для работы папильонажным способом гидромонитор может быть выполнен в виде двух патрубков 20 и 21 (фиг.7, 8) с соплами 5 и 6 на их поверхностях. На боковых поверхностях патрубков 20 и 21 могут быть установлены не только сопла 5 для принудительного транспортирования грунта к всасывающему зеву, но и сопла 6 для рыхления слежавшегося с прослойками связного грунта при папильонировании. В зависимости от направления папильонирования грунтозаборного устройства в работу включается один из патрубков 20 или 21: при движении устройства вправо вода на рыхление и транспортирование грунта подается только в патрубок 21, при этом заслонка 22 занимает положение I (фиг.8), перекрывая доступ воды в патрубок 20. Сопла 6 рыхлят грунт справа и с торца от патрубка 21, а сопла 5 транспортируют его к всасывающему зеву. Благодаря подаче всей вода только на один патрубок 21, рыхление и транспортирование грунта осуществляется более интенсивно, что повышает производительность грунтозабора. При перемещении грунтозаборного устройства влево заслонка 22 занимает положение II (фиг.8) и вся вода из трубы 3 попадает только в патрубок 20, обеспечивая интенсивное рыхление и гидротранспорт грунта к всасывающему зеву с высокой производительностью грунтозабора. При работе ямным способом вода из трубы 3 может подаваться одновременно в патрубки 20 и 21 при центральном положении заслонки 22, как показано на фиг.8. Рыхление грунта и его транспортирование к всасывающему зеву осуществляется всеми соплами 5 и 6 обоих патрубков 20 и 21. При этом увеличивается зона рыхления и транспортирования грунта, что способствует повышению стабильности грунтозабора при изменяющихся грунтовых условиях.
При работе грунтозаборного устройства ямным способом вода из трубы 3 может подаваться поочередно в патрубки 20 и 21 за счет колебательного перемещения заслонки 22 в положения I и II (фиг.8) гидро- или пневмоцилиндром 23. При этом вся вода из трубы
3 подается или только в патрубок 20, или в патрубок 21, обеспечивая ударное (прерывистое) воздействие струй воды на грунт, что интенсифицирует рыхление и гидротранспортирование разрыхленного грунта к всасывающему зеву, благодаря чему повышается производительность грунтозабора. Таким образом, заслонка 22 в данном случае выполняет роль пульсатора.
При разработке толстых слоев слежавшегося с прослойками связного грунта сопла 6 на торцах патрубков 4 (фиг.5) и 20, 21 (фиг.8) могут быть установлены под углами β=0-90° к оси патрубков, чтобы расширить зону рыхления грунта. Это снижает вероятность внезапного обрушения откосов грунта и повышает эксплуатационную производительность грунтозабора. Угол β можно изменять в зависимости от разрабатываемого грунта за счет установки угловых сопел.
Гидромонитор 4 может быть установлен с возможностью осевого перемещения (фиг.5). Это дает возможность изменять величину зоны активного всасывания грунта и регулировать ее оптимальное значение в зависимости от состояния разрабатываемого грунта: при разработке сыпучих грунтов тонкими слоями зону активного всасывания следует уменьшить, чтобы исключить унос грунта и снижение производительности. Для этого пневмо- или гидроцилиндром 16 гидромонитор 4 перемещается влево. При разработке грунта толстыми слоями увеличивается зона активного всасывания за счет перемещения гидромонитора 4 цилиндром 16 перед зевом на большую величину, что снижает вероятность внезапного обрушения откосов и повышает стабильность грунтозабора.
Грунтозаборное устройство может быть снабжено коллектором 10 (фиг.4, 5, 6) или 24, 25 (фиг.7, 8, 9) с соплами для рыхления грунта. Дополнительное рыхление грунта обеспечивает расширение зоны разработки грунта и повышает производительность грун-тозабора.
При разработке грунта ямным и траншейным способом коллектор 10 с соплами 11 для рыхления грунта устанавливают под всасывающим зевом 2 наконечника 1 (фиг.4, 5), чтобы обеспечивать не только расширение зоны разработки грунта, но и заглубление наконечника в грунт при опускании грунтозаборного устройства для грунтозабора. Струи воды, вытекающие из сопел 11, рыхлят грунт под зевом 2, благодаря чему наконечник беспрепятственно может опускаться вниз, обеспечивая стабильный грунтозабор.
При изменении угла наклона грунтозаборного устройства к горизонту при работе траншейным способом на разных глубинах грунтозабора для более эффективного рыхления грунта сопла 11 устанавливают под углом а к плоскости зева наконечника от 90 до 180° (фиг.4). При работе на малых глубинах грунтозабора угол а близок к 180°, чтобы обеспечить лучшее заглубление наконечника 1 в грунт и стабильный режим грунтозабора. При работе на больших глубинах угол а уменьшается до близких к 90°. Установка опти-мальных углов а в зависимости от глубины грунтозабора может быть осуществлена с помощью угловых прокладок под сопла 11 (не показано) или применением угловых сопел.
При работе грунтозаборного устройства в условиях часто меняющихся глубин грунтозабора коллектор 10 может быть выполнен в виде патрубка с соплами 11, который установлен с возможностью поворота относительно своей оси с помощью пневмо- или гидроцилиндра 13 (фиг.5, 6). При этом угол между соплами 11 и плоскостью зева 2 регу-лируется путем поворота коллектора 10 относительно его оси цилиндром 13. В зависимости от угла наклона грунтозаборного устройства к горизонту устанавливается оптимальное положение сопел 11, когда обеспечивается стабильный режим грунтозабора с максимальной производительностью. Кроме того, в условиях изменяющихся грунтов угол установки сопел 11 может непрерывно колебаться относительно некоторого осредненного оптимального значения, обеспечивая стабильный режим грунтозабора. Для разработки боковых откосов грунта коллектор 10 может быть снабжен соплами 19 (фиг.6), установленными на его торцах, что снизит вероятность внезапного обрушения боковых откосов.
При работе грунтозаборного устройства папильонажным способом коллектор может быть выполнен в виде двух патрубков 24 и 25 с соплами 27 для рыхления грунта
(фиг.7, 8, 9), При перемещении устройства вправо вода на гидрорыхление грунта подается в патрубок 25 по каналу 26 от патрубка 21. Грунт разрыхляется вытекающими из сопел 27 струями воды перед грунтозаборным устройством, увеличивая зону разработки грунта перед наконечником 1, а также облегчая его перемещение в грунте, что способствует стабилизации режима грунтозабора. При перемещении грунтозаборного устройства влево вода на гидрорыхление подается в патрубок 24. Подача воды не в оба патрубка 24, 25 одновременно, а поочередно в один из них, расположенный со стороны массива грунта, обеспечивает повышение насыщения водогрунтовой смеси грунтом и производительности грунтозабора.
Наконечник 1 может быть снабжен экраном 9, который снижает подсасывание окружающей воды, повышая консистенцию водогрунтовой смеси и производительность грунтозабора.
Сопла 5 для транспортирования грунта могут быть установлены в каналах, образованных ребрами 28, установленных на гидромониторе (фиг.10, 11). Ребра 28 экранируют струи, вытекающие из сопел 5, от окружающей жидкости, т.е. снижают сопротивление перемещению этих струй, их затухание и увеличивают дальность движения и, следовательно, повышают эффективность транспортирования грунта к всасывающему зеву 2 и производительность грунтозабора.
Для исключения застойных зон в наконечнике 1 и снижения сопротивления всасыванию грунта устройство может быть снабжено рассекателем потока 29 (фиг.10, 11, 12). Рассекатель потока 29 разделяет поток на две части, обтекающие гидромонитор 4 в наконечнике 1 с наименьшими гидравлическими сопротивлениями, что увеличивает эффективность всасывания водогрунтовой смеси и повышает производительность грунтозабора.
гр
гр
Для повышения эффективности грунтозабора расход жидкости на рыхление и принудительное гидротранспортирование грунта к всасывающему зеву должен приниматься в пределах (1-3)Q, где Q - производительность по грунту. Для легких сыпучих грунтов расход жидкости будет ближе к нижнему значению, при разработке гравелистых грунтов расход увеличится до верхнего значения. При разработке карьеров с прослойками связного грунта, а также толстыми слоями, когда высока вероятность внезапных обвалов откосов, расход воды также следует поддерживать около верхнего значения. В этом случае при внезапных обвалах грунт будет разрабатываться струями из сопел, исключая завал наконечника и повышая эксплуатационную производительность.