ЗЕМЛЕСОСНЫЙ СНАРЯД

Полезная модель относится к гидромеханизации, в частности к техническим средствам добычи полезных ископаемых из-под воды, а также выполнения дноуглубительных работ.
Известно грунтозаборное устройство землесосного снаряда, содержащее наконечник с всасывающим зевом, трубу подвода воды и гидромонитор, снабженный соплами для транспортирования грунта, направленными в сторону наконечника, при этом сопла для транспортирования грунта снабжены дополнительными соплами для рыхления грунта, установленными с возможностью создания зоны взрыхленного грунта вокруг основных сопел, дополнительные сопла установлены на периферии основных и впереди основных по ходу движения монитора, оси дополнительных сопел установлены в одной плоскости с осями основных, дополнительные сопла снабжены ножами для механического резания грунта, установленными впереди сопел по ходу движения монитора (см. патент РФ №2390612, 2009 г.).
Недостатком данного устройства является низкая эффективность как рыхления грунта, так и транспортирования его к всасывающему зеву струями воды, вытекающими из сопел. Это связано с тем, что рыхление и транспортирование грунта осуществляется непрерывными стационарными струями воды. Рыхлительные струи монотонно давят на грунт без ударных воздействий, что снижает процесс отделения грунта от массива, а транспортирующие стационарные струи быстро теряют энергию в потоке окружающей среды, что снижает дальность транспортирования грунта и эффективность перемешивания струй с транспортируемым грунтом.
Наиболее близким по технической сути к предлагаемому устройству (прототипом) является грунтозаборное устройство землесосного снаряда, содержащее наконечник с всасывающим зевом, канал подвода воды на гидрорыхление грунта, коллектор или гидромонитор с соплами, снабженное кавитационными генераторами пульсаций давления воды, установленными перед соплами, при этом кавитационный генератор пульсаций давления воды может устанавливаться перед коллектором или на мониторе (см. патент РФ №182160, 2018 г.).
Недостатком данного устройства является то, что установка кавитационных генераторов пульсаций давления воды перед соплами значительно усложняет конструкцию сопел, повышает стоимость их производства и обслуживания. В случае установки кавитационных генераторов перед коллектором или на мониторе, интенсивность пульсаций потока снижается по сравнению с установкой кавитационных генераторов непосредственно перед соплами. Также следует отметить, что выполнение кавитационных генераторов пульсаций давления воды в виде трубок Вентури, не имеющих высококачественного защитного покрытия, приводик к снижению их долговечности и ресурса.
Техническая задача создание устройства, позволяющего формировать стабильные и интенсивные пульсации давления в струях воды, вытекающих из сопел, при отсутствии значительных изменений в конструкции сопел, для повышения производительности забора грунта за счет повышения эффективности гидравлического размыва грунта, улучшения консистенции засасываемой водогрунтовой смеси и повышения стабильности процесса грунтозабора.
Технический результат - повышение эффективности работы устройства при использовании.
Он достигается тем, что известное устройство, содержащее грунтозаборное устройство, состоящее из наконечника со всасывающим зевом и гидромонитором с соплами, канал подвода воды для гидрорыхления грунта, дополнительно содержит раму, в нижней части которой жестко закреплены резервуар, наполненный водой для гидрорыхления грунта, и резервуар для аккумулирования извлеченного грунта, подвижную платформу, расположенную на верхней части рамы и выполненную в виде прямоугольной плиты, снабженную роликами для обеспечения перемещения платформы по верхней части рамы, вертикальные опоры, жестко закрепленные на верхней части платформы и выполненные в виде металлических цилиндрических стоек, на которых жестко закреплен грунтопровод, снабженный осветлителем гидросмеси и запорным клапаном, гибкий шланг, жестко присоединенный к грунтопроводу со стороны, обратной от резервуара для аккумулирования извлеченного грунта, к которому жестко присоединен наконечник, выполненный в виде конического раструба и снабженный всасывающим зевом для забора взрыхленного грунта, вертикальные опоры, жестко закрепленные на верхней части платформы и выполненные в виде металлических прямоугольных стоек, на которых жестко закреплен канал подвода воды на гидрорыхление грунта, снабженный двухходовым запорным клапаном и пульсатором, выполненным в виде клапана с вращающимся вокруг вертикальной оси шаром с отверстием в горизонтальной диаметральной плоскости для формирования пульсирующих струй воды в зоне всасывания грунта, к которому жестко прикреплен гибкий шланг, к которому жестко присоединен гидромонитор, выполненный в виде цилиндра и снабженный соплами для размыва грунта и соплами для транспортирования грунта, выполненными в виде Г-образной формы.
Рама необходима для закрепления на ней основных структурных элементов устройства. Резервуар, наполненный водой, служит для бесперебойного обеспечения подвода воды в сопла для размыва грунта, резервуар для аккумулирования извлеченного грунта необходим для дальнейшей утилизации грунта за пределами исследуемой акватории.
Подвижная платформа, расположенная на верхней части рамы и выполненная в виде прямоугольной плиты, снабженная роликами для обеспечения перемещения платформы по верхней части рамы, является конструктивной основой устройства для размещения на ней основных структурных элементов устройства.
Вертикальные опоры, жестко закрепленные на верхней части платформы и выполненные в виде металлических цилиндрических стоек, необходимы для жесткого закрепления грунтопровода в составе устройства.
Грунтопровод, снабженный осветлителем гидросмеси и запорным клапаном, необходим для транспортирования водогрунтовой смеси с применением трутового насоса в резервуар для аккумулирования извлеченного грунта.
Гибкий шланг, жестко присоединенный к грунтопроводу со стороны, обратной от резервуара для аккумулирования извлеченного грунта, к которому жестко присоединен наконечник, выполненный в виде конического раструба и снабженный всасывающим зевом для забора взрыхленного грунта, является частью системы транспортирования водогрунтовой смеси и обеспечивает подвижность всасывающего зева при эксплуатации устройства.
Вертикальные опоры, жестко закрепленные на верхней части платформы и выполненные в виде металлических прямоугольных стоек, на которых жестко закреплен канал подвода воды на гидрорыхление грунта, снабженный двухходовым запорным клапаном, необходимы для жесткого закрепления канала подвода воды на гидрорыхление грунта в составе устройства и с целью реализации различных режимов работы устройства.
Пульсатор, выполненный в виде клапана с вращающимся вокруг вертикальной оси шаром с отверстием в горизонтальной диаметральной плоскости, предназначенный для формирования пульсирующих струй воды в зоне всасывания грунта всасывающего зева, что необходимо для увеличения зоны активного всасывания и увеличения динамичности воздействия рабочего потока жидкости на грунт при его отделении от массива и переносе частиц в устье всасывающего зева при взвешенном состоянии твердой фазы.
Следует отметить, что эффект воздействия пульсирующих струй на грунт более эффективен, чем при однородном истечении воды, поскольку при повторно-переменных динамических нагрузках демпферная подушка не успевает образоваться и происходит интенсификация процессов щелеобразования и раскалывания, следствием которых является рост производительности грунтозабора. При этом при переменной нагрузке струя обладает более высокой компактностью, то есть сохраняет кинетическую энергию на любом расстоянии от сопла. Параметры потока пульсируют относительно их средних значений, то есть в среднем мощность пульсирующего потока остается приблизительно равной мощности стационарного потока, но его разрабатывающая и транспортирующая способности существенно возрастают, обеспечивая тем самым снижение энергозатрат, приходящихся на единицу продукции.
Гибкий шланг, к которому жестко присоединен гидромонитор, выполненный в виде цилиндра и снабженный соплами для размыва грунта и соплами для транспортирования грунта, является частью системы гидрорыхления грунта и обеспечивает подвижность гидромонитора при эксплуатации устройства.
Выполнение сопел Г-образными обеспечивает транспортирование грунта к всасывающему зеву и рыхление его в массиве при перемещениях устройства, что способствует повышению консистенции забираемого грунта. Кроме того, Г-образное исполнение сопел позволяет выполнять и устанавливать их вдоль оси гидромонитора таким образом, чтобы сопла больших размеров располагались ближе к всасывающему зеву, а по мере удаления от всасывающего зева размеры сопел уменьшались. Это обеспечивает создание зоны активного всасывания в виде конуса с основанием у всасывающего зева и вершиной у сопла для размыва грунта, что облегчает процесс заглубления в грунт, а также способствует увеличению объема транспортируемого грунта по мере приближения к всасывающему зеву и производительности землесосного снаряда по грунтозабору при оптимальном расходе энергии на гидрорыхление и принудительное транспортирование грунта.
На чертеже изображено предлагаемое устройство.
Землесосный снаряд содержит раму 1, в нижней части которой жестко закреплены резервуар 2, наполненный водой для гидрорыхления грунта, и резервуар 3 для аккумулирования извлеченного грунта. На верхней части рамы расположена подвижная платформа 4, выполненная в виде прямоугольной плиты и снабженная роликами 5 для обеспечения перемещения платформы 4 по раме 1. На верхней части платформы 4 жестко закреплены вертикальные опоры 6, выполненные в виде металлических цилиндрических стоек, на которых жестко закреплен грунтопровод 7, необходимый для транспортирования водогрунтовой смеси с применением грунтового насоса в резервуар 3 и снабженный осветлителем гидросмеси 8 для отделения воды от грунта и запорным клапаном 9 для переключения подачи воды через осветлитель гидросмеси 8. К грунтопроводу 7 со стороны, обратной от резервуара 3, жестко присоединен гибкий шланг 10, к которому жестко присоединен наконечник 11, выполненный в виде конического раструба и снабженный всасывающим зевом 12 для забора взрыхленного грунта. Также на верхней части платформы 4 жестко закреплены вертикальные опоры 13, выполненные в виде металлических прямоугольных стоек, на которых жестко закреплен канал подвода воды на гидрорыхление грунта 14 из резервуара 2, снабженный двухходовым запорным клапаном 15 для реализации различных режимов работы устройства и пульсатором 16, выполненным в виде клапана с вращающимся вокруг вертикальной оси шаром с отверстием в горизонтальной диаметральной плоскости и предназначенным для формирования пульсирующих струй воды в зоне всасывания грунта всасывающего зева 12, что необходимо для увеличения зоны активного всасывания и увеличения динамичности воздействия рабочего потока жидкости на грунт при его отделении от массива и переносе частиц в устье всасывающего зева 12 при взвешенном состоянии твердой фазы. К пульсатору 16 жестко прикреплен гибкий шланг 17, к которому жестко присоединен гидромонитор 18, выполненный в виде цилиндра и снабженный соплами для размыва грунта 19 для обеспечения стабильного гидрорыхления грунта и соплами для транспортирования грунта 20, выполненными Г-образными для обеспечения транспортирования грунта к всасывающему зеву 12 и рыхления грунта в массиве при перемещениях устройства.
Устройство работает следующим образом.
При первом варианте использования устройства перед началом работы устройства вода из резервуара 2 подается на размыв грунта по каналу подвода воды на гидрорыхление грунта 14 к пульсатору 16. Путем регулирования частоты вращения пульсатора 16, выполненного в виде клапана с вращающимся вокруг вертикальной оси шаром с отверстием в горизонтальной диаметральной плоскости, подбирается режим динамичности воздействия рабочего потока жидкости на грунт при его отделении от массива и переносе частиц в устье всасывающего зева 12 при взвешенном состоянии твердой среды. Далее вода через гибкий шланг 17 поступает в гидромонитор 18. Затем гидромонитор 18, снабженный соплами для размыва грунта 19 и соплами для транспортирования грунта 20, опускается на определенную глубину и включается грунтовой всасывающий насос (на чертеже не показан). В процессе работы грунтозаборное устройство перемещается вперед и опускается вниз, при этом гидромонитор 18 внедряется в грунт благодаря размывающему действию пульсирующих струй воды из сопел 19. Размытый грунт вытесняется водой из сопел 19 вдоль поверхности гидромонитора 18 и подхватывается пульсирующими струями воды, вытекающими из сопел 20, и транспортируется далее к всасывающему зеву 12. Сопла 20 установлены на внешней поверхности гидромонитора 18 и обеспечивают транспортирование грунта по всей его длине до всасывающего зева 12. Через всасывающий зев 12 и гибкий шланг 10 грунт поступает в грунтопровод 7 и далее транспортируется к грунтовому всасывающему насосу. Затем водогрунтовая смесь (пульпа) под давлением поступает в резервуар 3. Благодаря установке транспортирующих сопел 20 по длине гидромонитора 18, осуществляется принудительное транспортирование размытого и взвешенного пульсирующими струями воды грунта к всасывающему зеву 12. При этом грунт находится во взвешенном состоянии по всей длине гидромонитора 18, и этот объем перемещается к всасывающему зеву 12. Таким образом, зона активного всасывания составляет весь объем перемещаемого к всасывающему зеву 12 грунта. При этом к всасывающему зеву 12 поступает уже подготовленная водогрунтовая смесь (пульпа), образовавшаяся в результате перемешивания грунта с водой, поступающей из сопел 19 и 20. Путем подбора соотношения расхода воды, вытекающей из сопел 19 и 20, и производительности землесосного снаряда по грунту, осуществляется грунтозабор с оптимальной консистенцией водогрунтовой смеси, обеспечивающей максимальную производительность землесосного снаряда. Формирование водогрунтовой смеси по длине гидромонитора 18 исключает влияние изменений свойств грунта в массиве на консистенцию водогрунтовой смеси, поскольку попадающиеся слежавшиеся прослойки грунта будут разрушаться струями воды из сопел 19 и 20 на протяжении всего движения грунта вдоль гидромонитора 18. Поэтому во всасывающий зев 12 будет поступать однородная водогрунтовая смесь расчетной консистенции, что способствует стабилизации процесса грунтозабора и увеличению производительности земснаряда. Благодаря большой протяженности зоны взвешенного грунта вдоль гидромонитора 18, попавшие в эту зону крупногабаритные включения будут проваливаться вниз и не попадут во всасывающий зев 12. Это снизит потери времени на очистку грунтопровода 7, что также повысит эксплуатационную производительность землесосного снаряда. При внезапном обрушении свода грунта над наконечником 11 с всасывающим зевом 12 исключаются его завалы, так как грунт будет активно размываться струями из сопел 19 и транспортироваться к всасывающему зеву 12 в виде водогрунтовой смеси, исключая срыв грунтозабора и остановку землесосного снаряда для освобождения грунтоприемника от завала. В данном варианте извлечения грунта следует использовать насос для размыва грунта (не чертеже не показан) и насос всасывающий для подачи грунта (не чертеже не показан) в грунтопровод 7.
При втором варианте использования устройства перед началом работы закрывается двухходовой запорный клапан 15 на канале подвода воды на гидрорыхление грунта 14. Насос для подачи воды для размыва грунта (на чертеже не показан) должен быть отключен. Грунтозаборное устройство опускается на заданную глубину разработки и включается грунтовой всасывающий насос, в результате вода поступает в грунтопровод 7, снабженный осветлителем гидросмеси 8, конструкция которого позволяет использовать осветленную воду без грунта, так как грунт движется в нижней части грунтопровода 7. Далее открывается запорный клапан 9, и осветленная вода без грунта подается в канал подвода воды на гидрорыхление грунта 14. Размытый грунт вытесняется водой из сопел 19 вдоль поверхности гидромонитора 18 и подхватывается пульсирующими струями воды, вытекающими из сопел 20, и транспортируется ими к всасывающему зеву 12. Данным способом работа грунтозаборного устройства осуществляется через гидроимпульсную систему с одним работающим насосом с использованием осветлителя гидросмеси 8. В процессе работы устройство перемещается вперед и опускается вниз, при этом гидромонитор 18 внедряется в грунт благодаря размывающему действию воды, вытекающей из сопел 19.
При работе ямно-траншейным способом грунтозаборное устройство не только опускается вниз, но и перемещается вперед. Вытекающими из сопел 19 струями воды грунт взрыхляется: отделенный от ложа дна грунт перемешивается с водой, вытекающей из сопел 20, с образованием зоны высоко насыщенной водогрунтовой смеси. При перемещении вперед грунтозаборного устройства вслед за соплами 19, установленными впереди сопел 20 по ходу движения гидромонитора 18, в зону взрыхленного грунта поступает вода через сопла 19. Струи воды, вытекающие из сопел 19, подхватывают размытый соплами 20 грунт и перемещают его к всасывающему зеву 12. При этом вода из сопел 19 воздействует на грунт под прямым углом, что обеспечивает высокую эффективность рыхления слежавшихся плотных грунтов, а сопла 20 только транспортируют грунт. Следовательно, благодаря установке сопел 19 впереди сопел 20 по ходу движения гидромонитора 18 обеспечивается эффективная работа устройства ямно-траншейным способом при разработке плотных слежавшихся грунтов.
Таким образом, при работе ямным и ямно-траншейным способами сопла 19 создают зону взрыхленного грунта вокруг сопел 20, что обеспечивает эффективное рыхление соплами 19 и эффективное транспортирование грунта соплами 20, благодаря чему грунтозабор осуществляется с высоким насыщением водогрунтовой смеси. Подбирая оптимальные соотношения диаметров сопел 19 и 20, в зависимости от рода грунта и условий эксплуатации, достигается максимальная производительность грунтозаборного устройства по грунту.
Положительный эффект предлагаемого устройства землесосный снаряд позволяет формировать стабильные и интенсивные пульсации давления в струях воды, вытекающих из сопел, при отсутствии значительных изменений в конструкции сопел, с целью повышения производительности забора грунта за счет повышения эффективности гидравлического размыва грунта, улучшения консистенции засасываемой водогрунтовой смеси и повышения стабильности процесса грунтозабора. Это обеспечивается за счет использования в конструкции устройства пульсатора, который преобразует свое вращательное движение в колебания расхода и давления рабочих потоков жидкости. С учетом возможности регулирования частоты вращения пульсатора подбирается режим динамичности воздействия рабочего потока жидкости на грунт при его отделении от массива и переносе частиц в устье всасывающего зева при взвешенном состоянии твердой среды. Это способствует интенсификации процесса заглубления устройства в грунты любой плотности, а также способствует увеличению объема транспортируемого грунта по мере приближения к всасывающему зеву и производительности землесосного снаряда по грунтозабору при оптимальном расходе энергии на гидрорыхление и принудительное транспортирование грунта.