СПОСОБ РАЗРАБОТКИ И ДОБЫЧИ ГРУНТА СО ДНА ВОДОЁМА ГРЕЙФЕРОМ
METHOD FOR DEVELOPMENT AND EXTRACTION OF SOIL FROM BOTTOM OF WATER BODY WITH BUCKET GRAB

Изобретение относится к технологии разработки и добычи грунтов со дна водоемов.
Известны способы разработки и добычи грунтов со дна водоемов с помощью земснарядов - см., например, Интернет, ПРИНЦИП РАБОТЫ ЗЕМСНАРЯДА.
Недостатком традиционных земснарядов является ограничение глубины их функционирования - не превышает 50 метров. Вместе с тем, достаточно распространенными являются ситуации, когда разработку грунта требуется осуществлять в водоемах глубиной значительно большей - до 100 метров и даже более.
Распространенными для таких условий являются грейферные технологии (см., например, Интернет, Компания Гидрострой, Работы и услуги).
Однако грейферные технологии имеют негатив, заключающийся в том, что объем энергии, требуемой для ее осуществления, значительно возрастает в силу не только количественного фактора расхода этой энергии, но и ее существенных потерь при разрыве равномерности технологического процесса. Т.е., когда грейфер опускается на дно водоема под действием собственного веса, продолжение подачи электрической энергии на электрооборудование добычного комплекса (даже при снижении этой подачи на время опускания грейфера) сопряжено с потерями этой электроэнергии в процессе всех процедур регулирования этой переменной во времени подачи, не говоря о технологическом усложнении всего электроснабжения этого комплекса. Но данный существенный негатив остается и даже возрастает, если добычной комплекс имеет вместо электроснабжения иное автономное энергоснабжение, например, при обеспечении его дизельным оборудованием. Ибо неравномерность выработки энергии, требуемой для работы добычного комплекса, невозможна без увеличения энергозатрат, вызываемых неравномерностью использования вырабатываемой энергии.
Техническим результатом изобретения является устранение указанного негатива прототипа либо, как минимум, существенное уменьшение этого негатива.
Технический результат достигается тем, что в способе разработки и добычи грунта со дна водоема грейфером, включающем опускание грейфера тросом на дно водоема, загрузку грейфера грунтом в процессе сближения его челюстей вследствие вертикального усилия вверх троса/тросов, подъем грейфера выше уровня воды и разгрузку поднятого им грунта в транспортное средство/разгрузочную площадку, согласно изобретению в конце процесса/сразу после загрузки грейфера грунтом, закачивают воздух в герметичные карманы, прикрепленные к внешней поверхности челюстей грейфера и обладающие способностью увеличивать свой объем, а воздух подают через имеющийся на каждом кармане патрубок/штуцер, соединенный со шлангом/шлангами, который/которые поднимают вверх синхронно с подъемом грейфера, при этом наполненные воздухом карманы оставляют в надутом состоянии до выхода груженного грейфера из воды, после чего воздух из них выпускают.
Сущность решения поясняется чертежами из 11 фигур, где представлена последовательность осуществления предлагаемого способа в пределах его работы в одном цикле, который в дальнейшем повторяется требуемое количество раз. Начало цикла показано на фигуре 1, а его финал на фигуре 11, определяющего возвращение процесса добычи в исходное положение, с которого начинается следующий цикл работы способа, и т.д. Для должного понимания дальнейшего объяснения сути решения соответствующими позициями на чертеже обозначены конструктивные элементы, участвующие в обеспечении предлагаемого способа добычи грунта со дна водоема. Это обозначение выполнено на фигуре 1 в упрощенном виде, необходимом и достаточном для указанного понимания. На остальных фигурах такие обозначения представлены без повторения позиций неглавных деталей - типа штуцеров/патрубков, переходников. Схема всего конструктивного устройства представлена в простейшем изложении, естественно предполагающем наличие целого ряда других элементов и деталей, которые могут быть либо не быть или же представляться в иных вариациях своего осуществления. Кое-что на этот счет будет далее сказано при изложении работы предлагаемого способа.
Возвращаясь к вышеупомянутым конструктивным элементам, необходимо отметить следующие их них - челюсти 1 грейфера, трос 2 для работы грейфера, герметичные карманы 3, устроенные на внешней поверхности челюстей 1, патрубок/штуцер 4, встроенный в карман 3, переходники 5 для соединения патрубков/штуцеров 4 с шлангом 7. К сказанному следует добавить, что ни один из указанных конструктивных элементов не является чем-то дефицитным или же трудно осуществимым, ибо все названное является массово применяемым во множестве технологических процессов разных производств. В этом смысле обращаем особое внимание на устройство герметичного кармана 3, требующего гибкий воздухонепроницаемый материал, о чем еще скажем несколько подробнее ниже. Что касается грейфера в целом (для простоты изложения сути предлагаемого решения), его механизацию условно не показываем, утверждая, что она (механизация) может осуществляться различными известными конструктивно-технологическими приемами. Эти же соображения относятся к самому грейферу в целом, устройство которого не исключает варианты, где количество челюстей может быть более двух, показанных на представленном чертеже. Многотросовым может быть и такелаж грейфера. Относительно всего остального технологического комплекса, обеспечивающего работу грейфера, необходимо отметить, что условное отсутствие этого оборудования на чертеже также вызвано упрощением изложения предлагаемого способа. Т.е. для максимальной ясности сути этого решения, полагая, что указанный комплекс может быть выполнен разным образом - электрическим, дизельным, плавучим с разгрузкой добываемого грунта на плавсредство самого же добычного комплекса, с разгрузкой на специальные транспортные средства либо на разгрузочную площадку, размещенную на берегу. Этот перечень технологических вариаций можно продолжить в разных сочетаниях факторов и обстоятельств, наиболее целесообразных в конкретных условиях. Но во всех случаях предлагаемый способ разработки и добычи грунта со дна водоема грейфером сохраняется в предлагаемом формулировании его особенностей.
Осуществляется предлагаемый способ следующим образом.
На фигуре 1 показано исходное положение грейфера, определяющее начало технологического цикла рассматриваемого способа разработки и добычи грунта со дна водоема. В этом положении грейфер пребывает в раскрытом состоянии, где его челюсти 1 разведены и подготовлены для опускания на дно водоема. Опускание грейфера (фиг. 2 и фиг. 3) осуществляется с помощью троса 2, разматываемого с соответствующей лебедки технологического добычного комплекса, на чертеже условно не показанного, о чем сказано выше. После опускания на дно водоема (фиг. 4) челюсти грейфера получают усилия, заставляющие их сближаться (фиг. 5), в результате чего грейфер заполняется грунтом (фиг. 6). Указанное усилие создается тросом 2 через вышеупомянутую лебедку (условно не показанную). После заполнения грейфера грунтом подъемное усилие троса 2 продолжается. Но одновременно, либо даже с некоторым упреждением, через шланг 7 начинает подаваться воздух, которым надуваются герметичные карманы 3, размещенные на внешней боковой поверхности челюстей 1. Вследствие трансформации кармана 3 в надутый объем, создается подъемная сила, соответствующая этому объему, в результате чего можно обеспечить требуемое уменьшение тягового усилия лебедки, поднимающей наполненный грунтом грейфер со дна водоема, причем усилие этой лебедки можно не только снизить до нуля, но и превысить вес груженного грунтом грейфера, чтобы увеличить скорость его подъема. Лебедка же в пределах движения грейфера в массиве воды будет выполнять функцию синхронного выбирания троса (фиг. 7), после чего, при выходе грейфера из воды (фиг. 8), действие подъемной силы карманов 3 прекращается, закаченный в них воздух выпускается через шланг 7, в результате чего карманы 3 сдуваются (фиг. 9), а тяговое усилие, требуемое для продолжения движения груженного грейфера вверх, переносится на трос 2, выбираемый выше указанной лебедкой. Поднятый на требуемый уровень и в требуемую точку пространства грейфер разгружается от загруженного в него грунта (фиг. 10) и переводится в исходное положение (фиг. 11) - идентичное положению, представленному на фигуре 1, завершая таким образом технологический цикл предлагаемого способа разработки и добычи грунта со дна водоема. Дальнейшее продолжение этого процесса осуществляется повторением рассмотренного цикла.
Сказанное необходимо дополнить пояснениями относительно синхронности функционирования троса 2 и воздушного шланга 7. Имеется в виду следующее.
Эта синхронность предполагает, что при опускании и при подъеме грейфера скорость движения троса 2 и шланга 7 должны быть одинаковыми по всей высоте движения грейфера. Иначе шланг 7 будет либо обрываться при отставании от троса 1, либо создавать недопустимую «слабину» по своей длине, что также чревато неприятностями - типа запутывания или перепутывания с тросом 2. Следовательно, вращение лебедки, обслуживающей трос 7, должно быть синхронизировано с вращением лебедки, обслуживающей трос 2. В техническом и конструктивном отношении задача надежно решаемая, ибо в подъемно-транспортных и многих иных механизмах и такелажных устройствах она отработана до совершенства и применяется массово. Так что и в нашем решении это не вызывает каких-либо неясностей или же сложностей. Однако необходимо учесть два важных обстоятельства.
Понятно, что работа троса 2 и шланга 7 при движении вверх должна осуществляться таким образом, чтобы нагрузка груженного грейфера по всей высоте подъема ни в коем случае не воспринималась шлангом 7. При движении в пределах массива воды этот фактор может быть устранен ибо несущую способность для подъема грейфера полностью может обеспечивать архимедова сила надутых карманов 3, поэтому надобно будет лишь не допускать опережения шлангом 7 скорости движения грейфера. Но при выходе из воды происходит перезагрузка веса грейфера с надутых карманов 3 на трос 2. Так что этот момент является наиболее ответственным в процедуре подъема грейфера, в том смысле, чтобы именно в этот момент не провалилась работа лебедки, обслуживающей подъем грейфера, и чтобы лебедка успевала бы своевременно воспринимать на себя вес грейфера, исключая полностью возможность передачи даже минимальной части веса грейфера на шланг 7. Особенность этого обстоятельства и особое предупреждение из-за него состоит в следующем.
Лебедка, обслуживающая шланг 7, как при опускании грейфера, так и при его подъеме, должна работать, равномерно разматывая или наматывая шланг 7. При этом, работая равномерно, она несет вертикальную нагрузку только от веса этого шланга 7. Нагрузка веса шланга переменная, меняется равномерно от минимума, когда грейфер вверху, до максимума при опускании грейфера до дна водоема. Величина этой нагрузки относительно незначительная в сравнении с весом грейфера, особенно груженного. Поэтому, в зависимости от конкретных условий относительно длины размотанного шланга, чем больше глубина водоема, тем более длина размотанного шланга, соответственно увеличивая его вес, воспринимаемый лебедкой. Но в подавляющем большинстве случаев эта нагрузка веса шланга (повторимся) незначительная. Если же речь идет о глубинах воды до ста и более метров, вес размотанного шланга существенно возрастает. С одной стороны, это требует обеспечения его надежной прочностной характеристики как от действия растягивающего усилия, так и от давления воздуха внутри шланга. Вместе с тем, возникает проблема увеличения продольной деформативности размотанного шланга, что требует соответствующей корректировки работы лебедки, обслуживающей данный шланг, в смысле обеспечения вышеуказанной синхронности, исключающей совершенного недопустимое возникновение растягивающего усилия в шланге 7 из-за того, что лебедка может тянуть шланг вверх быстрее, чем поднимается груженный грунтом грейфер. Эта же задача должна решаться и при опускании грейфера на дно водоема. Но решаться в обратной последовательности, т.е. скорость опускаемого грейфера не должна опережать скорость движения вниз шланга 7. В обоих случаях задача решаема эффективно и надежно, исходя из богатейшего опыта наработок и эксплуатации подъемно-транспортного и такелажного оборудования самого различного назначения. Что касается требуемого типа шланга 7, удовлетворяющего всем указанным условиям, это также не вызывает проблем в предлагаемом способе разработки и добычи грунта со дна водоемов ибо, современная промышленность обеспечивает самый разнообразный набор изделий данного типа (см., например, Интернет, Шланг PVC высокого давления армированный 10 мм × 50 м РТ-1742, доставка из Харькова). Так что подобрать требуемый тип шланга - гарантированно решаемая задача.
Мы изложили главные особенности предлагаемого способа. Для более полной необходимости и достаточности освещения этого решения необходимо дополнить пояснения его позитивов, которые естественным образом уже заложены в сущности представленных выше соображений, но требуют некоторой детализации.
Ибо, когда мы говорим «естественным образом уже заложены в сущности выше представленных соображений», эта естественность выражена в эффективности обеспечения возможности ускорения подъема груженного грунтом грейфера, т.е. максимальной возможности использования в требуемых пределах подъемной силы закона Архимеда. Но одной констатации этого позитивного обстоятельства не достаточно для доказательства достижения поставленной цели для данного изобретения, так как указанный позитив не самоцель, а средство обеспечения максимального снижения энергопотребления для осуществления грейферного способа разработки и добычи со дна водоема.
Имеется в виду следующее.
Добычной комплекс, энергопотребляющая часть которого на чертежах условно не показана, при использовании нашего способа функционирования требует создания соответствующего компрессора, сжимающего воздух, и рессивера/ресиверов, в которые сжатый воздух будет поступать. Не исключено, что такой компрессорно-рессиверный агрегат на существующих добычных комплексах уже может присутствовать, в этом случае он будет использован для потребностей нашей технологии. Если же такового не будет либо он будет недостаточен по мощности, мы его создадим либо соответственно увеличим существующую компрессорно-ресиверную мощность.
Ради чего это все делается?
Для превращения компрессорно-ресиверного агрегата в аккумулятор энергии и мощности, которые в традиционных способах грейферной технологии являются бросовыми. Прежде всего, имеется в виду теряемая мощность добычного комплекса во время опускания грейфера под собственным весом на дно водоема. Т.е. практически 50% времени рабочего технологического процесса энергетическое оборудование традиционного грейферного добычного комплекса работает вхолостую, теряя не только половину своего мощностного ресурса, но и теряя абсолютно бесполезно значительную часть энергоносителей в общем объеме энергоресурса, требуемого для его функционирования.
Чего добиваемся мы, осуществляя предлагаемый способ разработки и добычи грунта на дне водоемов с использованием указанного компрессорно-ресиверного агрегата?
Не повторяя вышеизложенного объяснения сущности предлагаемого способа, утверждаем, что большую часть указанных потерь прототипа мы устраняем. Говоря «большую часть», ориентировочно оцениваем ее порядка 80÷90% выше указанных потерь, ибо 20÷10% уйдет на работу самого компрессорно-ресиверного агрегата. Имеется в виду ликвидация потери ресурса мощности во время опускания грейфера на дно водоема, в течение которого энергоагрегаты добычного комплекса работают вхолостую. Естественно, наше предварительное суждение на этот счет требует соответствующей конструкторско-технологической проработки и экспериментальной проверки, которые дадут более обоснованные показатели. Но даже если наши предположения будут уточнены с двойным их понижением, оставшиеся 40÷45% уменьшения указанных потерь - это чрезвычайно высокий показатель, к которому не может приблизиться ни один из известных способов грейферных технологий.
Представленные соображения естественным образом предполагают, частично об этом сказано, что ни один из требуемых для данной технологии фактор приобретения или изготовления требуемых деталей, конструкций, агрегатов и целых комплексов этих требующихся изделий не вызывает и не создает не решаемых или трудно решаемых ситуаций или проблем. Более того, доступная возможность осуществления нашего решения существенно упрощает и традиционные добычные грейферные комплексы, упрощая и уменьшая затраты на процедуры, связанные с использованием энергоносителей, требующихся для работы добычного комплекса. Например, если этот комплекс оборудован дизельным энергоагрегатом, нет надобности доказывать уникальную позитивность того, что на одной и той же заправке дизтопливом, в сравнении с традиционным подходом, этот комплекс обеспечит добычу грунта на 20÷22% больше. Причем с увеличением глубины водоема этот показатель будет возрастать ибо увеличивается время холостой работы добычного комплекса, которое мы используем для полезной аккумуляции энергоресурса, бесполезно теряемого и выбрасываемого нынешними грейферными технологиями.
Необходимо дать дополнительные соображения относительно устройства на внешней боковой поверхности челюстей 1 грейфера герметичных карманов 3. Нет надобности доказывать, что обеспечение этого существенного признака может осуществляться множеством механико-конструктивных приемов, базирующихся на общем для них всех свойстве - менять геометрию кармана требуемым образом в требуемых пределах, обеспечивая надежное пребывание в требуемом объеме воздуха, нагнетаемого в этот объем компрессором. 20-й и уже 21-й век свидетельствуют о достижениях и надежности этого специфичного вида технологии, которая не только массово распространена на земле, под землей, на воде, под водой, но уже осваивается в космических аппаратах, причем не ограничивая себя геометрическими параметрами, значительно превосходящими земные надувные устройства. Все это к тому, чтобы, утверждая неограниченные вариации относительно устройства герметических карманов в нашем способе разработки и добычи грунтов на дне водоемов, была понятна уникальность нашего конкретного технологического приема, который единственный присущ заявляемому способу - во всем многообразии и множестве надувных технологий. И эта уникальность усугубляется не только самим герметичным карманом, но и рядом дополнительных технологичных приемов, обеспечивающих требуемую работу кармана для достижения поставленной цели изобретения. Причем уникальным фактором нашего решения в грейферной технологии разработки и добычи грунтов на дне водоема является сама цель данного изобретения, усиливающая и обосновывающая уникальность и новизну данного изобретения, т.е. взаимообразно, именно пользование герметичными надувными карманами в сочетании с остальными существенными заявленными признаками обеспечивают достижение этой цели. Повторяем и подчеркиваем, именно в грейферной технологии, остающейся до сих пор в недостижимости поставленной цели данного изобретения, и принципиально пребывающей на неизменном уровне, начиная с самого начала появления этой технологии. Первые соображения об устройстве грейфера относится к началу 16-го века, идею устройства которого предложил Леонардо да Винчи (см., Интернет, Грейферный ковш). Что касается непосредственно вариантов устройства нашего герметичного кармана, вариации здесь не ограничены, при неукоснительном сохранении технологического принципа, изложенного выше. Естественно это не исключает и не ограничивает возможность дальнейшего развития и совершенствования этого принципа, но пока заявленный нами способ остается единственным до тех пор, пока не будет доказано обратного. Так что любой вариант герметичного кармана годится для нашего способа. И проблема лишь в том, чтобы из множества возможных вариантов выявить наиболее эффективный и целесообразный, во всех смыслах этих понятий, т.е. необходимы поисково-экспериментальные проработки и исследования, которые позволят выбрать оптимальное решение. Например, не исключено, что герметичный карман будет создаваться в виде отдельного надувного резинового либо пластмассового изделия, которое будет простейшими и надежнейшими способами прикрепляться к челюстям грейфера.