Универсальный траншейный проходчик

Полезная модель относится к землеройной технике, а именно к устройствам для производства работ по разработке слабонесущего (обводненного, в том числе донного) грунта с каменными или другими прочными включениями, и формирования траншей заданного профиля для прокладки линейно-протяженных коммуникаций: трубопроводов, линий электропередач и связи, в том числе по дну водоемов.
Способы и инструментарий для разработки обводненных и донных грунтов выбираются исходя из физико-механических свойств грунтовых отложений, рельефа местности и глубины погружения траншейного проходчика.
Обычно линейные коммуникации укладывают в траншеи глубиной от 1 до 3 м, а под водой - ниже дна на такой же глубине. Трассу прокладывают по направлениям, поэтому на пути траншейного проходчика могут встретиться грунты от илистых залежей, галечника и обломочных каменистых включений до каменных массивов.
Известен способ прокладки кабелей и полиэтиленовых труб под водой ниже отметки дна водоема и устройство для его осуществления (патент РФ 2165121. публ. 10.04.2001) Для осуществления способа задана глубина водоема (от поверхности воды), профиль разрабатываемой траншеи (ее глубина и ширина) и устройство для прокладки кабелей и полиэтиленовых труб, на подводной части которого размещен активный рабочий орган (цепной траншеекопатель), гидравлический напорный трубопровод с насадками и насосы с электромоторами, а самоходная подводная платформа связана посредством силового кабеля с установленными на плавучем понтоне дизель-электростанцией и операторским пунктом. В предложенном способе предусмотрена ограниченная глубина водоема (до 50 м), а устройство снабжено цепным траншеекопателем, способным копать траншеи в ограниченных по плотности грунтах. В анализируемом устройстве применена классическая схема компоновки устройства, состоящего из соединенных друг с другом подводной и надводной частей.
Известен способ оптимизации подводного инструментария при осуществлении прокладки кабеля ВОЛС (патент РФ 2144250, опубл. 10.01.2000). В предложенном способе решаются вопросы резания траншеи водой с одновременной очисткой налипшего грунта на режущие пластины, установленные на цепной пиле. Операцию подводного инструментария осуществляют на дне рек в пределах до 82-х метровой глубины подводного слоя. Как указано в данном изобретении «Промышленная полезность предлагаемого способа подтверждена формообразованием траншей и прокладки в них волоконно-оптического кабеля в условиях рек Поволжья и Дальнего востока РФ». Описанием данного изобретения подтверждается, что необходимо в обязательном порядке учитывать основные условия работы создаваемого подводного траншейного проходчика: глубину погружения, профиль траншеи, категорию грунта, предполагаемую скорость проходки.
Известен способ производства землеройно-укладочных работ при прокладке подводных трубопроводов и устройство для его осуществления (патент РФ 2507431, опубл. 27.09.2012) при реализации безподъемного метода, когда трубозаглубитель отрывает траншею непосредственно под трубопроводом, предварительно уложенным на дно водоема. При этом рабочая машина использует укладываемый трубопровод в качестве основного программирующего элемента и непосредственно контактирует с ним с помощью ограничительных и направляющих приспособлений для фиксации пространственного положения трубопровода и рабочих органов относительно него. Трубозаглубитель выполнен в виде двух зеркально расположенных друг другу рабочих органов типа «обратная лопата», отрывающих траншею переменного сечения. В случаях, когда прокладка трубопроводов производится на больших глубинах или в условиях сплошного ледяного покрова, в качестве базового судна предпочтительно использование самоходного подводного судна.
Известна также подводная машина для укладки трубопроводов (патент РФ 2081252, опубл. 10.06.1997), где для отрывки траншеи под лежащим на дне водоема трубопроводом используются цепные траншеекопатели. Машина фиксируется относительно трубы с помощью направляющего ролика.
Известен подводный грунтовый экскаватор (патент US 3999312 от 28.12.1976), в котором режущая пластина снабжена форсунками для подачи воды под давлением, достаточным для размывания грунта и выноса его из щели.
Известны подводные кабелеукладчики, созданные фирмой MARAIS Groupe, (http://www.maraislaying.com.au/equipment/marais-equipement/poseidon.aspx (дата обращения 07.10.2018), снабженные цепными траншеекопателями или дисковыми фрезами для прорезания щелей в донном грунте на глубину до 1300 мм, шириной до 250 мм.
Известны машины для разработки донного грунта океана с целью добычи полезных ископаемых (https://en.wikipedia.org/wiki/Nautilus_Minerals (дата обращения 26.09.2018 г.)
Компания «Наутилус Минералс» (Nautilus Minerals, Канада) - одна из первых компаний, начавших промышленную добычу полезных ископаемых со дна Мирового океана. Подводные самоходные агрегаты, созданные компанией и используемые для глубоководной добычи цветных металлов (золота и меди) в Атлантическом океане у западных берегов Африки снабжены устройствами для разработки прочных грунтов, содержащими червячные фрезы, буровые шарошечные головки и режущие ножи, установленные с обеих сторон от фрезы и снижающие сопротивление поступательному движению рабочего органа. Глубина погружения этих добычных машин может превысить 1500 м, а ширина и глубина разрабатываемой траншеи могут быть более 1 м. Все рабочее оборудование размещено в корпусе машины. Добычная машина перемещается по дну с помощью гусеничного движителя. Привод рабочих органов и движителя осуществляется от энергетической установки, размещенной на надводной или подводной базе.
Устройство рабочего органа добычной машины компании «Наутилус Минералс», предназначенного для разработки донного грунта, наиболее полно соответствует настоящему техническому предложению.
К недостаткам рабочего органа добычной машины компании «Наутилус Минералс», предназначенного для разработки донного грунта, следует отнести отсутствие инструментов для контролируемого формирования бровки, стенок и профиля отрываемой траншеи.
Задачей нового технического решения является разработка обводненного и донного грунта на заданной трассе и с заданным профилем траншеи, формирование бровки и стенок траншеи, удержание грунта стенок траншеи от оплывания или осыпания, что позволяет иметь на некотором отрезке пути чистую траншею и вводить в траншею технологическое оборудование для монтажа линейно-протяженных коммуникаций. Кроме того, в новом техническом решении предусмотрены устройства, позволяющие уменьшить сопротивление перемещению рабочего органа в донном грунте.
Технический результат достигается тем, что в универсальном траншейном проходчике, содержащем корпус, движитель, насосную станцию гидроприводов, насосную станцию гидроразмыва грунта, напорный трубопровод с гидромонитором, насосную станцию откачивания из траншеи водно-грунтовой смеси с заборником и гидроциклонами, фрезы для разработки грунтов разной прочности, фрезы закреплены подвижно с возможностью разрабатывать грунт по отдельности или одновременно так, что спиральная коническая фреза, соответствующая профилю отрываемой траншеи, закреплена на корпусе, а перед ней подвижно закреплен сошник формирования кромки траншеи, с обеих сторон спиральной конической фрезы параллельно стенкам траншеи подвижно установлены снабженные силовыми гидроцилиндрами щиты формирования стенок траншеи, в то время как роторная фреза закреплена на стреловом манипуляторе, установленном подвижно на корпусе, а на поверхность сошника и на стороны щитов формирования стенок траншеи, контактирующие с грунтом, предусмотрена подача воды.
С целью реализации поставленной задачи в качестве инструментов рабочего органа используются спиральная коническая фреза, напорный трубопровод с гидромонитором, роторная фреза, закрепленная на стреловом манипуляторе, сошник и щиты формирования стенок траншеи. Гидромонитор с напорным трубопроводом и сошник соединены с корпусом проходчика подвижно с помощью толкающих брусьев, причем гидромонитор и сошник взаимно связаны. Спиральная коническая фреза совместно со щитами формирования стенок траншеи и заборниками пульпы, собранные на одном корпусе привода фрезы, шарнирно соединенным с корпусом траншейного проходчика, работают совместно, а щиты формирования стенок траншеи закреплены с обеих сторон спиральной конической фрезы на корпусе фрезы подвижно, а на стороны щитов формирования стенок траншеи, контактирующие с грунтом, и на поверхность сошника предусмотрена подача воды.
Создаваемый универсальный траншейный проходчик способен разрабатывать грунты разной прочности: от илов до монолитных каменных включений и удерживать стенки траншеи от оплывания (осыпания).
Проходчик получает энергию и сигналы управления по кабелям электропитания и управления  от внешней базы.
Устройство универсального траншейного проходчика отображено на фигуре 1, где показан универсальный траншейный проходчик в рабочем положении, на фигуре 2, показан тот же проходчик в транспортном положении, на фиг. 3 представлен вид сбоку (в транспортном положении проходчика), и на фиг. 4 – вид сзади на плиту подборщика грунта.
На фигурах 1, 2, 3, 4 приведены следующие обозначения: 1 - корпус универсального траншейного проходчика, 2 – роторно-винтовой движитель, 3 – насосная станция гидроприводов, 4 – передняя насосная станция гидроразмыва грунта, 5 – напорный трубопровод, 6 – гидромонитор, 7 - задняя насосная станция откачки размытого грунта (пульпы), 8 – трубопровод, 9 – заборное устройство, 10 – трубопровод, 11 – гидроциклоны, 12 – многозвенный стреловой манипулятор, 13 – роторная фреза, 14 – сошник, 15 – толкающие брусья, 16 – спиральная коническая фреза, 17 – щиты формирования стенок траншеи, 18 - корпус привода фрезы, 19 – кронштейн, 20 – шарниры, 21 – плита подборщика грунта, 22 – форсунки (на фигурах не показаны), 23, 24, 25, 26 и 27 – гидроцилиндры.
Универсальный траншейный проходчик состоит из корпуса 1 и закрепленных на нем роторно-винтового движителя 2, насосной станции гидроприводов 3, передней насосной станции гидроразмыва грунта 4, соединенной напорным трубопроводом 5 с гидромонитором 6, задней насосной станции откачивания размытого грунта (пульпы) 7, соединенной трубопроводом 8 с заборник пульпы 9, а трубопроводом 10 – с наконечниками гидрозамыва траншеи (гидроциклонами) 11. На корпусе 1 универсального траншейного проходчика установлены поворотный многозвенный стреловой манипулятор 12, на котором закреплена роторная фреза 13. Сошник 14 с напорным трубопроводом 5 и гидромонитором 6 взаимно связаны и соединены с корпусом 1 подвижно с помощью толкающих брусьев 15. Спиральная коническая фреза 16 совместно со щитами формирования стенок траншеи 17 и заборниками пульпы 9, собраны на корпусе привода фрезы 18, шарнирно соединенным с кронштейном 19, установленном на корпусе 1 универсального траншейного проходчика, причем  щиты формирования стенок траншеи 17 закреплены подвижно с помощью шарниров 20 с обеих сторон спиральной конической фрезы 16 на плите подборщика грунта 21, установленной на корпусе привода фрезы 18, а на стороны щитов формирования стенок траншеи, контактирующие с грунтом, и на поверхность сошника через форсунки 22 подается вода (на фигурах не показано).
Положение многозвенного стрелового манипулятора 12, роторной фрезы 13, толкающих брусьев 15, сошника 14 с гидромонитором 6 и напорным трубопроводом 5 относительно поверхности грунта и корпуса 1 универсального траншейного проходчика регулируется с помощью гидроцилиндров 23, 24, 25 и 26 соответственно. Положение щитов формирования стенок траншеи 17 относительно плиты подборщика грунта 21 и стенок траншеи регулируется гидроцилиндрами 27.
Управление движителем 2, насосными станциями 3, 4 и 7, а также гидроцилиндрами 23, 24, 25, 26 и 27 осуществляется дистанционно, с внешней базы.
Контроль скорости проходки, а также сил сопротивления разработки донного грунта (например, крутящего момента на валу привода конической спиральной фрезы) производится непрерывно. Параметры контроля в автоматическом режиме передаются на базу управления и сравниваются с тестовыми параметрами. По результатам сравнения производится автоматический выбор используемого инструмента (гидромонитора, червячной или роторной фрез) или их одновременная работа. Параллельно проводится разведка неоднородности материала грунтового забоя до десяти метров впереди машины, для своевременного применения того или иного вида инструмента разрабатывающего забой.
На мягком, легко деформируемом и легко разрабатываемом грунте электрическая энергия и соответствующие команды по кабелям электропитания и связи с надводной или подводной базы сообщаются на насосную станцию гидроприводов 3, которая приводит в действие насосную станцию гидроразмыва грунта 4, движители 2, гидроцилиндры управления положением сошника 14 и гидромонитора 6 – 25 и 26, а также приводы и механизмы, размещенные в корпусе привода фрезы 18.
С помощью толкающих брусьев 15 под действием гидроцилиндров 25 сошник 14 устанавливается в исходном положении на уровне верхней отметки (кромки) будущей траншеи под углом резания, заданным гидроцилиндрами 26. При этом связанный с сошником 14 гидромонитор 6 также занимает исходное положение, рабочая жидкость (например, забортная вода) по напорному трубопроводу 5 под действием насосной станции гидроразмыва грунта 4 начинает размывать грунт перед корпусом 1 универсального траншейного проходчика, образуя первичный приямок (забой).
С помощью приводов и механизмов, размещенных в корпусе привода фрезы 18, последний поворачивается на кронштейне 19 так, что закрепленные на нем устройства занимают рабочее положение. При этом спиральная коническая фреза 16, вращаясь, извлекает из забоя грунт и образует заданный профиль траншеи с наклонными стенками, что уменьшает оплывание или осыпание стенок траншеи. Щиты формирования стенок траншеи 17 также занимают исходное положение, под действием силовых гидроцилиндров 27 поворачиваясь на шарнирах 20 в стороны стенок траншеи и прижимаясь е ним, что удерживает грунт от оплывания (осыпания). В сильно обводненных грунтах и при отрывке траншеи на дне водоема под действием спиральной конической фрезы 16 в траншее образуется пульпа, удерживаемая в замкнутом объеме участка отрытой траншеи плитой подборщика грунта 21. Для удаление грунта из этого объема и получения чистой траншеи включается задняя насосная станция откачивания размытого грунта (пульпы) 7, которая через заборники грунта 9 по трубопроводам 8 и 10 с помощью гидроциклонов 11 либо отбрасывает грунт в обе стороны от траншеи, либо укладывает его опять в траншею, что называю гидрозамывом.
Движитель 2 придает корпусу универсального траншейного проходчика 1 поступательное движение вдоль заданной трассы траншеи со скоростью, соответствующей требуемой скорости подачи рабочего инструмента – спиральной конической фрезы 16. При поступательном движении вперед сошника 14 удаляет грунта с бровки траншеи, обеспечивая контроль заданной глубины траншеи и уменьшая оплывание илистого грунта или осыпания слабо связного грунта (песка, галечника и пр.). С целью уменьшения налипания грунта на поверхность сошника 14 и снижения сопротивления движению всего проходчика на рабочую поверхность сошника 14, контактирующую с грунтом, через форсунки подачи воды 22 поступает струя воды от передней насосной станции гидроразмыва грунта 4.
Щиты формирования стенок траншеи 17, прижатые к стенкам траншеи образованным спиральной конической фрезой 16, гидроцилиндрами 27, удерживают грунт от оплывания или осыпания, что позволяет создавать на определенной длине участок чистой траншеи и вводить в траншею технологическое оборудование. Поэтому длина щитов формирования стенок траншеи 17 может быть выбрана в зависимости от вводимого в траншею технологического оборудования.
Одновременно с началом скольжения щитов формирования стенок траншеи 17 по грунту от напорного трубопровода 5 к форсункам 22, установленным на корпусе привода фрезы 18 подается под давлением вода в зону контакта щитов формирования стенок траншеи 17 со стенками траншеи, что предотвращает налипание грунта и снижает сопротивление движению траншейного проходчика. Если при поступательном движении универсального траншейного проходчика приборы обследования грунта перед проходчиком обнаружат прочное монолитное включение или сошник 14 упирается в непреодолимое препятствие, что также означает, что на трассе прокладки траншеи находится прочный грунт, например монолитное каменное включение, то подается команда гидроприводам и гидроцилиндрам 23 и 24 стрелового манипулятора 12, которые переводят его в рабочее положение и роторная фреза 13 подается в зону препятствия, которая разрушает (разрабатывает) монолитное каменное включение. При этом спиральная коническая фреза 16 может работать одновременно с роторной фрезой 13, получая энергию от насосной станции гидроприводов 4. По окончании разработки прочного монолитного включения, т.е. когда сопротивление поступательному движению сошника 14 снижается, стреловой манипулятор 12 переводит роторную фрезу 13 в транспортное положение и ее силовой привод отключается.
Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает проходку в слабых и обводненных грунтах с неоднородным составом (от жидкотекучего состояния до монолитного камня), а также в донных грунтах разных водоемов, траншей заданного профиля и глубины, формирование кромки и стенок траншеи, удержание грунта стенок траншеи от оплывания и осыпания, уменьшение сопротивление перемещению рабочего органа и получение на некотором участке пути чистой траншеи, что позволяет вводить на этом участке технологическое оборудование для монтажа линейно-протяженных коммуникаций.