ГРУНТОЗАБОРНОЕ УСТРОЙСТВО ЗЕМЛЕСОСНОГО СНАРЯДА
DRAG HEAD OF HYDRAULIC DREDGE

Предлагаемое изобретение 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, E02F 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, E02F 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 также грунтозаборное устройство землесосного снаряда, включающее наконечник с всасывающим зевом, трубу подвода воды и гидромонитор для рыхления грунта (Папулов В.И., Меньщиков 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.
Известна всасывающая головка сосуна, включающая всасывающий трубопровод с зевом и экраном, гидромониторные сопла, расположенные вдоль оси трубопровода, при этом экран выполнен в виде короба, обращенного открытой стороной к груди забоя, а сопла смонтированы рядами по линиям, перпендикулярным к оси всасывающего трубопровода, и направлены к его зеву (а.с. СССР №291001, E02F 3/88 от 05.06.1969 г.). Благодаря установке Г-образных сопел вдоль оси трубопровода увеличивается зона всасывания, что стабилизирует процесс грунтозабора. Однако расположение гидромониторных сопел внизу всасывающего грунтопровода приводит к расположению всасывающего зева у подножия забоя, из-за чего при заборе грунта происходит его поворот на 180° от движения, сообщаемого ему соплами. Это повышает затраты энергии на всасывание и приводит к снижению консистенции засасываемой водогрунтовой смеси и производительности земснаряда. Кроме того, при таком расположении сопла транспортируют грунт вниз - к подножию забоя, а потом с помощью грунтового насоса грунт вновь поднимается вверх по всасывающему трубопроводу, что также связано с дополнительными затратами энергии и снижением консистенции засасываемой водогрунтовой смеси и производительности земснаряда. Следовательно, для обеспечения эффективной работы всасывающей головки сосуна необходимо, чтобы сопла располагались за пределами всасывающего трубопровода. Необходимо отметить также тот недостаток, что Г-образные сопла эффективны для гидротранспортирования грунта, но, как показал опыт эксплуатации, неэффективны для гидрорыхления, что снижает глубину и объем взрыхленного грунта, особенно слежавшегося. Поэтому при перемещении всасывающей головки сосуна в сторону груди забоя Г-образные сопла упираются в ложе грунта и снижают количество транспортируемого грунта, что снижает консистенцию засасываемой водогрунтовой смеси и производительность по грунту.
Известно и принято за прототип грунтозаборное устройство земснаряда, включающее наконечник с всасывающим зевом, трубу подвода воды, гидромонитор для рыхления грунта, снабженный соплами для транспортирования грунта, направленными в сторону наконечника (Патент РФ на полезную модель №47394 E02F 3/88, 3/92 от 16.03.2005 г.). В известном техническом решении по сравнению с рассмотренным выше гидромонитор с соплами вынесен за пределы всасывающего трубопровода, благодаря чему всасывающий зев расположен в верхней части разрабатываемого массива грунта и сопла транспортируют грунт снизу вверх от подножия забоя к всасывающему зеву по направлению всасывания без поворота его на 180°, что снижает энергию грунтового насоса на всасывание и повышает консистенцию засасываемой водогрунтовой смеси. Однако в известном грунтозаборном устройстве, как и в рассмотренном выше техническом решении, и гидравлическое рыхление грунта, и его транспортирование осуществляются Г-образными соплами, которые эффективны для гидротранспортирования и рыхления легких неслежавшихся грунтов. Опыт эксплуатации известных грунтозаборных устройств при разработке плотных слежавшихся грунтов показал их низкую эффективность вследствие малой разрыхляющей способности струй из Г-образных сопел, которые взаимодействуют с поверхностью грунта по касательной. При перемещении монитора с соплами в процессе грунтозабора Г-образные сопла упираются в грунт, что снижает скорость перемещения монитора с грунтоприемником в толщу грунта и эффективность грунтозабора. При этом снижаются глубина и объем взрыхленного грунта, что уменьшает консистенцию засасываемой водогрунтовой смеси и производительность по грунту. При заборе грунтов высокой плотности работа часто невозможна.
Решаемая предлагаемым изобретением задача - повышение эффективности работы при разработке плотных слежавшихся грунтов.
Технический результат, который может быть получен при использовании заявляемого технического решения, - создание зоны предварительно взрыхленного грунта вокруг транспортирующих сопел.
Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в известном грунтозаборном устройстве землесосного снаряда, включающем наконечник с всасывающим зевом, трубу подвода воды, гидромонитор, снабженный соплами для транспортирования грунта, согласно предлагаемому изобретению сопла для транспортирования грунта снабжены дополнительными соплами для рыхления грунта, установленными с возможностью создания зоны взрыхленного грунта вокруг основных сопел.
Возможны дополнительные варианты грунтозаборного устройства землесосного снаряда, в которых целесообразно, чтобы:
- дополнительные сопла были установлены на периферии основных;
- дополнительные сопла были установлены впереди основных по ходу движения монитора;
- оси дополнительных сопел были установлены в одной плоскости с осями основных;
- дополнительные сопла были снабжены ножами для механического резания грунта, установленными впереди сопел по ходу движения монитора.
Указанные преимущества, а также особенности предлагаемого изобретения поясняются вариантами его осуществления со ссылками на чертежи: на фиг.1 показан боковой вид устройства с гидромонитором; на фиг.2 - вид А на фиг.1; на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.1; на фиг.4 - сечение В-В на фиг.1; на фиг.5 - сечение Г-Г на фиг.1; на фиг.6 - разрез Д-Д на фиг.4; на фиг.7 - разрез Е-Е на фиг.5; на фиг.8 показан боковой вид устройства с дополнительными соплами, установленными впереди основных по ходу движения монитора (вправо); на фиг.9 - вид Ж на фиг.8; на фиг.10 - вид Ж на фиг.8 (вариант с двумя мониторами); на фиг.11 - сечение И-И на фиг.8; на фиг.12 - сечение К-К на фиг.8; на фиг.13 - разрез Л-Л на фиг.8; на фиг.14 - сечение И-И на фиг.1 (вариант с двумя мониторами); на фиг.15 - сечение К-К на фиг.8 (вариант с двумя мониторами); на фиг.16 - разрез М-М на фиг.11 и 14; на фиг.17 - разрез Н-Н на фиг.12 и 15; на фиг.18 - сечение Р-Р на фиг.16; на фиг.19 - сечение Т-Т на фиг.17.
Грунтозаборное устройство землесосного снаряда включает наконечник 1 с всасывающим зевом 2, трубу 3 подвода воды и гидромонитор 4. Гидромонитор 4 снабжен соплами 5 для транспортирования грунта, а также дополнительными соплами 6 для рыхления грунта. На торце гидромонитора 4 установлено сопло 7 для рыхления подножия откоса грунта. Над зевом 2 установлен экран 8, снижающий подсасывание чистой вода в зев. Экран соединен балками жесткости 9, 10, 11 с монитором 4 и наконечником 1 с образованием пространственной жесткой фермы, повышающей прочность грунтозаборного устройства. Грунтозаборное устройство может быть снабжено одним монитором 4 с соплами (фиг.1, 2, 3, 4, 5, 9, 11, 12, 13), с двумя мониторами (фиг.10, 14, 15) и более мониторами в зависимости от ширины всасывающего зева 2 грунтоприемника 1. Для обеспечения прочной установки сопел 5 на мониторе 4 предусмотрены ребра жесткости 12. Сопла могут быть снабжены ножами 13 для механического резания грунта. Грунтоприемник 1 соединен с всасывающим трубопроводом 14.
Грунтозаборное устройство землесосного снаряда работает следующим образом. Перед началом работы подается вода по трубе 3 в гидромонитор 4 от насоса гидрорыхлителя (не показан). Затем наконечник 1 опускается на заданную глубину разработки и включается грунтовой насос (не показан). При работе грунтозаборное устройство опускается вниз, при этом гидромонитор 4 внедряется в грунт благодаря размывающему действию вытекающей из сопел 6 и 7 воды. Размытый грунт вытесняется поступающей вновь из сопел 6 и 7 водой, 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 транспортируется к грунтовому насосу.
При работе ямным способом грунтозаборное устройство опускается вниз. Гидромонитор и сопла также опускаются вниз, при этом струи воды из сопел 6 воздействуют на ложе грунта и размывают его. Грунт перемешивается с водой, вытекающей из сопел 6, с образованием зоны высоконасыщенной водогрунтовой смеси. При опускании грунтозаборного устройства вслед за соплами 6, установленными на периферии сопел 5 (фиг.1-7), в зону взрыхленного грунта поступают сопла 5. Струи воды, вытекающие из сопел 5, подхватывают размытый соплами 6 грунт и перемещают его к всасывающему зеву. При этом вода из сопел 6 воздействует на грунт под прямым углом, что обеспечивает высокую эффективность рыхления слежавшихся плотных грунтов, а сопла 5 только транспортируют грунт. Таким образом, снабжение сопел 5 дополнительными соплами 6 дает возможность разделить функции размыва и транспортирования, которые раньше выполняли только сопла 5, между ними с учетом их эффективности: сопла 6 рыхлят и готовят грунт к транспортированию, сопла 5 транспортируют. Следовательно, благодаря установке сопел 6 на периферии сопел 5 обеспечивается эффективная работа ямным способом при разработке плотных слежавшихся грунтов.
При работе ямно-траншейным способом грунтозаборное устройство не только опускается вниз, но и перемещается вперед (вправо на фиг.8). Вытекающими из сопел 6 и 7 струями воды грунт взрыхляется: отделенный от ложа дна грунт перемешивается с водой, вытекающей из сопел 6, с образованием зоны высоконасыщенной водогрунтовой смеси. При перемещении вперед грунтозаборного устройства вслед за соплами 6, установленными впереди сопел 5 по ходу движения монитора (фиг.8-19), в зону взрыхленного грунта поступают сопла 5. Струи воды, вытекающие из сопел 5, подхватывают размытый соплами 6 и 7 грунт и перемещают его к всасывающему зеву. При этом вода из сопел 6 воздействует на грунт под прямым углом, что обеспечивает высокую эффективность рыхления слежавшихся плотных грунтов, а сопла 5 только транспортируют грунт. Следовательно, благодаря установке сопел 6 впереди сопел 5 по ходу движения монитора обеспечивается эффективная работа ямно-траншейным способом при разработке плотных слежавшихся грунтов.
5
6
Таким образом, при работе ямным и ямно-траншейным способами дополнительные сопла 6 создают зону взрыхленного грунта вокруг сопел 5, что обеспечивает эффективное рыхление соплами 6 и эффективное транспортирование грунта соплами 5, благодаря чему грунтозабор осуществляется с высоким насыщением водогрунтовой смеси. Подбирая оптимальные соотношения диаметров d и d, в зависимости от рода грунта и условий эксплуатации, достигается максимальная производительность грунтозаборного устройства по грунту.
Благодаря большой протяженности зоны рыхления (взвешенного грунта) при установке сопел 6 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, 7 и 5 и транспортироваться к зеву 2 в виде водогрунтовой смеси, исключая срыв грунтозабора и остановку земснаряда для освобождения грунтоприемника от завала.
Установка осей дополнительных сопел 6 в одной плоскости с осями сопел 5 обеспечивает создание зоны взрыхленного грунта непосредственно перед соплами 5, что облегчает перемещение монитора 4 в толщу грунта и повышает тем самым консистенцию засасываемой водогрунтовой смеси.
Радиальная установка сопел 6 обеспечивает рыхление грунта вокруг монитора 4 на максимальном расстоянии, создавая максимальный объем взрыхленного грунта при заданном расходе воды через сопла 6, что расширяет зону рыхления грунта.
Установка ножей 13 впереди сопел 6 обеспечит резание особо плотных прослоек грунта.