1. Земснаряды. Классификация и принцип действия

Гидромеханизация – способ производства земляных работ, при котором для разработки, транспортирования и укладки грунта используется энергия потока или струи воды.

Данный способ может применяться при выполнении эксплуатационно-ремонтных работ, связанных с отделением и перемещением грунта. Эти виды работ могут быть представлены достаточно большим перечнем, однако с учетом стесненности в условиях работы, характеристик разрабатываемых грунтов, сравнительно малых объемов перемещаемых грунтов, выполнения работ в непосредственной близости от ГТС этот перечень сокращается.

Практически при эксплуатации, реконструкции и ремонте мелиоративных объектов способом гидромеханизации выполняются работы по:

• удалению наносов из дрен,
• облицованных каналов,
• смотровых колодцев,
• аванкамер.

Осуществляется очистка и углубление крупных каналов, рек-водоприемников, фарватеров, мест водозабора передвижных насосных станций, естественных и искусственных водоемов. Кроме того, способ гидромеханизации может применяться для добычи особого вида ила – сапропеля.

Ряд работ, при которых производится перемещение малых удельных объемов грунтов или извлечение наносов непосредственно из ГТС, выполняется специальными машинами или рабочими органами. К ним относятся:

• дренопромывочные машины,
• землесосные рабочие органы каналоочистителей,
• приспособления для механизации ручных работ,
• рабочее оборудование ремонтно-эксплуатационных агрегатов для ухода за ГТС и другое рассмотренное выше оборудование и машины.

При больших объемах грунтов целесообразно применение землесосных снарядов, или земснарядов.

Земснаряд – это плавучая машина, предназначенная для извлечения грунта из-под воды и транспортирования его в виде пульпы, т. е. смеси грунта с водой, к месту укладки.

Земснаряды применяются при строительстве плотин, дамб, крупных каналов, котлованов, водоемов, при углублении гаваней и фарватеров, при добыче песка, гравия, сапропелей, ракушки, при очистке от наносов мелиоративных каналов, прудов, рек. Они могут также использоваться в качестве плавучих насосных станций.

Применяющиеся при строительстве и эксплуатации мелиоративных и водохозяйственных объектов земснаряды классифицируются следующим образом.

В зависимости от производительности по количеству добываемого грунта они делятся на:

• особо малые (до 50 м³/ч), малые (50…200),
• средние (200…500),
• крупные (500…1000),
• особо крупные (более 1000 м³/ч).

По способу отделения грунта от массива – с гидравлическим, механическим, гидромеханическим, вибрационным отделением.

По типу грунтозаборного или рыхлящего устройства:

• с наконечником круглым,
• эллипсным или щелевым со свободным всасыванием (сосуном, всосом),
• с наконечником с эжекторным всасыванием,
• с одноили многосопловым гидравлическим разрыхлителем,
• с фрезерным (открытая фреза с плоскими ножами,
• закрытая фреза с ножами двойной кривизны,
• полуоткрытая фреза с волнообразными ножами,
• фреза с отвально-режущими элементами),
• с двухфрезерным (две цилиндрические фрезы) разрыхлителем,
• с вибратором,
• с роторноковшовым бункерным и безбункерным,
• многоковшовым цепным,
• одноковшовым разрыхлителем,
• фрезерно-сопловым разрыхлителем и др.

По способу транспортирования пульпы:

• с транспортированием по плавучему трубопроводу,
• размещаемому на понтонах,
• подвесному трубопроводу,
• конвейеру,
• с выбросной трубой.

По конструкции корпуса – с разборным и неразборным корпусом.

По типу привода основного и вспомогательного оборудования – дизельные, дизель-электрические, электрические.

По месту размещения основного энергопитающего агрегата – с бортовым (трюмное или палубное расположение) и береговым размещением. Последнее используется с применением береговых электростанций или с подключением к линиям электропередач, подающих ток на бортовой трансформатор.

По способу рабочего перемещения – с якорным (тросовым) папильонированием, со свайным (свайно-тросовым) папильонированием, с независимым (хоботовым) перемещением грунтозаборного органа.

По схеме установки свай – с фиксированной установкой, с установкой свай с возможностью их перемещения в прорези по продольной оси земснаряда, с размещением свай в поворотном барабане (роторе).

Кроме того, существуют земснаряды-амфибии, имеющие, как правило, колесное ходовое оборудование и способные перемещаться по суше и по воде.

Независимо от конструктивных особенностей при проектировании земснарядов рекомендуется стремиться к созданию земснарядов с характеристиками, соответствующими оптимизированному типоразмерному ряду. Значения основных показателей земснарядов, соответствующие оптимизированному типоразмерному ряду, приведены в табл. 1.

Таблица 1. Оптимизированный типоразмерный ряд мелиоративных земснарядов

Показатели	Типоразмер
	первый	второй	третий	четвертый
Техническая производительность по грунту первой категории при максимальной дальности транспортирования пульпы, м3/ч	50	100	200	400
Дальность транспортирования пульпы, м	200	500	700	1000
Ширина разрабатываемой выемки, м: наибольшая наименьшая	20 4	30 10	40 16	50 25
Глубина разработки, м: с разрыхлителем без разрыхлителя	3 4	4 6	6 8	7 10
Осадка корпуса, м	0,5	0,6	0,8	1,1

При выполнении ремонтно-эксплуатационных работ наибольшее применение находят дизельные земснаряды с неразборным корпусом и трюмным размещением энергопитающего агрегата.

На рис. 1 приведена типичная принципиальная схема земснаряда. Несущей частью его является корпус 6. В носовой части корпуса установлены с возможностью поворота вокруг горизонтальных осей стойка 3 и рама 2 с рабочим органом, состоящим из активного рыхлящего органа (фрезы) 1, ее привода 13 и всасывающего трубопровода 5, который посредством гибкой вставки 14 соединен с грунтовым насосом 7, приводимым в действие дизельным или электрическим двигателем 8. К напорному патрубку грунтового насоса присоединен пульпопровод 10, укладываемый на понтоны при его расположении на воде. На суше при значительной дальности транспортирования он укладывается на инвентарные опоры.

В кормовой части корпуса размещены две сваи 9, управляемые лебедочным механизмом 15.

Рис. 1. Схема земснаряда: а – вид сбоку и сверху; б – схема свайно-тросового папильонирования; 1 – рыхлящий орган; 2 – рама; 3 – стойка; 4, 11 – лебедки; 5 – всасывающий трубопровод; 6 – корпус; 7 – грунтовой насос; 8 – двигатель; 9 – сваи; 10 – пульпопровод; 12 – канаты; 13 – отводные блоки; 14 – гибкая вставка; 15 – лебедочный механизм

Для подъема и опускания рабочего органа в носовой части установлены стойка 3 и лебедка 4, а для управления канатами 12, обеспечивающими рабочее перемещение (папильонаж) земснаряда, на палубе установлены лебедки 11. В зависимости от глубины разработки лебедкой 4 устанавливают требуемое положение рамы 2 и включают привод фрезы и грунтовой насос. Фреза рыхлит грунт, который вместе с водой в виде пульпы засасывается во всасывающий трубопровод грунтовым насосом, подается им в пульпопровод и транспортируется по нему к месту укладки. При дальности транспортирования до 30 м вместо пульпопровода может быть установлена выбросная труба, из которой пульпа выбрасывается в виде струи.

Внедрение фрезы в грунт обеспечивается благодаря повороту земснаряда вокруг одной из внедренных в дно свай (А или Б). Поворотное движение осуществляется согласованным выбиранием и стравливанием (отпусканием) канатов 12 лебедками 11. Канаты должны быть предварительно оттянуты в стороны и заякорены на дне водоема или, если позволяет обстановка и длина канатов, зафиксированы на берегу. По варианту, показанному на рис. 1, на берегу фиксируются отводные блоки 13, а свободные концы канатов крепятся к раме рабочего оборудования. После поворота земснаряда на требуемый угол в дно внедряется свая А, а свая Б лебедочным механизмом поднимается, и посредством канатов 12 земснаряд поворачивается вокруг сваи А в противоположную сторону, заставляя фрезу снимать следующую полосу грунта. Затем сваи снова меняются местами, и земснаряд снова поворачивают в обратном направлении. Так процесс циклично повторяется до окончания зоны выработки или до необходимости переноса якорей канатов или перемещения отводных блоков. Такая схема рабочего перемещения называется свайно-тросовым папильонированием для земснаряда с фиксированной установкой свай.

Для водного транспортного перемещения при смене зоны работы, т. е. при перемещении на значительное расстояние, используются буксиры. Некоторые легкие земснаряды при смене позиций перемещаются за счет реактивного действия струи, выбрасываемой грунтовым насосом.

Мелиоративные земснаряды часто работают в стесненных условиях. В таких случаях могут применяться малогабаритные земснаряды. На рис. 2 показан малогабаритный земснаряд УПМ-2.

Рис. 2. Схема малогабаритного земснаряда: 1 – фреза; 2 – стойка; 3 – рубка; 4 – техническое помещение; 5 – пульпопровод; 6 – сваи; 7 – механизм подъема свай; 8 – двигатель; 9 – грунтовой насос; 10 – трюм; 11 – полиспасты; 12 – рама

Он, как и описанный выше, имеет свайно-тросовый ход и состоит из фрезы 1 с приводом, стойки 2, рубки 3, технического помещения 4, пульпопровода 5, свай 6, механизма подъема свай 7, двигателя 8, грунтового насоса 9, трюма 10 корпуса, полиспастов 11 подъема рабочего органа, рамы 12.

На рис. 3 показан земснаряд с независимым поворотом рабочего органа. В связи с тем что поворот рабочего органа приводит к смещению центра тяжести земснаряда, для повышения боковой устойчивости к корпусу 10 посредством раздвижных штанг 15 крепятся дополнительные понтоны 3.

Рис. 3. Схема земснаряда с независимым поворотом грунтозаборного органа: 1, 4, 12 – гидроцилиндры; 2 – рыхлитель; 3 – понтоны; 5 – рубка; 6 – фары; 7 – пульпопровод; 8 – двигатель; 9 – насосная установка; 10 – корпус; 11 – стрела; 13 – гидромотор; 14 – грунтовой насос; 15 – штанги; 16 – лебедки

У земснаряда данной схемы грунтовой насос 14 вместе с рыхлителем 2 и гидромотором 13 привода расположен на конце подъемноповоротной стрелы 11. Пульпопровод 7 от грунтового насоса проложен по трюму и далее по поплавкам. При разработке прорезей шириной больше амплитуды поворота рабочего органа применяется свайнотросовое или тросовое папильонирование, осуществляемое посредством четырех лебедок 16. Посредством этих лебедок обеспечивается также фиксация в нужном положении и продольное перемещение земснаряда.

Управление земснарядом осуществляется из рубки 5. Освещение места работы обеспечивается фарами 6. Силовой установкой является дизельный двигатель 8 с насосной установкой 9, обеспечивающей подачу масла к исполнительным механизмам. Поворот стрелы производится двумя гидроцилиндрами 1, ее подъем и опускание – гидроцилиндром 4. При необходимости грунтовой насос вместе с рыхлителем и приводом может поворачиваться в вертикальной плоскости гидроцилиндром 12.

При небольшой глубине воды и достаточно прочном дне для выполнения эксплуатационных работ, например очистки или углубления каналов, могут использоваться земснаряды-амфибии. Схема одного из вариантов такой машины показана на рис. 4.

Рис. 4. Схема земснаряда-амфибии с независимым поворотом грунтозаборного органа: 1 – грунтозаборный орган; 2 – гидромотор; 3 – стрела; 4 – пульпопровод; 5 – поворотная колонка; 6 – передний ведущий мост; 7 – гибкая вставка; 8 – рубка; 9 – силовая установка; 10 – корпус; 11 – задняя опора

Земснаряд данного типа помимо корпуса 10 с рубкой 8 и установленной в трюме силовой установки 9 имеет рабочий орган с независимым поворотом. Он состоит из грунтозаборного органа 1 с гидромотором 2, стрелы 3, пульпопровода 4 с гибкой вставкой 7 и поворотной колонки 5, работающей по принципу колонки гидравлического неполноповоротного одноковшового экскаватора. Кроме того, земснаряд имеет пневмоколесное ходовое оборудование, включающее передний ведущий мост 6 и заднюю опору 11, шарнирно соединенную с корпусом. Их положение по высоте может меняться с помощью гидросистемы. В рабочем положении передний мост опускается до упора в дно. Он обеспечивает при этом устойчивость земснаряда и его продвижение по дну.

Привод и управление рабочим органом производится гидросистемой. При необходимости перевода земснаряда транспортным ходом на другой объект задняя опора опускается и земснаряд выводится на берег, для чего может использоваться дополнительная буксирующая машина.

Близким по назначению является земснаряд-амфибия на многоопорном колесном шасси, имеющий независимый поворот грунтозаборного органа и свайные опоры (рис. 5).

Рис. 5. Земснаряд-амфибия на многоопорном шасси с независимым поворотом грунтозаборного органа и свайными опорами: 1 – грунтозаборный орган; 2 – гибкая вставка; 3 – поворотная стрела; 4 – вертикальные опоры; 5 – пневматическое шасси; 6 – корпус; 7 – выбросная труба

Земснаряд состоит из грунтозаборного органа 1, всасывающей трубы с гибкой вставкой 2, поворотной стрелы 3, свайных вертикальных опор 4, восьмиколесного пневматического шасси 5, корпуса 6 с рубкой, грунтовым насосом и силовой установкой, а также выбросной трубы 7. Во время работы земснаряд опирается о дно свайными опорами, что предотвращает крен корпуса при поворотах рабочего оборудования. Процесс выброса пульпы показан на рис. 6.

Рис. 6. Вид работы земснаряда-амфибии с выбросной трубой

Более мобильным в процессе работы является земснаряд с выносными донными колесными опорами, показанный на рис. 7.

.

Рис. 7. Земснаряд с независимым поворотом грунтозаборного органа и выносными донными колесными опорами

Техническая характеристика используемых в мелиоративном строительстве земснарядов приведена в табл. 2.

Таблица 2. Техническая характеристика земснарядов

Название и марка	Назначение	Силовая установка, ее мощность, кВт	Полный напор, кПа	Производи-тельность, м3/ч	Число персонала, чел.
Многофункциональная плавучая машина МПМ-44	Строительство и очистка каналов, очистка водоемов, каналов, малых рек	Дизельная, 44	200	20	2
Мелиоративный землесосный снаряд МЗ-10	Очистка от наносов мелиоративных каналов	Дизельная, 59	200	50	2
Мелиоративный землесосный снаряд МЗ-11	Углубление рек, очистка отстойников, магистральных и сетевых каналов	Дизельная, 116	300	100	3
Мелиоративный землесосный снаряд МЗ-12	Очистка от наносов и реконструкция каналов, водоемов и малых рек	Дизельная, 220	250	200	4
Земснаряд ЛС-27	Строительство и очистка ирригационных каналов, спрямление русла, устройство прорези	Дизельная, 450	280	250	3
Мелиоративный землесосный снаряд МЗ-6	Реконструкция и очистка крупных каналов и отстойников, регулирование естественного водотока	Дизельная, 810	350	270	6

Белорусской системой машин предусматривается использование земснарядов Д-110/47-И и ЭСГ-800/40.

Засасывание пульпы на земснарядах производится грунтовыми центробежными насосами, но в отличие от центробежных насосов для чистой воды в грунтовых насосах в связи с необходимостью пропуска гравия, гальки, разного рода обломков число лопаток рабочего колеса уменьшено и составляет 3…6 шт., зазоры между колесом и корпусом увеличены, внутренние сечения и конфигурация проходных каналов не всегда являются гидродинамически оптимальными. Все эти вынужденные меры снижают КПД насоса. Кроме того, для повышения износостойкости насосов их внутренние поверхности покрывают (футеруют) защитными материалами – резиной, базальтом, износостойкими сплавами, износостойкими материалами на органической связке.

Марка стандартных грунтовых насосов типа Гр состоит из буквенной и цифровой частей.

К буквам Гр могут быть добавлены буквы У или О при соответственно увеличенном или уменьшенном проходом сечении проточной части. У футерованных насосов добавляется буква Р, Т или К, если футерующими материалами являются соответственно резина, износостойкий металл или антиабразивный материал на органической связке. Насосы с вертикальным валом имеют в этой части марки букву В. В числителе цифровой части указывается производительность насоса по пульпе (в м³/ч), а в знаменателе – напор (в м вод. ст.). Например, Гр УК 400/20 расшифровывается как грунтовой насос с увеличенным проходным сечением, футерованный абразивным материалом на органической связке, с горизонтальным валом, имеющий производительность по пульпе 400 м³/ч и напор 20 м вод. ст.

Кроме того, на мелиоративных земснарядах иногда используются центробежные насосы с марками других структур.

2. Схемы работы земснарядов

Земснаряды, оснащенные свайным аппаратом, могут использовать свайно-тросовое или тросовое перемещение. Описанный выше способ свайно-тросового перемещения земснаряда с фиксированной установкой свай схематически показан на рис. 8, а.

Земснаряд посредством лебедок поочередно поворачивается относительно свай а и б. При этом его грунтозаборный орган двигается по изображенной на схеме траектории с зонами пропуска грунта, обозначенными цифрой 3, и с зонами, на которых грунт был забран при предыдущем повороте земснаряда, обозначенными цифрой 2. Этот недостаток меньше проявляется в земснарядах со сваями, перемещающимися в прорези по продольной оси земснаряда (рис. 8, б). Здесь свая а установлена в неподвижной направляющей и может перемещаться только вверх и вниз, а свая б может перемещаться не только вверх и вниз, но и по продольной прорези в корпусе. Во время папильонирования свая а неподвижна и поворот происходит вокруг нее, а свая б находится в поднятом положении б₂. После завершения поворота налево опускается свая б, поднимается свая а, и земснаряд подтягивается вперед по прорези к свае б, которая оказывается в заднем положении. Затем свая а опускается, свая б поднимается, и земснаряд совершает вокруг сваи а рабочий поворот направо и т. д. При таком способе рабочего перемещения величина недоборов и холостых зон значительно сокращается.

Рис. 8. Схема рабочих ходов земснаряда: а – с фиксированной установкой свай; б – со сваями, перемещающимися в прорези по продольной оси земснаряда; в – с роторным свайным аппаратом; 1 – зоны, на которых грунт был забран; 2 – зоны пропуска грунта

Практически отсутствуют недоборы и холостые зоны при работе земснарядов с роторным свайным аппаратом (рис. 8, в). Аппарат состоит из поворотного барабана с направляющими обоймами, в которых в вертикальном направлении могут перемещаться сваи а и б. В исходном положении обе сваи внедрены в грунт и поворот земснаряда налево происходит относительно барабана. После окончания поворота свая б поднимается и поворотом барабана переставляется вперед. При этом и земснаряд перемещается вперед. Затем свая б опускается, и осуществляется поворот земснаряда направо, после чего переставляется свая а и т. д. Однако, несмотря на технологические преимущества двух последних схем, вследствие более простой конструкции наиболее распространенной является схема с фиксированным положением свай.

При тросовом перемещении в зависимости от вида выполняемых работ, глубины воды, ширины выемки и свойств разрабатываемого грунта применяют следующие, показанные на рис. 9, способы рабочих перемещений: траншейный, параллельный, багермейстерский, веерный, крестовый, отдельными воронками.

Траншейный способ (рис. 9, а) применяется при выполнении профильных выемок в сыпучих оползающих грунтах. Грунтозаборное устройство, работающее способом свободного всасывания, перемещается вдоль разрабатываемой прорези. Работа ведется параллельными траншеями с применением становой лебедки. Наибольший эффект достигается при работе земснаряда по направлению течения воды.

Рис. 9. Способы рабочих перемещений земснаряда при тросовом папильонировании: а – траншейный; б – параллельный; в – багермейстерский; г – веерный; д – крестовый; е – отдельными воронками; 1 – зона забора грунта; 2 – траектория перемещения рабочего органа

Параллельный способ (рис. 9, б) используется в случаях, когда за кромками траншеи на расстоянии не менее половины ширины корпуса земснаряда имеются глубины, достаточные для перемещения снаряда, оборудованного грунтозаборным устройством без разрыхлителя. При продвижении снаряда от одной бровки прорези к другой ось его корпуса остается параллельной оси прорези.

Багермейстерский способ (рис. 9, в) применяется при достаточном просторе для перемещения земснаряда. Разработка грунта ведется с помощью гидравлического или механического разрыхлителя во время перемещения корпуса от одной бровки прорези к другой с поворотом его на определенный угол. При перемещениях земснаряда оси его положений параллельны друг другу. Земснаряд устанавливается против течения.

При веерном способе (рис. 9, г) он также устанавливается против течения. Способ применяется в случаях, когда ширина разрабатываемой прорези на уровне проектного дна равна одной-двум длинам корпуса земснаряда, а глубина воды за кромками прорези меньше осадки земснаряда. Грунтозаборное устройство, оборудованное механическим разрыхлителем, совершает маятниковые движения от одной бровки прорези к другой.

Крестовый способ (рис. 9, д) применяется в случаях, когда ширина про-рези на уровне проектного дна меньше длины корпуса земснаряда. Движение грунтозаборного устройства с механическим разрыхлителем происходит как бы относительно точки, расположенной в центре корпуса земснаряда.

При крестовом способе, как и при веерном, земснаряд располагается против течения, но скорость течения воды из-за больших углов поворота земснаряда не должна быть очень высокой.

Разработка грунта отдельными воронками (рис. 9, е) применяется при разработке непрофильных выемок в несвязных грунтах. Грунтозаборное устройство без разрыхлителя перемещается по мере разработки отдельных воронок.

При возможности применяется свайно-тросовое папильонирование, обеспечивающее большую производительность и лучшее качество работ. При этом способе упрощается управление земснарядом, уменьшается число папильонажных тросов, пересекающих место производства работ.

3. Устройство и принцип действия грунтозаборных органов земснарядов

Тип применяющегося на земснаряде грунтозаборного органа зависит главным образом от свойств разрабатываемых грунтов. Для извлечения легко разрабатываемых грунтов, таких, как песок, несвязная супесь, неслежавшийся ил, применяются наконечники для свободного всасывания грунта.

По форме они могут быть в виде конуса (рис. 10, а) с защитной решеткой на входе. Применяются при всасывании грунта из цилиндрических углублений (зумпфов) и при разработке грунта способом отдельных воронок. Эллиптические наконечники (рис. 10, б) используются для траншейного способа, а щелевые (рис. 10, в) – при боковых или веерных рабочих перемещениях земснаряда.

Рис. 10. Наконечники для свободного всасывания грунта: а – конусный; б – эллиптический; в – щелевой

Для разработки грунта на больших глубинах (как правило, свыше 10…11 м) применяются грунтозаборные органы с инжекторами, т. е. с устройствами, обеспечивающими существенное повышение разрежения в зоне всасывания за счет внешней подачи воды через сужающиеся сопла (инжекторы). На рис. 11, а, б показаны всасывающие трубы с центральной подачей воды, на рис. 11, в – с установкой инжектора в колене перед грунтовым насосом, на рис. 12 – с периферийной подачей.

У насадок по схеме рис. 11 а, б, в инжектирующая вода подается по трубам 2, засасываемая пульпа идет по трубам 1 к грунтовому насосу 3 насадки.

Рис. 11. Наконечники с инжекторами для свободного всасывания грунта: а, б – с центральной подачей воды; в – с подачей воды в поворотное колено; 1 – трубы для пульпы; 2 – трубы для воды; 3 – грунтовой насос

Рис. 12. Наконечники с инжекторами для свободного всасывания грунта с периферийной подачей воды: 1 – всасывающая труба; 2 – камера; 3 – патрубки

У насадки на рис. 12 инжектирующая вода поступает в камеру 2 и далее по патрубкам 3 на инжектирование во всасывающую трубу 1.

Для более интенсивного размывания грунта и повышения консистенции пульпы применяются односопловые (мониторные) и многосопловые гидравлические разрыхлители.

Суть работы грунтозаборного органа с односопловым разрыхлителем (рис. 13, а) заключается в том, что рядом с основной всасывающей трубой 1 смонтирован дополнительный трубопровод 2 меньшего диаметра, оканчивающийся соплом 3, направленным в зону всасывания грунта. В процессе работы по этому трубопроводу под давлением подается вода, с большой скоростью истекающая из насадки и интенсифицирующая процесс разрушения разрабатываемого грунта.

Более совершенными являются многосопловые разрыхлители с соплами, установленными на трубчатом кольце (рис. 13, б).

Вода на размывание от насоса подается по трубопроводу 3 в трубчатое кольцо 2 с соплами 1. Сопла установлены таким образом, что разрушаемый истекающими из них струями грунт направляется к центру, откуда отсасывается через всасывающий трубопровод 5. Для улучшения приспособляемости к рельефу дна разрыхлитель с всасывающим трубопроводом соединен посредством шарового шарнира 4.

Рис. 13. Наконечники с гидравлическими разрыхлителями: а – односопловой: 1 – всасывающая труба; 2 – дополнительный трубопровод; 3 – сопло; б – многосопловой: 1 – сопла; 2 – трубчатое кольцо; 3 – трубопровод; 4 – шаровой шарнир; 5 – всасывающий трубопровод

Разработка тяжелых и слежавшихся грунтов требует их активного рыхления. Наиболее распространенным является механическое рыхление с применением разных механических приспособлений – фрез, роторов, ковшей, скребков и т. п. На рис. 14 показаны фрезы наиболее типичных конструкций.

Фрезы открытая с плоскими ножами (рис. 14, а) и закрытая (митрообразная) с ножами двойной кривизны (рис. 14, б) предназначены для разработки суглинков легких и тяжелых, а также плотных гравийно-песчаных грунтов. Режущая кромка может быть гладкой, волнообразной и с зубьями или зазубринами.

Для таких же условий работы применяется полуоткрытая фреза с ножами волнообразной формы (рис. 14, в), которые более сложны в изготовлении, но более эффективны при резании грунта.

Налипающие грунты, такие, как суглинки, глины, слежавшийся ил, разрабатываются с применением фрезы с отвально-режущими лопастями – ложковыми или плужными (рис. 14, г).

Рис. 14. Фрезы наиболее типичных конструкций: а – открытая с плоскими ножами; б – закрытая (митрообразная) с ножами двойной кривизны; в – полуоткрытая с ножами волнообразной формы; г – с отвально-режущими лопастями

Ротационные рыхлящие органы с копающими элементами в виде ковшей обычно называют роторными. Они бывают однороторными или чаще двухроторными с вертикальной или горизонтальной осями вращения. Ковши отделяют грунт и перемещают его к всасывающей трубе, что обеспечивает высокую концентрацию пульпы, в том числе в гравийно-песчаных и плотных песчаных грунтах. Более высокая консистенция пульпы обеспечивается при применении бункерных разрыхлителей. На рис. 15 показаны двухроторные бункерный (а) и безбункерный (б) разрыхлители с ковшами. У данных двухроторных многоковшовых разрыхлителей всасывающая труба расположена между роторами.

Рис. 15. Двухроторные многоковшовые фрезы: а – бункерная; б – безбункерная

При производстве мелиоративных и, в особенности, ремонтноэксплуатационных работ приходится разрабатывать торфяники и другие грунты, засоренные корнями растений, пнями, топляком. В этих условиях достаточно эффективным является применение винтовой фрезы (рис. 16).

Рис. 16. Разрыхлитель с винтовой фрезой: 1 – вал; 2 – лопатки; 3 – отверстие

Она состоит из вала 1 с установленными на нем по винтовой линии лопатками 2 с острыми режущими кромками. Разрыхленный грунт вместе с водой засасывается в отверстие 3.

Наиболее надежным при разработке вязких и заросших грунтов является двухбарабанный рабочий орган (рис. 17).

Он состоит из двух барабанов 1, вращающихся навстречу друг другу и приводимых во вращение валами 4. Барабан состоит из набора дисков, на которых крепятся плоские Г-образные ножи. Диски связаны между собой и с валом посредством фрикционов, сжатых между собой нажимными пружинами. В случае перегрузки или встречи с непреодолимым препятствием диски проворачиваются, предохраняя ножи от поломок. Разрыхленный грунт вращающиеся барабаны направляют к всасывающей трубе 3. Вертикальное расположение рамы 2 и соответственно барабанов позволяет разрабатывать грунты траншейным способом. Толщина разрабатываемого слоя равна высоте барабанов.

Рис. 17. Схема двухбарабанного разрыхлителя: 1 – барабаны; 2 – рама; 3 – всасывающая труба; 4 – валы

Для разработки липких грунтов предназначен двухроторный черпаковый самоочищающийся разрыхлитель, схема работы которого показана на рис. 18. Рабочие элементы разрыхлителя базируются на корпусе редуктора 1 с гидроприводом 7, обеспечивающих встречное вращение роторов.

Роторы представляют собой ступицы 6 с прикрепленными к ним черпаками 2 и очистителями 5. Форма и расположение черпаков и очистителей выбраны такими, что при встречном вращении роторов очистители входят в черпаки и выталкивают из них грунт, который вместе с водой поступает во всасывающую трубу 4 через заборную сетку 3.

Рис. 18. Схема двухроторного черпакового разрыхлителя: 1 – редуктор; 2 – черпаки; 3 – заборная сетка; 4 – всасывающая труба; 5 – очистители; 6 – ступицы; 7 – гидропривод

Иногда используются цепные разрыхлители. Варианты цепного черпакового (а) и цепного скребкового (б) разрыхлителей показаны на рис. 19.

Рис. 19. Разрыхлители: а – цепной черпаковый; б – цепной скребковый

При воздействии на грунты колебаний с определенными характеристиками грунты приобретают свойства текучести. Это явление используется в конструкции земснарядов для виброрыхления тяжелых, слежавшихся песчано-гравийных грунтов. Один из вариантов виброрыхлителя показан на рис. 20.

Рыхлитель состоит из виброголовки 2, вибраторов 3 направленного действия, решетки 4 с гидравлическими насадками 5. Вибрирующая часть рыхлителя переводит грунт в текучее состояние, а насадки размывают и направляют его к всасывающей трубе 1.

Рис. 20. Схема вибрационного разрыхлителя: 1 – всасывающая труба; 2 – виброголовки; 3 – вибраторы; 4 – решетки; 5 – гидравлические насадки

Совмещение механического и гидродинамического воздействий на грунт используется у фрезерно-гидравлического разрыхлителя, показанного на рис. 21. Его фреза снабжена лобовой насадкой 1, боковыми разрыхляющими насадками 6 и смазывающе-подводящими насадками 7. Они исключают залипание ножей фрезы и увеличивают зону всасывания грунта. Вода к насадкам при работе в налипающих грунтах подается от дополнительного насоса по водопроводу 3 через каналы 2 вала фрезы, установленного в головном подшипнике 4, и подающие патрубки 5.

Рис. 21. Фрезерно-гидравлический разрыхлитель: 1 – лобовая насадка; 2 – каналы; 3 – водопровод; 4 – головной подшипник; 5 – подающие патрубки; 6 – боковые разрыхляющие насадки; 7 – смазывающе-подводящие насадки

Сходную схему воздействия на грунт имеет поворотный рабочий орган (рис. 22).

Рис. 22. Поворотный рабочий орган с гидромеханическим разрыхлением грунта: 1 – зубья; 2 – поворотный экран; 3 – всасывающая труба; 4, 5 – трубопроводы; 6 – вал

Рыхление грунта производится зубьями 1, прикрепленными к поворотному экрану 2, при повороте последнего в горизонтальной плоскости. В зубьях установлены сопла, к которым может подаваться под давлением вода.

Рабочее движение в горизонтальной плоскости экран совершает так же, как и другие разрыхлители, и может поворачиваться. При рабочем перемещении экрана в сопла по трубопроводам 4, 5 и валу 6 подается вода, производящая размывание грунта.

Засасывание пульпы производится всасывающей трубой 3. При необходимости экран может поворачиваться в вертикальной плоскости вокруг горизонтального вала 6.

Одна из важнейших проблем при разработке грунта земснарядами и землесосами – повышение консистенции пульпы – решается применением забора грунта из ограниченного пространства. Это пространство ограничивается бункером, экраном или ковшом. Например, в Нидерландах используется одноковшовый рабочий орган (рис. 23, а), у которого ковш на стрелу земснаряда навешен по схеме, напоминающей схему навески драглайна экскаватора.

Рис. 23. Одноковшовые рабочие органы: а – с канатной подвеской: 1 – поплавок; 2 – трубопровод; 3 – шланги; 4 – гидропривод; 5 – всасывающий насос; 6 – канаты; 7 – ковш; 8 – груз; б – с шарнирной подвеской: 1 – щель; 2 – ковш; 3 – трубопровод; 4 – шарнирное соединение; 5 – нож; 6 – днище

На ковш 7 установлен всасывающий насос 5 с гидроприводом 4, к которому по шлангам 3 подается рабочая жидкость. Насос засасывает грунт с водой непосредственно из перемещающегося ковша и нагнетает пульпу по трубопроводу 2. Перемещение ковша производится канатами 6, стабилизация положения – грузом 8, а контроль положения – поплавком 1.

Согласование перемещения ковша и производительности грунтозаборного насоса обеспечивает оптимальную консистенцию пульпы. Кроме того, установка насоса под водой позволяет достичь больших глубин разработки грунта.

Другим вариантом одноковшового разрыхлителя является показанный на рис. 23, б рабочий орган с шарнирной подвеской. Ковш 2, опирающийся на днище 6, при перемещении срезает ножом 5 стружку грунта, поступающую внутрь ковша, из которого через шаровое шарнирное соединение 4 отсасывается вода. Поступающая через щель 1 внутрь ковша вода размывает стружку грунта и перемешивается с ним, образуя пульпу необходимой консистенции, которая отводится по трубопроводу 3.

Сменный фрезерный рабочий орган машины Watermaster с приводом от гидромотора показан на рис. 24.

Рис. 24. Сменный фрезерный рабочий орган машины Watermaster

Данный рабочий орган имеет механическую фрезу, измельчающую наносы, которые затем засасываются насосом и вместе с водой поступают в пульпопровод.

4. Машины для добычи сапропелей

Сапропели – это донные отложения пресных водоемов, образовавшиеся в результате накопления и химико-биологических преобразований остатков населяющих водоемы растительных и животных организмов и минеральных примесей, поступающих с поверхностным стоком, речными водами и пылью.

Сапропели, с одной стороны, представляют собой достаточно ценное сырье или органическое удобрение, с другой – являются отложениями, уменьшающими глубину водоема, насыщенность воды кислородом и снижающими продуктивность и рекреационную ценность водоема. Поэтому извлечение сапропелей является, несомненно, целесообразным, однако их обезвоживание и доведение до требуемых для использования кондиций является достаточно сложным процессом, что пока сдерживает темпы разработки имеющихся в водоемах Беларуси очень больших запасов сапропелей.

Один из вариантов машины для добычи сапропелей схематически показан на рис. 25.

Рис. 25. Схема машины для добычи сапропелей: 1 – якорь; 2 – пульпопровод; 3 – лебедки; 4 – грунтовой насос; 5 – силовая установка; 6 – плавучий корпус; 7 – заборное устройство

Данная машина имеет плавучий корпус 6, якоря 1 для фиксации и перемещения, управляемые лебедками 3. Сапропель вместе с водой засасывается через заборное устройство 7 грунтовым насосом 4, который приводится в действие силовой установкой 5. Транспортирование пульпы производится по пульпопроводу 2. После оседания сапропеля и сброса осветленной воды через некоторое время влажность сапропеля снижается, и его обычно грузят и транспортируют торфяными машинами.

Добычу сапропелей на небольших водоемах ведут с применением одноковшовых экскаваторов с оборудованием драглайн, а на больших целесообразно применение земснарядов, например, таких, как 8-ПЗУ-3М, ЗРС-2, или землесосов типов 150-45Т, 200-50Т, 300-40Т, 350-50Т. Кроме того, существуют специальные машины для добычи сапропелей, как и земснаряды, являющиеся плавучими машинами, использующими принцип гидромеханизированной разработки грунта и транспортирования его к месту укладки (намыва) в виде пульпы.

При удаленности места намыва до 500 м сапропели добывают плавучей установкой типа ЭТП-1 или малыми и особо малыми мелиоративными земснарядами.