Лекция 1 История и современное состояние техники для
advertisement
Лекции по "Основам конструирования машин для подводной добычи ПИ" для ГМ (28 лекционных часов). 1 Лекция № 1. ИСТОРИЯ И СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНИКИ ДЛЯ ПОДВОДНЫХ ДОБЫЧНЫХ РАБОТ Одной из сфер деятельности профессионала по горным машинам (горного инженера) является создание и эксплуатация машин и оборудования для подводной добычи твердых полезных ископаемых. Для эффективного создания подводной добычной техники современный горный инженер-механик должен знать историю, основные этапы развития и современное состояние подводных добычных машин. Цель настоящей лекции – изучить историю и современное состояние техники для подводных добычных работ. В результате изучения материала этой лекции студенты должны получить понятия о основных этапах развития и современных образцах подводных добычных машин. Общие сведения по подводных месторождениях ПИ Разработка поверхностных месторождений рек, озер, шельфа и ложа океана производится открытым способом через водную толщу. Поэтому добычные работы ПИ из-под воды называют подводными. На поверхности шельфа (19% площади суши) и ложа океана (50% площади Земли) сосредоточены огромные минеральные ресурсы. Самыми «главными» полезными ископаемыми шельфа сегодня являются нефть и газ. Следующее по значению – сырье для производства строительных материалов, добываемое ныне в огромных количествах. Объем добычи строительных материалов со дна морей составляет по некоторым оценкам не менее 45% от суммарных объемов подводной добычи полезных ископаемых. В железомарганцевых конкрециях донных отложений Тихого океана запасы марганца прогнозируются в 2,4×1011 т, кобальта - 2,8×109 т, никеля - 9,4×109 т, меди - 5,3×109 т. На реках, озерах и морском шельфе располагаются россыпные месторождения золота, алмазов, платины, минералов тяжелой группы, илы различных составов, сульфидные корки и т.п. Дополнительным источником восполнения дефицита тяжелых минералов и песка может служить освоение намывных техногенных массивов (НТМ) - хвостохранилищ фабрик по обогащению россыпных полезных ископаемых. Отдельные зоны этих массивов при определенных горно-геологических, технологических и экономических условиях могут рассматриваться как техногенные месторождения. Перспективы подводной добычи определяются её преимуществами по сравнению с разработкой месторождений суши: строительство дражных и др. технических судов на крупных судостроительных заводах исключает период строительно-монтажных работ на месторождении; значительно уменьшаются объёмы по вскрытию месторождений полезных ископаемых; исключается строительство подъездных путей, линий электропередач и жилых посёлков, а Лекции по "Основам конструирования машин для подводной добычи ПИ" для ГМ (28 лекционных часов). 2 также отпадает необходимость отчуждения сельскохозяйственных земель и последующей их рекультивации. Подводные добычные работы, особенно в открытой морской акватории, затрудняются наличием волнений на водной поверхности, заносимостью выработок на дне моря, размывом отвалов, выемкой пород и их сбросом в среду жизнедеятельности морской фауны и флоры, а также необходимостью поддержания устойчивости береговых линий. Основные понятия по подводной добыче ПИ Гидромеханизацией называется единый технологический комплекс процессов и технических приемов, связанных с разрушением грунтов и горных пород, их транспортированием и укладкой в тело сооружений или в отвал гидравлическими методами. Под разработкой в гидромеханизации понимаются все способы разрушения грунтов и горных пород с применением воды. Разработка грунта, при которой грунт (порода) разрушается какими-либо механическими средствами, а транспортирование грунта осуществляется водой, называется комбинированной. Гидравлическим транспортом называются все случаи транспортирования грунта (и любых других материалов) в смеси с водой по искусственно сооруженным системам - напорным (трубопроводы) или безнапорным (лотки, канавы). Смесь разрушенного грунта или породы с водой называется гидросмесью (пульпой). Разрушение горной породы водой производится двумя способами: размывом напорной струей при помощи гидромониторов или размывом самотечным потоком, поступающим к всасывающей трубе землесоса. Гидромонитор - устройство для создания и управления полетом напорных водяных струй с целью разрушения и смыва горных пород. Землесосный снаряд представляет собой самоходную или несамоходную плавучую землеройно-транспортирующую машину непрерывного действия, предназначенную для подводной разработки пород гидравлическим способом. Все его оборудование - грунтонасос, двигатель, всасывающий и напорный трубопроводы, механизмы передвижения, а также вспомогательное оборудование монтируются на понтонах. Черпаковый штанговый или гидроприводной земснаряд представляет собой несамоходную плавучую землеройно-транспортирующую машину циклического действия, предназначенную для подводной разработки пород механическим способом. Многочерпаковый земснаряд представляет собой самоходную плавучую землеройно-транспортирующую машину непрерывного действия, предназначенную для подводной разработки пород механическим способом. Грейферный земснаряд представляет собой, как правило, несамоходную плавучую землеройно-транспортирующую машину циклического действия, предназначенную для подводной разработки пород механическим способом. Лекции по "Основам конструирования машин для подводной добычи ПИ" для ГМ (28 лекционных часов). 3 Драгой называется плавучая горная машина, предназначенная для разработки россыпных рудных месторождений и отделения металлов от пустой породы. История развития техники для подводных добычных работ Принято плавучие установки, осуществляющие подводные добычные работы твердых ПИ из месторождений, расположенных на глубинах до 100 м, называть земснарядами. Земснаряды, кроме собственно добычных работ, могут осуществлять так называемые подводные гидротехнические работы, связанные с удалением или перемещением на новое место части подводного грунта. Примерами гидротехнических работ могут служить намыв водозащитных дамб, намывных плотин, углубление судового хода (фарватера), очистка акваторий портов и т.д. Исторически так сложилось, что появление и развитие земснарядов было вызвано необходимостью ведения именно гидротехнических работ. Конструктивные схемы земснарядов и технологии их использования при ведении добычных и гидротехнических работ принципиально мало отличаются друг от друга. Поэтому при изучении истории развития земснарядов не будем делать различия по земснарядам различного назначения. История развития техники для гидротехнических работ неразрывно связана с прогрессом человеческих знаний в целом, и с развитием механики и гидравлики, в частности. Имеются многочисленные свидетельства прошлого, которые доказывают существование искусственных гидравлических сооружений, датируемых 4-м тысячилетием до нашей эры, в частности, в Египте, Месопотамии и в Азии: подводные каменные дамбы в Мемфисе на Ниле; остатки искусственных каналов в районе Тигра и Евфрата; существование общественных бань, оснащенных керамическими трубами, в долине Инда. Это свидетельствует о начале выполнения гидротехнических работ в уже в глубокой древности. Работы велись посредством примитивных инструментов – лопаты и кайла, основным источником энергии являлась мускульная сила человека. Лопастные гидравлические колеса, по мнению Директора факультета Механики Жидкостей, Гидравлических и Термических Машин Политехнического института Монса в Бельгии профессора J.P Bernardo, появились, в Египте, Месопотамии и Китае где-то за 1000 лет до нашей эры. Развитие греческой цивилизации привело к открытиям, основанным на наблюдениях, а также на размышлениях. В основном, упоминают Александрийскую школу во главе с Архимедом (287-212 года до н.э.), который сформулировал свой знаменитый принцип плавания тел, придумал гидравлический винт, носящий его имя, и составил первый сборник истории гидростатики, и Ктесиб – изобретатель устройств, где вода была основным элементом. Ктесиб является также разработчиком и конструктором первого вакуумно-напорного насоса в истории техники. Лекции по "Основам конструирования машин для подводной добычи ПИ" для ГМ (28 лекционных часов). 4 В эпоху возрождения были сделаны несколько выдающихся открытий и достижений, непосредственно связанных с оборудованием для производства гидротехнических работ. В 1608 г. в Париже был построен знаменитый фонтан Самаритянки, воду в который подавали две групп насосов, обеспечивающий общую подачу воды 700 м3 в день на высоту 23 метра. Некоторые конструкции достигали несравненных на то время показателей. Так, знаменитая машина Марли, установленная в 1685 в Версале во время правления Людовика XIV являлась плодом сотрудничества двух изобретателей, Арнольда де Вилля, автора проекта, и Реннекена Сюалема, плотника, который построил эту установку. Она объединяла 259 вакуумно-напорных насосов, распределенных на трех последовательных уровнях, для обеспечения общей высоты подъема жидкости 150 метров, начиная от уровня Сены; подъем был обеспечен четырнадцатью колесами гидравлических турбин диаметром 12 метров, развивающими общую мощность порядка 700 л.c. Машина была использована для подачи воды под давлением на знаменитые фонтаны Версаля. Несмотря на подобные успехи гидравлики и успешное развитие гидравлических машин, подводные работы продолжали выполняться ручным способом. Естественно, производительность таких работ была крайне низкая, также, как и невелики были глубины работ. Определенный перелом наметился на рубеже 16 - 17 веков, когда стали востребованы приведенные выше открытия, изобретения и устройства для создания первых собственно земснарядов. В 1590 году в Венеции велись землеройные работы по углублению каналов в районе Дворца дожей. Руководил работами механик Буанаюто Лорини, считающийся создателем первой плавучей землеройной машины с ручным приводом. Машина Лорини представляла собой плавучий весельный плот с множеством надстроек, двигающихся шестов и вращающихся колес. Рабочим органом машины служил огромный двухчелюстной захват, похожий на клешни гигантского омара. Привод захвата осуществлялся с помощью деревянных воротов, которыми рабочие на плоту поднимали полный камней, грязи и ила захват со дна канала. Захват был снабжен фиксаторами, связывающими его челюсти; при дергании за веревку фиксаторов челюсти расцеплялись, и их содержимое выгружалось в широкоскулую баржу, идущую рядом. Вот уже полтысячелетия, претерпев лишь небольшие изменения, эта конструкция и сейчас продолжает служить в качестве важнейшего узла грейферного земснаряда. Тогда же был успешно опробован и один из способов доставки добытого грунта – с помощью отвозного судна. Мало того, конструкция машины Лорини послужила началом эволюции и ее сухопутного варианта – грейферного экскаватора. В книге Буанаюто Лорини "Делле фортифинационе", изданной в Венеции в 1597 году, изображена его плавучая машина. Автор признается, что он лично ничего больше не сделал, кроме "изобретения грейфера, двойных челюстей, а также увеличения стрелы". Лекции по "Основам конструирования машин для подводной добычи ПИ" для ГМ (28 лекционных часов). 5 Кто же сделал остальное? Ответ может быть только один: Леонардо да Винчи. Известно, что в засушливой Миланской области Леонардо руководил строительством каналов. Великий флорентиец создал ряд удивительных проектов землеройных машин. Были ли осуществлены эти замыслы? Однозначного ответа пока не существует. Вероятно - да, если судить по этой красноречивой авторской записи "У меня земля идет сама собой в ящик, мое колесо постоянно вращается в одной направлении, мой механизм приводится в движение одним человеком и выбрасывает выкопанную землю в два такта". Вместе с этой выразительной по простоте формулой изобретения "двухтактного экскаватора" Леонардо оставил и поразительные рисунки землечерпалки, драглайна и грейфера (рис. 1), а также деревянного рычажного экскаватора. Разработанный им Рис. 1. Двухчелюстной грейфер принцип действия этих механизмов на пять столетии вперед предопределил развитие землеройной техники. Но развивались и совершенствовались только детали. Все главные узлы проработаны Леонардо с присущими ему тщанием и дальновидностью, так что и промышленная революция XIX века, и даже научнотехническая XX века по существу, например, такого важного элемента экскаватора, как ковш, добавили лишь частности. "Ковш, заостренный, как лемех, спереди и сзади, имеет сито. Это позволит зачерпнуть много грунта и даст стечь воде. Ковш будет подвешен на канатах, которые наматываются на ворот, расположенный на понтоне. Дно ковша может также открываться, что облегчит его разгрузку". Леонардо не удалось бы столь проницательно заглянуть вдаль, если бы он в своих изысканиях не оглядывался далеко назад. О том свидетельствует упоминаемый выше эскиз грейферной землечерпалки, в конструкции которой использован винтовой привод стрелового рычага, известного в римские времена. Да и сам грейфер флорентиец строит по типу клещевого захвата, впервые Рис. 2. Ручная драга с желобом примененного в Египте, в эпоху Древнего царства. Однако способ открывания наполненного ковша — грейфера, как, впрочем, и сама мысль приспособить клещевой захват для землеройных работ, являются Лекции по "Основам конструирования машин для подводной добычи ПИ" для ГМ (28 лекционных часов). 6 оригинальными. Вот прекрасный исторический пример, наглядно иллюстрирующий, что может дать осмысление "реликтовых" идей техники для развития механизмов современных! Одночерпаковые ручные драги (рис. 2) работали в английских и других европейских портах почти одновременно со старательскими драгами на уральских и сибирских реках в XVII —XVIII веках. Это были массивные плоты с установленными на них лебедками. С их помощью рабочие подтягивали к плоту ковш с грунтом, наполненный илом и камнями, песком, а затем перегружали грунт в шаланды. Благодаря своему географическому положению Голландия исторически стала родоначальницей производства масштабных гидротехнических работ при помощи механического оборудования и создания технических средств для их выполнения. Применение первого механического агрегата, не использующего ручной привод, для производства гидротехнических работ было осуществлено около 1600 года в Амстердаме. Был использован ковшовый земснаряд с приводом, основанным на лошадиной силе. В 1718 году французский инженер де ля Бальм представил Парижской академии наук более сложную машину с двумя ковшами (рис. 3), вскоре заработавшую в портах Тулона и Бреста. Пара ковшей объемом 1,8 м3 крепилась на рукояти длиной 22,5 м и приводилась в движение с помощью двух установленных на понтоне ступальных колес диаметром 9 м, вращавшихся от того, что по ним ступали ногами 16 рабочих. При наматывании подъемных цепей на барабан, служивший осью большого ступального колеса, ковш поднимался наверх. Цепи, наматываемые на барабан меньшего колеса, оттягивали ковш в исходное положение. Поскольку Рис. 3. Двухковшовая драга де ля Бальма при подъеме одного ковша (проект 1718 г) опускался другой и наоборот, их производительность была в 11 раз выше, чем у механизмов с ручным черпанием! Поскольку драга Бальма – Белидора (в ее конструировании и испытании принимал участие его соотечественник инженер Белидор) великолепно справлялась с тяжелым илом, наносами и даже каменными включениями, что было не по зубам грейферным и многочерпаковым машинам, новинку стали строить повсеместно: во Франции, Голландии, в России. С изобретением ковша так называемой тулонской драги – он представлял собой ящик с зубьями для разрыхления грунта, был снабжен откидным днищем и Лекции по "Основам конструирования машин для подводной добычи ПИ" для ГМ (28 лекционных часов). 7 закреплялся на рукояти, имевшей продольные перемещения, – эволюцию ковша в общих чертах можно считать завершенной. Первый многочерпаковый плавучий земснаряд был изобретен Савери в Голландии еще в 1718 г. Однако построена такая машина была лишь в 1747 г. в Англии. Землечерпалка имела ручной привод. Аналогичная землечерпалка была построена в 1760 г. во Франции. Эта землечерпалка имела вертикальную неподвижную раму, проходившую в колодец (рис. 4), сделанный в середине плашкоута. В 1781 г. в Англии появились первые землечерпалки с конным приводом. Между тем де ля Бальм, предвидя, что возвратное движение тягового и оттягивающего ступальных колес его двухковшовой драги станет тормозом на пути дальнейшего развития землеройной техники, в 1718 году разработал проект ступального колеса с однонаправленным вращением, для чего снабдил его Рис. 4. Схема французской землечерпалки 1760 г. муфтой. Но прошло добрых сто лет, прежде чем "подсказка" французского инженера была реализована в конструкции американской конной драги, имевшей ковш объемом 0,66 м3. Любопытная деталь: для удобства выгрузки грунта применялось поворотное устройство, которое позволяло смещать ковш в обе стороны на 30°, что существенно облегчало заполнение причаленных к драге барж. Машина развивала огромную на начало 19 века производительность: 16 м3/ч, причем цикл разгрузкивыгрузки ковша длился немногим больше 2 минут. Это, по-видимому, был предел для машин, приводимых в движение живой силой людей и лошадей. Качественным толчком к дальнейшему развитию техники для гидротехнических работ послужило изобретение Джеймсом Уаттом экспериментальной паровой машины в 1765 г., которую после усовершенствований стали использовать в качестве приводного механизма, первоначально на угольных шахтах Англии для откачивания шахтных вод. В 1796 году, недовольный медленным ходом дноуглубительных работ, начальник строительства английского порта Сундерланд язвительно предложил подрядчикам заменить измученных кляч на паровую машину... Издевка возымела неожиданное действие: владельцы драги и в самом деле предложили фирме "Бультон и Уатт" применить паровую машину для ее привода. Не прошло и полугода, как фирма закончила технический проект четырехковшовой драги с паровым приводом, в котором, в частности, говорилось: "Паровая машина мощностью в 4 л. с. будет установлена на понтоне шириной 6 и длиной 18 м. Лекции по "Основам конструирования машин для подводной добычи ПИ" для ГМ (28 лекционных часов). 8 Каждый ковш емкостью 0,6 м3 будет вытягиваться собственной лебедкой со скоростью 3 м/мин. За один рабочий цикл ковши достанут до 1,5 т грунта с трехметровой глубины". Таким образом, производительность четырех ковшей достигла 24 м3/ч, что вчетверо превзошло ручные машины тулонского типа и в 1,5 раза – американские. Паровая ковшовая драга из Сундерланда опередила локомотив Черепанова, "Ракету" Стивенсона и даже пароход Фултона, но справедливости ради отметим, что мысль об использовании силы пара на землеройных машинах уже носилась, что называется, в воздухе. Еще за два года до Уатта основатель российского корпуса инженеров путей сообщения А. Бетанкур работал над проектом паровой многочерпаковой драги мощностью 15 л. с. Однако, исключительная по сложности машина, ставшая заметной вехой в истории землеройной техники, была изготовлена на Ижорском заводе лишь к 1811 году. В том же году она была доставлена и в Кронштадтский порт, где с 5метровой глубины вела углубление фарватера десятью железными черпаками, между которыми размещались специальные разрыхляющие зубья. Пар из деревянного котла высотой с двухэтажный дом поступал цилиндр двойного действия. После отработки он охлаждался змеевиком в конденсаторе, размещенном в средней части 30-метроврго понтона, куда через люки подавалась забортная вода. Конденсат возвращался обратно в котел. В 19 веке земснаряды стали создаваться достаточно активно, причем не только в Голландии, но и в Германии, Франции, США, Англии, России. Появились и достаточно быстро сформировались основные типы земснарядов, принципиально практически не изменившиеся и до наших дней. Приводом для исполнительных органов этих снарядов первоначально служили паровые машины, потом двигатели внутреннего сгорания и электродвигатели. Основными типами земснарядов с середины 19 века и по настоящее время являются: землесосы с гидравлическим, механическим рыхлителями грунтов, а также со свободным всасыванием, земснаряды–эжекторы и земснаряды–эрлифты, одночерпаковые штанговые и грейферные земснаряды, многочерпаковые земснаряды. Немного в стороне от нашей темы стоят гидромониторные установки, используемые для подводного и надводного разрыхления и перемещения несвязных грунтов, а также скалодробительные снаряды, разрушающие подводные скальные грунты. Поэтому дальнейшее рассмотрение истории развития земснарядов проведем уже по конкретным типам земснарядов. Землесосы. Всасывание пульпы, т.е. смеси воды с удаляемым материалом, впервые было осуществлено в 1859 г. во Франции для дноуглубительных работ в порту Сен – Назер. Для работ был применен землесосный снаряд с поршневым насосом. Примерно через 5 лет после этого во Франции и почти одновременно в Англии появились землесосы с центробежными насосами, которые очень быстро вытеснили поршневые. В 1867 г. Базен изобрел землесос с Лекции по "Основам конструирования машин для подводной добычи ПИ" для ГМ (28 лекционных часов). 9 предварительным механическим рыхлителем грунта – прообраз современного распространенного дноуглубительного снаряда – землесоса с центробежным насосом. Этот снаряд при глубине разработки до 12 метров имел производительнсоть до 3000 м3 песка в сутки, что для того времени являлось огромной величиной. Кстати, в настоящее время такую часовую производительность обеспечивают современные землесосы среднего класса. Землесосы на р. Волге появились в 1874 г. Это были снаряды с центробежными насосами, но без разрыхлителей, их производительность по грунту составляла всего 30 м3/час. В 1893 г. на Волге появился первый землесос с механическим рыхлителем. Он был построен в мастерских Казанского округа путей сообщения в затоне Васильево. В 1897 г. по инициативе крупнейшего российского гидротехника В.Е. Тимонова правительство России заказало в Англии мощнейший землесос. Общая установленная мощность всех паровых машин, генераторов и электродвигателейй составляла 9000 л.с. Проект разработал Линдон В. Бетс. Снаряд состоял из двух секций, которые предполагалосьпровести через шлюзы Мариининской системы и затем соединить вместе. Однако это не было выполнено, и обе половинки проработали как самостоятельные снаряды более 40 лет. Толчком к развитию отечественного землесосного строения послужили крупные работы в 1909 г. вблизи Баку. Выполнение этих работ объемом в 15 млн. м3 грунта приняло на себя Общество сормовских заводов, построившее для этого четыре землесосных снаряда с плавучими пульпопроводами диаметром 650 мм. К 1917 г. в составе дноуглубительного флота России числилось около 20 землесосных снарядов и 100 многочерпаковых. Первый электрический землесос для строительных и горных работ был построен в СССР в 1937-38 гг. под руководством Б.М.Шкундина. Землесос был оборудован грунтовым насосом ЗГМ-1 и имел производительность 100 м3/час. Затем на Дмитровском ремонтно-механическом заводе было построено 9 таких землесосов. Они успешно работали на строительстве Южной гавани в Москве и на других объектах. Первые два снаряда производительностью по 300 м3/час были опробованы в 1940 г. Землесосные снаряды этого типа известны под маркой 300-40 и эксплуатировались до 80-х-90-х годов. В те же 40-е годы были созданы землесосные снаряды производительностью по 500 м3/час и использованы при строительстве Цимлянского гидроузла и Волголонского канала им. Ленина. В связи с началом строительства крупнейших гидроузлов на Волге (у Куйбышева и Волгограда) возникла необходимость создания еще более мощного оборудования. В 1950 г. на Волгоградском судостроительном заводе было построено 9 снарядов производительностью до 1000 м3/час. Конструкции этих земснарядов неоднократно модернизировались для работы в различных условиях: на тяжелых, гравелистых и глинистых грунтах. В 1969 г. успешно прошел испытания землесос для разработки грунтов на глубинах до 45 метров. Лекции по "Основам конструирования машин для подводной добычи ПИ" для ГМ (28 лекционных часов). 10 В настоящее время созданы землесосы для работы как на пресноводных водоемах, так и в морских условиях. Максимальная глубина добычи достигает 45-50 метров, производительность 1-2 тыс. м3/час. Черпаковые земснаряды. В 40-х годах 19 века на р. Гаронне во Франции эксплуатировалась первая многочерпаковая машина, по своей компоновке достаточно близкая к современным. Деревянная наклонная черпаковая рама помещалась в прорези, сделанной вдоль одного из бортов. Паровая машина снаряда имела мощность 18 л. с. Производительность землечерпалки составляла около 10 м3/ч. В России также предпринимались попытки создать подобное судно. В 1813—1815 гг. Ижорский завод выступил инициатором создания отечественной паровой дноуглубительной техники. В середине 19 века паровая землечерпалка была построена Сормовским заводом для Астраханского порта. Производительность многочерпаковых машин росла довольно быстро и достигла 150 – 170 мз/ч. Однако все снаряды имели один общий конструктивный недостаток: нижний барабан черпаковой цепи располагался под корпусом. Такие снаряды могли разрабатывать только подводные мели. Землечерпалки современной компоновки, у которых нижний барабан черпаковой цепи вынесен перед корпусом, появились в 50-х годах 19 века. В 1900 г. Сормовский завод построил первую речную землечерпательницу "Волжскую-9" последнего типа и с тех пор аналогичные суда начали строить другие русские заводы (Балтийский, Коломенский, Путиловский). Тем не менее, до 1917 г. русский речной дноуглубительный флот состоял в основном из судов иностранной постройки, весьма разнообразных в конструктивном отношении, но малоэкономичных и недостаточно производительных. После Октябрьской революции заводом "Красное Сормово" были созданы мощные морские многочерпаковые снаряды типа "Родина", не уступающие по своим эксплуатационно-экономическим показателям лучшим снарядам аналогичного типа голландской постройки. В настоящее время многочерпаковые снаряды строят многие страны Европы, а также Япония. Что интересно: в США последняя землечерпалка была построена в 1911 г. для Панамского канала. Американцы считают более выгодным разрабатывать тяжелые грунты землесосами с механическими разрыхлителями. Драги. Особым видом многочерпаковых снарядов являются драги – снаряды, на которых смонтировано обогатительное оборудование. Специализированные драги используются при разработке гравийно-валунных и россыпных месторождений. Драги появились в прошлом столетии. В России впервые драги были применены в Сибири в 1893 г. на р. Кудече и в 1898 г. на р. Уруша. На Урале первые драги появились в 1901 г. на р. Ис. Все драги работали на добыче Лекции по "Основам конструирования машин для подводной добычи ПИ" для ГМ (28 лекционных часов). 11 золота. Драги строились на Невьянском и затем на Путиловском заводах. В усовершенствовании конструкции и освоении первых отечественных драг большое участие принимал известный русский профессор Е. Н. Барбот де Марни. После 1917 г. дражное дело начало быстро развиваться. Начиная с 1929 г. Иркутский завод тяжелого машиностроения (ИЗТМ) имени В. В. Куйбышева приступил к постройке драг с черпаками в 150 л. После Великой Отечественной войны на этом заводе изготавливались драги к черпакам 210 л, затем 250 и 300 л. В 70-х годах на этом заводе была изготовлена уникальная драга с черпаками 600 л и глубиной черпания 60 м. В настоящее время этот завод является ведущим в отечественной области драгостроения. Размыватели дна. В некоторых случаях процесс дноуглубления может осуществляться путем размыва дна струями воды или иными средствами с расчетом на то, что с места производства работ размытый грунт будет удаляться течением. Идея постройки размывателей возникла в конце 19 века в результате наблюдений за работой искусственного водохранилища, созданного у гавани Булонь (Франция). Вход в гавань загораживал песчаный бар. Во время прилива водохранилище заполнялось морской водой, после чего ворота, сообщающиеся с гаванью, закрывались. Через некоторое время после начала отлива ворота открывались, и вода из Рис. Схема гидромонитора водохранилища мощным потоком устремлялась в море, размывая на своем пути песчаную отмель. Таким образом периодически происходило дноуглубление на подходах к порту Булонь. В 1897 г. инженер Кретц создал плавучий размыватель дна, получивший впоследствии название гидромонитора, который является весьма простым дноуглубительным средством. На рис. схематично показана Рис. Схема размывания грунта винтами. рабочая часть этого судна. Размыватель Кретца проходил длительные испытания на Рейне, в результате которых было установлено, что в известных условиях подобные типы судов могут успешно эксплуатироваться. Лекции по "Основам конструирования машин для подводной добычи ПИ" для ГМ (28 лекционных часов). 12 Гидромониторы строились и в ряде других стран. В Советском Союзе первый опытный гидромонитор был построен в 1938 г. и испытан на р. Суре. Известна оригинальная разновидность размывателей дна - двухвинтовой размыватель, построенный в 1956 г. фирмой Кестер в Хейде. Земснаряды-эрлифты. Принцип действия эрлифта основан на использовании энергии сжатого воздуха, который подается в нижнюю часть всасывающей трубы. Воздух благодаря Архимедовой силе устремляется по трубе вверх и всасывает при этом пульпу, поступающую через грунтоприемник. Подъему пульпы способствует образующаяся разность между давлением воды, окружающей погруженную трубу, и давлением водовоздушной смеси внутри трубы. Первый эрлифт был построен во Франции де Жанденом еще в конце 19 века, но этот тип снаряда не получил применения, так как уступал по своим эксплуатационноэкономическим показателям другим дноуглубительным средствам. Интерес к созданию и использованию эрлифтов возник Рис. Землесос-эрлифт фирмы Бор унд Бау. сравнительно недавно в связи с развитием добычи полезных ископаемых из подводных карьеров при большой глубине всасывания. Примером широкого использования эрлифтов может служить их применение для добычи алтмазоносного гравия в Южной Африке Важным преимуществом эрлифтов по сравнению с другими типами земснарядов является отсутствие быстроизнашивающихся частей, что особенно существенно при добыче гравия. В Советском Союзе с 1959 г. проводились испытания эрлифтных снарядов различных типов. Однако они не получили широкого распространения. Современное состояние техники для производства подводных гидротехнических и горных работ К современным механизмам для производства подводных горных работ следует относятся землесосные снаряды, эрлифтные и эжекторные снаряды, многочерпаковые снаряды и драги, грейферные снаряды, штанговые снаряды, экскаваторы-драглайны, скреперные драги, скреперные канатные установки, самоходные и прицепные скреперы и комбинации перечисленных механизмов. При использовании этой техники в открытом море широко распространены килевые плавсредства, на которых монтируется оборудование. На реках и озерах, а также в защищенных от волнения участках моря применяют плавсредства понтонного типа. Лекции по "Основам конструирования машин для подводной добычи ПИ" для ГМ (28 лекционных часов). 13 Среди всех перечисленных видов снарядов наибольшее распространение получили: - гидравлические (землесосные) снаряды (плавающие землеройные машины, извлекающие грунт из-под воды в виде водогрунтовой смеси-пульпы и транспортирующие эту смесь на то или иное расстояние), которые по типу гидротранспортной системы для перемещения добытого материала с глубины, разделяют на гидравлические, эжекторные и эрлифтные; - штанговые одночерпаковые земснаряды; - многочерпаковые земснаряды и драги; - грейферные земснаряды. Наибольшее распространение получили снаряды общего назначения, к которым относят рассчитанные на работу в песчаных и супесчаных грунтах, с глубиной разработки от 3 до 15 м. Номинальная производительность земснарядов общего назначения ограничена 1000 м3/ч грунта. Они с успехом применяются для выполнения различных земляных работ главным образом при гидротехническом строительстве и горных работах при разработке песчаногравийных месторождений. На территории России и Украины известны следующие производители земснарядов: ОАО НПО «Судоремонт» (г. Нижний Новгород), Миасский ремонтно-механический завод, Шлиссельбургский опытный завод «Нордстрой», Завод гидромеханизации в г. Рыбинске, Механический завод гидрооборудования г. Москва, Сумской ремонтно механический завод (Украина), Коммунальное предприятие «Коммунэкоресурсы» г. Донецк (Украина). В настоящее время этими производителями изготавливаются земснаряды с глубиной разработки грунтов от 3 до 50 м, производительностью по грунту от 1,5 до 900 м3/час. Основные сведения о разрабатываемых грунтах и их классификация При проектировании и эксплуатации земснарядов необходимо иметь данные о физико-механических свойствах разрабатываемых грунтов. Под физическими свойствами, характеризующими состояние грунтов, понимают: плотность залегания, пористость, пластичность, консистенцию, прилипаемость, влажность и др. К наиболее важным механическим свойствам относят: сопротивление резанию, сдвигу, сжатию, угол естественного откоса, углы внутреннего и внешнего трения, разрыхляемость. Указанные свойства грунтов имеют решающее значение в экономике и организации работ, выполняемых земснарядами. Они определяют также тип используемых средств, конструкцию и особенности их специального оборудования. При добычных работах особое и главное значение свойства грунтов при выборе или проектировании добычного оборудования земснаряда имеют с точки зрения трудности их разработки, т. е. отделения от материка. По трудности разработки грунты условно делят на две основные категории — легкие и тяжелые. К первой категории относят ил, песок, супеси, гравий и гальку. Лекции по "Основам конструирования машин для подводной добычи ПИ" для ГМ (28 лекционных часов). 14 Эти грунты поддаются эффективному размыву и легко всасываются через грунтоприемник в смеси с водой. Вторую категорию составляют суглинки, глина, известняк, каменистые и скальные грунты. Для отделения от материка они требуют предварительного разрыхления или дробления. Грунты различают также по гранулометрическому составу — по крупности частиц и их количественному соотношению. При существующей классификации их разделяют на 7 классов: I — булыжник, галька и щебень (если фракции неокатанные), II — гравий, III — песок, IV — супесь, V — суглинок, VI — глина, VII — скальный грунт. По физическим свойствам извлекаемые грунты подразделяют на связные, малосвязные и несвязные. Связными называют грунты с пластичной связью между частицами. Под пластичностью связного грунта понимают его способность под влиянием внешнего воздействия изменять свою форму без разрыва. Малосвязными называют грунты со слабой связью между частицами. К ним относят супеси и илы, имеющие слабые структурные связи. Гранулометрический состав малосвязных грунтов характеризуется небольшим (3—10%) содержанием глинистых частиц и преобладанием пылевато-илистых или мелкопесчаных фракций. В зависимости от этого физическое состояние малосвязных грунтов может характеризоваться показателями либо консистенции, либо плотности. Несвязными грунтами называют такие, у которых связи между частицами отсутствуют или очень слабы. К ним относят все разновидности песка, гравия и гальки. Несвязные грунты в зависимости от крупности частиц подразделяются на крупнообломочные и песчаные. Крупнообломочными называются несцементированные грунты, содержащие обломки кристаллических или осадочных пород. Песчаные грунты — это сыпучие (в сухом состоянии) грунты, не обладающие свойством пластичности. Основные типы земснарядов Земснаряды по своей конструкции весьма разнообразны, что обусловлено различием свойств добываемых грунтов, условиями их складирования и т.п. По принципу действия добычные земснаряды разделяются на: - землесосные, - черпаковые. Землесосные снаряды, в частности, включают в себя землесосы, землесосы-эжекторы, землесосы-эрлифты и самоотвозные. Черпаковые снаряды могут быть многочерпаковыми, одночерпаковыми штанговыми и одночерпаковыми грейферными. По способности к транспортированию к месту добычи земснаряды разделяются на самоходные и несамоходные снаряды. Согласно Правилам постройки судов внутреннего плавания дноуглубительным снарядам и обслуживающим их вспомогательным судам Лекции по "Основам конструирования машин для подводной добычи ПИ" для ГМ (28 лекционных часов). 15 присваивается класс Речного Регистра. Основным символом в формуле класса является буквенное обозначение: «М», «О», «Р» или «Л», определяющее конструкцию корпуса и разряд водного бассейна, в котором допускается эксплуатация судна. Дополнительно к основному символу в формулу класса вносят знаки, обозначающие классификационную организацию, под техническим наблюдением которой построено судно, имеет ли оно специальное подкрепление для плавания во льду и другие данные. На суда, работающие в морских бассейнах, распространяются Правила Морского Регистра СССР. По способу транспортирования добытого грунта на место переработки или складирования добычные снаряды классифицируются на самоотвозные и несамоотвозные. Добычные снаряды классифицируются также по средствам и способам рабочих перемещений, а также по типу энергетической установки. Землесосы и черпаковые снаряды являются наиболее распространенными. Каждый дноуглубительный снаряд включает в себя: рабочие устройства — грунтозаборное, разрыхлительное, грунтоотводное; устройства для рабочих перемещений; общесудовые системы и энергетическую установку.