CC BY
24
© Ю.А. Попов, В.С. Лаптев, Е.В. Лизунов, В.А. Седов, 2009
УДК 622
Ю.А. Попов, В.С. Лаптев, Е.В. Лизунов, В.А. Седов
СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К ОБОСНОВАНИЮ ПРОЕКТНОЙ ГРУНТОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ЗЕМСНАРЯДОВ ПРИ ГИДРОМЕХАНИЗИРОВАННОМ СПОСОБЕ ПРОИЗВОДСТВА ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ
Описан нетрадиционный подход к решению актуальных научно-техни-ческих задач проблемы научного обоснования технологии гидромеханизации земляных работ на примере возведения Северного обхода г. Новосибирска Федеральной автомобильной дорогой Омск-Новосибирск. Результаты решения практически реализованы на указанном строительном объекте.
Ключевые слова: гидромеханизация земляных работ, нормативная и проектная грунто-производительность земснарядов, штатные и нештатные ситуации в режимах работы грунтонасосов, реализация кавитационного запаса в штатных ситуациях, вывод грунтонасосов из нештатных ситуаций (кавитация, дефицит напора, работа гидравлической системы на левой рабочей точке, разорванные рабочие характеристики).
Семинар № 21
J.A. Popov, V.S. Laptev,
E. V. Lizunov, V.A Sedov SYSTEMS APPROACH TO A SUBSTANTIATION PROJECT OF A GROUND-PRODUCTIVITY OF DREDGERS AT THE HYDROMECHANICAL METHOD OF PRODUCTION OF EARTH- WORKS
In paper the non-traditional approach to a solution of actual technological tasks of a problem of a scientific justification of technology of a hydro-mechanization of earth-works on an instance of raising of Northern bypass road of Novosibirsk by the Federal highway Omsk-Novosibirsk is featured. Problems are not simply successfully decided by authors of paper, results of a solution are efficiently practically realized on the pointed construction object.
Key words: hydro-mechanization of earthworks, normative and project ground-productivity of a dredgers, Nominal and unnominal situations in the modes of works of the ground-pumps, realization of a positive suction head in nominal situations, deduce ground-pumps from unnominal situations (cavitation, deficit of a pressure, activity of a hydraulic system on the left-hand operating point, the chipped operating characteristics).
Гидромеханизированный способ
производства массовых земляных
работ находит широкое применение в промышленном, транспортном, гидротехническом и мелиоративном строительстве, а также при разработке природных месторождений нерудных строительных материалов (НСМ). Это обусловлено общепризнанными преимуществами гидромеханизации, основными из которых являются: неразрывность технологических процессов от подводной разработки грунта до его укладки в сооружение; высокая степень механизации и автоматизации всех процессов; постоянное и равномерное потребление мощности; малочисленный обслуживающий персонал; экологичность, особенно в крупных городах или вблизи них (при замыве городских оврагов, добыче и переработке НСМ и др.); относительно низкие энерго- и трудозатраты и др.
Однако одно из указанных выше преимуществ гидромеханизации (неразрывность технологических процессов)
создаёт весьма серьёзные трудности при разработке ППР в части аргументированного обоснования проектной грунто-производительности земснарядов.
В [1-3] авторами обоснован и в [4] практически реализован системный подход к аргументированному определению проектной грунтопроизводитель-ности земснарядов в последовательности: расчет нормативной грунтопроиз-
ГлН ..
водительности земснарядов угр с учётом нормативной группы карьерного грунта по трудности его разработки земснарядами ^ при наличии вариантов штатной ситуации: а) при отсутствии кавитационного запаса проектная грун-топроизводительность земснаряда Qfp принимается равной нормативной (Qnp = QНp); б) при наличии кавитационного запаса по результатам экспертной оценки выбирют способ его реализации: при реализации кавитационного запаса за счёт увеличения грунтопроиз-
водительности земснаряда сверх проектную грунтопровзводительность Qгp принимают такой, при которой величина кавитационного запаса становится близкой к нулю; при реализации кавитационного запаса увеличением глубины подводной разработки грунта сохраняется равенство Qгp = QНР ^ при наличии одной из нештатных ситуаций (рис. 1) при нормативной плотности гидросмеси рн («Кавитация ГН», «Дефицит напора ГН», «Работа системы на левой рабочей точке» или «Разорванные рабочие характеристики») выбор способа вывода ГН из нештатной ситуации на основании экспертной оценки и нахождение величины проектной грунтопроизводительности
земснаряда после вывода ГН из нештатной ситуации.
Понятие нормативной грунтопроизводительности земснарядов с использованием нормативной классификации грунтов по трудности их разработки земснарядами впервые введено Ю.А. Поповым в 1976 г. [1]. В 1988 г. В.И. Глевицким [5] это понятие (через нормативную объемную консистенцию Sя и нормативную плотность гидросмеси рн ) было включено в справочное пособие для проектировщиков и производственников. Вполне очевидно, что нормативная грунтопроизводительность земснарядов ^гр - их грунтопроизводительность при нормативной плотности гидросмеси, равной
Рн = Ро + Sн (рт — Ро ), где р0 и рТВ - плотность соответственно воды и грунта в абсолютно плотном сложении (рТВ = 2,6 ^ 2,7т / м3); Sн -нормативная объемная консистенция гидросмеси, равная ^ = (і - п)/(д +1 - п) , (2)
где п - пористость карьерного грунта в долях единицы; д - нормативный удельный расход воды на разработку, гидравлический транспорт и укладку 1м3 грунта.
Рассмотрим кратко схемы практической реализации штатных и нештатных ситуаций, приведенных на рис. 1, с помощью программного продукта «ЗЕМСНАРЯД» [4], основными и вспомогательными блоками которого являются:
1. Нормативная база данных распределения грунтов по трудности их разработки земснарядами.
Рис. 1. Штатные (А, Б) и нештатные (В, Г, Д и Е) ситуации в режимах работы ГН: 1 и 2 -
соответственно напорная характеристика ГН и гидравлическая характеристика гидротранспортной системы земснаряда на нормативной плотности гидросмеси; 3 и 4 - соответственно вакуумметри-ческая и кавитационная характеристики на нормативной плотности гидросмеси; 5 и 6 - соответственно напорная характеристика ГН и гидравлическая характеристика гидротранспортной системы
земснаряда на воде; !^кют - кавитационный запас на нормативной плотности гидросмеси; Z -статический напор в гидротранспортной системе земснаряда
2. База данных коэффициентов (А, В и С (т = 0)) уравнения напорной характеристики ГН на воде для серийно выпускаемых грунтонасосов при всех штатных диаметрах рабочего колеса. Ю.А. Поповым доказано [1, 2], что напорная харктеристика всех центробежных нагнетателей аппроксимируется уравнением вида
^^ГН = А ■ Q2 + В ■ Q + С ’ (3)
где запись С (т = 0)) для грунтонасосов подразумевает новое или реставрированное рабочее колесо, т.е. в начальный период его эксплуатации. Также доказано, что по мере износа рабочего колеса (т > 0) напорная характеристика ГН меняет свое положение, опускаясь вниз конгруэнтно своему первоначальному очертанию.
3. Блок реализации кавитационного запаса в штатной ситуации (рис. 1, А), который предусматривает:
1) на основании экспертной оценки принятие решения о способе реализации кавитационного запаса (увеличением глубины подводной разработки грунта или увеличением грунтопроиз-водительности земснаряда);
2) по команде оператора отсылка в один из двух вспомогательных блоков реализации кавитационного запаса в соответствии с п. 1;
3) после реализации кавитационного запаса автоматическая отсылка в блок «Штатная ситуация при отсутствии кавитационного запаса».
4. Блок «Штатная ситуация при отсутствии кавитационного запаса». Проектная грунтопроизводительность земснаряда принимается равной нрма-тивной (QГР = QНР), если данная ситуация установлена при нормативной плотности гидросмеси или если в штатной ситуации при наличии кавитационного
запаса последний реализован увеличением глубины подводной рабзработки грунта. Если же кавитационный запас в такой ситуации реализован увеличением грунтопроизводительности земснарядов,
то (Орр = Огр ), где О% - фактическая грунтопроизводительность земснарядов после реализации кавитационного запаса таким способом. После всех указанных действий с учетом величины коэффициента потерь грунта при его гидротранспорте и укладке в сооружение КП (в соответствии с [5] Кп = 1,05 ^ 1,33) определение проектной месячной и сезонной грунтопроизводительности земснарядов.
5. Блок «Нештатная ситуация кавитация ГН». Рассмотрение по команде оператора нужного способа вывода ГН из нештатной ситуации или вариантное рассмотрение способов вывода ГН из нештатной ситуации в последовательности (рис. 2): замена штатного рабочего колеса ГН на рабочее колесо меньшего диаметра (рис. 2,5) ^ уменьшение диаметра штатного рабочего колеса наименьшего диаметра на 12% (ГрУ) или на 15% (Гр) путем обрезания лопаток (рис. 2,6) ^ дросселирование напорного трубопровода (рис. 2,7) ^ уменьшение частоты вращения рабочего колеса путем замены привода ГН при длительной (сезон и более) работе ГН в режиме кавитации, например при строительстве каналов (рис. 2,8) ^ эжектирование всасывающего трубопровода ГН (рис. 2,9) ^ погружение ГН под уровень воды в забое земснаряда (рис. 2,10).
Следует отметить две важные особенности решения задач эжектирования всасывающего трубопровода ГН и погружения ГН под уровень воды в забое:
Нгн А
Нвдк.у
НкАВ
1) Ю.А. Поповым и В.С. Лаптевым [8] дан наиболее строгий вывод уравнения напора эжектора и затем В.С. Лаптевым на основе метода имитационного моделирования процесса самонастройки сложной гидравлической системы ГН с эжектром в его всасывающем трубопроводе впервые в инженерной практике разработан метод теоретического (а не полуэмирическо-го!) решения этого уравнения;
2) методом синтезирования двух ранее считавшихся альтернативными технических решений (эжектирование всасывающего трубопровода ГН и погружение ГН под уровень воды в забое земснарядов) найдено новое эффективное техническое решение задач увеличения глубины бескавитационной подводной разработки грунта земснарядами традиционной постройки, признанное изобретением [10]; решение этой задачи выполнено
Рис. 2. Рабочие характеристики гидравлической системы при выводе грунтонасоса из нештатной ситуации «Кавитация ГН»: 1, 2, 3 и 4 - расчетное положение соответственно напорной, гидравлической, вакуум-метрической и кавитационной характеристик; 5 - напорная характеристика после замены рабочего колеса ГН на рабочее колесо меньшего диаметра; 6 - напорная характеристика ГН после обрезания лопаток штатного рабочего колеса наименьшего диаметра; 7 -напорная характеристика ГН после уменьшения частоты вращения рабочего колеса; 8 - гидравлическая характеристика после дросселирования напорного трубопровода; 9 - вакуумметрическая характеристика после эжектиро-вания всасывающего трубопровода ГН или после погружения ГН под уровень воды в забое
по поручению областной администрации Новосибирской области с целью разработки технического средства для углубления водохранилища Новосибирской ГЭС. С помощью вспомогательного блока «Эжектор» при заданной величине подпора эжектора ДНЭ можно оперативно подобрать требуемый водяной насос вспомогательной гидравлической подсистемы эжектора и произвести необходимые гидравлические расчёты.
6. Блок «Нештатная ситуация дефицит напора ГН». Рассмотрение по команде оператора нужного способа вывода ГН из нештатной ситуации или вариантное рассмотрение способов вывода ГН из нештатной ситуации в последовательности (рис. 3):
замена штатного рабочего колеса ГН на рабочее колесо большего диаметра или увеличение диаметра штатного рабочего колеса с максимальным диаметром на
Рис. 3. Рабочие характеристики гидравлической системы при выводе грунтюнасоса из нештатной ситуации «Дефицит напора
ГН»: 1 и 2 - расчетное положение ( р = рн ) соответственно напорной и гидравлической характеристик; 3 - напорная характеристика ГН земснаряда; 4 - напорная характеристика ГН с учётом подпора эжектора во всасывающием трубопроводе или напорная характеристика ГН с учётом суммарного подпора эжектора во всасывающем и береговом трубопроводах; 5 - напорная характеристика ГН после замены рабочего колеса на рабочее колесо большего диаметра или после увеличения диаметра штатного рабочего колеса с наибольшим диаметром путём наплавки его лопаток
10% путём наплавки его лопаток (рис. 3,5) ^ эжектирование всасывающего трубопровода ГН или одновременное эжектирование всасывающего трубопровода ГН и берегового трубопровода земснаряда (рис. 3,4) ^ последовательное соединение ГН земснаряда и ГН перекачивающей станции (рис. 3,3) ^ снижение плотности гидросмеси до р < рн .
При возведении Северного обхода г. Новосибирска Федеральной автомобильной дорогой Омск-Новоси-бирск одним из авторов (В.А. Седовым) научно обоснован и признан изобретением [11] способ увеличения приведённой дальности гидротранспортирования грунта, основанный на одновременном эжектировании всасывающего трубопровода ГН и берегового трубопровода
Нгн А
Нтр
Рис. 4. Схема вывода ГН из нештатной ситуации «Работа системы на левой рабочей точке»: 1 и 2 - расчетное положение
( р = рн ) соответственно напорной и гидравлической характеристик; 3 - гидравлическая характеристика после уменьшения диаметра
берегового трубопровода; примечания: Qшlx -максимальный расход на паспортной запорной характеристике ГН; QЛy - критический расход гидросмеси, соответствующий первой критической скорости
земснаряда. С помощью вспомогательного блока «Эжектор» можно оперативно подобрать водяные насосы эжекторов и произвести необходимые гидравлические расчёты.
7. Блок «Нештатная ситуация «Работа системы на левой рабочей точке». Ситуация, показанная на рис. 1,Д, может иметь место при стечении двух обстоятельств: 1) диаметр берегового трубопровода существенно превышает диаметр напорного патрубка ГН; 2) приведённая дальность гидротранспортирования грунта имеет относительно небольшое значение. Важно, что в этой ситуации грунтопроизводи-тельность земснаряда может снизиться (по сравнению с работой гидравлической системы на правой рабочей точке) в 2^2,5 раза. Визуально ситуация
может быть зафиксирована резким уменьшением нагрузки (силы тока) в электросети главного электропривода. Попытка дросселировать напорный трубопровод приводит, как правило, к тому, что 30-50% потребляемой электроприводом мощности будет расходоваться на преодоление местного гидравлического сопротивления в установленной (на выходе из земснаряда) диафрагме, что экономически нецелесообразно. Вывод гидравлической системы ГН из нештатной ситуации безальтернативно возможен только одним способом - заменой берегового трубопровода на трубопровод меньшего диаметра (рис. 4).
8. Блок «Нештатная ситуация «Разорванные рабочие характеристики». Впервые на возможность возникновения такой ситуации и связанные с ней неблагоприятные последствия (перегрузка и как следствие перегрев и выход из строя главного электропривода) обратил внимание Б.М. Шкундин [12]. Основные особенности проявления нештатной ситуации:
1) наличие нештатной ситуации может быть установлено на стадии проектирования расчетами на воде; основным признаком ее наличия является Н гН > НТР на правой границе паспортной напорной характеристики;
2) основной причиной возникновения нештатной ситуации является завышение диаметра напорного патрубка грунтонасосов, что, например, характерно для грунтонасосов типа
ГрУТ 2000/63; так как в этом случае на правой границе паспортной напорной характеристики Нгя > Нтр, а гидравлическая система ГН при Нгя > Нтр существовать не может, то происходит разгон жидкости до установления равновесия Нгя = Нтр в рабочей точке А; при этом , что может привес-
ти к превышению паспортной номинальной мощности и к перегреву привода (не приводит к таким последствиям только достаточно большой запас мощности привода, например при отсутствии штатных электродвигателей при заводской комплектации грунтонасосов).
Последовательность действий в случае установления нештатной ситуации «Разорванные рабочие характеристики»:
1) проверка наличия запаса мощности привода при р = р0 ; при потребляемой мощности привода №ПОГР меньше номинальной по паспорту N ном проверка запаса мощности привода при р = рН;
2) в последней ситуации (р = рн)
если №потр > , то расчётами
(Блок 8) установление возможности снижения напорной характеристики (см. Блок 5) или повышения гидравлической характеристики путём замены берегового трубопровода на трубопровод меньшего диаметра.
--------------------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Попов Ю.А. Инженерные основы регу- Д.В. Рощупкин, Т.И. Пеняскин. - Новоси-
лирования и оптимизации режимов работы бирск: Изд-во НИСИ, 1976. - 67 с.
земснарядов: учебное пособие / Ю.А. Попов,
2. Попов Ю.А. Гидромеханизация земляных работ. Часть 1. Теория процессов гидромеханизации: учебное пособие / Ю.А. Попов [и др.]. -Новосибирск: Изд-во НГАСУ, 2000. - 84 с.
3. Лизунов Е.В. Гидромеханизация земляных работ в транспортном строительстве: монография / Е.В. Лизунов, В.А. Седов, В.С. Лаптев. - Новосибирск: СО Изд-ва «Наука», 2002. - 127 с.
4. Свидетельство №2005610545 об официальной регистрации программы для ЭВМ «Земснаряд» (Расчёт проектной грунтопроиз-водительности земснарядов с обоснованием способов и параметров вывода грунтонасосов из нештатных ситуаций). Авторы: Попов Ю.А. и Лаптев В.С. Зарегестрировано в Реестре программ для ЭВМ 28.02.2005 г.
5. Глевицкий В.И. Гидромеханизация в транспортном строительстве: справочное пособие / В.И. Глевицкий - М: Транспорт, 1988. -271 с.
6. Попов Ю.А. Оптимизация процессов гидромеханизации земляных работ в современных условиях / Ю.А. Попов, Е.В. Лизунов [и др.] // Известия вузов. Строительство. -2001. - №9 - 10. - С. 77 - 84.
7. Лизунов Е.В. Актуальные задачи оптимизации технологических процессов
гидромеханизации при возведении узкопрофильных земляных сооружений / Е.В. Лизунов, В.А. Седов. - 2002. - №3. - С. 52 - 58.
8. Попов Ю.А. Математическое моделирование гидравлической системы грунтона-соса с эжекторным грунтозабором / Ю.А. Попов, В.С. Лаптев // Известия вузов. Строительство. - 2003. - №12 - С. 41 - 48.
9. Лизунов Е.В. Новый подход к концепции вывода грунтонасосов земснарядов из нештатных ситуаций при разработке грунтов способом гидромеханизации / Е.В. Лизунов, В.А. Седов, В.С. Лаптев // Известия вузов. Строительство. - 2004. - №6 - С. 52 - 57.
10. Патент на изобретение №2265699 «Грунтозаборное устройство» по заявке №2004108670 от 23.03.2004 г. Патентообладатели: ЗАО «Сибгидромехстрой», НГАСУ (Сиб-стрин), Лизунов Е.В., Седов В.А., Попов Ю.А., Лаптев В.С.
11. Патент на изобретение №2269627 «Способ увеличения приведенной дальности гидротранспортирования грунта от земснаряда» по заявке №200410868 от 23.03.2004 г. Патентообладатели: ЗАО «Сибгидромехстрой», НГАСУ (Сибстрин), Лизунов Е.В., Седов В.А., Попов Ю.А., Лаптев В.С.
12. Шкундин Б.М. Гидромеханизация в энергетическом строительстве / Б.М. Шкундин. -М.: Энергоатомиздат, 1986. -224 с.ЕШ
— Коротко об авторах
Попов Юрий Андреевич - доктор технических наук, профессор, руководитель научной школы кафедры «Технология строительного производства»
Лаптев Вячеслав Сергеевич - кандидат технических наук, доцент,
Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин), rector@sibstrin.ru
Лизунов Евгений Владимирович - генеральный директор «Сибгидромехстрой», кандидат технических наук, Заслуженный строитель РФ,
Седов Владимир Александрович - кандидат технических наук, главный инженер «Сибгидромехстрой». sibgms@ngs.ru
