Методика и результаты расчёта усилий в связях и параметров двухопорного грунтопровода для землесоса пр. 1-517-03 Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

TOPICAL PROBLEMS OF SHIPS OILY WASTE WATER TREATMENT

A. 0. Pisarev, A. S. Kurnikov

This report concerns to a problem of ships waste water treatment. The analysis of efficiency of the systems, which have already existed was made. The conclusions about advantages different kind of methods were made. The new principal scheme of system was constricted by authors which based on the analysis.

УДК 627.746

Н. Ф. Попов, д. т. и., профессор. Н. Н. Арефьев, к. т. н., доцент. А. Е. Групдуль, аспирант, ВГАВТ. 603950, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5.

МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЁТА УСИЛИЙ В СВЯЗЯХ И ПАРАМЕТРОВ ДВУХОПОРНОГО ГРУНТОПРОВОДА ДЛЯ ЗЕМЛЕСОСА ПР. 1-517-03

Приведена методика и результаты расчёта усилий в связях и параметров двухопор-ного грунтопровода для землесоса пр. 1-517-03. Предложен вариант двухопорного грунтопровода для дальнейших расчётов.

В настоящее время основу дноуглубительного флота Волжского ГБУ ВП и С составляют высокопроизводительные землесосные снаряды проекта 1-517-03. Благодаря высокой производительности они обеспечивают сравнительно низкую себестоимость извлечения и транспортирования грунта кубометра грунта. Традиционно они используются с гибким плавучим грунтопроводом длиной 500-600 м.

Однако при углублении Волго-Каспийского канала, ширина которого составляет в настоящее время 100 м и требуется укладка фунта на мелководье длина грунтопровода может быть уменьшена в 5-6 раз, что позволит существенно снизить расход топлива и смазочных материалов на кубометр извлекаемого и транспортируемого фунта.

Весьма серьёзным препятствием для работы землесоса пр. 1-517-03 с традиционным гибким плавучим фунтопроводом в этих условиях является ветро-волновой режим. Многолетняя практика показывает, что при высоте волны 0,5 м и выше разрываются шаровые соединения и связи между понтонами.

Отечественный и зарубежный опыт показывает, что в этих условиях могут использоваться самоотвозящие земснаряды или землесосы с подвесными фунтопрово-дами. Однако первые имеют низкие технико-экономические показатели процесса дноуглубления, а вторые - офаниченную дальность отвода фунта.

Поэтому специалистами Волгофадского РВП и Волжского ГБУ ВП и С была поставлена ВГАВТ задача разработать новые средства отвода фунта для указанных выше условий, способные не только функционировать в условиях ветрового волнения, но и обеспечивать работу землесоса с более высокой производительностью по фунту и повышенным коэффициентом использования рабочего времени. При этом дальность отвода фунта должна быть не менее 100м, а осадка нового фунтопровода не более осадки гибкого существующего. По сравнению с гибкими плавучими фун-

Е WATER

Iafysis of efficiency out advantages dif was constricted by

С ИЛИИ A

uempoe deyxonop-mm двухопорного

>го ГБУ ВП и С со-¡-517-03. Благодаря нсую себестоимость инонно ОНИ ИСПОЛЬ-

юторого составляет >е длина грунтопро-снизить расход топ-|рт!фуемого грунта. >17-03 с традицион-ветро-волновой ре->,5 м и выше разры-

условиях могут ис-:ными грунтопрово-оказатели процесса

ГУ ВП и С была по-ша для указанных кх ветрового волне-шоднтельностью по времени. При этом во го грунтопровода ни плавучими грун-

топроводами подвесные имеют в 2-3 раза меньшее гидравлическое сопротивление при отводе смеси на одинаковое расстояние от ДП судна. Это позволяет повысить производительность землесоса по фунту, снизить потери времени на пропуск проходящих мимо судов, исключить операции по перекладке якорей концевого понтона, транспортировать грунт на сушу без установки берегового грунтопровода, вести дноуглубление в условиях ветра и волнения.

К недостаткам подвесных грунтопроводов следует отнести возвращение 15-20 % объёма извлечённого грунта обратно на разрабатываемую прорезь.

Подвесные грунтопроводы расположенные непосредственно на корпусе землесоса и на отдельном понтоне имеют существенный недостаток: с увеличением их длины возрастают габариты и ухудшается остойчивость землесоса и понтона. Поэтому с целью увеличения ширины углубляемой землесосом прорези ВГАВТ в 1999 г. была обоснована [5] конструкция так называемого двухопорного грунтопровода.

В указанной конструкции подвесной грунтопровод располагается внутри фермы, которая одним концом через шарнир подвешивается на корпус землесоса. Вторая шарнирная опора, находящаяся на расстоянии примерно 2/3 длины трубы, располагается на понтоне. Для того, чтобы волны любого направления оказывали на понтон одинаковые воздействия, и с целью уменьшения сопротивления движению землесоса при буксировке, понтон целесообразно выполнять в виде вертикального кругового.

Осадка понтона принимается равной -осадке гибкого плавучего грунтопровода, что позволяет использовать грунтопровод на мелководных участках. На конце грунтопровода может быть установлен конический насадок, увеличивающий дальность выброса пульпы на 20-25 метров либо установка для сгущения гидросмеси. При этом появляется возможность выбрасывать грунт на сухие свалки, через отмели и т. д.

На понтоне устанавливается 2-х барабанная лебёдка, управляемая дистанционно из рубки землесоса. Два каната с лебёдки крепятся на снаряде и позволяют удерживать подвесной грунтопровод под любым углом к ДП землесоса.

Конический насадок выполнен поворотным и предназначен не только для увеличения дальности выброса смеси, но и для быстрого перевода подвесного грунтопровода с одного борта на другой и в положение по-походному. Перевод осуществляется за счёт реакции вытекающей струи воды, для чего конический насадок имеет возможность поворачиваться из основного вертикального положения на угол ± 90°.

По такой схеме ВГАВТ в 1999 г. выполнены эскизные проекты двухопорных грунтопроводов с длиной трубы 100 м для землесоса проекта 23-110 и 85 м для землесоса проекта 23-112.

Землесосы с подвесными грунтопроводами на двух опорах могут успешно работать на каналах в условиях волнения и ветра как траншейным, так и папильонажным (якорный папильонаж) способами. При этом могут быть повышены производительность землесосов по грунту и коэффициент их использования по времени.

Схема двухопорного грунтопровода приведена на рис. 1. Точка А - точка подвески фунтопровода к корпусу земснаряда. Точка Б - точка подвески фунтопровода к понтону. Точка С - выкидной пафубок фунтопровода.

При расчёте прочности фунтопровода принимались две схемы его изготовления: рис.. 2 - поперечное сечение фунтопровода включает фунтовую фубу 1 и силовую трубу 2, соединённые друг с другом в виде плоской фермы; рис. 3 - поперечное сечение фунтопровода включает фунтовую трубу 1 и две силовые трубы 2. соединённые друг с другом в виде объёмной фермы.

Эпюра изгибающих моментов (\У, следовательно, напряжений изгиба) приведены на рис. 1, где МИб - момент изгибающий в точке Б - точке подвеса к понтону; Мцмах - максимальный изгибающий момент на пролёте между точками подвески фунтопровода к корпусу земснаряда и к понтону.

При расчёте грунтопровода принимались следующие исходные данные:

Б = 0,92 м - наружный диаметр грунтовой трубы;

5 = 0,009 м - толщина стенки фунтовой трубы;

рп = 1200 кг/м3 - плотность водогрунтовой смеси;

Он = 0,72 м - диаметр конического насадка на конце грунтопровода;

а - угол установки конического насадка к оси трубы в вертикальной плоскости, *;

<2П= 16100 м3/ч - расход водогрунтовой смеси через грунтопровод;

Ь - общая длина грунтопровода, м;

1! - расстояние между точками подвеса грунтопровода, м;

01 - наружный диаметр силовой трубы, м;

8, - толщина стенки силовой трубы, м;

а - расстояние между грунтовой и силовой трубами в вертикальной плоскости , м; п - количество силовых труб в конструкции фермы двухопорного грунтопровода (рис. 2: п = 1, рис. 3: п = 2).

Расчёт выполнялся по предлагаемой в статье методике в следующей последовательности:

1. Определялась распределённая нагрузка от веса грунтовой трубы Ятр, кг/п.м:

ятр -(С-2£)2]-7854 (1)

2. Определялась распределённая нагрузка от водогрунтовой смеси (пульпы) в грунтопроводе, кг/п.м:

ЧпЩ(р-2дУРп (2)

4

3. Определялся погонный вес силовой трубы, кг/п.м:

]-7854 (3)

4. Определялся погонный вес подвесного грунтопровода в рабочем состоянии, кг/п.м:

где 1,3 - коэффициент увеличения погонного веса силовой трубы, учитывающий вес соединительных элементов её с грунтовой трубой.

5. Определялся секундный расход водогрунтовой смеси через грунтопровод, м3/с:

0 = — (5)

^ 3600

6. Определялась сила реакции струи, вытекающей из конического насадка, установленного на конце грунтопровода, кг:

402

7. Определялась составляющая реакции струи, действующая вертикально на грунтопровод, кг:

а (7)

Ri

rb i Fy.

i»;

эй плоскости,

u

|й плоскости, м; о грунтопровода

шей последова-л сьр кг/п.м:

(1)

<еси (пульпы) в (2)

(3)

отстоянии, кг/п.м:

(4)

читываюший вес гнтопровод, м3/с:

(5)

»го насадка, уста-

(6)

вертикально на

m i i i i j-L-ü-L

\

F.

Рис. 1.

ш vDi

ч _ Z i 1 z a

»4 1

И VTI

2 , 2

Рис. 2.

Рис. 3.

8. Определялась грунтопровод, кг:

составляющая реакции струи, действующая горизонтально на

(8)

Fx = F cosa у '

земснаряда, действующая в вертикальной

9. Определялась нагрузка на корпус плоскости, кг:

. Г г\

-х,

у i

1\ ;

(9)

10. Определялась нагрузка на понтон в точке подвеса грунтопровода, кг:

ЯБ = д-Ь + Ру-ЯА (10)

11. Определялся изгибающий момент, действующий в точке подвеса грунтопровода Б на понтоне, кг-м:

(11)

12. Определялось максимальное значение изгибающего момента, действующего на двухопорный грунтопровод в пролёте между точками подвеса А и Б, кг м:

1 Я

МИпак=-~ (12)

2 д

Значение МИтах определялось по следующей методике. Изгибающий момент на расстоянии X отточки подвеса А (рис.1) можно записать в виде:

МИх=КА-х-д~ (13>

Дифференцируя (13) по X и приравнивая к нулю, получим: ¿МИх п ЯА

-— = -д-х=> х = — (14)

йх д

Дифференцируя ещё раз, получим:

Г"х=-д (15)

с12М<

й:с2

Отрицательное значение второй производной в (15) свидетельствует о том, что в

Ка

точке при х = —— изгибающий момент имеет максимальное значение. Подставляя Я

Ка

X =- в выражение (13) получим значение (12).

Я

13. Определялось расстояние от точки А до точки, где изгибающий момент име-

ка

ет максимальное значение по выражению (14): х =-

Я

14. Определялось расстояние от точки А до точки, где изгибающий момент равен нулю (МИх=0) из выражения (13):

2-Я

х =---(16)

Я

15. Определялась площадь поперечного сечения силовых труб, м2:

/,=-[/>,г-(А-2.5,)2] (17)

16. Определялась площадь поперечного сечения грунтовой трубы, м2:

/ =^-[/)2-(£>-2-5)2] (18)

17. Определялось расстояние от нейтральной оси г-г (рис. 3), проходящей через центр тяжести поперечного сечения грунтопровода, до силовой трубы у, и до фунтовой трубы у, м:

/■а /. • а ■ п

= , (20) / + /.-я

18. Определялся момент инерции силовых труб относительно оси х1-х1, м4:

(21)

1 8 1

19. Определялся момент инерции грунтовой трубы относительно оси х-х, м4:

Я" "Я3

У ---5 (22)

8

20. Определялся момент инерции силовых труб относительно оси г-г, м4:

Л. = «Л +у2\ - А (23)

21. Определялся момент инерции фунтовой трубы относительно оси г-г, м4:

JZ=J +У2-/ (24)

22. Определялся суммарный момент инерции поперечного сечения фунтопро-вода относительно оси г-г, м :

У£ = + п ■ (25)

23. Определялось максимальное значение от оси г-г до самой дальней точки силовой фубы, м:

(26)

24. Определялось максимальное значение от оси г-г до самой дальней точки фунтовой трубы, м:

у' = у +— (27)

2

25. Из определённых по (26) и (27) у^ и у' принималось максимальное значение из них, м:

.Ушах = У[, если у[>у' (28)

•Ушах = У'» вСЛи У' ~ У'\ (29)

26. Принималось максимальное по абсолютной величине значение изгибающего момента, кгм:

МГ = |^*тах|> еСЛИ \М„и |>„| (30)

МТ =\МИБ\, если |МЯ£|>|МЯтах| (31)

27. Определялось максимальное напряжение изгиба, кг/см2:

д ж гпах г

_ _ И 'и шах 1п-4 -

шах"-Т--10 (32)

На основании расчётов в качестве технического предложения принят следующий вариант:

- длина грунтопровода Ь = 85 м

- расстояние между точками подвеса 1| = 60 м

- длина консольной части грунтопровода Ь-1| = 25 м

- диаметр понтона 12 м

- в качестве силового трубопровода принята схема по рис. 3 с трубой (Т)х8) = 30x8 мм

- расстояние между силовой и грунтовой трубой а = 2 м

- максимальный изгибающий момент в точке подвеса Б МИб = 532524 кг м

- максимальное напряжение изгиба стИгтх = 1364 кг/см2

Максимальное значение изгибающего момента в точке подвеса Б. При увеличении консоли грунтопровода 1^-1, значение МИБ возрастает, также возрастает значение нагрузки на понтон, что приводит к необходимости увеличения диаметра понтона для сохранения его осадки.

Интересен вариант с 1>85 м, 1] = 50 м, длина консоли (Ь-1[) = 35 м, а = 3 м по рис. 3, Бхб = 720x8 мм. В этом случае необходим диаметр понтона 14 м с осадкой 0,83 м, Оишах = 1454 кг/см2.

Для снижения нагрузок в точке подвеса Б и увеличения консольной части грунтопровода может быть рекомендована разработка схем вантовой подвески.

Массу понтона ориентировочно определяли по выражению, кг:

т. =7850-5.

V

■з, (33)

где Б,, - толщина обшивки понтона, м; Эп - диаметр понтона, м; Ь„ - высота понтона, м.

Тогда осадка понтона х определялась по выражению, м:

(тп +ДЛ-4

* = 4 " Б' (34)

п -Ьп -1000

Масса металлоконструкции грунтопровода т^ „р без учёта фунтовой трубы, которая может быть применена от плавучего фунтопровода, была определена по выражению:

™грПр

= \,3-п-дт-Ь + тп (35)

Стоимость металлоконструкции определялась по выражению, руб:

С матер. = Ц м ' т?р.пр > (36)

где Цм - цена металла, руб/кг.

Стоимость изготовления Сизг «Сматср Стоимость монтажа Смонт «Сматер

Стоимость грунтопровода ориентировочно определялась по выражению:

Сгр.пр. ~ 3 • Снатер. (37)

Рассчитали ориентировочную стоимость грунтопровода длиной L=85 м, li=60 м, длина консольной части 25 м, диаметр понтона 12 м, силовой трубопровод по схеме рис. 3 с трубой (Dxô) = 630x8 мм. Диаметр понтона 12 м. Высота борта понтона 1,25 м. Толщина обшивки понтона 3 мм. В габл. 1 определена масса понтона по выражению (33): т„= 19300 кг. Осадка понтона определена по (34): х=0,92 м. По выражению (35) определяли массу силовой металлоконструкции двухопорного грунтопровода:

Шгр.пр = 1,3-2-122,7-85 + 19300 = 46420 кг

Сматср » 25-46420 = 1,16 млн. руб.

Сгр.пр. « 1,16-3 = 3,5 млн. руб.

В качестве проверки стоимости двухопорного грунтопровода применяли ориентировочный показатель стоимости одного килограмма машиностроительной конструкции 3 доллара США за кг. Тогда Сгр'»25-46420 = 3,5 млн. руб.

Список литературы

[1] Руководство по проектированию рефулерных установок речных землесосов. - М.: ЦНИИЭЭВТ, 1965.-68 с.

[2] Попов Н.Ф. Исследование эффективности работы речных землесосов с различными средствами отвода грунта и обоснование оптимальных параметров их грунтонасосных установок. -Дисс. на соискание степени канд. техн. наук, ГИИВТ, 1977 г. - 203 с.

[3J Романюк Б. Разработка бара реки Яны // Речной транспорт. - № 8. - 1971.

[4] Зиненко А.А. Опыт разработки баровых участков рек землесосами и многочерпаковыми земснарядами Ч Производственно-технический сборник МРФ. - № 86. - 1970.

[5] Попов Н.Ф., Орлов Ю.Ф. Расчёт параметров качки и усилий в связях землесоса и двухопорного грунтопровода на регулярной волне // Труды ГИИВТа, вып. 142, ч. 1, - Г орький, 1975.

[6] Попов Н.Ф. Модельные испытания качки на волнении землесоса пр.23-112 с двухопорным грунтопроводом // Материалы XVII научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава ГИИВТа, ч. 2. - Горький, 1974.

|7] Башкиров Г.С. Задачи гидравлики мелководного штормового моря. - М.: 1971. [8] Обоснование физических параметров явлений заносимости Ждановского канала, связанных с движением глинистых грунтов и обоснование расположения отвалов фунта на Керчь - Ени-кальском морском канале. Отчёт по теме 7048, ОИИМФ, 1970.

TECHNIQUE AND RESULTS OF CALCULATION OF FORCE IN COMMUNICATIONS AND PARAMETRES OF THE DOUBLE-BEAT HYDRAULIC FILL PIPE-LINE FOR THE DREDGER PR. 1-517-03

N. F. Popov, N. N. Arejyev, A. E. Grundul

The technique and results of calculation offorce in communications and parameters ofthe double-beat hydraulic fdl pipe-line for the dredger PR. 1-517-03 is given. The version ofthe double-beat hydraulic fdl pipe-line for the further calculations is offered.