CC BY
43
© H.H. Арефьев, B.K. Квинт, H.A. Сысоев, Н.Ф. Попов, M.H. Попов, 2015
УДК 629.563.424
Н.Н. Арефьев, В.К. Квинт, H.A. Сысоев, Н.Ф. Попов, M.H. Попов
МНОГОЦЕЛЕВОЙ ЗЕМСНАРЯД ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬЮ ПО ГРУНТУ 350 м3/ч
Разработана концепция многоцелевого земснаряда, который с высокой эффективностью обеспечивает транзитные дноуглубительные работы на фарватере магистральных рек, а также выполняет капитальные работы и добычу грунта. Определены технические характеристики грунтонасосной установки земснаряда на базе грунтового насоса ГрУТ1400/40, а также спроектированы грунтозаборные устройства для обоих видов работ. Ключевые слова: земснаряд, гидромеханизация, дноуглубление, грунтовый насос.
В планах министерства транспорта РФ предусмотрено в ближайшей перспективе частично заменить и существенно обновить дноуглубительный флот, большую часть которого представляют землесосные снаряды с центробежными грунтовыми насосами. Предполагается закупка многоцелевых земснарядов, которые с высокой эффективностью обеспечивают выполнение транзитного дноуглубления, а также капитальных работ и добычи песка и ПГС со дна рек. Земснаряды предпочтительно закупать у отечественных производителей.
По заявке ЗАО «Цимлянский СМЗ» были рассчитаны технические характеристики многоцелевого земснаряда и спроектированы грунтозаборные устройства для дноуглубления и капитальных работ. При проведении НИОКР приняты следующие исходные данные: производительность землесоса на средних грунтах с применением гидравлического рыхлителя 350 м3/ч; глубина разработки максимальная 8 м; диаметр всасывающего грунтопровода 450 мм; диаметр напорного грунтопровода 400 мм; длина плавучего грунтопровода 300 м; ширина корпуса габаритная 8,5 м; дизельный привод грунтового насоса мощностью около 400 кВт; конструкция
грунтоприемника должна обеспечивать всасывание высоконасыщенной (30—50%) водогрунтовой смеси, а также удаление заданного по толщине снимаемого слоя грунта без существенного переуглубления разрабатываемой прорези; гидроразрыхлительное устройство должно иметь подачу, достаточную для принудительного подвода разрыхленного грунта в грунтоприемник; грунтопровод должен быть выполнен из композиционных материалов без шаровых соединений; дизельный привод грунтового насоса должен включать несколько вариантов из отечественного и зарубежного оборудования.
В качестве базового принят насос ГрУТ 1400/40 проекта 440 Цимлянского судомеханического завода. Технические характеристики насоса при работе на воде приняты по результатам испытаний в 2008 г. В качестве исходных приняты следующие параметры: наружный диаметр лопастей рабочего колеса 700 мм, частота вращения 750 об/мин, подача по воде 1400 м3/ч; напор 40 м.
Для проведения дноуглубительных работ нет необходимости в высоком напоре. Поэтому насос может быть пересчитан на меньший напор. Этого можно достичь снижением частоты вращения или обрезкой лопастей рабочего колеса. В данной работе проведены расчеты для обрезанного рабочего колеса с относительным диаметром 0,87; то есть наружный диаметр лопастей рабочего колеса составит 700х0,87 = 609 мм.
Расчеты характеристик грунтового насоса с обрезанным рабочим колесом для различных частот вращения выполнены по известным методикам [1, 2], а характеристик грунтопровода - по методикам [3, 4, 5].
На рис. 1 и 2 приведены характеристики грунтонасос-ной установки, построенные на базе грунтового насоса ГрУТ 1400/40 с обрезанным рабочим колесом (Э2 = 0,87) при работе на водогрунтовой смеси соответственно с плотностью 1200 и 1300 кг/м3 при частотах вращения рабочего колеса 670, 700 и 750 об/мин. Построены также характеристики грунтопроводов: всасывающий грунтопровод диаметром Ду450 мм, напорный грунтопровод диаметром Ду400 мм, плавучий резинотканевый грунтопровод Ду400. Длина грунтопровода Ь и высота сброса грунта от уровня воды Z приняты:
а) при выполнении транзитных дноуглубительных работ £=300 м (предусматривается только плавучий грунтопровод, береговой грунтопровод отсутствует), Z=1,5 м;
б) при выполнении капитальных дноуглубительных работ (а также при добыче песка и гравия) £=350 м (кроме 300 м плавучего грунтопровода предусматривается береговой грунтопровод длиной 50 м), Z=6 м.
Для транзитных дноуглубительных работ расчеты выполнены для разработки легких наносных грунтов (мелкий песок, на рисунках обозначено м.п.) с коэффициентом транспорта 3, а также для разработки средних песков (на рисунках обозначено ср.п.) с коэффициентов транспорта 2. Для капитальных дноуглубительных работ расчеты выполнены только для средних песков с коэффициентом транспорта 2.
Анализ характеристик грунтонасосной установки показывает:
а) при выполнении транзитных дноуглубительных работ на перекатах с мелким наносным песком с объемной концентрацией водогрунтовой смеси 20% (р = 1,2) производительность по грунту составит 335 м3/ч при частоте вращения колеса грунтового насоса 670 об/мин; потребляемая насосом мощность 162 кВт;
б) при выполнении транзитных дноуглубительных работ на перекатах с мелким наносным песком с объемной концентрацией водогрунтовой смеси 30% (р = 1,3) производительность по грунту составит 440 м3/ч при частоте вращения колеса грунтового насоса 670 об/мин; потребляемая насосом мощность 162 кВт;
в) при выполнении транзитных дноуглубительных работ на перекатах с средним наносным песком с объемной концентрацией водогрунтовой смеси 20% (р = 1,2) производительность по грунту составит 300 м3/ч при частоте вращения колеса грунтового насоса 700 об/мин; потребляемая насосом мощность 176 кВт;
г) при выполнении транзитных дноуглубительных работ на перекатах с средним наносным песком с объемной концентрацией водогрунтовой смеси 30% (р = 1,3) производительность по грунту составит 440 м3/ч при частоте вращения колеса грунтового насоса 750 об/мин; потребляемая насосом мощность 218 кВт;
Рис. 1. Характеристика грунтонасосной установки с грунтовым насосом ГрУТ 1400/40 (Ю2 = 0,87) при работе на водогрунтовой смеси с относительной плотностью 1,2
и,
м.в.ст.
н' 840 кВт
800 180 ¡60 140 180 100 34
зг зо 88 86 84 88 80 18 16 14 18
10 8 6
8 О
1000
и
7~
> 1 Ч N.
■ [ 1.= 300,Ь СР.П
— / =300, Нт.
1
—
-
750 700
670
750
700 670
1800
1400
1600 1800 Й м'/ч
Рис. 2. Характеристика грунтонасосной установки с грунтовым насосом ГрУТ 1400/40 (Ю2 = 0,87) при работе на водогрунтовой смеси с относительной плотностью 1,3
д) при выполнении капитальных дноуглубительных работ (а также при добыче) на песках средней крупности с объемной концентрацией водогрунтовой смеси 20% (р = 1,2) производительность по грунту составит 250 м3/ч при частоте вращения колеса грунтового насоса 750 об/мин; потребляемая насосом мощность 175 кВт.
Вывод: можно использовать грунтовый насос марки ГрУТ 1400/40 проекта 440 с обрезанными рабочими лопатками колеса до 0,87 Э2.
В соответствии с исследованиями [6] спроектирован грун-топриемник для выполнения капитальных работ, конструкция которого защищена патентом на изобретение [7]. Общий вид грунтоприемника показан на рис. 3.
Рис. 3. Грунтоприемник для выполнения капитальные дноуглубительных работ и для добыми песка и гравия
Испытания и эксплуатация грунтоприемников такого типа показали, что объемная концентрация засасываемой водогрун-товой смеси устойчиво поддерживается не менее 28% [8].
В настоящее время дноуглубительные земснаряды оснащены эллиптическими грунтоприемниками атакующего типа. При разработке перекатов такими грунтоприемниками для поддержания судоходной глубины фарватера приходится снимать слой грунта не до расчетной толщины, а гораздо больше, т.е. работать с переуглублением. Это вызвано образованием гребней грунта между разрабатываемыми земснарядом траншеями. Чем шире траншея, тем выше гребень грунта, тем больше переуглубление. Для снижения переуглубления предлагается применять трехсекционные грунто-приемники. Суть новизны заключается в том, что за один проход земснаряда разрабатывается не одна широкая траншея, а три узких, что значительно снижает переуглубление и, следовательно, количество излишне вынутого грунта. Следует отметить, что в 1980-х годах трехсекционными грунтоприемниками были оснащены все земснаряды проекта 324 и новый земснаряд проекта 1-516 Вятского технического участка пути Волжского государственного бассейнового управления [9]. Трехсекционные грунтоприемники применяются также в проектах земснарядов ООО «Октябрьский ССРЗ» [10]. На рис. 4 приведен общий вид трехсекционного грунто-приемника, спроектированного в соответствии с исследованиями [6, 11, 12, 13].
Данный грунтоприемник оснащен новой системой гидрорыхления для каждой секции, которая обеспечит объемную концентрацию засасываемой водогрунтовой смеси не менее 30%. Это даст возможность значительно увеличить скорость разработки переката и снизить удельные энергозатраты.
В результате подбора энергетической установки получено:
— наиболее экономичным из отечественных дизель-реверс-редукторных агрегатов является ДРРА 390/1000-2 ОАО «Волжский дизель им. Маминых» (номинальная мощность на выходном валу 280 кВт), который по удельному расходу топлива 195 г/(кВт-ч) превосходит близкий по мощности ДРРА 26К с удельным расходом топлива 226 г/(кВт-ч). Необходимую для привода грунтового насоса частоту вращения 750 об/мин
Рис. 4. Трехсекционный грунтоприемник для выполнения транзитные дноуглубительных работ
ему обеспечит реверс-редукторная передача РРП 26 с большой гаммой передаточных отношений с выходной мощностью от 220 до 500 кВт и массой не более 800 кг.
— из зарубежных моделей по техническим показателям и высокой экономичности предпочтителен двигатель фирмы «Ка-терпиллар» САТ 3406С (номинальная мощность на выходном валу 267 кВт, удельный расход топлива 193 г/(кВт^ч)) с реверс-редуктором из республики Кореи 0МТ110Д с передаточным отношением 2,42.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Оборудование для гидромеханизации. Альбом-справочник. Том 1. Грунтовые насосы и землесосы. — М.: Иформэнерго, 1969. - 193 с.
2. Лукин Н.В. Расчет и проектирование грунтонасосных установок речных землесосов. Горький: ГИИВТ, 1974. - 49 с.
3. Краковский И.И. Суда технического флота. - Л.: Судостроение, 1968. — 504 с.
4. Лукин Н.В. Исследование взаимосвязи конструктивных характеристик рефулерных установок и производственных показателей речных землесосов в различных условиях эксплуатации / Дисс. на соиск. учен. степени канд. техн. наук. - Горький, ГИИВТ, 1969. - 212 л.
5. Gibert R. Transport hydraulique et refoulement des mixtures en condites. Annales des ponts et chaussees. 1960, № 3, 4.
6. Арефьев Н.Н. Научное обоснование технических решений и разработка на их основе средств повышения эффективности судовых энергетических установок землесосных снарядов / Дисс. на соиск. ученой степени доктора технических наук. - Нижний Новгород, 2011. - 380 л.
7. Патент на изобретение № 2390612 «Грунтозаборное устройство землесосного снаряда». Автор Арефьев Н.Н. Опубл. 27.05.2010 г. Бюл. № 15.
8. Царенок Л.А., Васягин В.К., Фунтов О.Н., Арефьев Н.Н., Попов Н.Ф. Модернизация грунтозаборного устройства на земснаряде «Донской-607» // Ж-л «Речной транспорт», 2009. № 41.
9. Лукин Н.В., Арефьев Н.Н., Мурыгин О.П. Модернизация грунтозаборного устройства землесоса «Волжский 601» (Проект 1-516) // В кн. Наука и техника на речном транспорте. — М.: ЦБНТИ речного транспорта, 1996, вып. 5, с. 6 - 9.
10. Тельных Л.Г., Арефьев Н.Н., Гореликова И.А., Тарасова О.Н. Повышение эффективности грунтозабора на земснарядах ООО «Октябрьский ССРЗ» // Гидромеханизация 2009: По материалам V съезда гидромеханизаторов России. Вып. 5 / Отдельный выпуск Горного информационно-аналитического бюллетеня. - М.: Горная книга, 2009. С.188 - 193.
11. Лукин Н.В., Арефьев Н.Н. К расчету геометрических параметров трехсекционных грунтоприемников. // В кн. Научные труды / Нижегородский ИИВТ, 1993, вып. 267, с. 33-36.
12. Арефьев Н. Н., Мурыгин О. П. Метод расчета технологических параметров при работе землесосов с трехсекционными грунтоприемниками. // В кн. Наука и техника на речном транспорте. - М.: ЦБНТИ речного транспорта, 1993, вып. 10, с. 20-31.
13. Патент на полезную модель № 98434 «Грунтозаборное устройство земснаряда». Автор Арефьев Н.Н. Опубл. 20.10.2010 г. Бюл. № 29. ГТТШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Арефьев Николай Николаевич - доктор технических наук, профессор, Arefyev1987@mail. ru,
Попов Николай Фролович - доктор технических наук, профессор, der@aqua. sci-nnov.ru,
Попов Максим Николаевич- старший преподаватель, der@aqua.sci-nnov.ru,
Волжский государственный университет водного транспорта, Квинт Виктор Константинович — генеральный директор, info@csmz.ru,
Сысоев Николай Алексеевич - технический директор, info@csmz.ru, ЗАО «Цимлянский СМЗ».
UDC 629.563.424
MULTIPURPOSED REDGER WITH A CAPACITY OF SOIL 350 m3/h
Arefyev N.N., doctor of technical Sciences, Professor, Arefyev1987@mail.ru, Volga state University of water transport, Russia,
Kvint V.K., Director General, info@csmz.ru CJSC "Tsimlyanskaya SMZ, Russia, Sisoev N.A., technical Director, info@csmz.ru CJSC "Tsimlyanskaya SMZ, Russia. Popov N.F., doctor of technical Sciences, Professor, der@aqua.sci-nnov.ru, Volga state University of water transport, Russia,
Popov M.N., senior lecturer, der@aqua.sci-nnov.ru, Volga state University of water transport, Russia,
The concept of dredgers, that provides high efficiency of transit dredging the channel of the main rivers, and also do the capital works and extraction of the soil. The specifications of soil-pumping machine, based on soil hydraulic dredge pump rpyT1400/40 are defined, also the soil intake devices for both types of works are designed.
Key words: dredgers, hydromechanization, dredging, soil pumps.
REFERENCES
1. Oborudovanie dlja gidromehanizacii (The equipment for dredging). Al'bom-spravochnik. Tom 1. Gruntovye nasosy i zemlesosy. Moscow: Iformjenergo, 1969. 193 p.
2. Lukin N.V. Raschet i proektirovanie gruntonasosnyh ustanovok rechnyh zemlesosov (Calculation and design grunenberg installations river dredges). Gor'kij: GIIVT, 1974. 49 p.
3. Krakovskij I.I. Suda tehnicheskogo flota (Technical fleet Vessels). Leningrad: Sudos-troenie, 1968. 504 p.
4. Lukin N.V. Issledovanie vzaimosvjazi konstruktivnyh harakteristik refulernyh ustanovok i proizvodstvennyh pokazatelej rechnyh zemlesosov v razlichnyh uslovijah jekspluatacii (A study of the relationship of structural characteristics pump ashore facilities and production indicators of river dredges in different environments)/ Diss. na soisk. uchen. stepeni kand. tehn. nauk. Gor'kij, GIIVT, 1969. 212 p.
5. Gibert R. Transport hydraulique et refoulement des mixtures en condites (Transport hydraulique et refoulement des mixtures en condites). Annales des ponts et chaussees. 1960, No 3, 4.
6. Aref'ev N.N. Nauchnoe obosnovanie tehnicheskih reshenij i razrabotka na ih os-nove sredstv povyshenija jeffektivnosti sudovyh jenergeticheskih ustanovok zemlesosnyh snarjadov (Scientific justification of technical solutions and development tools for improving the efficiency of ship power plants, dredges) / Diss. na soisk. uchenoj stepeni doktora tehnicheskih nauk. Nizhnij Novgorod, 2011. 380 p.
7. Patent na izobretenie № 2390612 «Gruntozabornoe ustrojstvo zemlesosnogo snar-jada». Avtor Aref'ev N.N. Opubl. 27.05.2010 g. Bjul. № 15.
8. Carenok L.A., Vasjagin V.K., Funtov O.N., Aref'ev N.N., Popov N.F. Moderni-zacija gruntozabornogo ustrojstva na zemsnarjade «Donskoj-607» (Modernization of the suction head on the dredger «Donskoy-607») // Zh-l «Rechnoj transport», 2009. No 41.
9. Lukin N.V., Aref'ev N.N., Murygin O.P. Modernizacija gruntozabornogo ustrojstva zemlesosa «Volzhskij 601» (Proekt 1-516) (Modernization suction head dredge "Volga 601 (Project 1-516)) // V kn. Nauka i tehnika na rechnom transporte. Moscow: CBNTI rechnogo transporta, 1996, vyp. 5, S. 6 - 9.
10. Tel'nyh L.G., Aref'ev N.N., Gorelikova I.A., Tarasova O.N. Povyshenie jeffektivnosti gruntozabora na zemsnarjadah OOO «Oktjabr'skij SSRZ» (Improving the efficiency of protozanova on the dredges LLC October PRSI") // Gidromehanizacija 2009: Po materia-lam V s#ezda gidromehanizatorov Rossii. Vyp. 5 / Otdel'nyj vypusk Gornogo informa-cionno-analiticheskogo bjulletenja. Moscow: Gornaja kniga, 2009. pp.188 - 193.
11. Lukin N.V., Aref'ev N.N. Kraschetu geometricheskih parametrov trehsekcionnyh gruntopriemnikov (To the calculation of geometrical parameters of the three-section groun-doriented) // V kn. Nauchnye trudy / Nizhegorodskij IIVT, 1993, vyp. 267, pp. 33-36.
12. Aref'ev N.N., Murygin O.P. Metod rascheta tehnologicheskih parametrov pri rabote zemlesosov s trehsekcionnymi gruntopriemnikami (Method of calculation of process parameters during operation of the dredges three-section protoplanetary) // V kn. Nauka i tehnika na rechnom transporte. Moscow: CBNTI rechnogo transporta, 1993, vyp. 10,
pp. 20-31.
13. Patent na poleznuju model' № 98434 «Gruntozabornoe ustrojstvo zemsnarjada». Avtor Aref'ev N.N. Opubl. 20.10.2010 g. Bjul. No 29.
