Введение

Дноуглубительные снаряды по своей конструкции весьма разнообразны, что обусловлено различием свойств извлекаемых грунтов, условиями их складирования и т. д.

По принципу действия дноуглубительные снаряды разделяются на землесосные, черпаковые, скалодробильные, дноочистительные и др.

В 1864 г. во Франции П. Базеном [1] был изобретен один из типов дноуглубительных земснарядов, землесос с центробежным насосом, а в 1867 г. – землесос с предварительным механическим рыхлением грунта. Землесос с гидравлическим рыхлителем грунта был впервые предложен в США в 1893 г. В этом же году в России мастерскими Василевского затона (в настоящее время ПАО «Чкаловская судоверфь») был построен первый отечественный землесос.

Строительство [1] землесосов возрастающими темпами началось лишь в первой половине ХХ в., после того, как были созданы экономичные конструкции водогрунтовых насосов и эффективных средств для предварительного рыхления грунта. Землесосы, не имеющие средств для предварительного рыхления грунта, считаются в настоящее время устаревшими. Они применялись только для разработки легких грунтов. Однако опыт США [1] свидетельствует, что и при извлечении легких грунтов землесосы целесообразно оснащать специальными рыхлительными устройствами, в частности гидравлическими.

Землесосы, оснащенные механическими рыхлителями, предназначены для работы на тяжелых грунтах.

Сравнительный анализ характеристик отечественных и зарубежных дноуглубительных землесосов

При производстве дноуглубительных работ на водных путях чрезвычайно важно получить достаточно ровную поверхность дна. Часто землесосам приходится снимать слои наносов малой толщины [1] для быстрого восстановления необходимых судоходных глубин на обмелевших перекатах значительной протяженности. По мнению американских специалистов, землесос «Джедвин» для этих условий был лучшим на реках США. Самоходный и оснащенный спрямленным управляемым грунтопроводом, он был одним из серии построенных в 30-х гг. прошлого столетия землесосов. Скорость хода землесосов «Джедвин» и «Бургес» составляла 17,5 км/ч, землесосов «Капитан Кларк» и «Капитан Левис» – 18,5 км/ч. Основные характеристики американских землесосов приведены в табл. 1.

Таблица 1

Основные характеристики американских речных землесосов
с гидравлическими рыхлителями грунта

По мнению российских специалистов, лучшим на водных путях бывшего СССР в 40-х гг. прошлого века был землесос «Сормовский-1». Один из этих землесосов (проекта 12), построенный в 1950 г., находится в рабочем ядре ФГУ «Северо-Двинского ГБУВПиС» до настоящего времени. Он явился прототипом для серии землесосов проекта 23-110 (тип ДЭ-1), построенных в бывшей ЧССР, наряду с существующими в настоящее время серийными отечественными речными дноуглубительными землесосами (табл. 2).

Таблица 2

Основные характеристики отечественных речных дизельных землесосов
с гидравлическими рыхлителями грунта

Окончание табл. 2

* Рыхлителей не имеют.

Путем модернизации энергетического и технологического оборудования [2] производительность по грунту землесосов проектов 12 и 23-100 была повышена до 700 м³/ч (табл. 3), позднее – и до 750 м³/ч, а проектов 246Б и 324 – до 250 и 350 м³/ч соответственно.

Таблица 3

Основные характеристики и технические показатели модернизированных
речных дноуглубительных землесосов

В 1989 г. в бывшей ЧССР был построен землесос проекта 1-516 с производительностью по грунту 600 м³/ч, оснащенный современной системой автоматизации управления технологическим процессом извлечения и транспортирования грунта.

Из представленных в табл. 2 и 3 будут списаны по сроку службы землесосы проектов 246, 324, 23-110 и 23-112. Останутся в эксплуатации на ближайшие 10–15 лет землесосы проектов 1-516 и 1-517.

Согласно исследованиям ФГБОУ ВО «Волжский государственный университет водного транспорта» (ВГУВТ) типоразмерный ряд землесосов до 2015 г. будет представлен новыми экономичными землесосами с производительностью по грунту 400, 600, 750–800, 1 500–1 600, 2 500–3 000 м³/ч. Сравним их технические показатели с аналогичными показателями близких по условиям эксплуатации и производительности новыми землесосами зарубежных стран.

Отметим, что перспективным направлением в отечественной и зарубежной практике [2] является использование погружных грунтовых насосов с целью повышения насыщения перекачиваемой водогрунтовой смеси и, как следствие, производительности землесосов по грунту. Таким может быть основной насос, установленный под водой на раме грунтозаборного устройства, либо так называемый бустерный насос, соединенный последовательно с основным, расположенным на корпусе землесоса.

Среди зарубежных землесосов с погружными грунтовыми насосами следует выделить: «ТРН» (Франция), «ХАМ» (Нидерланды), «Элликот» (США), «Ол Седик» (изготовитель – концерн «Мицубиси», Япония) [3].

Землесосы типа «ТРН» строит французская фирма «Гидроланд». Данный тип землесосов предназначен для очистки акваторий портов и добычи строительных материалов (рис. 1).

Рис. 1. Землесос «ТРН-3000»:

1 – рубка управления, 2 – фрезерный рыхлитель; 3 – концевая часть рамы;

4 – рама грунтозаборного устройства; 5 – погружной грунтовой насос; 6 – анкерная опора;
7 – корпус; 8 – вал привода насоса с карданным сочленением; 9 – сваи

Два понтона катамаранного типа связаны между собой одним плавучим блоком, на котором смонтирован энергетический дизельный блок. Рама грунтозаборного устройства – трубчатая, на ней установлен погружной грунтовой насос. Привод грунтового насоса осуществляется от дизеля через редуктор посредством длинного вала с карданным соединением. Это обеспечивает передачу вращения от горизонтально установленного дизеля на раму, опускаемую на угол до 45°. Рама имеет анкерную опору, которая в процессе работы опирается на грунт. Концевая часть рамы с рыхлителем шарнирно закреплена на анкерной опоре и с помощью гидравлических домкратов поворачивается на 90° («ТРН-600») и на 125° («ТРН-1200» и «ТРН-3000»). Наклон рамы также регулируется с помощью гидроцилиндров. Фрезерный рыхлитель с гидроприводом в процессе работы всегда расположен горизонтально благодаря наличию анкерной опоры. Передвижение землесоса бесканатное, с помощью наклона свай, т. е. при наклоне свай на угол 20° обеспечивается подача землесоса вперед. В процессе работы землесос фиксируется на трех точках (две сваи и опора). Подъем свай осуществляется с помощью гидроцилиндров, а опускание – под действием собственного веса сваи. Топливо хранится в продольных понтонах. Землесос «ТРН-3000» отличается большим типоразмером конструкции корпуса. Он состоит из одного понтона и имеет вспомогательный дизель мощностью 405 кВт для привода всех вспомогательных потребителей энергии. Технические характеристики землесосов типа «ТРН» приведены в табл. 4.

Таблица 4

Технические характеристики землесосов типа «ТРН» (Франция)

Землесос «ХАМ-219» (рис. 2) построен судостроительной верфью «ХАМ» (Нидерланды).

Рис 2. Землесос «ХАМ-219» (Нидерланды)

Предназначен «ХАМ-219» для расчистки водного пути реки Рейн. Землесос «ХАМ-219» оснащен роторно-ковшовым рыхлителем и погружным грунтовым насосом. Привод насоса осуществлен валом от двигателя мощностью 588 кВт, расположенного на раме грунтозаборного устройства выше горизонта воды. При подаче 4 000–5 000 м³/ч погружной насос развивает напор около 25 м (табл. 5).

Таблица 5

Технические характеристики некоторых землесосов производства Нидерландов

Землесос «Рубенс» (Нидерланды). Погружной грунтовой насос с двумя приводными двигателями мощностью 584 кВт каждый и редуктором установлены в середине рамы грунтозаборного устройства в герметичном корпусе. Стандартный насос в однокорпусном исполнении имеет диаметр всасывающего и напорного патрубков 850 мм. На борту землесоса установлены два однотипных двухкорпусных грунтовых насоса с приводом каждого через редуктор от дизельного двигателя мощностью 2 774 кВт при частоте вращения 630 мин^–1. При последовательной работе трех насосов общий напор составляет 200 м, а глубина разработки – 25 м.

Землесос «IНС Beaver 600» выпускается известной судостроительной компанией «НС Holland». Корпус землесоса состоит из трех понтонов: главный понтон, включающий в себя машинное помещение, и два боковых понтона. Размеры всех необходимых узлов таковы, что они могут быть доставлены к месту назначения сухопутным, железнодорожным или водным транспортом.

В конструкции землесоса использован грунтовой насос с приводом через понижающую гидравлическую коробку передач. Основные составляющие главного понтона, вмонтированные внутри или непосредственно на понтоне: фреза, две папильонажные лебедки, рамоподъемная лебедка, управляемые из кабины, грунтовой насос, дизельные двигатели и вспомогательные механизмы, напорный грунтопровод и сваи с приводными механизмами. Фреза, рамоподъемная и две папильонажные лебедки приводятся в действие поршневыми гидравлическими двигателями. Рассмотрим основные характеристики землесоса «IНС Beaver».

Корпус:

• общая длина, включая раму, – 20,1 м;
• длина понтонов корпуса – 12,5 м;
• ширина – 5,72 м;
• высота понтона – 1,51 м;
• главный понтон – 8,00 × 2,70 × 1,80 м;
• боковые понтоны – 12,00 × 1,47 × 1,47 м;
• максимальная глубина разработки – 8,00 м (минимальная – 4 м);
• средняя осадка с полными бункерами – 1,10 м;
• общий вес – 45 т;

• диаметр напорного пульпопровода – 400 мм.

Грунтовой насос:

• тип IHC 900175-350;
• мощность на валу – 390 кВт (530 л. с.);
• главный двигатель Caterpillar 3412DITA мощностью 465 кВт (632 л. с.), 1 800 об/мин;
• расход топлива – 217 г/(кВт·ч);
• грунтовой насос приводится в действие через понижающую гидравлическую коробку передач;
• расчетная объемная концентрация гидросмеси – максимум 20 %;
• производительность по грунту – 500–100 м³/ч (в зависимости от дальности гидротранспортирования и крупности грунта).

Фреза:

• тип IHC 83050;
• мощность на валу – 30 кВт (40 л. с.);
• диаметр – 830 мм;
• максимальная частота вращения – 35 мин^–1.

Папильонажные лебедки:

• усилие – 40 кН;
• максимальная скорость выбирания каната – 25 м/мин;
• диаметр барабана – 324 мм;
• диаметр каната – 16 мм.

Рамоподъемная лебедка:

• усилие – 40 кН;
• максимальная скорость выбирания каната – 25 м/мин;
• диаметр барабана – 324 мм;
• диаметр каната – 16 мм;
• все лебедки имеют независимый гидравлический привод;
• две папильонажные лебедки оснащены канатами длиной 100 м и якорями весом в 240 кг.

Сваи:

• длина сваи – 11 м;
• диаметр сваи – 368 мм;
• вес сваи – 1 360 кг.

Технические характеристики некоторых землесосов, выпускаемых судоверфями Нидерландов, представлены в табл. 5.

Землесосы фирмы «Элликот» (США). Грунтовой насос и консоль 1 расположены в концевой части рамы 5 грунтозаборного устройства, приводятся от электродвигателя 4 через редуктор 2, смонтированные в тоннеле 3, сообщающемся в верхней части с атмосферой (рис. 3).

Рис. 3. Схема землесоса фирмы «Элликот» (США)

Землесос «Дизель» (США). Рама грунтозаборного устройства длиной 20,5 м дополнена тремя секциями длиной по 9 м каждая. Погружной насос с диаметром всасывающего патрубка 762 мм установлен на одной из дополнительных секций. Привод насоса осуществлен от двух соосно расположенных двигателей мощностью 331 кВт каждый, заключенных вместе с редуктором в герметичную камеру. Максимальная глубина разработки – 30 м. Масса рамы грунтозаборного устройства – 176 т, для увеличения ее плавучести снабжена двумя поплавками длиной 9,7 м, шириной 3,6 м и высотой борта 3,9 м каждый. При глубине разработки 25 м дальность подачи составляет до 5 800 м при высоте подачи 20 м. Интересен успешный опыт работы землесоса «Дизель» с дюкером, длина которого составила 1 500 м.

«Ол Седик» изготовлен концерном «Мицубиси» (Япония) для работ по очистке Суэцкого канала. Землесос оснащен тремя грунтовыми насосами – погружным и двумя трюмными, которые могут работать либо каждый самостоятельно, либо по гибкой последовательной схеме. Погружной насос опускается под горизонт воды максимально на 6 м. Привод его выполнен от двигателя, расположенного над горизонтом воды через редуктор посредством двухопорного вала. На раме установлен мощный фрезерный рыхлитель. Техническая характеристика землесоса «Ол Седик» представлена в табл. 6.

Таблица 6

Технические характеристики землесоса «Ол Седик»

Окончание табл. 6

Отечественные землесосы с погружными моноблочными агрегатами представлены в табл. 7.

Таблица 7

Технические характеристики отечественных землесосов,
оснащенных моноблочными погружными агрегатами

Промышленностью выпускаются различные модификации землесосов, оснащаемых погружными моноблочными агрегатами, т. е. грунтовыми насосами, сагрегатированными с электродвигателями в единые блоки.

Остановимся на землесосе 350-50ЛПГ, отличающемся от остальных увеличенной плавучей базой. Землесос 350-50ЛПГ (рис. 4) создан на базе землесоса класса 350-50Л.

Рис. 4. Землесос 350-50ЛПГ: 1 – дополнительный понтон; 2 – погружной моноблочный агрегат;
3 – грунтозаборное устройство; 4 – полноповоротный кран; 5 – монорельс

Землесос 350-50ЛПГ состоит из увеличенной плавучей базы за счет внедрения в нее двух дополнительных понтонов размером 12,3 × 2,55 × 2,013 м. Установка грунтозаборного устройства с погружным моноблочным агрегатом предусматривается в двух вариантах: с насосом 16ГрУТ-8М и 20Р-11МБ. Землесос оснащен полноповоротным краном грузоподъемностью 32 кН и дополнительным монорельсом штатной грузоподъемности.

Землесос С-55П (рис. 5) создан по проекту ФГУП «ВНИПИИстромсырье» с моноблочным агрегатом ПГМ-2000/63 для разработки грунтов с глубины до 18 м.

Рис. 5. Землесос С-55П:

1 – расходомер «Индукция»; 2 – рубка управления; 3 – корпус землесоса катамаранного типа;

4 – моноблочный агрегат с насосом ГрУ 2000/63 и электродвигатель АПС 16-45-10;

 5 – виброрыхлитель

Грунтозаборное устройство землесоса оснащено виброрыхлителем конструкции «ВНИИнеруд» для разработки встречающихся прослоек глины. При погружении блока на глубину 7 м часовая производительность землесоса может составить 226 м³/ч. Землесос оборудован приборами контроля консистенции и расхода гидросмеси.

Французской фирмой «Беното» были созданы небольшие, предназначенные для очистки ирригационных каналов, землесосы, у которых грунтовой насос и гидродвигатель находятся на конце рамы (режимы работы грунтового насоса регулируют за счет изменения его частоты вращения). Фирма «Беното» разработала три типоразмера землесосов с погружными грунтовыми насосами, оснащенными гидродвигателями (табл. 8).

Таблица 8

Технические характеристики землесосов фирмы «Беното»

Окончание табл. 8

У такого типа землесоса (рис. 6) подъем и опускание рамы грунтозаборного устройства осуществляется с помощью гидроцилиндров. Привод гидравлических двигателей и гидроцилиндров – от дизельного двигателя. Рыхлитель насажен непосредственно на вал рабочего колеса. Благодаря возможности реверсивного вращения грунтовой насос и рыхлитель смогут легко освобождаться от застрявших в них включений.

Рис. 6. Землесос фирмы «Беното» (Франция): 1 – механический рыхлитель;
2 – грунтовой насос; 3 – гидрорыхлитель грунтового насоса; 4 – рама;
5– гидроцилиндр подъема и опускания рамы

Землесосы типа «МОВ» и «Шарантез» построены по обычному принципу, а на землесосе «Саблиер» жесткая рама грунтозаборного устройства заменена укосиной, на которую подвешивается грунтовой насос, поднимаемый и опускаемый с помощью лебедки, также оснащенной гидравлическим приводом.

Землесос «Зееланд II» – один из самых крупных в мире неразборных землесосов, построенных в Нидерландах. Землесос оснащен погружным однокорпусным грунтовым насосом, сагрегатированным со специальным погружным электродвигателем мощностью 736 кВт. Предназначен для разработки тяжелых грунтов, несамоходный, однопонтонный, с напорным свайным ходом (длина хода – 6 м), стрелами якорного заброса и пятнадцатитонным бортовым краном. Сваи, свайная тележка и лебедка имеют гидравлический привод. На борту землесоса установлены два двухкорпусных грунтовых насоса. Техническая характеристика землесоса «Зееланд II» представлена в табл. 9.

Таблица 9

Техническая характеристика землесоса «Зееланд-II» (Нидерланды)

Окончание табл. 9

Наибольший интерес представляет сравнение отечественных речных дноуглубительных землесосов с землесосами нового поколения типа «Beaver», основные технические показатели и главные размерения которых представлены в табл. 10, 11.

Таблица 10

Основные характеристики землесосов нового поколения «IHС Beaver»
с фрезерным рыхлителем грунта

Таблица 11

Основные характеристики землесосов нового поколения «IHC Beaver»,
с роторно-ковшовым рыхлителем грунта