Николай Кожевников - Исследования грунтозаборных устройств земснарядов. Модели грунтозаборных устройств

© Николай Николаевич Кожевников, 2016

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

Любой водяной насос, в том числе и центробежный грунтовый насос для перекачки гидросмеси, имеет ограниченную атмосферным давлением всасывающую способность, которая даже у лучших моделей насосов не превышает 8 м вод. ст. При большем разряжении перекачиваемая вода начинает «закипать» на всасывающей кромке рабочего колеса насоса. В зоне наибольшего разряжения происходит образование пузырьков паров воды, которые с шумом конденсируются и захлопываются при попадании в зону давления. Это явление называют кавитацией. При этом насос вибрирует, а при развитой кавитации прекращает подачу жидкости.

При традиционном расположении грунтового насоса на понтоне (корпусе) земснаряда по условию предотвращения кавитации глубина разработки грунта ограничивается 12—15 м при удельном весе гидросмеси до 1.2 т/м 3. Ужесточение экологических требований, предъявляемых к разработке карьеров, вызывают необходимость полного использования геологических запасов песка и гравия, глубина которых часто превышает 15 м, а экономические соображения по снижению себестоимости добычи вызывает необходимость подавать гидросмесь высокой концентрации с удельным весом до 1.5 т/м 3.

Снятие ограничений по условиям кавитации достигается установкой на земснаряде погружного грунтового насоса или эжектирующего грунтозаборного устройства (ГЗУ), первое экономичнее, но конструктивно сложнее [1,2]. В настоящее время всё большее распространение получают земснаряды, оборудованные погружным грунтовым насосом. В России с 1980 г. освоено промышленное изготовление погружных грунтовых насосов для земснарядов различных типов московским предприятием ОАО «Промгидромеханизация», эти насосы показали высокую надёжность и производительность [3]. Итальянкой фирмой PNEUMA выпускаются погружные камерные пневматические грунтовые насосы, которые по существу являются погружными насосами, позволяющими производить разработку грунта с больших глубин при подаче гидросмеси высокой концентрации [4].

Традиционные грунтозаборные наконечники земснарядов имеют цилиндрическую или эллиптическую форму с входным коэффициентом гидравлического сопротивления около ζ = 0.5 – 1 [5]. При обычной скорости гидросмеси во всасывающем трубопроводе V = 4 м/с потери напора на вход в цилиндрический наконечник при всасывании воды из водоёма составят примерно: ΔН вх= ζ V 2/2g = 1х 4 2/20 = 0.8 м вод. ст. При заборе грунта и уменьшении щели между торцом наконечника и грунтом, входные потери напора могут достигнуть 2 – 4 м вод. ст. Большая величина входных потерь в наконечник не допустима по соображениям кавитации при палубном размещении грунтового насоса.

На земснаряде с эжектором, погружным грунтовым насосом или камерным пневмонасосом возникает возможность использования новых грунтозаборных устройств с повышенным входным гидравлическим сопротивлением для получения гидросмеси высокой концентрации. В зависимости от величины погружения насоса или камеры, входные потери в оголовок грунтозаборного устройства (ГЗУ) можно допустить до 10 м вод. ст. и более.

Автором статьи были поставлены в 2004 г. эксперименты по разработке конструкции наконечника ГЗУ свободного всасывания для земснарядов с погружным грунтовым насосом, камерой или эжектором с целью получения максимально возможной глубины грунтозабора и концентрации гидросмеси на песчаных и песчано-гравийных грунтах (по условиям гидротранспорта).

На пневматическом стенде с использованием бытового пылесоса были испытаны всасывающие оголовки различной конструкции и конфигурации.

Эффективность забора гранул определялась по объёму воронки предельного всасывания при расположении торца наконечника на поверхности гранул и его заглублении. Входные потери напора в наконечник замерялись стрелочным вакуумметром через отверстие в стенке трубки.

Эталоном для сравнения эффективности грунтозабора и вычисления коэффициента входного гидравлического сопротивления оголовка был принят цилиндрический наконечник с входным коэффициентом гидравлического сопротивления равным ζ = 1 [6].

Песчаный грунт в экспериментах по экологическим соображениям имитировался гранулами пшена (объёмный вес в насыпи γ = 0,92 г/см 3, пористость n= 0,33, объёмный вес гранул γ = 1,37 г/см 3), гравий – гранулами фасоли (объёмный вес в насыпи γ = 0.753 г/см 3, пористость n= 0,377, объёмный вес гранул γ = 1,21 г/см 3).