СПОСОБ ВЫПОЛНЕНИЯ ДНОУГЛУБИТЕЛЬНЫХ РАБОТ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2006 года по МПК E02F3/88 

Область техники.

Изобретение относится к способам и оборудованию, применяемым при выполнении дноуглубительных работ, и может быть использовано в конструкции землесосных снарядов установленных на базовом судне и разрушающих грунт механическими режущими средствами на вращающейся коронке.

Предшествующий уровень техники.

Известен способ и устройство для выполнения дноуглубительных работ, включающий разрушение грунта механическими режущими средствами и гидравлическими рыхлителями, извлечение грунта, его эвакуацию и размещение (патент РФ №2107776, М.кл.⁸ E 02 F 3/88, 1996 г. "Способ выполнения подводных земляных работ с использованием дноуглубительного земснаряда и гидромониторное устройство для его осуществления").

Этот способ, в связи с предусматриваемым в нем разрушением и подачей грунта в зону разрушения механическими ножами и клыками, установленными по всей ширине захвата, которая на реальных объектах при проведении дноуглубительных работ может составлять 5 и более метров, требует весьма больших расходов воды, которые при этом могут быть реализованы только при сравнительно низких напорах (давлениях), соответствующих величине напора, необходимого для обеспечения только эвакуации грунта.

Наиболее близким техническим решением к способу и устройству по изобретению является способ выполнения дноуглубительных работ, включающий: разрушение грунта рабочими кромками механических режущих средств, установленных на вращающейся коронке, перемещаемой горизонтально и попеременно в обоих направлениях перпендикулярно оси ее вращения, при одновременной подаче в область взаимодействия механических режущих средств коронки с разрушаемым грунтом высокоскоростных струй воды высокого давления, последующее извлечение и эвакуацию грунта; устройство для реализации этого способа содержит установленные на базовом судне источник воды высокого давления и снабженный приводом вращения и механизмами установочного и управляемого реверсивного горизонтального перемещения рабочий орган в виде полого вала, установленного в опорах вращения на несущей раме, и на выходном конце которого закреплена режущая коронка, оснащенная механическими режущими средствами и струеформирующими насадками, которые через каналы подвода к ним воды, вращающийся трубопровод, помещенный внутри полого вала, гидросъемник и невращающийся трубопровод соединены с источником воды высокого давления (см., например, способ и устройство Бельгийской фирмы DREDGING INTERNATIONAL, описанные в патенте Бельгии, М.кл. E 02 F, по заявке №09800111 от 1998 г.)

При этом способе размеры зоны разрушения грунта существенно меньше (при значительно большей ширине захвата, величина которого определяется размахом горизонтальных перемещений коронки) и, следовательно, рациональное применение в такой конструкции 5 гидравлических рыхлителей с использованием высокоскоростных струй позволяет существенно снизить расход воды, подаваемой для разрушения грунта и, при тех же энергетических затратах, повысить давление воды, что в свою очередь повышает эффективность разрушения. Вместе с тем, поскольку при этом вода высокого давления подается в известном устройстве к режущим кромкам всех резцов, установленных на коронке, в том числе и находящихся вне зоны разрушения (непосредственного контакта резцов с грунтом), количество которых не менее 50% общего их числа, расход воды при заданном уровне давления также завышен (в два и более раз).

Раскрытие изобретения.

Целью изобретения является: существенное (в 2 и более раз) повышение эффективности работы за счет одновременного с механическим воздействия на грунт высокоскоростными струями воды, подаваемой под высоким давлением только в зону непосредственного взаимодействия механических режущих средств коронки с грунтом.

Эта цель достигается тем, что способ выполнения дноуглубительных работ, включающий разрушение грунта рабочими кромками механических режущих средств, установленных на вращающейся коронке, перемещаемой горизонтально и попеременно в обоих направлениях перпендикулярно оси ее вращения, при одновременной подаче в область взаимодействия механических режущих средств коронки с разрушаемым грунтом высокоскоростных струй воды высокого давления, последующее извлечение и эвакуацию грунта, отличается тем, что угловой размер, а зоны подачи воды высокого давления в направлении горизонтального перемещения коронки устанавливают в диапазоне

2arcsin<α<180°,

где Н - заглублениие,

D - диаметр коронки.

Для реализации предложенного способа, устранения указанных выше недостатков известного устройства и достижения указанной цели устройство, содержащее установленные на базовом судне источник воды высокого давления и снабженный приводом вращения и механизмами установочного и управляемого реверсивного горизонтального перемещения рабочий орган в виде полого вала, установленного в опорах вращения на несущей раме, и на выходном конце которого закреплена режущая коронка, оснащенная механическими режущими средствами и струеформирующими насадками, которые через каналы подвода к ним воды, вращающийся трубопровод, помещенный внутри полого вала, гидросъемник и невращающийся трубопровод соединены с источником воды высокого давления, причем корпус распределительного устройства жестко соединен с входным концом полого вала, отличается тем, что, по крайней мере, часть вращающегося трубопровода выполнена многоканальной, струеформирующие насадки объединены в группы, число которых равно числу каналов многоканальной части трубопровода и каждая группа подсоединена к выходу одного из каналов, входные концы которых подсоединены к распределительному устройству, при этом многоканальная часть трубопровода помещена в компенсирующий закрутку полого вала корпус, соединенный одним концом с корпусом распределительного устройства, а другим - с выходным концом полого вала.

Как вариант исполнения распределительное устройство может быть выполнено клапанным и снабжено механизмом управления работой клапанов этого устройства.

Для обеспечения работы механизма управления работой клапанов этот корпус соединен с несущей рамой рабочего органа, а вращающаяся часть этого механизма - с корпусом распределительного устройства.

При изменении направления горизонтального перемещения рабочего органа с коронкой необходимо изменять в коронке пространственное положение зоны подачи воды высокого давления.

Для этого механизм управления работой клапанов соединен линией управления с блоком управления реверсивного горизонтального перемещения рабочего органа.

Для корректировки пространственного положения зоны подачи воды высокого давления при реверсе горизонтального перемещения рабочего органа корпус механизма управления соединен с несущей рамой рабочего органа через управляемый механизм доворота этого корпуса.

Для автоматического выполнения этой операции блок управления доворотом соединен линией управления с блоком управления реверсивного горизонтального перемещения рабочего органа.

Краткое описание фигур чертежей.

Сущность устройства поясняется следующими чертежами. На фиг.1 приведена общая схема расположения (вид сбоку) на базовом судне рабочего органа с коронкой и источника высокого давления, а также схема управления механизмом вертикального (установочного) перемещения рабочего органа с коронкой.

На фиг.2 приведен вид сверху (вид А) расположения на базовом судне рабочего органа с коронкой, источника высокого давления, а также показана схема управления механизмами горизонтального (рабочего) перемещения рабочего органа с коронкой.

На фиг.3 изображен продольный осевой разрез "Б-Б" рабочего органа при жестком соединении распределительного устройства с входным концом полого вала.

На фиг.4 показан поперечный разрез "В-В" коронки.

На фиг.5 изображен продольный осевой разрез "Б-Б" рабочего органа при соединении корпуса распределительного устройства с выходным концом полого вала.

На фиг.6 показан поперечный разрез управляющего работой клапанов устройства, выполненного в виде цапфового распределителя.

На фиг.7 и 8 показаны поперечные разрезы "Г-Г" вариантов исполнения управляющего устройства с возможным уменьшением угла подачи воды при различном заглублении коронки.

На фиг.9 показан вид по стрелке "Е" на торец коронки в правом и левом ее положении при ее горизонтальном перемещении.

На фиг.10 представлена принципиальная гидравлическая схема гидросистемы предлагаемого устройства в целом.

Лучший вариант осуществления изобретения.

Устройство для осуществления предлагаемого способа выполнения дноуглубительных работ (Фиг.1 и 2) состоит из рабочего органа в составе поворотной в вертикальной плоскости несущей рамы 1 с установленными на ней редуктором 2 с приводными двигателями 3, приводным полым валом 4 и установленной на его выходном конце коронкой 5. Приводной вал 4 установлен на раме 1 в опорах 6 с возможностью вращения. Рабочий орган установлен на базовом судне с возможностью поворота в вертикальной плоскости посредством механизма 8 установочного (вертикального) перемещения рабочего органа.

Базовое судно 7 оснащено механизмами 9 горизонтального (вправо и влево) перемещения рабочего органа (совместно с судном), например лебедками с гидравлическим приводом с насосной станцией 10 привода горизонтального перемещения (НСГП). На нем размещен источник 11 воды высокого давления (ИВД), а также станция 12 управления (СУ) механизмом управления распределительным устройством.

Рабочий орган выполнен в виде приводного полого вала 4, установленного в опорах вращения 6 на несущей раме, на выходном конце которого закреплена режущая коронка 5, оснащенная механическими режущими средствами 13 и струеформирующими насадками 14, которые через каналы 15 подвода к ним воды, вращающийся трубопровод 16, помещенный внутри полого вала 4, гидросъемник 17 и невращающийся трубопровод 18 соединены с источником 11 воды высокого давления (ИВД). При этом, по крайней мере, часть вращающегося трубопровода 16, размещенная внутри полого вала 4, выполнена многоканальной, струеформирующие насадки 14 объединены в группы, число которых равно числу каналов 19 многоканальной части трубопровода и каждая группа подсоединена к выходу одного из каналов, входные концы которых подсоединены к распределительному устройству. Корпус 20 распределительного устройства при этом жестко соединен с входным концом полого вала 4 и вращается вместе с ним, как одно целое.

На фиг.5 показано исполнение рабочего органа, при котором многоканальная часть трубопровода 16 помещена в компенсирующий закрутку полого вала корпус 21, соединеный одним концом с корпусом 20 распределительного устройства, а другим - с выходным концом полого вала 4 непосредственно или через коронку 5. При этом конец корпуса 21 трубопровода 16, соединеный с корпусом 20 распределительного устройства, фиксируется во входном конце полого вала 4 с возможностью относительного углового проворота.

Распределительное устройство, показанное на фиг.3 и 5, выполнено клапанным и снабжено механизмом управления работой клапанов этого устройства. Управление клапанами может быть выполнено, например, электромагнитным или гидравлическим. На Фиг.3 и 5 клапаны выполнены с гидравлической камерой 22 управления и состоят, например, из установленного в корпусе седла 23, клапана 24, толкателя 25 и поршня 26. Клапаны объединены в блок и установлены в общий корпус 20 распределительного устройства. При этом входные каналы 27 клапанов объединены общим каналом 28, который проходит внутри управляющего работой клапанов устройства, а выходные каналы 29 соединены с каналами 19 трубопровода 16, а управляющие - 30 соединяют камеры 22 управления с выходными каналами 31 вращающегося золотника 32, установленного в невращающемся корпусе 33 управляющего устройства. Общий канал 28 соединен через гидрос8 ъемник 17 и трубопровод 18 с источником 11 воды высокого давления (ИВД). Управляющее устройство механизма управления (Фиг.6, 7 и 8), в свою очередь, например, состоит из вращающегося совместно с корпусом распределительного устройства золотника 32 и корпуса 33, в котором выполнено не менее двух серповидных пазов с двумя, например 34 и 35, или более (по числу серповидных пазов) каналами, соединенными (Фиг.10) с гидрораспределителем 36.

На Фиг.6 угол γ серповидных пазов (угловой размер сектора, в котором расположен серповидный паз) близок к 180°. На Фиг.7 угловой размер сектора для каждого из двух серповидных пазов составляет величины, близкие, например, к 130°(γ₁), т.е. γ<180° и 230°(γ₂). Такая конструкция и ее варианты позволяют предварительно установить рациональный для ожидаемой величины заглубления коронки сектор подачи воды высокого давления.

На Фиг.8 угловой размер сектора каждого из шести серповидных пазов близок, например, к 60°, что позволяет получить 3 варианта угла γ (60, 120, и 180°) без предварительной установки гидрораспределителя с заданным однозначно углом α зоны подачи воды, и обеспечивает выбор рационального угла в процессе работы, путем подключения специальным распределителем (не показан) в зависимости от текущей (назначаемой) глубины заглубления коронки того или иного числа серповидных пазов и каналов соответственно к каналам 34 и 35. Золотник 32 соединен с корпусом 20 распределительного устройства, а невращающийся корпус 33 механизма управления работой клапанов соединен с несущей рамой 1 рабочего органа непосредственно, или через управляемый механизм доворота корпуса на некоторый угол, выполненный в виде гидроцилиндра 37.

Гидрораспределитель 36 (Фиг.10) механизма управления работой клапанов и гидрораспределитель 38 управления гидроцилиндром 37 доворота соединены линиями управления с гидрораспределителем 39 управления гидродвигателями 40 механизма 9 реверсивного горизонтального перемещения рабочего органа.

Гидравлическая система устройства в целом включает следующие составные части: источник 11 воды высокого давления (ИВД), насосную станцию 12 системы управления (СУ), насосную станцию 10 привода горизонтального перемещения (НСГП) рабочего органа.

Гидросистема включает в качестве управляющих устройств, например, электроуправляемый гидрораспределитель 39 и гидроуправляемые гидрораспределители 36 и 38. В качестве исполнительных устройств в состав гидросистемы включены гидродвигатели 40 привода механизмов 9 горизонтального перемещения рабочего органа, распределительное устройство с установленными на его корпусе 20 гидроуправляемыми клапанами с устройством их управления и гидроцилиндр 37. В состав предложенного устройства входят также гидросъемник 17, коронка 5, оснащенная механическими режущими средствами 13, соплами (струеформирующими насадками) 14 и каналами 15 подвода воды к соплам 14, а также каналы 19 многоканального трубопровода 16 и соединительные магистрали.

Способ выполнения дноуглубительных работ, включает разрушение грунта рабочими кромками механических режущих средств, установленных на вращающейся коронке, перемещаемой горизонтально и попеременно в обоих направлениях перпендикулярно оси ее вращения при одновременной подаче в область взаимодействия механических режущих средств коронки с разрушаемым грунтом высокоскоростных струй воды высокого давления, последующее извлечение и эвакуацию грунта. Угловой размер α зоны подачи струй воды в направлении горизонтального перемещения коронки не превышает 180°.

При заглублениии Н, равном диаметру D коронки, угловой размер α зоны подачи воды высокого давления равен 180°, а верхнюю точку зоны подачи воды располагают в верхней точке коронки. При заглублениии Н, меньшем величины диаметра D коронки, угловой размер α зоны подачи воды высокого давления устанавливают по формуле: 2arcsin<α<180°, а верхнюю точку зоны подачи воды располагают выше или на уровне разрушаемого грунта.

Существо способа и его операции также хорошо поясняются работой устройства.

Устройство для осуществления способа выполнения дноуглубительных работ работает следующим образом.

После фиксирования базового судна 7 (Фиг.1) в исходном положении включают насосные станции 10 и 12 соответственно привода горизонтального перемещения (НСГП) и системы управления (СУ), а также источник 11 воды высокого давления ИВД. Затем включают двигатели 3 привода вращения вала 4 рабочего органа с коронкой 5 и посредством механизма 8 установочного перемещения опускают коронку 5 на заданную глубину с образованием уступа заглубления заданной величины "Н".

При этом подаваемая ИВД 11 вода поступает через входной канал 18 в невращающуюся часть гидросъемника 17 и далее через вращающуюся часть по вращающемуся выходному каналу 28 поступает во входные каналы 27 всех клапанов распределительного устройства одновременно.

До включения электроуправляемым золотником гидрораспределителя 39 приводных гидродвигателей 40 механизмов рабочего горизонтального перемещения рабочего органа (правой или левой лебедок) на гидрораспределители 36 и 38 управляющих сигналов не поступает, они находятся в нейтральном положении, масло поступающее к ним от станции 12 управления попадает в сливную магистраль. Камеры 22 управления всех клапанов при этом соединены со сливной магистралью и потоком воды, поступающей от ИВД во входные каналы 27, клапаны открываются и пропускают воду во все каналы 19 многоканального трубопровода 16. Далее по каналам 15 через сопла 14 вода поступает ко всем режущим средствам 13 коронки 5. Давление воды перед соплами при этом равно половине рабочего давления.

При включении (посредством электроуправляемого гидрораспределителя 39) гидродвигателей 40 привода механизмов 9 рабочего горизонтального перемещения рабочего органа сигнал управления поступает соответственно к одной из камер, управляющих реверсивными гидрораспределителями 36 и 38. При этом золотники гидрораспределителей 36 и 38 смещаются в соответствующую сторону и подключают к напорной и сливной магистралям станции управления каналы 34 и 35 управляющего устройства и рабочие полости гидроцилиндра 37. В результате рабочий орган с вращающейся коронкой перемещается в горизонтальном направлении (вправо или влево), а корпус управляющего устройства доворачивается на некоторый угол и фиксируется в этом положении. Плоскость, в которой происходит переключение (закрывание и открывание) клапанов при этом может быть повернута на некоторый угол относительно вертикали. Вода высокого давления от ИВД поступает по трубопроводу 18 в гидросъемник 17 и далее по общему каналу 28 поступает во входные каналы 27 клапанов. Одновременно, от насосной станции 10 управления СУ системой, рабочая жидкость через гидрораспределитель 36 и далее по одному из серповидных пазов корпуса 33 управляющего устройства, (например левому, при движении рабочего органа и коронки вправо) поступает (при вращении приводного вала, корпуса 20 распределительного устройства и золотника 32) только в камеры 22 управления клапанов, находящихся слева, и эти клапаны закрыты. При этом камеры 22 управления клапанов, находящихся справа, посредством управляющего устройства и гидрораспределителя 36 соединены со сливом и эта группа клапанов открыта. Благодаря этому вода высокого давления по соответствующим каналам 19 многоканального трубопровода 16 поступает только к тем режущим средствам 13, которые находятся в расположенной справа зоне разрушения грунта или в непосредственной близости от нее (Фиг.9). Для изменения направления движения рабочего органа и коронки на противоположное (например, влево) электроуправляемым гидрораспределителем 39 меняют направление вращения гидромоторов 40. При этом одновременно переключаются гидрораспределители 36 и 38, корпус 33 управляющего устройства гидроцилиндром 37 поворачивается на тот же угол в другую сторону, меняется на противоположное подключение к напору и сливу серповидных пазов корпуса 33 управляющего устройства, клапаны, находящиеся справа, закрываются, соответственно слева - открываются и угловое пространственное положение зоны подачи воды высокого давления меняется одновременно с реверсом горизонтального перемещения рабочего органа.

При этом величина угла доворота может устанавливаться предварительно за счет регулировки положения точки закрепления (Фиг.6, 7 и 8) опоры 41 гидроцилиндра 37 на раме 1 и изменения рабочего хода его штока тем или иным известным способом.

При исполнении управляющего устройства в соответствии с Фиг.7 в зависимости от ожидаемой величины заглубления коронки может быть изменен и угол α, на протяжении которого происходит непосредственный контакт резцов коронки с разрушаемым грунтом, либо предварительной установкой управляющего устройства соответствующей конструкции (Фиг.7), или при исполнении его в соответствии с Фиг.8, угол α может быть изменен в процессе работы, одновременно с реверсом направления движения рабочего органа, соответствующим подключением к сливу и напору необходимого числа серповидных пазов.

При выполнении рабочего органа в соответствии с Фиг.3, (при закреплении корпуса 20 непосредственно на приводном валу) за счет угловой деформации приводного вала 4, которая при большой длине (порядка 40 м) рабочего органа может достигать значительной величины, возникает рассогласование между угловым положением золотника 32 управляющего устройства и угловым положением коронки, величина рассогласования при этом зависит от величины крутящего момента, передаваемого валом.

При выполнении рабочего органа в соответствии с Фиг.5, (при закреплении корпуса 20 распределительного устройства на корпусе многоканального трубопровода 16) и обеспечении кинематической связи корпуса 20 непосредственно с коронкой, указанное рассогласование устраняется.

Промышленная применимость.

Таким образом, конструкция устройства обеспечивает реализацию основных признаков предлагаемого способа выполнения дноуглубительных работ. Реализация изобретения позволяет в два раза и более снизить расход воды подаваемой для разрушения грунта или, при тех же энергетических затратах значительно повысить давление воды, что в свою очередь существенно повышает эффективность разрушения.

Предлагаемый способ выполнения дноуглубительных работ и устройство для его осуществления разработаны ООО фирмой "НИТЕП", устройство изготовлено на ОАО "Скуратовский экспериментальный завод" и находится на промышленных испытаниях на Бельгийской фирме "Dredging International N.V.". Испытания показали возможность эффективного промышленного применения изобретения.

Изобретение относится к способам и оборудованию, применяемым при выполнении дноуглубительных работ, и может быть использовано в конструкции землесосных снарядов. Техническим результатом является повышение эффективности работы. Для этого способ включает разрушение грунта рабочими кромками механических режущих средств, установленных на вращающейся коронке, перемещаемой горизонтально и попеременно в обоих направлениях перпендикулярно оси ее вращения, при одновременной подаче в область взаимодействия механических режущих средств коронки с разрушаемым грунтом высокоскоростных струй воды высокого давления, последующее извлечение и эвакуацию грунта. Причем угловой размер α зоны подачи воды высокого давления в направлении горизонтального перемещения коронки устанавливают в диапазоне где H - заглублениие, D - диаметр коронки. Устройство для осуществления способа, содержит установленные на базовом судне источник воды высокого давления и снабженный приводом вращения и механизмами установочного и управляемого реверсивного горизонтального перемещения рабочий орган в виде полого вала, установленного в опорах вращения на несущей раме, и на выходном конце которого закреплена режущая коронка, оснащенная механическими режущими средствами и струеформирующими насадками, которые через каналы подвода к ним воды, вращающийся трубопровод, помещенный внутри полого вала, гидросъемник и невращающийся трубопровод соединены с источником воды высокого давления, причем корпус распределительного устройства жестко соединен с входным концом полого вала. Причем, по крайней мере, часть вращающегося трубопровода выполнена многоканальной, струеформирующие насадки объединены в группы, число которых равно числу каналов многоканальной части трубопровода и каждая группа подсоединена к выходу одного из каналов, входные концы которых подсоединены к распределительному устройству, при этом многоканальная часть трубопровода помещена в компенсирующий закрутку полого вала корпус, соединенный одним концом с корпусом распределительного устройства, а другим - с выходным концом полого вала. 2 н. и 5 з.п.ф-лы, 10 ил.

1. Способ выполнения дноуглубительных работ, включающий разрушение грунта рабочими кромками механических режущих средств, установленных на вращающейся коронке, перемещаемой горизонтально и попеременно в обоих направлениях перпендикулярно оси ее вращения, при одновременной подаче в область взаимодействия механических режущих средств коронки с разрушаемым грунтом высокоскоростных струй воды высокого давления, последующее извлечение и эвакуацию грунта, отличающийся тем, что угловой размер α зоны подачи воды высокого давления в направлении горизонтального перемещения коронки устанавливают в диапазоне где H - заглублениие, D - диаметр коронки.2. Устройство для осуществления способа, содержащее установленные на базовом судне источник воды высокого давления и снабженный приводом вращения и механизмами установочного и управляемого реверсивного горизонтального перемещения рабочий орган в виде полого вала, установленного в опорах вращения на несущей раме и на выходном конце которого закреплена режущая коронка, оснащенная механическими режущими средствами и струеформирующими насадками, которые через каналы подвода к ним воды, вращающийся трубопровод, помещенный внутри полого вала, гидросъемник и невращающийся трубопровод соединены с источником воды высокого давления, причем корпус распределительного устройства жестко соединен с входным концом полого вала, отличающееся тем, что, по крайней мере, часть вращающегося трубопровода выполнена многоканальной, струеформирующие насадки объединены в группы, число которых равно числу каналов многоканальной части трубопровода и каждая группа подсоединена к выходу одного из каналов, входные концы которых подсоединены к распределительному устройству, при этом многоканальная часть трубопровода помещена в компенсирующий закрутку полого вала корпус, соединенный одним концом с корпусом распределительного устройства, а другим - с выходным концом полого вала.3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что распределительное устройство выполнено клапанным и снабжено механизмом управления работой клапанов этого устройства.4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что корпус механизма управления соединен с несущей рамой рабочего органа, а вращающаяся часть этого механизма - с корпусом распределительного устройства.5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что механизм управления работой клапанов соединен линией управления с блоком управления реверсивного горизонтального перемещения рабочего органа.6. Устройство по п.4 или 5, отличающееся тем, что корпус механизма управления соединен с несущей рамой рабочего органа через управляемый механизм доворота этого корпуса.7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что блок управления доворотом соединен линией управления с блоком управления реверсивного горизонтального перемещения рабочего органа.