Исследования грунтозаборных устройств земснарядов

1. Введение

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/м3. 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/м3.

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: ΔНвх = ζ V2/2g = 1х 42/20 = 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.

2. Постаноновка исслеледований и их оснащение

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/см3, пористость n= 0,33, объёмный вес гранул γ = 1,37 г/см3), гравий — гранулами фасоли (объёмный вес в насыпи γ = 0.753 г/см3, пористость n= 0,377, объёмный вес гранул γ = 1,21 г/см3).

Модели ГЗУ изготавливались из картона, пластмассы и жести. Все устройства были оснащены патрубками Д вн = 26 мм, которые стыковались с всасывающими трубками пылесоса «Шмель» для всасывания гранул и пылесоса «Samsung» для определения коэффициента входного сопротивления.

Первоначально проводились опыты по всасыванию гранул пшена и измерению коэффициента входных сопротивлений моделей, позднее были проведены опыты по всасыванию гранул фасоли.

Гранулы насыпались в глубокую кюветку, поверхность гранул горизонтально разравнивалась. Грунтозаборное устройство размещалось на поверхности гранул или заглублялось в слой в зависимости от конструкции модели. Включался пылесос «Шмель» при неизменном положении ГЗУ. Начинался процесс всасывания гранул, продолжительность которого составляла несколько секунд, до тех пор, когда из образовавшейся воронки гранулы более не всасывались.

Затем пылесос открывали, гранулы из пылесборника пересыпали в мерный цилиндр Д = 26 мм. Линейкой измерялась высота наполнения цилиндра гранулами и вычислялся объём воронки. Образовавшаяся воронка предельного всасывания гранул фотографировалась и замерялась, составлялся эскиз воронки. С каждым ГЗУ опыты повторялись не менее 3-х раз, а при разбросе значений измерений объёма воронки более 10% — многократно.

На рис. 1 изображена схема устройства для всасывания гранул, на рис. 2 — схема измерения разряжения во всасывающем патрубке модели ГЗУ.

На рис. 3 приведена фотография используемых в опытах устройств для определения эффективности всасывания гранул.