↓ Наведите мышкой на рубрику в меню чтобы увидеть каталог техники ↓
Навигатор: Главная > Почитать
На нашем новом сайте вы сможете посмотреть всю технику, оборудование и сделать заказ!


Траншеекопатели на вечной мерзлоте

Бескрайние просторы тундры, севернее Нового Уренгоя и выше - на Ямал, хранят значительные запасы газа. Одна беда, все эти места за Полярным кругом - зона вечной мерзлоты. Экстремальный климат означает, что летом здесь жара, и верхний слой почвы оттаивает на 1-1,5 м, и работать на таком основании нет никакой возможности.

Единственная возможность - зима. Хорошо, что в тех краях она очень длинная, плохо, что очень холодная. Минус 50, да с ветром - нормальная обстановка.
Газ и нефть - это, кроме всего прочего, сотни и тысячи километров трубопроводов, чаще всего уложенных в траншею.

Копать траншеи вручную от апреля до первого снега, как это делает моя знакомая бригада розовощеких землекопов в Подмосковье, - занятие не для Крайнего Севера. Но холод и ветер - это еще не все. Сама вечная мерзлота бросает вызов землеройной технике.

Общий вид траншеекопателя
Mastenbroek HRT-85
Особенности работы на вечной мерзлоте
"Вечная мерзлота" - это неоднозначный термин, распространяемый и на явление охлаждения пород верхней части земной коры до нулевой и отрицательной температуры, и на сами породы, отвердевшие в результате замерзания в них влаги; и на толщу (слой) или зону (область горизонтального распространения) не оттаивающих длительное время грунтов и т.д.
Применительно к землеройной технике речь идет, конечно, о многолетнемерзлых породах, многочисленные разновидности которых могут быть обобщены в виде формаций замороженных слоев грунта.
При "нормальных" условиях массовой проходки траншей самой эффективной технологией является применение траншеекопателей. Скорость проходки по сравнению с обычным экскаватором может быть до 6 раз выше, объем извлекаемого материала (а соответственно, и энергозатраты) - существенно меньше, сам извлеченный материал имеет тонкую структуру и готов для обратной засыпки, а траншея в большинстве случаев сразу же готова для окончательной закладки труб.
В настоящее время наиболее популярная технология проходки траншей на вечной мерзлоте - взрывы и обычный экскаватор. По экономическим и экологическим соображениям траншеекопатель, безусловно, был бы лучше. Постепенно современные мощные траншеекопатели выходят на мерзлые грунты. О некоторых примерах еще будет сказано ниже. Однако в целом на вечной мерзлоте эта технология наталкивается на существенные проблемы.

Избыточная теплота
При работе траншеекопателя трение, создаваемое режущей цепью, производит огромное количество теплоты, которая расплавляет присутствующий в грунте лед. В результате, в отличие от "нормального" грунта, вместо резания или скалывания материала режущие зубья цепи "производят воду", которая, смешиваясь с твердыми частицами породы, формирует плотный полужидкий материал, тут же остывающий и "забивающий" цепь и препятствующий проникновению режущих зубьев в разрабатываемую поверхность, останавливая тем самым процесс резания. Способствует этому процессу часто встречающееся мелкодисперсное состояние смеси воды и твердых частиц в многолетнемерзлых породах.
Другое наблюдаемое явление заключается в проскальзывании режущих зубьев по поверхности резания из-за недостаточной проникающей силы, приложенной к каждому зубу, и все того же расплавленного материала, действующего как смазка.
Еще одна проблема, связанная с тепловыделением, состоит в том, что образующаяся в результате плавления льда влага вместе с мелкими частицами породы проникает внутрь копающего зуба, в пространство между наконечником и держателем. Далее эта вода, замерзая внутри, препятствует вращению наконечника вокруг держателя, что резко ускоряет износ зуба, а в результате столь же резко увеличиваются и эксплуатационные расходы на смену зубьев и цепей.

Недостаточный вес
В "нормальных" условиях для самого "толстого" трубопровода ширины траншеи в 2-2,5 м более чем достаточно. В условиях вечной мерзлоты это не так. Поскольку труба с газом имеет плотность меньше плотности воды, то, по закону Архимеда, в период летнего таяния труба всплывет и останется на поверхности навсегда.
Чтобы избежать всплытия трубопровода, траншею прокладывают в 2-3 раза шире нужной величины, а поперек уложенной посередине трубы кладут обвязку, прикрепленную к грузам, размещаемым по обеим сторонам трубы вдоль всей длины траншеи. Система "трубопровод - грузы" рассчитывается так, чтобы она тонула, а не всплывала в воде.
Для проходки сверхширокой траншеи никто не станет делать сверхмощный траншеекопатель (его цена и возможности транспортировки выйдут за пределы разумного). Решением является проходка траншеекопателем параллельно рядом двух траншей, с последующим извлечением материала из промежутка обычным экскаватором. Хотя технология в целом, конечно, усложняется. Но проблема избыточной теплоты остается. Известно два решения, позволяющих обойти эту проблему.

Механический привод
На современных траншеекопателях используется два типа силовых передач. Наиболее часто встречающимся является гидростатический привод, завоевавший широкое признание не только в траншеекопателях, но и в других типах машин благодаря своим существенным достоинствам, среди которых простота управления, бесконечная регулировка скорости и момента, компактные размеры, гибкость размещения, отсутствие сцепления и больших редукторов и др. Компания "Trencor", США, в своих скальных траншеекопателях реализует механическую силовую передачу. Для условий вечной мерзлоты из полного списка достоинств механической передачи Trencor важнейшим является то, что этот привод развивает более высокий момент при малых скоростях движения цепи. Меньше скорость цепи - меньше интенсивность выделения тепла и, следовательно, меньше проблем, связанных с тепловыделением.

Циклический траншеекопатель
Кардинально новое решение дает циклический траншеекопатель.
Патентами GB 0025899.6, РСТ/GB01/04664 и др. компания "Mastenbroek", Великобритания, защитила принципиально новую технологию проходки траншей. Чтобы разобраться в ней, сравним два процесса, обычный и новый.

Обычный процесс
Он основан на движении бесконечной цепи вокруг стрелы и холостого колеса, опущенных на требуемую глубину траншеи позади силового блока. Движение траншеекопателя вперед приводит режущие зубья цепи в контакт с поверхностью резания. Контактирующие зубья проходят по нижней части стрелы, осуществляя процесс резания и вытягивая обрезки наверх траншеи.
В этом процессе возникает несколько существенных проблем:
- Нижняя часть стрелы по всей своей длине контактирует с внутренней стороной цепи, прижимая цепь к поверхности резания траншеи. За счет трения генерируется огромное количество тепла, как в стреле, так и в цепи.
- Поскольку вся поверхность резания траншеи атакуется одновременно, то в один и тот же момент времени с поверхностью контактирует большое число зубьев. Это приводит к уменьшению проникающей силы, прилагаемой к каждому отдельному зубу.
- Сила, которая может быть приложена к режущим зубьям на поверхности резания, ограничивается весом машины, поскольку эта сила стремится поднять машину и оторвать ее от контакта с землей. Можно добавить дополнительный противовес, но, очевидно, имеется предел того, как много может нести на себе машина и все еще сохранять при этом эффективность.

Статическая стрела
Качающая стрела

Новый процесс
Новый процесс резания предлагает нечто прямо противоположное современному образу мысли. Вместо статической стрелы используется качающаяся стрела. Вместо того чтобы тянуть режущую стрелу на поверхность резания, копающую головку стрелы толкают в поверхность резания. Ниже дается краткое описание процесса, проиллюстрированное диаграммами.
Начиная от дна траншеи (a), машина с работающей режущей головкой продвигается вперед. В этом процессе нижняя часть траншеи подрезается (b). После этого задействуется механизм подъема для поднятия режущей головки и цепи к поверхности (c). Затем копающая стрела опускается к основанию траншеи (d) и процесс повторяется. Обрезки выносятся на поверхность верхней частью цепи как транспортером. Весь цикл копания выполняется посредством системы управления, которая регулирует подачу мощности на работу резания для достижения оптимальной скорости проходки.

Схематические диаграммы нового процесса
Вот вкратце преимущества, которые дает данный процесс:
- Сила, создаваемая при резании между режущей головкой и поверхностью земли, ограничена только силой, развиваемой механизмом подъема, а не весом самой машины. Благодаря этому полный потребный вес машины может быть уменьшен, он уже не является ограничивающим фактором.
- В новом процессе только режущая головка задействована в резании материала, что уменьшает количество резцов, находящихся в контакте с поверхностью резания в каждый момент времени, и, следовательно, увеличивает среднюю силу, приходящуюся на каждый зуб, обеспечивая более глубокое проникновение в материал.
- Уменьшение количества контактирующих резцов и времени их контакта существенно уменьшает количество теплоты, выделяемой при резании. Снижению трения (и выделения теплоты) способствует также то, что резание осуществляется только резцами, находящимися на колесе (трение качения), вне этой зоны резцы с грунтом не контактируют, исключая существенную долю трения скольжения.
Общий вид траншеекопателя Mastenbroek дает дополнительное представление о новой технологии. Максимальная в типоразмерном ряду машина НКТ-85 при мощности 800 л.с. предназначена для проходки траншей до 5 м глубиной при ширине 2 м.

Случаи из жизни

"Северо-Западная Лизинговая Компания", С.-Петербург, любезно предоставила отчет об испытаниях траншеекопателя Trencor 1260HD (402 л.с.) на севере Канады при проходке 50 км траншеи для газопроводной трубы 155 мм. В отчете отмечено постоянное возникновение проблем избыточного тепловыделения и усилия команды проходчиков по их преодолению. Испытания признаны успешными.
Работу той же машины Trencor 1260НБ автор лично наблюдал в феврале 2004 г. в окрестностях Нового Уренгоя (66° северной широты) при окружающей температуре -37 °С. Ширина траншеи составляла 90 см при глубине примерно 2,5 м. Условия проходки показались весьма благоприятными для машины такого класса. Извлекаемый материал представлял собой смесь гранулированного песка с почвой при относительно низком содержании льда. Скорость проходки при этих условиях составляла примерно 1 м/мин. После остановки осмотр показал, что все наконечники резцов были заклинены на держателях, что, по-видимому, объяснялось попаданием влаги и ее последующим замерзанием.
В тот же период времени в 150 км севернее Нового Уренгоя автор наблюдал за действиями еще одной машины, аналогичной по классу, но от другого производителя. Условия проходки были существенно более жесткими. Тонкая смесь песка и плотного сплошного льда не позволила траншеекопателю развить сколько-нибудь заметную эффективность. За 1,5 часа непрерывной работы удалось лишь заглубиться на требуемую глубину (примерно 2,5 м при ширине 50 см) и пройти не более 3 м. Такой неудачный опыт говорит о необходимости, как минимум, применения резцов иной конструкции, а как максимум, внедрения тех кардинальных конструктивных решений, о которых сказано выше. И тогда траншеекопатели дадут в руки строителей экономически и экологически эффективную технологию проходки траншей на вечной мерзлоте.

Метки страницы:
Грунторезы,