Обоснование выбора комплекса оборудования для разработки траншеи при строительстве магистральных трубопроводов пересекающих водоемы

Земляные работы в условиях болот и заболоченной местности  должны выполняться по схемам:

Схема 1. При глубине торфяного слоя до 1 м с подстилающим основанием, имеющим высокую несущую способность, разработка траншеи осуществляется с предварительным удалением торфа бульдозером или экскаватором. Глубина траншеи на 0,15 – 0,2 м ниже проектной отметки. При использовании экскаватора для выторфовывания протяженность создаваемого фронта работ должна быть 40 – 50 м.

Схема 2. При глубине торфяного слоя более 1 м с подстилающим основанием, имеющим низкую несущую способность, разработка траншей должна осуществляться с применением сланей или корытообразной пене.

Болота большой протяженности  с низкой несущей способностью торфяного  покрова следует проходить зимой, а заболоченные участки – также и летом.

Схемы разработки траншеи  одноковшовым экскаватором в грунтах  естественной влажности и на обводненных  участках, где предусмотрена балластировка  трубопровода утяжеляющими пригрузами, приведены на рис. 4, 5.

Рис. 4. Схема организации работ по разработке траншеи одноковшовым гидравлическим экскаватором в нормальных условиях: 1 – колышки; 2 – вешки; 3 – траншея; 4 – экскаватор

 

 

Рис.5. Схема организации работ по разработке траншеи одноковшовым гидравлическим экскаватором на болотах с использованием сланей

 

 

 

Разработка траншеи мерзлого грунта с использованием тракторных рыхлителей мощностью 250-500 л.с. должна осуществляться по следующим схемам:

Схема 1. При глубине промерзания грунта до 0,8м стоечным рыхлителем грунт разрыхляется на всю глубину промерзания, а затем разрабатывается одноковшовым экскаватором.

Выемку разрыхленного  грунта необходимо осуществлять сразу  после рыхления (рис. 6).

Схема 2. При глубине промерзания грунта до 1 м работы необходимо вести в следующей последовательности:

• рыхление грунта стоечным рыхлителем за несколько проходов, затем выбор разрыхленного грунта бульдозером вдоль траншеи;
• оставшийся грунт с глубиной промерзания менее 0,4 м должен разрабатываться одноковшовым экскаватором.

Схема 3. При глубине промерзания грунта до 1,5 м работы допускается проводить аналогично предыдущей схеме.

Рыхление грунта должно осуществляться стоечным рыхлителем, оснащенным одним или несколькими зубьями.

Рис.6. Схема разработки траншеи в мерзлом грунте с предварительным рыхлением его механическим рыхлителем: а – снятие снежного покрова; б – рыхление грунта механическим рыхлителем; в – планировка разрыхленного грунта; г – разработка траншеи экскаватором.

3.1 Экскаваторы

Для разработки траншей в  процессе строительства магистральных  нефтепроводов применяются экскаваторы  циклического и непрерывного действия.

3.1.1 Одноковшовые  экскаваторы

Одноковшовые экскаваторы  представляют собой машины, предназначенные  для разработки траншей и котлованов. Одноковшовые экскаваторы являются машинами общестроительного назначения. Они широко применяются при строительстве  магистральных трубопроводов. Рабочий  процесс экскаватора состоит  из следующих операций:

• рабочего хода (копания) ковша;
• поворота стрелы и выгрузка ковша;
• холостого (обратного) хода ковша и перемещение самого экскаватора по мере разработки траншеи.

Рабочее, силовое и вспомогательное  оборудование, основная часть трансмиссии, механизм управления, а также кузов  экскаватора расположены на платформе. Она опирается на ходовую часть  экскаватора при помощи опорно-поворотного  устройства и может поворачиваться в горизонтальной плоскости.

По конструкции ходового оборудования экскаваторы, применяемые  для строительства магистральных  трубопроводов, разделяются на гусеничные, на специальном шасси, на базе трактора или автомобиля, пневмоколесные, по силовому оборудованию – на дизельные  и комбинированные: дизель-электрические  и дизель-гидравлические (рис 7).

Рис. 7. Экскаватор гусеничный гидравлический

 

Главным параметром экскаватора  принят объем его ковша. На строительстве  трубопроводов в основном получили распространение экскаваторы с  емкостью ковша от 0,1 до 0,6 м³.

Одноковшовые экскаваторы  общестроительного назначения получили название – универсальных потому, что кроме рытья траншей и  котлованов ими про соответствующем  переоборудовании производят погрузо-разгрузочные и монтажные работы, забивку свай, корчевку леса, рыхление мерзлоты, трамбовку, планировку и многие другие работы. Для этого одноковшовые экскаваторы  снабжаются сменным рабочим оборудованием. Под сменным рабочим оборудованием  подразумевается те части экскаватора, посредством которых производятся копание и рыхление грунта, подъем грузов, зачерпывание и перегрузка сыпучих материалов и т.д.

Одноковшовый экскаватор, являясь по существу универсальной  землеройной машиной, малопроизводителен при разработке многокилометровых  траншей, служащих для укладки магистральных  трубопроводов. Для этой цели необходимых  специализированные машины непрерывного действия. К таким машинам относятся  цепные и роторные траншейные экскаваторы, составляющие класс многоковшовых  экскаваторов.

3.1.2 Экскаватор  непрерывного действия

Цепной траншейный экскаватор – самоходная землеройная машина непрерывного действия, снабженная рабочим  органом в виде бесконечной цепи с навешенными на нее на определенном расстоянии друг от друга ковшами.

Ковшовая цепь монтируется  на специальной наклонной или  вертикальной подъемной раме, расположенной  в задней части тягача.

Вследствие большого количества шарнирных соединений цепной рабочий  орган обладает сравнительно меньшей  жесткостью, более подвержен износу и способен работать на меньших скоростях, чем роторный. В связи с тем, что цепные экскаваторы имеют  меньшую производительность и надежность, а также менее маневренны в  рабочем положении по сравнению  с роторными траншейными экскаваторами, они не нашли применение при строительстве магистральных трубопроводов.

Роторным траншейным экскаватором называется самоходная землеройная  машина, оснащенная рабочим органом  в виде жесткого колеса (ротора) с  расположенными по его периметру  ковшами и предназначенная для  рытья траншей определенного  профиля. Роторные траншейные экскаваторы  благодаря жесткой конструкции  своего рабочего органа способны разрабатывать  более плотные грунты (например, разборную скалу), чем цепные. Роторные траншейные экскаваторы формируют  траншею прямоугольного сечения  с вертикальными стенками; При  оснащении его рабочего органа двумя  наклонными ножами-откосниками может  разрабатывать траншею трапецеидального сечения. Производительность экскаваторов этого типа (при одних и тех  же размерах траншеи и одинаковой установленной мощности двигателя) в два раза выше производительности цепных и в пять – шесть раз  выше производительности одноковшовых экскаваторов.

3.2 Расчет одноковшовых экскаваторов

Таблица 7. Технические характеристики экскаватора

Показатели	Э-5015А	R220LC-7	PC400-6	ZX650LC
Вместимость ковша, м3	0,5	1.44	1.8	2.5
Наибольшая грузоподъемность кранового оборудования, т	-
Габаритные размеры (без  рабочего оборудования, м: Длина Ширина Высота	5,7 2,77 6,1	10.980 3.280	11,835 3,340 9,2	13.200 4.340 4.460
Тип ходового устройства	Гусеничный
Таблица 7 (продолжение)
Скорость передвижения, км/ч	2	5.4 (3.2)	5,5 (3,2)	4.9 (3.4)
Длина ходовой части, м	3,7	4.94	4,02	5.02
Ширина ходовой части, м	2,77	3.28	3.34	4.38
Ширина гусеничной ленты, м	0,61	0.6	0.6	0.75
Преодолеваемый уклон, град	22	35	35	35
Двигатель	СМД-14	Cummins C8.3-C		AH-6WG1XYSA-02
Мощность двигателя, л.с.	75 (56)	173 (232)	228 (305)	345 (469)
Управление механизмами	Гидравлическое
Наибольшая глубина копания: Траншеи Котлована Наибольший радиус (высота) выгрузки	4,5 2,5   7	7370 6.360   7.5	7,76 6,85   7,57м	9150 7.120   7.7
Масса экскаватора, т	11,25	32200	41,400	65.900
Давление на грунт, кгс/см2	0,35	0.6	0,79	0.66
Продолжительность цикла, с	15	15	15	15

Таблица 8. Значение коэффициента наполнение К_н для одноковшовых экскаваторов

Наименование грунтов	Коэффициент наполнение для  одноковшовых экскаваторов
	Прямая и обратная лопата	Драглайн
Песок и гравий сухие, щебень и взорванная скала	0,95-1,02	0,8-0,9
Песок и гравий влажные	1,15-1,23	1,1-1,2
Таблица 8 (продолжение)
Суглинок сухой	1,05-1,12	0,8-1,0
Суглинок влажный	1,2-1,32	1,15-1,25
Глина средняя	1,08-1,18	0,98-1,06
Глина влажная	1,3-1,5	1,18-1,28
Глина тяжелая	1,0-1,1	0,95-1
Плохо взорванная скала	0,75-0,9	0,55-0,8

Расчет экскаватора  Э-5015А

Техническая производительность одноковшовых экскаваторов

 

где – вместимость ковша,

 – коэффициент  разрыхления породы;

 – коэффициент  наполнения ковша для грунта  поставленной в условиях задачи;

 – продолжительность  цикла.

 

Эксплуатационная производительность:

 – для разработки  в отвал;

 – для разработки  в кузов автосамосвала.

где – коэффициент, зависящий от уровня квалификации машиниста экскаватора (в нашем случае – высокая), принимаем равное 0,98;

 – коэффициент  использование экскаватора в  смену принимаем 0,75.

Теоретическая производительность, применяется только как часовая:

 

Мощность необходимая  при наиболее энергоемкой операции капания грунта:

 

где А – удельная энергоемкость копания, равная работе, затрачиваемой на разработку 1 м³ грунта, А=180 кПа, так как грунт 2 категории.

 

где – время копания;

 – продолжительность  рабочего цикла;

 – коэффициент  использования двигателя при  копании с учетом привода вспомогательный  устройств (0,75);

 – коэффициент полезного  действия привода и рабочего  оборудования, принимаемый для экскаваторов  с гидравлическим приводом (0,52-0,64).

 

Расчет количества экскаваторов

С учетом эксплуатационной производительности экскаватора и  количества рабочих дней, выделяемых на разработку траншеи, количество часов  работы:

 

 

В приложении 3, 4 рассчитаны количество экскаваторов для разработки траншеи четырех разных видов, мощностей экскаваторов. Выбираем для разработки траншеи на участках ПК 7921+00 – 7921+48,00; ПК7922+55-7947+00; ПК7951+69-7952+62,5; ПК 7921+48-7922+55; ПК7947+00-7949+72; ПК 7951+52,51-7951+69 со сланями; работа в 2 смены по 10 часов, экскаватор R220LC-7 с ковшом объемом 1,44 в количестве 3 шт.

3.3 Экскаватор-драглайн

Гибкая подвеска ковша  и легкая решётчатая стрела драглайна  обеспечивает наибольший радиус, наибольшую глубину копания, а также наибольшую высоту выгрузки по сравнению с другими  видами рабочего оборудования экскаваторов. Кроме того, драглайны обладают высокой производительностью. Однако гибкая подвеска ковша не обеспечивает достаточной точности копания и выгрузки. Перемещение грунта в транспортные средства драглайнами затруднительно. Поэтому выгрузка грунта или полезных ископаемых производится в отвал — откуда перегружается в транспортные средства экскаваторами типа мехлопата или погрузчиками.

Ковш драглайна подвешивается  на цепях к подъемному и тяговому канатам.

Подъёмным канатом осуществляется вертикальное перемещение (подъём ковша). Тяговым канатом осуществляется подтягивания ковша к машине. При  этом происходит подрезка грунта и  наполнение ковша.

При одновременном натяжении тягового и подъёмного канатов увеличивается  расстояние между соединительным звеном и опрокидным блоком, что вызывает натяжение разгрузочного каната, и соответственно — подъёмом передней части ковша. В таком положении ковш, наполненный грунтом поднимают из забоя и переносят (за счёт поворота платформы экскаватора) к месту разгрузки.

Для разгрузки ковша тяговый  канат ослабляют. При этом ослабляется  и разгрузочный канат. В результате ковш опрокидывается и грунт высыпается из него.

Драглайн способен обеспечить высокое  усилие копания, при условии, что  в начале хода ковш заглубится в  грунт (ковш заглубляется в грунт  только за счет собственной массы). Поэтому при работе на твёрдых  грунтах в зоне заглубления ковша  грунт разрыхляют (например, клиновым рыхлителем, входящим в комплект некоторых  драглайнов, или взрывными работами) и применяют сменные ковши меньшего объема (из-за большей насыпной плотности более крепких пород).

Рис 8 Экскаватор-драглайн

Таблица 9. Техническая характеристика экскаваторов-драглайн

Показатели	ЭО-5111	ЭО-4112	Э-651
Вместимость ковша, м3	1,2	1,0	0,5
Габаритные размеры (без  рабочего оборудования, м: Длина Ширина Высота	5,49 3,100 3,42	5,300 3,100 3,400	4,15 2,8 3,1
Тип ходового устройства	гусеничный
Скорость передвижения, км/ч	2	4,3 (2,4)
Длина ходовой части, м		3,82	3,42
Ширина ходовой части, м		2,96	2,85
Ширина гусеничной ленты, м		0,6	0,55
Преодолеваемый уклон, град	20	22	29
Двигатель	Д-108-3	Д-160Б-6	КДМ-46
Мощность двигателя кВт.	79,5	66	58,84
Таблица 9 (продолжение)
Управление механизмами	пневматическое
Наибольшая глубина копания: Траншеи Котлована Наибольший радиус (высота) выгрузки	7,4 12 10,2м	7,6 14,3м 12,5	10 14,3 12,5
Масса экскаватора, т	32,4	20,37	19,4
Давление на грунт, кгс/см2	0,09МПа	0,065Мпа	0,6
Продолжительность цикла, с	20	20	20