UNIVERSITATEA TEHNICĂ DE CONSTRUCŢII BUCUREŞTI

FACULTATEA DE UTILAJ TEHNOLOGIC

HEREA BUZATU CONSTANTIN

TEZĂ DE DOCTORAT

Contribuţii la studiul fenomenelor de eroziune abrazivă în procesele de săpare cu maşinile de construcţii

Conducător ştiinţific Prof.univ.dr.ing. ANGHEL RAICU

BUCUREŞTI 2007

CONTRIBUŢII LA STUDIUL

FENOMENELOR DE EROZIUNE ABRAZIVĂ ÎN PROCESELE DE SĂPARE CU MAŞINILE

DE CONSTRUCŢII

HEREA BUZATU CONSTANTIN

2007

PREFAŢĂ Lucrarea de faţă, intitulată “Contribuţii la studiul fenomenelor de eroziune abrazivă în

procesele de săpare cu maşinile de construcţii”, elaborată cu scopul de a oferi un material necesar, tehnic şi ştiinţific, reprezintă o încercare de a răspunde preocupărilor privind micşorarea uzurii şi creşterea fiabilităţii maşinilor de construcţii pentru săparea pământurilor.

Procesul săpării pământurilor este un proces complex, determinat de numeroşi factori ce ţin atât de parametrii funcţionali ai maşinii de lucru cât şi de caracteristicile pământului săpat.

În cazul maşinilor pentru săparea pământurilor, ca de altfel şi în cazul celorlate maşini, uzarea este un fenomen cu o importanţă deosebită, atât prin scoaterea rapidă din circuitul economic de mari valori materiale, cât şi prin nerealizarea parametrilor funcţionali de precizie şi de productivitate stabiliţi iniţial.

Având în vedere complexitatea şi numărul mare de tipuri de maşini de săpat, luând în considerare materialul bibliografic studiat, precum şi ţinând cont de îndrumările primite, cercetarea a fost restrânsă la echipamentele de afânare mecanică de tip freză, ale drăgilor absorbant – refulante (maşini de săpat ce lucrează într-un mediu apă – particule abrazive) unde fenomenul de eroziune abrazivă este preponderent.

Cercetarea teoretică şi experimentală personală a avut în vedere realizarea posibilităţii de predicţie asupra durabilităţii unei cuple, atunci când se cunosc parametrii de lucru, proprietăţile materialelor şi caracteristicile iniţiale ale microgeometriei”.

Folosind metodele statisticii matematice s-a urmărit stabilirea unor relaţii care să constate efectul diferiţilor factori de influenţă. Generarea unor astfel de ecuaţii permite aprecierea valorii uzurii în condiţii de exploatare.

Rezultatele obţinute corespund obiectivului principal al lucrării de faţă, acela de optimizare tribotehnologică a procesului de săpare şi a mecanismului folosit pentru acest proces.

Pentru sprijinul competent pe care mi l-a acordat, precum şi pentru inţelegerea şi răbdarea sa, doresc să îmi exprim respectoasa recunoştinţă şi să mulţumesc conducătorului stiinţific, dl. prof. dr. ing. Anghel Raicu.

Sunt recunoscător, de asemenea, d-lui prof. dr. ing. Florin Petrescu, decan al Facultăţii de Utilaj Tehnologic din Universitatea Tehnică de Construcţii Bucureşti, pentru îndemnurile şi sprijinul, fără de care această lucrare, poate, nu s-ar fi realizat.

Aduc sincere mulţumiri colegilor mei, din Catedra de Tehnologie Mecanică şi Organe de Maşini, pentru sprijinul lor moral.

Mulţumesc membrilor Comisiei de analiză a tezei pentru onoarea ce mi-au facut-o acceptând participarea, şi, de asemenea, pentru efortul depus pentru examinarea acestei lucrări.

Ţin să mulţumesc familiei mele, pentru răbdarea şi înţelegerea de care a dat dovadă, în permanenţă, de-a lungul elaborării tezei.

Sincera mea gratitudine, prietenului meu George, pentru discuţiile clarificatore pe care le-am avut împreună.

Dedic această lucrare fiilor mei dragi, Bogdan şi Sorin.

Constantin HEREA-BUZATU

INTRODUCERE

Stabilirea temei tezei de doctorat "Contribuţii la studiul fenomenelor de eroziune abrazivă în procesele de săpare cu maşinile de construcţii" s-a bazat pe necesitatea practică a studierii fenomenelor de uzare şi a determinării uzurii în sistemele de dragare, în general, şi în cazul de faţă la mecanismele de afânare mecanică de tip freză.

După cum se cunoaşte, uzura reprezintă pierderea progresivă de material de pe suprafaţa unui corp solid, datorită unor cauze mecanice şi/sau chimice, la contactul acestuia, în mişcare relativă, cu un alt solid, lichid sau gaz.

Atâta timp cât două materiale sunt în contact există uzură. Uzura tehnică sau mecanică implică o schimbare lentă şi, în general nedorită, a dimensiunilor [B13].

Este de reţinut, însă, şi faptul că uzura poate să nu fie un proces de lungă durată. În timp ce uzarea cauzează o pierdere de material a diferitelor componente, spaţiul

(distanţa) dintre suprafeţele în contact se modifică. Acest fapt duce la modificarea caracteristicilor funcţionale ale maşinilor, ale performanţelor şi randamentelor acestora. Uzura este o problemă extrem de complexă ce poate cauza maşinii sau componentelor acesteia scoaterea din uz după ce numai o parte mică din masa lor totală s-a pierdut.

Pe baza experienţei şi a cunoaşterii mecanismelor responsabile de uzare există posibilitatea prezicerii naturii uzurii şi a micşorării ei. O bună predicţie oferă posibilitatea intervenţiei şi limitarea pagubelor.

Înlocuirea componentelor uzate la timp, înainte de avarie, conduce la prelungirea duratei de funţionare a maşinilor, şi implicit, la mai puţine pierderi de producţie cauzate de opriri accidentale.

Procesul uzării în sistemele de dragare este complex şi însoţit de o mare varietate de probleme. Majoritatea modelelor de predicţie a uzurii, descrise în literatura de specialitate se bazează pe descoperiri experimentale obţinute prin teste de laborator realizate pe dispozitive la scară mică. Aceste modele pot fi clasificate ca semiempirice şi experienţa a dovedit că acestea oferă o folosire practică relativ limitată în situaţiile reale de dragare. Aceste limitări sunt datorate unor factori ca de exemplu:

– efectele reducerii la scară; – neliniaritatea relaţiilor dintre diferiţi parametri implicaţi; – nesiguranţă asupra valorilor parametrilor; – condiţii diferite de laborator. Avantajul principal al încercărilor de laborator este, însă, controlul riguros al factorilor de

influenţă. Numai în laborator factorii de influenţă pot fi decalaţi şi analizaţi separat în vederea stabilirii modului lor de acţiune asupra uzării abrazive.

În acelasi timp şi alte argumente pledeaza în favoarea încercărilor de laborator: existenţa unui personal calificat de cercetare si a unei aparaturi complexe, posibilitatea intervenţiei în timpul desfăşurării experimentului şi a modificării pe parcurs a planului experimental.

Consider că este corect ca, ţinând seama de costurile experimentării, să se folosească mijloace de încercare capabile să simuleze cât mai bine procesul real, în condiţiile asigurării modificării controlate a factorilor de influenţă.

Este important ca, în final, soluţiile găsite, în urma experimentelor de laborator şi care au avut rezultatele cele mai veridice, trebuie să fie verificate în condiţii reale de exploatare. Există

situaţii în care încercările în condiţii reale, chiar dacă nu pun sub semnul întrebării rezultatele experimentărilor în laborator, pot aduce unele modificări sau corecţii.

Plecând de la asemenea premize, firma I.H.C. Holland, una dintre cele mai cunoscute în domeniul proiectării şi realizării de sisteme de dragare personalizate, a adoptat un mod de abordare care foloseşte atât date experimentale cât şi o combinaţie de date din teren, expertize proprii, date obţinute de la parteneri.

În anul 2003, această firmă a iniţiat un proict de cercetare al cărui obiectiv a fost să dezvolte modele capabile de predicţie a duratei de viaţă a pompelor şi conductelor într-un sistem de dragare, intitulat WMS (Wear Management System – sistem de management al uzurii). WMS este un instrument elaborat pentru a cuantifica consecinţele financiare ale uzurii astfel încât managementul lucrării de dragare să aibă suport în procesul de luare a deciziilor. Sistemul calculează costurile datorate uzurii, momentul înlocuirii şi numărul de piese necesar pe baza datelor despre navă, proiect şi teren. În cadrul WMS două modele de predicţie au fost dezvoltate:

– un model de predicţie a ratei uzurii în conducte – un model de predicţie a duratei de serviciu a carcaselor şi rotoarelor pompelor. Primul model foloseşte: – experimente de laborator; – un model de tăiere dezvoltat de MTI Holland; – date din teren; – statistici, ca instrument de modelare. Al doilea model de predicţie foloseşte: – principii teoretice; – date din laborator; – date din teren; – expertize proprii; – un instrument de modelare bazat pe teoria "fuzzy logic". În concluzie se poate spune că WMS este un instrument managerial ce oferă posibilităţi

privind: – anticiparea preventivă a uzurii la bordul drăgii, astfel încât producţia să rămână mare

cât mai mult posibil; – determinarea duratei de viaţă a conductelor şi carcaselor pompelor, conform

criteriului grosimii critice a peretelui şi determinarea duratei de viaţă a rotoarelor conform criteriului pierderii de producţie;

– precizarea efectelor schimbării traseului conductelor asupra uzurii şi a preţului de cost;

– precizarea efectelor schimbării materialului asupra uzurii, preţului de cost şi a costurilor de exploatare;

– reprezentarea grafică a costurilor în timpul desfăşurării proiectului de dragare; – emiterea de recomandări pentru comenzile de piese ţinând cont de comandă, livrare şi

timpul de transport; – colectarea datelor asupra uzurii pentru proiecte viitoare; – identificarea verigii slabe în proiect (unde sunt generate costurile cele mai mari). Se constată din cele expuse mai sus importanţa cercetării experimentale de laborator,

continuată de verificarea rezultatelor obţinute în activitatea practică.

Rezultatele obţinute în proiectul WMS sunt, însă, apărate de dreptul de proprietate

intelectuală. Aşadar, nu există posibilitatea cunoaşterii principiilor şi modelelor teoretice utilizate în analiza eroziunii, a datelor din teren şi a expertizelor realizate de către I.H.C. Holland.

Având în vedere cele arătate mai sus şi luând în considerare posibilităţile reduse materiale, financiare şi de acces la date din teren, sub îndrumarea conducătorului ştiinţific al tezei de doctorat, dl. prof.univ.dr.ing Anghel Raicu, am întocmit un proiect de cercetare experimentală a fenomenelor de uzare şi a uzurii ce apar la mecanismele de afânare mecanică de tip freză ale drăgilor absobant refulante. Acest proiect are următoarea structură: 1) Scopul proiectului: – studiul fenomenelor de uzare ce apar la mecanismele de

afânare mecanică de tip freză, determinarea experimentală a uzurii şi stabilirea ierarhiei factorilor de influenţă aleşi.

2) Problema tehnică de rezolvat:

– predicţia uzurii frezei mecanismelor de afânare, în funcţie de factorii de influenţă luaţi în considerare.

3) Analiza tribosistemului – analiza procesului săpării pământurilor;

– analiza maşinilor de construcţii pentru săpat; – analiza maşinilor de săpat prin hidromecanizare; – analiza comportării pământurilor la hidromecanizare; – analiza proceselor de uzare ce apar la sistemele de dragare; – analiza factorilor de influenţă a uzurii frezelor mecanismelor

de afânare.

4) Stabilirea planului de experimentare

– analiza tribometrelor utilizate în cercetarea uzării abrazive; – proiectarea şi realizarea unui tribometru pentru studierea

uzurii frezelor; – selectarea unor factori de influenţă şi determinarea

experimentală a presiunii medii pe suprafaţa de tăiere a frezelor;

– selectarea unor factori de influenţă şi determinarea experimentală a uzurii frezelor cu ajutorul unui număr de epruvete;

– analiza rezultatelor experimentale obţinute (tabelară, grafică, prin metode ale statisticii);

– scrierea unor ecuaţii de regresie pentru presiune şi uzură în funcţie de factorii de influenţă aleşi.

5) Concluzii – verificarea relaţiilor de regresie;

– recomandări pentru alegerea regimului de lucru al frezelor.

CUPRINS

CUPRINS 1

1. MAŞINI DE CONSTRUCŢII UTILIZATE ÎN PROCESELE DE SĂPARE 1 1.1. PROCESUL SĂPĂRII PĂMÂNTURILOR 1 1.2. MAŞINI DE SĂPAT PRIN METODE MECANICE 1 1.2.1. EXCAVATOARE CU O SINGURĂ CUPĂ 1 1.2.2. EXCAVATOARE CU MAI MULTE CUPE 2 1.3. MAŞINI DE SĂPAT ŞI TRANSPORTAT PĂMÂNTURI 3 1.3.1. BULDOZERE ŞI SCARIFICATOARE 3 1.3.2. AUTOGREDERE 4 1.3.3. GREDERE - ELEVATOARE 4 1.3.4. AUTOSCREPERE 4 2. MAŞINI DE SĂPAT PRIN HIDROMECANIZARE 6 2.1. HIDROMONITOARE 6 2.2. DRĂGI REFULANTE 7 2.2.1. CLASIFICAREA DRĂGILOR REFULANTE 7 2.2.2. CONSTRUCŢIA ŞI FUNCŢIONAREA DRĂGILOR REFULANTE 11 2.2.2.1. CORPUL DRĂGII 12 2.2.2.2. INSTALAŢIA DE ABSORBŢIE 13 2.2.2.3. ECHIPAMENTE DE AFÂNARE PREALABILĂ 15 2.2.2.4. POMPA DE NOROI 22 2.2.2.5. INSTALAŢIA DE MANEVRARE A DRĂGII 25 2.2.2.6. INSTALAŢII AUXILIARE ALE DRĂGII 27 2.2.2.7. ANEXELE DRĂGII REFULANTE 28 2.2.3. CALCULUL DRĂGILOR REFULANTE 28 2.2.3.1. CALCULUL POMPEI DE NOROI [M10] 28 2.2.3.2. CALCULUL ECHIPAMENTULUI DE AFÂNARE CU FREZĂ [M10] 30 2.2.3.3. CALCULUL CONDUCTEI 32 3. CARACTERISTICILE PĂMÂNTURILOR 33 3.1. CARACETRISTICILE FIZICO-MECANICE ALE PĂMÂNTURILOR 33 3.1.1. COMPOZIŢIA GRANULOMETRICĂ 33 3.1.1.1. CLASIFICAREA FRACŢIUNILOR GRANULOMETRICE 33 3.1.1.2. REPREZENTAREA GRAFICĂ A COMPOZIŢIEI GRANULOMETRICE A PĂMÂNTURILOR 33 3.1.1.3. CLASIFICAREA PĂMÂNTURILOR DUPĂ COMPOZIŢIA GRANULOMETRICĂ 36 3.1.2. INDICI FIZICI GEOTEHNICI AI TERENURILOR 37 3.2. COMPORTAREA TERENURILOR LA HIDROMECANIZARE 40 3.2.1. PROPRIETĂŢILE FRACŢIUNILOR GRANULOMETRICE 40 3.2.2. COMPORTAREA TERENURILOR LA TĂIERE ŞI SPĂLARE 40 3.2.3. COMPORTAREA TERENURILOR LA TRANSPORT 41 3.2.4. COMPORTAREA LA SEDIMENTARE A TERENURILOR 41 3.2.5. UMFLAREA TERENULUI 41 3.2.6. TALUZUL DE DEPUNERE 41 3.2.7. CEDAREA APEI 41 3.3. PROPRIETĂŢILE FIZICO-MECANICE ALE PARTICULELOR SOLIDE DIN HIDROAMESTEC 42 3.3.1. GREUTATEA SPECIFICĂ 42 3.3.2. FORMA PARTICULEI 42

3.3.3. MĂRIMEA PARTICULEI 44 3.3.4. MĂRIMEA HIDRAULICĂ 45 3.3.5. VITEZA DE PLUTIRE 46 3.4. PROPRIETĂŢILE FIZICE ALE HIDROAMESTECULUI 46 3.4.1. CONSUMUL SPECIFIC DE APĂ 46 3.4.2. CONCENTRAŢIA 46 3.4.3. GREUTATEA SPECIFICĂ ECHIVALENTĂ 47 3.4.4. DENSITATEA ECHIVALENTĂ 48 3.4.5. VÂSCOZITATEA APARENTĂ 49 3.4.6. PRESIUNEA DE DIFUZIE 50 3.4.7. PROPRIETĂŢILE ABRAZIVE 50 4. UZAREA MAŞINILOR DE CONSTRUCŢII ŞI A ORGANELOR LOR DE SĂPARE 52 4.1. ELEMENTE INTRODUCTIVE 52 4.2. FORME DE UZURĂ 52 4.3. DEFINIREA TERMENILOR. INDICATORI 54 4.4. FORME ALE UZĂRII NORMALE DE FUNCŢIONARE 56 4.4.1. UZAREA DE ADEZIUNE 57 4.4.2. UZAREA DE OBOSEALĂ 58 4.4.3. UZAREA DE COROZIUNE 59 4.4.4. UZAREA DE ABRAZIUNE 61 4.4.4.1. CLASIFICAREA UZĂRII ABRAZIVE 61 4.4.4.2. ELEMENTE DE CALCUL. EVALUARE CANTITATIVĂ 63 4.4.5. MODELE DE UZARE ABRAZIVA PRIN EROZIUNE 70 4.5. LIMITE ADMISIBILE ALE UZURILOR 82 4.5.1. NOŢIUNI DE BAZĂ 82 4.5.2. CRITERII DE STABILIRE A LIMITELOR DE UZURĂ 83 5. FACTORII CARE INFLUENŢEAZĂ UZAREA PIESELOR ŞI A MAŞINILOR 86 5.1. PREZENTAREA SINTETICĂ A FACTORILOR CE INFLUENŢEZĂ UZAREA ÎN GENERAL 86 5.1.1. FACTORI DETERMINAŢI DE MATERIAL 86 5.1.2. FACTORI DETERMINAŢI DE GEOMETRIA PIESELOR 87 5.1.3. FACTORI DETERMINAŢI DE LUBRIFIANT 87 5.1.4. FACTORI DETERMINAŢI DE CONDIŢIILE DE EXPLOATARE 87 5.2. FACTORI LUAŢI ÎN CONSIDERARE ÎN APRECIEREA EROZIUNII 88 5.3. CONCLUZII ASUPRA INFLUENŢEI DIVERŞILOR FACTORI 106 6. ANALIZA EXPERIMENTLĂ A EROZIUNII CE APARE, LA FREZELE DRĂGILOR ABSORBANT-REFULANTE, ÎN PROCESELE DE SĂPARE 108 6.1. OBIECTIVELE ANALIZEI 108 6.2. ANALIZA UNOR TRIBOMETRE UTILIZATE ÎN ABRAZIUNE ŞI CERINŢELE NECESARE ÎN CAZUL STUDIULUI EROZIUNII FREZELOR DRĂGILOR 108 6.3. PROIECTAREA ŞI REALIZAREA UNUI TRIBOMETRU SPECIFIC EROZIUNII FREZELOR 110 6.4. SELECTAREA UNOR FACTORI DE INFLUENŢĂ ŞI DETERMINAREA EXPERIMENTALĂ A PRESIUNII MEDII CE APARE PE SUPRAFAŢA PALELOR FREZELOR 113 6.4.1. PLANUL EXPERIMENTAL 113 6.4.2. MATERIALE ABRAZIVE FOLOSITE 114 6.4.3. CONDIŢII DE EXPERIMENTARE 115 6.4.4. REZULTATE OBŢINUTE ÎN CAZUL NISIPULUI ŞI REPREZENTĂRI GRAFICE REFERITOARE LA PRESIUNE 117 6.4.5. REZULTATE OBŢINUTE ÎN CAZUL PIETRIŞULUI ŞI REPREZENTĂRI GRAFICE REFERITOARE LA PRESIUNE 126

6.4.6. REZULTATE OBŢINUTE ÎN CAZUL CRIBLURII ŞI REPREZENTĂRI GRAFICE REFERITOARE LA PRESIUNE 135 6.4.7. REPREZENTARI GRAFICE ALE INFLUENŢEI DIMENSIUNII ŞI FORMEI PARTICULELOR ASUPRA PRESIUNII, LA DIFERITE UNGHIURI DE ATAC 143 6.4.8. CONCLUZII 150 6.5. SELECTAREA UNOR FACTORI DE INFLUENŢĂ ŞI DETERMINAREA EXPERIMENTALĂ A EROZIUNII PALELOR FREZELOR 152 6.5.1. PLANUL EXPERIMENTAL 153 6.5.2. MATERIALE ABRAZIVE FOLOSITE 153 6.5.3. CONDIŢII DE EXPERIMENTARE 153 6.5.4. REZULTATE OBŢINUTE ÎN CAZUL NISIPULUI ŞI REPREZENTĂRI GRAFICE REFERITOARE LA UZURĂ 155 6.5.5. REZULTATE OBŢINUTE ÎN CAZUL PIETRIŞULUI ŞI REPREZENTĂRI GRAFICE REFERITOARE LA UZURĂ 164 6.5.6. REZULTATE OBŢINUTE ÎN CAZUL CRIBLURII ŞI REPREZENTĂRI GRAFICE REFERITOARE LA UZURĂ 173 6.5.7. REPREZENTĂRI GRAFICE ALE INFLUENŢEI PRESIUNII ŞI DIMENSIUNILOR PARTICULELOR ASUPRA UZURII 183 6.5.8. REZULTATE OBŢINUTE ÎN CEL DE AL DOILEA EXPERIMENT DE UZURĂ ŞI REPREZENTĂRI GRAFICE REFERITOARE LA UZURĂ 185 6.5.9. CONCLUZII 191 7. UTILIZAREA STATISTICII MATEMATICE ÎN ANALIZA EROZIUNII FREZELOR DRĂGILOR 193 7.1. INTRODUCERE 193 7.2. NECESITATEA UTILIZĂRII METODELOR STATISTICE ÎN TRIBOLOGIE 195 7.3. REPREZENTAREA DATELOR OBŢINUTE EXPERIMENTAL PRIN CORELAŢII 196 7.4. REGRESIA LINIARĂ MULTIPLĂ 199 7.5. MODELAREA INFLUENŢEI FACTORILOR ALEŞI ASUPRA PRESIUNII PRINTR-O FUNCŢIE DE REGRESIE MULTIPLĂ 202 7.5.1. ECUAŢII DE REGRESIE ASUPRA PRESIUNII ÎN CAZUL NISIPULUI 203 7.5.2. ECUAŢII DE REGRESIE ASUPRA PRESIUNII ÎN CAZUL PIETRIŞULUI 210 7.5.3. ECUAŢII DE REGRESIE ASUPRA PRESIUNII ÎN CAZUL CRIBLURII 217 7.5.4. ECUAŢII DE REGRESIE ASUPRA PRESIUNII ÎN CAZUL CELOR TREI ABRAZIVI LUAŢI ÎMPREUNĂ 223 7.5.5. CONCLUZII 229 7.6. MODELAREA FENOMENULUI DE EROZIUNE CE APARE ÎN PROCESELE DE SĂPARE CU FREZE LA DRĂGILE ABSORBANT REFULANTE 233 7.6.1. ECUAŢII DE REGRESIE ASUPRA EROZIUNII ÎN CAZUL NISIPULUI 233 7.6.2. ECUAŢII DE REGRESIE ASUPRA EROZIUNII ÎN CAZUL PIETRIŞULUI 238 7.6.3. ECUAŢII DE REGRESIE ASUPRA EROZIUNII ÎN CAZUL CRIBLURII 242 7.6.4. ECUAŢII DE REGRESIE ASUPRA EROZIUNII ÎN CAZUL CELOR TREI ABRAZIVI LUAŢI ÎMPREUNĂ 246 7.6.5. CONCLUZII 248 8. CONCLUZII GENERALE, CONTRIBUŢII PERSONALE, DIRECŢII DE DEZVOLTARE 253 8.1. CONŢINUTUL LUCRĂRII 253 8.2. CONTRIBUŢII PERSONALE 255 8.3. DIRECŢII DE DEZVOLTARE 257

BIBLIOGRAFIE 258

1

1. MAŞINI DE CONSTRUCŢII UTILIZATE ÎN PROCESELE DE SĂPARE

1.1. Procesul săpării pământurilor Săparea pământurilor este procesul de desprindere a unei părţi a acestora din masivul de

bază cu ajutorul unei muchii tăietoare (lamă, cupă, dinte, etc.) Procesul săpării şi rezistenţele la săpare ale pământurilor sunt influenţate atât de

caracteristicile fizico – mecanice ale acestora cât şi de parametrii organului de lucru la săpare. Organul de lucru al maşinilor de construcţii pentru săpat poate avea forma: – unei cupe, prevăzută cu muchie tăietoare şi eventual şi cu dinţi (excavatoare, screpere); – unei lame, dotată la partea inferioară cu unul sau mai multe cuţite tăietoare (buldozere,

autogredere, gredere – elevator cu lamă); – unui disc (greder – elevator cu disc); – unor dinţi (scarificatoare); – unei freze de afânare (drăgi refulante). Prin pătrunderea organului de lucru la săpare în pământ, la început are loc o deformaţie a

pământului, iar după aceea se produce desprinderea brazdei. În funcţie de natura şi starea pământului în care se lucrează, brazda săpată poate avea diferite forme. Astfel, în cazul pământurilor tari, de umiditate mijlocie sau uscate, fenomenul săpării începe cu apariţia crăpăturilor şi continuă cu deplasarea bucăţilor separate.

La pământurile plastice umede brazda ia forma unei benzi continue, iar la nisipuri are loc o deformare şi o aglomerare a brazdei în faţa organului de săpare.

Forma constructivă, dimensiunile şi poziţia organului de săpare influenţează, de asemenea, într-o mare măsură, asupra rezistenţelor care apar în timpul săpării. Asupra procesului săpării influenţează şi poziţia traiectoriei de săpare. Astfel, în cazul în care traiectoria cupei este orizontală sau sub un unghi mai mic decât unghiul de taluz natural, în timpul deplasării cupei, în faţa acesteia se formează o prismă de pământ săpat. Marginile acestei prisme ies în afara lăţimii cupei. Pe măsură ce volumul prismei se măreşte, creşte şi rezistenţa la deplasare a acesteia. Datorită acestui lucru pământul din cupă este parţial împins spre peretele din spate, iar parţial, partea superioară a prismei se ridică deasupra pământului din cupă, pătrunde în interiorul ei şi o umple.

1.2. Maşini de săpat prin metode mecanice Din această grupă [M9] [M10] fac parte excavatoarele, care se pot grupa în excavatoare

cu o singură cupă cu acţiune periodică şi excavatoare cu mai multe cupe cu acţiune continuă. 1.2.1. Excavatoare cu o singură cupă Clasificarea excavatoarelor cu o singură cupă se poate face după mai multe criterii: – după sistemul de acţionare – cu acţionare hidraulică sau acţionare mecanică; – după gradul lor de universalitate – excavatoare universale, semiuniversale sau cu destinaţie specială;

2

– după sistemul de deplasare – pe roţi cu pneuri, pe şenile, pe şine de cale ferată, păşitoare, plutitoare; – după construcţia echipamentului de lucru: cupă dreaptă, cupă întoarsă, cu draglină, cu graifăr, cu cupă cu braţ telescopic. a) Excavatorul cu cupă dreaptă Este destinat lucrărilor de săpături în terenuri de diferite categorii ( I…IV ) de regulă în

cazurile în care săparea se execută deasupra nivelului de sprijin al maşinii. Capacitatea cupei excavatorului cu cupă dreaptă poate avea în general valori cuprinse între 0,15…5 m3. În cazuri speciale se folosesc excavatoare de mare capacitate (15…53 m3).

b) Excavatorul cu cupă întoarsă Este destinat lucrărilor de săpături în pământuri până la categoria a IV, de regulă, în

cazurile când săparea se execută sub nivelul de sprijin al maşinii. Excavatoarele cu cupă întoarsă au capacitatea cupei cuprinsă între 0,15 şi 1,5 m3,

c) Excavatorul cu draglină Folosit pentru săparea pământurilor de categoria I şi II, se deosebeşte de excavatoarele cu

cupă dreaptă sau întoarsă prin aceea că legătura dintre cupă şi braţ este asigurată prin elemente flexibile (cabluri şi lanţuri), ceea ce dă posibilitatea ca, la aceeaşi capacitate de cupă, să se lucreze la distanţe mult mai mari de corpul excavatorului decât la cupă dreaptă sau întoarsă. Pătrunderea cupei în pământ la aceste excavatoare are loc datorită greutăţii proprii a acesteia şi din această cauză ele pot lucra în pământuri tari. Ele sunt utilizate la săparea de gropi sub nivelul bazei excavatorului, săparea canalelor de irigaţii, scoaterea pietrişului şi nisipului din cariere sau de sub apă.

Excavatoarele cu draglină pot fi pe două şenile pentru capacitatea cupei până la 4…4,6 m3 şi păşitoare pentru capacităţi mari şi foarte mari 4…168 m3.

Braţul excavatorului este alcătuit în majoritatea cazurilor dintr-o grindă spaţială cu zăbrele iar în unele cazuri dintr-o grindă cheson de lungime variabilă funcţie de capacitatea cupei.

d) Excavatoarele cu braţ telescopic Spre deosebire de excavatoarele obişnuite cu o singură cupă, au lungimea braţului

variabilă, posibilitatea de a-l roti în jurul axei sale longitudinale şi de a-l înclina atât în sus cât şi în jos. Aceste excavatoare sunt dotate cu 18…20 echipamente de lucru diferite.

1.2.2. Excavatoare cu mai multe cupe Excavatoarele cu mai multe cupe sunt maşini de săpat cu acţiune continuă, care

deplasându-se sau rotindu-se, execută, în acelaşi timp săparea cu ajutorul unor cupe prinse de un lanţ în mişcare sau de o roată ce se învârte în jurul axei sale. Pământul luat de cupe prin săpare este ridicat şi descărcat fie într-un buncăr pentru încărcare în mijloace de transport, fie pe un transportor cu bandă, care îl aruncă lateral.

Excavatoarele cu mai multe cupe, executând săparea continuu, realizează săparea unui metru cub de pământ cu un consum de energie mult mai redus decât excavatoarele cu o cupă (care sapă ciclic). De asemenea ele pot efectua săparea pe întreaga înălţime a taluzului şi aproape

3

într-o formă definitivă. Excavatoarele cu mai multe cupe sunt mai puţin universale decât cele cu o cupă, iar condiţile optime de folosire a lor sunt acelea în care volumul lucrărilor din aceeaşi categorie este suficient de mare.

După modul în care execută săparea, excavatoarele cu mai multe cupe pot fi: cu săparea longitudinală, cu săpare transversală, cu săpare radială.

a) Excavatoare cu săpare longitudinală Au echipamentul de lucru aşezat după axa longitudinală a maşinii. După construcţia

echipamentului de lucru aceste excavatoare pot fi: – excavatoare cu lanţuri portracleţi (cuţite), destinate săpării şanţurilor de lăţimi sub 400

mm şi adâncimi până la 1,2…1,6 m; – excavatoare cu lanţuri portcupe, utilizate la săparea şanţurilor de lăţimi mai mari de

0,4m şi adâncimi maxime de 3,5…7,0 m. După construcţia echipamentului de lucru, aceste excavatoare pot fi împărţite în două grupe şi anume: excavatoare cu cadrul echipamentului înclinat în timpul lucrului şi excavatoare cu cadrul echipamentului vertical;

– excavatoare cu roată portcupe ce sunt destinate săpării şanţurilor de diferite lăţimi (0,6…1,5) m şi adâncimi (1,3…2,6) m. Excavatorul, în ansamblu, este alcătuit din maşina de bază (de regulă pe şenile) şi echipamentul de lucru, care poate fi prins în consolă sau este prevăzut cu roţi suplimentare de sprijin la partea posterioară.

La aceste excavatoare procesul săpării se realizează prin rotirea roţii portcupe în plan vertical în timp ce maşina se deplasează. Pământul din cupe este ridicat de către acestea şi descărcat pe transportorul de descărcare care îl aruncă lateral în afara gabaritului şanţului.

b) Excavatoare cu săpare transversală Aceste excavatoare, sunt alcătuite dintr-o platformă de bază (care se deplasează pe roţi

metalice şi şine de cale ferată), echipamentul de săpare, echipamentul de descărcare, echipamentul de deplasare şi motorul sau motoarele de acţionare a acestora. Platforma excavatorului se sprijină fie pe roţi metalice şi şine, fie pe şenile.

Executarea săpării se face prin deplasarea excavatorului în lungul taluzului şi prin mişcarea lanţurilor portcupe în plan perpendicular pe direcţia de deplasare a maşinii.

c) Excavatoare cu săpare radială Structura acestor excavatoare este constituită din următoarele părţi principale: rotorul

portcupe, cadrul echipamentului de lucru cu transportorul de preluare a materialului săpat, transportorul de descărcare şi şenilele de deplasare.

1.3. Maşini de săpat şi transportat pământuri Din această grupă fac parte buldozerele, autogrederele, grederele – elevatoare şi

screperele. 1.3.1. Buldozere şi scarificatoare Buldozerul este o maşină de construcţii alcătuită dintr-un organ de lucru tip lamă, montat

la partea din faţă a unui tractor pe roţi cu pneuri sau pe şenile.

4

Buldozerul este destinat în principal săpării pământurilor la adâncimi de 100…300mm şi transportul acestora pe distanţe relativ scurte.

Buldozerele sunt utilizate la lucrări de nivelare a terenurilor, la repartizarea uniformă a pământului descărcat din mijloace de transport, la astuparea şanţurilor, la curăţarea zăpezii.

Scarificatorul este alcătuit dintr-un echipament de lucru, cu 1…5 dinţi, montat la partea posterioară a unui tractor pe şenile. Scarificatorul poate fi utilizat şi ca echipament auxiliar pe o altă maşină de construcţii (buldozer, autogreder). Scarificatoarele sunt destinate în principal la afânarea pământurilor tari şi foarte tari şi a rocilor slabe, care nu pot fi săpate direct. Ele pot fi utilizate de asemenea la scoaterea din pământ a unor bolovani, sau la înlăturarea unor îmbrăcăminţi rutiere vechi.

1.3.2. Autogredere Autogrederele sunt maşini de săpat şi transportat pământ cu organ de lucru tip lamă. Spre deosebire de buldozere, autogrederele se caracterizează printr-o mare

manevrabilitate a echipamentului de lucru. Astfel lama este orientabilă în plan orizontal, vertical, cât şi deplasabilă lateral. De asemenea pe acelaşi suport al lamei se pot folosi echipamente suplimentare pentru săpat şanţuri, taluzări, distribuirea agregatelor şi a mixturii asfaltice pentru lucrări de drumuri.

Echipamentul de lucru este alcătuit din lamă, console de prindere a lamei, cercul de rotire şi cadrul echipamentului de lucru. Acest cadru este prins la partea anterioară de cadrul principal printr-o articulaţie sferică, iar la partea posterioară este suspendat de cilindrii hidraulici de manevrare pe verticală şi orizontală.

Cele mai multe autogredere sunt dotate şi cu echipamente auxiliare de scarificare şi lamă de buldozer.

1.3.3. Gredere - elevatoare Grederul – elevator face parte din grupa maşinilor de terasamente. Acesta sapă pământul

sub forma unei brazde şi îl descarcă în depozit sau într-un mijloc de transport. Organul pentru săparea pământului are forma de calotă sferică fixă sau rotitoare sau formă de lamă cu margine tăietoare dreaptă sau curbilinie.

Particularitatea esenţială a acestei maşini constă în aceea că, după desprinderea pământului de către organul de săpare, acesta este preluat direct de către organul de transport, care îl duce fie într-un mijloc de transport, fie în depozit. Acest mod de lucru situează grederul – elevator printre cele mai eficiente maşini de terasamente.

1.3.4. Autoscrepere Autoscreperele sunt maşini specializate pentru lucrări de terasamente capabile să execute

simultan mai multe operaţii tehnologice în frontul de lucru: săparea, încărcarea, transportul, aşternerea (depunerea), compactarea parţială şi nivelarea terenului.

Autoscreperele pot lucra bine în pământ argilos, loesoid şi prăfos. Se evită folosirea lor în terenuri dure (balasturi, argile grase compacte, pământuri cu bolovani, agregate dure, cioate, buturugi) terenuri foarte umede sau mocirloase, nisipuri necoezive.

Parametrul care determină eficienţa utilizării unui anumit autoscreper în frontul de lucru este distanţa tehnologică de transport, care se calculează pe baza criteriului economic.

5

După modul de încărcare a cupei, autoscreperele pot fi cu încărcare forţată, la care umplerea cupei se realizează sub acţiunea brazdei tăiate şi cu elevator, la care umplerea cupei se realizează cu ajutorul unui elevator amplasat în faţa cupei.

După soluţia constructivă a părţii din faţă a cupei există următoarele tipuri: cu oblon şi cu elevator de încărcare.

a) Autoscreperele cu oblon sunt alcătuite din următoarele elemente funcţionale: tractorul monoax, dotat cu motor de acţionare atât pentru puntea din faţă cât şi pentru instalaţia de forţă şi comandă necesare, cupa împreună cu oblonul şi cadrul de tracţiune în formă de gât de lebădă, sistemul de direcţie, sistemul de deplasare şi tracţiune şi sistemul de deplasare a peretelui mobil posterior al cupei.

b) Autoscreperele cu elevator. se folosesc cu eficienţă economică în cazul distanţelor

scurte de transport, sub 500 m, şi nu necesită tractor împingător. Lucrează foarte bine în terenuri nisipoase la săparea, încărcarea şi nivelarea terenurilor.

Autoscreperele cu elevator nu pot lucra în pământuri argiloase umede şi nici în cele care

conţin bolovani sau pietre mai mari de 15 cm la modelele mici sau 30 cm la modele mari. Viteza de deplasare cu săpare a maşinii este de (1,5…1,8) Km/h, iar grosimea brazdei săpate este de (10…15)cm.

6

2. MAŞINI DE SĂPAT PRIN HIDROMECANIZARE

Hidromecanizarea reprezintă o metodă complexă de mecanizare a lucrărilor de săpare a

pământurilor, îmbinând toate operaţiile procesului tehnologic într-un flux continuu bazat pe unul şi acelaşi curent de apă, cu care se face săparea, transportul şi depunerea pământului.

Pe parcursul acestui flux se realizează totodată modificarea caracteristicilor fizico – mecanice cât şi fracţionarea materialului săpat [G5].

Hidromecanizării îi sunt caracteristice următoarele operaţii de bază: – săparea cu ajutorul apei, care se face, fie prin absorbţie directă sau cu ajutorul unor

dispozitive mecanice sau chiar hidraulice a materialului ce se găseşte sub apă (prin instalaţii complexe numite drăgi refulante), fie prin efectul de izbire, dezagregare şi transformare într-un hidroamestec al pământului dintr-un abataj cu ajutorul unor vâne puternice de apă ce ies prin gura hidromonitoarelor (tunuri de apă);

– transportul cu ajutorul apei, proces numit în mod curent hidrotransport, care se face prin antrenarea particulelor solide într-un curent de apă sub forma unui hidroamestec care se scurge gravitaţional prin şanţuri, jgheaburi sau prin conducte prin transport sub presiune (prin pompare);

– depunerea (sedimentarea), ce se produce datorită micşorării vitezei curentului de apă într-un spaţiu amenajat sau neamenajat, care permite căderea şi sedimentarea particulelor solide separându-le de apă; apa rămasă se evacuează sau se reutilizează dacă acest lucru este necesar. Acest proces al depunerii este utilizat la construirea unor lucrări de pământ de profil bine determinat ca: platforme, diguri, baraje, terasamente de acces la poduri, şosele, piste pentru aeroporturi.

– fracţionarea pământului, în procesul de transport şi depunere, se realizează datorită comportării deosebite pe care o au în curentul de apă, granulele de diferite mărimi şi compoziţii mineralogice. Această particularitate a fost folosită pe larg la scoaterea agregatelor pentru betoane, după mărimea granulelor sau la diferite clasificări în scopuri industriale.

Hidromecanizarea se caracterizează prin faptul că poate avea o eficienţă tehnico – economică foarte ridicată, competitivă cu oricare altă metodă,însă această eficienţă este strâns legată de condiţiile de lucru, determinată de o serie de factori specifici [G4], [G5]:

– condiţiile de relief şi suprafaţa de teren disponibilă; – condiţiile hidrologice, hidrogeologice şi climatice ale zonei de lucru; – existenţa unei surse de energie electrică şi costul ei; – volumul şi amploarea lucrărilor. 2.1. Hidromonitoare Hidromonitoarele sunt utilaje care servesc la crearea unei vâne de apă compacte şi la

dirijarea acesteia pentru a izbi şi a sfărâma terenul, transformându-l într-un hidroamestec şi realizând astfel procesul de excavaţie. [G1]

În fig. 2.1. este prezentat hidromonitorul cu bulon central, celelalte tipuri fiind asemănătoare ca structură şi principii de funcţionare, deosebirile fiind de ordin constructiv.

7

Manipularea hidromonitorului se poate face manual cu ajutorul mânerelor sau pârghiei cu contragreutate. La hidromonitoarele mari rotirea ţevii se poate face prin dispozitive speciale, cu roţi dinţate, comandate de electromotoare. Mişcarea ţevii se poate face şi hidraulic, cu ajutorul unor pistoane acţionate de apă cu presiune din însuşi hidromonitor.

Fig. 2.1.

2.2. Drăgi refulante Dragajul reprezintă operaţia de extragere a materialelor de sub apă şi aducerea lor la

suprafaţă, cu ajutorul unor maşini numite drăgi, maşini de variate tipuri ce se deosebesc prin construcţie, tehnologie de lucru şi parametrii de producţie.

Drăgile refulante sunt maşini plutitoare care pot executa săparea cu acţiune continuă sub pânza de apă, asigurând în acelaşi timp transportul prin refularea excavaţiilor pe conducte, sub formă de hidromasă, până la locul destinat depunerii acestora.

Particularităţile funcţionale specifice ale drăgilor sunt următoarele: – pot executa lucrări eficiente de excavaţie numai sub apă, în orice soluri nestâncoase,

până la argile grele inclusiv, la adâncimi de până la 60 m; – pot transporta pământul până la 3…4 Km, cu o mare productivitate, în sectoare greu

accesibile pentru transportul rutier; – asigură împrăştierea şi compactarea pământului transportat, fără utilizarea altor maşini

suplimentare; – permit realizarea directă a digurilor şi a barajelor cu nucleu; – productivitatea lor depinde într-o mai mare măsură de caracteristicile pământului săpat,

de incluziunile de pietriş şi de resturile vegetale; – asigură exploatarea eficientă chiar şi a zăcămintelor sărace de pietriş şi nisip. 2.2.1. Clasificarea drăgilor refulante Marea varietate a drăgilor refulante, ce există în prezent, decurge din modul diferit în

care se execută extragerea şi transportul pământului, deplasarea în frontul de lucru, acţionarea pompei de nămol.

De asemenea parametrii realizaţi influenţează existenţa acestei mari varietăţi de drăgi. Luând drept criteriu câte unul din aceste elemente se poate face următoarea clasificare: a) după modul de extragere a pământului, drăgile refulante pot fi:

8

– cu absorbţie directă a pământului de pe fundul apei şi în acest caz pe elindă se montează numai conducta de absorbţie care are gura de absorbţie într-o formă specială. Aceste drăgi, numite absorbante extrag numai pământurile necoezive, fine, uşor antrenabile. Neavând nici un mecanism de afânare pe elindă, conducta de absorbţie se poate prelungi, permiţând dragarea la adâncimi mari, chiar pentru un corp plutitor relativ mic;

– cu dispozitiv mecanic pentru afânarea prealabilă a pământului (de regulă cu cuţite) aşezat în câmpul de absorbţie a sorbului care dă posibilitatea extragerii unei game mai largi de pământuri necoezive şi coezive;

– cu dispozitiv hidraulic, la care afânarea prealabilă se face prin acţiunea unor jeturi de apă de mare presiune. Au însă un domeniu mai limitat decât cele cu dispozitiv mecanic.

b) după modul de aducere la suprafaţă a materialului extras, drăgile pot fi: – prin absorbţie, la care materialul dislocat de pe fund, cu oricare mijloc, este adus la

suprafaţă prin conducta de absorbţie a pompei de nămol ce se găseşte pe vas (la majoritatea drăgilor);

– prin refulare, la care organul de absorbţie şi de refulare se găseşte aşezat în zona de dislocare de la capătul elindei, astfel încât materialul dislocat şi trecut prin hidroelevator este refulat la suprafaţă spre bordul vasului (fig. 2.2);

Fig. 2.2.

– cu dispozitive mecanice, de regulă un lanţ cu cupe, care varsă materialul extras într-un

buncăr situat pe vas, buncăr în care se găseşte sorbul pompei de nămol. Acest tip de dragă formează grupul drăgilor cu cupe şi refulante (fig. 2.3).

9

Fig. 2.3.

c) după modul de transportare a pământului săpat, drăgile refulante pot fi:

Fig. 2.4.

– cu refularea hidroamestecului printr-o conductă plutitoare (fig. 2.4); – cu refularea hidroamestecului printr-o conductă suspendată; – cu refularea hidroamestecului prin jet direct aplicabil în cazul în care draga refulantă

lucrează în apropiere de mal şi depozitul se găseşte de asemenea pe mal (fig. 2.5);

10

Fig. 2.5.

– cu refularea hidroamestecului în cala proprie a drăgii (fig. 2.6);

Fig. 2.6.

– cu refularea hidroamestecului într-o instalaţie de sortare situată pe dragă după care se

transportă sorturile prin alte mijloace (şalande, de exemplu); – cu refularea hidroamestecului într-o instalaţie de prelucrare plutitoare separată şi

transportul ulterior al sorturilor. d) după modul de acţionare a pompei de nămol şi a celorlalte utilaje de la bord, drăgile refulante pot fi: – cu motoare Diesel, atât pentru pompele de nămol cât şi pentru celelalte mecanisme; – cu acţionare Diesel – electrică în care toate mecanismele sunt acţionate de

electromotoare alimentate de un grup generator existent la bord. Sunt utilizate în cazurile în care lucrările se întind pe lungimi mari, departe de sursa de curent (lucrări fluviale, lucrări de hidroamelioraţii);

– cu acţionare electrică, la care alimentarea cu curent electric se face de pe mal. e) după modul cum se deplasează drăgile refulante pot fi: – cu papionaj pe ancore; – cu papionaj pe piloni; – cu mişcare liberă a afânătorului.

11

Prin papionaj pe ancore sau pe piloni rezultă lăţimi impuse ale canalului de săpat de circa 3 – 5 ori lăţimea drăgii pe când la mişcarea liberă în plan orizontal a afânătorului lăţimea minimă de săpat se poate reduce cu mult.

f) după modul de aşezare a pompei de nămol în corpul plutitor al drăgii, drăgile refulante pot avea pompa:

– pe punte, pompa găsindu-se în întregime deasupra liniei de plutire a vasului. Dezavantajul principal constă în necesitatea amorsării pentru fiecare intrare în funcţiune (cca. 5 min);

– în corpul plutitor, sub nivelul de plutire. În acest caz pompa de nămol este înecată, ceea ce uşurează mult punerea în funcţiune, eliminându-se amorsarea.

g) după modul de alcătuire al corpului plutitor din punct de vedere al transportabilităţii, drăgile refulante pot fi:

– tip bloc, nedemontabile, care sunt în general drăgi mari şi cu destinaţie specială. – demontabile, când corpul drăgii este alcătuit din mai multe secţiuni ce se asamblează la

faţa locului. Aceste drăgi prezintă avantajul unei rapidităţi ridicate în montare şi demontare şi uşurinţă în transport.

– transportabile în bloc, de la un şantier la altul. Acestea sunt asa numitele drăgi pitice. Ele se lasă la apă sau se scot din apă cu ajutorul automacaralelor, iar transportul de la un şantier la altul se face cu ajutorul autocamioanelor sau treilerelor. Unele pot fi amfibii pe pneuri cu transport prin remorcare.

2.2.2. Construcţia şi funcţionarea drăgilor refulante În componenţa unei drăgi refulante (fig. 2.7.) intră următoarele blocuri funcţionale: – corpul drăgii; – pompa de noroi

– echipamentul de afânare; – instalaţia de absorbţie; – instalaţia de manevrare a drăgii; – instalaţii auxiliare; – cabina de comandă; – anexe ale drăgii.

12

Fig. 2.7.

2.2.2.1. Corpul drăgii Corpul plutitor al drăgii este destinat susţinerii întregului utilaj tehnologic care efectuează

procesul de extragere şi refulare. Cum majoritatea drăgilor refulante lucrează în regim relativ staţionar, forma corpului se deosebeşte, în general, de cel al navelor obişnuite, prin aceea că nu are un profil hidrodinamic, în schimb are dimensiunile şi forma necesară asigurării unei bune stabilităţi transversale şi longitudinale pentru cazurile cele mai defavorabile în exploatare.

Ecuaţia de plutire a drăgii, care stabileşte relaţia între deplasamentul D şi dimensiunile principale este: 0 pD LBh= γ δ (2.1)

În care:

0γ - greutatea specifică a apei, [t/m3]

L – Lungimea drăgii, [m] B – lăţimea drăgii, [m] hp – pescajul drăgii, [m] δ – coeficient ce exprimă raportul dintre volumul real al carenei Vc şi produsul dimensiunilor principale

cp

VLBh

δ = (2.2)

0,98...1,00δ =

La proiectarea corpului drăgii se face o verificare a stabilităţii la plutire a ansamblului corp – utilaj în următoarele trei cazuri caracteristice:

– draga refulantă în stare de transport; – draga refulantă în lucru şi anume: un pilon înfipt în pământ, celălalt ridicat, elinda în

poziţie de lucru, instalaţia de papionaj exercită tracţiune, iar asupra corpului şi suprastructurii acţionează o sarcină datorită vântului;

13

– situaţia de avarie, când o santină (o secţiune independentă) s-a umplut cu apă şi acţionează vântul.

În aceste condiţii draga nu lucrează. Calculul pentru aceste trei cazuri se face, atât la stabilitatea transversală cât şi la cea

longitudinală. Pentru a face faţă diferitelor sarcini şi condiţii de lucru, corpul drăgii refulante trebuie să

fie suficient de rezistent şi solid. Forţele care acţionează asupra corpului pot fi: – permanente (de exemplu, greutatea proprie a utilajelor); – nepermanente – care apar în timpul exploatării; – accidentale cu caracter dinamic şi care apar, de asemenea, în timpul exploatării, fiind de

scurtă durată (de exemplu dărâmarea unui mal pe freza afânătorului). În calcul se ia în considerare şi acţiunea valului. Materialul de bază din care se confecţionează structura corpului plutitor şi celelalte

elemente constructive este tabla de oţel de (4…6)mm grosime. Rezistenţa şi soliditatea în exploatare este obţinută prin elemente de rigidizare [T7]

2.2.2.2. Instalaţia de absorbţie Procesul de absorbţie decide în esenţă eficacitatea întregului utilaj. Regimul optim al

procesului de afânare şi de aducere la suprafaţă a pământului prin conducte de absorbţie depinde de mulţi factori şi anume:

– înălţimea admisibilă şi efectivă vacumetrică; – înălţimea de absorbţie; – lungimea de refulare; – condiţiile hidrotransportului; – regimul de funcţionare al pompei de nămol; – particularităţile constructive ale sorbului; – viteza curentului; – caracteristicile pământului; – viteza de deplasare a sorbului; – adâncimea sorbului în stratul de pământ, etc. De aceea, la proiectarea sau alegerea tipului aparatului de absorbţie trebuie să se ţină

seama de toţi aceşti factori. În funcţie de natura materialului ce trebuie extras, pământ coeziv sau necoeziv, instalaţia

de absorbţie va fi dotată sau nu, de la caz la caz, cu dispozitiv de afânare. La drăgile cu absorbţie directă, capătă o mare importanţă forma sorbului. Cel mai simplu

sorb este cel cilindric (fig. 2.8).

14

Fig. 2.8.

Forme îmbunătăţite sunt cele evazate (fig. 2.9), eliptice sau cele modelate, ca de exemplu

cel în formă de “bulb”.

Fig. 2.9.

La folosirea metodei de lucru prin papionaj, sorburile eliptice nu lucrează cu acelaşi

randament în ambele sensuri de rotire al drăgii. Pentru evitarea acestei neuniformităţi de absorbţie se recomandă utilizarea unui sorb eliptic cu ecran basculant acţionat prin cablu.

Cercetările de laborator şi în exploatare au dus la următoarele concluzii: – un randament îmbunătăţit se obţine când:

( )int max2...3r dV w> (2.3) în care: Vintr – viteza la intrarea în sorb;

wdmax – mărime hidraulică (viteza de sedimentare) a granulei maxime. – productivitatea maximă se obţine la formele modelate care au perimetrul maxim la o

secţiune egală cu cea a conductei de absorbţie;

15

– poziţia optimă a axului longitudinal al sorbului faţă de materialul din frontul de lucru (nisip) este cea perpendiculară pe planul taluzului natural al materialului;

– viteza optimă a sorbului în frontul de lucru este de 10 – 15 cm/s. O concentraţie maximă se obţine când axul longitudinal al sorbului este orizontal, iar

planul gurii sorbului are o înclinare de 300 faţă de planul vertical. Viteza optimă la intrarea apei în sorb pentru dislocare şi absorbţie (la nisipuri) se recomandă în jur de 2,50 m/s.

Prin absorbţie directă au loc pierderi de sarcină în zona de absorbţie care depind de natura materialului şi de forma sorbului.

Pentru evitarea înfundării sorbului se practică uneori montarea unui grătar. Înălţimea grătarului trebuie să asigure realizarea vitezei de dislocare şi absorbţie (2,50 m/s).

2.2.2.3. Echipamente de afânare prealabilă Tendinţa actuală este de a generaliza folosirea unui dispozitiv de afânare, chiar şi la

dragarea pământurilor necoezive, deoarece productivitatea drăgii refulante depinde de existenţa şi de eficienţa echipamentului de afânare.

Se disting două grupe de afânătoare: a) hidraulice; b) mecanice.

a) Aceste echipamente funcţionează pe principiul realizării unor jeturi înecate de apă care dislocă pământul, transformându-l într-o hidromasă (fig. 2.8).

Parametrii jeturilor pot fi reglaţi în funcţie de natura terenului ce trebuie afânat, prin schimbarea duzelor, executate prin turnare din fontă, bronz sau oţel inoxidabil.

Aceste echipamente sunt eficiente pentru afânarea terenurilor formate din nisipuri şi pietrişuri tasate. Consumul specific de apă variază în limite foarte mari. În cazul pietrişurilor uşor tasate consumul specific de apă este de 1 m3/m3. Presiunea jeturilor de apă depinde de asemenea, de natura terenului ce trebuie afânat. Pentru pietrişuri uşor tasate este necesară o presiune de (50…60) m coloană de apă.

b) Echipamentele de afânare cu organ de lucru mecanic pot fi de tip: – freză – lopată – rotor cu cupe.

b1) cel mai răspândit tip de afânător mecanic este de tipul freză. Elementul de tăiere îl constituie cuţitele care diferă ca număr şi poziţie de la caz la caz.

Se deosebesc ca principiu două tipuri de freză: închise şi deschise. Freza de tip deschis are lamele de tăiere numai pe suprafaţa laterală şi, deci, poate tăia

numai stratul de pământ care vine în contact cu această suprafaţă şi de aceea nu poate lucra în condiţii optime la orice înclinare a frezei. Aceată freză poate excava atât terenuri necoezive (nisip, pietriş), cât şi terenuri coezive, cu excepţia celor lipicioase care aderă la echipament.

Frezele de tip închis (fig. 2.10) au palele îndoite după o linie elicoidală care merge pe suprafaţa laterală şi anterioară a frezei şi sunt prinse de butucul central în partea din faţă şi de un inel masiv în partea din spate a frezei. Prin această dispoziţie lamele taie pământul la orice înclinare a frezei, pe toată suprafaţa de contact a acesteia cu terenul.

16

Fig. 2.10.

Cuţitele acestor freze asigură ghidarea pământului excavat către gura de aspiraţie, având

o înclinare de 50…52 % faţă de axa frezei. Aceste freze pot excava inclusiv în terenurile slab fisurate.

Atât frezele de tip închis cât şi cele de tip deschis au un neajuns destul de important: prin papionaj efectul tăierii este inegal în funcţie de sensul de papionare. Acest lucru se explică prin faptul că în timp ce într-un sens de deplasare al drăgii ( de exemplu când sensul de rotaţie corespunde cu sensul de deplasare) lamele frezei taie pământul de sus în jos cu efect sporit, în celălalt sens de deplasare, prin papionaj (freza menţine acelaşi sens de rotaţie) cuţitele taie pământul de jos în sus şi efectul de tăiere scade, deoarece reacţia pământului tinde să ridice în sus afânătorul diminuând efectul de tăiere.

Pentru a se elimina acest efect de distribuire inegală a eforturilor de tăiere se utilizează aşa numitul sistem de tăiere TEHLE de tip reversibil.

La acest sistem, pe axul de rotaţie al frezei se montează 3 pale ce au la capete câte un cuţit mobil cu posibilitate de rotire într-un sens sau altul în jurul unui ax. Pe fiecare cuţit de bază se fixează cuţite transversale care taie pământul într-un plan perpendicular pe planul cuţitului principal. Cu ajutorul acestor cuţite transversale se obţine rotaţia cuţitului principal în jurul axului într-o poziţie de lucru la variaţia sensului de deplasare a afânătorului (datorită reacţiei terenului).

În funcţie de natura terenului ce trebuie săpat există o gamă foarte largă de freze. Firmele cu o bogată experienţă în construcţia şi exploatarea drăgilor, American Marine and Machinery Company şi I.H.C. Holland din Rotterdam, au realizat freze cu ajutorul cărora se poate săpa de la nisip, turbă până la calcare şi diferite soiuri de rocă. Având acelaşi tip şi acelaşi dimensiuni de butuc şi de inel, frezele se pot schimba între ele pentru a adapta draga la diversele condiţii de lucru ce pot apare.

Palele în număr de 5-6 au o formă de coroană aproape conică. Pe pale se prind prin sudare sau demontabil lamele de tăiere. Există trei tipuri de lame

netede, crenelate şi dinţate. Lamele netede sunt indicate pentru un teren uşor cu rădăcini şi diverse corpuri ce s-ar

putea agăţa între dinţi sau creneluri. Lamele cu creneluri permit obţinerea unei presiuni specifice mai ridicate şi sunt indicate pentru argile şi luturi. Lamele dinţate sunt potrivite pentru solurile dure care necesită o forţă mare de pătrundere şi dislocare.

17

Firma IHC Holland a realizat freze închise cu inelul, butucul şi palele demontabile (fig. 2.11)

Fig. 2.11.

În cazul palelor cu dinţi aceştia de diferite forme sunt interschimbabili (fig. 2.12 şi 2.13). Alegerea unei freze corespunzătoare asigură un randament optim al drăgii refulante.

Fig. 2.12.

18

Fig. 2.13.

Dimensiunile frezei ar trebui să corespundă cu zona de absorbţie. B. M. Şkundin [Ş2],

pornind de la acest principiu, recomandă următoarele formule pentru determinarea diametrului frezei:

– pentru pământuri uşoare

0,350,23D Q= (2.4)

– pentru pământuri grele

0,350,21D Q= (2.5)

În care: – D este diametrul frezei [m] – Q este debitul de hidroamestec [m3/h] Lungimea frezei se ia:

(0,63...0,92)L D= [m] (2.6)

limita minimă corespunzând pământurilor cele mai grele. Productivitatea frezei, după A.M. Ţarevski [T1] se poate determina conform formulei:

60

tl D nQ π α= [m3/h] (2.7)

În care: Q – productivitatea orară

t – grosimea brazdei, pV

tzn

= [m]

l – lungimea lamei tăietoare a cuţitului [m] D – diametrul mediu al frezei [m] α – unghiul central (1500) n – turaţia frezei [rot/min]

19

Vp – viteza de papionare [m/min] z – numărul de cuţite ale frezei. Puterea necesară funcţionării frezei variază funcţie de natura terenului. B.M. Şkundin

recomandă puterile specifice de acţionare a afânătorului pentru 1 m3 din productivitatea orară în funcţie de această variaţie a naturii pământului de săpat ( tabelul 2.1).

Tabelul 2.1 Nr. crt.

Descrierea pământului Puterea specifică

kW/m3

1 2 3

4 5

Nisipuri afânate Nisipuri cu pietrişuri, nisipuri argiloase cu incluziuni de argile nisipoase Argile nisipoase

Argile uşoare Argile compacte, rocă moale sfărâmabilă

0,20 – 0,30 0,35 – 0,45

0,45 – 0,55

0,55 – 0,65 0,65 – 0,85

Aşezarea sorbului în raport cu freza se face în partea posterioară a acesteia, dedesubtul ei. b2) echipamentul de afânare de tip lopată sau cu sistem de tăiere Şkundin, este

constituit din două lopeţi, ce lucrează reversibil în cele două sensuri de papionaj ale drăgii, prin rotire în jurul axului.

Astfel prin papionarea drăgii spre dreapta, lopata din dreapta taie pământul, orificiul posterior al acesteia cuplându-se în acelaşi timp cu gura conductei de aspiraţie şi invers prin papionare spre stânga, lopata din stânga afânează pământul care se evacuează prin orificiul posterior al acesteia, cuplat acum la gura conductei de aspiraţie.

Ca şi sistemul de tăiere Tehle şi sistemul Şkundin elimină neajunsul frezelor şi anume efectul inegal de tăiere în funcţie de sensul de papionare al drăgii.

b3) echipamentele de afânare de tip rotor cu cupe cu lame netede (fig. 2.14) sau cu

dinţi interschimbabili au o construcţie similară excavatoarelor cu rotor. Aceste afânătoare asigură o importantă creştere a productivităţii drăgii, realizând concentraţii de până la 50 %, fiind recomandabile pentru excavare în nisipuri, nisipuri cu pietrişuri, inclusiv cu incluziuni de pietre mari.

20

Fig. 2.14.

Fig. 2.15.

Acest echipament are, pe tamburul rotorului, cupe fără fund. Rotorul este antrenat de un

motor hidrostatic, în mişcare de rotaţie. Rotorul este montat în capul elindei. Materialul excavat în aşchii de dinţii cupelor este absorbit de pompa de noroi şi refulat.

Echipamentele de afânare mixte îmbină tăierea mecanică a frezei, de tip închis sau deschis, cu efectul jeturilor înecate de apă.

Afânătoarele mixte se recomandă a se utiliza la săparea argilelor, argilelor nisipoase şi a nisipurilor argiloase. La săparea argilelor se diminuează cu mult efectul de lipire a argilei de

21

cuţite şi creşte concentraţia hidroamestecului. Datorită eficacităţii sporite, acest sistem de tăiere s-a aplicat atât la frezele deschise cât şi la cele închise.

Amplasarea echipamentului de afânare depinde de mărimea drăgii şi de adâncimea de săpare. O soluţie uzuală la drăgile mici, constă în amplasarea echipamentului de afânare la bordul anterior al drăgii. De regulă echipamentul se amplasează într-un locaş longitudinal practicat în prova drăgii. Lungimea acestui locaş reprezintă, în general, (0,20…0,22) L, unde L este lungimea totală a drăgii. Manipularea echipamentului de afânare, în cazul acestei soluţii de amplasare, provoacă o anumită diferenţă de asietă a drăgii.

La drăgile destinate pentru lucru la adâncime echipamentul de afânare se amplasează conform fig. 2.16.

Fig. 2.16.

În cazul drăgilor destinate pentru lucru la adâncimi foarte mari corpul drăgii se execută

din trei pontoane, iar echipamentul de afânare se amplasează în partea frontală a ultimului ponton.

Mecanismul de ridicare a elindei echipamentului de afânare poate fi acţionat prin cablu sau hidrostatic. La mecanismul cu cablu (fig. 2.17) cadrul de susţinere al echipamentului, în formă de A, se menţine în poziţie înclinată cu ajutorul unor tiranţi. Elinda echipamentului de afânare se ridică sau se coboară cu unui troliu.

În cazul acţionării hidrostatice a echipamentului de afânare, organul de lucru este antrenat direct cu un motor hidraulic, iar elinda echipamentului este ridicată şi coborâtă cu ajutorul a doi cilindri hidraulici.

22

Fig. 2.17.

2.2.2.4. Pompa de noroi Pompa de noroi reprezintă agregatul de bază al unei drăgi refulante, servind la pomparea

hidroamestecului. Parametrii funcţionali ai pompei de noroi determină parametrii tuturor celorlalte subansambluri.

Pompele de noroi (fig. 2.18) sunt pompe centrifuge având un singur rotor cu admisie simplă. Nu se folosesc pompe de noroi cu admisie dublă din cauza dificultătilor produse de uzura presetupelor şi a pericolului de înfundare, care creşte în cazul admisiei duble.

Fig. 2.18.

În general, pompele de noroi trebuie să fie de construcţie simplă şi uşor demontabile, pentru a permite înlocuirea pieselor uzate.

23

Carcasa pompelor de noroi are formă rotundă cu o rază mare de curbură pentru a uşura circulaţia particulelor solide şi a reduce cât mai mult uzura.

Pentru a uşura montajul la pompele mari, carcasa se poate executa din mai multe bucăţi. De obicei, carcasa este prevăzută cu fereastre de vizitare. Axul pompei este de regulă orizontal (fig. 2.9), montat prin intermediul lagărelor pe un

suport prevăzut cu o baie de ulei. În unele cazuri poate fi indicată şi folosirea unor pompe de noroi cu ax vertical (fig. 2.19).

Fig. 2.19.

Rotorul pompelor de noroi se face de obicei închis, adică având palele mărginite între

două discuri laterale ceea ce dă un randament mai bun. Numărul de pale este redus la 2…5, pompele deosebit de mari având maximum 5 pale, asigurând astfel trecerea particolelor solide mari fără a produce înfundarea pompei. Secţiunea de trecere prin rotor constituie de obicei 0,70…0,80 din secţiunea gurii de aspiraţie. Pe faţa exterioară a discurilor rotorului sunt prevăzute nervuri radiale care au rolul de a expulza, datorită forţei centrifuge, nămolul care pătrunde în aceste zone.

În general gura de aspiraţie este orizontală, iar flanşa de refulare este amplasată la partea superioară pentru a putea da cât mai uşor conductei direcţia necesară (fig. 2.20).

24

Fig. 2.20.

Presetupa este supusă unei uzări puternice şi de aceea se protejează cu un curent de apă

curată sub presiune cu (0,5…1,0) bar mai mare decât cea din interiorul pompei de noroi. De asemenea se mai introduce apă curată, sub presiune, pentru reducerea uzurii, în toate spaţiile dintre organele în mişcare (rotor şi ax) şi cele fixe.

Se folosesc şi pompe cu rotor de tip deschis sau semideschis, care la aceleaşi dimensiuni, asigură pomparea unui noroi cu granule mai mari, reducând totodată şi gradul de dezagregare a acestor particule.

Pompele sunt antrenate în general direct prin cuplaje, mai ales în cazul acţionării electrice. Transmisiile cu curele prezintă avantajul posibilităţii modificării caracteristicilor de funcţionare.

Introducerea pompelor de noroi submersibile, al căror rotor lucrează scufundat sub apă, a reprezentat una din cele mai semnificative dezvoltări ale drăgilor. Construcţia pompelor submersibile nu reprezintă deosebiri constructive esenţiale faţă de pompele de noroi obişnuite, fiind tot pompe centrifuge cu o treaptă.

Amplasarea pompei de noroi în plan vertical pe dragă prezintă o mare importanţă funcţională. Această amplasare poate fi făcută astfel:

a) pe puntea drăgii, deasupra nivelului apei din bazin: – înălţimea geodezică de aspiraţie mare – performanţe reduse – necesitatea amorsării pompei la fiecare pornire În prezent soluţia nu se mai utilizează. b) în cala drăgii b1 – cu axul pompei la nivelul apei din bazin – înălţimea geodezică de aspiraţie este zero – se foloseşte la drăgile cu echipament de afânare b2 – cu axul pompei sub nivelul apei din bazin

25

– performanţele se îmbunătăţesc Performanţele cresc considerabil prin folosirea pompelor de noroi submersibile montate

chiar pe cadrul echipamentului de afânare, cea mai bună soluţie fiind cu pompa amplasată în vecinătatea frontului de lucru.

În plan orizontal pompa de noroi se amplasează în axa longitudinală a drăgii, pentru a asigura echilibrul navei.

2.2.2.5. Instalaţia de manevrare a drăgii În vederea asigurării unui contact permanent între organul de lucru şi pământ, drăgile

trebuie să se deplaseze în timpul lucrului. Există mai multe posibilităţi de manevrare a drăgii în timpul lucrului:

– prin cabluri şi ancore – pe piloni şi cabluri şi ancore – cu propulsoare speciale caracteristice drăgilor refulante mari, fluviale sau maritime. a) – deplasarea drăgii prin cabluri şi ancore. În acest scop draga este dotată cu şase trolii cu tambur, cu acţionare independentă.

Ancorele sunt dispuse patru pe maluri şi două în albia bazinului, iar cele şase trolii sunt amplasate simetric, trei la prova şi trei la pupa drăgii.

În vederea asigurării unei manevrabilităţi corespunzătoare a drăgii este necesar ca troliile să aibă tambure cu turaţii variabile, funcţie de rezistenţele întâmpinate la papionare. În acest scop troliile se acţionează cu motoare electrice de curent continuu, cu motoare electrice de curent alternativ prevăzute cu montaje electronice de variaţie a turaţiei sau cu motoare hidraulice.

Deplasarea drăgilor numai cu ajutorul troliilor şi ancorelor se poate realiza în mai multe moduri, în funcţie de tehnologia de lucru adoptată.

b) – deplasarea drăgii pe piloni şi cabluri În acest scop, draga este dotată cu doi piloni montaţi la pupa şi cu două trolii cu cablu,

montate în faţă, pentru ancorare de mal. Sistemul de înaintare este cel al păşirii, iar metoda de lucru prin papionaj.

Avantajul metodei de deplasare cu piloni şi cablu constă în creşterea manevrabilităţii dragii, fiind necesare numai două cabluri de ancorare la maluri, precum şi în mărirea productivităţii, deoarece organul de lucru poate descrie traiectorii precise, fapt deosebit de important mai ales la excavarea solurilor coezive.

Pilonii pot fi aşezaţi pe latura mică a drăgii, la pupa, în axul longitudinal al drăgii, sau pe un disc rotor.

La drăgile clasice pilonii sunt amplasaţi la pupa (fig. 2.21), pe o linie perpendiculară pe axa longitudinală a drăgii, la o distanţă astfel determinată încât prin papionare să asigure drăgii un avans s egal cu: (1,1...1,3) fs l= (2.8)

unde lf este lungimea frezei afânătorului.

26

Fig. 2.21.

Pentru deplasarea drăgii se înfige un pilon în pământ, iar celălalt se menţine ridicat. Cu

ajutorul unui troliu se roteşte corpul drăgii, care în acelaşi timp şi înaintează. În continuare se ridică primul pilon şi se coboară al doilea, iar cu ajutorul celui de-al doilea troliu draga se roteşte spre celălalt mal.

Acest sistem considerat clasic, prezintă un mare dezavantaj şi anume nu asigură o eficienţă a dragării decât de maximum 50%, deoarece lasă spaţii ce nu pot fi măturate de freza afânătorului, în timp ce anumite zone sunt parcurse de două ori.

Dispozitivul cu piloni în pupa drăgii, constă din doi piloni confecţionaţi din ţeavă cu grosimea peretelui de (8…12)mm,care se pot coborâ şi ridica prin inele de ghidare şi dintr-un suport metalic pentru susţinerea şi prinderea pilonilor.

Există mai multe moduri de prindere şi ridicare a pilonilor: – dispozitivul cu prindere superioară a pilonilor este simplu din punct de vedere

constructiv şi se foloseşte uzual la drăgile mici. În pupa drăgii se montează un portal metalic, care depăşeşte înălţimea pilonilor pentru a-i putea trage în sus. Acest sistem dă posibilitatea drăgii să lucreze la variaţii mari ale nivelului apei. În schimb necesită o construcţie mare, ceea ce duce la o mărire a gabaritului de trecere a drăgii.

– dispozitivul cu prindere inferioară a pilonilor prezintă avantajul unei construcţii mai mici şi mai simple,în schimb limitează lungimea utilă a pilonului. Ridicarea pilonilor (fig. 2.22) se execută cu ajutorul unui cablu de tracţiune, care porneşte de la un tambur al troliului, trece prin scripeţii aşezaţi la mijlocul pilonului, iar capătul inferior al cablului este prins cu armături speciale, montate la capătul inferior al pilonului.

27

Fig. 2.22.

– dispozitivul cu prindere prin fricţiune cu saboţi de frână elimină neajunsurile sistemelor

anterioare, însă duce la mărirea duratei de ridicare a pilonului. – dispozitivul cu acţionare hdrostatică reprezintă cea mai nouă soluţie adoptată pentru

manevrarea pilonilor. Amplasarea unui pilon în axa longitudinală a drăgii, faţă de care prin intermediul unui

cărucior draga se poate deplasa sub sarcină asigură o eficienţă de dragare cu mult superioară. O eficienţă similară se poate obţine dacă dispozitivele de manevrare ale pilonilor se

amplasează pe un rotor, cu rotire comandată în jurul unui ax care serveşte şi ca ax de rotaţie al întregii drăgi când sunt înfipţi amândoi pilonii. Ridicarea şi coborârea pilonilor se execută cu ajutorul unor cleşti cu fricţiune suspendaţi de două cabluri din oţel, sau hidraulic.

c) deplasarea drăgii cu piloni, fără ancore, Metodele de deplasare cu cabluri şi ancore impun schimbarea frecventă a poziţiei ancorelor, operaţie care conduce la întreruperi tehnologice, cu consecinţe negative asupra productivităţii drăgii. Ca urmare s-a introdus sistemul de deplasare a drăgii numai cu piloni, fără ancore.

2.2.2.6. Instalaţii auxiliare ale drăgii – Pompa auxiliară de apă serveşte la amorsarea pompei de noroi prin intermediul

ejectorului, la răcirea lagărelor şi la pomparea apei de protecţie a presetupei contra uzării. Ea este în acelaşi timp şi pompă de incendiu. Fiecare dragă are pe puntea ei cel puţin o

pompă auxiliară de apă. – Ejectorul se foloseşte pentru amorsarea pompei de noroi. Construcţia lui simplă, faptul

că nu are piese în mişcare şi insensibilitatea lui la murdărire, îl fac să fie mai avantajos decât pompele de vacum.

– Clapeta reversibilă serveşte la etanşarea conductei de refulare în perioada amorsării pompei de noroi, precum şi ca amortizor al loviturilor de berbec când pompa se opreşte brusc. Clapeta permite de asemenea efectuarea lucrărilor de întreţinere a pompei de noroi, fără golirea conductelor.

– Tubulatura de absorbţie şi refulare de pe dragă. Conducta de aspiraţie, care corespunde ca diametru gurii de aspiraţie a pompei de noroi,

este prevăzută cu un compensator de dilatare, cu un tronson flexibil dotat cu o fereastră pentru

28

revizii şi curăţire. Această conductă trebuie să prezinte pierderi hidraulice minime, să fie etanşă şi să aibă o rezistenţă mecanică corespunzătoare.

Conducta de refulare se execută din oţel cu pereţi groşi, cu diametrul egal cu racordul de refulare al pompei de noroi. Primul cot la 900, ce porneşte de la racordul de refulare al pompei de nămol, se întăreşte în mod special, fiind supus unei uzări puternice. La ieşirea din dragă, conducta de refulare se racordează cu conducta plutitoare printr-un manşon de rotaţie şi o articulaţie sferică, pentru a înlesni oscilaţiile inegale dintre vasul drăgii şi conducta plutitoare.

2.2.2.7. Anexele drăgii refulante – Conducta de noroi serveşte pentru absorbţia şi refularea hidroamestecului excavat.

Partea din conductă care leagă draga de mal formează conducta plutitoare, iar de la mal până la locul de depunere, conducta de uscat.

– Flotoarele susţin conducta de noroi şi sunt formate din corpuri plutitoare metalice legate între ele cu juguri. Când conducta plutitoare are mai mult decât 10-15 tronsoane şi în special în cazul în care draga lucrează pe o apă curgoare se intercalează din 10 în 10 plutitoare, un flotor special, prevăzut cu un troliu şi două ancore, ce servesc la dirijarea conductei plutitoare.

– Articulaţiile au rolul să lege tronsoanele conductei plutitoare. În practica hidromecanizării se întâlnesc 3 tipuri de articulaţii: tub flexibil de piele, tub flexibil din cauciuc şi articulaţie sferică metalică. Articulaţiile sferice sunt cele mai răspândite, deşi prezintă dezavantajul unei greutăţi mari şi al unui cost ridicat.

– Manşoanele de rotaţie se folosesc în cazul în care bazinul de lucru este îngust şi nu permite instalarea mai multor flotoare.

Racordarea conductei plutitoare cu conducta de uscat, în cazul în care nivelul apei din bazinul de lucru nu variază cu mult se realizează printr-o articulaţie sferică obişnuită, sau, la nevoie, pentru o arcuire mai mare a conductei plutitoare, când bazinul de lucru este îngust, prin două articulaţii.

2.2.3. Calculul drăgilor refulante Performanţele unei drăgi sunt limitate de adâncimea de dragare Hd , de puterea pompei de

noroi Pp şi de viteza V de transport. 2.2.3.1. Calculul pompei de noroi [M10] Debitul pompei de noroi Qn , în l/s, se poate determina funcţie de carateristicile sale

constructive cu relaţia:

310n rQ DbV−= (2.9)

în care: D este diametrul rotorului, [m] b este lăţimea rotorului, [m] Vr este viteza radială care este funcţie de turaţie şi de unghiurile paletelor rotorului, [m/s] Pentru determinarea debitului necesar pompei de noroi Qn, l/s, funcţie de productivitatea

impusă drăgii Qd , în m3/h, pe care se va monta, se poate folosi relaţia:

10, 277 1n dQ Q pc⎛ ⎞= + −⎜ ⎟⎝ ⎠

(2.10)

în care: c este concentraţia hidroamestecului în particule solide, care poate fi 0,08 ÷ 0,40 ; p este porozitatea particolelor transportate.

29

Presiunea Hn necesară pompei de noroi, în m col. apă se calculează cu relaţia:

1 0, 25n n a sn aa s a n

H H⎛ ⎞γ γ − γ γ

= − ⋅⎜ ⎟γ γ − γ γ⎝ ⎠ (2.11)

în care: Ha este presiunea pompei pentru apă, [m col. apă] γ n este greutatea volumică a noroiului, [daN/dm3]

aγ este greutatea volumică a apei

sγ este greutatea volumică a particolelor solide.

Presiunea pompei pentru apă însumează: a ga gr a r lH H H h h h= + + + + (2.12)

în care : Hga este înălţimea geometrică de aspiraţie, [m col. apă] Hgr este înălţimea geometrică de refulare, [m col. apă] ha este pierderea de presiune prin conducta de aspiraţie, [m col. apă] hr este pierderea de presiune prin conducta de refulare, [m col. apă] hl pierderi locale, [m col. apă] Pierderile de sarcină pentru apă pe conducta de aspiraţie şi de refulare se pot determina

cu: ( ),a r s a rh h h l l+ = + (2.13)

în care: hs reprezintă pierderile specifice de sarcină pe 1 m de conductă, [m.col. apă] la lungimea conductei de aspiraţie, [m] lr lungimea conductei de refulare, [m] Pierderile specifice de sarcină în funcţie de debitul Q , în m3/h, diametrul conductei Dc ,

în m, şi de coeficientul de rugozitate al conductei r, se pot calcula cu relaţiile :

2

35,331,4822 10 ,s

c

QhD

−= × pentru r = 0,012

(2.14)

2

35,3151,22 10 ,s

c

QhD

−= × pentru r = 0,011

Pierderile locale, hl , reprezintă 5…10 % din pierderile lineare de sarcină pe conducte. Puterea necesară acţionării pompei de noroi Pp, în kW, se determină cu relaţia :

102

n n np

p tr

Q HP γ=η ⋅η

(2.15)

în care : Qn este debitul pompei de noroi, [l/s] ; Hn este presiunea necesară pompei, [m col. apă ] ; nγ este greutatea volumică a noroiului, [daN/dm

3] ;

pη este randamentul pompei de noroi şi variază între 0,35 şi 0,75 funcţie de mărimea

pompei şi modul de fabricaţie al acesteia; trη este randamentul transmisiei.

30

Considerând şi o rezervă de putere de cca. 25 % relaţia (2.15) se poate scrie mai simplu pentru proiectare : 0,008p n nP Q H= (2.16)

2.2.3.2. Calculul echipamentului de afânare cu freză [M10] Prin dimensionarea frezei se urmăreşte asigurarea concordanţei productivităţii acesteia cu

a drăgii la care urmează a se monta. Productivitatea frezei Qf , în m3/h (fig. 2.61) se poate calcula cu relaţia :

60 ( )2x

f p uhQ v s h= ⋅ ⋅ + (2.17)

în care : vp este viteza de papionare, [m/min] s este avansul drăgii, respectiv lungimea pasului de înaintare, [m] hu este grosimea utilă a stratului săpat, [m] xh este supraadâncirea care rămâne între porţiunile nesăpate, [m]

Fig.2.23.

Pasul de înaintare maxim al drăgii va fi :

cosfs L= β (2.18)

în care : Lf este lungimea frezei β este unghiul de înclinare al acesteia.

De asemenea, grosimea utilă maximă a stratului săpat trebuie să îndeplinească relaţia : 1,5u fh D= (2.19)

în care : Df este diametrul frezei, pentru ca surpările prismelor de pământ să nu frâneze lucrul. Geometria frezei se stabileşte cu ajutorul relaţiilor : – diametrul frezei, [m]

(2,5...2,8)f aD d= (2.20)

unde da este diametrul conductei de absorbţie, [m], sau

3,5(0,23...0, 25)f dD Q= (2.21)

unde Qd este debitul drăgii, [m3/h].

31

– lungimea frezei, [m] (0,6...0,8)f fL D= (2.22)

– lungimea totală a cuţitului frezei, [m] (1,25...1,30)f fl D= (2.23)

– lungimea părţii tăietoare a cuţitului (0,9...1,0)t fl D= (2.24)

Unghiul de ascuţire al cuţitelor frezei (β ) poate varia în limite largi, între 150 şi 350.

Unghiul optim de tăiere (α ) pentru condiţiile de lucru sub apă este de 250…400, iar unghiul optim de aşezare γ este de 30…70. Între aceste unghiuri există relaţia: α = β+ γ (2.25)

Unghiul de înclinare al cuţitului faţă de axa de rotire a frezei, în vederea asigurării unui lucru uniform, fără strivirea pământului cu muchia posterioară, trebuie să fie: ψ = 70 ÷ 900.

Puterea necesară frezei Pf , [kW] se poate determina preliminar cu relaţia: f d sP Q p= ⋅ (2.26)

în care: Qd este productivitatea drăgii în material solid [m3/h] ps este puterea specifică necesară săpării a 1 m3, [kW/m3], conform tabelului 2.2.

Tabelul 2.2 Natura terenului ps [kW/m3]

Teren uşor (nisipuri afânate, netasate) Teren mijlociu (nisipuri tasate, loesuri,pietriş) Teren greu (argile compacte, etc.)

0,20 – 0,30 0,35 – 0,45 0,45 – 0,70

Puterea necesară frezei se poate calcula şi cu relaţia:

955

r tf

m t

M nP ⋅=⋅η ⋅η

(2.27)

în care: Mr este momentul rezistent la freză, [daN/m] : r s t s mM R l z r= ⋅ ⋅ ⋅ (2.28)

unde: Rs – rezistenţa specifică la săpare, care variază funcţie de natura terenului de la 700 la 6000 daN/m;

lt – lungimea părţii active, tăietoare, a cuţitului, [m] zs – numărul de cuţite ce lucrează simultan,

2szz = în cazul în care numărul total de cuţite z = 3…12, este par şi

12s

zz += când z este impar

nf este turaţia frezei, [rot/min] Se recomandă nf < 50 rot/min, optim nf = 10…25 rot/min deoarece la turaţii mai mari se

produce o împrăştiere a pământului săpat, scăzând productivitatea drăgii. mη este randamentul mecanic al frezei;

32

0,80...0,87mη =

tη este randamentul transmisiei

0,91...0,95tη

Rezistenţa specifică la săpare se poate calcula cu relaţia: sR kc= (2.29)

în care: k este rezistenţa la săpare, cu valori în tabelul 2.3 în daN/m2 c este grosimea brazdei tăiate, [m]

Tabelul 2.3

Categoria terenului Natura terenului Rezistenţa la săpare

[daN/m2]

I II III IV

Nisip Argilă uşoară Argilă Argilă compactă

4800 – 8600 9200 – 15000 13000 – 25000 20800 - 38000

Grosimea brazdei c tăiate de cuţitele frezei poate fi de 2…20 cm, de regulă c < 10 cm, şi

depinde de viteza de papionare vp, de numărul de cuţite z şi de turaţia frezei nf :

pf

vc

z n=

⋅ (2.30)

2.2.3.3. Calculul conductei Diametrul conductei de transport al hidroamestecului Dc depinde de debitul pompei de

noroi Qn şi de viteza de transport Vn:

4 ncn

QDV

=π

(2.31)

În tabelul 2.4 se dau vitezele de transport al hidroamestecului. Tabelul 2.4

Viteza medie de transport [m/s] Diametrul conductei Pentru argilă Pentru nisip Pentru nisip şi pietriş

250 300 350 400

450 500

1,6 1,9 2,0 2,2 2,3 2,5

2,0 2,1 2,2 2,4 2,6 3,0

2,5 2,8 3,0 3,3 3,5 3,8

33

3. CARACTERISTICILE PĂMÂNTURILOR

Caracteristicile pământurilor influenţează procesul săpării acestora determinând modul de

lucru şi alegerea utilajelor. 3.1. Caracetristicile fizico-mecanice ale pământurilor Dintre aceste caracteristici cele mai importante sunt urmatoarele [M10], [G5]: 3.1.1. Compoziţia granulometrică Reprezintă masa unei fracţiuni, raportată la masa totală a materialului supus determinării

experimentale. Prin fracţiunea granulometrică se înţelege totalitatea particulelor cu dimensiunile

cuprinse între două valori dinainte stabilite. Prin diametrul unei granule se înţelege, în mod obişnuit mărimea ochiului rotund de sită,

în mm, prin care trece granula respectivă. 3.1.1.1. Clasificarea fracţiunilor granulometrice

După dimensiunile lor, particulele de pământ pot fi împărţite în următoarele grupe: – argiloase < 0,005 mm; – prăfoase 0,005 ÷ 0,05 mm; – nisipoase 0,05 ÷ 2 mm; – pietriş 2 ÷ 20 mm; – prundiş sau piatră spartă 20 ÷ 200 mm – bolovani > 200 mm În tabelul 3.1 este prezentată clasificarea pământurilor după conţinutul de argilă:

Tabelul 3.1

3.1.1.2. Reprezentarea grafică a compoziţiei granulometrice a pământurilor a) histograma, 1 (fig. 3.1) reprezintă o diagramă în trepte, alcătuite din dreptunghiuri

alăturate cuprinzând limitele unei anumite fracţiuni granulometrice, având pe înălţime conţinutul în procente în care particulele din fracţiunea respectivă intră în alcătuirea pământului:

Natura pământului Conţinutul particolelor mai mici de

0,005 mm, %

Argilă Argilă nisipoasă Nisip argilos

Nisip

>30 30…10 10…3

34

– curba de frecvenţă, 2, (fig. 3.1) care se obţine unind printr-o linie curbă continuă, mijloacele treptelor unei histograme;

– curba granulometrică, 3,. Ordonata oricărui punct al acestei curbe reprezintă cantitatea (în procente din greutatea totală uscată) de particule din pământul respectiv, având dimensiuni mai mici decât valoarea diametrului de pe abcisa corespunzătoare acelui punct. Din punct de vedere analitic, curba granulometrică reprezintă integrala curbei de frecvenţă.

35

Fig. 3.1.

36

3.1.1.3. Clasificarea pământurilor după compoziţia granulometrică Această clasificare este redată în fig. 3.2.

Fig. 3.2.

37

3.1.2. Indici fizici geotehnici ai terenurilor a) Porozitatea Este raportul, exprimat în procente, între volumul porilor dintr-un volum de teren şi

volumul total (goluri + schelet)

p pt s p

V Vn

V V V= =

+ (3.1)

de unde

1s pnV V

n−

= (3.2)

b) Indicele porilor Este raportul dintre volumul porilor şi volumul plinurilor (scheletului) dintr-un volum dat

de pământ:

(1 ) 1

p p

s p

V nV nV n V n

ε = = =− −

(3.3)

de unde

1

p s

s p s s

V VnV V V V

ε ε= = =

+ + ε + ε (3.4)

c) Greutatea volumică Greutatea volumică, pγ , este greutatea unui m

3 de pământ în stare naturală. Pentru:

– pământuri obişnuite pγ = 1100…2000 daN/m3;

– pământuri stâncoase pγ = 2000…3000 daN/m3;

– minereuri pγ = 3500…5300 daN/m3;

Greutatea volumică influenţează asupra valorii rezistenţei la săpare şi asupra lucrului mecanic necesar ridicării pământului săpat.

d) Afânarea

Reprezintă proprietatea pământurilor de a-şi mări volumul prin săpare. În mod corespunzător scade greutatea lor volumică. Afânarea se măsoară prin coeficentul de afânare ka, dat de relaţia:

volumul pământului după săpare

ka = volumul pământului în stare naturală

Pentru: – nisipuri ka ≅ 1,12; – argile ka ≈ 1,3; – pământuri stâcoase ka = 1,45; – pământuri îngheţate ka = 1,5…2,5. e) Umiditatea Este raportul dintre greutatea apei din pori şi greutatea particolelor solide conţinute într-

un volum de pământ:

38

1 22

G GwG−

= (3.5)

în care: G1 – este greutatea probei în stare naturală G2 – este greutatea probei în stare uscată (încălzită la 1050 C) Umiditatea unui teren se numeşte maximă atunci când terenul este saturat cu apă (când

apa umple complet golurile având deci volumul nV) :

(1 ) 1

a a asat

s s s

nV nwn V n⋅ γ γ γ

= = ⋅ = ε− γ − γ γ

(3.6)

în care:

aγ – greutatea specifică a apei; aγ = 1,00 t/m3, în condiţii normale de temperatură şi

presiune.

sγ - greutatea specifică a părţii solide; variază în limite destul de înguste

sγ = 2,60…2,73 g/cm3.

f) Gradul de umiditate Se defineşte ca raportul dintre volumul ocupat de faza lichidă şi volumul total al

golurilor, respectiv dintre umiditatea reală şi umiditate maximă (în stare de saturaţie) :

ssat a

wwSw

γ= =

εγ (3.7)

g) Coeziunea Caracterizează terenurile legate, cu cât ea este mai mare, cu atât terenul este mai

compact, se taie şi se sfărâmă mai greu sub acţiunea vânei de apă. Valoarea coeziunii (vezi tabel 3.2.) depinde de existenţa în teren a argilei sau a altor materiale care joacă rolul de lianţi sau cimenturi, precum şi starea de umiditate a terenului. Coeziunea apare sensibil când terenul conţine mai mult de 10% material fin sub 0,02 mm.

Tabelul 3.2.

Denumirea terenului Coeziunea C [daN/cm2]

Denumirea terenului Coeziunea C [daN/cm2]

Argilă moale 0,05 Argilă moale nisipoasă 0,02 Argilă cu capactitate Medie

0,20 Argilă medie nisipoasă 0,10

Argilă compactă 0,40 Argilă compactă nisipoasă

0,20

Argilă foarte compactă

0,98 Nisip cimentat 0,50

h) Frecările interioare Acestea sunt frecări între particulele din interiorul pământului. Ele, împreună cu forţele

de coeziune reprezintă principalii factori care determină rezistenţele la tăiere a pământului. Unghiul de frecare se notează cu 2ϕ , iar coeficientul de frecare interioară 2 2tgµ = ϕ

39

i) Frecările exterioare Acestea sunt frecările dintre un corp interior (organul de săpare) şi suprafaţa terenului.

Unghiul de frecare (exterioară) dintre oţel şi pământ se notează cu 1ϕ , iar coeficientul de frecare corespunzător 1 1tgµ =