X Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Плавающий роторный комплекс для углубления фарватера рек
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Проблема северных рек.
Мы живем за Полярным кругом в устье реке Таз. В наш речной порт в летние не заходят крупные речные суда с осадкой до 2 метров. Всему виной стремительно мелеющая Тазовская губа. На нашем участке в Тазовскую губу впадают 3 реки: Таз, Пур и Месо-Яха.
Фото 1. Участок Тазовской губы от п. Тазовский до села Находка.
Летом участок губы от пос. Находка до Тазовского мелет до 1 метра и меньше. По этой причине с 1994 года к нам не ходит ни одно пассажирское судно из окружной столицы – Салехарда. Многие суда по нескольку недель дожидаются северного ветра, когда произойдет нагон уровня воды хотя бы на полметра.
Мы знаем, что в последние годы идет агрессивная водная эрозия грунта, вследствие таяния вечной мерзлоты. Наш грунт (пылеватых песок) огромных количествах вымывается в реку, а затем и в губу. Проблема на столько серьезная и объемная, когда речь об углублении фарватера и рек, и губы идет на десятки, а до железнодорожного терминала (ст. Коротчаево) на 2 сотни километров.
Фото 2. Участок Тазовской губы и реки Пур от п. Коротчаево до села Находка.
Решить эту проблему старым «советским» способом с помощью земснарядов накладно. Слишком протяженные участки, где требуется несколько раз в одну навигацию углублять фарватеры рек и губы.
Возможности земснарядов.
Земснаряды имеют свое предназначение - разработка различных грунтовых пород под водой. При этом их подразделяют на:
- стационарные (сухопутные)
- передвижные (сухопутные и плавучие)
Сухопутные земснаряды стационарного типа применяют для повышения высоты и дальности переноса гидросмеси (грунта).
Передвижные сухопутные земснаряды могут передвигаться с помощью установленных гусениц (на гусеничном ходу) либо специальных механизмов (шаговое передвижение). Такие снаряды также монтируются на ж/д платформах, прицепах специального назначения.
Плавучие земснаряды устанавливаются на специальных понтонах, имеют высокий уровень показателей производительности и могут быть выполнены с различной мощностью.
Среди указанных типов наиболее популярными остаются плавучие земснаряды, которые имеют в свою очередь классификацию по различным признакам.
Фото 3. Универсальный земснаряд
Благодаря производительности и высокой проходимости универсального земснаряда, с его помощью можно выполнить работы любой сложности, связанные с очисткой или углублением водоемов. Грунт всасывается и переправляется на берег мощным грунтовым насосом.
Номинальная производительность универсального земснаряда составляет около 800 кубических метров в час, мощность электропривода грунтового насоса - 160-200 киловатт, мощность дизель-генератора - 250-300 киловатт.
Стоимость отечественных универсальных земснарядов варьируется от 22 до 17 млн рублей. Стоимость аренды составляет 100-150 руб. за 1 м² выполнения работ.
Поиск оптимального решения проблемы.
Приступая к поиску оптимального решения проблемы, мы понимали, что установка нескольких одновременно работающих земснарядов на дистанции 60-200 км практически не решит проблему. По нашим исследованиям [1], в результате агрессивной водной эрозии, вызванной стремительным таянием верхнего слоя вечной мерзлоты, в реки выбрасывается огромное количество песка. При этом, высоко производительная и дорогостоящая техника – земснаряд, пока станет углублять фарватер реки на одном перекате, другой будут забиваться новой порцией сверхнормативного выноса песка. Нужно совершенно другое решение. И вот почему. В нашем случае не нужно создавать глубокие
подводные ямы, необходима техника способная быстро, за короткое время, углубить фарватер реки, хотя-бы на 2 метра и пропустить скопившейся водный транспорт в непроходимом месте. Отсюда следует поиск производительного рабочего органа, способного за 1-2 прохода углубить участок реки на 1,5-2 метра. Наиболее приемлемым, в нашем случае, может стать рабочий орган производительного роторного экскаватора, для добычи угля открытым способом. Но эти «махины» производились в советские времена на территории Украины и в наше время не выпускаются.
Фото 4. Роторный карьерный экскаватор.
Но идея использования широкозахватного рабочего органа для углубления песчаного дна рек и Тазовской губы становиться основной. Такого специализированного рабочего органа нигде в мире не производят. Ширина захвата ротора должна быть не меньше чем 10 метров, тогда появляется возможность за 1 проход «пробить» фарватер для прохода речного судна со средним водоизмещением.
Для устойчивой работы рабочего органа – роторного ковша необходим мощный привод. Мы предлагаем взять 2 электрических мотор-колеса, к примеру, от известного карьерного самосвала БелАЗ мощностью не менее 1000 кВт.
Фото 5. Мотор-колесо карьерного самосвала БелАЗ 75710.
Установка двух мощных ротор-колес потребует установки на базовом плавсредстве одного V-образного 16 цилиндрового дизельного двигателя и электрогенератора для обеспечения их работы.
Учитывая вес и габариты ротора, по предварительной компоновки, необходимо иметь основное судно, на котором будет устанавливаться роторный ковш и спаренное на жесткой сцепке универсальное судно-баржу, способного максимально загружаться, выбираемым из дна песком.
Цель и задачи проекта
Основная цель проектной работы - создать плавающий макет роторного комплекса для быстрого углубления фарватера реки или губы.
Задачи проекта:
Спроектировать и изготовить макет широкозахватного роторного ковша для эффективного углубления дна рек и губы.
Спроектировать и изготовить макет основного судна, с установкой на нем роторного ковша, и макет вспомогательного судна-баржи, для сбора и транспортировки донного грунта.
Провести испытание собранного макета на работоспособность.
Проектирование и изготовление широкозахватного
роторного ковша.
Роторный ковш мы представили себе в виде широкого барабана, на который, с помощью боковых зубчатых дисков, установлены режущие ножи.
Фото 6. Барабана роторного ковша.
Барабан изготовили из корпуса круглой пятилитровой пластиковой бутылки, боковые зубчатые диски из фанеры, режущие ножи - из сантехнической трубы Ǿ 100 мм. На ось вращения поставили мотор-колеса в виде колес от роликовых коньков.
Фото 7. Сборка широкозахватного роторного ковша
Проектирование и изготовление основного судна и баржи.
Корпус основного судна, на котором будет установлен роторный ковш мы изготовили из пенопласта, отделанного тонкой фанерой (для предания прочности). С помощью двух рукоятей широкозахватный роторный ковш закрепили на станину судна.
К основному судну с помощью жесткой сцепки установили вспомогательное судно-баржу, на которой будет накапливаться выбранный со дна рек грунт.
Фото 8. Сборка корпуса основного судна
Установка и регулировка широкозахватного роторного ковша.
Ш ирокозахватный роторный ковш устанавливается на две рукояти. С помощью двух пар направляющих регулируется в проёме между основным и вспомогательными судами.
Фото 9. Установка и регулировка широкозахватного роторного ковша
Испытание на работоспособность собранного макета
Перед испытанием собранного макета мы подготовили лоток с нашим местным песком, взятым с берега реки Таз. Лоток установили между двумя временными опорами основного и вспомогательного судна
Фото 10. Проверка на работоспособность плавающего комплекса.
Успешные испытания макета плавающего роторного комплекса для углубления фарватера рек дают возможность надеяться на разработку реального проекта
Экономическое обоснование проекта
Примерная смета расходов на проектирование и изготовление реального плавающего широкозахватного роторного комплекса для углубления фарватера рек.
Таблица 1.
|
№ п/п |
Стоимости покупных изделий и выполнения экспериментальных работ |
Стоимость единицы, руб |
Количество |
Цена Руб. |
|
|
1. |
Мотор-колесо компании «Сименс» мощностью 1200 кВт |
9 500 000 |
2 шт. |
19 000 000 |
|
|
2. |
Проектирование и экспериментальное изготовление широкозахватного роторного ковша с органами управления. |
50% от стоимости 2 мотор-колес |
9 500 000 |
||
|
3. |
V-образный 16 цилиндровый дизельный двигатель вместе с генератором компании «Сименс» |
34 000 000 |
1 шт. |
34 000 000 |
|
|
4 |
Установка, монтаж, отладка, испытания всего оборудования. |
13 000 000 |
|||
|
5 |
Основной буксир-толкач |
27 000 000 |
1 шт |
27 000 000 |
|
|
6 |
Баржа (шаланда) саморазгружающаяся |
7 500 000 |
4 шт. |
30 000 000 |
|
|
7 |
Вспомогательный буксир-толкач |
12 000 000 |
1 шт. |
12 000 000 |
|
|
8 |
Транспортировка, окончательная сборка, ходовые испытания в реальных условиях эксплуатации |
6 500 000 |
|||
|
9 |
Затраты на дизтопливо за 1 полную навигацию 90 дней |
34×24×90= 73440 л |
33 |
2 423 520 |
|
|
Итого: |
153 423 520 |
||||
Зная арендную стоимость единицы работ и протяженность дистанции углубительных работ, можно подсчитать смету ежегодных расходов, расставляя примерно на каждые 15 км по одному земснаряду.
Примерная сметная стоимость ежегодного углубления фарватера Тазовской губы на дистанции Тазовский – Находка 61,4 км.
Таблица 2.
|
№ п/п |
Стоимость выполнения работ |
Стоимость единицы, руб. |
Количество |
Цена Руб. |
|
1 |
Доставка земснарядов |
1 257 000 |
4 |
5 028 000 |
|
2 |
Арендная стоимость выполнения работ |
150 руб/ м² |
61400×10 = 614000 м² |
92 100 000 |
|
Итого: |
97 128 000 |
Примерная сметная стоимость ежегодного углубления фарватера Тазовской губы и реки Пур на дистанции ж/д станция Коротчаево – Находка 217,3 км.
Таблица 3.
|
№ п/п |
Стоимость выполнения работ |
Стоимость единицы, руб. |
Количество |
Цена Руб. |
|
1 |
Доставка земснарядов |
1 257 000 |
14 |
17 598 000 |
|
2 |
Арендная стоимость выполнения работ |
150 руб./ м² |
217300×10 = 2173000 м² |
325 950 000 |
|
Итого: |
343 548 000 |
Необходимо отметить, что в расчетах стоимости углубительных работ земснарядами не учтены сроки выполнения работ, которые трудно оценить для условий Крайнего Севера. Арендная стоимость для наших условий окажется не 100-150 руб./ м², а гораздо больше. Таким образом, в любом случае, стоимость на изготовление и эксплуатацию собственного экспериментального плавающего широкозахватного роторного комплекса для углубления фарватера рек (153 423 520 руб.) оказывается предпочтительнее, чем ежегодная аренда 18 земснарядов, которая составляет 440 676 000 руб.
Выводы по проекту
В результате экспериментального проектирования плавающего макета роторного комплекса для быстрого углубления фарватера реки или губы удалось изготовить и испытать действующую макетную модель.
Успешные испытания макета плавающего роторного комплекса для углубления фарватера рек дают возможность надеяться на разработку реального проекта.
Экономическое обоснование проекта указывают на то, что стоимость на изготовление и эксплуатацию собственного экспериментального плавающего широкозахватного роторного комплекса для углубления фарватера рек оказывается предпочтительнее, чем ежегодная аренда 18 земснарядов.
Литература
Андриенко Валерия Андреевна.«Исследование агрессивной эрозии грунта, возникающей в следствие таяния термокарста». VI Всероссийский слёт юных полярников «Наша Планета 2017». Cанкт-Петербург. www.mir-edu.ru
Аренда земснарядов. http://rentdredger.ru/articles/Vidyzemsnaryadoviikhklassifikatsiya
Весь спектр проектно-конструкторских и технологических работ на водном транспорте. www. Flagma.ru.
Цены автосамосвала БелАЗ 75710 http://machinspec.ru/str/samosval/belaz-75710.html