Вакуумные экскаваторы
Перспективный вид вакуумных грунтозаборных машин

Что такое «вакуумный экскаватор»?

Вакуумные экскаваторы – это разновидность вакуумного оборудования, машина, имеющая широкий всасывающий рукав и создающая мощное разрежение всасывания. Они способны разрыхлять или размывать (вода поступает из специального резервуара) грунт, в том числе, по некоторым данным, и мерзлый, и другие материалы, вплоть до сыпучих каменных, струями воздуха или воды под высоким давлением. Образовавшаяся полужидкая или сыпучая пульпа забирается через всасывающий рукав с помощью разрежения, создаваемого мощным вакуумным насосом, в сборочный бункер специальной конструкции для транспортировки и утилизации, где твердые частицы осаждаются, а жидкость частично отфильтровывается. Выгрузка содержимого производится самосвальным способом при подъеме бункера либо выталкивающей плитой с гидравлическим приводом, а жидкая фракция может удаляться либо самотеком, либо принудительно под давлением воздуха от насоса. Если в процессе используется вода, она может регенерироваться для повторного использования путем фильтрации в замкнутой системе машины. Привод насосов и прочих агрегатов установки может быть автономным, от собственного двигателя (бензинового или дизельного) или от двигателя шасси через коробку отбора мощности.

Вакуумные экскаваторы, предназначенные для всесезонной эксплуатации, имеют металлическую теплозащитную облицовку, сохраняющую тепло в отсеках с гидрооборудованием. Отсеки отапливаются автономными отопителями, что позволяет использовать машины при отрицательных температурах.

Этот вид земляных работ обычно называют «технологией мягкой экскавации», и, как правило, он считается равным по уровню безопасности или даже более безопасным, чем выемка грунта вручную в «опасной зоне» непосредственно вблизи подземных коммуникаций.

Применение. Увидеть подземные коммуникации

В России имеются десятки миллионов километров коммунальных коммуникаций (проще говоря, трубопроводов и кабелей), проложенных под землей, и если нужно их обнаружить и отрыть, например, для ремонта или замены, или проложить новую коммуникацию, зачастую сделать это непросто. В городах коммуникации проложены очень густо, и поэтому электромагнитные методы локации не всегда дают точный результат и могут иногда не «разглядеть» коммуникации, особенно если они неметаллические или окружены посторонними предметами плотной структуры – камнями, остатками бетонных балок и т. п.

В такой ситуации визуальная проверка местоположения коммуникаций перед началом механической выемки грунта землеройной техникой имеет большое значение для предотвращения повреждений этой инфраструктуры.

Эффективным решением этой проблемы является использование вакуумных экскаваторов для выемки разведочных шурфов. Важно подчеркнуть, что при выемке грунта вакуумным экскаватором риск повреждения коммуникации стремится к нулю. Грунт вблизи подземной трубы или кабеля размывается струей воды или воздуха и отсасывается вакуумным рукавом. В зависимости от типоразмера вакуумной машины и типа грунта шурф площадью 80 cм² и глубиной 1,5 м может быть вырыт за 30–20 минут или менее (только сначала придется убрать твердое покрытие – плитку, асфальт). Имеются модели вакуумных экскаваторов, способных рыть шурфы и глубже, но городские коммуникации чаще всего располагаются на глубине до 2 м. Вообще же вакуумные экскаваторы способны производить выемку грунта до 50 м в глубину и, не меняя места расположения, производить выемку траншей до 200 м в длину в зависимости от типа материала.

Заметим, что, как и в других новых видах техники, точное определение вакуумных экскаваторов пока не сформулировано. Некоторые специалисты считают вакуумными экскаваторами только мощные высокопроизводительные установки, способные вынимать грунт в объемах, сравнимых с обычными экскаваторами. С другой стороны, некоторые компании называют вакуумными экскаваторами любые установки, которые они выпускают, если эти вакуумные установки предназначены для разрыхления и отбора грунта даже в небольших объемах.

Вакуумные экскаваторы также можно использовать для прокладки городских коммуникаций, когда выемка грунта традиционным механическим способом сопряжена с риском повреждения существующих подземных коммуникаций ковшом экскаватора.

Кроме таких распространенных сфер вакуумные экскаваторы довольно широко используются на Западе, и особенно в США, во многих других отраслях. При работах горизонтально-направленного бурения они отбирают лишнюю буровую жидкость из скважины, роют ямы под столбы, заменяют балластный щебень на железнодорожных путях, при садово-парковых работах выкапывают деревья и кусты, не повреждая корней, и т. д.

Особенности конструкции вакуумных экскаваторов

Отметим, что значения характеристик вакуумных экскаваторов приводятся в статье для иллюстрации и примера и не являются ни абсолютными, ни окончательными.

Насосы. Большинство производителей оснащают машины насосами, развивающими давление примерно от 15 до 40 МПа и производительность до 43 000 м³/ч. Следует заметить, что при работе на самых мощных машинах с наиболее высоким давлением малейшая невнимательность оператора может привести к аварии.

Эжекционные насосы в результате подачи струи высокого давления развивают разрежение около 30 кПа, за счет которого машина всасывает разрыхленный грунт, пульпу, камни и воду.

Насадок, через который подаются струи высокого давления, один из самых подверженных износу и повреждениям узел установки. Часто операторы обращаются с ним небрежно и используют вместо лопаты, пытаясь разрыхлять им грунт. В результате такого обращения насадок может получить повреждения и будет неправильно формировать струи высокого давления.

Стрела. Тенденция последних лет – оснащение вакуумных экскаваторов гидравлической стрелой, удерживающей напорный рукав и насадок. Благодаря этому оператору не нужно держать руками напорный рукав в течение всего рабочего дня. Оператор управляет насадком на гидравлической стреле – это намного эргономичнее и безопаснее ручной работы. Стрела может быть телескопической, способна поворачиваться на определенный угол (около 250–320°) и имеет достаточно большой вылет (до 7 м и более), таким образом, она дает возможность работать в различных точках, не изменяя положения машины.

Сборочный бункер. Большинство вакуумных экскаваторов оснащается бункерами вместимостью от 0,4 до 12,0 м³, причем машины, использующие водяные струи, оснащаются, как правило, бункерами большей вместимости. Бункер бывает приспособлен для выгрузки содержимого в кузов самосвала, чтобы избавить вакуумный экскаватор от необходимости самостоятельно вывозить собранный грунт на загородную свалку. Полная масса машин обычно составляет от 3,5 до 40 т. Для защиты от коррозии бункер может иметь внутри гальваническое покрытие.

Задняя крышка бункера, через которую производится выгрузка собранного грунта, в последние годы все чаще вместо ручного привода оснащается гидравлическим приводом запирающего механизма и закрывания крышки с дистанционным управлением. Благодаря этому выгрузку может производить оператор машины без посторонней помощи.

Всасывающий рукав имеет диаметр в зависимости от типоразмера установки, примерно от 75 до 300 мм, и съемный сужающийся насадок. У насадка сбоку имеются разгружающие отверстия, которые оператор может открыть, чтобы уменьшить разрежение, когда насадок захватит слишком крупный камень и его нужно удалить.

Об энергии всасывания можно судить по таким цифрам (относятся к некоторым конкретным моделям вакуумных экскаваторов): на входе в отверстие всасывающего рукава диаметром 250 мм создается скорость около 360–645 км/ч и сила всасывания 135 кг. Некоторые установки могут всасывать предметы до 250 мм в диаметре и массой до 30 кг. Расход воздуха на входе во всасывающий рукав диаметром 230 мм может составлять 8 м³/с, а через всасывающий рукав диаметром 200 мм одна из установок способна выбрать тонну грунта за 6 мин. Всасывающий рукав может иметь длину до 150 м, благодаря чему машина ведет выемку грунта в самых узких и неудобных местах, находясь от них на некотором расстоянии.

Если в рукав случайно попадет какой-нибудь большой предмет, который перекроет рукав, в современных вакуумных установках есть возможность создавать давление в бункере и с его помощью удалять предмет из рукава.

К патрубку бункера рукав крепится с помощью соединительной муфты с надежным кулачковым запорным механизмом. Такое соединение способно обеспечить герметичное крепление и при разрежении в рукаве, и при избыточном давлении, действующем в обратную сторону для прочистки засора в рукаве. Насадок рукава может иметь зубчатую форму. Это помогает разрыхлять грунт, но при сборе мелких камней и мусора некоторые предметы могут цепляться за эти зубья.

Органы управления. Проводные и беспроводные пульты позволяют оператору управлять работой, находясь вне машины. Некоторые производители располагают органы управления с боковой стороны автомобиля, обращенной к тротуару, чтобы оператор работал не на проезжей части.

Дополнительное оборудование. Мощности установки обычно хватает для использования дополнительного гидравлического рабочего оборудования: отбойного молотка, буровых установок и др. Дополнительное гидродинамическое оборудование позволяет значительно расширить возможности использования вакуумного экскаватора, повысить его экономичность и производительность.

Тип шасси. Вакуумные экскаваторы могут монтироваться на 2-, 3- и 4-осные шасси, автомобильные и прицепов/ полуприцепов, бывают стационарные вакуумные установки, смонтированные на полозьях (они также могут устанавливаться в кузове грузовика или прицепа), а также машины в исполнении по особым заказам. Выбор зависит от объема работ и от средств, которыми располагает покупатель. Цена установки малого типоразмера на прицепе и мощной машины на автомобильном шасси может различаться в 20 раз. Малые вакуумные установки на прицепе могут буксироваться небольшим пикапом г/п всего 500 кг. Но если вы выбираете установку на прицепе, нужно подумать, какой автомобиль будет ее буксировать: сэкономив на вакуумной экскавационной установке, можно потратиться на тягач.

Типы «вакуумных экскаваторов»

На современном рынке вакуумных экскаваторов предлагаются машины следующих основных типов: гидродинамического, воздушного и комбинированного. Установки всех типов имеют преимущества и недостатки, однако наиболее распространены гидродинамические.

Гидродинамический. При гидродинамическом методе для размыва и выемки грунта из скважины используется вода. Этот метод дает особенно хорошие результаты при разработке грунта дисперсной структуры или плотной глины.

Некоторые специалисты утверждают, что гидродинамическим способом размыв и удаление материала выполняются намного быстрее, чем воздушным, потому что вода способна перемещать материал быстрее и с более высоким к.п.д. Если приходится работать с замерзшим или очень твердым материалом, воду можно подгревать с помощью бортовой нагревательной установки, что помогает процессу разрыхления этих материалов. Вода также работает как смазка и увеличивает срок службы экскавационного оборудования, уменьшая износ вакуумного рукава и других узлов, по которым подается материал.

Другим существенным преимуществом гидродинамической установки является меньший уровень шума и в целом более экологичная работа благодаря отсутствию пыли, которой всегда сопровождается разработка материала воздушной струей. Поэтому гидродинамический метод удобен для применения в городских условиях.

С другой стороны, у гидродинамического метода разработки грунта есть существенный недостаток: нельзя повторно использовать извлеченный материал, пока он не высохнет. В результате приходится перевозить и складировать извлеченный грунт в другом месте. Кроме того, в некоторых случаях строительные нормы запрещают использовать гидродинамический метод выемки грунта вблизи дорожного полотна или под ним.

Воздушный. Несмотря на множество преимуществ гидродинамического способа, которые были перечислены выше, среди строителей распространяется тенденция использования машин с экскавационными установками воздушного типа, особенно в регионах с определенными типами грунтов. Как правило, воздушный метод разработки грунта дает лучшие результаты при разработке сухих песчаных или мелкодисперсных несвязных грунтов, а также если объем работ невелик.

Принципиальным преимуществом воздушного метода перед гидродинамическим является то, что для работы не требуется вода (что очень важно в районах, где воды недостаточно), и то, что извлеченный грунт остается сухим, его не нужно куда-то вывозить и можно сразу же использовать снова для засыпки шурфов и траншей. Установка воздушного типа длительное время может работать без остановки, поскольку ей не нужно пополнять запас воды, а бортовые насосы способны непрерывно создавать необходимое давление воздуха. При выборке грунта вокруг подземных электрических кабелей или других легко повреждаемых коммуникаций предпочтительно использовать воздушный метод, поскольку при нем создается давление меньшей величины. По той же причине воздушный метод менее опасен для оператора. Если работа ведется вблизи подушки дорожного полотна, она не насыщается влагой.

Некоторые специалисты утверждают, что выемка грунтов определенных типов при воздушном методе производится быстрее, чем при гидродинамическом.

Однако воздушный метод малоэффективен при разработке твердых грунтов. К тому же смесь грунта с воздухом работает в какой-то степени как пескоструйная установка и износ компонентов вакуумного экскаватора под воздействием частиц выше, чем при движении грунта в водяном потоке. Видимо, по­этому воздушные установки составляют пока небольшой процент от всего объема продаж вакуумных экскаваторов.

Комбинированные. В последние годы разработаны и предлагаются вакуумные экскаваторы, совмещающие преимущества установок гидродинамического и воздушного типов. В таких комбинированных установках можно менять рабочую среду (воду или воздух) переключателем. Если воздушная экскавация неэффективна на каком-то типе почвы, оператор может перевести машину на работу с водой, и машина не будет простаивать. Скорость гидродинамической экскавации настолько велика, что оператор может пропустить опасный момент обрушения стенок отрываемого котлована, поэтому на стадии работ, приближающейся к опасному моменту, машину можно перевести на работу воздухом.

Таких комбинированных установок продается намного больше, чем чисто воздушных. Они популярны, например, в нефтегазовой промышленности.

ЗАО «Коминвест-АКМТ» предлагает вакуумные экскаваторы итальянской компании Moro. Данное оборудование предназначено для тяжелых условий работы и применяется для всасывания и выгрузки камней, песка и порошкообразных продуктов, в том числе угля, угольной, цементной пыли и строительных отходов, а также вязких и жидких материалов, например, для очистки нефтяных резервуаров от мазутных залежей.

Цистерна общей вместимостью около 12 000 л выполнена из углеродистой стали, на заднем конце имеется резиновое нитриловое (NBR) уплотнение. Задняя дверь закрывается гидрокрюками, открывается посредством двух гидроцилиндров двустороннего действия с механизмом фиксации во избежание случайного закрывания. Устройство опрокидывания бака оснащено гидроцилиндром одностороннего действия с защитой от опрокидывания в случае неисправности гидросистемы. Имеется блокировочное устройство со стальными стойками для фиксации бака в поднятом положении.

Пневматическая система позволяет разгружать порошки при закрытой задней дверце и, таким образом, без рассеивания материала в окружающее пространство.

Вакуумный лопастной насос ROBUSCHI развивает производительность по воздуху 10 500 м³/ч или 175 000 л/мин, максимальный вакуум 90%. Возможно оснащение машины системой высокого давления любой производительности по желанию заказчика. Насос не нуждается в какой-либо внутренней смазке (за исключением подшипника и синхронизирующих шестерен), поэтому не происходит выделения масел в атмосферу. Высокоэффективное охлаждение обеспечивает устройство подачи атмосферного воздуха и позволяет работать насосу непрерывно даже при большом вакууме. Насосный блок оборудован четырьмя вентиляторами, что гарантирует достаточный отвод тепла от насоса. В состав установки входят 2 глушителя на всасывании на охлаждающей магистрали и 3 глушителя на подающей магистрали от вакуумного насоса.

Фильтрация наиболее мелких частиц микроскопических размеров производится в рядах фильтров из синтетической материи с элементами мешотчатой формы, которые располагаются в контейнере спереди бака. Общая фильтрующая поверхность составляет 40 м², стойкость к высокой температуре – до 120 °C. Управление циклом очистки производится электронным блоком управления, в котором можно устанавливать автоматический цикл (время и частоту) подачи струй сжатого воздуха. Контрольный фильтр состоит из ряда шести съемных фильтрующих элементов, которые еще в большей степени защищают крыльчатый насос.

Для облегчения разгрузки сухого материала из бака имеется электрический вибратор.

Для работы в суровых зимних условиях предусмотрены дополнительные системы электрического обогрева, позволяющие проводить работы при температуре до –40 °С.

Передача мощности к всасывателю производится непосредственно от коробки отбора мощности (КОМ), установленной между коробкой передач и дифференциалом, с пневматическим приводом включения из кабины водителя. КОМ оборудована дисками сцепления в масляной ванне.

Есть пульт управления в кабине и задний пульт управления с кабельным дистанционным управлением.

Задние стабилизаторы с гидравлическим выдвижением прижимаются к земле и надежно удерживают машину.

Цистерна подвергается струйной обработке металлическими опилками, фосфатному обезжириванию и окраске: первый слой эпоксидной грунтовки толщиной примерно 40–50 мкм и два слоя полиуретановой двухкомпонентной промежуточной грунтовки, общая толщина примерно 50–60 мкм, а затем 2 слоя полиуретановой двухкомпонентной акриловой эмали, общая толщина примерно 50–60 мкм. Внутренняя поверхность цистерны защищена двумя слоями антикоррозионного средства.

Всасывающая 8-дюймовая стрела с резиновым всасывающим рукавом диаметром 200 мм монтируется на поворотной головке, все движения осуществляются с помощью гидропривода: вращение на угол 300°, перемещение плеча вверх-вниз на 3500 мм, выдвижение плеча на 1350 мм. Рабочая длина по боковому профилю – 4200 мм.

Вакуумные экскаваторы Moro поставляются на 3- и 4-осных шасси европейского производства.