Bardzo często w literaturze technicznej, w przypadku pływającej koparki ssącej odprowadzającej urobek pływającym rurociągiem tłocznym na ląd, zamiast określenia „koparka ssąco-refulująca” używa się miana „refuler”, co nie jest w pełni jednoznaczne, a czasami nawet mylące.

Problemy z terminologią
Tę błędną nazwę zaczerpnięto prawdopodobnie ze słownika wyrazów obcych (PWN W-wa 1980), który jako jedyny podaje niefortunne określenie refulera (nie ma go natomiast ani w encyklopedii, ani w słowniku języka polskiego i w słowniku wyrazów obcych Kopalińskiego z 2000 r.). W słowniku bardzo swobodnie napisano: refuler
< fr. „refouler” = wtłaczać, wpychać > techn. Urządzenie służące do wydobywania piasku, ziemi, mułu z dna rzeki, kanału itp., używane przy ich pogłębianiu, także przy
wykonywaniu nasypów.

Fot. 1. Głowica spulchniająca z dyszami strugi wodnej (jet).

Za encyklopedią inżynierii morskiej autorstwa Bolesława Mazurkiewicza podano pełne wyjaśnienie pojęcie refulera i robót refulacyjnych, czyli refulowania.
 Refulowanie (roboty refulacyjne), to nic innego jak odprowadzanie urobku z prac pogłębiarskich, czyli gruntu odspojonego hydraulicznie lub mechanicznie od dna akwatorium przez pogłębiarkę na odkład (wysypisko wydobytego gruntu) podwodny lub lądowy. Urobek wydobyty z dna przez pogłębiarki ssąco-refulujące oraz przez odpowiednio przystosowane pogłębiarki ssące nasiębierne i wieloczerpakowe, jest refulowany bezpośrednio na odkład, przy użyciu wyrzutni gruntowych stałych lub ruchomych. Urobek wydobyty przez inne pogłębiarki jest refulowany na odkład za pomocą refulera (wyładowacza) hydraulicznego lub mechanicznego, wieloczerpakowego lub chwytakowego, zabudowanych na pontonach lub nabrzeżach; jest on dostarczany do refulera w ładowniach szaland lub pogłębiarek.
Refuler hydrauliczny składa się z elementów roboczych analogicznych do zabudowanych na pogłębiarkach ssących; zasysa rozwodniony urobek (20% gruntu i 80% wody) i tłoczy go rurociągiem na odkład. Rurociągi tłoczne mogą być ułożone na pomoście lub na pływakach (rurociąg pływający). Jeśli urobek ma być odkładany na lądzie, to przedłużeniem rurociągu pływającego jest rurociąg tłoczny lądowy.

Refulery mechaniczne (elewatory) stosuje się w odmianach: wieloczerpakowe, które podnoszą urobek z ładowni na pomocą łańcucha czerpakowego i odprowadzają go na odkład przenośnikiem taśmowym, lub chwytakowe, zaczerpujące urobek z ładowni i przenoszące go na odkład przy pomocy chwytaka.

 Budowa i zasada pracy
Pływające koparki ssąco-refulujące dla płytkich akwenów wód mają spawaną konstrukcję kadłubów, składającą się najczęściej z dwóch pontonów połączonych ze sobą za pomocą zamków w sztywną, jednolitą konstrukcję. Pokład przedstawia w planie prostokąt z wycięciem na prowadzenie wysięgnika rury ssącej. Na pokładzie znajdują się: maszynownia, wysięgnik  do podtrzymywania urządzenia urabiającego, kabina operatora oraz windy kotwiczne, słupy do kierowania pracą pogłębiarki i inne.

Zasada pracy koparek ssących bazuje na rozmywającym działaniu strumienia wody. Głównym zespołem tej pogłębiarki (rys. 2) jest pompa gruntowa (1), która poprzez układ sprzęgła i przekładni z paskami klinowymi napędzana jest silnikiem (2). Wlot ssący pompy połączony jest z przewodem ssącym (3) za pomocą podatnego łącznika (4), a przewód tłoczący (5) ma wylot od połączenia z rurociągiem transportowym.

Rys. 2. Praca pogłębiarki ssącej.

 

 

Głównym urządzeniem zapewniającym pracę pływającej koparki ssąco-refulującej, odspajającej i podnoszącej urobek metodą hydrauliczną z odprowadzaniem urobku pływającym rurociągiem tłocznym na ląd w miejsce odkładu, jest pompa, z reguły o dużej mocy i wydajności. Praca koparki opiera się bowiem na zasadzie tworzenia podciśnienia i ssącego działania strumienia wody wywołanego pracą pompy umieszczonej na pokładzie lub pod  pokładem koparki.

Rys. 3. Ogólny przebieg linii ciśnień związanych z urabianiem i tłoczeniem urobku: H – manometryczna wysokość podnoszenia pompy, H1 – manometryczne ciśnienie pompy, H2 – manometryczna wysokość ssania pompy.

Rozkład linii ciśnienia związany z zasysaniem urobku i jego tłoczeniem pokazano na rys. 3.
Transport mieszaniny kruszywa z wodą od koparek ssąco-refulujących na ląd realizowany jest powszechnie za pomocą poziomych rurociągów tłocznych. Ten rodzaj transportu nie wymaga konieczności odwadniania urobku, charakteryzuje się nieskomplikowaną obsługą i małą awaryjnością. Jego wady, to: znaczne zużycie energii oraz szybkie zużywanie się pomp i rurociągów tłocznych. Przy krótkich odległościach hydrotransportu wystarczające jest podnoszenie statyczne pompy gruntowej, wykorzystywanej do eksploatacji złoża, choć występuje zrozumiały spadek wydajności z odległością tłoczenia.

Rys. 4. Schematy umiejscowienia pomp przesyłowych: 1 – rurociąg ssawny, 2 – pompa gruntowa pogłębiarki, 3 – rurociąg łączący pompę gruntową z pompą przesyłową, 4 – pompa przesyłowa, 5 – rurociąg refulujący, hg – geometryczna wysokość podnoszenia.

W przypadku, gdy podnoszenie statyczne pompy gruntowej jest niewystarczające do pokonania wysokości geometrycznej hg (rys. 4) z uwagi na odległość hydrotransportu lub zbyt dużą różnicę w wysokości tłoczenia, stosuje się pompy przesyłowe.

 

Wyróżnia się trzy zasadnicze sposoby podłączenia pompy przesyłowej:
• szeregowo, obok pompy gruntowej; w razie potrzeby można pompę połączyć w układzie równoległym w celu uzyskania większego wydatku przy tej samej wysokości podnoszenia statycznego (rys. 4a),
• w pewnej odległości od pompy gruntowej koparki, lecz na tym samym poziomie (rys. 4b),
• na brzegu na poziomie wyższym niż pompa gruntowa (rys. 4c).
W polskich kopalniach eksploatujących kruszywa spod wody w niewielkich akwenach, pracują pływające koparki ssąco-refulujące firmy DÖPKE, z reguły z jedną pompą gruntową ssąco-tłoczącą, której jednostki wyposażane są w różne głowice spulchniające, najczęściej z dyszami strugi wodnej (jet). Zmiany położenia roboczego małych pogłębiarek dokonuje się przy pomocy zmiany długości lin manewrowych od napędzających je wind rozmieszczonych na dziobie i na rufie, a które poprzez przewłoki  rolkowe prowadzone są do zakotwiczenia w dnie wyrobiska lub na nabrzeżu.
Pływające koparki ssąco-refulujące wyposażane są w automatykę rury ssącej, która – jak podają firmy – jest systemem służącym do uzyskiwania ciągłej, wysokiej wydajności tłoczenia przy pomocy koparki ssącej, odciążając jednocześnie operatora, dodając, że w ten sposób możliwe jest wydłużenie dziennego czasu pracy systemu bez przemęczania operatora.

Działanie automatyki rury ssącej (zgodnie z zapisem instrukcji obsługi pogłębiarki ssącej z napędem elektrycznym firmy DÖPKE)
Automatyczna rura ssąca pracuje na zasadzie regulacji podciśnienia (parametr regulowany) w rurze ssącej. W tym celu stworzono następujący system sterujący: w rurze ssącej umieszczono czujnik mierzący podciśnienie (wartość rzeczywista). Wartość tego ciśnienia przetwarzana jest przez czujnik na impuls elektryczny. Na desce rozdzielczej koparki ssącej (w kabinie) znajduje się programowalny regulator. Odbiera on impuls elektryczny z czujnika i porównuje go z wartością zadaną. Jeżeli zostanie stwierdzona różnica pomiędzy wartością rzeczywistą a zadaną, wykraczająca poza zakres tolerancji, zostaje skierowany impuls elektryczny do nastawnika. Funkcję nastawnika pełni wciągarka rury ssącej, regulowana przetwornicą częstotliwości. Wskutek podnoszenia i opuszczania rury przy pomocy wciągarki regulowana jest odległość od tłoczonego materiału, co wywołuje zmiany podciśnienia w rurze ssącej.
Pomiar podciśnienia panującego w rurze ssącej następuje w maszynowni umieszczonej pod kabiną. W rurę ssącą wkręcony jest przekaźnik ciśnienia, do którego podłącza się czujnik ciśnienia. Przetwornica częstotliwości wciągarki rury ssącej załączona jest zarówno w manualnym, jak i w automatycznym trybie pracy. W przypadku wystąpienia awarii przetwornicy następuje automatyczne przełączenie na sterowanie stycznikiem rewersyjnym. Przełączenia tego można dokonać również ręcznie w szafie sterowniczej. Do tego celu służy przełącznik dźwigniowy załączający i odłączający przetwornicę. W przypadku wystąpienia awarii należy sprawdzić stan pracy przełącznika, aby stwierdzić, czy przetwornica w ogóle została załączona.
W przypadku uszkodzenia przetwornicy, na jej wyświetlaczu ukaże się kod błędu. W takim przypadku należy załączyć i odłączyć przetwornicę przy pomocy łącznika dźwigniowego, tak by spowodować uruchomienie mechanizmu samodiagnozującego przetwornicy. Taka awaria może być usuwana jedynie przez wykwalifi kowany w tym celu personel. Jeżeli świeci się lampka kontrolna informująca o przyjęciu przez rurę ssącą dolnego położenia krańcowego (nachylenie rury ssącej 60°), automatyka rury ssącej ulegnie przesterowaniu, a dalsze opuszczanie rury będzie wstrzymane do czasu, gdy sensor położenia krańcowego nie zostanie zwolniony. Automatyka pozostanie aktywna.
Jeśli w automatycznym trybie pracy rura ssąca osiągnie górne położenie krańcowe, zaświeci się odpowiednia lampka kontrolna, a automatyka zostanie wyłączona. W celu ponownego załączenia automatyki należy obniżyć rurę ssącą, tak by zwolnić sensor położenia krańcowego. Ponowne załączenie automatyki rury ssącej odbywa się przy pomocy łącznika dźwigniowego.
Gdy świeci się lampka kontrolna liny zwisającej, automatyka rury ssącej jest przesterowana (uniemożliwione dalsze opuszczanie rury ssącej do momentu, aż nie zostanie zwolniony łącznik liny zwisającej).
Jeżeli w trakcie pracy w trybie automatycznym łącznik dźwigniowy trybu zostanie przełączony na ręczny tryb pracy rury ssącej, automatyka ulegnie wyłączeniu. Ponowne załączenie automatyki rury ssącej odbywa się przy pomocy łącznika dźwigniowego.
Wydajność tłoczenia pogłębiarki ssącej należy obserwować, gdy ustawiona jest wartość zadana. W razie potrzeby należy zoptymalizować wydajność tłoczenia poprzez zmianę wartości zadanej.
W automatycznym trybie pracy obroty wciągarki rury ssącej dostosowywane są do aktualnej różnicy wartości rzeczywistej i zadanej podciśnienia w rurze ssącej. Operacja ta wykonywana jest przez regulator oraz przetwornicę częstotliwości.
Jeżeli wartość rzeczywista odbiega od wartości zadanej, do przetwornicy częstotliwości wysyłany jest odpowiedni impuls elektryczny. Zmienia on częstotliwość napięcia zasilającego silnik wciągarki, wpływając w ten sposób na zmianę obrotów wciągarki. Im większa jest rozbieżność między wartością rzeczywistą a zadaną, tym szybciej obraca się wciągarka, aby ustawić rurę ssącą w optymalnym położeniu. Jeżeli rozbieżność wartości zadanej i rzeczywistej mieści się w granicach tolerancji, impuls sterujący nie jest wysyłany. Ten obszar tolerancji nazywany jest „martwą strefą”.

Rozwiązania praktyczne na co dzień
Praktyka wykazała, że automatyka rury ssącej w wielu przypadkach nie nadąża za warunkami urabiania i niejednokrotnie rura tłoczna transportuje, zamiast pulpy, bardzo dużo samej wody albo też doprowadza do zatkania tejże rury. Aby poprawić warunki pracy rury ssącej nierzadko prowadzi się dodatkowe sterowanie ręczne do zmiany jej położenia, pomimo że układ automatyki pokazuje, iż rura ssąca osiągnęła wartość graniczną.
Automatyka rury ssącej sprawdza się z reguły przy wydobywaniu rozluźnionych złóż piaszczystych, natomiast przy złożach twardszych żwirowo-piaszczystych, żwirów i piasków z glinami akumulacji rzecznej, frakcji żwirowych w przewadze ziaren skał osadowych, bardzo często zawodzi, nie spełniając stawianych wymagań. Niejednokrotnie na rurze wypływowej pulpa zawierała zaledwie około 20% urobku, a więc i około 80% wody.

Fot. 2. Pole ociekowe

W celu podniesienia efektywności pracy koparki ssąco-refulującej wyposażonej w automatykę rury ssącej, wprowadzono pewną modyfikację sterowania ręcznego, polegającą na wizualizacji wypływu pulpy z rury tłocznej.
W obrębie wyrobiska ukształtowano dwa pola ociekowe (fot. 2), pracujące na przemian, to znaczy do jednego pola wpływa pulpa urobkowa, a z drugiego pola w tym czasie (po częściowym odcieku wody) samojezdna ładowarka łyżkowa wybiera urobek i przewozi do miejsca załadunkowego na przenośnik taśmowy (fot. 3). Po wybraniu urobku z jednego pola następuje zamiana pracy rury tłocznej i ładowarki.

Fot. 3. Punkt załadunkowy na przenośnik taśmowy: a) ogólny widok zbiornika załadowczego, b) regulowana zasuwa wysypu urobku ze zbiornika na przenośnik taśmowy.

Zastosowana modyfikacja odbioru pulpy z rury tłocznej polega na zrezygnowaniu z połączenia rury z powszechnie stosowanym kubełkowym podciśnieniowym odwadniaczem kołowym i wylewaniu pulpy na pola ociekowe. Ponieważ wstępny odwadniacz kołowy gubi około 20% najdrobniejszej frakcji piaskowej, trafiającej do układu ściekowego, zastosowanie wypływu z rury na pole ociekowe zatrzymuje te najdrobniejsze frakcje piaskowe, które wybierane ładowarką są następnie transportowane przenośnikami do zakładu przeróbczego.
W obrębie pól ociekowych, na specjalnym słupie umieszczono kamery telewizyjne i  lampy oświetleniowe (fot. 4).

Fot. 4. Kamery telewizyjne do wizualizacji wypływu pulpy na polu ociekowym.

Kamery skierowane na pola ociekowe pokazują, jaki rodzaj pulpy w danym momencie wypływa z rury tłocznej w pole ociekowe. Operator koparki na monitorze w swojej kabinie (fot. 5) widzi rodzaj wypływu – od czystej wody po ciemną pulpę – i w zależności od rodzaju wypływu, sterując ręcznie, zmienia położenie rury ssącej, aby uzyskać maksymalną wydajność mieszaniny wody z urobkiem.
Pracę na polach ociekowych i wypływ pulpy z rury tłocznej do pola ociekowego, poza operatorem koparki w swojej kabinie obserwuje na monitorach także operator obsługi sterowni działu transportu na przenośnikach taśmowych, a także kierownik ruchu zakładu (fot. 6).

Fot. 5. W kabinie operatora.

Wprowadzenie monitoringu transportowanego urobku wpłynęło na uzyskiwanie większej efektywności pracy koparki ssąco-refulującej.

Warto zapamiętać
W podsumowaniu należy podkreślić fakt, że wprowadzenie monitoringu wypływu urobku z rury tłocznej znacznie polepszyło warunki pracy pogłębiarki ssącej. Przez wizualizację rury tłocznej, a więc ilości i jakości wypływu urobku z rury, stworzono możliwość obserwacji jej pracy i ingerencji przez kilka osób. Praktycznie wyeliminowało to przypadki zatykania się rury tłoczącej i ograniczenie jej wypływu, co miało nieraz miejsce przy pracującej automatyce rury ssącej. Zatkanie przewodu rury tłocznej wymagało uciążliwych i bardzo pracochłonnych prac, bowiem należało rozkręcać 12-metrowe odcinki rurociągu ułożonego na pontonach, w celu zlokalizowania miejsca jego przytkania i jego ponownego udrożnienia.
Wprowadzenie wylotu rury tłocznej do pól ociekowych i zrezygnowanie ze wstępnego odwadniania urobku na podciśnieniowym odwadniaczu kołowym spowodowało pozyskanie około 20% najdrobniejszej frakcji piaskowej, natomiast odwadniacze kołowe przechwytujące drobne frakcje zastosowano w obiegu wewnętrznym na zakładzie przeróbczym. Wykorzystanie monitoringu transportowanego urobku spowodowało w omawianych warunkach wzrost wydajności o około 30% w stosunku do pracy samej tylko automatyki rury ssącej.

Fot. 6. Monitor kierownika ruchu zakładu.

Autorzy: prof. dr hab. inż. Artur Bęben, Akademia Górniczo-Hutnicza Kraków
mgr inż. Zdzisław Gawin, Kopalnia Kruszyw „TAR-KRUSZ” Sp. z o.o.

Artykuł został opublikowany w magazynie "Surowce i Maszyny Budowlane" nr 5/2010