1. Введение
При строительстве и реконструкции небольших подвальных помещений возникают ситуации, при которых в стесненных условиях необходимо поднимать большой объем сыпучих грузов. В частности, при углублении существующих малых подвалов необходима выборка грунта. Такие подвалы часто не имеют прямого выхода на улицу, а имеют только выход внутрь дома и окна на улицу малого размера [1]. Некоторые подвалы не имеют окон, а снабжены только вентиляционными отверстиями. Подъем большого объема грунта из подвала через имеющийся выход, расположенный внутри дома, сопряжен со значительными неудобствами для жителей и является весьма трудоемким. Поэтому делается специальный проем из подвала на улицу, через который в мешках поднимается грунт [2]. Подъем грунта весьма трудоемок и требует механизации. Вместе с тем, применение наклонных ленточных конвейеров или подъемников затруднено или невозможно из-за того, что эти устройства относительно дороги, могут не поместиться внутри подвала, сложны в установке и эксплуатации. Кроме того, для их применения необходимо наличие проема достаточного размера из подвала на улицу. Создание проёма в несущей стене сопряжено с опасностью появления трещин [2], поэтому такой проем лучше делать круглого сечения минимально возможного диаметра за одно сверление алмазной буровой коронкой, без использования отбойного молотка. Подъем грунта на улицу может быть осуществлен через окна подвала посредством различных подъемников, например наклонных ленточных транспортеров (конвейеров) [3] или скиповых подъемников [4]. Анализ различных конструкций наклонных подъемников [5] показал, что подъем груза может быть реализован при помощи канатной тяги; винтовой или шарико-винтовой передачи; зубчато-реечной передачи; гидроцилиндра. Наиболее дешевым и простым в обслуживании и эксплуатации из рассмотренных является подъемник с канатной тягой. Однако для применения таких подъемников необходимо наличие свободной площади внутри подвала и проема достаточного размера, необходимого для проноса подъемника. Кроме того, такие подъемники дороги из-за сложности конструкции. Например, для использования какого-либо варианта скипового подъемника [6], [7], [8] необходим монтаж стальных направляющих, скипов на роликах, блока и редуктора с мотором и потребует не менее 10 вращающихся деталей с необходимостью установки подшипников, применения сварных соединений, что относительно дорого. Тем не менее, эффективность ручного труда значительно повышается при его механизации. Поэтому разработка простых, дешевых и не требующих больших затрат времени на монтаж подъемников является актуальной.
В настоящей статье предложена конструкция простого наклонного строительного подъемника для эффективного подъема сыпучих материалов в ограниченном пространстве. В состав этой конструкции входит наклонная плоскость с ограничениями, по которой передвигаются однотипные полиэтиленовые контейнеры, подъем осуществляется реверсивно с помощью тельфера и канатной тяги. В подъемнике используется стальной канат, который проходит под контейнерами. За счет такой кинематической схемы конструкция подъемника отличается простотой по сравнению с аналогами.
2. Метод
2.1. Схема наклонного строительного подъемника
Основой подъемника является наклонный настил из древесно-стружечной плиты, по которому двигаются контейнеры с сыпучим грузом. Этот настил закреплен на деревянном каркасе из досок. На рис. 1 приведена схема подъемника.
Схема наклонного подъемника
Настил установлен под углом [LATEX_FORMULA]$\beta \leq 30^{\circ}$[/LATEX_FORMULA] к горизонту исходя из удобства установки нагруженных контейнеров на настил, а также исходя из размеров подвального помещения. На настил устанавливаются загруженные грунтом контейнеры, после чего они двигаются наружу. Движение контейнерам придает толкатель с балластным грузом на опорах качения (катках). Толкатель двигается стальным канатом, который через блок наматывается на барабан тельфера. Благодаря тому, что канат закреплен сзади толкателя в его нижней части, подъемник может выталкивать контейнеры на горизонтальный участок пути. Возможно применение наклонного отверстия, но в этом случае последний контейнер не будет удерживаться на участке пути, проходящем через стену, при обратном ходе толкателя. При подъеме контейнеры двигаются вверх по наклонному настилу под действием толкателя. Траекторию их движения ограничивают по бокам барьеры, изготовленные из профиля для крепления гипсокартона. Канат огибает блок и наматывается на барабан тельфера. Тельфер жестко закреплен на горизонтальном основании из дерева. Фотография прототипа подъемника приведена на рис. 2.
Фотография прототипа наклонного подъемника
Управление подъемником осуществляется с помощью средств управления тельфера. Возможна установка концевых выключателей сверху и снизу наклонной плоскости для автоматического отключения подъемника при достижении толкателем крайних точек пути. Контейнеры двигаются поверх стального каната, таким образом, они лежат на нем. Такое расположение контейнеров и стального каната позволяет сделать настил сплошным, не имеющим прорезей для толкателя. Канат испытывает повышенный износ в процессе работы, что компенсируется низкой ценой стальных канатов малого диаметра.
2.2. Контейнеры и блок для подъема сыпучих грузов
Для ручной выборки грунта из подвала могут применяться различные контейнеры, такие как ведра и мешки. Для подъема грузов по наклонной плоскости были выбраны полиэтиленовые контейнеры. Эти контейнеры представляют собой обрезанные канистры объемом 10, 20, или 30 литров, в зависимости от диаметра выходного отверстия из подвала на улицу. В качестве таковых могут быть использованы бывшие в употреблении канистры из-под моторного масла, жидкости для чистки бассейнов и пр., в частности, такие как на рис. 3. Повторное использование пластиковых канистр не налажено в промышленных масштабах [9], и производится в единичных случаях [10], [11], [12]. При этом оно способствует сокращению загрязнений окружающей среды пластиком.
Контейнеры с грунтом перед установкой на подъемник
Круглый проем в стене подвала имеет диаметр 32 см., в связи с чем в качестве контейнеров были выбраны обрезанные стандартные канистры емкостью 20 л. Такой контейнер (рис. 4) проходит по своим габаритам через этот проем и является относительно износоустойчивым.
Контейнер в круглом проеме стены
Блок представляет собой переднее колесо детского велосипеда диаметром 250 мм без резины. Он закреплен на настиле таким образом, чтобы толкатель мог дойти до крайней точки настила и продвинуть последний контейнер до горизонтального участка пути.
2.3. Выбор числа контейнеров и мощности тельфера
Тельфер наматывает стальной канат на барабан и заставляет контейнеры с грузом двигаться вверх по наклонному настилу с помощью толкателя с балластным грузом. Трение между контейнерами и настилом определяется их массой и скоростью движения. В среднем масса контейнера с грузом равна mгр = 20 кг. Масса толкателя с балластом выбрана mТ = 15 кг. для его надежного возврата в исходное положение и повторной загрузки контейнеров. Скорость подъема выбранного тельфера V = 10 м/мин. Количество контейнеров определяется длиной настила, мощностью привода и эргономикой их установки на настил. В эксперименте было задействовано n = 5 контейнеров. Тогда, в соответствии со вторым законом Ньютона, необходимое тяговое усилие тельфера:
[LATEX_FORMULA]$\mathrm{F}=m_T g \sin \beta+m_{\mathrm{\text {гр}}} n g \sin \beta+m_T\mathrm{~g} K_T \cos \beta+m_{\mathrm{гр}} n g K_{\mathrm{\text {гр}}} \cos \beta$[/LATEX_FORMULA]
Здесь [LATEX_FORMULA]K_T[/LATEX_FORMULA] – коэффициент сопротивления толкателя, [LATEX_FORMULA]K_{\text {гр}}[/LATEX_FORMULA] – коэффициент трения нагруженного контейнера о настил. Эти коэффициенты могут варьироваться в достаточно широких пределах в зависимости от состояния поверхности скольжения. В среднем KT = 0,05, Kгр = 0,2 [13]. Подставляя численные значения в (1), получим F = 15 · 9,81 · sin30° + 20 · 3 · 9,81 · sin30° + 15 · 9,81 · cos30° · 0,05 + 20 · 5 · 9,81 · cos30° · 0,02 . Тогда мощность тельфера:
[LATEX_FORMULA]$W=\frac{K_з K_{\text {бл }} F V}{\eta_{\text {бл }} \eta_{\text {пр }}}$[/LATEX_FORMULA]
Здесь [LATEX_FORMULA]K_{\text {з}}[/LATEX_FORMULA] – коэффициент запаса мощности, [LATEX_FORMULA]K_{\text {бл }}[/LATEX_FORMULA] – коэффициент сопротивления блока, [LATEX_FORMULA]\eta_{\text {бл}}[/LATEX_FORMULA] – КПД блока, [LATEX_FORMULA]\eta_{\text {пр}}[/LATEX_FORMULA] – КПД привода тельфера. Примем [LATEX_FORMULA]$K_3=K_{\text {бл }}=1,2; \eta_{\text {бл }}=\eta_{\text {пр }}=0,9$[/LATEX_FORMULA]. Тогда потребная мощность двигателя [LATEX_FORMULA]$W=\frac{1,2 \cdot 1,2 \cdot 739 \cdot 0,16}{0,9 \cdot 0,9} \approx 210 \mathrm{\text { }Bт}$[/LATEX_FORMULA]. С учетом этого был выбран тельфер мощностью 500 Вт, что соответствует значительному запасу по мощности.
3. Результаты эксперимента
В ходе эксперимента по подъему грунта с применением прототипа подъемника были задействованы двое рабочих. Один из них нагружал грунт в контейнеры и управлял тельфером, а второй снаружи разгружал контейнеры и сбрасывал их пустыми обратно по настилу. В целом это позволило значительно сократить трудозатраты по сравнению с вариантом без механизации [2].
После выборки примерно 17 куб.м. грунта, что составило около 220 реверсивных движений подъемника, оборвался стальной канат, что потребовало его замены. Остальные элементы конструкции, включая настил, контейнеры и блок, не подверглись существенному износу. В некоторых случаях при движении грузов происходило их застопоривание перед горизонтальным участком пути в стене. Это застопоривание было обусловлено деформацией нагруженных контейнеров. Их замена на более жесткие и толстостенные контейнеры позволила снизить вероятность такого застопоривания.
4. Проектирование наклонных подъемников для стесненных условий
В результате анализа предметной области и обобщения опыта, полученного в ходе проведенного эксперимента, выработана методология проектирования наклонных подъемников предложенной конструкции. Основой этой методологии служит обобщенная процедура, представленная в виде последовательности следующих шагов.
Шаг 1. Получить значения параметров: L – ширина подвала от стены с выходным отверстием для контейнеров до противоположной стены, H – существующая высота подвала, D – диаметр существующего или проектируемого отверстия для контейнеров;
Шаг 2. По полученным на шаге 1 значениям параметров оценить целесообразность строительства подъемника предложенной конструкции (раздел 2.1), при отрицательном результате этой оценки выйти из процедуры;
Шаг 3. По значению параметра D выбрать один из трех вариантов контейнеров (раздел 2.2.);
Шаг 4. Выбрать значение параметра n – число контейнеров (раздел 2.3);
Шаг 5. Выбрать мощность тельфера (раздел 2.3), исходя из необходимого тягового усилия (1) в соответствии с выражением (2);
На шаге 1 приведенной процедуры задаются ее входные параметры. Параметры L и H зависят от конкретного подвала, параметр H ограничен высотой потолка подвала над уровнем земли и пожеланиями заказчика. На шаге 2 оценивается целесообразность строительства подъемника исходя из ограничений, определяемых размерами подвала. Эти ограничения выражены неравенством:
[LATEX_FORMULA]$\operatorname{tg} \frac{H-D}{L} \leq \operatorname{tg} 30^{\circ} \approx 0,577$[/LATEX_FORMULA]
Если неравенство (3) не выполняется, то размеры подвала не позволяют разместить настил под углом [LATEX_FORMULA]$\beta \leq 30^{\circ}$[/LATEX_FORMULA] к горизонту и происходит выход из процедуры по причине нецелесообразности строительства подъемника. В ходе эксперимента по созданию прототипа подъемника выяснилось, что при [LATEX_FORMULA]$\beta \gg 30^{\circ}$[/LATEX_FORMULA] может происходить частичное высыпание содержимого контейнеров при их установке и движении по настилу.
На шагах 3 и 4 эмпирически, исходя из значения параметра D, а также объема имеющихся в наличии канистр, выбирается тип и число контейнеров. Результатом шага 5 является выбор конкретного типа тельфера исходя из его необходимой мощности.
Результатом действия приведенной процедуры является проектное решение в виде наклонного подъемника для конкретного подвала.
5. Заключение
В статье рассмотрена практическая реализация наклонного подъемника для выборки грунта из подвальных помещений. Эта реализация основана на применении не использовавшейся ранее кинематической схемы, которая предполагает выталкивание контейнеров с помощью толкателя, движимого стальным канатом, проходящим непосредственно под контейнерами и толкателем. Стальной канат испытывает повышенный износ, поскольку соприкасается с настилом и контейнерами, загрязненными грунтом. За счет жестких условий эксплуатации стального каната удалось значительно упростить конструкцию подъемника. В ходе экспериментов с прототипом предложенного наклонного подъемника было установлено, что с использованием одного стального каната диаметром 4 мм. в составе этого прототипа возможно механизировать выборку около 17 куб.м. грунта. Необходимость периодической замены каната компенсируется его невысокой ценой. В качестве контейнеров в наклонном подъемнике применены бывшие в употреблении обрезанные канистры из-под горюче-смазочных материалов. Повторное применение таких канистр способствует сокращению загрязнений окружающей среды пластиком.
На основе анализа предметной области и обобщения опыта, полученного в ходе эксперимента, выработана методология проектирования наклонных подъемников предложенного типа. Эта методология позволяет получить проектное решение в виде наклонного подъемника для конкретного подвала. В рамках методологии выявлены ограничения, при удовлетворении которых целесообразно строительство подъемника.
По результатам исследования сделан вывод о том, что предложенный вариант конструкции простого наклонного подъемника эффективен для решения задачи механизации выборки грунта в стесненных условиях. Подъемник может быть собран за короткое время из доступных материалов непосредственно на объекте строительства.