WO2012082008A1

WO2012082008A1 - Способ уплотнения сыпучей среды

Info

Publication number: WO2012082008A1
Application number: PCT/RU2011/000408
Authority: WO
Inventors: Анатолий Николаевич ШИЛКИН
Original assignee: Shilkin Anatoly Nikolaevich
Priority date: 2010-12-16
Filing date: 2011-06-10
Publication date: 2012-06-21
Also published as: RU2010151808A

Abstract

Изобретение относится к области уплотнения сыпучих материалов. Способ уплотнения сыпучей среды заключается в принудительном внедрении в среду и извлечении из нее инструмента. В качестве инструмента используется, по меньшей мере, один предназначенный для взаимодействия с уплотняемой средой стержень. Стержень установлен с возможностью однонаправленного вращения вокруг своей продольной оси и/или вращения со сменой направления вращения. Рабочая часть стержня изогнута и/или имеет участки с выступами на боковой поверхности. Техническим результатом является повышение эффективности уплотнения сыпучей среды.

Description

Способ уплотнения сыпучей среды.

1. Область техники.

Изобретение относится к области уплотнения сыпучих материалов, таких как щебень, гравий и пр. при строительстве, содержании и ремонте различных сооружений, в частности, его можно использовать при проведении путевых работ для поддержания в нормальном техническом состоянии балласта рельсового пути. 2.Предшествующий уровень техники.

Известен способ уплотнения сыпучей среды путем поверхностной трамбовки с помощью качаемого относительно уплотняемого слоя трамбующего элемента с одновременным удержанием уплотняемого слоя от выпирания на поверхность в зоне воздействия трамбующего элемента посредством плиты, примыкающей к трамбующему элементу (см. п. РФ N° 2140481 по кл. Е01С 19/34, E02D 3/046 заявл.. 22.09.1998, опубл. 27.10.1999 «Способ уплотнения грунта и других дорожно-строительных материалов»). При такой обработке уплотнение происходит только в самых поверхностных слоях, т.к. энергия колебаний быстро поглощается уплотняемой средой.

Уплотнение более глубоких слоев сыпучей среды может быть осуществлено посредством инструмента, погружаемого в слой уплотняемой среды. Примером такого уплотнения может служить уплотнение балласта рельсового пути с помощью виброинструмента - подбойки. Наиболее близким по технической сущности, достигаемому результату и выбранным в качестве прототипа является способ уплотнения сыпучей среды путем принудительного внедрения в среду и извлечения из нее виброинструмента электрошпалоподбойки. Электрошпалоподбойка содержит корпус с электродвигателем и двумя смонтированными на валу ротора дебалансами, рамку с рукоятью и закрепленное на корпусе подбивочный элемент (см. п. РФ jYa 2287632 по кл. Е01В27/14 заявл.25.04.2005, опубл. 20.11.2002 «Электрошпалоподбойка»). Такой инструмент приводит вибрацией частицы среды в псевдоожиженное состояние и они уплотняются, оседая вниз под воздействием собственного веса. Учитывая, что энергия вибрации в сыпучей среде быстро затухает, очевидно, что качество уплотнения среды и объем среды, расположенный непосредственно около инструмента и уплотняемый за один цикл работы инструмента, малы. Это снижает эффективность уплотнения сыпучей среды, т.к. име ет место низкая производительность процесса для достижения требуемого качества уплотнения данного объема среды.

3. Раскрытие изобретения.

Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности уплотнения сыпучей среды за счет увеличения объема уплотняемой среды за один цикл работы инструмента при повышении качества уплотнения среды.

Указанная задача решается за счет того, что в известном способе уплотнения сыпучей среды посредством принудительного внедрения в среду и извлечения из нее инструмента, в соответствии с настоящим изобретением, в качестве инструмента использован, по меньшей мере, один предназначенный для взаимодействия с уплотняемой средой стержень, установленный с возможностью однонаправленного вращения вокруг своей продольной оси и/или вращения со сменой направления вращения, рабочая часть которого изогнута и/или имеет участки с выступами на боковой поверхности.

Рабочая часть стержня может быть изогнута в форме цилиндрической и/или конической винтовой линии, а форма сечения стержня может представлять собой круг, и/или овал, и/или многоугольник.

Выступы на боковой поверхности рабочей части стержня могут быть расположены так, что образуют цилиндрическую и/или коническую сплошную винтовую стенку и/или не сплошную винтовую стенку, образованную отдельными выступами, а профиль гребня винтовой стенки стержня может быть выполнен треугольным, и/или прямоугольным, и/или трапецеидальным, и/или скругленным.

Рабочая часть стержня может быть выполнена так, что имеет, по меньшей мере, два участка с противоположным направлением навивки винтовой стенки.

Поверхность стержня и/или поверхность его выступов может быть дополнительно снабжена выполненными из износостойкого материала рифлями, высота которых составляет не менее минимального размера частиц уплотняемой сыпучей среды. Стержни инструмента могут быть установлены относительно друг друга так, что расстояние между боковыми поверхностями соседних стержней не превышает максимального размера частиц уплотняемой среды.

Стержни инструмента могут быть установлены относительно друг друга так, что оси их вращения расположены по прямой, ломаной или кривой линии.

Направление вращения стержней инструмента может совпадать или направление вращения, по меньшей мере, одного из стержней инструмента может быть противоположно направлению вращения прочих стержней инструмента.

При внедрении инструмента в среду стержням ему может быть сообщено прямое вращение, а после достижения требуемой глубины погружения - обратное вращение.

После внедрения инструмента в среду ему может быть сообщено принудительное движение внутри массива уплотняемой среды, траектория которого не совпадает с траекторией движения инструмента при его внедрении и/или извлечении из среды.

Инструменту дополнительно могут быть сообщены вибрационные колебания.

Инструмент может быть дополнительно снабжен трамбующей плитой, закрепленной над рабочей частью инструмента жестко или с возможностью перемещения, а трамбующая плита инструмента может совершать вибрационные колебания.

При взаимодействии инструмента с уплотняемой средой в нее можно нагнетать под давлением газ, и/или жидкость, и/или газожидкостную смесь. Газ, жидкость, газожидкостная смесь может содержать добавку в виде твердых частиц, максимальный размер которых не превышает минимального размера частиц уплотняемой среды.

Исследования, проведенные по источникам патентной и научно- технической информации, показали, что заявляемый способ не известен и не следует явным образом из изученного уровня техники, т.е. соответствует критериям новизна и изобретательский уровень.

Уплотнение сыпучих сред заявляемым образом позволяет при вращении стержня внутри уплотняемой среды производить соударения выступов или изгибов стержня с частицами среды, расположенными вокруг стержня, т.е. имеет место разнонаправленность воздействия усилий. При вибрации (как в прототипе) такие соударения имеют место только в направлении колебаний, т.е. число частиц, испытывающих воздействие инструмента (объем уплотняемой среды) при вибрации меньше. Очевидно, что для обеспечения динамического равновесия инструмента, выступы на стержне желательно располагать на стержне симметрично.

Следует отметить также, что заявляемый способ позволяет при однонаправленном вращении стержня более рационально, по сравнению с прототипом, использовать мощность привода, обеспечивающего влияние инструмента на среду. При воздействии на среду посредством вибрирующего инструмента, как в прототипе, мощность привода затрачивается на циклически повторяющийся разгон и торможение массы. При этом масса движется сначала в одном направлении, а затем - в противоположном, т.к. вибрация - механическое колебание тела, т.е. движение в противоположных направлениях. В результате этого немалая часть энергии привода уходит на колебание инструмента и машины, приводящей этот инструмент в действие, а не на уплотнение среды. При однонаправленном вращении инструмента внутри массива уплотняемой среды мощность привода затрачивается на однонаправленное движение массы с постоянной скоростью и ускорением, т.е. нет расхода мощности на изменение направления движения. Следовательно, при прочих равных условиях, на преодоление сил трения между частицами сыпучей среды при однонаправленном вращении приходится более значительная часть мощности привода, чем в прототипе.

Из сказанного, очевидно, что заявляемый способ, обеспечивая увеличение объема уплотняемой среды за один цикл работы инструмента и повышая качество ее уплотнения, позволяет достигнуть повышения эффективности уплотнения сыпучей среды.

При этом выполнение стержня с винтообразными выступами на поверхности рабочей части стержня или с винтообразной формой рабочей части стержня позволяет за счет единого непрерывного движения (вращения в одну сторону) вызвать такие усилия в среде, которые приведут как к отскоку частиц среды по кругу в стороны от оси вращающегося стержня, так и к смещению частиц вдоль стержня под воздействием усилия нажима от винтообразных элементов стержня. Изменяя форму поперечного сечения стержня или форму гребня его выступов можно добиться усиления эффекта перемещения частиц в нужном направлении. Снабжая поверхность стержня и/или поверхность его выступов дополнительными рифлями (возвышениями над поверхностью) можно добиться усиления воздействия на частицы уплотняемой среды за счет того, что рифли будут выполнять функцию дополнительных «зацепов», увлекающих частицы среды за собой при вращении стержня. Форма рифлей может быть разной, например, они могут иметь поперечное сечение в виде многоугольника (треугольника, прямоугольника и пр.) или иметь скругленное поперечное сечение. Выполнение рифлей из износостойкого материала позволяет защитить от преждевременного износа сам стержень.

Сочетая прямое и обратное направление навивки винтообразной линии, по которой располагаются выступы на стержне, можно получить инструмент, обеспечивающий усиленную подачу частиц среды к месту стыка этих противоположных направлений навивки. Это позволяет направить поток частиц среды для уплотнения какого-то определенного слоя среды в заданном месте.

Выполнение инструмента с несколькими одновременно вращающимися стержнями позволяет повысить производительность процесса уплотнения сыпучей среды, причем увеличение производительности в значительной степени зависит от взаимного расположения стержней и направления их вращения. Установка стержней не реже, чем максимальный размер частиц уплотняемой среды, позволяет исключить просачивание частиц среды между стержнями. Установка стержней по прямой, ломаной или кривой линии позволяет сконцентрировать и направить поток частиц среды, сцепление между которыми нарушено вращающимися стержнями, определенным образом. При вращении стержней в одном направлении - закрутить поток вокруг ряда стержней, при встречном вращении стержней - сдвинуть частицы в сторону «ковша», образованного стержнями, расположенными по кривой или ломаной линии и пр.

Изменение направления вращения стержня после погружения его в среду на противоположное позволяет заглубить стержень с минимальными усилиями, а затем добиться увеличения степени уплотнения среды за счет подачи потока частиц, контактирующих с рабочей частью инструмента вдоль стержня инструмента в глубину массива среды. Дополнительного эффекта уплотнения сыпучей среды можно добиться за счет использования в инструменте стержня, который кроме вращения еще и вибрирует, взаимодействуя, например, с дебалансным вибратором. Усилению эффекта уплотнения сыпучей среды способствует и сочетание воздействия на частицы среды от вращающего стержня и трамбующей плиты, закрепленной над рабочей частью стержня, причем трамбующая плита может при этом вибрировать как самостоятельно, так и одновременно со стержнем инструмента.

Дополнительного эффекта уплотнения сыпучей среды можно добиться и за счет использования для увеличения воздействия на частицы среды нагнетания в нее газового, жидкостного или газожидкостного потоков под давлением. Такие потоки, ослабляя связи между частицами среды, облегчают ее уплотнение. Если же поток газа, жидкости или газожидкостный поток включат еще и добавку из мелких твердых частиц, то это позволяет заполнить пустоты между частицами уплотняемой среды и добиться получения практически предельно уплотненного состояния среды.

4. Краткое описание фигур чертежей.

Заявляемое техническое решение поясняется чертежами, на которых изображено:

Фиг.1 Рабочая часть стержня инструмента, изогнутая в форме цилиндрической винтовой линии.

Фиг.2 Рабочая часть стержня инструмента, изогнутая в форме конической винтовой линии.

Фиг.З Рабочая часть стержня инструмента, снабженная выступами на боковой поверхности, образующими сплошную цилиндрическую винтовую стенку.

Фиг.4 Рабочая часть стержня инструмента, снабженная выступами на боковой поверхности, образующими сплошную коническую винтовую стенку.

Фиг.5 Рабочая часть стержня инструмента, снабженная выступами на боковой поверхности, образующими не сплошную цилиндрическую винтовую стенку.

Фиг.6. Схематичное изображение рабочей части стержня, имеющего два участка с противоположным направлением навивки винтовой линии. 11 000408

7

Фиг.7 Стержень инструмента, над рабочей частью которого закреплена на упругой подвеске трамбующая плита.

Фиг.8 Схематичное изображение стержней инструмента, расположенных друг относительно друга по прямой, по кривой, по ломаной линии.

5. Лучший вариант осуществления изобретения.

Способ осуществляют при помощи инструмента содержащего, по меньшей мере, один стержень 1, который установлен с возможностью вращения вокруг своей продольной оси. Вращение стержня 1 может быть осуществлено как однонаправленное, например, по часовой стрелке, так и со сменой направления вращения, например, сначала по часовой стрелке, а за тем против часовой стрелки. Причем смена направления вращения стержня 1 может осуществляться циклически, например, после одного полного поворота стержня 1 вокруг своей оси или без соблюдения цикличности. Рабочая часть2 стержня 1 может быть изогнута и/или снабжена выступамиЗ. Форма изгиба стержня и форма его выступовЗ может быть различной в зависимости от вида уплотняемой среды, состояния этой среды и многих прочих факторов. В частности, изгиб рабочей части2 стержня 1 может иметь форму цилиндрической и/или конической винтовой линии, выступыЗ на боковой поверхности рабочей части стержня 1 могут быть расположены так, что образуют цилиндрическую и/или коническую сплошную винтовую стенку4 и/или не сплошную винтовую стенку, образованную отдельными выступамиЗ. Поверхность стержня 1 может быть выполнена с рифлями5, усиливающими воздействие инструмента на среду. Если рифли5 выполняются из износостойкого материала, то они служат одновременно и для защиты стержней инструмента от абразивного влияния среды. Для усиления воздействия на среду над рабочей частью стержня может быть установлена трамбующая плитаб. При закреплении плитыб на стержне 1 жестко она вдавливает частицы среды во время принудительного заглубления инструмента. При закреплении плитыб на стержне 1 (или на инструменте, или на машине, несущей инструмент) с возможностью перемещения, например на упругой подвеске7, плитаб колеблется относительно частиц среды, действуя на них как вибрирующий штамп.

Способ осуществляют следующим образом. В уплотняемую сыпучую среду принудительно погружают инструмент в виде одного или нескольких стержней 1, установленных с возможностью вращения вокруг своей продольной оси, рабочая часть2 которых изогнута и/или имеет участки с выступамиЗ на боковой поверхности. Стержни 1, вращаясь внутри массива уплотняемой среды, позволяют частицам среды преодолеть силы сцепления между собой. За счет этого частицы более плотно сдвигаются и оседают вниз под воздействием собственного веса. После достижения требуемой степени уплотнения инструмент принудительно извлекают из среды.

Заявляемый способ уплотнения может быть, например, успешно применен для уплотнения балласта рельсового пути. В этом случае инструмент устанавливают на путевой машине, модернизированной соответствующим образом для обеспечения возможности вращения стержней 1 инструмента вокруг своих продольных осей.

После прибытия путевой машины к участку, где необходимо уплотнить балласт, инструмент при помощи гидроцилиндров опускают из транспортного положения в рабочее. Приводят стержни 1 инструмента во вращательное движение и принудительно внедряют в балласт рабочую часть2 стержней 1. Частицы балласта, подвергаясь воздействию широкого спектра колебаний, начинают интенсивно перемещаться относительно друг друга. Колебания возбуждаются как соударениями стержней 1 непосредственно с частицами уплотняемой среды, контактирующими со стержнями 1, так и ударными волнами, идущими от одной частицы к другой. Это приводит к плотной упаковке частиц за минимальное время, т.е. достигается повышение качества уплотнения и увеличение объема уплотняемой среды за один цикл работы инструмента и, следовательно, повышение эффективности уплотнения сыпучей среды.

При необходимости увеличения степени уплотнения среды в конкретном месте инструменту может быть дополнительно сообщено движение поперек массива уплотняемого балласта. Например, инструменту, внедренному в балласт рельсового пути между шпалами, сообщают движение по направлению к шпале, сдвигая частицы балласта в подшпальное пространство. Направить поток частиц уплотняемой среды в нужное место позволяет и изменение направления вращения отдельных стержней 1 инструмента относительно других его стержней 1, или выполнение инструмента так, что его стержни! занимают определенное положение друг относительно друга, или выполнение инструмента со стержнями 1, имеющими участки с противоположным направлением навивки винтовой стенки4 на рабочей части2 стержня 1.

Уплотнение среды облегчается при нагнетании в нее газа, жидкости или газожидкостной смеси под давлением, а также при подключении вибропроработки уплотняемой среды за счет сообщения виброколебаний стержням 1 инструмента.

После уплотнения сыпучей среды может быть проведен процесс ее закрепления в таком уплотненном состоянии посредством нагнетания в среду связующего материала, например цементного раствора.

Таким образом, заявляемый способ позволяет достигнуть повышения качества уплотнения и увеличения объема уплотняемой среды за один цикл работы инструмента и, следовательно, повышения эффект ивности уплотнения сыпучей среды. 6. Промышленная применимость.

Способ может быть использован на любом предприятии, специализирующемся на уплотнении сыпучих сред, т.к. для этого требуются известные материалы и стандартное оборудование, т.е. является промышленно применимым.

Claims

Формула изобретения.

1. Способ уплотнения сыпучей среды посредством принудительного внедрения в среду и извлечения из нее инструмента, отличающийся тем, что в качестве инструмента использован, по меньшей мере, один предназначенный для взаимодействия с уплотняемой средой стержень, установленный с возможностью однонаправленного вращения вокруг своей продольной оси и/или вращения со сменой направления вращения, рабочая часть которого изогнута и/или имеет участки с выступами на боковой поверхности

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что рабочая часть стержня изогнута в форме цилиндрической и/или конической винтовой линии.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что выступы на боковой поверхности рабочей части стержня расположены так, что образуют цилиндрическую и/или коническую сплошную винтовую стенку и/или не сплошную винтовую стенку, образованную отдельными выступами.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что форма сечения стержня представляет собой круг, и/или овал, и/или многоугольник.

5. Способ по п.З, отличающийся тем, что профиль гребня винтовой стенки стержня выполнен треугольным, и/или прямоугольным, и/или трапецеидальным, и/или скругленным.

6. Способ по п.З, отличающийся тем, что рабочая часть стержня выполнена так, что имеет, по меньшей мере, два участка с противоположным направлением навивки винтовой стенки.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что поверхность стержня и/или поверхность его выступов дополнительно снабжена выполненными из износостойкого материала рифлями, высота которых составляет не менее минимального размера частиц уплотняемой сыпучей среды.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что стержни инструмента установлены относительно друг друга так, что расстояние между боковыми поверхностями соседних стержней не превышает максимального размера частицы уплотняемой среды.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что стержни инструмента установлены относительно друг друга так, что оси их вращения расположены по прямой, ломаной или кривой линии.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что направление вращения стержней инструмента совпадает.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что направление вращения, по меньшей мере, одного из стержней инструмента противоположно направлению вращения прочих стержней инструмента.

12. Способ по п.1, отличающийся тем, что при внедрении инструмента в среду стержням сообщают прямое вращение, а после достижения требуемой глубины погружения - обратное вращение.

13. Способ по п.1, отличающийся тем, что после внедрения инструмента в среду ему сообщают принудительное движение внутри массива уплотняемой среды, траектория которого не совпадает с траекторией движения инструмента при его внедрении и/или извлечении из среды.

14. Способ по п.1, отличающийся тем, что инструменту дополнительно сообщают вибрационные колебания.

15. Способ по п.1, отличающийся тем, что инструмент дополнительно снабжен трамбующей плитой, закрепленной над рабочей частью инструмента жестко или с возможностью перемещения.

16. Способ по п.15, отличающийся тем, что трамбующая плита инструмента совершает вибрационные колебания.

17. Способ по п.1, отличающийся тем, что при взаимодействии инструмента с уплотняемой средой в нее нагнетают под давлением газ, и/или жидкость, и/или газожидкостную смесь.

18. Способ по п.17, отличающийся тем, что газ, жидкость, газожидкостная смесь содержат добавку в виде твердых частиц, максимальный размер которых не превышает минимального размера частиц уплотняемой среды.