УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ГРУНТОВ С ПОВОРОТНЫМ ЯКОРЕМ

Полезная модель относится к добыче полезных ископаемых со дна океанов, в частности к устройствам для исследования параметров грунтов в натурных условиях.
Известен Многоразовый пробоотборник (авторское свидетельство СССР на изобретение №1682856, МПК G01N 1/04, опубликовано 07.10.91), включающий несущую раму с установленными по ее периметру керноприемными гильзами с подрезным приспособлением, механизм задавливания керноприемных гильз в грунт, пусковое устройство и грузовой трос, а механизм задавливания каждой керноприемной гильзы в грунт выполнен в виде установленного на несущей раме над керноприемной гильзой поршневого гидроцилиндра, впускное отверстие которого снабжено подпружиненным клапаном, а поршень при помощи штока жестко соединен с верхним торцом керноприемной гильзы, причем пусковое устройство выполнено в виде храпового механизма, на валу которого установлены толкатели кривошипно-ползунного механизма, при этом собачка храпового механизма шарнирно закреплена на конце кривошипа.
Недостатком данной конструкции является отсутствие возможности определения величины компрессионной силы, действующей на рабочий орган. Отсутствует возможность исследовать параметры грунтов в натурных условиях.
Известно Устройство для исследования параметров грунтов (авторское свидетельство СССР на изобретение №1051288, Е21С 45/00, опубликовано 30.10.83), включающее раму с неподвижными направляющими и установленным в них рабочим органом с приводом и механизмом его включения, включающим подпружиненный шток и подъемные канаты, снабженное закрепленным над рамой регистрирующим механизмом, соединенным с приводом рабочего органа, а механизм включения привода выполнен в виде стопора и роликов, установленных на рычагах, шарнирно соединенных с наковальней, взаимодействующей с подпружиненным штоком, установленным в корпусе.
Недостатком данной конструкции является отсутствие возможности определения величины компрессионной силы, действующей на рабочий орган, и низкая точность регистрации характеристик исследования из-за использования простейшего механического устройства.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является Устройство для исследования параметров грунтов (П. м. 160504 РФ, МПК G01N 33/24, G01N 3/08, E02D 1/00, опубликовано 20.03.2016), включающее раму с прикрепленным к ней приводом, выполненным в виде электромагнита переменного тока, который содержит статор и подпружиненный якорь поступательного движения, расположенные в водозащитном корпусе с верхней и нижней крышкой, рабочая полость которого отделена от внешней среды эластичной мембраной, закрепленной по периметру между корпусом и нижней крышкой, подпружиненный якорь электромагнита соединен с нажимным диском, который прижимается к нижней крышке пружинами якоря, к нажимному диску присоединен рабочий орган со штоком, который выполнен в виде штампа для получения его отпечатка на грунте, причем шток проходит через нижнюю крышку корпуса электромагнита, которая является для штока направляющей, причем в центре рабочего органа со штоком выполнена грунтозаборная полость, а к верхней крышке электромагнита присоединен кабель-трос, подключенный к источнику переменного тока.
Недостатком данной конструкции является малая амплитуда движения якоря электромагнита и рабочего органа. При малой амплитуде движения рабочего органа попадание грунта в грунтозаборную полость может происходить не с первого раза. Погружение в грунт рабочего органа на небольшую глубину сказывается на снижении точности определения компрессионной силы. Также эластичная мембрана в данном устройстве является элементом с малой степенью надежности так как быстро изнашивается при работе устройства.
Техническим результатом заявленного устройства является повышение точности измерений компрессионной силы, действующей на рабочий орган, и повышение надежности устройства.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство для исследования параметров грунтов с поворотным якорем, включает раму с прикрепленным к ней приводом, выполненным в виде электромагнита переменного тока, который содержит статор и подпружиненный якорь, к которому присоединен рабочий орган со штоком, выполненный в виде штампа для получения его отпечатка на грунте, причем в центре рабочего органа со штоком выполнена грунтозаборная полость, а к верхней части рамы присоединен кабель-трос, подключенный к источнику переменного тока, а подпружиненный якорь электромагнита соединен со штоком рабочего органа коромыслом, закрепленным на подшипнике, жестко связанным с вилкой рамы, с возможностью поворота относительно оси, а статор с обмоткой отделены от внешней среды электроизоляционным слоем.
Размещение якоря электромагнита на коромысле, закрепленным на подшипнике, жестко связанным с вилкой рамы, с возможностью поворота относительно оси, позволяет значительно увеличить амплитуду движения рабочего органа за счет реализации поворотного движения якоря электромагнита. Увеличение амплитуды движения рабочего органа позволит ему погружаться глубже в исследуемые грунты и повысить точность измеряемой в натурных условиях компрессионной силы, препятствующей отрыву рабочего органа от грунта. Также это позволит облегчить попадание донного грунта в грунтозаборную полость.
Электроизоляционный слой электромагнита переменного тока статичен, при работе не происходит его растяжения или сжатия. В результате повышается надежность и долговечность устройства.
На фиг. 1 показан общий вид устройства, подготовленного к спуску; на фиг. 2 - устройство после эксперимента на дне, общий вид; на фиг. 3 - расчетная схема магнитопровода.
Устройство для исследования параметров грунтов с поворотным якорем (фиг. 1) состоит из рамы 1, имеющей Y-образную форму, прикрепленным к ней приводом, выполненным в виде электромагнита переменного тока. Электромагнит содержит статор 2, и подпружиненный якорь 3. К подпружиненному якорю 3 электромагнита шарнирно присоединен рабочий орган 4 со штоком 5, выполненный в виде штампа для получения его отпечатка на грунте. В центре рабочего органа 4 со штоком 5 выполнена грунтозаборная полость 6, а к верхней части рамы 1 присоединен кабель-трос 7, например, с помощью рым-болта 8. Кабель-трос подключен к источнику переменного тока. Подпружиненный якорь 3 электромагнита соединен со штоком 5 рабочего органа 4 коромыслом 9, закрепленным на подшипнике 10, жестко связанным с вилкой 11 рамы 1, с возможностью поворота относительно оси 12, а статор 2 с обмоткой 13 отделены от внешней среды электроизоляционным слоем 14.
Устройство работает следующим образом.
Перед спуском на дно на борту плавсредства происходит его подготовка к работе. Для этого к штоку 5 крепится рабочий орган 4 в виде штампа для получения отпечатка на грунте той формы, для которой проводится исследование. Кабель-трос 7 устройства подключают к источнику переменного тока и амперметру с возможностью записывать показатели тока с высокой частотой измерений, находящихся на борту плавсредства. После этого устройство готово к спуску (фиг. 1).
При проведении эксперимента устройство работает следующим образом.
α
α
К
α
К
Устройство опускается на кабель-тросе 7 на дно. После установки устройства на дне рабочий орган 4 под действием силы тяжести вдавливается в грунт. При этом донный грунт попадает в грунтозаборную полость 6. Через заданное условиями эксперимента время с плавсредства от источника питания на обмотку 13 устройства через кабель-трос 7 подается переменный ток. При прохождении тока через обмотку 13 статора 2 возникает переменная электромагнитная сила F, действующая на якорь 3 с удвоенной частотой питающей сети. Под действием электромагнитной силы F якорь 3, коромысло 9 и шарнирно присоединенный к нему шток 5 вместе с рабочим органом 4 начинают совершать поворот против часовой стрелки относительно оси 12, опирающейся на подшипники 10, жестко связанными с вилкой 11 рамы 1. Однако, поскольку под рабочим органом 4 возникает разряжение, то движению рабочего органа 4 препятствует компрессионная сила F, зависящая от давления внешней среды, типа исследуемого грунта, времени контакта с опорной поверхностью и глубины погружения рабочего органа 4 в исследуемый грунт. При этом происходит фильтрация воды в зону контакта и давление под рабочим органом 4 и внешней средой выравнивается. Наступает момент, когда величины электромагнитной силы F становится достаточно для отрыва рабочего органа 4 от грунта. После отрыва рабочего органа 4 от донного грунта (фиг. 2) компрессионная сила F пропадает и якорь 3, коромысло 9 и шарнирно присоединенный к нему шток 5 вместе с рабочим органом 4, практически мгновенно занимают положение, когда коромысло 9 становится параллельно опорной поверхности. Магнитопровод (фиг. 3), состоящий из статора 2 и якоря 3, электромагнита замыкается, его индуктивность резко увеличивается, вследствие чего уменьшается величина тока. При этом в течение всего цикла работы электроизоляционный слой 14 находится в неподвижном состоянии, защищая статор 2 с обмоткой 13 электромагнита от контакта с внешней средой, что повышает надежность устройства. Изменение тока во времени записывается амперметром в течение всего эксперимента. При необходимости, устройство приподнимается и снова опускается на грунт и эксперимент повторяется.
После подъема устройства на борт плавсредства из грунтозаборной полости 6 производится выемка образца грунта и устройство готовится к следующему эксперименту.
В результате для каждого погружения штампа получают временные характеристики тока в обмотке электромагнита. Питание электромагнита устройства переменным током позволяет использовать кабель-трос небольшого сечения.
Таким образом, устройство для исследования параметров грунтов с поворотным якорем позволяет более точно измерить величину компрессионной силы, действующую на опорные элементы шагающих машин при их смене во время движения, а также имеет повышенную надежность из-за наличия электроизоляционного слоя, который не подвергается растягивающим и сжимающим нагрузкам. Данное устройство может быть востребовано при внедрении новых промышленных технологий освоения ресурсов и исследованиях морского дна.