СПОСОБ УПЛОТНЕНИЯ СЫПУЧЕЙ СРЕДЫ
METHOD TO COMPACT LOOSE MEDIUM

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.
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. патент РФ №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 виброинструмента, погружаемого в слой уплотняемой среды. Примером такого уплотнения может служить уплотнение балласта рельсового пути с помощью виброинструмента - подбойки. Такой метод уплотнения носит название горизонтального виброобжатия балласта. Обычно при таком уплотнении вибрирующую подбойку заглубляют в балласт на требуемую глубину, после чего осуществляют ее поперечное перемещение по направлению к шпале, обеспечивая подачу балласта под шпалы, и обратное ее поперечное перемещение по направлению от шпалы, затем подбойку извлекают. В результате этого балласт под шпалами уплотняется, а в межшпальном пространстве разрыхляется. Осуществляют горизонтальное обжатие балласта с помощью подбоек, имеющих, как правило, лопатку с заостренной клиновидной нижней частью (угол наклона боковых поверхностей клиновой части составляет 5-35° к оси подбойки), которая облегчает погружение подбойки в балласт (см. патент РФ №2226581 по кл. Е01В 27/12, Е01В 27/16, заявл. 22.05.2003, опубл. 10.04.2004 «Лопатка подбойки»).
Наиболее близким по технической сущности, достигаемому результату и выбранным в качестве прототипа является способ уплотнения сыпучей среды путем виброобжатия с помощью виброинструмента с уширенной клиновой нижней кромкой (толщина кромки превышает 10 мм) элемента, внедряемого в среду. При этом клин имеет более тупой угол (угол задан соотношением: толщина лопатки у основания клина составляет не менее 1,5 высоты клина), чем угол клина в указанном выше техническом решении (см. патент РФ №2308559 по кл. Е01В 27/16, Е01В 27/12, заявл.12.12.2005, опубл. 20.10.2007 «Подбивочно-уплотнительный инструмент шпалоподбивочной машины»). Такой инструмент, также как указанный выше, осуществляет горизонтальное перемещение частиц среды под шпалы, которое производится путем поперечного перемещения инструмента внутри среды после его погружения на всю требуемую глубину. Кроме того, инструмент позволяет добиться осаживающего воздействия на частицы уплотняемой среды и в межшпальном пространстве. Уплотнение частиц среды в межшпальном пространстве, приведенных вибрацией в псевдоожиженное состояние, происходит как в процессе погружения инструмента, так и в процессе извлечения инструмента из среды. При погружении они уплотняются за счет вдавливания их утолщенной нижней кромкой инструмента, под воздействием собственного веса, а также за счет того, что частицы среды, налетая на боковые поверхности клиновидной кромки, отскакивают вниз. При извлечении инструмента частицы уплотняются за счет отскока вниз от клиновидной кромки и под воздействием собственного веса. Однако траектория перемещения инструмента в соответствии с этим способом такова, что как при погружении, так и при извлечении инструмента она представляет собой вертикальную прямую линию. Учитывая, что энергия вибрации в сыпучей среде быстро затухает, очевидно, что объем среды, расположенный непосредственно вокруг этой вертикальной прямой и уплотняемый в процессе заглубления и подъема инструмента за один цикл работы инструмента, невелик. Это снижает качество уплотнения сыпучей среды.
Задачей настоящего изобретения является повышение качества уплотнения сыпучей среды.
Техническим результатом, получаемым при осуществлении данного изобретения, является возможность увеличения объема уплотняемой среды за один цикл работы инструмента.
Указанная задача решается за счет того, что в известном способе уплотнения сыпучей среды с помощью виброинструмента с клиновой нижней кромкой элемента, внедряемого в уплотняемую среду, при котором виброинструмент принудительно погружают и извлекают из среды, согласно изобретению в процессе погружения и/или извлечения виброинструмента ему сообщают дополнительное перемещение, направление которого не совпадает с направлением погружения и/или извлечения, причем величина отклонения траектории дополнительного перемещения виброинструмента от направления погружения и/или извлечения составляет не менее половины толщины клина клиновой нижней кромки элемента, внедряемого в среду.
Траектория перемещения виброинструмента в процессе погружения и/или извлечения может представлять собой линию, выбранную из группы, включающей синусоидальную линию, зигзагообразную линию, впадины и вершины которой имеют V-образный и/или П-образный профиль, спиралевидную линию, линию, представляющую собой серию замкнутых кривых, соединенных прямой линией.
После погружения виброинструмента возможно его перемещение в направлении, поперечном по отношению к направлению погружения.
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.
Способ может быть осуществлен с помощью известного оборудования на любом предприятии, специализирующемся в данной отрасли, и широко использован при уплотнении сыпучих сред, т.е. является промышленно применимым.
Очевидно, что количество частиц сыпучей среды, которое оказывается под воздействием виброинструмента, совершающего внутри слоя сыпучего материала какое то перемещение, кроме строго вертикального заглубления или подъема, значительно превышает количество частиц среды, которые бы оказались под воздействием виброинструмента совершающего только вертикальное заглубление и извлечение инструмента из среды (как это происходит в прототипе). Приведенные под воздействием вибрации в псевдоожиженное состояние частицы среды, начинают перемещаться как в результате непосредственного сдвигающего усилия, передаваемого на них перемещаемым в среде виброинструментом, так и за счет отскока вниз от тупой клиновидной кромки и под воздействием собственного веса. При этом величина отклонения траектории дополнительного перемещения виброинструмента от вертикали должна составлять не менее половины толщины клина клиновой нижней кромки элемента, внедряемого в среду, для того чтобы прирастить ширину обработки по сравнению с шириной обработки, обеспечиваемой простым вибрированием инструмента. Учитывая, что объем частиц среды практически одновременно вовлеченных в вибропроработку довольно значителен, то наблюдается интенсивное оседание частиц с затеканием их в полости, расположенные в непосредственной близости от места обработки. Причем это наблюдается как при заглублении, так и при извлечении виброинструмента.
Конкретную форму траектории перемещения виброинструмента в среде выбирают в зависимости от вида среды, желаемой степени ее уплотнения и т.п. факторов. От этого же зависит и в интенсивность смещения траектории перемещения от направления погружения/извлечения виброинструмента. Так, например, при уплотнении тяжело обрабатываемой среды выбирают траекторию перемещения с малой величиной отклонения от вертикали траектории перемещения и более частым циклическим изменением направления перемещения виброинструмента. Более легкая в обработке среда, позволяя уменьшить степень воздействия на нее, может быть обработана с большей величиной отклонения от вертикали траектории перемещения и более редкой сменой направления дополнительного перемещения.
Приведенные выше сведения показывают, что заявляемый способ позволяет добиться возможности увеличения объема уплотняемой среды за один цикл работы инструмента (т.е. за одно заглубление и подъем виброинструмента) и, следовательно, ведет к повышению качества уплотнения сыпучей среды.
Способ осуществляют следующим образом.
Для обработки такого сыпучего материала, например, как щебеночный балласт рельсового пути, может быть использован обычный шпалоподбивочный агрегат с подбойками в качестве виброинструментов. Подбойки должны быть установлены в агрегате с возможностью совершения ими при заглублении и/или подъеме, например, циклического отклонения в обе стороны от вертикали. Причем нижняя кромка лопатки подбойки должна иметь клиновидную форму.
Во время воздействия на обрабатываемую сыпучую среду, т.е. во время погружения и/или извлечения подбоек из щебеночного балласта подбойки передают на балласт вибрационные колебания, приводя его в псевдоожиженное состояние. Это позволяет подбойкам во время процесса погружения и/или извлечения совершать внутри слоя балласта, например, синусоидальные перемещения, величина которых превышает величину обычных вибрационных колебаний. При этом частицы щебня начинают перемещаться как в результате непосредственного сдвигающего усилия, передаваемого на них совершающими синусоидальное перемещение подбойками, так и за счет отскока вниз от тупой клиновидной нижней кромки лопатки, а также и под воздействием собственного веса. Это приводит к вибропроработке сразу большого объема щебня, что вызывает его интенсивное оседание с заполнением пустот под шпалами (что в некоторых случаях позволяет отказаться от горизонтальной подачи балласта под шпалы за счет перемещения лопатки подбойки поперек шпального ящика) с одновременным уплотнением и межшпального пространства. Так достигается высокое качество уплотнения балласта.