УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАЗРУШЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ИСКУССТВЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ И ПРИРОДНОГО КАМНЯ

Полезная модель относится к области разрушения высоковольтными разрядами поверхностного слоя изделий из токонепроводящих материалов (бетона, асфальтобетона, керамики, горных пород и др.), и может найти применение при ремонтно-строительных работах, на аэродромах, дорогах, в горном деле при обработке природного камня и т.п.
Известно устройство для снятия поверхностного слоя затвердевшего бетона (авторское свидетельство СССР №153827; МПК В08В 03/10, B63J 05/00, опубл. 1963 г., бюлл. №7) электрогидравлическими ударами, получаемыми от разрядников, размещенных в отражателе, который выполнен в виде подвижной эластичной диэлектрической чаши, соприкасающейся с обрабатываемой поверхностью утолщенным ободом и снабженной металлическим колпаком, к которому прикреплены водопровод и токоподводящие электроды.
Основным недостатком этого устройства является возможность его применения только при сравнительно энергозатратном электрогидравлическом способе разрушения твердых тел, при котором высоковольтные разряды развиваются в воде между электродами, приподнятыми над разрушаемой поверхностью, и неприменимость при электроимпульсном способе. При электроимпульсном же способе, при котором энергозатраты значительно ниже, чем при электрогидравлическом, высоковольтные разряды развиваются непосредственно в разрушаемом слое между концами электродов, постоянно касающимися разрушаемого материала. После первых же разрядов обрабатываемая поверхность становится неровной, так как глубина откольных воронок (углублений) при электроимпульсном способе в среднем равна 1/3 межэлектродного
расстояния, и электроды, попадающие в неровности, препятствуют перемещению устройства по поверхности изделия.
Известно устройство-аналог для разрушения бетона электроимпульсным способом (авторское свидетельство СССР №730034, МПК 5 Е21С 37/18, опубл. 30.10.93 бюлл. №39-40), которое включает в себя корпус, к которому прикреплены расположенные параллельными рядами электроды, в нижней части которых выполнены боковые промывочные отверстия, направленные по линии размещения электродов в одну сторону. Устройство предназначено для проходки траншей путем прорезания параллельных щелей и оставления целиков между щелями. Расстояние между параллельными рядами превышает расстояние между электродами в рядах более чем в 1,6 раза.
Основной недостаток этого устройства при использовании для разрушения поверхностного слоя изделий заключается в том, что его невозможно перемещать по неровной поверхности. Так как это не позволяет сделать жесткая электродная система из-за попадания рабочих концов электродов в откольные воронки, образующиеся при развитии разрядов в поверхностном слое изделий. Второй его недостаток состоит в том, что нельзя применять в качестве промывочной жидкости воду из-за конструктивных особенностей электродной системы. Устройство применимо только при использовании диэлектрических промывочных жидкостей (трансформаторное масло, дизельное топливо и т.п.), так как ни высоковольтные, ни заземленные электроды не имеют изоляционных покрытий, и при применении токопроводящей жидкости (воды и др.) происходят значительные потери энергии за счет токов утечки.
Второй недостаток устранен в устройстве-прототипе, предназначенном для разрушения (резания) горных пород и искусственных непластичных материалов высоковольтными разрядами, развивающимися в разрушаемой поверхности (Бажов В.Ф., Журков М.Ю., Лопатин В.В., Муратов В.М. «Электроразрядное резание горных пород». Журнал «Физико-технические
проблемы разработки полезных ископаемых», 2008 г., №2, с.70-71, рис.1, б). Основными конструктивными элементами этого известного устройства являются стержневые высоковольтные и заземленные электроды, каждый из которых снабжен изоляционным покрытием. В верхней и нижней части электроды скреплены диэлектрическими держателями, выполненными в виде пластин с отверстиями, через которые пропущены электроды. На участке между верхним и нижним держателями все электроды находятся в монолитном общем изоляторе из эпоксидного компаунда. Призабойный конец каждого электрода снабжен подпружиненным наконечником.
Недостаток устройства-прототипа заключается в том, что в нем не предусмотрены конструктивные решения, позволяющие перемещать его по разрушаемой поверхности в процессе подачи высоковольтных импульсов, так как оно предназначено для работы в следующем порядке: установка устройства на обрабатываемую поверхность, разрушение ее на заданную глубину электрическими разрядами, прекращение подачи электрических импульсов, перестановка устройства на необрабатываемую разрядами часть поверхности и так по всей поверхности, в результате чего из-за многократных перестановок существенно увеличивается время разрушения поверхностного слоя.
Техническим результатом предлагаемого устройства является снижение времени разрушения поверхностного слоя изделий (более 20%), так как в нем конструктивно решена задача непрерывного перемещения устройства по разрушаемой поверхности.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство для разрушения поверхностного слоя изделий из искусственных материалов и природного камня электрическими разрядами, содержащее расположенные в одной плоскости и скрепленные верхним и нижним держателями чередующиеся высоковольтные и заземленные стержневые электроды, каждый из которых выполнен с изоляционным покрытием, согласно предложенному решению, снабжено направляющими, электроды и их
изоляционные покрытия выполнены гибкими и упругими, а нижний держатель с возможностью регулируемого перемещения по направляющим вдоль электродов.
Целесообразно нижние концы изоляционных покрытий снабжать защитными экранами.
Кроме того, в устройстве длина призабойной обнаженной части каждого электрода составляет не более 0,3 от расстояния между двумя соседними разнополярными электродами.
Целесообразно также заземленные или заземленные и высоковольтные электроды выполнять в виде трубок.
Кроме того, целесообразно электроды располагать в несколько рядов.
Пример конкретного выполнения предлагаемого устройства проиллюстрирован тремя рисунками. На фиг.1 приведен его вид спереди, на фиг.2 изображен разрез по заземленному электроду, на фиг.3 представлен разрез, как на фиг.2, но в процессе работы устройства.
Устройство состоит из расположенных в одной плоскости чередующихся стержневых высоковольтных 1 и заземленных 2 электродов, каждый из которых выполнен с изоляционным покрытием 3. Электроды скреплены верхним 4 и нижним 5 держателями, которые выполнены в виде пластин со сквозными отверстиями для электродов. В нижнем держателе 5 закреплены нижние концы направляющих 6, а верхние их концы свободно пропущены через верхний держатель 4. Для фиксации направляющих 6 на заданной высоте в верхнем держателе 4 предусмотрены винты 7. Чтобы предотвратить разрушение разрядами, нижние концы изоляционных покрытий 3 всех электродов выполнены с защитными экранами 8. Высоковольтные электроды 1 изготовлены из металлических стержней, а заземленные 2 из токопроводящих трубок. Верхние концы высоковольтных электродов 1 электрически соединены шиной 9. Верхние концы заземленных электродов 2 присоединены к заземленной промывочной трубе 10. Для повышения интенсивности промывки высоковольтные электроды 1 также
могут быть изготовлены из трубок и присоединены к промывочной системе. Все электроды выполнены из пружинной стали, изоляционные покрытия 3 из вакуумной резины, держатели 4 и 5, а также направляющие 6 из стеклотекстолита. Длина призабойной обнаженной части каждого электрода L (фиг.1) устройства, предназначенного для работы по бетонным поверхностям, равна 25 мм, а расстояние между двумя соседними разнополярными электродами (диаметром 8 мм) составляет 90 мм. Обрабатываемое изделие 11 (фиг.3) помещают в полиэтиленовый бак 12, заполненный водой 13. При необходимости снятия поверхностного слоя изделия на значительную глубину за одноразовое перемещение устройства в одном направлении число электродов увеличивают, располагая их в несколько рядов.
Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом. Изделие 11 из бетона-300 длиной 600 мм, шириной 530 мм и высотой 300 мм помещают в бак 12, заполненный водой 13. На изделие вертикально устанавливают устройство, винтами 7 закрепляют направляющие 6 в верхнем держателе 4 и в заземленную промывочную трубу 10 в качестве промывочной жидкости подают техническую воду в количестве 30 л/мин. Уровень воды 13 в баке 12 поддерживают выше защитных экранов 8. На высоковольтные электроды 1 подают импульсы напряжением U(t)=320 кВ частотой 4-5 импульсов в секунду, и одновременно устройство перемещают в направлении х со скоростью 23 мм/с. За один цикл (проход устройства) разрушают поверхностный слой изделия 11 из бетона на глубину 26-34 мм при ширине разрушаемой полосы 410-420 мм и длине 600 мм. При необходимости разрушения поверхностного слоя на большую глубину устройство перемещают в обратном направлении и так далее. Устройство работоспособно и при отсутствии промывки, но с меньшей эффективностью, так как в этом случае часть разрядов развивается не в поверхностном слое изделия, а по образующимся частицам шлама, находящимся между обнаженными концами электродов 1 и 2 (фиг.1). В связи с тем, что
высоковольтные 1 и заземленные 2 электроды и их изоляционные покрытия 3 выполнены гибкими и упругими, они прогибаются при попадании концов электродов на выступающие неровности разрушаемого поверхностного слоя изделия 11 и выпрямляются после прохождения этих неровностей. То же происходит при перемещении устройства в обратном направлении. Это позволяет избежать остановок устройства на выступающих неровностях или его поломок, как это происходило при испытаниях устройства-прототипа при разрушении им поверхностного слоя бетонного изделия с крупным гравийным наполнителем. Однако возможность отклонения электродов 1 и 2 от исходного положения (фиг.1) на выступах, неровностях изделия должна быть ограничена, так как при значительном их изгибе расстояние между соседними разнополярными электродами может уменьшиться так, что все разряды будут происходить только между сблизившимися электродами. При значительном увеличении этого расстояния электрические разряды не будут развиваться с одиночных отклонившихся электродов. Чтобы это избежать, экспериментально определяют место расположения нижнего держателя 5 в зависимости от материала изделия. Так, для однородного песчаника на известковистом цементе место расположения нижнего держателя 5 особого значения не имеет, но для крупнозернистого гранита, бетона с крупным наполнителем необходимо подбирать место расположения нижнего держателя 5, опуская его по направляющим 6. Нами экспериментально установлено, что в граничных условиях (нижний держатель 5 расположен в крайнем нижнем положении) для надежности процесса снятия поверхностного слоя изделий длина призабойной обнаженной части каждого электрода должна быть не более 0,3 от расстояния между двумя соседними разнополярными электродами 1 и 2, так как в этом случае электроды не смогут сблизиться до такого расстояния, когда все разряды происходят в одном месте.