ВОДООТВОДНОЙ ЛОТОК

Предлагаемое техническое решение относится к инженерному оборудованию дорожных коммуникаций, а конкретно к водоотводным сооружениям, применяемым для отвода поверхностных и грунтовых вод от железнодорожной насыпи. Заявляемая конструкция может также найти применение для дренажного обеспечения автомобильных дорог, аэродромов, объектов городского хозяйства.
Известен водоотводный лоток - конструкции, изготавливаемый из железобетона (А.с. СССР №1320323, опубл.30.06.87).
Известен водоотводной лоток (Патент РФ на ПМ №58134, опубл. 10.11.06), выполненный из сборной тонкостенной полимерной оболочки и содержащий металлические распорные элементы, размещенные внутри оболочки.
Известен водоотводный лоток (Патент РФ на ПМ №40059, опубл.27.08.04), в котором корпус и ребра жесткости изготовлены из конструкционного термопласта, в качестве которого использованы минералонаполненные полипропилен и полиамид.
Перечисленные водоотводные лотки при монтаже устанавливаются в траншеи, которые затем засыпают грунтом. Условиями их эксплуатации определяются основные требования к прочности и упругости стенок водоотводных лотков, которые должны выдерживать постоянные нагрузки, вызванные давлением окружающего грунта на стенки, а также периодические нагрузки различной интенсивности, возникающие как вследствие климатических сезонных подвижек, особенно, водонасыщенного грунта, так и при прохождении железнодорожного (или автомобильного) транспорта.
Требуемые эксплуатационные характеристики водоотводных лотков перечисленных конструкций достигаются за счет толщины стенок, применения распорных элементов, создания массивных ребер жесткости либо наличия их большого количества, принимающих значительную часть нагрузки на себя, что
ведет к увеличению веса готовых изделий, необходимости применения специального оборудования при их сборке, а также существенному удорожанию как самих изделий, так и работ по их монтажу и демонтажу.
Известен принятый за прототип водоотводный лоток из композиционного материала (Патент РФ на изобретение №2285766, опубл.20.10.06), который изготовлен на основе стеклопластика и состоит из стенок с выполненными в них дренажными отверстиями и вогнутого дна, поперечных ребер жесткости, выполненных снаружи по образующей стенок и дна на всем протяжении лотка кроме торцов, продольных ребер жесткости, выполненных снаружи по верхнему краю стенок и поперечных ребер жесткости, а также якорных пластин, расположенных снаружи лотка горизонтально между поперечными ребрами жесткости.
Существенным недостатком данного технического решения является то, что материал для изготовления лотка ограничен всего лишь одним классом композиционных материалов - стеклопластиком, который обеспечивает избыточный запас прочности без необходимой на то надобности всем элементам лотка, сделанному по прототипу.
Известно, что стеклопластики обладают высокими прочностными характеристиками, показатели которых линейно зависят от количества армирующего наполнителя, с максимальными значениями соответствующими 50-70% вес. наполнителя («Химическая энциклопедия», т.4, М., 1995 г). Поэтому замена стеклопластика на другой композиционный материал, в частности, с меньшим содержанием наполнителя (с сохранением эксплуатационных характеристик, предъявляемых действующими ТУ к водоотводным лоткам) должна привести к уменьшению веса готового изделия, расширению выбора технологических операций изготовления лотка и возможности повторной переработки и использования материала (рециклизации).
Кроме того, замена стеклопластика связана с недостаточной экологичностью способов его производства. Так, именно в связи с решением этой технической задачи создан водоотводной лоток по вышеупомянутому патенту РФ
на ПМ №40059, где вместо стеклопластика используется конструкционный термопласт.
Технической задачей предлагаемого решения является создание водоотводных лотков с оптимальным сочетанием прочностных характеристик элементов конструкции за счет расширения ассортимента полимерных наполненных материалов, используемых для изготовления лотка.
Для достижения названного технического результата лоток водоотводной выполнен из композиционного термопластичного материала и представляет собой желеобразный корпус, состоящий из плоских стенок с выполненными в них дренажными отверстиями и вогнутого дна, поперечных ребер жесткости, выполненных снаружи по образующей стенок и дна на всем протяжении лотка кроме торцов, продольных ребер жесткости, выполненных снаружи по верхнему краю стенок и поперечных ребер жесткости, а также якорных пластин, расположенных снаружи лотка горизонтально между поперечными ребрами жесткости, при этом дно и стенки лотка на одном из торцов имеют для монтажа друг с другом телескопическое уширение. Стенки наклонены наружу под углом от 24° до 45°С. Дополнительно для обеспечения возможности изменения формы трассы дренажного канала в плане лоток может быть исполнен с поворотом, который целесообразно выполнять с углом 30° или 45°. В ряде случаев для обеспечения возможности эксплуатации лотков и очистки дно сделано с утолщением, а ширина выполнена исходя из условия обеспечения прохода обслуживающего персонала.
Общими с предлагаемым техническим решением являются следующие существенные признаки - водоотводный лоток изготовлен из композиционного материала, корпус состоит из стенок с дренажными отверстиями и вогнутого дна, поперечных ребер жесткости, выполненных снаружи по образующей стенок и дна на всем протяжении лотка кроме торцов, продольных ребер жесткости, выполненных снаружи по верхнему краю стенок и поперечных ребер жесткости, а также якорных пластин.
Отличительным существенным признаком предложенного
водоотводного лотка является его выполнение из композиционного материала на основе термопластов, в котором корпус и поперечные ребра сделаны из разномодульных термопластичных материалов.
При этом в предлагаемом техническом решении под разномодульностью понимаются отличия в упругостно-прочностных свойствах композиционных термопластичных материалов, определяемые количеством армирующего наполнителя в полимерном связующем, которые начинают проявляться при содержании наполнителя от 10% масс., и характеризуются разницей в модуле упругости материала элементов конструкции, например ребра и корпуса лотка, в 1000 МПа и в их температуре плавления, отличающейся по крайней мере на 10°С.
Изготовление элементов водолотка из разномодульных термопластов позволяет минимальными средствами целенаправлено упрочнить те места его конструкции, которые подвергаются наибольшей деформационной нагрузке.
Благодаря наличию указанных отличительных признаков в совокупности с известными достигается следующий технический результат: за счет изготовления силовых элементов из разномодульных термопластичных материалов получен лоток, соответствующий по прочности и сопротивляемости конструкции на изгиб требованиям ТУ, но не имеющий технологических ограничений и физико-механических недостатков стеклопластиков и одномодульных термопластов. При этом термопласты для элементов и самого корпуса могут быть как однородными, так и разнородными (т.е. отличающимися по химическому строению и/или структуре).
В результате поиска по источникам патентной и научно-технической информации совокупность признаков, характеризующая предложенный лоток водоотводной, обнаружена не была. Таким образом, предлагаемое устройство соответствует критериям охраноспособности, предъявляемым к объекту «полезная модель».
Конструкция предложенного водоотводного лотка поясняется рисунками (фигурами 1-2), на которых изображена секция лотка из термопластичных материалов, при этом его длина определяется возможностями
оборудования изготовителя, но не должна содержать менее 2-х ребер.
Изображенный на фиг.1-2 лоток водоотводной состоит из вогнутого дна 1, радиусная форма которого (форма дна может быть выполнена как по радиусу, который может быть больше или равен половине ширины лотка по низу, так и по сопряжению нескольких радиусов или кривой описанной уравнением второго порядка) способствует эффекту самоочистки лотков за счет градиента скоростей потока, плоских наклоненных наружу стенок корпуса 2 с выполненными в них дренажными отверстиями 3, поперечных ребер жесткости 4, выполненных снаружи по образующей стенок 2 и дна 1 на всем протяжении лотка кроме торцов, продольных ребер жесткости 5, выполненных снаружи по верхнему краю стенок 2 и поперечных ребер жесткости 4, а также якорных пластин 6, расположенных снаружи лотка горизонтально между поперечными ребрами жесткости 4, предотвращающими выталкивание грунтом лотка, при этом дно 1 и стенки 2 лотка на одном из торцов имеют телескопическое уширение 7. Якорные пластины устанавливаются с обоих сторон лотка на нескольких или всех участках между ребрами 4. При этом для предотвращения заиливания лотка дренажные отверстия 3 могут быть выполнены решетчатыми, в частности, сеткой 8 из полимерных материалов.
Ребра изготавливаются из материала с более высоким модулем упругости, чем материал корпуса, и соединяются со стенками корпуса методом сварки или механическим замковым соединением. Корпус (обшивка) имеет на одном из своих торцов уширение для обеспечения соединения секций лотка в единый канал: для более надежного соединения лотков и исключения продольного перемещения секций лотков, возможно также их замковое соединение 9.
Водоотводной лоток работает следующим образом. Роется траншея трапециевидной формы, соответствующая по габаритам устанавливаемым лоткам и проектной документации. Затем начинается установка лотков в траншею с укладкой каждой последующей секции лотка в уширение 7 предыдущего. В случае необходимости укладки секции лотка, длина которого меньше целого
лотка, производится его обрезка до необходимого размера, например, ножовкой так, чтобы линия реза находилась в стороне от поперечного ребра 3. Далее производится сборка как обычно. В случае необходимости, используются лотки с поворотом. После сборки лотков в единую систему производится засыпка сформированного желоба, а затем и закрытие лотков сверху плитами - крышками (бетонными или из полимерных материалов). Для обеспечения отвода грунтовых вод на участках большой протяженности (более 100 м), при уклоне не менее 0,002 м, применяются лотки различной размерности по глубине (высоте). Уклон обеспечивает отвод поступающих через дренажные отверстия вод в канализацию.
Экспериментальные испытания статическим нагруженном лотков производили на специализированном стенде испытания лотков ОЛАД.01.00.00 по «Методике проведения испытаний статическими нагрузками водоотводных лотков из композиционных материалов при приемо-сдаточных и периодических испытаниях ЛАД.0101.000 M1».
Контроль физико-механических показателей материала лотка при периодических и типовых испытаниях проводится в соответствии с ТУ2296-008-39790001-2004.
В качестве композиционных использовали термопластичные материалы: связующее - полипропилен (ПП), наполненный стеклянными волокнами с содержанием 10-50%масс. (ППСВ) и углеродными волокнами (либо базальтовыми) с содержанием 10-50% масс. (УПП) - для изготовления ребер, сополимер ПП с полиэтиленом (марки Бален 02015), листовой, блочный - для стенок (обечаек) корпуса, связующее - полиамид (ПА-6), наполненный углеродными волокнами (марки УКН) или стеклянными волокнами с содержанием 10-40% масс.(УПА или ПАСВ) - для изготовления ребер, полиамид (ПА-6), листовой, блочный - для стенок корпуса.
Содержание наполнителей в пролипропилене и полиамиде может быть больше вышеобозначенного, однако это приведет к удорожанию изделий.
Оболочка корпуса выполнена из термопласта методом вакуумной вытяжки, ребра - методом литья под давлением, и ребра с корпусом соединены методом сварки или механическим замковым соединением. Ребра в месте соединения с корпусом имеют фасонное утолщение.
Расчет числа ребер (n) на заданную длину лотка (1) производили по формуле:
;
где Е, J, F, r - модуль упругости, момент инерции, площадь поперечного сечения, расстояние от центра тяжести сечения до нейтральной оси ребра соответственно для i- того ребра. В основе расчета лежит известный в сопромате «метод конечных элементов».
Примеры реализации заявляемого технического решения:
Пример 1
Изготовление водоотводного лотка глубиной 0,5 м с ребрами жесткости и стенками оболочки корпуса из разномодульных и разнородных термопластичных материалов.
Методом литья под давлением при температуре 230°С из полиамида, наполненного 10% масс., рубленым стекловолокном (марки ПА-6 СВ10) изготавливают ребра толщиной 5 мм.
На вакуум-формовочной машине «Таура-Финикс» при температуре 165°С изготавливают стенки оболочки корпуса из листового блочного термопласта, представляющего сополимер полиэтилена с полипропиленом (марки Бален 02015), толщиной 5 мм.
Надевают оболочку корпуса лотка на каркас стапеля, устанавливают ребра с рассчитанным заранее шагом в 120 мм и приваривают ребра к поверхности наружной стенки по всей длине (периметру) лотка с помощью сварочного аппарата «Ольмакс» и присадочного прутка из полипропилена.
В данном случае показатель предела прочности ребра лотка на изгиб составлял величину 125 МПа (для ненаполненного полиамида марки ПА-6 предел прочности - 105 МПа), в то время как эта величина для корпуса равнялась 35 МПа.
Пример 2
Изготовление водоотводного лотка глубиной 0,75 м с ребрами жесткости и стенками оболочки корпуса из разномодульных однородных термопластичных материалов.
Методом литья под давлением при температуре 235°С из полиамида ПА-6, наполненного 40% масс., углеродным волокном, (марки УПА-40) изготавливают ребра толщиной 3 мм.
На вакуум-формовочной машине «Таура-Финикс» при температуре 220°С изготавливают стенки оболочки корпуса из листового блочного полиамида толщиной 4 мм.
Надевают оболочку корпуса лотка на каркас стапеля, устанавливают ребра с рассчитанным заранее шагом в 500 мм и приваривают ребра к поверхности наружной стенки по всей длине (периметру) лотка с помощью сварочного аппарата «Ольмакс» и присадочного прутка из полиамида диаметром 3 мм.
В данном случае показатель предела прочности ребра лотка на изгиб составлял величину 250 МПа, в то время как эта величина для корпуса равнялась около 100 МПа.
По приведенной технологии изготовлялись лотки из вышеприведенных термопластичных материалов, взятых для стенок и ребер жесткости в различных сочетаниях и различной толщины. Так для 10% - наполненного стекловолокнами полипропиленового (ППCB) лотка показатель предела прочности ребра на изгиб составлял величину 45 МПа, (модуль упругости 2500МПа, Тпл=175°С), для 30% -наполненного углеродными волокнами - 100 МПа(Тпл=181°С), для 40% СВ - наполненного - 135 МПа(Тпл=185°С), для 50% СВ - наполненного - 140 МПа (модуль упругости 12000 МПа, Тпл=187°С).
В качестве контрольного брался лоток, сделанный по традиционной технологии из минералнаполненного полипропилена марок ПП-403М и ППМН-50-1 т с толщиной ребер и корпуса равной 6 мм и количеством ребер равным 10 на 1 м длины лотка.
Полученные экспериментальные данные приведены в таблицах 1-3.
В табл.1: при постоянных для заявляемых материалов толщине ребра - 4 мм и толщине стенок корпуса - 5 мм., но для разных глубин лотков. При расчетной нагрузке для глубин 0,5-0,75-1,0 м по ТУ 3185-006-39790001-04.
В табл.2: для разных толщин ребра и постоянных толщине корпуса и глубине лотка 0,5 м.
В табл.3: характеристики материалов элементов водоотводных лотков.
Как видно из полученных данных поставленная техническая задача - упрочнение заявленного водоотводного лотка из композиционных материалов, характеризующегося жолобообразным корпусом со стыковочным уширением на одном из его торцов, состоящим из вогнутого дна и боковых плоских стенок с выполненными в них дренажными отверстиями, поперечных ребер жесткости, расположенных на определенном расстоянии друг от друга, продольных ребер жесткости выполненных снаружи по верхнему краю стенок на всем протяжении лотка и якорных пластин, достигается тем, что его стенки и поперечные ребра жесткости изготовлены из разномодульного термопластичного материала. При этом поперечные ребра изготовлены из термопласта на основе армирующего наполнителя и полимерного связующего. В качестве армирующего наполнителя используют стеклянные и углеродные волокна, а в качестве полимерного связующего используют полиолефины или полиамиды. Эффект упрочнения изделия начинается для полиамидов и полиолефинов (на примере полипропилена и полиэтилена) одинаково с 10% содержания в них стеклянных (СВ) или углеродных (У) волокон и проявляется до 40% и 50% соответственно. Поднимать концентрацию армирующих наполнителей выше
не имеет смысла поскольку эффект остается на одном и том же уровне. При этом модуль упругости при изгибе для материала ребер может меняться в зависимости от глубины лотка в диапазоне для полиолефинов от 2500 МПа (глубина 0,5 м) до 12000 МПа (глубина 1,0 м) и для полиамидов от 3300 МПа (0,5 м) до 20000 МПа (1,0 м). Для случая, если оболочка корпуса и ребра изготовлены из разнородных термопластов, то материал ребра выполняется из термопласта с более высоким модулем упругости, чем материал корпуса, при этом температура плавления материала ребра выше температуры плавления материала корпуса, по крайней мере, на 10°С. Для случая когда оболочка корпуса и ребра изготовлены из однородного термопласта, то оболочка выполняется из листового термопласта, а ребра из наполненного термопласта с более высоким модулем упругости, чем материал корпуса при этом температура плавления материала ребра выше температуры плавления материала корпуса, по крайней мере на 10°С.
Приведенные данные убедительно доказывают преимущества изготовления корпуса и ребер жесткости из разномодульных термопластов в сравнении с такими же, но одномодульными материалами, что в совокупности с конструкционными особенностями заявленного решения делает успешным достижение поставленной технической задачи: создание водоотводного лотка соответствующего по физико-механическим характеристикам требованиям ТУ, но не имеющих технологических ограничений и недостатков применяемых для этих целей конструкционных материалов в известном уровне техники.
Табл.1.
№п/п
Глубина лотка, м
Модуль упругости материала. МПа
Шаг ребер на 1 м при постоянной толщине ребра, мм
Поперечное сужение лотка при постоянно действующей нагрузке, мм
Допустимое по ТУ 3185-006-39790001-04
ПП-403М 0,5
2200
110
35
20
УПП-30 0,5
10000
450
15
20
ПА-СВ400,75
15000
450
45
50
УПА-40 1,0
20000
450
60
70
Табл.2.
№п/п
Глубина лотка, 0,5 м
Толщина ребра,MM
Модуль упругости, МПа
Шаг ребер, мм
Вес, кг/м
ПП-403М
6
2200
110
9,600
УПП-30
5
10000
400
7,650
УПА-40
4
20000 -const
480
7,825
3
300
7,997
2
210
8,169
Табл.3
Показатели
Ребра
Корпус
Контр. опыт
ПАСВ -30-3М
ПАСВ -50-1
ППСВ -40-1
УПП - 30
УПА - 40
ПА-6 блочн .
ПП Блочн .
ПП-403 М
ППМН-50-1 т
Предел прочности при изгибе, МПа
260
290
135
100
250
105
32
30
30
Модуль упругости при изгибе ,МПа
9600
12000
7200
10.
20.
3300
1000
2200
3000
000
000
Плотность кг/м3
1400-1460
1530-1540
1220-1260
970
1300
1150-1160
910
1220-1280
1350-1450
Температура плавления, °С
238
248
185
180
183
220
165