СПОСОБ ОБРАБОТКИ ЗЕРНИСТОГО СЫПУЧЕГО МАТЕРИАЛА
METHOD OF PROCESSING GRANULAR LOOSE MATERIAL

Изобретение относится к области уплотнения зернистых 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.
Балластный слой, выполняемый из щебня, является важнейшим элементом рельсового пути и требует постоянных усилий по его очистке от загрязняющих частиц, подбивке и т.д. Для выполнения этих работ в настоящее время применяют мощные машинные комплексы. Примером такого путеремонтного комплекса может служить комплекс RM-802, который включает машину для перегрузки балласта, четыре оборудованных конвейерами грузовых вагона, вагон-электростанцию, машину для подрезки балласта, вагон для просеивания щебня с двумя вибрационными грохотами и вагон-мастерскую. В процессе движения RM-802 подрезными ножами подбирает с пути заранее выгруженный свежий и отдельно загрязненный балласт, затем проводится прогрохотка, очистка старого балласта и смешивание его со свежим, укладка смеси на основную площадку земляного полотна и выгрузка отходов в сторону от пути. Непосредственно за подрезным агрегатом в комплексе RM-802 следует подбивочно-выправочный агрегат, обеспечивающий укладку пути в проектное положение, и динамический стабилизатор (см. http//www.css-rzd.ru/zdm/04-200/9167.htm, Верхнее строение пути железных дорог Северной Америки - устройство и содержание).
Основным недостатком обработки балласта таким комплексом является очень большая энергоемкость проводимых работ, а следовательно, и высокие трудозатраты, высокая стоимость этих работ. Это обусловлено тем, что каждый из процессов по уходу за балластом рельсового пути выполняется при помощи самостоятельной группы машин и связан с механическим перемещением балласта, который бывает сильно уплотнен поездной нагрузкой и поддается перемещению с большим трудом. Очистку балласта осуществляет балластоочиститель, который извлекает балласт из земли, просеивает его на грохотах и возвращает на место. Работы по уплотнению балласта ведут при помощи внедренных в балласт вибрирующих подбоек подбивочного агрегата, перемещающих балласт из межшпального пространства под шпалы за счет своего движения поперек межшпального ящика. Стабилизацию пути выполняет динамический стабилизатор, воздействующий на балласт вибрацией и силовой вертикальной нагрузкой.
Задачей настоящего изобретения является снижение энергоемкости процесса обработки зернистого сыпучего материала.
Техническим результатом, получаемым при осуществлении заявляемого способа, является возможность снижения сил трения между зернами обрабатываемого материала для минимизации сложных пространственных перемещений зерен материала при его обработке.
Поставленная задача решается за счет того, что в известном способе обработки зернистого сыпучего материала, предусматривающем его уплотнение и/или очистку от загрязняющих частиц, согласно изобретению перед и/или в процессе обработки материала в слой материала нагнетают среду под давлением, в качестве которой используют газ, и/или жидкость, и/или газожидкостную смесь, за исключением проведения обработки материала в виде очистки, при которой в качестве среды под давлением используют жидкость и/или газожидкостную смесь.
В течение процесса обработки зернистого сыпучего материала состав нагнетаемой среды может быть изменен, а среда может быть подана в зернистый сыпучий материал в стационарном режиме или в режиме пульсаций, осуществляемых за счет изменения давления подаваемой среды и/или за счет чередования периодов подачи среды и прекращения ее подачи.
Нагнетаемая среда может быть подана под давлением, обеспечивающим псевдоожижение зернистого сыпучего материала.
Уплотнение и/или очистка зернистого сыпучего материала может быть проведена с помощью взаимодействующего с вибромеханизмом инструмента, содержащего уплотнительную лопатку и трамбующую плиту, путем воздействия на материал при погружении и/или извлечении из него инструмента вибрационными колебаниями от лопатки и трамбующей плиты, а также силовым обжатием от трамбующей плиты, при этом среду нагнетают в материал посредством инжекторов, размещенных в уплотнительной лопатке и/или трамбующей плите инструмента.
При очистке зернистого сыпучего материала от загрязняющих частиц нагнетаемая среда может быть подана под давлением, обеспечивающим вынос на поверхность материала частиц, состав которых отличается от состава зерен сыпучего материала, при этом трамбующая плита инструмента может быть выполнена перфорированной с размером отверстий, превышающим размер загрязняющих частиц.
После уплотнения зернистого сыпучего материала в него может быть нагнетена среда, в состав которой входит вещество, обладающее связующими свойствами для зерен материала, а после нагнетания среды со связующими свойствами на поверхности зернистого сыпучего материала может быть образован влагонепроницаемый слой.
Исследования, проведенные по источникам патентной и научно-технической информации, показали, что заявляемый способ неизвестен и не следует явным образом из изученного уровня техники, т.е. соответствует критериям новизна и изобретательский уровень.
Способ может быть осуществлен при использовании известных материалов, стандартного оборудования и широко применен при проведении работ по уплотнению зернистых сыпучих материалов, например при путевых работах на железной дороге или при строительстве автомобильных дорог, т.е. является промышленно применимым.
Нагнетание в зернистый сыпучий материал среды под давлением приводит к снижению коэффициента трения между частицами материала, т.к. зерна материала оказываются как бы раздвинуты одно от другого. В результате этого все манипуляции с материалом значительно облегчаются. При уплотнении частицы материала можно легко с оказанием минимального давления на них переместить в требуемое место, например в пустоты под подошвой шпалы. Под действием собственного веса или при минимальном давлении сверху частицы материала располагаются так, что обеспечивается необходимая степень уплотнения материала. Причем снижение трения между частицами достигается там, где этот материал занимает свое постоянное место, т.е. непосредственно в балластной призме рельсовых путей, или в щебеночном слое, образующем основание автодороги, или гравийной подушке, образующей основание фундамента, и т.д.
Подача в материал среды с несколько большим давлением, чем необходимо для уплотнения, приводит к тому, что загрязняющие частицы как бы всплывают на поверхность слоя обрабатываемого материала. Это происходит потому, что загрязняющие частицы (чаще всего это глинистые частицы), имея минералогический состав, следовательно, и физические свойства, отличные от состава обрабатываемого сыпучего материала, и небольшие размеры, вытесняются на поверхность оседающими под собственным весом зернами обрабатываемого материала. Собрать эти загрязняющие частицы с поверхности обрабатываемого материала является гораздо менее энергоемкой операцией, чем используемая в настоящее время очистка балласта (см. прототип) путем его вырезки из балластной призмы, перемещения транспортерами, просеивания на грохотах и возвращения на прежнее место.
Нагнетание в уплотненный слой сыпучего материала связующего вещества позволяет надежно зафиксировать зерна материала в таком положении, в каком они оказались после уплотнения, а создание на поверхности материала еще и дополнительного водонепроницаемого слоя позволяет затем в течение долгого времени сохранить достигнутые результаты обработки зернистой сыпучей среды.
Следует отметить, что предлагаемый способ обработки сыпучего материала позволяет создать такой машинный комплекс, который бы осуществлял при помощи единого унифицированного агрегата как очистку материала, так и его уплотнение, т.к. в основу этих манипуляций с материалом положен единый принцип воздействия на него, а именно изменение расстояния между центрами масс зерен обрабатываемого материала за счет воздействия средой с повышенным давлением. Увеличение расстояния между центрами масс зерен приводит к разрыхлению материала, облегчая его очистку, сближение зерен приводит к уплотнению материала. В этом заключается коренное отличие заявляемого способа от прототипа, где для каждой операции по обработке балласта используется самостоятельная группа машин, последовательно друг за другом подвергающая балласт своему механическому воздействию, затрачивая на это большие мощности и занимая большие по площади участки для проведения работ громоздкими ныне существующими агрегатами. Небольшой размер участка проведения работ особенно актуален при проведении манипуляций с балластом рельсового пути, т.к. при обработке балласта приходится останавливать движение ж/д транспорта на обрабатываемом участке.
Таким образом, заявляемый способ за счет снижения сил трения между частицами обрабатываемого материала для минимизации сложных пространственных перемещений зерен материала при его обработке позволяет добиться снижения энергоемкости процесса обработки.
Способ осуществляют следующим образом.
Для обработки сыпучего материала может быть применен, например, единый агрегат, оснащенный инструментами, представляющими собой взаимодействующий с вибромеханизмом стержень с нижним концом в виде лопатки, над которой установлена трамбующая плита. Во время воздействия на материал при погружении и/или извлечении из него инструмента материал подвергается вибрационным колебаниям от лопатки и трамбующей плиты и силовому обжатию от трамбующей плиты. При этом уплотняющая лопатка и/или трамбующая плита могут быть снабжены инжекторами для подачи среды в материал. Рациональнее всего располагать инжекторы так, чтобы их сопла были размещены вдоль нижней кромки уплотнительной лопатки и/или на нижней рабочей поверхности трамбующей плиты или выступали вниз относительно этой нижней поверхности трамбующей плиты, обеспечивая подачу среды в материал прежде, чем нижняя рабочая поверхность трамбующей плиты коснется обрабатываемого материала. Среду в материал можно подавать и посредством не связанных с инструментом отдельных самостоятельных инжекторов, либо закрепленных на раме агрегата, либо установленных другим образом. В качестве среды может быть использован воздух, вода, газовоздушная смесь, пар и т.д. Причем состав среды в течение процесса уплотнения и/или очистки может быть как постоянным (все осуществляют, например, при подаче воздуха), так и переменным (сначала нагнетают среду с одним составом, а затем - с другим).
В случае выполнения очистки в слой сыпучего материала под избыточным давлением (для щебеночного уплотненного балласта давление среды может составить 0,02-0,03 МПа) через сопла инжекторов нагнетают выбранный вид среды. В результате этого глинистые частицы; мелкие частицы, образующиеся при разрушении зерен балласта от поездной нагрузки; мусор и пр. всплывают на поверхность слоя балласта. Здесь они могут быть собраны скребками и удалены с поверхности обрабатываемого материала.
Затем проводится уплотнение обрабатываемого материала. В том случае, если обрабатывают балласт рельсового пути, то производят выправку пути, а балласт подвергают уплотнению за счет внедрения в него инструментов агрегата. Это могут быть как инструменты, указанные выше (с лопаткой и трамбующей плитой), так и традиционные виброподбойки. При внедрении инструментов в балласт в него подают среду под несколько меньшим давлением (для щебеночного уплотненного балласта давление среды может составить 0,01-0,02 МПа). Среда, попадая в балласт, разрыхляет его, что значительно снижает энергозатраты на перемещение балласта при его уплотнении.
Окончательное закрепление уплотненного сыпучего материала проводят путем нагнетания в балласт связующего вещества. В качестве такого вещества могут быть использованы, например, составы на основе органических и/или неорганических вяжущих материалов и т.п. веществ.
Таким образом, заявляемый способ за счет снижения сил трения между частицами обрабатываемого балласта для минимизации сложных пространственных перемещений зерен материала при его обработке позволяет добиться снижения энергоемкости процесса обработки сыпучего материала, а следовательно, удешевить процесс обработки, добиться уменьшения трудозатрат. Кроме того, заявляемый способ позволяет улучшить качество уплотнения сыпучего материала за счет легкодостижимой возможности получения максимальной плотности материала. К тому же сокращается время обработки за счет возможности выполнения работ одним и тем же агрегатом, не дожидаясь, как в прототипе, когда на место проведения работ подойдет отдельный агрегат, выполняющий свою собственную операцию по обработке.