СПОСОБ УПЛОТНЕНИЯ СЫПУЧЕЙ СРЕДЫ
METHOD OF LOOSE MEDIUM COMPACTION

Изобретение относится к области уплотнения различных сыпучих сред, 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.
Значительную часть работ, связанную с обслуживанием рельсового пути, составляют работы по уплотнению балласта, т.е. сыпучей щебеночной среды. Наиболее распространенным способом обработки балласта рельсового пути является горизонтальное виброобжатие балласта с помощью таких инструментов, как подбойки, которые входят в состав подбивочного агрегата. При этом способе вибрирующие подбойки внедряют в межшпальное пространство рельсового пути и за счет горизонтального перемещения лопатки подбойки поперек межшпального пространства подают необходимый объем балласта под шпалы. Это приводит к разрыхлению балласта в межшпальном пространстве и является недостатком этого способа (см. Новые путевые машины. Под ред. Сырейщикова Ю.П., М., Транспорт, 1984, с.63).
Известен также вибропрессовый способ уплотнения сыпучей среды. Он включает уплотнение посредством принудительно заглубляемого и извлекаемого из среды инструмента, который представляет собой взаимодействующий с вибромеханизмом стержень с нижним концом в виде уплотнительной лопатки, над которой на стержне жестко закреплена трамбующая плита. При погружении инструмента в среду под воздействием вибрационных колебаний от лопатки объем среды вокруг инструмента переходит в псевдоожиженное состояние и под действием собственного веса начинает уплотняться. Для усиления процесса уплотнения среды ей дополнительно сообщают вибрационные колебания и давление сверху от трамбующей плиты. Обработка сыпучей среды таким способом из-за отсутствия горизонтального перемещения лопатки инструмента поперек обрабатываемого пространства гораздо эффективнее, чем в указанном выше способе (см. Гуленко Н.Н., Фомин В.В. Механизация и автоматизация путевых работ за рубежом. - М., Транспорт, 1975, с.57).
При жестком закреплении трамбующей плиты на стержне при внедрении инструмента в обрабатываемую среду соприкосновение трамбующей плиты со средой наступает позже соприкосновения со средой уплотнительной лопатки, а при извлечении инструмента соприкосновение со средой трамбующей плиты прекращается раньше, чем уплотнительная лопатка будет извлечена из среды. Учитывая, что лопатка для качественного уплотнения среды должна быть основательно заглублена в среду, очевидно, что жестко закрепленная над лопаткой плита, препятствующая этому заглублению, должна быть закреплена выше лопатки настолько, чтобы позволить ей погрузиться в среду на нужную глубину. Это приводит к тому, что существенно сокращается время совместного воздействия на среду лопатки и плиты по сравнению с временем воздействия на среду лопатки, что влечет за собой увеличение времени уплотнения, затрачиваемого на достижение требуемого качества. Кроме того, уплотненная при погружении инструмента среда, при излечении инструмента, подвергаясь воздействию вибрирующей лопатки, начинает разрыхляться, т.к. не испытывает давления сверху от трамбующей плиты. Это снижает эффективность уплотнения.
Наиболее близким по технической сущности, достигаемому результату и выбранным в качестве прототипа является вибропрессовый способ уплотнения сыпучей среды, осуществляемый инструментом, содержащим закрепленный в виброприспособлении стержень, нижний конец которого выполнен в виде уплотнительной лопатки, в котором трамбующая плита установлена с возможностью перемещения относительно лопатки (см. патент на полезную модель РФ №33127, кл. E01B 27/16, заявл. 17.06.03, опубл. 10.10.03 «Уплотнительно-подбивочный инструмент для балласта рельсового пути»).
При закреплении трамбующей плиты с возможностью перемещения относительно уплотнительной лопатки можно за счет различных видов закрепления трамбующей плиты регулировать в широком диапазоне время совместного воздействия на среду лопатки и плиты. Оно (время совместного воздействия) может совпадать как при внедрении инструмента в среду, так и при извлечении инструмента из среды или не совпадать, изменяясь в соответствии со специальными математическими зависимостями, выбранными с учетом вида обрабатываемой среды, предполагаемых в дальнейшем нагрузок на эту среду и пр. Кроме того, подвижное закрепление трамбовочной плиты относительно лопатки позволяет также и, в случае необходимости, проводить только вибрационное воздействие на обрабатываемую среду лопаткой и трамбовочной плитой, не оказывая на среду силового давления сверху от трамбовочной плиты. Это может быть достигнуто, например, за счет использования легкой трамбовочной плиты, собственный вес которой при ударе о среду не приводит к возникновению прессующего действия на зерна среды. При этом важно отметить, что уплотнение сыпучей среды - весьма энергоемкий процесс. Излишнее воздействие на среду может привести к перерасходу ресурсов на осуществление процесса, потере производительности, а также может отрицательно отразиться на состоянии среды, вызывая ее излишнее уплотнение уже не за счет более плотного расположения зерен среды, а за счет разрушения кромочной части у этих зерен. Недостаточное воздействие влечет за собой пониженное качество уплотнения среды.
Недостатком способа-прототипа является отсутствие критерия и условий, позволяющих определить минимально необходимое воздействие на сыпучую среду, обеспечивающее требуемое качество уплотнения.
Задачей настоящего изобретения является достижение высокого качества уплотнения сыпучей среды при минимальных затратах.
Техническим результатом, получаемым в результате осуществления изобретения, является выявление критерия и условий, позволяющих определить минимально необходимое воздействие инструмента на среду, обеспечивающее требуемое качество уплотнения.
Поставленная задача решается за счет того, что в известном способе уплотнения сыпучей среды посредством взаимодействующего с вибромеханизмом инструмента, содержащего уплотнительную лопатку и установленную с возможностью перемещения относительно лопатки трамбующую плиту, путем воздействия на сыпучую среду при погружении и извлечении из нее инструмента вибрационными колебаниями от уплотнительной лопатки и трамбующей плиты, согласно изобретению время совместного воздействия на среду уплотнительной лопатки и трамбующей плиты инструмента составляет не менее 10% от общего времени соприкосновения инструмента со средой.
При погружении инструмента в сыпучую среду момент внедрения в среду лопатки может опережать момент соприкосновения со средой трамбующей плиты.
При извлечении инструмента из сыпучей среды время совместного воздействия на среду уплотнительной лопатки и трамбующей плиты может составлять не менее 4% от времени извлечения инструмента из среды.
При извлечении инструмента из сыпучей среды момент прекращения соприкосновения со средой трамбующей плиты может отставать от момента прекращения соприкосновения со средой лопатки.
На сыпучую среду может быть дополнительно оказано воздействие силовым обжатием от уплотнительной лопатки и/или трамбующей плиты.
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 широко использован при производстве различных работ, связанных с уплотнением сыпучей среды, т.е. является промышленно применимым.
Имеющие в основном горизонтальное направление виброколебания, передаваемые на среду уплотнительной лопаткой, переводят зерна среды в псевдоожиженное состояние, а имеющие в основном вертикальное направление виброколебания, передаваемые на среду трамбующей плитой, усиливают эффект оседания зерен под действием собственного веса. При недостаточном совместном воздействии на сыпучую среду трамбующей плиты и уплотнительной лопатки в течение общего времени соприкосновения инструмента со средой (предполагается соприкосновение со средой любого из элементов лопатки и/или плиты, т.к. лопатка и/или плита могут иметь сложную форму с различными выступами, впадинами и пр.) сближение находящихся в псевдоожиженном состоянии зерен уплотняемой среды происходит, в основном, под действием собственного веса. Это вызывает необходимость более длительного воздействия на среду, что повышает расход ресурсов на уплотнение.
При недостаточном совместном воздействии на сыпучую среду трамбующей плиты и уплотнительной лопатки в течение времени извлечения инструмента из среды (предполагается соприкосновение со средой любого из элементов лопатки и/или плиты, т.к. лопатка и/или плита могут иметь сложную форму с различными выступами, впадинами и пр.) происходит частичное разрыхление слоя среды, уже ранее уплотненного, во время погружения инструмента в среду.
Для определения необходимого совместного воздействия на сыпучую среду уплотнительной лопатки и трамбующей плиты, был проведен ряд экспериментов.
Наиболее строгие требования к качеству уплотнения сыпучей среды предъявляются при уплотнении балласта рельсового пути, т.к. погрешности в уплотнении балласта приводят к возникновению отклонений в положении рельсового пути и могут создать аварийную ситуацию. Учитывая это, сыпучей средой, на которой проводилось экспериментальное определение параметров уплотнения, был выбран щебеночный балласт рельсового пути. Из теоретических исследований и практики уплотнения балласта рельсового пути известно, что максимальная просадка рельсошпальной решетки проявляется при рыхлом балласте, а минимальная - при 20%-ной степени уплотнения балласта, т.е. при понижении после уплотнения уровня балласта по сравнению с первоначальным на величину, составляющую 20% от толщины балластного слоя ниже нижней постели шпалы. При эксплуатационных нагрузках на рельсовые пути такая просадка возникает при пропуске 1 млн тонн брутто. Дальнейшее уплотнение идет уже за счет разрушения кромочной части у зерен балласта, что нежелательно. 20%-ная степень уплотнения балласта обеспечивает возможность длительной эксплуатации рельсового пути без возникновения расстройства пути.
При проведении эксперимента отдельные участки балласта рельсового пути были уплотнены посредством инструмента, выполненного в виде стержня, нижний конец которого образует уплотнительную лопатку, а верхний конец взаимодействует с вибромеханизмом (например, с дебалансным вибровозбудителем). Над лопаткой при помощи упругой подвески для обеспечения возможности перемещения вдоль стержня была закреплена трамбующая плита. Причем закрепление трамбующей плиты было таким, что обеспечивало различную продолжительность совместного воздействия на среду уплотнительной лопатки и трамбующей плиты в течение общего времени соприкосновения инструмента со средой, а также в течение времени извлечения инструмента. Эксперимент проводился при обеспечении воздействия на балласт заданной стандартной нагрузкой, одинаковой для всех видов инструмента, и в течение одинакового периода времени. После проведения уплотнения балласта были измерены величины просадки уровня балласта на участках, уплотненных с помощью инструментов, обеспечивающих различную продолжительность совместного воздействия на среду уплотнительной лопатки и трамбующей плиты инструмента.
В таблице 1 приведены результаты эксперимента по определению минимально необходимого времени совместного воздействия лопатки и плиты от общего времени соприкосновения инструмента со средой.
Таблица 1.
Показатель
Доля от общего времени соприкосновения инструмента с сыпучей средой, которую составляет время совместного воздействия на среду уплотнительной лопатки и трамбующей плиты инструмента
0%
5%
10%
15%
Просадка уровня балласта после уплотнения балласта, в % от толщины балластного слоя ниже нижней постели шпалы
6
8
16
18
Эксперимент показал, что в том случае, когда время совместного воздействия на балласт уплотнительной лопатки и трамбующей плиты инструмента составляло не менее 10% от общего времени соприкосновения инструмента со средой, просадка уровня балласта приближается к максимально возможной, а при значении этой величины менее 10% происходит значительное снижение просадки. Т.е. указанные параметры уплотнения позволяют добиться высокого качества уплотнения сыпучей среды.
В таблице 2 приведены результаты эксперимента по определению минимально необходимого времени совместного воздействия лопатки и плиты от времени извлечения инструмента из среды.
Таблица 2.
Показатель качества уплотнения
Доля от времени извлечения инструмента из сыпучей среды, которую составляет время совместного воздействия на среду уплотнительной лопатки и трамбующей плиты инструмента при извлечении инструмента.
0%
2%
4%
10%
Просадка уровня балласта после уплотнения балласта, в % от толщины балластного слоя ниже нижней постели шпалы
10
12
17
19
Эксперимент показал, что в том случае, когда время совместного воздействия на балласт уплотнительной лопатки и трамбующей плиты инструмента при извлечении инструмента из среды составляло не менее 4% от времени соприкосновения инструмента со средой при извлечении его из среды, просадка уровня балласта приближается к максимально возможной, а при значении этой величины менее 4% происходит снижение просадки. Т.е. указанные параметры уплотнения позволяют добиться высокого качества уплотнения сыпучей среды.
При уплотнении сыпучей среды важно определить последовательность воздействия на нее уплотнительной лопатки и трамбующей плиты. Воздействие трамбующей плиты на среду, еще не переведенную виброколебаниями от лопатки в псевдоожиженное состояние, ведет к неоправданным энергозатратам и излишним затратам времени. Прекращение воздействия трамбующей плиты на среду во время извлечения лопатки из среды или сразу после этого ведет к недоуплотнению поверхностных слоев среды, вызванному разрыхляющим воздействием лопатки при ее извлечении из среды.
Усилить эффект уплотнения сыпучей среды позволяет и сообщение уплотнительной лопатке и/или трамбующей плите дополнительной возможности оказывать на среду силовое обжатие. Находясь внутри уплотняемой среды, уплотнительная лопатка может перемещаться, сдвигая за счет этого частицы среды в нужном направлении (практически это нетрудно выполнить, если в шпалоподбивочном агрегате вместо обычной подбойки установить инструмент, стержень которого дополнительно снабжен еще и трамбующей плитой). Практически нетрудно выполнить и силовое обжатие среды посредством трамбующей плиты, для этого достаточно закрепить на инструменте массивную тяжелую трамбующую плиту.
Заявляемый способ осуществляют следующим образом.
Сыпучую среду подвергают обработке уплотнительным агрегатом, оснащенным инструментами, представляющими собой стержни, нижний конец каждого из которых образует уплотнительную лопатку, а верхний конец взаимодействует с вибромеханизмом, например дебалансным вибратором или эксцентриковым валом. Над лопаткой инструмента при помощи упругой подвески для обеспечения возможности перемещения закреплена трамбующая плита. При погружении и извлечении из среды инструмент воздействует на среду вибрационными колебаниями, передаваемыми уплотнительной лопаткой и ориентированными в основном в горизонтальной плоскости, и вибрационными колебаниями и силовым обжатием, передаваемыми трамбующей плитой, ориентированными в основном в вертикальной плоскости. Регулируя закрепление трамбующей плиты над лопаткой, можно обеспечить различную продолжительность совместного воздействия на среду уплотнительной лопатки и трамбующей плиты.
Соблюдение выявленного в результате эксперимента условия, заключающегося в том, что при соприкосновении инструмента со средой не менее 10% времени должно приходиться на время совместного воздействия на среду уплотнительной лопатки и трамбующей плиты, позволяет добиться высокого качества уплотнения.
Соблюдение условия, заключающегося в том, что при извлечении инструмента из сыпучей среды время совместного воздействия на среду уплотнительной лопатки и трамбующей плиты инструмента составляет не менее 4% от времени извлечения инструмента из среды, позволяет усилить эффект уплотнения. Причем соблюдение условий, определяющих последовательность воздействия на сыпучую среду уплотнительной лопатки и трамбующей плиты, позволяет избежать неоправданных энергозатрат и излишних затрат времени, а также недоуплотнения поверхностных слоев обрабатываемой среды, т.е. способствует повышению качества и производительности при уменьшении затрат рабочего времени и средств на проведение процесса уплотнения.