УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ГРУНТОВ

Полезная модель относится к добыче полезных ископаемых со дна океанов, в частности к устройствам для исследования параметров грунтов в натурных условиях.
Известно Устройство для исследования параметров грунтов (авторское свидетельство СССР на изобретение №1209876, Е 21 С 45/00, опубликовано 07.02.86), содержащее пространственную раму с направляющими, размещенными в них парой подвижных направляющих с рабочими органами, каждая из которых имеет пружинный привод с направлением противоположного относительно друг друга движения, установленную в середине рамы траверсу с подвеской, включающей корпус и подпружиненный относительно него шток, стопоры, взаимодействующие с одной стороны с подвижными направляющими, с другой - через механизм их включение с подпружиненным штоком, спуско-подъемный трос, связанный со штоком, и регистрирующую систему, снабженное гибкими тяговыми элементами и накопителями проб с пуансонами, при этом подпружиненный шток связан с механизмом включения стопоров и с системой роликов с подвижными направляющими со стороны пружинных приводов, а накопители проб выполнены в виде размещенных в направляющих эластичных чулков с пробками, имеющими центральные отверстия и буртики, взаимодействующие с пуансонами.
Недостатком данной конструкции является отсутствие возможности определения величины компрессионной силы, действующей на рабочий орган, из-за невозможности управления силами резания рабочего органа и реализации “быстрых” движений.
Известен Многоразовый пробоотборник (авторское свидетельство СССР на изобретение №1682856, МПК G01N 1/04, опубликовано 07.10.91), включающий несущую раму с установленными по ее периметру керноприемными гильзами с подрезным приспособлением, механизм задавливания керноприемных гильз в грунт, пусковое устройство и грузовой трос, а механизм задавливания каждой керноприемной гильзы в грунт выполнен в виде установленного на несущей раме над керноприемной гильзой поршневого гидроцилиндра, впускное отверстие которого снабжено подпружиненным клапаном, а поршень при помощи штока жестко соединен с верхним торцом керноприемной гильзы, причем пусковое устройство выполнено в виде храпового механизма, на валу которого установлены толкатели кривошипно-ползунного механизма, при этом собачка храпового механизма шарнирно закреплена на конце кривошипа.
Недостатком данной конструкции является отсутствие возможности определения величины компрессионной силы, действующей на рабочий орган, из-за невозможности управления силами резания рабочего органа и реализации “быстрых” движений. Также отсутствует возможность исследовать параметры грунтов в натурных условиях.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является Устройство для исследования параметров грунтов (авторское свидетельство СССР на изобретение №1051288, E21C 45/00, опубликовано 30.10.83), включающее раму с неподвижными направляющими и установленным в них рабочим органом с приводом и механизмом его включения, включающим подпружиненный шток и подъемные канаты, снабженное закрепленным над рамой регистрирующим механизмом, соединенным с приводом рабочего органа, а механизм включения привода выполнен в виде стопора и роликов, установленных на рычагах, шарнирно соединенных с наковальней, взаимодействующей с подпружиненным штоком, установленным в корпусе.
Недостатком данной конструкции является отсутствие возможности определения величины компрессионной силы, действующей на рабочий орган, из-за невозможности управления силами резания рабочего органа и
реализации "быстрых" движений, а также использование простейшего механического устройства регистрации характеристик исследования.
Техническим результатом заявленного устройства является повышение точности измерения характеристик донных грунтов в натурных условиях и расширения перечня измеряемых в натурных условиях характеристик донных грунтов.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство для исследования параметров грунтов включает раму с прикрепленным к ней приводом, выполненным в виде электромагнита переменного тока, который содержит статор и подпружиненный якорь поступательного движения, расположенные в водозащитном корпусе с верхней и нижней крышкой, рабочая полость которого отделена от внешней среды эластичной мембраной, закрепленной по периметру между корпусом и нижней крышкой, подпружиненный якорь электромагнита соединен с нажимным диском, который прижимается к нижней крышке пружинами якоря, к нажимному диску присоединен рабочий орган со штоком, который выполнен в виде штампа для получения его отпечатка на грунте, причем шток проходит через нижнюю крышку корпуса электромагнита, которая является для штока направляющей, причем в центре рабочего органа со штоком выполнена грунтозаборная полость, а к верхней крышке электромагнита присоединен кабель-трос, подключенный к источнику переменного тока.
Привод, выполненный в виде электромагнита, питается переменным электрическим током, что дает возможность исследовать динамику отрыва стопы от подводных грунтов различного типа при смене стоп шагающих аппаратов и выполнять "быстрые" движения рабочего органа, что позволяет определить величину компрессионной силы, действующей на рабочий орган.
Использование электронных средств регистрации данных с высокой частотой измерений, подключенных к устройству, увеличивает точность определяемых характеристик за счет регистрации их численных значений с малой погрешностью.
На фиг. 1 показан общий вид устройства, подготовленного к спуску; на фиг. 2 устройство, вид сверху; на фиг. 3 - устройство после эксперимента на дне, общий вид; на фиг. 4 - расчетная схема магнитопровода; на фиг. 5 - зависимость силы тока в обмотке электромагнита от времени.
Устройство для исследования параметров грунтов состоит из рамы 1, имеющей цилиндрическую форму, к которой крепится, например, болтами 2, привод, выполненный в виде электромагнита переменного тока. Электромагнит содержит статор 3, обмотку возбуждения 4 и подпружиненный якорь 5 поступательного движения, они расположены в водозащитном корпусе 6 с верхней крышкой 7 и нижней крышкой 8, которые присоединены к корпусу 6, например болтами 9. Рабочая полость 10 электромагнита отделена от внешней среды эластичной мембраной 11, например из резины, закрепленной по периметру между корпусом 6, который не допускает попадания воды в рабочую полость 10, и нижней крышкой 8, например болтами 9. Подпружиненный якорь 5 электромагнита соединен с нажимным диском 12, который прижимается к нижней крышке 8 пружинами 13 якоря 5. К нажимному диску 12 болтами 14 присоединен рабочий орган 15, который выполнен в виде сменного штампа в форме стопы для получения его отпечатка на грунте. Рабочий орган 15 имеет шток 16, который проходит через нижнюю крышку 8. Рабочий орган 15 крепится к штоку 16 резьбовым соединением. Нижняя крышка 8 электромагнита также является направляющей для штока 16, причем в центре рабочего органа 15 со штоком 16 выполнена грунтозаборная полость 17, а к верхней крышке 7 электромагнита для осуществления электропитания и подъема со дна устройства присоединен кабель-трос 18, например, с помощью рым-болта 19.
Устройство работает следующим образом.
Перед спуском на дно на борту плавсредства происходит его подготовка к работе. Для этого к штоку 16 крепится рабочий орган 15 в виде штампа для получения отпечатка на грунте той формы, для которой проводится исследование. Кабель-трос 18 устройства подключают к источнику переменного тока и амперметру с возможностью записывать показатели тока с высокой частотой измерений, находящихся на борту плавсредства. После этого устройство готово к спуску (фиг. 1).
При проведении эксперимента устройство работает следующим образом.
α
α
К
α
К
Устройство опускается на кабель-тросе 18 на дно. После установки устройства на дне рабочий орган 15 под действием силы тяжести вдавливается в грунт. При этом донный грунт попадает в грунтозаборную полость 17. Через заданное условиями эксперимента время с плавсредства от источника питания на обмотку 4 устройства через кабель-трос 18 подается переменный ток. При прохождении тока через обмотку 4 статора 3 возникает переменная электромагнитная сила F, действующая на якорь 5 с удвоенной частотой питающей сети. Под действием электромагнитной силы F якорь 5, нажимной диск 12 и присоединенный к нему болтами 14 шток 16 и рабочий орган 15 начинают притягиваться к сердечнику статора 3, однако, поскольку под рабочим органом 15 возникает разряжение, то движению рабочего органа 15 препятствует компрессионная сила F, пропорциональная давлению внешней среды. При этом происходит фильтрация воды в зону контакта и давление под рабочим органом 15 и внешней средой выравнивается. Наступает момент, когда величины электромагнитной силы F становится достаточно для отрыва рабочего органа 15 от грунта. После отрыва рабочего органа 15 от донного грунта (фиг. 3) компрессионная сила F пропадает и якорь 5, нажимной диск 12 и присоединенный к нему болтами 14 шток 16 и рабочий орган 15 практически мгновенно притягиваются к сердечнику статора 3. Магнитопровод (фиг. 4), состоящий из статора 3 и якоря 5, электромагнита замыкается, его индуктивность резко увеличивается, вследствие чего уменьшается величина тока. Изменение тока во времени записывается амперметром в течение всего эксперимента. При необходимости, устройство приподнимается и снова опускается на грунт и эксперимент повторяется.
После подъема устройства на борт плавсредства из грунтозаборной полости 17 производится выемка образца грунта и устройство готовится к следующему эксперименту.
В результате для каждого погружения штампа получают временные характеристики тока в обмотке электромагнита (фиг. 5). Питание электромагнита устройства переменным током позволяет использовать кабель-трос небольшого сечения.
1
2
К
При питании электромагнита переменным током его активное сопротивление мало по сравнению с индуктивным. При замыкании магнитопровода индуктивность системы резко увеличивается, а ток падает. Поэтому по току можно судить о времени отрыва стопы от грунта. Для движения якоря характерно 2 этапа: «медленное» движение в течение времени t, вплоть до отрыва рабочего органа от грунта и «быстрое» за время прохождения оставшегося воздушного зазора электромагнита t. Усредненные значения вынуждающей силы на первом временном этапе, учитывая, что при малых деформациях сила упругости пренебрежительно мала, позволяют оценить величину компрессионной силы. Так, например, для эксперимента, представленного на фиг. 5, максимальная компрессионная сила F составила около 60 Н при средней скорости отрыва стопы от грунта 0,012 м/с.При варьировании величиной переменного тока в обмотке электромагнита можно применять усилия различных значений, которые будут отрывать рабочий орган от грунта с разной скоростью. Изменение время отрыва рабочего органа устройства от донного грунта и получаемые в результате этого зависимости силы тока от времени позволят судить о величине компрессионной силы, возникающей при смене стоп шагающих машин во время передвижения по дну, а также получить зависимость компрессионной силы от средней скорости рабочего органа и условий данного эксперимента (глубины погружения, площади и физического состояния опорной поверхности и др.).
Таким образом, устройство для исследования параметров грунтов позволяет исследовать величину компрессионного эффекта, действующую на опорные элементы шагающих машин при их смене во время движения. Данное устройство может быть востребовано при внедрении новых промышленных технологий освоения ресурсов и исследованиях морского дна.