Винтовой рабочий орган для разработки мерзлого грунта Советский патент 1984 года по МПК E02F5/30 

Изобретение относится к строительству и предназначено для производства земляных работ в зимний период времени в гражданском, промышленном и мелиоративном строи тельстве. Известен рабочий орган, который состоит из забиваемого клина, установленного в направляющей, и поворотного элемента, выполненного в виде двух параллельно соединенных между собой зубьев Z-образной формы. Одни крайние участки зубьев свободно установлены в контуре клина, а другие - с возможностью поворота закреплены на направляющей, которая щарнирно соединена через силовой цилиндр со средними участками зубьев 1. Недостатком указанного устройства, воздействующего на мерзлый грунт усилиями сжатия, является большая энергоемкость процесса разработки мерзлого грунта. Кроме того, это устройство имеет сложкую конструкцию, вследствие чего сокращается его эксплуатационная надежность. Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является винтовой рабочий орган для разработки мерзлого грунта, который включает приводную щтангу с наконечником, имеющим винтовую лопасть, и клин, свободно насаженный на щтангу и связанный с ней через упорный механизм. Разработка грунта осуществляется клином, внедренным в мерзлый грунт с помощью винтового наконечника. Клин, внедряясь, сжимает мерзлый грунт до образования в нем вертикальной трещины, и затем, расщиряя трещину, откалывает от массива глыбу мерзлого грунта 2. Недостатками известного рабочего органа являются значительная энергоемкость процесса разработки мерзлого грунта, обусловленная воздействием на мерзлый грунт усилиями сжатия, малая производительность обусловленная тем, что он является устройством циклического действия, а также сложность его конструкции, обусловленная взаиморасположением клина и приводной щтанги и наличием упорного механизма. Целью изобретения является снижение энергоемкости процесса разработки мерзлого грунта и упрощение конструкции рабочего органа. Указанная цель достигается тем, что в винтовом рабочем органе для разработки мерзлого грунта, включающем приводную штангу с винтолопастным наконечником и охватывающий штангу скалывающий инструмент, последний выполнен в виде щнековой лопасти, которая закреплена внутренней кромкой на штанге, сопряжена с винтовой лопастью наконечника и имеет переменный щаг, увеличивающийся в сторону от наконечника. На фиг. 1 изображен винтовой рабочий орган; на фиг. 2 - схема разработки мерзлого грунта винтовым рабочим органом. Приводная щтанга 1 имеет наконечник 2, оборудованный винтовой лопастью 3. Шнековая лопасть 4 сопряжена с винтовой лопастью 3 наконечника 2 и является ее продолжением. Шаг лопасти 4 плавно увеличивается в сторону от наконечника 2 и от величины, равной щагу лопасти 3 наконечника 2. Внутренней кромкой 5 щнековая лопасть 4 прикреплена к приводной щтанге I. Винтовой рабочий орган работает следующим образом. Нри вращении приводной щтанги и наличии давления на забой наконечник 2 с помощью винтовой лопасти 3 внедряется в мерзлый грунт. Внедрение наконечника осуществляется следующим образом. Наконечник выполнен в форме конуса с малым углом () при верщине, а на боковой поверхности конуса жестко закреплена винтовая лопасть 3, имеющая плавно уменьщающийся от верщины конуса к ее основанию щаг, причем соотнощение шага начала и конца лопасти « 2,5:1. Ири соприкосновении верщины конуса с поверхностью мерзлого грунта и наличии давления на забой контактные напряжения достигают величины, превышающей величину напряжений разрушения грунта, и наконечник 2 вдавливается в мерзлый грунт. Так как наконечник 2 вращается с помощью приводной штанги 1 при вдавливании конуса и одновременном внедрении в грунт винтовой лопасти 3, последняя начинает разрыхлять грунт в местах контакта с грунтом. За счет сил трения вершина конуса нагревается, лед содержащийся в мерзлом грунте, тает, и окружающий конус мерзлый грунт переходит в талое состояние. Это позволяет уплотнять грунт и постепенно заглублять в него конус. По мере заглубления конуса увеличивается объем мерзлого грунта, взаимодействующего с винтовой лопастью 3. Поэтому усилия, необходимые для рыхления этого объема мерзлого грунта, увеличиваются пропорционально величине заглубления конуса. Как только величина усилия, передающегося грунту от винтовой лопасти 3, будет недостаточна для разрущения объема мерзлого грунта наконечник 2 начнет ввинчиваться в мерзлый грунт. Величина осевого перемещения наконечника 2 в мерзлом грунте за один его оборот равна шагу винтовой лопасти 3 у основания конуса. Вращение приводной щтанги 1 и ввинчивание в грунт наконечника 2 создают значительные осевые усилия, используемые для внедрения в мерзлый грунт рабочего органа. Наконечник 2, внедрившись в мерзлый грунт, нарезает в массиве грунта винтовую полость, имеющую форму поперечного сечения винтовой лопасти 3 наконечника и шаг, равный минимальному (вблизи основания конуса) шагу « (фиг. 2) на винтовой лопасти 3 наконечника 2. Внедрение в мерзлый грунт наконечника 2 аналогично внедрению метчика при нарезании резьбы в гайке. Следом за винтовой лопастью 3 наконечника 2 в образованную им полость внедряется шнековая лопасть 4, являюш,аяся продолжением лопасти 3 наконечника 2. Так как шаг шнековой лопасти 4 постепенно увеличивается на величину д (фиг. 2) на плоскостях шнековой лопасти 4, обращенных к устью скважины,возникают усилия, направленные в сторону привода. В результате схема приложения нагрузки в мерзлому грунту равнозначна схеме нагрузок при внедрении клина в свободную полость, так как приводная штанга вращается с постоянной скоростью, а увеличение щага щнековой лопасти 4 постоянно на первых четырех-пяти витках. Развертка шнековой лопасти 4 на плоскость имеет вид прямой, наклоненной к горизонту под углом, определяемым из зависимостиf, , ta- где dm -диаметр шнека; 1щ -шаг первого витка шнека. Так как лобовое сопротивление грунта отсутствует, а на грунт воздействует вертикальная составляющая равнодействующей силы на наклонной плоскости, под действием этой силы происходит крупный скол грунта, заключенного между рядом расположенными витками шнековой полости 4, стволом шнека и стенками образующейся скважины. Увеличение щага первых четырех-пяти витков лопасти 4 (А) определяется в зависимости от механических характеристик мерзлого грунта и составляет величину от 0,03 до 0,05 диаметра лопасти, что обеспечивает увеличение угла подъема винтовой линии на 1 -1,5° за один оборот. Так, например, если шаг лопасти 3 у основания конуса равен 100 мм, третьего витка лопасти 4 увеличен до 120 мм, при внедрении в мерзлый грунт третьего витка лопасти 4 происходит следующее. Так как осевое перемещение приводной щтанги 1 за один ее оборот равно щагу винтового наконечника 2 (в рассматриваемом примере равно 100 мм), то при внедрении в грунт третьего витка лопасти 4 объем грунта, ограниченный стенками образующейся скважины (равной диаметру лопасти 4), приводной штангой 1 и рядом расположенными витками лопасти 4 должен переместиться в направлении забоя на 120 мм. В связи с тем, что осевое перемешение приводной штанги 1 в сторону забоя зависит от шага винтовой лопасти 3 наконечника, перемещение лопасти 4 в районе третьего витка составляет также 100 мм, а разница в шаге начала лопасти 4 и ее третьего витка создает на витка.ч лопасти 4 осевое усилие, направленное в сторону, противоположную забою. Так как лопасти 3 и 4 жестко связаны между собой и лопасть 3 постепенно переходит в лопасть 4, объем мерзлого грунта, заключенный между двумя рядом расположенными витками лопастей, приводной штангой 1 и стенками образующейся скважины, воспринимает осевые усилия, возникающие на лопастях 4 за счет разницы в щаге. Так как шаг лонасти 4 увеличивается плавно, и усилия, воспринимаемые мерзлым грунтом, увеличиваются постепенно. С увеличением усилий растут напряжения в мерзлом грунте. При достижении напряжениями в грунте величины, равной критическим напряжениям на срез данного грунта, происходит срез объема грунта, и срезанный грунт перемещается лопастью 4 в сторону, противоположную забою Винтовой рабочий орган позволит минимум на 20% сократить энергоемкость процесса разработки мерзлого грунта за счет изменения схемы приложения нагрузки.

фи1.2

,

ВИНТОВОЙ РАБОЧИЙ ОРГАН ДЛЯ РАЗРАБОТКИ МЕРЗЛОГО ГРУНТА, включающий приводную штангу с ви1:толопастным наконечником и oxiij Tb r.;i:o:ui ii штангу скалываюш,ий инструмент, от.тчающийся тем, что, с целью снижения энерюемкости процесса разработки и упрощения конструкции, скалывающий инструмент выполнен в виде шнековой лопасти, которая закреплена внутренней кромкой на щтанге, сопряжена с винтовой лопастью наконечника и имеет переменный шаг, увеличивающийся в сторону от наконечника.