Устройство для рыхления мерзлых и плотных грунтов

 

Изобретение относится к области землеройных машин для разработки и рыхления мерзлых и плотных грунтов и может быть использовано на различных строительных объектах. Целью изобретения является снижение тяги в направлении рабочего перемещения устройства, а также уменьшение энергоемкости процесса рыхления. Устройство для рыхления мерзлых и плотных грунтов содержит барабан и расположенные по его периметру рыхлительные зубья, приводной вал, расположенный внутри барабана по его оси, установленный с возможностью вращения, дисковый кулачок, находящийся в плоскости поперечного сечения барабана и жестко с ним связанный, кулису, закрепленную на приводном валу, и ролики, установленные в пазах кулисы с возможностью относительного движения. Ролики цилиндрической поверхностью взаимодействуют с профильной поверхностью кулачка. Задняя поверхность рыхлительных зубьев выполнена в виде эвольвенты. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к машинам для подготовительных земляных работ, а именно к устройствам для рыхления, и может быть использовано на различных строительных объектах.

Известно устройство для рыхления мерзлых грунтов, монтируемое на базовой машине, включающее роторное колесо и привод. Оно выполнено с установленными по периметру роторного колеса с возможностью вращения вокруг своей оси ступицами, на каждый из которых закреплены резцы /см. а.с. N 365437/.

Недостатком данного устройства является высокая степень измельчения материала, что задается геометрией и кинематикой рабочего органа. Интенсивное измельчение, в свою очередь, повышает энергоемкость процесса.

Известен также рыхлительный рабочий орган, включающий диски с зубьями, которые установлены на кронштейнах. Каждый из кронштейнов выполнен с двумя плечами, одно из которых связано с диском посредством шарнира, а другой - посредством ограничителя, выполненного из скобы /см. а.с. N 626166/.

В этом устройстве горизонтальная составляющая реакции грунта при внедрении каждого из зубьев направлена противоположно движению базовой машины, так как вибратор, интенсифицирующий процесс резания, совершает только вертикальные колебания. Таким образом, для осуществления нормального режима работы необходимо приложить значительное тяговое усилие, что неприемлемо для мобильных колесных тягачей, которые эффективны в условиях городского строительства и при частых перебросках с одного объекта на другой.

Прототипом изобретение является устройство для рыхления мерзлых и плотных грунтов, включающее барабан и расположенные по его периметру рыхлительные зубья с вогнутыми режущими кромками в виде плавных кривых линий. Зубья установлены на барабане шарнирно с возможностью ограниченного поворота и связаны с ним посредством пружины /см. а.с. N 819282/.

Недостатком прототипа является низкая энергонасыщенность устройства, что не позволит производить разработку грунта, имеющего достаточно большую величину промерзания. Наличия шарнирной подвески зубьев снижает надежность одного из самых напряженных элементов конструкции.

Предлагаемое изобретение позволяет привести рабочий орган в самостоятельное движение и, тем самым, снизить тягу в направлении рабочего перемещения устройства, а также уменьшить энергоемкость процесса рыхления.

Это достигается тем, что устройство для рыхления мерзлых и плотных грунтов, включающее барабан и расположенные по его периметру рыхлительные зубья, отличаются тем, что оно снабжено приводным валом, расположенным внутри барабана по его оси, установленным с возможностью вращения, дисковым кулачком, находящимся в плоскости поперечного сечения барабана и жестко с ним связанного, кулисой, закрепленной на приводном валу, и роликами, установленными в пазах кулисы с возможностью вращения и перемещения вдоль пазов, при этом ролики цилиндрической поверхностью взаимодействуют с профильной поверхностью кулачка. Задняя поверхность рыхлительных зубьев выполнена в виде эвольвенты.

Наличие барабана, на котором установлены рыхлительные зубья, позволяет устройству прокатываться по дневной поверхности грунта одновременно от служит и опорой. Теоретически барабан должен прокатываться без скольжения. Задаваясь этим условием определяется рациональная форма зуба, а именно его задняя поверхность. При прокатывании барабана без скольжения производная точка линии дневной поверхности в относительном движении описывает эвольвенту. В этом случае внешняя окружность барабана является основной окружностью, а линия дневной поверхности - производящей прямой. Задавая профиль задней поверхности зуба в виде эвольвенты, можно создать такие условия его работы при внедрении в грунт, что давление в направлении перемещения устройства будет отсутствовать, а это значительно снизит требуемую тягу.

Наличие приводного вала с закрепленной на нем кулисой, которые приводят в движение ролики, прокатывающиеся по профильной поверхности кулачка, жестко связанного с барабаном, позволяет интенсифицировать рабочий процесс, облегчая рыхлительному зубу процесс внедрения в тело грунта и дальнейший скол его части. Профиль кулачка в диаметрально расположенных участках имеет резкий переход от большего радиуса к меньшему, что создает препятствие свободной прокатке роликов. За счет этого кинетическая энергия в виде импульса силы передается на барабан и рыхлительные зубья. Направление результирующего импульса силы совпадает с направлением движения барабана - это необходимо для облегчения работы зубьев, а также для создания требуемой тяги в направлении рабочего перемещения.

На фиг. 1 представлен вид в плане устройства для рыхления мерзлых и плотных грунтов; на фиг. 2 - то же, вид сбоку; на фиг. 3 - схема работы устройства.

Устройство для рыхления мерзлых и плотных грунтов содержит базовую машину 1 и раму 2, на которой установлен барабан 3 с возможностью вращения вокруг своей оси. На барабане жестко закреплены рыхлительные зубья 4, расположенные симметрично по отношению к его торцам, а также ребра 5, играющие роль грунто-зацепов и ориентированные в направлении его образующих. Положение устройства относительно поверхности грунта задается посредством гидроцилиндра 6, связывающего его раму с рамой базовой машины. На приводном валу 7 в плоскости поперечного сечения барабана закреплена кулиса 8, в пазах которой размещены ролики 9, имеющие возможность свободного вращения и перемещения в радиальном направлении. В этой же плоскости на внутренней цилиндрической поверхности барабана установлен кулачок 10 с внутренним профилем переменной кривизны. Вдоль продольной оси кулисы размещены пружины 11, которые прижимают ролики к профилю кулачка, осуществляя их постоянный контакт.

Описываемое устройство работает следующим образом.

При движении базовой машины 1 вперед вал отбора мощности посредством механической трансмиссии заставляет вращаться приводной вал 7 с установленной на нем кулисой 8. Ролики 9, размещенные в пазах кулисы, под действием пружин 11 и центробежных сил прижимаются к криволинейной поверхности кулачка 10. Силы трения, действующие в зоне контакта, приводят ролики во вращательное движение. Профиль кулачка спроектирован таким образом, что на фазовом угле приближения ϕ_пр его радиус резко уменьшается. При попадании ролика в эту зону траектория его движения изменяется, а т.к. система приводной вал - кулиса при вращении имеет определенный кинетический момент, определяемый по зависимости L_z= J_z·ω, где J_z - общий момент инерции системы приводной вал - кулиса относительно центральной оси; ω - угловая скорость приводного вала, то он передается через кулачок барабану с закрепленными на нем рыхлительными зубьями 4 в виде момента силы, последние при этом получают способность внедряться в массив, производя его разрушение. Степень перепада радиусов кулачка задается усредненными прочностными параметрами грунта.

Следующий по ходу ролика фазовый угол удаления ϕ_уд кулачка характерен постепенным увеличением радиуса. Радиус-вектор профиля на этом угле задается естественным выходом ролика под действием жесткости пружины и центробежной силы. Величина прижатия должна обеспечить отсутствие проскальзывания для увеличения срока службы кулачка. Для сбалансированности устройства предпочтительным является симметричное размещение роликов и минимальное их количество должно равняться двум.

Рабочий процесс идет в следующей последовательности.

Первоначальной точкой контакта вершины зуба 4 с поверхностью грунта является точка А /фиг. 3, а/. Далее, при условии прокатывания барабана 3 без скольжения, вершина движется по направлению удлиненной циклоиды, параметры которой задаются диаметром барабана и высотой зуба в радиальном направлении /фиг. 3, б - г/. Поскольку задняя поверхность зуба спрофилирована в виде эвольвенты, то по свойству этой кривой при дальнейшем внедрении точка А поверхности грунта будет неизменной точкой контакта последовательно со всеми точками профиля задней поверхности. При движении всего зуба по удлиненной циклоиде и неизменности этой точки контакта создаются такие условия, что зуб, скользя, поворачивается вокруг нее в направлении против рабочего перемещения устройства. Горизонтальная составляющая силы резания при этом будет направлена в ту же сторону.

Таким образом, данное устройство под действием периодической ударной нагрузки способно передвигаться по поверхности грунта самостоятельно, одновременно производя работу разрушения, что является положительным моментом для колесной машины. Последняя в этом случае служит только средством переброски устройства с объекта на объект и при производстве работ - энергетическим источником.

Формула изобретения

1. Устройство для рыхления мерзлых и плотных грунтов, включающее барабан и расположенные по его периметру рыхлительные зубья, отличающееся тем, что оно снабжено приводным валом, расположенным внутри барабана по его оси, установленным с возможностью вращения, дисковым кулачком, находящимся в плоскости поперечного сечения барабана и жестко с ним связанного, кулисой, закрепленной на приводном валу, и роликами, установленными в пазах кулисы с возможностью вращения и перемещения вдоль пазов, при этом ролики цилиндрической поверхностью взаимодействуют с профильной поверхностью кулачка.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что задняя поверхность рыхлительных зубьев выполнена в виде эвольвенты.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3