В наше время, когда технологии очень развиты, мы часто забываем о простых механизмах, которые лежат в основе многих современных вещей. Одним из таких примеров является простой шнек – цилиндр со спиралью снаружи.

Шнек применяется во многих современных вещах, таких как мясорубка, ледобур, снегоуборочная машина. Его вариации можно узнать в колках гитары, различных крепёжных винтах и многом другом.

Основой всему этому является древнее изобретение известное нам, как Архимедов винт. Очень давно люди стали использовать машину для подачи воды: винт или улитку Архимеда (287–212 до н.э.). [1] Действие водоподъёмного винта основано на свойстве винтовой поверхности, которая противодействует силе тяжести. Винт устанавливается в деревянной трубе (обшивке) наклонно к плоскости горизонта под углом, меньшим угла наклона винтовой линии. При этом условии забранная порция воды будет перемещаться по винтовой поверхности снизу вверх. [4]

Несмотря на количество времени, прошедшего с момента изобретения Архимедова винта и на широкое современное применения его принципа, предположим, что есть ещё сфера, где потенциал этого простого механизма не использован в полной мере.

Актуальность – Архимедов винт – пример «вечной» инженерной идеи. Потенциал его простого механизма имеет безграничные возможности для применения.

Цель – изучить возможность нового применения простого механизма Архимедова винта.

Гипотеза – потенциал простого механизма Архимедова винта не использован в полной мере в сфере технических средств получения первичной информации – пробоотборниках.

Предмет исследования – пробоотборник.

Объект исследования – отбор проб для получения первичной информации.

Задачи: 1) Изучить современное состояние пробоотборников.

2) Разработать модель пробоотборника на основе принципа Архимедова винта.

В ходе работы, после исследования действующих пробоотборников, была создана таблица с их характеристиками и недостатками. (Таблица 1)

Существующие пробоотборники имеют ряд общих недостатков:

1) Процесс взятия проб является энергоёмким, т.к. для взятия пробы с определённой глубины требуется пробурить скважину на всю глубину.

2) Глубина взятия проб ограничена габаритами пробоотборников.

3) Для взятия проб необходимо большое усилие на внедрение в массу вещества, в связи с чем для работы и обслуживания используются как минимум двое рабочих.

4) В процессе взятия проб нет возможности получения оперативной информации об исследуемом веществе.

Таким образом, существующие технические средства для взятия проб на контроль с целью получения первичной информации не эффективны, и не обеспечивают получение оперативной информации об исследуемом веществе в процессе взятия проб.

Исходя из гипотезы и поставленных задач, предполагаем, что конструкция пробоотборника представляет собой полый цилиндрический корпус с верхним и нижним конусообразными наконечниками, соединёнными с цилиндрическим корпусом и зафиксированными стопорными винтами. Поверхности корпуса и наконечников выполнены в виде единой винтовой поверхности. В элементах винта цилиндрического корпуса сделаны прямоугольные отверстия, грани которых образуют режущую кромку.

В полом шнеке в верхней его части имеются окна для забора пробы. При забуривании на глубину, вращение шнека от привода передаётся через вал, проходящий внутри шнека, перекрывающего окна пробоотборника. Отбор пробы не происходит. При изменении направления вращения привода, вал проворачивается внутри шнека, открывает окна и передаёт вращение шнеку на вывинчивание. Происходит забор пробы.

Массу отбираемой пробы принимаем равной 0,4-0,5 кг.

Диаметр шнека должен быть минимальным для уменьшения габаритов и веса.

Конструктивно задавался требуемый объём для размещения пробы, выбирался наружный Dш и внутренний диаметры шнека dш, а длина шнека рассчитывалась исходя из требуемого объёма и конструкции пробоотборника.

Необходимый объём пробы определялся по формуле:

, м3

где – масса отбираемой пробы, кг;

– средний объёмный вес отбираемого вещества, кг/м3.

Принимаем, что бурение будем производить в мягких веществах. Для мягких грунтов, к которым, по технологиям бурения, можно отнести все виды отбираемых мягких веществ, шаг винта шнека Sш рекомендуется выбирать исходя из формулы [6]

=(0,5´0,7), мм.

Принимаем основными конструктивными параметрами следующие:

– наружный диаметр шнека =76 мм;

– внутренний диаметр винта шнека =58 мм;

– шаг винта =48 мм;

– длина цилиндрической части пробоотборника =672 мм.

На основании этих параметров была изготовлена масштабная модель (М1:2), с целью проведения предварительных экспериментальных исследований предлагаемого пробоотборника на предмет определения возможности прохождения на заданную глубину.

Модель пробоотборника (М1:2) Пробоотборник с ручкой в сборе

Выводы

1. Архимедов винт, являясь простым механизмом, получил широкое применение в современных вещах, окружающих нас. Однако его потенциал использован ещё не в полной мере.

2. Принцип Архимедова винта – шнека, может быть использован в сфере технических средств получения первичной информации – пробоотборниках.

3. Существующие пробоотборники не эффективны, и не обеспечивают получение оперативной информации об исследуемом веществе в процессе взятия проб.

4. Предлагаемая конструкция шнекового пробоотборника потенциально решает недостатки существующих технических средств получения первичной информации.

5. Изготовленная модель предлагаемого пробоотборника показала удовлетворительные результаты в проведённых экспериментальных исследованиях, однако требует дальнейших исследований.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Таблица 1 – Виды пробоотборников, их технические характеристики и основные недостатки