Подземоход

Инженер-конструктор А. Требелев

Подземоход

В заголовке: перспективная подземная лодка: 1. Бур, разрыхляющий грунт. 2. Отсек управления. 3. Разжимающие дуги (экспандер). 4. Механизм подачи вперед. 5. Стабилизаторы, предохраняющие от поворота. 6. Тоннель.

Попробуем представить себе, что мы проникли «глазом» мощного рентгеновского аппарата в толщу земли под улицами большого города.

Электрические кабели, водопроводные магистрали, газопроводы, лабиринт канализационных труб и, наконец, тоннели метро — вот лишь короткий перечень того, что мы могли бы увидеть.

Нередко на оживленных улицах города появляется табличка: «Проезд закрыт». А дальше, там, где лишь вчера лежала гладь асфальта, мощные экскаваторы, нагромождая целые холмы грунта, роют глубокие траншеи. Не лучше ли было бы все эти работы по примеру строительства Московского метро вести закрытым способом?

Наши геологи и нефтяники бурят скважины глубиной в тысячи метров, пользуясь совершенными механизмами. Так нельзя ли создать машину, которая могла бы быстро продвигаться под землей в любом направлении, оставляя за собой тоннель нужного диаметра? Оказывается, такую управляемую подземную машину построить можно.

Краткая история возникновения механических кротов такова.

Еще до Великой Отечественной войны Центральный научно-исследовательский институт машиностроения исследовал зависимость давления резания от скорости резания. При исследованиях выяснилось, что на больших скоростях обработки материала давление резания падает. Скажем, при скорости резания в 20–30 м/мин давление — 400 кг, а при скорости 400–500 м/мин давление только 250 кг.

Опыты показывают, что твердость тел, с помощью которых нам приходится резать, находится в зависимости от той скорости, с которой движется инструмент. Так, например, если на вал мотора, который делает несколько десятков тысяч оборотов, надеть прессшпановый диск, то им можно разрезать даже напильник.

Все, кому приходилось иметь дело со шлифовкой, знают, что чем быстрее вращается шлифовальный камень, тем он как будто становится тверже.

Наши токари-скоростники практически доказали, что чем быстрее работает станок, тем относительно меньшая требуется мощность.

Отсюда один шаг к осуществлению механического крота — подземной лодки. Геометрически такие как будто бы разные работы, как экскавация и фрезерование, строгание и вспашка, сверление и бурение — процессы подобные. Даже сечение стружки при этих процессах геометрически совершенно подобно. Больше того, эти процессы не только близки геометрически, но имеют много общего в самой природе процесса резания.

Конструкция режущего инструмента также во многом аналогична. Это указывает, что различным путем конструкторы бура и инструментальщики-металлисты пришли к одному итогу благодаря единству процесса резания как горных пород, так и металлов.

Поэтому резание грунта нами рассматривалось с точки зрения общих законов резания.

На основе исследований законов резания и падения усилий на больших скоростях нами было построено сверло для грунта с подачей домкратами. Во время испытаний стало ясно, что такое сверло (бур) работает без штанги, при сравнительно небольшом давлении домкратов. Своим действием сверло чрезвычайно напоминало работу крота. Один из нас в шутку сказал, что крот — это бесшпиндельное сверло и еще в большей степени — бесштанговый бур. Вскоре мы пришли к выводу о необходимости исследовать работу крота.

История техники нас учит, что инженеры при постройке новых машин не раз учились у природы.

Великий ученый Жуковский исследовал парение птиц и использовал результаты исследований для открытия законов аэродинамики.

Изучение рыб дало возможность внести много усовершенствований в конструкцию подводных лодок. Поэтому вполне логично было принять крота за живую модель нашей подземной лодки — подэемохода.

Взявшись за изучение кротов, мы не были специалистами в области биологии, и поэтому пытались изучить их просто как режущий инструмент. Однако жизнь показала, что этого недостаточно, что надо взяться за изучение жизни крота, иначе не понять его кинематику.

Изучение жизни кротов мы проводили на Урале. Мы учились у местных охотников ловить кротов, узнавали все, что знают охотники о нравах и работе этих животных. Мы измеряли пойманного крота от пятачка до кончика хвоста, а затем выпускали его на глину, суглинок или чернозем. Крот немедленно начинал уходить в землю. Мы засекали секундомером момент, когда он приступал к рытью, и второй раз — когда исчезал кончик хвоста. Зная длину крота, мы узнавали скорость его движения в определенной породе. Результаты были поистине поразительны. Оказалось, что в глине скорость хода крота в час — 72 м, в суглинке — 81 м и в черноземе — 108 м. В отдельных случаях наблюдалась скорость 2 м/мин, то есть 120 м/час.

Живой «бур» производительнее имеющихся механических буров.

Вторая часть работы проводилась нами в лабораторных условиях. У нас был ящик сечением 400X400 мм и длиною 2,5 м. Утрамбовав суглинок в ящике, мы ставили его на рентгеновский аппарат.

В торец ящика мы запускали крота. Он немедленно начинал свою работу. Тогда мы просвечивали ящик рентгеновскими лучами, и на экране получали картину работы крота, движений его мускулов и скелета.

Так крот продвигается под землей, вдавливая разрыхленный грунт в стенки хода.

Наблюдения дали возможность раскрыть движения крота. Роя землю, крот двигает головой и лапами вправо и влево вокруг оси сверления. Высверленная таким образом земля попадает на холку, а затем сильными, попеременно сжимающимися и разжимающимися мускулами холки вдавливается в стену скважины. Задними лапами крот осуществляет движение вперед. На экране рентгеновского аппарата видно, как резко выделяются кости скелета. Особенно велики позвонки шеи, кости лопаток, плечевая кость, которые все время работают в очень быстром темпе. Задние лапы крот изредка переносит к брюшку, но потом вновь упирается ими в стенку и продвигает свое тело вперед.

Вдавливание кротом в стенки хода выбуренной породы является одним из наиболее важных моментов его работы. В самом деле, если рассмотреть небольшие кочки над логовом крота, то их объем ничтожен по сравнению с объемом земли, которую крот выбуривает. Куда же девает крот всю выбуренную землю? Если бы он стал выносить ее на поверхность, он насыпал бы не маленькие кучки, а большие холмы. Однако стоит только проткнуть стенку хода крота, как сразу мы почувствуем, что эта стенка значительно тверже, чем вся окружающая ее порода. Необходимо было проверить возможность такого уплотнения при работе машинами.

Вскоре нами была сооружена действующая модель механического крота. Получив при испытании положительные результаты, мы приступили к постройке рабочей машины, состоящей из трех частей: бура, домкратов и вдавливающего аппарата. Бур должен бурить, домкраты толкать машину вперед, а вдавливающий аппарат — шнек — утрамбовывать, вжимать в стенки разрыхленную землю.

Бурение следует производить на большой скорости резания. Это дает возможность поместить в подземную машину моторы сравнительно небольшой мощности. Домкраты развивают давление, равное усилию резания, и только кольцо, вдавливающее выбуренную породу в стенку скважины, требует значительной мощности.

В передней части корпуса машины установлен мощный бур, оснащенный твердым сплавом. Сзади находятся четыре домкрата, упирающиеся попарно в стенку скважины и двигающие машину вперед со скоростью 10 м/час. Скорость вращения бура — свыше 300 об/мин. Бур имеет вращательное или вращательно-ударное движение. Благодаря этому им может быть пробурена порода любой твердости.