устройство для образования скважин в грунте

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ СКВАЖИН В ГРУНТЕ, включающее цилиндрический полый корпус, механизм для перемещения устройства и размещенный во внутренней полости корпуса механизм для изменения направления движения устройства с расположенными равномерно по периметру корпуса подвижными элементами, каждый из которых установлен с возможностью радиального выдвижения за габариты корпуса, с приводом для выдвижения подвижных элементов, с приводом для возврата подвижных элементов и с приспособлением для избирательного соединения каждого из подвижных элементов с приводом для их выдвижения, отличающееся тем, что механизм для перемещения устройства выполнен в виде установленного во внутренней полости корпуса с возможностью продольного перемещения ударника, расположенного во внутренней полости корпуса и жестко соединенного с последним ступенчатого воздухораспределительного патрубка и сообщенной с внутренней полостью воздухораспределительного патрубка магистрали для подвода сжатого воздуха, а привод для выдвижения подвижных элементов выполнен в виде закрепленного на ступени меньшего диаметра воздухораспределительного патрубка стакана с центральным отверстием в его дне для прохода воздухораспределительного патрубка и установленного с возможностью продольного перемещения во внутренней полости стакана поршня с центральным отверстием для пропуска воздухораспределительного патрубка, при этом приспособление для избирательного соединения каждого из подвижных элементов с приводом для их выдвижения выполнено в виде равномерно расположенных по периметру торца поршня пазов для размещения подвижных элементов, количество которых равно количеству подвижных элементов, расположенного на торце поршня нажимного элемента, который установлен с возможностью взаимодействия с соответствующим подвижным элементом, и шагового механизма для поворота поршня вокруг продольной оси, причем поршень установлен с возможностью последовательного поворота вокруг своей продольной оси на угол, величина которого равна углу между продольными осями смежных пазов на торце поршня, и с возможностью фиксации в промежуточных положениях.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что нажимной элемент выполнен в виде выступа на поршне, при этом каждый подвижный элемент или выступ на поршне выполнен с опорной поверхностью, которая расположена под углом к продольной оси устройства.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что нажимной элемент выполнен в виде зубчатой рейки, которая одним торцом жестко соединена с поршнем и продольная ось которой расположена параллельно продольной оси устройства, а основание каждого подвижного элемента выполнено в виде винта и закрепленного на свободном конце винта зубчатого колеса, при этом корпус выполнен с радиальными резьбовыми отверстиями для размещения винта соответствующего подвижного элемента, причем зубчатая рейка установлена с возможностью взаимодействия с зубчатым колесом каждого подвижного элемента при повороте поршня, а винт каждого подвижного элемента установлен с возможностью вращения в соответствующем радиальном резьбовом отверстии корпуса.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что шаговый механизм для поворота поршня выполнен в виде закрепленного на внутренней поверхности стенки стакана или на наружной боковой поверхности поршня пальца и расположенного по периметру соответственно наружной боковой поверхности поршня или внутренней поверхности стенки стакана замкнутого паза зигзагообразной формы с наклонными участками, а воздухораспределительный патрубок выполнен с расположенным на его ступени меньшего диаметра радиальным каналом для сообщения внутренней полости воздухораспределительного патрубка с полостью, которая образована торцом поршня, наружной поверхностью воздухораспределительного патрубка и внутренней поверхностью стакана, при этом поршень подпружинен относительно воздухораспределительного патрубка со стороны торца, на котором размещен нажимной элемент, а палец установлен с возможностью перемещения по замкнутому пазу, причем количество наклонных участков замкнутого паза на единицу превышает количество подвижных элементов.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что привод для возврата подвижных элементов выполнен в виде кольцевой пружины, которая соединяет все подвижные элементы между собой.

6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что каждый подвижный элемент выполнен с расположенным на его наружном торце пазом для размещения кольцевой пружины, при этом кольцевая пружина схватывает снаружи все подвижные элементы и установлена в пазу каждого подвижного элемента.

7. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что каждый подвижный элемент выполнен с расположенным в его основании поперечным каналом для размещения кольцевой пружины, при этом кольцевая пружина расположена во внутренней полости корпуса и установлена в поперечном канале каждого подвижного элемента.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к строительной технике и предназначено для проходки скважин в грунте при бестраншейной прокладке подземных коммуникаций.

Известно устройство для проходки скважин в грунте, включающее корпус, ударник, ступенчатый патрубок, гайку, закрепленную в корпусе, механизм реверсирования. Ударник имеет возможность продольного перемещения с нанесением удара по передней части корпуса (режим прямого хода устройства) или по задней части корпуса (режим обратного хода устройства). [1] . Недостатком известного устройства является невозможность изменения направления курса при движении устройства в грунте.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для образования в грунте горизонтальных скважин посредством прокола, содержащее корпус, узел управления направлением движения в виде системы подвижных выступов, управляемых индивидуально, размещенных по окружности устройства со смещением друг относительно друга, узел для избирательного соединения каждого из выступов с приводами его радиального смещения и смещения в обратном направлении, а также с приводом для перемещения устройства в грунте, выполненным в виде инвентарных штанг или используемым в этом качестве проталкиваемых труб [2] .

Недостатками рассматриваемого устройства являются:

а) невозможность проходки скважины двоякой кривизны в силу того, что позади устройства, фактически являющимся оголовником к проталкиваемой трубе, расположены штанги (трубы);

б) невозможность проходки криволинейных скважин (устройство предназначено для стабилизации направления движения, т. е. в случае отклонения устройства от заданного направления оно создает усилие, возвращающее устройство в обратном направлении);

в) невозможность проходки длинных скважин из-за потери продольной устойчивости штанг.

Техническая задача, решаемая в данном техническом решении - повышение эффективности управления направлением движения устройства в грунте.

Это достигается за счет того, что в устройства для образования скважин в грунте, содержащем цилиндрический полый корпус, механизм для перемещения устройства и размещенный во внутренней полости корпуса механизм для изменения направления движения устройства с расположенными равномерно по периметру корпуса подвижными элементами, каждый из которых установлен с возможностью радиального выдвижения подвижных элементов, с приводом для возврата подвижных элементов и с приспособлением для избирательного соединения каждого из подвижных элементов с приводом для их выдвижения, при этом механизм для перемещения устройства выполнен в виде установленного во внутренней полости корпуса с возможностью продольного перемещения ударника, расположенного во внутренней полости корпуса, и жестко соединенного с последним (корпусом) ступенчатого воздухораспределительного патрубка и сообщенной с внутренней полостью воздухораспределительного патрубка магистрали для подвода сжатого воздуха, а привод для выдвижения подвижных элементов выполнен в виде закрепленного на ступени меньшего диаметра воздухораспределительного патрубка стакана с центральным отверстием в его дне для прохода воздухораспределительного патрубка и установленного с возможностью перемещения во внутренней полости стакана поршня с центральным отверстием для пропуска воздухораспределительного патрубка, при этом приспособление для избирательного соединения каждого из подвижных элементов с приводом для их выдвижения выполнено в виде равномерно расположенных по периметру торца поршня пазов для размещения подвижных элементов, расположенного на торце поршня нажимного элемента, который установлен с возможностью взаимодействия с соответствующим подвижным элементом, и шагового механизма для поворота поршня вокруг своей продольной оси, причем поршень установлен с возможностью последовательного поворота вокруг своей продольной оси на угол, величина которого равна углу между продольными осями смежных пазов на торце поршня, и с возможностью фиксации в промежуточных положениях. Такое выполнение конструкции устройства обеспечивает достижение поставленной задачи, т. к. , выдвигая один из выступов, можно управлять направлением движения устройства, образовывая скважину любой криволинейности.

Целесообразно нажимной элемент выполнять в виде выступа на поршне, при этом каждый подвижный элемент или выступ на поршне выполнен с опорной поверхностью, которая расположена под углом к продольной оси устройства. Такое выполнение конструкции обеспечивает выдвижение подвижных элементов за пределы корпуса, т. е. имеется возможность создания асимметричных сил, действующих на устройство.

Целесообразно нажимной элемент выполнять в виде зубчатой рейки, которая одним торцем жестко соединена с поршнем и продольная ось которой расположена параллельно продольной оси устройства, а основание каждого подвижного элемента выполнено в виде винта и закреплено на свободном конце винта зубчатого колеса, при этом корпус выполнен с радиальными резьбовыми отверстиями для размещения винта соответствующего подвижного элемента, причем зубчатая рейка установлена с возможностью взаимодействия с зубчатым колесом каждого подвижного элемента при повороте поршня, а винт каждого подвижного элемента установлен с возможностью вращения в соответствующем радиальном резьбовом отверстии корпуса. Такое выполнение конструкции обеспечивает возможность дистанционного управления направлением движения устройства (вверх, вниз, вправо и влево).

Целесообразно шаговый механизм для поворота поршня выполнять в виде закрепленного на внутренней поверхности стенки стакана или на наружной боковой поверхности поршня пальца и расположенного по периметру соответственно наружной боковой поверхности поршня или внутренней поверхности стенки стакана замкнутого паза зигзагообразной формы с наклонными участками, а воздухораспределительный патрубок выполнен с расположенным на его ступени меньшего диаметра радиальным каналом для сообщения внутренней полости воздухораспределительного патрубка с полостью, которая образована торцом поршня, наружной поверхностью воздухораспределительного патрубка и внутренней поверхностью стакана, при этом поршень подпружинен относительно воздухораспределительного патрубка со стороны торца, на котором размещен нажимной элемент, а палец установлен с возможностью перемещения по замкнутому пазу, причем количество наклонных участков замкнутого паза на единицу превышает количество подвижных элементов. Такое выполнение конструкции устройства позволяет дистанционно управлять направлением его движения и осуществлять также проходку прямолинейной скважины.

Целесообразно привод для возврата подвижных элементов выполнять в виде кольцевой пружины, которая соединяет все подвижные элементы между собой. Такое выполнение устройства позволяет возвращать в исходное положение любой из выступов, который перед этим был выдвинут на пределы корпуса.

Целесообразно каждый подвижный элемент выполнять с расположенным на его наружном торце пазом для размещения кольцевой пружины, при этом кольцевая пружина охватывает снаружи все подвижные элементы и установлена в пазу каждого подвижного элемента. Такое выполнение конструкции позволяет закрепить кольцевую пружину на выступах.

Целесообразно каждый подвижный элемент выполнять с расположенным в его основании поперечным каналом для размещения кольцевой пружины, при этом кольцевая пружина расположена во внутренней полости корпуса и установлена в поперечном канале каждого подвижного элемента. Такое выполнение устройства позволяет защитить кольцевую пружину от воздействия грунта при проходке скважины.

На фиг. 1 показано устройство для проходки скважин в грунте, общий вид; на фиг. 2 - узел I на фиг. 1 (развертка по диаметру d); на фиг. 3 - устройство с составными выступами; на фиг. 4 - расположение уступов и упора поршня и выступов корпуса.

Устройство содержит корпус 1, в котором размещен ступенчатый ударник 2. В задней части корпус 1 имеет три или четыре паза 3 с отверстиями 4, в которых размещаются подвижные элементы 5. При этом нижняя часть подвижных элементов 5 выполнена в виде поршня 6, который может выполняться за одно целое с верхней, выступающей за пределы корпуса 1 частью (фиг. 1), либо они могут быть выполнены раздельно (фиг. 3), но в этом случае на нижней части поршня 6 выполнено зубчатое колесо 7 и имеется ходовая резьба (винт) 8, взаимодействующая с такой же резьбой, выполненной в отверстии 4 корпуса 1. В ударнике 2 имеется полость 9, проточка 10, пазы 11 и окно 12, соединяющие полость 9 с проточкой 10, которая совместно с корпусом 1 выполняет функцию камеры обратного хода. Через амортизатор 13, имеющим окна 14, к корпусу 1 прикреплен патрубок 15, к которому прикреплен шланг 16. В передней части патрубок 15 имеет цилиндрическую головку 17, торцы которой определяют момент подачи сжатого воздуха в камеру обратного хода. В патрубке 15 имеется продольный канал 19 и окно 20. Патрубок 15 совместно с ударником 2 образуют камеру 21 прямого хода. На меньшей ступени патрубка 15 жестко закреплен стакан 22 и монтирован поршень 23 с пружиной 24. Поршень 23 совместно со стаканом 22 и патрубком 15 образуют камеру 25, которая окном 20 постоянно соединена с продольным каналом 19. С заднего торца поршень 23 имеет уступы 26, количество которых соответствует количеству подвижных элементов 5, и один упор 27 (он может иметь кольцевую форму, как показано на фиг. 1). В одной из пар деталей (поршень 23 - стакан 22, стакан 22 - меньшая ступень патрубка 15) выполнен замкнутый фигурный паз 28 и палец 29.

На фиг. 1 замкнутый фигурный паз 28 выполнен в поршне 23, а палец 29 - в стакане 22. Фигурный замкнутый паз 28 выполнен зигзагообразным, состоящим из участков 30 и 31, расположенных под углом друг к другу. При этом количество этих участков, по крайней мере, на единицу больше, чем количество подвижных элементов 5. В частности, у рассматриваемого устройства имеется восемь участков, которые определяют восемь положений поршня 23. Подвижные элементы 5 имеют привод смещения их в направлении продольной оси устройства. В рассматриваемом случае имеется один привод для всех подвижных элементов 5, который выполнен в виде кольцевой пружины 32, размещенной в кольцевых пазах 33 на внешней поверхности подвижных элементов 5 (фиг. 3) (либо монтированной в поперечных каналах (отверстиях) 34 поршней 6 выступов 5 (фиг. 1). На задней (фиг. 3 - левой) поверхности поршня 23 может быть выполнена зубчатая рейка 35. В этом случае на нижней части поршня 6 подвижного элемента 5 монтировано зубчатое колесо 7, взаимодействующее с зубчатой рейкой 35. Для возврата подвижных элементов 5 в исходное положение устройство снабжено дополнительным приводом, которым в данном случае служит кольцевая пружина 32. При этом она может быть установлена над подвижными элементами 5 в кольцевых пазах 33 либо монтирована в отверстиях (поперечных каналах) 34 поршней 6 подвижных элементов 5 (фиг. 1,3).

Принцип работы предлагаемого устройства для проходки скважины в грунте.

Проходка прямолинейной скважины. Сжатый воздух подается по шлангу 16, продольному каналу 19 патрубка 15 в камеру 21 прямого хода. Одновременно сжатый воздух поступает в камеру 25 через радиальное окно 20, под действием которого поршень 23 смещается в крайнее заднее (на фиг. 1 - левое) положение. При этом он сжимает пружину 24. Рассмотрим случай, когда имеется четыре подвижных элемента 5, расположенные (фиг. 4) со смещением по окружности на 90^о друг относительно друга (возможно использование и трех выступов, но в этом случае они располагаются со смещением по окружности на 120^о). В крайнем заднем пололжении все поршни 6 подвижных элементов 5 совместятся с уступами 26 поршня 23, как показано на фиг. 4. Под действием пружины 32 все подвижные элементы 5 будут утоплены в корпусе 1, т. е. поверхность корпуса 1 будет образовывать круглую скважину. Сжатый воздух, находящийся в камере 21, воздействует на ударник 2 и разгоняет его. В крайнем переднем положении он нанесет удар по корпусу 1 и тем самым продвинет устройство вперед, формируя своей заостренной передней поверхностью скважину за счет уплотнения грунта. В этот же момент камера 18 обратного хода через окно 12 ударника 2 сообщится с камерой 21 и в нее поступит сжатый воздух. Давление его в камерах 18, 21 уравняется, но в связи с большей поверхностью рабочей камеры 18 ударник начнет движение назад влево. Сначала большая ступень (головка 17) патрубка 15 перекроет окно 12 ударника 2. Дальнейшее его движение будет осуществляться за счет расширения сжатого воздуха, находящегося в камере 18. После того, как окно 12 ударника 2 выйдет за заднюю кромку большей ступени 17 патрубка 15, произойдет выхлоп сжатого воздуха из камеры 18 через окно 12 ударника 2, окно 14 амортизатора 13 в атмосферу. Давление воздуха в камере 18 становится равным атмосферному и под действием сжатого воздуха камеры 21 ударник 2 начнет движение вперед. Далее цикл повторится.

Проходка криволинейной скважины. При необходимости искривления скважины необходимо отключить подачу сжатого воздуха. При этом под действием пружины 24 поршень 23 пойдет вперед. Палец 29 поршня будет перемещаться по фигурному замкнутому пазу 28, что приведет к развороту поршня 23. При остановке поршня 23 палец 29 будет находится в крайнем положении напротив другого участка 30 фигурного замкнутого паза. При подаче сжатого воздуха в камеру 25 поршень 23 начнет движение назад. Палец 29 будет скользить по участку 31 фигурного замкнутого паза 28 и при этом поршень 23 будет поворачиваться относительно выступов 5. Суммарный поворот составит угол ^o (фиг. 4), что приведет к установке упора 27 поршня 23 в направлении одного из выступов 5, например, установленного в верхнем (по чертежам) положении. При движении поршня 23 его упор 27 будет взаимодействовать с наклонной поверхностью поршня 6 подвижного элемента 5. Это приведет к его смещению в радиальном направлении и, в конечном итоге, он выдвинется за пределы корпуса 1. Рабочий цикл ударного узла не изменится, но при движении устройства в грунте нагрузка со стороны грунта станет асимметричной за счет выдвинутого за пределы корпуса 1 подвижного элемента 5. Это приведет к повороту устройства вверх (в сторону выдвинутого выступа 5). Для уменьшения усилия, необходимого для смещения подвижного элемента 5 за пределы корпуса 1, можно использовать зубчатую передачу, показанную на фиг. 3. Поршень 6 подвижного элемента 5, выполненный с зубчатым колесом 7, будет вращаться при движении поршня 23, т. к. его зубчатая рейка 35 будет взаимодействовать с зубчатым колесом 7 поршня 6. При вращении поршня 6 он будет выдвигаться вверх (по чертежам) за счет взаимодействия с винтом 8.

Для очередного изменения направления движения необходимо вновь включить и выключить подачу сжатого воздуха. Поршень 23 повернется еще на угол ^o (фиг. 4). При этом его упор 27 разместится между подвижными элементами 5. Под действием дополнительного привода (в данном случае пружины 32) выдвинутый до этого подвижный элемент 5 будет утоплен внутрь корпуса 1. Устройство изменить направление движения и пойдет прямолинейно.

Если необходимо вновь изменить направление движения, следует повторить операцию по включение и выключению подачи сжатого воздуха. Если вращение поршня 23 будет происходить по часовой стрелке, то левый подвижный элемент 5 (на фиг. 4) будет взаимодействовать с упором 27 поршня 23. В итоге он выйдет за пределы корпуса 1 и устройство развернется влево.

Если необходимо развернуть устройство в иную сторону, необходимо еще раз повторить эти операции. Зная количество включений и выключений можно определить в каком положении находятся упор 27 поршня 23 относительно подвижных элементов 5.

Применение предлагаемого устройства позволит управлять направлением движения устройства в двух координатах (вертикальной и горизонтальной). Экономический эффект подсчитать в настоящее время не представляется возможным. Это связано с несколькими причинами. Прежде всего данное устройство может быть использовано для проходки криволинейных скважин и для стабилизации направления движения, т. е. для получения прямолинейных скважин. Не известно в каком соотношении будет использоваться устройство для проходки прямолинейных и криволинейных скважин. При проходке прямолинейных скважин около 10% являются бросовыми из-за ухода устройства от заданного направления. Использование предлагаемого устройства позволит уменьшить этот процент. Согласно данным инофирм проходка криволинейных скважин позволяет осуществить проходку без отколки приямков.