способ заглубления устройства для образования скважины в грунте и устройство для образования скважины в грунте

Формула изобретения

1. Способ заглубления устройства для образования скважины в грунте преимущественно для его исследования, заключающийся в совершении удара по наконечнику грузом, расположенным внутри корпуса устройства, накапливании энергии в аккумуляторе энергии, расположенном в корпусе, и последующем перемещении корпуса под действием этой энергии, отличающийся тем, что накапливание энергии в аккумуляторе энергии осуществляют перед совершением удара грузам по наконечнику, при этом часть ее расходуют на совершении этого удара, а часть предварительно резервируют в виде энергии поднятого груза и затем используют на перемещение корпуса.

2. Устройство для образования скважины в грунте преимущественно для его исследования, включающее корпус, наконечник с диаметром, большим диаметра корпуса, и подвижный вдоль него, расположенный в корпусе механизм динамического нагружения корпуса с ударником, аккумулятором энергии и приводом, отличающееся тем, что механизм динамического нагружения корпуса дополнительно снабжен динамической опорой с гайкой и взводяще-спусковым механизмом, при этом аккумулятор энергии соединен с взводяще-спусковым механизмом и расположен между ударником и динамической опорой, установленными подвижно в осевом направлении внутри корпуса и зафиксированными от вращения, а взводяще-спусковой механизм соединен с приводом.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что взводяще-спусковой механизм выполнен в виде тянущего одновиткового винта с продольной канавкой, соединяющей начало и конец резьбы, взаимодействующей с гайкой динамической опоры, выполненной с частью витка, а аккумулятор энергии выполнен в виде пружины сжатия, при этом одновитковый винт соединен одним концом с приводом, а другим с ударником.

4. Устройство по пп. 2 и 3, отличающееся тем, что наконечник выполнен в форме, близкой к оживальной.

5. Устройство по пп. 2-4, отличающееся тем, что механизм динамического нагружения снабжен упругим элементом, соединенным с верхним торцом корпуса для ограничения хода динамической опоры вверх.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам и устройствам исследования физико-механических свойств грунта.

Известен способ исследования грунта, заключающийся в динамическом периодическом ударном нагружении стандартного конусного наконечника при его внедрении в грунт. Измеряя количество ударов и глубину его погружения, определяют физико-механические свойства грунта при его естественном залегании [1]

Описанный способ исследования предполагает заглубление конусного наконечника под действием ряда ударов свободно падающего молота. Достижение необходимой глубины обеспечивается за счет наращивания длины свинчивающихся друг с другом буровых штанг.

Недостаток этого способа заглубления в том, что с ростом глубины погружения неопределенным образом возрастает сопротивление движению за счет трения о боковые стенки, так как увеличивается боковая поверхность трения по мере заглубления. Кроме того, достижение сравнительно больших глубин ограничено продольной жесткостью конструкции.

Известен способ заглубления пенетрометра в грунт путем задавливания конусного наконечника [1] с. 45. Недостатки этого способа те же. Он также предполагает, что большое усилие давления должно обеспечиваться тяжелой и громоздкой конструкцией, установленной на поверхности земли, укрепленной на ней дополнительными анкерами.

Известна конструкция пенетрометра ударного действия, которая состоит из конусного наконечника, ударника определенной массы, обладающего дозированной энергией, [2]

Измеряя величину хода наконечника и подсчитывая производное число ударов, определяют физико-механические характеристики грунта.

Конструкция состоит из металлической вышки, легкой лебедки, свайного молота, головки и комплекта свинчивающихся друг с другом буровых штанг, на заглубленном конце которого установлен конусный наконечник.

Недостаток конструкция в ее больших габаритах и массе, в опасности продольного изгиба штанг при большой глубине погружения, а также в неточности измерения из-за неопределенности величины боковой силы трения.

Известен способ погружения в грунт устройства для образования скважин, имеющего подвижный относительно корпуса наконечник [3] Он включает совершение удара по наконечнику грузом, расположенным в корпусе и последующее перемещение корпуса под действием этой энергии.

Данное изобретение по своей технической сущности является прототипом предлагаемому.

Преимущество нового способа заглубления устройства для образования скважин, заключающегося в совершении удара по заостренному наконечнику грузом, расположенным внутри корпуса устройства, достигается тем, что перед совершением удара сначала накапливают дозированное количество потенциальной энергии в аккумуляторе энергии, затем часть энергии расходуют на совершение удара по наконечнику, а другую часть энергии резервируют, например, в виде энергии поднятого груза, которую в дальнейшем расходуют на перемещение корпуса пенетрометра.

Для реализации способа предлагается новая конструкция, содержащая корпус, наконечник с диаметром, большим диаметра корпуса, и подвижный вдоль него, расположенный в корпусе механизм динамического нагружения корпуса с ударником, аккумулятором энергии и приводом, причем механизм динамического нагружения конуса дополнительно снабжен динамической опорой с гайкой и взводяще-спусковым механизмом, при этом аккумулятор энергии соединен с взводяще-спусковым механизмом и расположен между ударником и динамической опорой, установленными подвижно в осевом направлении внутри корпуса и зафиксирован от вращения, а взводяще-пусковой механизм соединен с приводами.

На фиг.1 представлена кинематическая схема устройства; на фиг.2,3,4 фазы работ механизма при одном цикле передвижения; на фиг.5 динамическая модель устройства.

Устройство состоит из цилиндрического корпуса 1, на нижнем конце которого установлен подвижный в осевом направлении заостренный наконечник 2, наружной формой близкой к оживальной и диаметром, больше диаметра корпуса. Внутри корпуса 1 установлен ударник 3 и динамическая опора 4, подвижные в осевом направлении и зафиксированные от вращения шпонкой 5. Между ними установлен аккумулятор потенциальной энергии пружина 6, которая сжимается тянущим винтом 7, одним концом соединенным с приводом, а другим с ударником 3.

На цилиндрической поверхности винта 7 выполнена вертикальная продольная канавка, соединяющая начало и конец резьбы, взаимодействующей с гайкой-копиром 8, динамической опоры 4, корпус которой во время взведения механизма опирается на заплечики 9 корпуса 1, а в верхнем положении ограничивается пружиной 10. В качестве привода может быть использован электромотор редуктор 11, источник питания для которого может быть размещен как снаружи, и тогда электроэнергия будет подаваться по проводам с поверхности грунта, а так и внутри самого прибора. Взаимное перемещение наконечника 2 и корпуса 1 ограничено в осевом направлении упорами 12, а от вращения шпонкой 13.

Представленная на фиг.5 динамическая модель устройства состоит из корпуса, на одном конце которого установлен подвижно заостренный наконечник. Внутри корпуса установлена динамическая двухмассовая система: масса м и М, между которыми установлена пружина С1. В верхней части корпуса установлена пружина С2.

Модель работает следующим образом. Сжатая пружина С1 сообщает свою энергию массам м и М, которые разлетаются в разные стороны. Масса м устремляется вниз и производит удар по наконечнику, который заглубляется на величину Х. Масса М взлетает вверх, переводя свою кинетическую энергию в потенциальную или энергию сжатия пружины С2. Достигнув верхней точки, масса М падает обратно, ударяясь по заплечикам корпуса, досылая его вслед за наконечником. Затем цикл повторяется.

Предложенный способ реализуется следующим образом. Накопление дозированного количества потенциальной энергии производится путем сжатия пружины 6. При этом гайка-копир 8 взаимодействует с винтовой канавкой тянущего одновиткового винта 7. После достижения крайнего верхнего положения гайка-копир 8 попадает в вертикальную продольную канавку и при этом ударник 3 под действием пружины 6 устремляется вниз, переводя часть потенциальной энергии пружины 6 в энергию удара по наконечнику 2, который совершает перемещение Х относительно неподвижного корпуса 1, образуя скважину по диаметру большую, чем диаметр корпуса. Другая часть потенциальной энергии резервируется в динамической опоре 4, которая после освобождения пружины 6 устремляется вверх и, после достижения верхнего положения, ограниченного пружиной 10, падает вниз, ударяя по заплечикам 9 корпуса 1. При этом корпус 1, преодолевая трение грунта о боковые стенки, осаживается вниз. Форма заостренного наконечника выбрана оживальной оптимальной с точки зрения сопротивления движению и полезного объема.

Цикл повторяется снова. При этом электродвигатель работает постоянно, без реверса, в одну и ту же сторону.

Предлагаемый способ рекомендуется для геофизических исследований грунтов на большой глубине. Устройство для его реализации выполнено в виде автоматического пенетрометра, который может быть использован для исследования грунтов, в частности, на других планетах.