машина ударного действия для проходки скважин в грунте

Формула изобретения

1. Машина ударного действия для проходки скважин в грунте, включающая корпус с расположенным в нем с возможностью возвратно-поступательного движения ударником, наконечник с головной частью в виде одностороннего клина, втулку с по меньшей мере одной спиралеобразной лопастью на наружной поверхности, установленную на корпусе с возможностью вращения, и устройство для соединения и разьединения втулки с корпусом, отличающаяся тем, что втулка, выполненная за одно целое с наконечником, установлена на головной части корпуса, выполненной в виде его ступени меньшего диаметра, а наружный диаметр втулки с наконечником не больше наружного диаметра корпуса.

2. Машина по п.1, отличающаяся тем, что внутренняя поверхность впадин спиралеобразных лопастей выполнена конической с вершиной конуса в сторону головной части наконечника.

3. Машина по п.1, отличающаяся тем, что поверхность наконечника, образующая его односторонний клин, имеет в нормальном сечении ложкообразную форму.

4. Машина по п.1, отличающаяся тем, что головная часть наконечника выполнена с открытой спереди внутренней полостью.

5. Машина по п.1 или 4, отличающаяся тем, что в наконечнике выполнены каналы, сообщающие его внутреннюю полость с наружной поверхностью.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии производства строительных работ, а конкретнее к бестраншейной прокладке подземных коммуникаций для получения скважин в грунте заданной траектории.

Известна машина ударного действия (см. патент Польши N 41749, 1958), выполненная в виде пневмопробойника, включающая корпус с заостренной головной частью, ударник, расположенный в корпусе с возможностью возвратно-поступательного движения, приспособленный для нанесения ударов по головной части корпуса, продвижения его, тем самым, в грунте и образования скважины. Недостатком данной машины является невозможность получения скважины заданной траектории из-за отсутствия устройств, активно воздействующих на машину для изменения траектории проходки.

Известна машина ударного действия для проходки скважин в грунте по заданной траектории (см. авт.св. СССР N 236349, кл. E 02 F), выполненная в виде пневмопробойника, включающая корпус с заостренной головной частью, ударник, расположенный в корпусе с возможностью возвратно-поступательного движения, приспособленный для нанесения ударов по головной части корпуса, продвижения его в грунте и образования, тем самым, скважины. На корпусе шарнирно закреплена оболочка, а между ними размещены пневматические камеры с индивидуальным приводом. По показаниям следящей системы, включая ту или иную камеру, можно получить адекватное отклонение машины, то есть скважину заданной траектории. Однако из-за больших поперечных размеров данная машина имеет низкую производительность. У нее наблюдается самопроизвольный поворот вокруг продольной оси, что не позволяет точно определять положение в грунте и соответственно точно выдерживать заданную траекторию скважины. Пневматические камеры обладают малой надежностью и долговечностью.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к данному изобретению является машина ударного действия для проходки скважин в грунте (см. патент США N 4632191, кл. E 21 B 4/06 от 30.12.86), выполненная также в виде пневмопробойника, включающая корпус, ударник, расположенный в корпусе с возможностью возвратно-поступательного движения, наконечник корпуса с головной частью в виде одностороннего клина, втулку со спиралеобразными лопастями на внешней поверхности, наружный диаметр которых больше наружного диаметра корпуса, установленную на корпусе в его задней части с возможностью вращения, и устройство для соединения и разъединения втулки с корпусом, приводимое в действие гидроприводом.

При проходке скважины этой машиной втулка соединена с корпусом, спиралевидные лопасти ввинчиваются в грунт, вращают корпус с наконечником и машина идет прямолинейно. При этом следящая система контролирует положение машины в грунте по трем декартовым координатам и угловое положение наконечника в диаметральной плоскости. При необходимости изменения траектории скважины, зная нужное положение наконечника, втулку разъединяют с корпусом и она свободно на нем вращается. Корпус начинает двигаться без вращения и при воздействии грунта на односторонний клин наконечника поворачивается в заданном направлении. Недостатком данной машины является низкая производительность из-за больших потерь энергии на преодоление трения вращения корпуса о грунт. Это обстоятельство требует и большой величины момента на втулке, что обуславливает большие значения сил в устройстве для соединения и разъединения ее с корпусом. По этой причине здесь применен гидропривод, что усложняет конструкцию машины и снижает надежность ее в работе. Спиралевидные лопасти, выступающие за корпус, нарушают целостность скважины, что может вызвать обрушение ее стенок. Кроме того, следящая система контроля довольно сложная из-за необходимости индицирования четырех параметров.

Технической задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является упрощение конструкции машины ударного действия для проходки скважин в грунте при повышении ее надежности в работе.

Это достигается тем, что в машине ударного действия для проходки скважин в грунте, включающей корпус с расположенным в нем с возможностью возвратно-поступательного движения ударником, наконечник с головной частью в виде одностороннего клина, втулку, установленную на корпусе с возможностью вращения и снабженную на наружной поверхности по меньшей мере одной спиралеобразной лопастью, и устройство дли соединения и разъединения втулки с корпусом, втулка выполнена за одно целое с наконечником, установленным на корпусе с возможностью вращения. Выполнение втулки за одно целое с наконечником и установка его на корпусе с возможностью вращения позволяет существенно снизить затраты энергии на преодоление сил трения вращения (корпус машины при любых режимах работы движется всегда поступательно). Требуется, соответственно, и меньшее значение величины момента, действующего со стороны грунта на втулку и необходимого для преодоления момента сопротивления вращению наконечника в грунте. Это обуславливает и меньшие значения сил, требующихся для разъединения втулки с корпусом, что позволяет применить в приводе устройства для соединения и разъединения втулки с корпусом пневматическую энергию. Это упрощает конструкцию машины и повышает ее надежность в работе.

Целесообразно в машине ударного действия наружный диаметр спиралевидных лопастей выполнить примерно равным наружному диаметру корпуса. Это повысит производительность машины за счет уменьшения поперечного сечения скважины и улучшит качество ее стенок.

Целесообразно также внутреннюю поверхность впадин спиралевидных лопастей выполнить конической с вершиной конуса в сторону головной части машины, что способствует снижению сил сопротивлений при движении грунта через лопасти. Это ведет к увеличению скорости проходки и снижению усилий в устройстве для соединения и разъединения втулки с корпусом.

Кроме того, целесообразно поверхности наконечника, образующей его односторонний клин, придать в нормальном сечении ложкообразную форму, что снижает величину момента, необходимого для вращения наконечника в грунте за счет его меньшего смятия. Это ведет и к снижению величины момента, действующего на втулку со стороны грунта и, тем самым, к снижению усилий в устройстве для соединения и разъединения втулки с корпусом, а также к повышению скорости проходки.

И кроме того, целесообразно головную часть наконечника выполнить с внутренней полостью, открытой со стороны его головной части. При таком исполнении машины при прямолинейном ее движении в указанной полости наконечника образуется грунтовый керн, который выходит за его головную часть и ведет себя как "псевдотвердое" тело. При этом силы сопротивления наконечника от смятия грунта значительно снижаются за счет меньшей площади деформации, что приводит к еще большему снижению усилия в устройстве для соединения и разъединения втулки с корпусом и повышению скорости проходки. При повороте же машины грунтовой керн срезается по наклонной плоскости клина и на процесс поворота практически на влияет.

А также целесообразно в наконечнике выполнить каналы, сообщающие его внутреннюю полость с наружной поверхностью, что позволяет части грунтового керна через указанные каналы попадать в зазор между корпусом и стенками скважины. В силу того что эта часть грунта более размягчена и имеет более низкий коэффициент трения, это способствует повышению скорости проходки.

Сущность предлагаемого изобретения иллюстрируется примером его конкретного исполнения и чертежами, из которых на фиг.1 показана машина ударного действия для проходки скважин в грунте, выполненная в виде пневмопробойника, в продольном разрезе с частичным обрывом; на фиг.2 - поперечное сечение А-А на фиг. 1, нормальное к плоскости наконечника, образующей его односторонний клин; на фиг. 3 - поперечное сечение Б-Б на фиг.1 по наконечнику в месте расположения спиралеобразных лопастей; на фиг.4 - поперечное сечение В-В на фиг. 1 по наконечнику в месте его осевой фиксации на корпусе; на фиг.5 - поперечное сечение Г-Г на фиг.1 по корпусу.

Предлагаемая машина ударного действия для проходки скважин в грунте (см. фиг. 1), выполненная в виде пневмопробойника, содержит корпус 1 с расположенным в его внутренней полости с возможностью возвратно-поступательного движения ударником 2 и средства для осуществления указанного движения ударника 2 (не показаны и могут быть известными). Головная часть корпуса 1 выполнена в виде ступени 3 меньшего диаметра, на которой с возможностью вращения установлен наконечник 4, зафиксированный штифтами 5 (см. фиг.4) и упертый дном 6 в торец 7 корпуса 1. На наружной поверхности наконечника 4 выполнены спиралевидные лопасти 8 (см. фиг.3), наружный диаметр которых примерно равен наружному диаметру корпуса 1 или несколько меньше его. Впадины, образующие ребра 8 своей внутренней поверхностью, выполнены по конической поверхности 9 с вершиной в сторону головной части наконечника 4. Головная часть наконечника 4 выполнена в виде одностороннего клина 10, образованного плоскостью 11, расположенной под острым углом к оси машины. Плоскость 11 (см. фиг.2) в нормальном сечении образована цилиндрической поверхностью, что придает ей ложкообразную форму. Со стороны поверхности 11 в клине 10 наконечника 4 выполнена глухая полость 12, нижняя часть которой каналами 13 сообщена с наружной поверхностью наконечника 4. В ступени 3 корпуса 1 выполнены четыре равномерно расположенные по окружности расточки 14, в каждой из которых с возможностью перемещения размещен плунжер 15 дифференциальной формы, ступенью меньшего диаметра в сторону наконечника 4. Ступень меньшего диаметра плунжера 15 скользяще уплотнена во втулке 16, которая аналогичным образом установлена в расточке 14. Между ступенью большего диаметра плунжера 15 и втулкой 16 размещена пружина 17, которая прижимает втулку к дну 6 наконечника 4, а плунжер 15 к дну расточки 14 таким образом, что между торцом ступени меньшего диаметра плунжера 15 и дном 6 наконечника 4 имеется гарантированный зазор. В дне 6 наконечника 4 выполнено одно отверстие 18, примерно на одной оси с расточками 14, диаметр которого несколько больше диаметра ступени меньшего диаметра плунжера 15 и меньше наружного диаметра втулки 16, а глубина меньше хода пружины 17. В корпусе 1 (см. фиг.5) выполнены четыре канала 19 (19а, 19б, 19в, 19г соответственно), сообщающие каждую из расточек 14 по отдельности с командным устройством (не показано). Таким образом в этой машине втулкой со спиралеобразными лопастями 8 на наружной поверхности является непосредственно наконечник 4, а устройство для соединения и разъединения его с корпусом 1 образовано плунжерами 15, втулками 16, пружинами 17, размещенными соответствующим образом в расточках 14 корпуса 1, каналами 19, сообщенными с источником сжатого воздуха, и отверстием 12 наконечника 4.

Предлагаемая машина ударного действия для проходки скважин в грунте (см. фиг. 1-5), выполненная в виде пневмопробойника, работает следующим образом. Перед запуском в грунт машину ориентируют так, чтобы канал 19а был вверху. Тогда подача сжатого воздуха в канал 19а будет соответствовать повороту машины вверх, в канал 19б соответственно вправо, в канал 19в - вниз и в канал 19г - влево. При подаче сжатого воздуха в машину средства для осуществления возвратно-поступательного движения ударника 2 (не показаны) приводят его в указанное движение, в результате чего он наносит удары по головной части корпуса 1, которые через его торец 7 и дно 6 наконечника 4 передаются последнему и машина внедряется в грунт, образуя скважину. При проходке прямолинейной скважины каналы 19 отсоединены от источника сжатого воздуха и наконечник 4 может свободно вращаться на ступени 3 корпуса 1. При движении машины вперед грунт, проходя через впадины между спиралеобразными лопастями 8 наконечника 4, приводит его во вращательное движение. При этом на наконечник 4 действуют следующие нагрузки: вращательный момент M₁, вызванный воздействием на него грунта при проходе его между лопастями 8, и момент М₂ от сил сопротивления вращению наконечника 4, обусловленный силами трения и силами сопротивления вращению клина 10. Для нормального функционирования машины M₁ должен быть больше чем М₂ и, в тоже время, быть минимальным для облегчения работы устройства для соединения и разъединения наконечника 4 с корпусом 1. Получению максимального значения M₁ в минимальных габаритах способствует то, что внутренняя поверхность 9 наконечника 4, образующая его лопасти 8, выполнена конической с вершиной конуса в сторону головной части. Это способствует плавному течению грунта и ликвидирует его пробки. Снижению М₂, а следовательно, и M₁ способствует выполнение плоскости 11 клина 10 наконечника 4 ложкообразной формы, так как при этом процесс воздействия клина 10 на грунт начинает носить в основном характер резания (аналогично сверлению металлов перовыми сверлами), что наименее энергоемко. Снижению М₂ способствует и наличие полости 12 в наконечнике 4, в которой при его движении в грунте формируется керн, воздействующий на грунт как наконечник машины, осесимметрично с ней расположенный, что резко снижает площадь деформации грунта клином 10. Во время проходки прямолинейной скважины плунжеры 15 находятся в заднем положении, а втулки 16 скользят по дну 6 наконечника 4 при его вращении. Величина зазора между торцами ступеней меньшего диаметра плунжеров 15 и дном 6 наконечника 4 выбрана таким образом, чтобы инерционные перемещения этих плунжеров под воздействием ударов не превышали величину указанного зазора. Во время проходки при помощи следящей системы (не показана) контролируются три декартовы координаты положения машины и при необходимости изменения траектории скважины, например вверх, подается сжатый воздух в канале 19а, под действием которого плунжер 15, расположенный в проточке 14, сопряженной с этим каналом, сжимая пружину 17, упирается в дно 6 наконечника 4 в режиме "ожидания" подхода отверстия 18 наконечника 4 при его вращении. При совпадении осей отверстия 18 наконечника 4 при его вращении с осью расточки 14, совмещенной с каналом 19а, плунжер 15 ступенью меньшего диаметра войдет в указанное отверстие и наконечник 4 прекратит свое вращение относительно корпуса 1, составит с ним как бы одно целое. Следующие же за этим удары ударника 2 по корпусу 1 и передаваемые далее наконечнику 4 сразу же вызовут реакцию грунта, нормально направленную к плоскости 11 наконечника 4, отклоняющую его и всю машину вверх. Возникающие при этом силы сдвига срезают грунтовой керн в полости 12 наконечника 4 по его плоскости 11 и грунт, оставшийся в полости 12, на процесс поворота особого влияния не оказывает. При этом режиме момент M₁ на движение машины практического влияния не оказывает вследствие его малости по сравнению с моментом, необходимым для проворачивания машины в грунте. По окончании момента поворота машины канал 19а отключается от источника сжатого воздуха, плунжер 15 пружиной 17 отжимается, ступень его меньшего диаметра выходит из отверстия 18 наконечника 4, который тем самым разъединяется с корпусом 1. Наконечник 4 ранее описанным способом приводится во вращательное движение и машина, также ранее описанным способом, продолжает свое движение. При необходимости других изменений траектории скважины сжатый воздух подают в соответствующие каналы: для поворота машины вправо - в канал 19б, поворота вниз - в канал 19в, поворота влево - в канал 19г. Прекращение поворота машины в указанных направлениях осуществляется также прекращением подачи сжатого воздуха в указанные каналы.