управляемый пневмопробойник

Формула изобретения

1. Управляемый пневмопробойник, включающий корпус с ударным механизмом и механизмом реверса, наконечник, установленный с возможностью ограниченного осевого и углового перемещений на переднем конце корпуса, в котором радиально расположены плунжеры и пространство под каждым из которых индивидуально сообщено с источником энергоносителя, отличающийся тем, что между наконечником и плунжерами установлена втулка с возможностью радиального перемещения и взаимодействия ее торцов с торцами корпуса и наконечника, причем торец наконечника образован буртом на его внутренней поверхности, смещенным относительно переднего торца втулки к ее заднему торцу на расстояние, меньшее свободного хода наконечника относительно корпуса.

2. Пневмопробойник по п. 1, отличающийся тем, что с переднего торца втулки выполнены зубья, передняя грань каждого из которых скошена вовнутрь к заднему торцу втулки, а передний конец корпуса и отверстие втулки выполнены с гранями и имеют в поперечном сечении по ним форму квадрата или близкую к нему форму.

3. Пневмопробойник по п. 1 или 2, отличающийся тем, что плунжеры расположены перпендикулярно граням переднего конца корпуса.

4. Пневмопробойник по одному из пп. 1-3, отличающийся тем, что поверхности передних граней зубьев втулки и ее заднего торца в продольном сечении выполнены по радиусу.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к строительным машинам, а именно к управляемым пневмопробойникам для проходки скважин заданной траектории в грунте при прокладке и ремонте подземных коммуникаций.

Известен ударный инструмент для бурения скважин в грунте (управляемый пневмопробойник) по патенту ЕР 0428181, Е 21 В 7/26, Е 21 В 7/06, опубл. 22.05.91, включающий корпус с ударным механизмом, наконечник в форме одностороннего клина, жестко установленный в переднем конце корпуса, и муфту со спиралевидными лопастями на ее наружной поверхности, соединенную с задним концом корпуса сцепным устройством, приводимым в действие гидроприводом.

Недостатком его является сложность конструкции из-за применения двух видов энергоносителя (пневматического и гидравлического), что ведет к большим затратам при изготовлении и эксплуатации. Скважины заданной траектории (состоящие из прямолинейных и криволинейных участков), проходимые этим ударным инструментом, имеют низкую точность из-за значительных несовпадений по их длине положений реальных точек изменения траектории скважины и проектных точек, где эти изменения траектории необходимы. Это объясняется непостоянством по длине расстояния, проходимого инструментом за один оборот, как из-за неравномерного строения грунта по длине скважины, так и из-за колебаний его физико-механических свойств. Кроме того, стенки скважин, проходимых этим ударным инструментом, склонны к самообрушению из-за нарушений их спиралевидными лопастями муфты. Ударный инструмент нереверсивный и это ограничивает его применение.

Известна также машина ударного действия для проходки скважин в грунте (управляемый пневмопробойник) по патенту РФ 2135700, Е 02 F 5/18, Е 21 В 7/08, опубл. в БИ 24, 1999 г., включающая корпус с расположенным в нем с возможностью возвратно-поступательного движения ударником, наконечник с головной частью в виде одностороннего клина со спиралевидными лопастями на его наружной поверхности, установленный с возможностью вращения на переднем конце корпуса, и устройство для соединения и разъединения корпуса с наконечником, состоящее из аксиально расположенных в переднем конце корпуса плунжеров, пространство под каждым из которых индивидуально сообщено с источником энергоносителя (пневматическим). Эта машина дешевле в изготовлении и эксплуатации (один вид энергоносителя). Скважины, проходимые ею, не склонны к самообрушению.

Однако низкая точность получения скважин заданной траектории по указанным ранее причинам остается.

Кроме того, известен управляемый пневмопробойник (патент ЕР 0558097, Е 21 В 7/06, Е 21 В 7/26, Е 21 В 4/14, опубл. 01.09.1993), включающий корпус с ударным механизмом и механизмом реверса, наконечник, цельный или составной, установленный с возможностью ограниченного осевого и углового перемещения в переднем конце корпуса, в котором с возможностью взаимодействия с наконечником радиально расположены плунжеры, пространство под каждым из которых индивидуально сообщено с источником энергоносителя (гидравлическим).

Недостатком этого пневмопробойника является сложность конструкции из-за применения двух видов энергоносителя, а отсюда и большие затраты при изготовлении и эксплуатации. Применение гидравлического энергоносителя обусловлено необходимостью получения значительных сил для деформации грунта наконечником из-за статического характера процесса. Кроме того, этот пневмопробойник из-за "открытости" корпуса спереди склонен к засорениям, что обуславливает его низкую надежность и долговечность.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому техническому решению является уплотняющий грунт молоток (управляемый пневмопробойник) по патенту США 4921055, Е 21 В 7/04, опубл. 01.05.1990, включающий корпус с ударным механизмом и механизмом реверса, наконечник, установленный с возможностью ограниченного осевого и углового перемещений на переднем конце корпуса, в котором с возможностью взаимодействия с внутренней поверхностью наконечника радиально расположены плунжеры, пространство под каждым из которых индивидуально сообщено с источником энергоносителя (гидравлическим).

Недостатком этого молотка является сложность конструкции из-за применения двух видов энергоносителя, а отсюда и большие затраты при его изготовлении и эксплуатации.

Технической задачей, решаемой данным изобретением, является упрощение конструкции при повышении надежности в работе управляемого пневмопробойника, что позволит снизить затраты на его изготовление и эксплуатацию, за счет использования одного вида энергоносителя (пневматического) как для привода ударного механизма пневмопробойника, так и для отклонения его наконечника при проходке скважин заданной траектории (прямолинейных и криволинейных).

Это достигается тем, что в управляемом пневмопробойнике, включающем корпус с ударным механизмом и механизмом реверса, наконечник, установленный с возможностью ограниченного осевого и углового перемещений на переднем конце корпуса, в котором радиально расположены плунжеры и пространство под каждым из которых индивидуально сообщено с источником энергоносителя, согласно изобретению между наконечником и плунжерами установлена втулка с возможностью радиального перемещения и взаимодействия ее торцов с торцами корпуса и наконечника, причем торец наконечника образован буртом на его внутренней поверхности, смещенным относительно переднего торца втулки к ее заднему торцу на расстояние, меньшее свободного хода наконечника относительно корпуса.

В этом пневмопробойнике в двухкомпонентную соосную ударную систему корпус-наконечник введен третий элемент - втулка, которую при необходимости поворота наконечника с помощью плунжеров, приводимых в действие сжатым воздухом, смещают в эксцентричное положение и зажимают в этом положении между торцами первых двух элементов. При этом удары от корпуса на наконечник начинают передаваться эксцентрично, под действием чего наконечник, ударным способом деформируя грунт, легко поворачивается. Для привода ударного механизма пневмопробойника и поворота его наконечника используется один вид энергоносителя - пневматический, что решает поставленную задачу.

Целесообразно с переднего торца втулки выполнить зубья, передняя грань каждого из которых была бы скошена вовнутрь к заднему торцу втулки, а передний конец корпуса и отверстие втулки выполнить с гранями, чтобы в поперечном сечении по ним они имели бы форму квадрата или близкую к нему форму.

Это благоприятно скажется на прочности деталей и позволит четко ориентировать и фиксировать втулку по направлениям изменения траектории скважины.

Целесообразно также плунжеры расположить перпендикулярно граням переднего конца корпуса, что позволит по каждому из направлений изменения траектории скважины увеличить силу воздействия на втулку примерно в 1,4 раза путем поперечного включения плунжеров, находящихся в одном радиальном ряду.

Кроме того, целесообразно поверхности передних граней зубьев втулки и ее заднего торца в продольном сечении выполнить по радиусу, что повысит динамическую прочность наконечника и втулки и будет способствовать лучшей ее фиксации.

Сущность технического решения иллюстрируется примером его конкретного исполнения и чертежами, где на фиг. 1 показан передний конец управляемого пневмопробойника в продольном разрезе с частичным обрывом; фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1; фиг. 3 - сечение Б-Б на фиг. 1; фиг. 4 - втулка в продольном разрезе; фиг. 5 - положение узлов и деталей пневмопробойника при его прямом ходе; фиг. 6 - то же после реверса; фиг. 7 - то же после перемещения втулки; фиг. 8 - то же после включения хода вперед и фиг. 9 - то же при отклоненном наконечнике.

Управляемый пневмопробойник (фиг. 1) состоит из корпуса 1 с ударным механизмом и механизмом реверса (на фиг. не показаны и могут быть любого широко известного типа). Передний конец 2 корпуса 1 состоит из головной части 3 с гранями, имеющей поперечное сечение в форме квадрата со скругленными углами (фиг. 2) или близкую к нему форму, и сферической опоры 4 с передним торцом 5. В головной части 3 переднего конца 2 корпуса 1 перпендикулярно ее граням выполнены два ряда радиальных отверстий (поз. не обозначены), в каждом из которых скользяще установлен плунжер 6. Пространство под каждым из плунжеров 6, расположенных по одной оси, индивидуально через каналы управления 7а, 7б, 7в, 7г и пульт управления сообщено с источником энергоносителя (сжатого воздуха) - на фиг. 8 не показаны и могут быть любого широко известного типа. На сферической опоре 4 переднего конца 2 корпуса 1 скользяще установлен наконечник 8, свободный ход S₁ которого относительно корпуса 1 ограничен двумя полукольцами 9 и штифтами 10 (фиг. 3). Наконечник 8 уперт в торец 11 корпуса 1 задним торцом 12. Между внутренней поверхностью 13 наконечника 8 и плунжерами 6 установлена втулка 14 с передним торцом 15 и задним 16 (фиг. 4). Отверстие 17 втулки 14 в поперечном сечении имеет форму квадрата со скругленными углами или близкую к нему форму, причем диаметр вписанной в него окружности меньше диаметра описанной окружности части 3 корпуса 1, что препятствует вращению втулки 14 относительно корпуса 1. С переднего торца 15 втулки 14 выполнены четыре зуба 18, каждый из которых расположен перпендикулярно диагоналям ее отверстия 17. Передняя грань 19 каждого зуба 18 скошена вовнутрь к заднему торцу 16 втулки 14 под углом . В продольном сечении поверхности передних граней 19 зубьев 18 втулки 14 и ее заднего торца 16 выполнены по радиусу R. На внутренней поверхности 13 наконечника 8 в его передней части выполнен бурт 20 с торцом 21, смещенным от переднего торца 15 втулки 14 к ее заднему торцу 16 на расстояние S₂, меньшее свободного хода S₁ наконечника 8 относительно корпуса 1. Величина радиального зазора между внутренней поверхностью 13 наконечника 8 и наружной поверхностью втулки 14 больше (в пределах допусков) величины такого же зазора между поверхностью отверстия 17 втулки 14 и поверхностью части 3 корпуса 1.

Управляемый пневмопробойник (далее пневмопробойник) работает следующим образом.

ЗАПУСК ПНЕВМОПРОБОЙНИКА И ПРОХОДКА ПРЯМОЛИНЕЙНОГО УЧАСТКА СКВАЖИНЫ

Включают источник энергоносителя (сжатого воздуха) и через пульт управления, каналы 7а, 7б, 7в, 7г (фиг. 2) подают сжатый воздух в пространство под каждым из плунжеров 6, которые выдвигаются из части 3 (фиг. 1, 2) корпуса 1 и фиксируют втулку 14 соосно корпусу 1. Затем через пульт управления подают сжатый воздух в пневмопробойник, предварительно установленный в необходимое положение и прижатый к грунту. Ударник (поз. не обозначен) ударного механизма приводится известным способом в возвратно-поступательные движения и наносит удары по корпусу 1 в направлении вперед. Удары через торец 11 корпуса 1 передаются торцу 12 наконечника 8, а через него в грунт, при этом перед последним образуется конусообразный грунтовой керн, который под действием ударов раздвигает грунт. Пневмопробойник при каждом ударе продвигается вперед и образует скважину. Втулка 14 занимает описанное выше положение и на процесс проходки прямолинейных участков скважины влияния не оказывает (фиг. 5).

ПОВОРОТ ПНЕВМОПРОБОЙНИКА И ПРОХОДКА КРИВОЛИНЕЙНОГО УЧАСТКА СКВАЖИНЫ

Для изменения траектории скважины, например для поворота ее вниз, прямой ход пневмопробойника продолжают несколько дальше проектной точки поворота на расстояние, не меньшее величины S₁ свободного хода наконечника 8 относительно корпуса 1. Затем пневмопробойник известным способом реверсируют и возвращают в проектную точку. При этом наконечник 8 тормозится в грунте и сдвигается относительно корпуса 1 вперед на величину S₁ до упора полуколец 9 в сферическую опору 4. Так как S₂ < S₁, то длина зазора между торцами 5 и 21 соответственно корпуса 1 и наконечника 8 становится больше длины втулки 14 (фиг. 6). В точке поворота пневмопробойник останавливают и оставляют включенными только каналы управления 7а, 7г, при этом под воздействием четырех верхних плунжеров 6 втулка 14 практически беспрепятственно перемещается вверх до упора нижних граней ее отверстия 17 (фиг. 4) в нижние грани части 3 корпуса 1 (фиг. 7). Это устанавливает втулку 14 в одно из четырех положений для изменения траектории скважины, а именно к повороту ее вниз, и фиксирует втулку 14 в этом положении. Четкой фиксации способствует и описанное соотношение размеров описанной окружности части 3 корпуса 1 и вписанной окружности отверстия 17 втулки 14, которое позволяет последней поворачиваться относительно корпуса 1 только в пределах определенного люфта, и при любом угловом положении этих деталей втулка 14 всегда займет свое описанное выше положение за счет взаимного их проскальзывания по граням. Двухрядное расположение плунжеров 6 и попарное их включение в одном ряду повышают устойчивость втулки 14 на всех режимах работы, а указанное включение способствует увеличению силы распора в 1,4 раза. Затем пневмопробойник снова включают на прямой ход и, когда он пройдет некоторый путь, меньший S₁, втулка 14 окажется зажатой только своим верхним зубом 18 между торцами 5 и 21 соответственно корпуса 1 и наконечника 8 (фиг. 8). Удары от корпуса 1 через его торец 5, торцы 16 и 15 втулки 14 и торец 21 бурта 20 наконечника 8 передаются последнему только через верхний зуб 18 втулки 14, т.е. эксцентрично. Под действием эксцентричных ударов наконечник 8 начнет поворачиваться вниз на сферической опоре 4 корпуса 1, ударным способом легко деформируя грунт до полного линейного контакта передней грани 19 верхнего зуба 18 втулки 14 с торцом 21 наконечника 10, при котором он займет свое крайнее нижнее положение (фиг. 9). Дальше под действием эксцентричной реакции грунта пневмопробойник начнет свое криволинейное движение вниз. При повороте наконечника 8 втулка 14 несколько смещается вниз, однако ее ориентация и фиксация сохраняется, так как торец 21 наконечника 8 становится наклонным к оси корпуса 1. Этому же способствует и выполнение поверхности передней грани 19 верхнего зуба 18 втулки 14 в продольном сечении по радиусу. Кроме того, в совокупности с аналогичной формой заднего торца 16 втулки 14, это способствует снижению динамических нагрузок на детали. При необходимости изменения прямоугольного участка скважины на другие три направления изменения ее траектории последовательность описанных операций повторяется, при этом при включении каналов управления 7б, 7в происходит поворот пневмопробойника вверх; 7а, 7б - влево и 7в, 7г - вправо. Таким образом, для поворота наконечника 8 используется энергоноситель очень высокого потенциала - энергия удара самого пневмопробойника, что позволяет легко осуществить этот процесс без использования других видов энергоносителей.

ПЕРЕХОД С ПРОХОДКИ КРИВОЛИНЕЙНОГО УЧАСТКА СКВАЖИНЫ НА ПРЯМОЛИНЕЙНЫЙ

При необходимости изменения траектории скважины из криволинейной снова на прямолинейную поступают следующим образом (большинство операций и их последовательность при этом и взаимодействие узлов и деталей аналогичны уже описанным). Продолжают криволинейный участок скважины (фиг. 9) за точку изменения ее траектории, затем пневмопробойник реверсируют и возвращают в эту точку, где выключают. Наконечник 8 отстает от корпуса 1, и зазор между его торцом 5 (фиг. 1) и торцом 21 наконечника 8 оказывается больше длины втулки 14. Включают все каналы управления 7а-г (фиг. 2), и под действием всех плунжеров 6 втулка 14 легко занимает положение, соосное части 3 корпуса 1. Включают снова прямой ход, при котором происходит контакт нижней части заднего торца 12 наконечника 8 с торцом 11 корпуса 1, и удары от последнего начнут передаваться наконечнику 8 эксцентрично. Под действием эксцентричных ударов наконечник 8 начинает легко поворачиваться вокруг сферической опоры 4 корпуса 1 до полного контакта его заднего торца 12 с торцом 11 корпуса 1. Далее начинается проходка прямолинейного участка скважины. Здесь также для изменения траектории скважины, т.е. выпрямления наконечника 8, используется энергоноситель высокого потенциала - энергия удара пневмопробойника.

ПЕРЕХОД С ПРОХОДКИ КРИВОЛИНЕЙНОГО УЧАСТКА СКВАЖИНЫ НА КРИВОЛИНЕЙНЫЙ ДРУГОГО НАПРАВЛЕНИЯ

При переходе с проходки криволинейного участка скважины на криволинейный участок другого направления последовательность операций аналогична описанным. При этом для каждого из направлений изменения траектории скважины применяется также описанная комбинация включения каналов управления 7а-г. Работа узлов и деталей пневмопробойника также аналогична описанной.

Таким образом, с использованием описанного пневмопробойника легко можно проходить скважину с изменением ее траектории по четырем направлениям, что вполне достаточно для практики, причем как прямолинейные участки, так и криволинейные в различной их комбинации с использованием только одного вида энергоносителя (сжатого воздуха).