УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОХОДКИ СКВАЖИН В ГРУНТЕ Российский патент 1995 года по МПК E02F5/18 

Изобретение относится к горной, строительной отраслям промышленности, а также к сельскому хозяйству и предназначено для прокладки закрытых каналов в грунте.

Известно устройство для проходки скважин, содержащее носовую и хвостовую распорную части, гидроцилиндр подачи и привод перемещения гидроцилиндра с сердечником, размещенным в катушке и связанным пружиной с хвостовой частью [1] При использовании данного устройства в связи с недостаточно прочным контактом носовой части с грунтом возможно обратное ее пермещение при внедрении в грунт.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство для проходки скважин в грунте, содержащее полый корпус, рабочий орган с конической передней частью, хвостовую распорную часть, выполненную в виде герметично охваченного эластичной оболочкой полого перфорированного цилиндра, и систему подачи сжатой среды с каналами и основной линией, сообщенной с полостью корпуса и хвостовой распорной частью, при этом рабочий орган соединен с хвостовой распорной частью посредством пружины [2] В процессе действия данного устройства возникает необходимость в преодолении добавочного сопротивления, создаваемого пружиной. Кроме того, величину напорного усилия нельзя увеличить без увеличения давления сжатой среды. Возможны также сбои в работе устройства из-за недостаточного контакта хвостовой распорной части с грунтом при образовании распора и одновременном возрастании давления на внутреннюю стенку конической передней части.

Изобретение предполагает снижение силы сопротивления в процессе работы устройства, обеспечение снижения напорной силы с сохранением прежней скорости работы устройства, улучшение контакта распорной части с грунтом как во время выдвижения передней части устройства вперед, так и подтягивания его хвостовой части к передней, а также контакта рабочего органа с грунтом.

Достигается это за счет того, что устройство, содержащее полый корпус, рабочий орган с конической передней частью, хвостовую распорную часть, выполненную в виде герметично охваченного эластичной оболочкой полого перфорированного цилиндра, и систему подачи сжатой среды с каналами и основной линией, сообщенной с полостью корпуса и хвостовой распорной частью, снабжено носовой распорной частью и прикрепленным к рабочему органу штоком с каналами и жестко закрепленными на его поверхности кольцеобразными поршнями с ограничительными кромками, корпус выполнен в виде переднего и заднего блоков секций, стенки которых снабжены ограничителями для размещения в них кольцеобразных поршней, а носовая распорная часть закреплена на штоке и размещена между блоками корпуса, диаметр корпуса выполнен большим, чем величина диаметра основания конической передней части рабочего органа, при этом система подачи сжатой среды снабжена узлами задержки подачи сжатой среды и дополнительной линией, связанной каналами с полостью каждой из секции обоих блоков корпуса и носовой распорной частью, а основная линия связана каналами с каждой из секций заднего блока корпуса, при этом узлы задержки подачи сжатой среды устроены на обоих линиях системы подачи сжатой среды, причем выходы каналов основной линии размещены на штоке со стороны хвостовой распорной части от кольцеобразных поршней, а выходы каналов дополнительной линии со стороны рабочего органа от кольцеобразных поршней.

При этом узел задержки рабочей среды состоит из центрального трубопровода и сообщенных с ним двух линий П-образных обводных трубопроводов, одна из которых снабжена дополнительным коленом.

Кроме того, центральный трубопровод и линия обводного трубопровода с коленом снабжены подпружиненными поршнями и ограничителями хода поршней.

Причем поршень в центральном трубопроводе через шток жестко соединен с дополнительным поршнем.

При этом поршни центрального трубопровода установлены с возможностью возвратно-поступательного перемещения и перекрытия в крайних положениях поочередно одной и другой линий обводных трубопроводов, а поршень обводного трубопровода установлен с возможностью возвратно-поступательного перемещения и перекрытия в одном из крайних положений собственной линии.

Наличие в устройстве дополнительной носовой распорной части, размещенной между блоками корпуса, а также снабжение системы подачи сжатой среды дополнительной линией, сообщенной с секциями блоков корпуса и носовой распорной частью и с соответствующим расположением каналов основной и дополнительной линий, обеспечивает создание контакта со средой (грунтом) во время фазы подтягивания хвостовой части устройства к передней, во время которой происходит и вторичное (окончательное) расширение скважины за счет перемещения переднего блока секции корпуса. При этом узлы задержки подачи сжатой среды обеспечивают возможность предварительного создания улучшенного контакта каждой распорной части с грунтом при подаче сжатой среды попеременно по основной и дополнительной линиям, где после достижения соответствующего уровня давления в создаваемых распорах обеспечивается возможность дальнейшего прохождения сжатой среды в секции корпуса, что положительно влияет и на улучшение контакта рабочего органа с деформируемой средой.

Разделение корпуса на секции для размещения в них кольцеобразных поршней, закрепленных на штоке, и выполнение диаметра корпуса большим по размеру по сравнению с диаметром основания конической передней части рабочего органа, приводит к резкому снижению напорной силы в процессе работы устройства без увеличения давления с сохранением при этом прежней скорости перемещения в деформируемой среде, снижению сопротивления, преодолеваемого устройством в процессе двухфазной деформирования грунта конической передней частью рабочего органа и передним блоком секций корпуса.

На фиг. 1 представлен общий вид устройства, разрез; на фиг. 2 блок-схема работы устройства; на фиг. 3 узел задержки подачи сжатой среды.

Устройство состоит из рабочего органа с конической передней частью 1, прикрепленного к нему штока 2, переднего 3 и заднего 4 блоков секций 5 корпуса, размещенной между блоками носовой распорной части 6, закрепленной на штоке 2, хвостовой распорной части 7, связанной с задним блоком 4 корпуса. На штоке 2 закреплены кольцеобразные поршни 8 с ограничительными кромками 9, размещенные в каждой из секций 5, имеющих стенки 10 с ограничителями 11. Ограничительные кромки 9 и ограничители 11 предназначены для фиксации положения выходов 19 и 20 каналов основной и дополнительной линий подачи сжатой среды относительно секций 5 при соответствующем положении кольцеобразных поршней 8. Блоки корпуса представляют собой разборную конструкцию, количество секций в которых можно изменять. Стенки 10 секций 5 переднего и заднего блоков 3 и 4 корпуса служат в качестве подшипников скольжения для штока 2, а кольца уплотнения 12 стенок 10 совместно с кольцами уплотнения 13 поршней 8 обеспечивают надежную герметизацию всей системы устройства. Цилиндрическая поверхность носовой распорной части 6 выполнена с радиальными отверстиями 14 и охвачена эластичной оболочкой 15, концы которой герметично присоединены к цилиндрической поверхности при помощи хомутов 16. В штоке 2, размещенном внутри устройства, выполнены каналы 17 и 18 соответственно основной и дополнительной линий подачи сжатой среды с выходами 19 и 20 на боковую поверхность штока 2 в соответствующие секции 5.

Хвостовая распорная часть 7 содержит перфорированный цилиндр 21, внутренний цилиндр 22, жестко прикрепленный к перегородке 23 последней секции заднего блока 4 корпуса, и хвостовик 24, который в свою очередь жестко прикреплен к цилиндрам 21 и 22. Радиальные отверстия 25 перфоpированного цилиндра 21 охвачены эластичной оболочкой 26, концы которой герметично закреплены на поверхности цилиндра 21 при помощи хомутов 27. Каналы 28 и 29, выполненные в хвостовике, представляют собой начало соответственно основной и дополнительной обособленных линий системы подачи сжатой среды.

На основной линии системы подачи сжатой среды размещен узел 30 задержки подачи сжатой среды, на дополнительной узлы задержки 31 и 32. В состав каждого узла задержки подачи сжатой среды 30, 31, 32 входит центральный трубопровод 33 (подключаемый непосредственно в линию системы подачи сжатой среды) и сообщающийся с ним своими концами две линии П-образных обводных трубопроводов 34 и 35, последний из которых снабжен коленом 36. Внутри центрального 33 и обводного 35 трубопроводов размещены поршни 37 и 38, первый из которых подпружинен пружиной 39, второй пружиной 40, которая опирается на пластину 41, с помощью которой под действием винта 42 возможно воздействовать на указанную пружину 40, регулирующую силу срабатывания поршня 38, который в правом крайнем положении способен перекрывать колено 36. Обводной трубопровод 35 содержит также ограничители 43. Поршень 37 посредством штока 44 жестко соединен с поршнем 45. Пружина 39 опирается одним концом на поршень 37, а другим на переменный ограничитель 46 хода поршня 37 в крайнее правое положение. Ограничитель 46 своим положением определяет жесткость пружины 39 и тем самым силу возможного срабатывания поршня вправо. Крайнее левое положение поршня 37 фиксирует ограничитель хода 47, при этом боковая поверхность поршня перекрывает левый конец обводного трубопровода 34.

Отверстие 48, представляющее собой участок основной линии подачи сжатой среды, в стенке 23 последней секции 5 заднего блока 4 корпуса и присоединенный к нему узел 30 задержки предназначены для подачи сжатой среды из хвостовой распорной части 7 при условии наличия в ней заданного избыточного давления. Узел 31 задержки предназначен для подачи сжатой среды при условии наличия заданного избыточного давления в носовой распорной части 6 через выходы 20 в секции 5 заднего блока 4 корпуса, а узел 32 задержки для одновременной подачи сжатой среды через выходы 20 в секции 5 переднего блока 3 корпуса.

Источник энергии сжатой среды (баллон сжатого газа, компрессор, насосная установка) связан с реверсивным распределителем 49 (фиг. 2) через запорное устройство 50 и регулятор давления 51. Маслораспылитель 52 служит для обеспечения непрерывной смазки скользящих пар устройства. Манометры 53 предназначены для индицирования величины давления в системе до и после регулятора давления 51, т.е. величина давления в системе питания и давления в шлангах 54 и 55, служащих для подачи сжатой среды соответственно в основную и дополнительную линии устройства. Для сброса отработанной среды предназначен патрубок 56 и бак 57 насосной установки.

Устройство работает следующим образом. Источник сжатой среды через реверсивный распределитель 49 подает импульсы сжатой среды во внутреннюю полость устройства попеременно через шланг 54 по каналу 28, затем через шланг 55 по каналу 29. При подаче сжатой среды (жидкость, газ) по каналу 28 она поступает в основную линию системы подачи сжатой среды, прохода в полость между перфорированным цилиндром 21 и внутренним цилиндром 22, а также через радиальные отверстия 25, при этом поступление сжатой среды в узел 30 возможно лишь при достижении определенной величины давления в указанной полости. В результате эластичная оболочка 26 растягивается, образуя распор в скважине. Далее сжатая среды поступает в узел задержки 30, при этом поршень 37, находящийся в крайнем левом положении (фиксированном ограничителем хода 47 и пружиной 39 с переменным ограничителем 46), перекрывающий линию обводного трубопровода 34, перемещается, деформируя пружину 39, в крайнее правое положение. При этом поршень 38, находящийся в своем крайнем правом положении, фиксированном с одной стороны винтом 42 с ограничителем 43 с пластиной 41 и пружиной 40, а с другой вторым ограничителем 43, перекрывает как обводной трубопровод 35, так и колено 36. В результате поршень 45 также переместится в свое крайнее правое положение, автоматически перекрыв линию обводного трубопровода 35 с обратной стороны. При этом сжатая среда устремится по линии обводного трубопровода 34 в направлении АВ, далее через отверстие 48, канал 17 основной линии подачи сжатой среды и выходы 19 в секции 5 заднего 4 блока корпуса. В результате кольцеобразные поршни 8 переместятся вперед до упора ограничительных кромок 9 в стенки секций 10 в обоих блоках 3 и 4 корпуса на расстояние Δ L, при этом на расстояние Δ L переместится вперед шток 2 с закрепленной на нем носовой распорной частью 6 и рабочим органом с конической передней частью 1, который прокалывал и раздвигал грунт, прокладывает скважину диаметром, равным диаметру основания конической передней части 1. Если начальную длину устройства принять равной L, то теперь она равна L+ ΔL, так как задний 4 блок корпуса с хвостовой распорной частью 7, находящейся в состоянии распора, остаются на месте.

Затем сжатая среда подается в дополнительную линию системы ее подачи. При этом через основную линию происходит выход сжатой среды. Давление падает до атмосферного по следующей цепи: из левой части секции 5 заднего блока 4 корпуса, выходы 19 канала 17, через отверстие 48, узел задержки 30 в направлении ВА (фиг. 3, пунктирная стрелка). При этом поршень 37 займет крайнее левое положение, вновь перекрыв с левой стороны линию обводного трубопровода 34, а поршень 45 откроет с правой стороны линию обводного трубопровода 35, в результате чего сжатая среда, воздействуя на поршень 38 и деформируя пружину 40, сдвинет его в крайнее левое положение, открывая колено 36 и устремится через него в центральный трубопровод 33, канал 28, шланг 54, через реверсивный распределитель 49 и патрубок 56 (в случае, если рабочая среда газ), либо через патрубок 56 возвращается в бак 57 насосной установки (если рабочая среда жидкость). Одновременно происходит устранение распора в хвостовой распорной части 7, так как эластичная оболочка 26 примет свое первоначальное положение и форму, прилегая к перфорированному цилиндру 21.

При подаче сжатой среды через шланг 55 по каналу 29 она поступает в дополнительную линию системы ее подачи, проходя внутри цилиндра 22, затем по каналу 18 штока 2 в носовую распорную часть 6 через радиальные отверстия 14 ее цилиндрической поверхности, что приводит к растяжению охватывающей ее эластичной оболочки 15 и образованию распора в скважине. При достижении давления в системе определенной величины сжатая среда воздействует на узлы задержки 31 и 32, проходит через них по описанному ранее (узел 30) принципу и попадает в секции 5 обоих блоков 3 и 4 корпуса через выходы 20, расположенные со стороны рабочего органа от кольцеобразных поршней, в результате вызывая давление на соответствующей стенки кольцеобразных поршней 8 и передние стенки 10 секций 5 блоков 3 и 4 корпуса. Образованный же в носовой распорной части 6 распор нейтрализует при этом действие сжатой среды на кольцеобразные поршни 8 и предотвращает возможность перемещения устройства назад. В результате происходит подтягивание заднего блока 4 корпуса и прикрепленной к нему хвостовой распорной части 7 к носовой распорной части 6 с одновременным перемещением вперед переднего блока 3 корпуса, который, деформируя при этом грунт, окончательно формирует скважину с диаметром, равным диаметру корпуса устройства.

В итоге кольцеобразные поршни 8 снова упираются своими задними стенками в ограничители 11 стенок секций обоих блоков 3 и 4 корпуса. При этом длина устройства станет снова равной L, в то время как все устройство в процессе двухфазного цикла переместится вперед на расстояние Δ L.

Затем сжатая среда снова подается по шлангу 54 в канал 28 основной линии системы подачи сжатой среды и цикл работы устройства повторяется.

При необходимости увеличения напорного усилия, необходимого для деформации грунта, производится добавление количества секций в блоках корпуса 3 и 4 с соответствующим увеличением количества кольцеобразных поршней 8, конструкция которого также может быть сборной.

Источники информации:
1. АС СССР N 1268677, 07.11.85, Бюл. N 41.

1. АС СССР N 1218003, 15.03.86, Бюл. N 10.

Использование: изобретение относится к горной, строительной отраслям промышленности, а также к сельскому хозяйству и предназначено для прокладки закрытых каналов в грунте. Сущность изобретения: устройство содержит полый корпус, рабочий орган с конической передней частью 1, хвостовую распорную часть 7 и систему подачи сжатой среды с каналами и основной линией, сообщенной с полостью корпуса и хвостовой распорной частью. Оно снабжено носовой распорной частью 6 и прикрепленным к рабочему органу штоком 2 с каналами и жестко закрепленными на его поверхности кольцеобразными поршнями 8 с ограничительными кромками 9. Корпус выполнен в виде двух блоков 3 и 4 секций 5 с ограничителями 11, а носовая распорная часть 6 размещена между блоками корпуса 3 и 4, диаметр которого выполнен большим по сравнению с величиной диаметра основания конической передней части 1 рабочего органа. Система подачи сжатой среды снабжена узлами задержки 30,31,32 подачи среды и дополнительной линией, связанной с полостью каждой из секций и носовой распорной частью 6, а основная линия связана с секциями заднего блока 4 корпуса. При этом выходы 19 каналов основной линии размещены на штоке со стороны хвостовой распорной части относительно колцеобразных поршней 8, а выходы 20 каналов дополнительной линии со стороны рабочего органа относительно кольцеобразных поршней. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОХОДКИ СКВАЖИН В ГРУНТЕ, содержащее полый корпус, рабочий орган с конической передней частью, хвостовую распорную часть в виде герметично охваченного эластичной оболочкой полого перфорированного цилиндра и систему подачи сжатой среды с каналами и основной линией, сообщенной с хвостовой распорной частью, отличающееся тем, что оно снабжено носовой распорной частью и прикрепленным к рабочему органу штоком с каналами и жестко закрепленными на его поверхности кольцеобразными поршнями с ограничительными кромками, причем корпус выполнен в виде переднего и заднего блоков секций, стенки которых выполнены с ограничителями для размещения в них кольцеобразных поршней, при этом носовая распорная часть закреплена на штоке и размещена между блоками корпуса, диаметр которого больше диаметра основания конической передней части рабочего органа, причем система подачи сжатой среды выполнена с узлами задержки подачи сжатой среды и дополнительной линией, связанной каналами с полостью каждой из секций обоих блоков корпуса и носовой распорной частью, а основная линия связана каналами с каждой из секций заднего блока корпуса, при этом узлы задержки подачи сжатой среды расположены на обеих линиях системы подачи сжатой среды, причем выходы каналов основной линии размещены на штоке со стороны хвостовой распорной части относительно кольцеобразных поршней, а выходы каналов дополнительной линии со стороны рабочего органа относительно кольцеобразных поршней. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что узел задержки подачи сжатой среды выполнен в виде центрального трубопровода и сообщенных с ним двух линий обводных трубопроводов, одна из которых выполнена с дополнительным коленом. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что центральный трубопровод и линия обводного трубопровода с коленом выполнены с подпружиненными поршнями и ограничителями хода поршней. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что узел задержки подачи сжатой среды выполнен с дополнительным поршнем, соединенным посредством штока с подпружиненным поршнем в центральном трубопроводе. 5. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что поршни центрального трубопровода установлены с возможностью возвратно-поступательного перемещения и поочередного перекрытия в крайних положениях обеих линий обводных трубопроводов. 6. Устройство по п.3, отличающееся тем, что поршень обводного трубопровода установлен с возможностью возвратно-поступательного перемещения и одновременного перекрытия колена и обводного трубопровода.