УСТРОЙСТВО ДЛЯ БУРЕНИЯ СКВАЖИН Российский патент 1995 года по МПК E21B7/24 

Изобретение относится к строительству, конкретно к буровой технике, и может быть использовано для бурения круглых скважин в грунте под железобетонные опоры, набивные сваи и т.п.

Известно устройство для бурения скважин, включающее базовую машину со стрелкой, на которой подвешен привод, штанга с рабочим органом, установленная соосно в стабилизаторе, кондуктор, имеющий направляющие и соединенный посредством фиксаторов с переходником, причем направляющие кондуктора выполнены в виде винтовой лопасти, а фиксаторы в виде крюка и пластины с пазом, в котором размещен крюк с возможностью поворота, при этом пластина закреплена на кондукторе, а крюк на переходнике [1] Недостаток устройства состоит в том, что оно применимо только для рабочего органа бадьевого типа, требующего многократного его извлечения после заполнения, разгрузки от выбуренной породы и повторного введения в скважину через кондуктор, причем операции извлечения и введения рабочего органа сопровождаются каждый раз расцеплением и сцеплением переходника стабилизатора с кондуктором. Все это снижает производительность бурения. Описанное устройство не может быть использовано с буровым рабочим органом шнекового типа из-за значительных вращательных нагрузок, необходимых для удержания кондуктора и бурового става, возникающих при шнековом бурении и вероятности самоуглубления кондуктора от реактивных моментов, что может привести к нежелательным нагрузкам на грузоподъемные механизмы базовой машины. Еще одним недостатком описанного устройства является то, что кондуктор имеет винтовую лопасть, что приводит к значительному уширению скважины по сравнению с диаметром рабочего органа, к разрыхлению стенок скважины и к дополнительным затратам на очистку скважины от обрушившегося при этом грунта, а также на заделку этого уширения при установке в скважину опорных строительных элементов.

Известно также устройство для бурения скважин, включающее базовую машину с направляющей, вращатель с приводным валом, закрепленный на каретке, шнекобур, соединенный с приводом посредством кулачковой муфты, причем вращатель закреплен на каретке шарнирно посредством цапф, одна из которых имеет жестко закрепленный рычаг, а направляющая имеет упор, при этом кулачковая муфта снабжена корпусом, жестко закрепленным на вращателе и выполненным с продольным пазом, и приводом, выполненным в виде водила, шарнирно закрепленного на каретке и установленного в пазу корпуса с возможностью взаимодействия с подвижной полумуфтой, причем рычаг установлен с возможностью взаимодействия с упором направляющей. Недостатки указанного устройства состоят в том, что его применение требует обязательного переоборудования базовой машины и, кроме того, не обеспечивает выполнение базовой машиной работ в комплексе установки строительных элементов в пробуренные скважины, т.е. устройство не может использовано одновременно и как бурильный агрегат и как подъемно-транспортное средство.

Недостатком устройства следует считать и относительно малую глубину бурения из-за того, что поворотный (для разгрузки) вокруг горизонтальной оси буровой инструмент может быть только небольшой длины, тем более при повороте его на 90^о. Ограниченность длины бура объясняется в этом устройстве еще и тем, что направляющая жестко установлена на базовой машине вертикально и, естественно не может быть большой длины по условиям прохождения установки по дорогам, мостам, тоннелям и прочим путям сообщения при перебазировании установки с одного объекта на другой. Правда, это может быть достигнуто частичным демонтажом перед транспортировкой и монтажом на месте бурения, но это значительно усложняет и удорожает эксплуатацию и в совокупности с вышеперечис- ленными недостатками делает эксплуатацию такой машины малоэффективной.

Известно также устройство для бурения скважин, включающее базовую машину с выносными опорами, мачту, рабочий шнековый инструмент, связанный с тросом, перекинутым через блок, привод, механизм отклонения рабочего инструмента, включающий гидроцилиндр, связанный с поворотной рамкой-толкателем, причем блок установлен на поворотной рамке механизма отклонения рабочего инструмента.

Недостаток этого устройства состоит в том, что его применение требует обязательного частичного демонтажа базовой машины путем снятия стрелы, частичной разборки механизма качания стрелы и др. что приводит к утрате базовой машиной своих первоначальных функций и, следовательно, сужает сферу применения машины, образуя узко специализированное сооружение. Кроме того, для функционирования описываемого устройства необходимо на базовой машине дополнительно смонтировать гидрооборудование, органы его управления, мачту и др. механизмы, которые не могут быть демонтированы для возвращения базовой машине ее первоначальных функций. Все это значительно усложняет конструкцию, делает ее неуниверсальной и при сравнительно высокой производительности бурения значительно снижает общую эффективность при комплексной работе по бурению скважин и одновременной установке в них опорных конструкций строительных элементов, т. к. требует применения наряду с этим устройством также стрелового крана для снятия подвозимых элементов с доставочных транспортных средств, для установки этих элементов в готовые скважины, для подачи бетонораствора и при бетонировании и т.д.

Известно также устройство для бурения скважин, включающее базовую машину, мачту, вращатель, шарнирно соединенный с буровой штангой и тягой, шарнирно связанной с мачтой, причем буровая штанга снабжена втулкой, на которой шарнирно закреплена тяга и которая установлена с возможностью перемещения вдоль штанги, а мачта снабжена упором, установленным с возможностью контакта с тягой в ее крайнем нижнем положении [2] Недостатком описанного устройства состоит в том, что оно применимо только для рабочего органа бадьевого типа, требующего многократного его извлечения после заполнения, разгрузки от выбуренной породы и повторного введения в скважину. Это снижает производительность установки по сравнению с применением шнекового рабочего органа. Но такой орган в этой установке не может быть использован из-за наличия шарнирного соединения буровой штанги с тягой, шарнирно связанной с мачтой и втулкой подвижной по буровой тяге.

Кроме того, установка буровой штанги и рабочего органа в рабочее положение путем опирания тяги в жесткий упор, закрепленный на мачте, без использования кондуктора для направления рабочего органа создает предпосылки к смещению его и к получению скважины с непрямолинейной осью.

К недостаткам описанного устройства является также то, что монтаж его на базовой машине требует частичной разборки ее путем демонтажа оголовка стрелы, установки на него шарнирного соединения мачты, снятия крюковой подвески и новой запасовки каната в блоки мачты и каретки.

К недостаткам описанного устройства относится также то, что отклоняющий блок троса механизма подъема рабочего органа расположен выше точки шарнирного крепления мачты к стреле, что, при отсутствии иной, кроме шарнирной, связи между стрелой и мачтой, создает значительный опрокидывающий момент и способствует отклонению мачты от вертикального положения за счет ослабления натяжения троса механизма качания стрелы при натяжении троса подъемного механизма. Последнее же, при отсутствии кондуктора и якорного устройства, закрепления низа мачты на грунте, делает устройство мало эффективным и требующим значительных затрат времени на установку, выверку, дополнительное крепление мачты и др. операции по обслуживанию, не давая при этом гарантии высокого качества и производительности бурения. Кроме того, общая эффективность работ снижается необходимостью наряду с этим устройством использовать стреловой кран для разгрузки с доставочных транспортных средств строительных материалов, предназначенных для установки в скважины, т.к. описанное устройство теряет функции стрелового грузоподъемного и монтажного крана.

Из описанных выше устройств для бурения скважин последнее, т.е. устройство по авт.свид. N 1006695 имеет наибольшее количество общих с заявляемым устройством признаков и принято за прототип.

Целью изобретения является повышение эффективности работы за счет сокращения времени на проведение дополнительных операций, повышение точности установки на точку бурения; повышение качества и точности за счет обеспечения прямолинейности оси скважины, улучшение состояния устья скважины, повышение производительности труда за счет использования заявленного устройства как для бурения, так и для установки строительных элементов в скважину; упрощение конструкции за счет исключения необходимости даже частичного демонтажа узлов базовой машины, используемой без переделок лишь путем навески дополнительных деталей на стрелу базовой машины и на крюк ее грузовой подвески.

Сущность заявленного устройства характеризуется существенными признаками, заимствованными из прототипа, в число которых входят базовая машина со стрелой, мачта с направляющей, каретка, подвижная по направляющим мачты, вращатель с рабочим органом, закрепленный на каретке, а также признаками, отличными от прототипа, такими, как выполненные мачты раздельной от стрелы базовой машины и снабжение ее на верхнем конце механизмом ее стыковки со стрелой базовой машины, а на нижнем конце кондуктором, жестко соединенным с мачтой и снабженным якорным устройством, причем мачта на верхнем конце снабжена упором для каретки бурового органа, а последняя подвешена на крюк подъемного механизма базовой машины.

К признакам, отличающим заявленное устройство от прототипа, относится то, что механизм стыковки мачты со стрелой базовой машины выполнен в виде стержневого фиксатора, шарнирно закрепленного на стреле базовой машины и взаимодействующего с ним гнезда, выполненного на верхнем торце мачты, причем фиксатор снабжен заостренным концом и конической шейкой, а гнездо выполнено воронкообразной формы, конгруэнтной конической шейке фиксатора. Механизм стыковки мачты со стрелой базовой машины выполнен парным с расположением осей фиксаторов в плоскости мачты. Длина цилиндрической части одного стержневого фиксатора отличается от длины цилиндрической части другого стержневого фиксатора на величину, превосхо- дящую сумму высот конических частей ниже расположенного фиксатора, т.е.

h₁ h₂ > h₃ + h₄, где h₁ длина цилиндрической части одного фиксатора;
h₂ длина цилиндрической части второго фиксатора;
h₃ высота конической шейки, выполненной на каждом из фиксаторов и высота воронки каждого гнезда
h₄ высота конического конца каждого из фиксаторов.

К отличительным признакам заявленного устройства относится также то, что якорное устройство кондуктора (или мачты) выполнено в виде заостренных штырей, жестко закрепленных перпендикулярно опорной поверхности кондуктора в зоне его, обращенной к мачте.

К отличиям заявленного устройства от известных относится и то, что для распределения выбуренной породы вокруг кондуктора и устранения возможности осыпания больших количеств породы в готовую скважину при удалении кондуктора в процессе перестановки устройства на новое место бурения, кондуктор выполнен в виде усеченной пирамиды или конуса с отверстием под буровой орган и соотношением размеров этого отверстия, основания кондуктора и его высоты, обеспечивающими наклон боковой поверхности кондуктора под углом к горизонту, не меньшим среднестатистического угла естественного откоса выбуренной породы, т.е.

α ≥ arctg где Н высота пирамиды;
α угол наклона боковой поверхности кондуктора, он же угол естественного откоса выбуренной породы (среднестатистический для данного региона проведения буровых работ);
В сторона основания пирамиды или диаметр конуса, образующего кондуктор;
D диаметр рабочего органа.

К отличительным признакам заявленного устройства относится и то, что стержневой фиксатор механизма стыковки мачты со стрелой базовой машины выполнен с возможностью фиксации вдоль последней, а вращатель бурового органа выполнен с автономным двигателем с энергопитанием от бортовой сети базовой машины или от другого внешнего источника.

Наличие в заявленном техническом решении существенных признаков отличных от прототипа, а также причинно-следственная связь этих признаков в общей совокупности существенных признаков, обеспечивающих достижение целей изобретения, подтверждает соответствие заявленного технического решения критерию изобретения "Новизна".

Появление новых свойств, которыми не обладает прототип, подтверждает также соответствие заявленного технического решения критерию изобретения "изобретательский уровень".

Заявленное техническое решение является промышленно применимым, так как может быть использовано в строительстве линий электропередач, контактной сети железных дорог, при установке опор любых конструкций во многих отраслях народного хозяйства.

На фиг. 1 изображено предлагаемое устройство для бурения скважин, общий вид; на фиг.2 разрез по А-А на фиг.1; на фиг.3 вид по стрелке Б на фиг.1.

Устройство включает базовую машину 1 со стрелой 2, мачту 3 с направляющей 4, каретку 5, подвижную по направляющим 4 мачты 3, вращатель 6 со шнековым рабочим органом 7, закрепленный на каретке 5. На верхнем конце мачта 3 снабжена механизмом стыковки ее со стрелой 2 базовой машины. Этот механизм выполнен в виде парных стержневых фиксаторов 8 и 9, соединенных штангой 10 и закрепленных на стреле 2 базовой машины с помощью шарнира 11. С фиксатором 8 и 9 взаимодействуют гнезда 12 и 13, которыми снабжен верхний торец мачты 3. Гнезда выполнены воронкообразной формы и в нижней части снабжены цилиндрическими направляющими втулками 14. Стержневые фиксаторы 8 и 9 расположены в плоскости мачты 3 и имеют заостренные концы 15, а в верхней части снабжены коническими шейками 16, конгруэнтными гнездам 12 и 13.

Длина стержня 8 выполнена больше длины стержня 9 таким образом, чтобы соблюдалось неравенство
h₁ h₂ > h₃ + h₄, где h₁ длина стержня 8;
h₂ длина стержня 9;
h₃ высота конических шеек 16 и гнезд 12 и 13;
h₄ высота заостренных концов 15.

В верхней части мачты 3 имеются упоры 17 для каретки 5, подвешенной на крюк подъемного механизма 18 базовой машины.

На нижнем конце мачты 3 жестко закреплен кондуктор 19, выполненный в виде усеченной пирамиды или конуса. Кондуктор имеет центральное направляющее отверстие D, высоту Н и основание В, связанные друг с другом зависимостью где tgα где E_ж откуда α=arctg где α среднестатистический угол естественного откоса выбуренной породы.

Нижняя поверхность кондуктора 19 снабжена якорным устройством, выполненные в виде заостренных штырей 20, жестко закрепленных перпендикулярно опорной поверхности кондуктора в зоне его, обращенной к мачте 3. Фиксаторы 8 и 9 могут быть повернуты вокруг шарнира 11 и зафиксированы вдоль стрелы 2, если базовая машина 1 используется по ее прямому назначению, т.е. как подъемный кран, а не для бурения скважины.

Устройство работает следующим образом.

Лежащую в транспортном положении мачту 3 с кареткой 5, рабочим органом 7 и кондуктором 19 поднимают, сцепив крюковую подвеску 18 базовой машины 1 с кареткой 5. При этом каретка 5 по направляющим 4 перемещается до упоров 17 и далее увлекает за собой мачту 3, подъем ведут по принятию мачтой 3 вертикального положения, когда кондуктор 19 и его штыри 20 не касаются грунта. Подъем продолжают до входа заостренного конца 15 стержня 8 в гнездо 12. Этим создается первоначальное направление стыковки мачты 3 со стрелой 2. При дальнейшем подъеме стержень 8 входит во втулку 14 и только после этого конический конец 15 стержня 9 входит в гнездо 13. Таким образом создается окончательное направление стыковки. При дальнейшем подъеме конические шейки 16 стержней 8 и 9 входят в гнезда 12 и 13, завершая стыковку мачты 3 со стрелой 2. После этого опусканием стрелы 2 синхронно с крюковой подвеской 18 и мачтой 3 устройство устанавливают в позицию бурения. При этом кондуктор 19 ложится на грунт, а якорные штыри 20 фиксируют устройство на грунте.

Затем включают вращатель 6 и рабочим органом 7 производят бурение скважины.

В процессе бурения выбуренная порода поднимается из скважины шнековым буром 3 и выбрасывается на наклонные стенки кондуктора 19. По мере накопления породы она окружает кондуктор и разбрасывается рабочим органом 7.

По окончании бурения подъемом крюковой подвески 18 и каретки 5 извлекают рабочий орган из скважины, а затем совместным подъемом их со стрелой 2 и мачтой 3 поднимают кондуктор. При этом основание кондуктора благодаря соотношению размеров, указанному выше, поднимаясь вверх, по линии ЕГ (фиг.3) раздвигает выбуренную породу, которая под основанием рассыпается под углом α не заваливая готовую скважину или по крайней мере обеспечивая минимальное ссыпание грунта в скважину.

Возможен и другой вариант работы устройства, вернее монтажа мачты на базовой машине. При этом стрелу 2 опускают до горизонтального положения, фиксаторы 8 и 9 поворачивают концами в сторону оголовка стрелы, подводят к гнездам 12 и 13 мачты 3, лежащей на платформе транспортных средств параллельно оси базовой машины, и вводят фиксаторы в гнезда либо ходом базовой машины, либо подтягиванием к ней платформы с мачтой. Далее производят совместный подъем стрелы и мачты, притягивая последнюю крюковой подвеской к оголовку стрелы.

Однако такой способ монтажа, хотя и кажется проще, имеет то неудобство, что требует значительного места для размещения по одной прямой вдоль оси всех составляющих устройств, самой базовой машины, стрелы ее и платформы с мачтой. Поэтому такой способ может применяться только при наличии достаточной свободы пространства в зоне работ. По окончании бурения установка переходит на новое место и начинается бурение следующей скважины. При необходимости установки в готовые скважины строительных элементов мачту опускают и расстыковав стержни 8 и 9 с гнездами 12 и 13 укладывают на место промежуточного хранения, например, платформу и, расцепив крюк с кареткой 5, используют базовую машину как подъемно-транспортное средство для установки в готовые скважины строительных элементов, таких как столбы опор контактной сети ж/д транспорта, сваи, колонки и т.п.

Таким образом видно, что устройство обеспечивает выполнение всех целей изобретения, обладает существенными преимуществами перед прототипом и промышленно применимо во многих отраслях промышленности, транспорта, строительства, обеспечивая при минимальных капитальных затратах на изготовление бурового оборудования наибольшую эффективность использования, имеющегося в наличии грузоподъемного оборудования без какой-либо его переделки.

Устройство предназначено для бурения скважин цилиндрической формы под набивные сваи, фундаменты бетонных опор контактной сети железных дорог, опор линий электропередачи и других элементов строительных и монтажных конструкций. Сущность изобретения: на стреле базовой машины шарнирно закреплены механизм стыковки с ней мачты, состоящей из пары фиксаторов, взаимодействующих с воронкообразными гнездами, расположенными на верхнем торце мачты. По направляющим мачты свободно движется каретка, в верхней части мачты взаимодействующая с упорами. Каретка несет на себе привод рабочего органа и подвешена к крюковой подвеске базовой машины. В нижней части мачты закреплен кондуктор с якорными штырями. 7 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ БУРЕНИЯ СКВАЖИН, включающее базовую машину со стрелой, мачту с направляющими, каретку, подвижную по направляющим мачты, вращатель с рабочим органом, закрепленный на каретке, отличающееся тем, что оно снабжено размещенным на стреле механизмом стыковки мачты со стрелой, а мачта выполнена раздельной от стрелы базовой машины и имеет на верхнем конце узел для взаимодействия с механизмом стыковки и упор для взаимодействия с кареткой, при этом на нижнем конце мачты жестко закреплен кондуктор с якорем, а каретка выполнена с возможностью подвески на крюке подъемного механизма базовой машины. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что механизм стыковки мачты со стрелой выполнен в виде стержневого фиксатора с заостренным концом, шарнирно закрепленного на стреле, с которым взаимодействует гнездо, выполненное на верхнем торце мачты, причем фиксатор выполнен с конической верхней шейкой, а взаимодействующее с ней гнездо имеет воронкообразную форму, конгруэнтную конической шейке фиксатора. 3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что механизм стыковки мачты со стрелой базовой машины выполнен парным с расположением осей фиксаторов в плоскости мачты. 4. Устройство по пп.1 3, отличающееся тем, что стержни фиксаторов выполнены разной длины, причем длины их цилиндрических частей связаны зависимостью
h₁ h₂ > h₃ + h₄,
где h₁ длина цилиндрической части одного фиксатора;
h₂ длина цилиндрической части второго фиксатора;
h₃ высота конической шейки, выполненной на каждом из фиксаторов, и высота воронки каждого гнезда;
h₄ высота конуса заостренных концов фиксаторов. 5. Устройство по пп.1 4, отличающееся тем, что кондуктор выполнен в виде усеченной пирамиды или конуса с отверстием под буровой орган и соотношением размеров отверстия, основания и высоты, обеспечивающим наклон боковой поверхности кондуктора под углом к горизонту, определяемым зависимостью

где α угол наклона боковой поверхности кондуктора, он же угол естественного откоса выбуренного грунта (породы), среднестатистический для данного региона проведения буровых работ;
H высота усеченной пирамиды или конуса;
B сторона основания пирамиды или диаметр конуса, образующих кондуктор;
D диаметр рабочего органа. 6. Устройство по пп.1 5, отличающееся тем, что якорное устройство выполнено в виде заостренных штырей, жестко закрепленных перпендикулярно опорной поверхности кондуктора в зоне его, обращенной к мачте. 7. Устройство по пп.1 6, отличающееся тем, что стержневой фиксатор механизма стыковки мачты со стрелой базовой машины выполнен с возможностью фиксации его стержней вдоль стрелы. 8. Устройство по пп.1 7, отличающееся тем, что вращатель бурового органа выполнен с автономным двигателем с энергопитанием от бортовой сети базовой машины или другого внешнего источника.