ПНЕВМАТИЧЕСКОЕ РЕВЕРСИВНОЕ УСТРОЙСТВО УДАРНОГО ДЕЙСТВИЯ ДЛЯ ПРОХОДКИ СКВАЖИН В ГРУНТЕ Российский патент 1997 года по МПК E02F5/28 E21B7/00 

Изобретение относится к строительной технике и может быть использовано для пробивания в грунте скважин различного назначения.

Известно пневматическое реверсивное устройство ударного действия для проходки скважин в грунте по авт. свид. 1333747, содержащее корпус, ударник с окном и полостью в хвостовой части, образующий с корпусом переднюю рабочую камеру, ступенчатый патрубок, закрепленный в хвостовой части корпуса, образующий с ударником заднюю рабочую камеру, имеющий ограничитель поворота патрубка в виде выступа, взаимодействующего с упорами корпуса. Полость ударника и патрубок расположены эксцентрично относительно продольной оси устройства. Недостатком известного устройства является низкая надежность работы, связанная с отсутствием возможности фиксирования патрубка и возникновением изгибающего момента (из-за эксцентричной полости). Первый недостаток способствует самопроизвольному переключению с одного режима работы на другой, второй усложняет перевод с одного режима работы на другой из-за заклинивания патрубка в ударнике.

Наиболее близким аналогом (прототипом) является пневматическое реверсивное устройство по авт. свид. 1313973 (патент США 3733731), содержащее корпус, ударник с окном и полостью, ступенчатый патрубок с окном на ступени большего диаметра, закрепленный в хвостовой части корпуса и установленный в полости ударника, поворотную втулку с окном и гайку с воздухоподводящим шлангом. Патрубок выполнен с выступом в виде кольцевого сектора, а втулка с радиальным выступом, размещенным между боковыми торцами кольцеобразного выступа патрубка. Недостатком известного устройства является недостаточная надежность работы, связанная с возможностью самопроизвольного переключения с одного режима работы на другой. Кроме того, конструкция реверсивного узла предопределяет необходимость осевого перемещения поворотной втулки, что не исключает (при попадании между контактирующими поверхностями частиц грунта) заклинивание ее, т. е. затруднен поворот втулки относительно патрубка. Для обеспечения осевого смещения втулки в конструкции устройства предусмотрена пружина, которая усложняет конструкцию и снижает надежность работы.

Цель изобретения повышение надежности работы устройства за счет исключения возможности самопереключения на другой режим работы. Технический эффект достигается в результате исключения возможности взаимного проскальзывания эластичной и поворотной втулок.

Эта задача решается за счет того, что в реверсивном устройстве ударного действия для проходки скважины в грунте, содержащем корпус, ударник, патрубок с окнами на ступенях большего и меньшего диаметров, установленный в полости ударника, поворотную ступенчатую втулку с окном, ограничитель поворота втулки относительно патрубка, продольное кольцевое углубление на одной из деталей (патрубке или втулке) и жесткого выступа, закрепленного на другой детали, фиксатор, выполненный в виде кольцевой камеры с эластичным элементом, и гайку с воздухоподводящим шлангом, при этом фиксатор снабжен охватывающим эластичную втулку цилиндрическим элементом, закрепленным от поворота относительно поворотной втулки и имеющим сквозные радиальные полости, расположенные у окон меньшей ступени патрубка и в которые выпучивается эластичная втулка при деформации. Такое выполнение конструкции устройства повышает надежность работы устройства, т.к. стенка эластичной втулки выпучивается в окна закрепленной на поворотной втулке цилиндрическим элементом, и для переключения на другой режим работы необходимо прикладывать большее усилие, чем у известных конструкций.

Целесообразно цилиндрический элемент фиксатора выполнять в виде втулки с выступом, а поворотную ступенчатую втулку выполнять с пазом, в котором размещают выступ цилиндрического элемента, фиксатора, причем сквозные радиальные полости цилиндрического элемента целесообразно выполнять в виде окон. Такое выполнение конструкции устройства позволяет зафиксировать цилиндрический элемент относительно поворотной втулки и эластичную втулку зафиксировать относительно поворотной втулки, что и решает поставленную задачу.

Целесообразно выступ цилиндрического элемента втулки фиксатора выполнять осевым и размещать в передней его части, а паз поворотной втулки выполнять в виде лыски. Такое конструктивное выполнение устройства является одним из вариантов решения поставленной задачи.

Целесообразно выступ цилиндрического элемента -втулки фиксатора выполнять радиальным и размещать его в хвостовой части, а паз поворотной втулки выполнять в задней ее части в виде радиальной щели. Такое выполнение конструкции устройства упрощает решение поставленной задачи, т.к. длина цилиндрического элемента укорочена по отношению к прототипу.

Целесообразно цилиндрический элемент втулку с окнами фиксатора выполнять разрезным, при этом каждая из частей имеет выступ, а количество пазов у поворотной ступенчатой втулки соответствует количеству частей, из которых состоит цилиндрический элемент фиксатора. Такое выполнение конструкции устройства позволяет упростить ее сборку.

Целесообразно втулку цилиндрического элемента выполнять с внутренними кольцевыми расточками, размещенными над эластичной втулкой. Такое выполнение конструкции позволяет повысить надежность работы устройства за счет более глубокого проникновения стенок эластичных втулок в окна патрубка.

Целесообразно цилиндрический элемент фиксатора выполнять в виде пружины, закрепленной по крайней мере с одной стороны к поворотной ступенчатой втулке, при этом витки располагаются между окнами меньшей ступени патрубка, а в качестве сквозных радиальных полостей цилиндрического элемента фиксатора используются межвитковые пространства пружины. Такое выполнение конструкции устройства обеспечивает выполнение той же задачи при упрощении изготовления и сборки.

Целесообразно цилиндрический элемент фиксатора выполнять в виде троса, охватывающего эластичную втулку фиксатора по винтовой линии, располагаемой между окнами меньшей ступени патрубка, причем оба конца троса закреплены к поворотной втулке. Такое выполнение конструкции устройства позволяет в полевых условиях обеспечить быстрый его ремонт и при этом не уменьшается надежность его работы.

Целесообразно на внешних поверхностях эластичной втулки выполнять канавку по винтовой линии, которая размещается между окнами меньшей ступени патрубка. Такое выполнение конструкции устройства позволит еще в большей степени повысить надежность его работы, т.к. обеспечит деформацию эластичной втулки в сквозную радиальную полость цилиндрической втулки.

На фиг. 1 показана конструкция предлагаемого устройства, продольный разрез; на фиг.2 узел воздухораспределения с фиксатором поворотной втулки; фиг. 3 сечение А-А на фиг.2; на фиг.4 сечение Б-Б на фиг.2; на фиг.5 - вариант выполнения фиксатора поворотной втулки с расточкой в цилиндрической втулке; на фиг.6, 7 разрез В-В на виг.5, варианты с цельной и разрезной цилиндрической втулкой; на фиг.8 вариант исполнения фиксатора поворотной втулки с пружиной; на фиг.9 вариант исполнения фиксатора поворотной втулки с тросом.

Устройство (фиг.1) содержит цилиндрический корпус 1, ударник 2 с окном 3 и полостью 4 в хвостовой части, ступенчатый патрубок 5, закрепленный через амортизатор 6 с отверстиями 7 в гайке 8 корпуса 1, поворотную втулку 9, размещенную с возможностью поворота в патрубке 5. На больших ступенях патрубка 5 и втулки 9 имеются совмещаемые отверстия 10, 11, при этом на периферии большей ступени патрубка 5 выполнена кольцевая проточка 12. К втулке 9 прикреплен шланг 13. Между втулкой 9 и патрубком 5 имеется ограничитель ее поворота и фиксатор. Ограничитель поворота может размещаться на торцовых задних частях меньшей ступени патрубка 5 и поворотной втулки 9 (фиг.2) или на больших их ступенях (в прототипе такие решения приведены). Со стороны заднего торца патрубка 5 имеется кольцевой паз, а на поворотной втулке 9 жестко монтируется кольцо 14 (фиг.2) с осевым выступом 15, который в двух крайних положениях взаимодействует со стенками кольцевого паза 16 патрубка 5.

Фиксатор поворота втулки 9 относительно патрубка 5 выполнен в виде эластичных втулок 17, установленных в проточках (фиг.2) или расточках (фиг.5) 18 поворотной втулки 9 или цилиндрического элемента 19, закрепленного в поворотной втулке 9. На меньших ступенях патрубка 5, поворотной втулки 9 имеются совмещаемые отверстия 20, 21. Цилиндрический элемент 19 выполнен из кольцевых жестких стенок и радиальных сквозных полостей. В конструктивном плане цилиндрический элемент 19 может быть выполнен как втулка 19 с отверстиями 22, размещенными соосно отверстиям 21 поворотной втулки 9 (фиг.2-5) либо в виде пружины 23 (фиг.8), либо в виде закрепленного с обоих концов к поворотной втулке 9 троса 24, охватывающего эластичную втулку 17 по винтовой линии на всю длину поворотной втулки 9 (фиг.9). Втулка 19 (фиг.2-7) может быть выполнена цельной (как показано в сечении III-III на фиг.6) либо разрезной 19', 19'' (как показано в сечении на фиг.7). В первом случае проще изготовление, но сложнее сборка, во втором случае наоборот. Крепление втулки 19 может быть осуществлено в передней ее части (как показано на фиг.2, 3) либо в задней (фиг.5-7). В первом случае (фиг.2) втулка выполнена с осевым выступом 25, размещенным в лыске 26 поворотной втулки 9. Во втором случае втулка 19 выполнена с радиальным выступом 27, размещенным в радиальном пазу 28 поворотной втулки 9 в хвостовой ее части (фиг.5). В случае выполнения втулки 19 разрезной (фиг.7) каждая из частей имеет радиальный выступ 27 и соответственно такое же количество пазов 28 выполнено в теле втулки 9.

При выполнении цилиндрического элемента в виде пружины 22 (фиг.9) в качестве сквозных радиальных полостей используются межвитковые полости пружины 22, а витки пружины 22 используются в качестве цилиндрических стенок. Пружина 22 монтируется на эластичной втулке 17 желательно с натягом, причем витки пружины 22 располагаются между окнами 21 поворотной втулки 9. Для более удобной сборки и, самое главное, для исключения сдвига витков в осевом направлении целесообразно на внешней поверхности меньшей ступени поворотной втулки 9, а также эластичной втулки 17 выполнить резьбовые канавки 29, 30 (фиг.8,9).

В случае выполнения цилиндрического элемента из троса 24 (фиг.9) последний наматывается на эластичную втулку 17 по винтовой линии и оба конца его закрепляются к телу поворотной втулки 9. Передний конец троса 24 может быть монтирован в торцовое отверстие 31, выполнение в большей ступени поворотной втулки 9, а задний конец троса 24 может быть выведен между гайкой, крепящей шланг 13, и торцом ограничителя 14 поворота втулки 9. Между эластичной втулкой 17 и поворотной втулкой 9 образована камера 32 (фиг.2). Корпус 1, ударник 2 образуют между собой камеру 33 обратного хода ударника 2, а ударник 2 совместно с патрубком 5 образуют камеру 4 прямого хода, которая совмещена с полостью 4 (фиг.1).

Принцип работы предлагаемого пневматического устройства.

В режиме прямого хода поворотная втулка 9 повернута в положение, когда ее окно 11 не совмещено с окном 10 патрубка 5, т.е. окно 10 перекрыто стенкой поворотной втулки 9. В этом положении один из радиальных торцов паза патрубка 5 контактирует с одним из радиальных торцов выступа кольца 14, что ограничивает поворот поворотной втулки 9 относительно патрубка 5. Это положение фиксируется фиксатором за счет того, что сжатый воздух через окно 21 поворотной втулки 9 поступает в камеру 32. Эластичная втулка 17 деформируется в радиальном направлении и проходит своим телом через радиальную полость цилиндрического элемента (через окно 22 втулки 19 либо между винтовым пространством пружины 23 или троса 24) и входит в окно 20 патрубка 5. Таким образом, эластичная втулка 17 одновременно фиксирует от поворота по поверхностям патрубок 5 втулка 19 и втулка 19 поворотная втулка 9. В результате поворотная втулка 9 будет зафиксирована относительно патрубка 5, т.к. втулка 19 в свою очередь закреплена к поворотной втулке 9. При использовании втулки 19 с внутренней расточкой 18 можно стенку выполнить утопленной в месте деформации эластичной втулки 17, а саму втулку 19 -с толстой стенкой (длинную тонкую втулку 19 выполнить технически сложнее). Это позволяет упростить изготовление, не снижая надежность фиксации. При этом целесообразно использовать разрезную втулку, состоящую из нескольких частей 19' и 19'' (фиг.7), которая обеспечит сборку конструкции.

При использовании пружины 23 или троса 24 принцип работы фиксатора тот же. Однако здесь осевые смещения витков должны быть исключены. Это достигается для пружины 23 за счет ее упругих свойств и вдавливания эластичной втулки 17 в винтовую канавку 29 поворотной втулки 9. В случае использования троса 24 можно увеличить силу, вдавливающую эластичную втулку 17 в винтовую канавку 30 поворотной втулки 9, но необходимо при этом дополнительно закрепить концы троса 24 в теле поворотной втулки 9. Это делается разово при сборке воздухораспределительного узла, т.е. сначала закрепляют конец троса 24 в торцовом окне 31 большей ступени поворотной втулки 9, затем наматывают трос на эластичную втулку 17, а другой конец выводят к гайке шланга 13, которой его зажимают. Для удобства намотки троса по винтовой линии целесообразно на внешней поверхности эластичной втулки 17 выполнить винтовую канавку 29. Кроме удобства намотки она будет способствовать удержанию витков троса 24 в заданном положении.

В режиме прямого хода устройства при подаче сжатого воздуха по шлангу 13 и продольному каналу поворотной втулки 9 в камеру 4 прямого хода ударник 2 движется вперед, нанося удар в переднем своем положении по корпусу 1, в результате чего устройство движется вперед. В переднем положении ударника 2 окно 3 выходит за переднюю кромку патрубка 5 и сжатый воздух через окно 3 ударника 2 поступает в камеру 32 обратного хода ударника 2. В связи с тем, что рабочая площадь ударника 2 со стороны камеры 33 больше рабочей площади ударника 2 со стороны камеры 4 прямого хода ударника 2, возникающая разность усилия, действующая на ударник 2, двигает последний в обратном направлении.

После перекрытия окна 3 ударника 2 ступенью большего диаметра патрубка 5 движение ударника 2 будет происходить за счет расширения воздуха, находящегося в камере 4. Когда окно 3 ударника 2 выйдет за заднюю торцовую кромку большей ступени патрубка 5, произойдет выхлоп сжатого воздуха из камеры 33, в атмосферу через окна 3, 7 ударника 2 и амортизатора 6. Давление сжатого воздуха в камере 33 станет равным атмосферному и за счет давления воздуха в камере 4 ударник 2 пойдет вперед до удара его в переднюю часть корпуса 1. Затем сжатый воздух из камеры 4 через окно 3 ударника 2 поступит в камеру 33 обратного хода и цикл повторится.

Для перевода устройства на режим работы "Обратный ход" необходимо отключить подачу сжатого воздуха. Эластичная втулка 17 уменьшает свой радиальный размер. При этом окна 21 меньшей ступени патрубка 5 и радиальные сквозные полости цилиндрического элемента 19 (окна 22 втулки 19 или межвитковое пространство при использовании пружины 23 или троса 24) освободятся от деформированных участков цилиндрического элемента 19, поэтому фиксирования поворотной втулки 9 относительно патрубка 5 не будет. Затем шлангом 13 поворачивают поворотную втулку 9 до взаимодействия осевого выступа кольца 14 с другим из торцов кольцеобразного паза патрубка 5 и подают сжатый воздух в устройство. Фиксатор зафиксирует поворотную втулку 9 относительно патрубка 5 в положении, соответствующем работе устройства в режиме "Обратный ход" (принцип работы фиксатора таков же, что и при работе в режиме "Прямой ход", описанном выше).

Окна 11 поворотной втулки 9 совместятся с окнами 10 патрубка 5. Сжатый воздух поступает в камеру 4, в результате чего ударник 2 движется вперед. Когда окна 3 ударника 2 совместятся с проточкой 12 патрубка 5, сжатый воздух из камеры 4 через окна 10, 11 соответственно поворотной втулки 19 и ударника 9, проточку 12 и окно 3 ударника 2 поступает в камеру 33. Давление сжатого воздуха в камерах 4 и 33 выравнивается и, благодаря разности рабочих площадей ударника 2, выходящих в эти камеры, он движется назад. В силу того, что объем камеры 33 обратного хода ударника 2 больше, чем при работе в режиме "Прямой ход", среднее давление по пути увеличится (по отношению к среднему давлению в режиме работы "Прямой ход"), поэтому ударник 22 будет заброшен на большее расстояние и в конце своего пути он ударит по гайке 8. В итоге возникает ударный импульс, направленный в противоположную сторону по отношению к импульсу, образующемуся при работе в режиме прямого хода, в силу чего устройство движется назад. Из-за того, что впуск сжатого воздуха в камеру 33 обратного хода будет происходить раньше, ударник 2 затормозится сжатым воздухом и не коснется корпуса 1. Ударного импульса, направленного в сторону передней части, не произойдет.

Для перевода режима работы с обратного хода на прямой необходимо повторить операции, вращая при этом поворотную втулку 9 в обратном направлении.

Применение предложенного устройства позволит повысить надежность работы устройства, особенно при проходке длинных скважин и при использовании не жестких шлангов.

Использование: предлагаемое устройство относится к горной промышленности и строительству и предназначено для пробивания в грунте скважины различного назначения. Сущность изобретения: оно содержит корпус, ударник, патрубок с окном на ступени большего диаметра, закрепленный в хвостовой части корпуса и установленный в полости ударника, поворотную ступенчатую втулку с окном, ограничитель поворота втулки относительно патрубка, выполненный с продольным кольцевым углублением на одной из деталей (патрубке или поворотной втулке) и жестко закрепленный на другой детали выступа, фиксатор, выполненный в виде кольцевой эластичной камеры, и гайку с воздухоподводящим шлангом, при этом фиксатор выполнен в виде охватывающего эластичную камеру цилиндрического элемента, закрепленного от поворота относительно поворотной ступенчатой втулки и имеющего сквозные радиальные полости, расположенные у окон меньшей ступени патрубка и в которые выпучивается эластичная втулка при деформации. Такая конструкция устройства позволяет повысить надежность работы устройства, т.к. произойдет дополнительная фиксация поворотной ступенчатой втулки при работе устройства по поверхности эластичная камера - поворотная втулка. 8 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Пневматическое реверсивное устройство ударного действия для проходки скважин в грунте, содержащее корпус, ударник с окном и полостью, ступенчатый патрубок с окнами на большой ступени его диаметра, закрепленный в хвостовой части корпуса и установленный в полости ударника, поворотную втулку с окном, ограничитель поворота втулки относительно патрубка и гайку с воздухоподводящим шлангом, отличающееся тем, что устройство снабжено фиксатором, препятствующим повороту втулки относительно патрубка, выполненным в виде эластичной втулки и цилиндрического элемента, причем эластичная втулка охватывает последний, который закреплен от поворота относительно поворотной втулки и имеющий сквозные радиальные полости, расположенные у окон, выполненных на меньшей ступени патрубка. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что цилиндрический элемент фиксатора выполнен в виде втулки по меньшей мере с выступом, а поворотная втулка выполнена по меньшей мере с одним пазом, в котором размещен выступ цилиндрического элемента фиксатора, причем сквозные радиальные полости цилиндрического элемента выполнены в виде окон. 3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что выступ цилиндрического элемента фиксатора выполнен осевым и размещен в передней его части, а паз поворотной ступенчатой втулки выполнен в виде лыски. 4. Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что выступ цилиндрического элемента фиксатора выполнен радиальным и размещен в хвостовой его части, а паз поворотной ступенчатой втулки выполнен в задней ее части в виде радиальной щели. 5. Устройство по пп.2 и 3, отличающееся тем, что цилиндрический элемент фиксатора выполнен разрезным, при этом каждая из частей имеет выступ, а количество пазов у поворотной ступенчатой втулки соответствует количеству частей, из которых состоит цилиндрический элемент фиксатора. 6. Устройство по пп.2 5, отличающееся тем, что втулка цилиндрического элемента выполнена с внутренними кольцевыми расточками, размещенными над эластичными втулками. 7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что цилиндрический элемент фиксатора выполнен в виде пружины, закрепленной по крайней мере с одной стороны к поворотной ступенчатой втулке, при этом витки располагаются между окнами меньшей ступени патрубка, а в качестве сквозных радиальных полостей цилиндрического элемента фиксатора используются межвитковые пространства пружины. 8. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что цилиндрический элемент фиксатора выполнен в виде троса, охватывающего эластичную втулку фиксатора по винтовой линии, располагаемой между окнами меньшей ступени патрубка, причем оба конца троса закреплены к поворотной ступенчатой втулке. 9. Устройство по пп. 6 и 7, отличающееся тем, что на внешних поверхностях эластичной втулки и меньшей ступени поворотной втулки выполнена канавка по винтовой линии, которая размещена между окнами меньшей ступени патрубка.