МАШИНА УДАРНОГО ДЕЙСТВИЯ ДЛЯ ПРОХОДКИ СКВАЖИН В ГРУНТЕ Российский патент 1998 года по МПК E02F5/18 E21B7/06 

Изобретение относится к технологии производства строительных работ, а более конкретно к бестраншейной прокладке подземных коммуникаций.

Известна машина ударного действия для проходки скважин в грунте, выполненная в виде пневмопробойника (см. патент Польши N 41749, 1958 г.), имеющая вид цилиндрического заостренного корпуса с ударным механизмом внутри. Под действием ударов корпус продвигается в грунте и образует в нем скважину. Недостатком этой машины является низкая точность проходки скважин, вызванная отклонением ее из-за неравномерного строения грунта и наличия включений в нем.

Известна машина ударного действия для проходки скважин в грунте (К.С. Гурков и др. Пневмопробойники. Новосибирск, 1990, с.153), в которой для повышения точности проходки на корпус известного пневмопробойника надет удлинитель (труба). Однако здесь наблюдается снижение скорости проходки из-за увеличения сил трения корпуса о грунт, уменьшения удельной энергии удара и, кроме того, требуются приямки больших размеров.

Известна машина ударного действия для проходки скважин в грунте, выполненная также в виде пневмопробойника (см. выложенная заявка Германии N 25 58 842 по кл.E 02 D 17/146 от 24.12.75), в которой в передней части корпуса установлен сменный конусообразный наконечник, снабженный кольцевыми выступами для срезания встречающихся неравномерностей грунта и включений в нем, что способствует поддержанию прямолинейности скважины. Недостатком этой машины является отсутствие корректировки прямолинейности скважины, искривление которой все же происходит при встрече со значительными нарушениями грунта, и невозможность получения скважин с заданной траекторией.

Известна машина ударного действия для проходки скважин в грунте (см. а. с. СССР N 236349 по кл. E 02 F от 27.04.67) в виде пневмопробойника, у которой на корпусе с ударником внутри шарнирно закреплена оболочка, между которой и корпусом размещены пневматические камеры с индивидуальным подводом сжатого воздуха. Применение этой машины позволяет корректировать направление скважины, а также получать скважины с заданной траекторией. Однако из-за незначительных отклоняющих сил возможности ее ограничены. Кроме того, у этой машины наблюдается самопроизвольный поворот (дрейф) из-за нецентрального приложения отклоняющих сил, что обусловлено малой радиальной жесткостью системы. И, кроме того, пневматические камеры обладают малой надежностью и долговечностью. Наличие оболочки увеличивает поперечную площадь машины, что ведет к снижению проходки.

Известна машина ударного действия для проходки скважин в грунте (см. европейский патент EP 0558097 B 1 по кл.E 21 B 7/06, от 07.07.88) в виде пневмопробойника, имеющая корпус с ударником внутри, в передней части которого установлен с возможностью осевого и углового перемещения наконечник, и отклоняющие элементы между ними в виде плунжеров, индивидуально приводимых в действие гидравликой. Возможности этой машины по корректировке и получению скважин заданной траектории значительно выше из-за большего значения отклоняющих сил. Однако из-за наличия двух видов энергии (пневматическая и гидравлическая) машина конструктивно сложна и ненадежна в работе, а также требует сложных уплотнений между корпусом и наконечником. Кроме того, ей также присущ радиальный дрейф.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к данному изобретению является машина ударного действия для проходки скважин в грунте (см. международный патент 87/03924 по кл. E 21 B 7/06, 47/022, 7/26 от 20.12.85) в виде пневмопробойника, содержащая корпус с ударником внутри и наружными продольными ребрами для радиальной стабилизации, наконечник, установленный на передней части корпуса с возможностью углового перемещения и отклоняющими элементами между ними в виде плунжеров, индивидуально приводимых в действие гидравликой. Недостатками этой машины является конструктивная сложность из-за наличия двух видов энергии (пневматической и гидравлической) и как следствие малая надежность в работе.

Технической задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является упрощение конструкции и повышение надежности в работе при одновременном улучшении маневренности машины в грунте.

Это достигается тем, что в машине ударного действия для проходки скважин в грунте, включающей корпус с расположенным в его внутренней полости с возможностью ограниченного возвратно-поступательного перемещения и нанесения ударов по его передней части ударником и продольными ребрами на наружной поверхности, на наружной поверхности корпуса выполнена, по меньшей мере, одна смещенная относительно центра его тяжести по оси проточка, образующая с ребрами и поверхностью скважины при взаимодействии машины с грунтом полости, индивидуально сообщенные с источником текучей среды под давлением.

Образование полостей, индивидуально сообщенных с источником текучей среды под давлением, проточкой корпуса, ребрами и поверхностью скважины существенно увеличивает маневренность машины за счет увеличения отклоняющей силы, приложенной к корпусу, из-за увеличения площади, на которую воздействует эта сила. Это обстоятельство позволяет применить один вид энергии, что значительно упрощает конструкцию и повышает надежность в работе. Этому же способствует и отсутствие подвижных элементов в отклоняющей системе. Кроме того, повышается скорость проходки за счет снижения бокового трения из-за уменьшения поверхности, контактирующей с поверхностью скважины, а также подачей энергоносителя от источника текучей среды под давлением в образованные полости при маршевом режиме работы машины, т.е. при проходке прямолинейных скважин.

Целесообразно на корпусе выполнить четыре ребра и две проточки, расположенные на его передней и задней частях. Четыре ребра создают четыре аналогичных между собой полости, раздельное или попарное включение которых позволяют корректировать скважину по восьми направлениям, через 45^o по окружности, что для практики вполне достаточно, и в тоже время число их является минимальным, чтобы существенно не увеличивать лобовое сопротивление машины. Две проточки позволяют еще повысить маневренность машины за счет увеличения приложенного к корпусу момента при включении противоположно расположенных полостей разных проточек.

Кроме того, целесообразно поперечное сечение ступени корпуса, ограничивающей проточку со стороны его задней части, сделать больше поперечного сечения ступени корпуса, ограничивающей проточку со стороны его передней части. Это повышает герметичность образованных полостей за счет расширения скважины каждой последующей ступенью корпуса, что создает на их поверхностях удельные давления, достаточные, чтобы предотвратить прорыв энергоносителя из полостей и повысить надежность в работе, а также применять энергоноситель достаточно высокого потенциала, что увеличивает отклоняющие силы и маневренность машины.

Целесообразно также сообщение указанных полостей с источником текучей среды под давлением выполнить через каналы в ребрах корпуса, что в конструктивном отношении достигается наиболее просто.

Сущность предлагаемого изобретения иллюстрируется примером конкретного исполнения и чертежами, из которых на фиг.1 показана машина ударного действия для проходки скважин в грунте, выполненная в виде пневмопробойника, с частичным разрезом; на фиг.2 - поперечное сечение по проточке, расположенной на передней части корпуса с окружающей обстановкой, ориентированного двумя противоположными ребрами перпендикулярно земной поверхности; на фиг. 3 -поперечное сечение по проточке, расположенной на задней части корпуса с окружающей обстановкой, ориентированного описанным способом; на фиг.4 - схема, поясняющая принцип работы машины.

Предлагаемая машина ударного действия для проходки скважин в грунте (см. фиг.1) выполнена в виде пневмопробойника, содержащего корпус 1 с размещенным в нем ударником 2, расположенным с возможностью перемещения в его внутренней полости, и золотник 3, закрепленный на задней части корпуса 1. На наружной поверхности корпуса 1 в его передней части выполнена цилиндрическая ступень 4, в средней части - цилиндрическая ступень 5, диаметр которой больше диаметра ступени 4, и в задней части - тоже цилиндрическая ступень 6, диаметр которой больше диаметра ступени 5. Между ступенями 4 и 5 выполнена проточка 7, диаметр которой меньше диаметра ступени 4, а между ступенями 5 и 6 - проточка 8, диаметр которой меньше диаметра ступени 5. На наружной поверхности корпуса 1 образованы четыре равномерно расположенные по окружности продольные ребра 9, выполненные с уклоном от задней части к передней, частично заходящие на его ступени 4 и 6. Проточка 7 (см.фиг.2) вместе с ребрами 9 и поверхностью скважины образуют четыре идентичные между собой полости 10 (10a, 10б, 10в, 10г - соответственно каждая по часовой стрелке). Каждая из полостей 10 каналами 11 (11а, 11б, 11в, 11г - соответственно каждый по часовой стрелке) в ребрах 9 корпуса 1 сообщена с источником текучей среды под давлением - компрессором через соответствующий орган управления (не показан и может быть применен любой широко известный). Проточка 8 вместе с ребрами 9 и поверхностью скважины образуют (см.фиг.3) еще четыре идентичные между собой полости 12 (12а, 12б, 12в, 12г - соответственно каждая по часовой стрелке). Каждая из полостей 12 каналами 13 (13а, 13б, 13в, 13г - соответственно каждый по часовой стрелке) в ребрах 9 сообщена с источником текучей среды под давлением описанным выше способом.

Предлагаемая машина ударного действия для проходки скважин в грунте (см. фиг. 1, 2, 3) работает следующим образом. Перед запуском в грунт машину ориентируют таким образом, чтобы два любых противоположных ребра 9 были перпендикулярны к земной поверхности или два других параллельных ей. При подаче сжатого воздуха к золотнику 3 ударник 2 широко известным способом совершает возвратно-поступательные движения и наносит удары по передней части корпуса 1, под действием которых он внедряется в грунт и образует в нем скважину. При движении машин грунт уплотняется ступенью 4 корпуса 1, далее ступенью 5 в силу ее большего диаметра и далее ступенью 6 в силу тех же причин. Это способствует созданию на этих ступенях удельных давлений, необходимых для обеспечения герметичности полостей 10, 12 между собой и окружающим пространством. Обеспечение герметичности каждой из полостей 10, 12 друг от друга обеспечивается удельными давлениями на ребрах 9 из-за уклона от задней части машины к передней. Ребра 9 при движении машины стабилизируют ее в радиальном положении. В маршевом режиме, т.е. при проходке прямолинейной скважины полости 10 и 12 могут быть отключены от источника текучей среды под давлением компрессора. В тоже время во все полости 10, 12 через каналы 11, 13 или только в полости 10 или 12 через каналы 11 или 13 может подаваться сжатый воздух, что за счет аэрации стенок скважины снизит боковое трение корпуса 1 и увеличит скорость проходки, чему также способствует и малая длина контакта корпуса 1 с грунтом. В сжатый воздух могут подаваться вещества для дальнейшего снижения трения, вещества для укрепления стенок скважины и т. д. в зависимости от технологической необходимости. Подача сжатого воздуха в полости 10 и 12 не нарушает прямолинейности движения машины, так как возникающие при этом силы взаимно уравновешивают друг друга. При необходимости корректировки движения машины, например при необходимости отклонения ее вниз (см. фиг.4), сжатый воздух подают только в полости 10а, 10б через каналы 11а, 11б и в полости 12в, 12г через каналы 13в, 13г соответственно. Со стороны полостей 10а, 10б на корпус 1 начинает действовать сила P₁, равная примерно произведению диаметра ступени 4 на длину проточки 7 и давление сжатого воздуха и направленная вниз. Со стороны полостей 12в, 12г на корпус 1 начинает действовать сила P₂, равная примерно произведению диаметра ступени 5 на длину проточки 8 и давление сжатого воздуха и направленная вверх. Возникает приложенный к корпусу 1 момент, что способствует возвращению корпуса 1 в прямолинейное положение, по достижении которого переходят на один из описанных маршевых режимов работы. Для отклонения машины вверх включают аналогично описанному способом полости 10в, 10г, 12а, 12б через каналы 11в, 11г, 13а, 13б соответственно. Для отклонения вправо - полости 10а, 10г, 12б, 12в через каналы 11а, 11г, 13б, 13в соответственно. Для отклонения влево - полости 10б, 10в, 12г, 12а через каналы 11а, 11в, 13г, 13а соответственно. Таким образом при данном радиальном положении корпуса 1 имеются четыре главных режима работы машины при корректировке направления скважины: вверх, вниз, вправо и влево, при которых отклоняющие силы имеют максимальное значение, а, значит, маневренность машины в грунте самая большая. Имеются еще четыре дополнительных режима корректировки скважины, а именно вверх и вправо на 45^o, при котором включаются полости 10г, 12б через каналы 11г, 13б; вниз и вправо на 45^o - полостями 10а, 12в через каналы 11а, 13в, вниз и влево на 45^o - полостями 10б, 12г через каналы 11б, 13г и вверх и влево на 45^o - полостями 10в и 12а через каналы 11в и 13а. Отклоняющие силы здесь в два раза меньше и данные режимы могут быть дополнительными для уточняющей корректировки скважины. Для другой ориентации машины в грунте, например при расположении ребер под углом в 45^o к вертикали и горизонтали, дополнительные режимы становятся главными и наоборот. При проходке скважины заданной траектории для получения ее отклонения в нужном месте включают полости 10, 12 в необходимом порядке, исходя из нужного направления отклонения и радиальной ориентации машины описанными способами.

Машина ударного действия для проходки скважин в грунте предназначена для строительства при бестраншейной прокладке различных коммуникаций. Технической задачей машины является упрощение конструкции, повышение надежности и маневренности при проходке прямолинейных скважин и скважин с заданной траекторией. Она достигается тем, что в известной машине, имеющей корпус с ударником и продольными ребрами на его наружной поверхности, на наружной поверхности корпуса выполнена по меньшей мере одна смещенная относительно центра его тяжести по оси проточка, образующая с ребрами и поверхностью скважины при взаимодействии машины с грунтом полости, индивидуально сообщенные с источником текучей среды под давлением. Можно на корпусе выполнить четыре ребра и две проточки, расположенные на его передней и задней частях соответственно, что увеличит величину сил, прилагаемых к корпусу, и маневренность. Можно также поперечное сечение ступени корпуса, ограничивающей проточку со стороны его задней части, выполнить большим поперечного сечения ступени корпуса, ограничивающей проточку со стороны его передней части, что повышает герметичность образованных полостей и надежность машины. Кроме того, можно сообщение образованных полостей с источником текучей среды под давлением выполнить через расположенные в ребрах каналы, что наиболее просто. 1 с.п., 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Машина ударного действия для проходки скважин в грунте, включающая корпус с расположенным в его внутренней полости с возможностью ограниченного возвратно-поступательного перемещения и нанесения ударов по его передней части ударником и продольными ребрами на наружной поверхности, отличающаяся тем, что на наружной поверхности корпуса выполнена по меньшей мере одна смещенная относительно центра его тяжести по оси проточка, образующая с ребрами и поверхностью скважины при взаимодействии машины с грунтом полости, индивидуально сообщенные с источником текучей среды под давлением. 2. Машина по п.1, отличающаяся тем, что на корпусе выполнены четыре ребра и две проточки, расположенные на его передней и задней частях соответственно. 3. Машина по п.1, отличающаяся тем, что поперечное сечение ступени корпуса, ограничивающей проточку со стороны его задней части, больше поперечного сечения ступени корпуса, ограничивающей проточку со стороны его передней части. 4. Машина по п.1 или 2, отличающаяся тем, что указанные полости сообщены с источником текучей среды под давлением каналами в ребрах корпуса.