УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЕРТИКАЛЬНОГО ЗАБИВАНИЯ В ГРУНТ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ, ПРЕИМУЩЕСТВЕННО ТРУБ Российский патент 1999 года по МПК E02D7/10 

Предлагаемое изобретение относится к области горной и строительной технике и может быть использовано для забивания в грунт металлических конструкций (металлических опор, свай при строительстве, а также при геологоразведочных работах для добычи полезных ископаемых в виде жидкостных растворов, воды и т.п.).

Известны выпускаемые фирмами Foraco (Франция) и Drill Sistems (Канада) буровые установки (см. , например, Г. Лоренц "Опыт применения воздуха для очистки забоя". Перевод N D-04245, М., 1982), содержащие виброударное устройство, расположенное в верхней части двойной бурильной колонны. При увеличении глубины бурения удлиняется колонна труб, что приводит к необходимости подъема виброударного устройства на соответствующую высоту. Это приводит, с одной стороны, к увеличению высоты направляющей бурильного станка, а с другой - к ухудшению передачи ударного импульса из-за прохождения его по более длинной бурильной колонне, что, в конечном счете, приводит к снижению производительности и повышению стоимости работ.

Известен пневматический вибровозбудитель по авт. свид. СССР N 1519788, кл. B 60 B 1/18, Б.и. N 41, 1989, содержащий корпус с выполненными в нем отверстиями для впуска и выхлопа сжатого воздуха, закрепленную на корпусе манжету, связанный с последней посредством узла крепления ударник с кольцевым выступом и элемент периодического перекрывания выхлопного отверстия. Последний выполнен в виде - образной задвижки с отверстием в полке, обращенная к внутренней стенке корпуса поверхность которой выполнена в виде сектора, размещенного в пазах, выполненных на внутренней поверхности корпуса в виде радиальных выступов, и пружины возврата задвижки в исходное положение, или на ударнике выполнен дополнительный кольцевой выступ, расположенный параллельно основному, между которыми размещена полка - образной задвижки для возврата ударника в исходное положение. Пневматический вибровозбудитель предназначен для создания вертикальных импульсов, наносимых в торцовом направлении. Он не предназначен для забивания длинномерных конструкций с малой продольной жесткостью. Недостатком его также являются большие перетечки из пневмомагистрали в рабочую камеру, так как заслонка, управляющая впуском сжатого воздуха в рабочую камеру, размещена на поверхности с большим диаметром (диаметр заведомо больше диаметра ударника), то есть имеются посадочные зазоры, что повышает перетечки между камерами и снижает энергетические параметры вибровозбудителя. Это же усложняет его изготовление и повышает металлоемкость, так как радиальные размеры корпуса и заслонка превышают максимальный диаметр корпуса вибровозбудителя.

Известно также устройство для бурения скважин по авт. свид. СССР N 1318682, Кл. E 21 B 7/12, Б.и. N 23, 1987, содержащее ударный механизм, выполненный в виде кольцевого корпуса, в отверстии которого размещена забиваемая в грунт труба, кольцевого ударника, связанного с внутренними стенками корпуса, имеющими ступенчатую форму, посредством двух пар кольцевых упругих элементов, при этом ударный механизм имеет клапан, выполненный в виде упругого элемента с отверстием, и обратный клапан, установленные соответственно в камере холостого хода с возможностью перекрытия магистрали для отвода сжатого воздуха и в камере рабочего хода с возможностью перекрытия магистрали для подвода сжатого воздуха. Камера холостого хода связана с межтрубным пространством двойной бурильной колонны магистралью для отвода сжатого воздуха, причем площадь кольцевых упругих элементов и кольцевого ударника со стороны камеры холостого хода превышает площадь кольцевых упругих элементов и кольцевого ударника со стороны камеры рабочего хода. Недостатками рассматриваемого устройства являются сложность конструкции и связанная с этим низкая долговечность, повышенная сложность и дороговизна в эксплуатации.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предложенному устройству является пневмоударный механизм для забивания в грунт длинномерных стержней по авт. свид. СССР N 1307037, кл. E 02 D 7/10, 13/00, опубл. в Б.и. N 16, 1987, содержащий корпус с отверстиями и центральной трубкой для размещения забиваемого стержня, ступенчатый ударник с осевым каналом, превышающим наружный диаметр трубки, камеры рабочего и холостого хода, которые образованы стенками: корпуса и ударника (камера холостого хода) и корпуса, ударника и трубки (камера рабочего хода).

Недостатками описываемой конструкции являются ее сложность и связанная с этим низкая долговечность, повышенная сложность и дороговизна в эксплуатации.

Техническая задача предложенного решения заключается в упрощении конструкции при повышении эффективности забивания в грунт длинномерных конструкций за счет уменьшения количества рабочих камер и выполнения элементов конструкции более простых по конфигурации и меньших размеров.

Это достигается тем, что в устройстве для вертикального забивания в грунт металлических конструкций, преимущественно труб, содержащем коаксиальный корпус, кольцевой ударник, мембрану, закрепленную по контуру и корпусу и образующую совместно с последним рабочую камеру с окнами для подвода и выхлопа сжатого воздуха, узел крепления к забиваемой конструкции, согласно изобретению, кольцевой ударник размещен со стороны мембраны с возможностью перемещения мембраны в вертикальном направлении, при этом на цилиндрической стенке меньшего диаметра коаксиального корпуса установлена подвижная втулка с кольцевыми выступами, причем диаметр верхнего кольцевого выступа больше меньшего диаметра мембраны, а диаметр нижнего кольцевого выступа больше внутреннего диаметра кольцевого эластичного уплотнителя, при этом рабочая камера разделена на две полости, соединенные между собой кольцевым каналом, причем окно для подвода сжатого воздуха постоянно соединяет нижнюю полость рабочей камеры с пневмомагистралью, а окна для выхлопа сжатого воздуха размещены в стенке верхней полости рабочей камеры в верхнем кольцевом выступе подвижной втулки на расстоянии от продольной оси устройства, превышающем меньший диаметр мембраны. Такое выполнение устройство позволяет упростить его конструкцию за счет использования только одной рабочей камеры.

Целесообразно подвижную втулку выполнять подпружиненной. Такое выполнение конструкции способствует ее упрощению, так как подвижность втулки осуществляется автоматически наиболее простыми средствами.

Целесообразно также меньшую ступень коаксиального корпуса использовать в качестве наковальни. Такое выполнение конструкции устройства также способствует ее упрощению и повышению эффективности работы за счет подачи ударного импульса забиваемому элементу через корпус.

Целесообразно подвижную втулку выполнять составной из двух элементов, при этом в верхней части каждого элемента выполнять кольцевой выступ, а под нижним элементом устанавливать пружину. Такое выполнение устройства упрощает его конструкцию, снижая динамические нагрузки на втулку, что повышает долговечность работы.

Окна для выхлопа сжатого воздуха в устройстве могут быть образованы лысками на периферийной поверхности верхнего кольцевого выступа подвижной втулки. Такое исполнение устройства упрощает его конструкцию и изготовление.

Окна для выхлопа сжатого воздуха в устройстве могут быть образованы фигурными углублениями на периферийной поверхности кольцевого выступа подвижной втулки. Такое исполнение устройства одновременно повышает эффективность истечения сжатого воздуха из рабочей камеры, долговечность конструкции и улучшает герметичность рабочей камеры в нижнем положении ударника, что повышает давление сжатого воздуха в рабочей камере, а следовательно, повышается энергия удара.

Целесообразно ударник в устройстве размещать на забиваемой в грунт металлической конструкции. Такое выполнение устройства позволяет упростить его конструкцию и забивать в грунт прутковый элемент большего диаметра.

Целесообразно также ударник размещать на меньшей ступени корпуса. Это способствует повышению надежности работы устройства, так как ударник движется по соосной ему направляющей, в то время как забиваемая конструкция может быть искривлена (не соосна).

Предлагаемое устройство иллюстрируется примерами конкретного исполнения и чертежами, где показано на: фиг. 1 - устройство в продольном разрезе; фиг. 2 - устройство с составной втулкой; фиг. 3 - сечение Г-Г на фиг. 2; фиг. 4 - сечение Г-Г на фиг. 2 (второе исполнение).

Устройство для вертикального забивания в грунт металлических конструкций, преимущественно труб, состоит из коаксиального корпуса 1, кольцевого ударника 2, зажимного узла (позицией не обозначен), имеющего подвижную втулку 3, закрепленную на корпусе 1. Большая 4 и меньшая 5 коаксиальные ступени корпуса 1 образуют рабочую камеру (позицией не обозначена), состоящую из полостей 6 и 7, соединенных между собой кольцевым каналом 8. Подвижная втулка 3 имеет внутреннюю коническую поверхность.

Меньшая ступень 5 коаксиального корпуса одновременно является наковальней. Верхняя полость 7 герметизирована мембраной 9, которая по периферии закреплена к большей ступени 4 коаксиального корпуса 1. На меньшей ступени 5 корпуса 1 установлена подвижная втулка 10. Она может быть выполнена цельной (фиг. 1) или составной, состоящей из двух элементов 11, 12 (фиг. 2). Подвижная втулка 10 имеет два кольцевых выступа 13, 14. Если подвижная втулка 10 выполнена составной (фиг. 2), то каждый из ее элементов 11, 12 имеет по одному кольцевому выступу 13 и 14 соответственно. Меньшая ступень 5 коаксиального корпуса 1 может иметь льцевой упор 15 (фиг. 2). На меньшей ступени 5 коаксиального корпуса 1 под подвижной втулкой 10 размещена пружина 16. На верхнем выступе 13 подвижной втулки 10 выполнены окна 17 для выхлопа сжатого воздуха. Они могут иметь форму отверстий (фиг. 1), либо могут быть образованы лысками 18 (фиг. 3) или фигурными углублениями 19 (фиг. 2, 4), выполненными на периферийной поверхности кольцевого выступа 13. Диаметр верхнего кольцевого выступа 13 подвижной втулки 10 больше меньшего диаметра мембраны 9. Ударник 2 может монтироваться на забиваемую в грунт конструкцию 20 (это может быть пруток или труба, используемые в качестве электрода заземления или инъектора, а также уголок или швеллер, используемые в качестве элементов подпорной стенки, микросваи и т.д.), что показано на фиг. 1, либо - на меньшую ступень 5 коаксиального корпуса 1 (фиг. 2). В последнем случае предусмотрена гайка 21, исключающая самодемонтаж ударника 2 при транспортировке. Ударник 2 может иметь цилиндрический выступ 22 (фиг. 2) или может быть выполнен без него (фиг. 1). Зажимной узел состоит из подвижной втулки 3, закрепленной на корпусе 1 гайкой 23. Внутри подвижной втулки 3 размещены три конусных клина 24, которые ограничены от выпадания накидной гайкой 25. Зажимной узел фактически представляет собой цанговое крепление. Впуск сжатого воздуха осуществляется через штуцер 26. В верхней части полости 6 над нижним кольцевым выступом 14 подвижной втулки 10 смонтирован кольцевой эластичный уплотнитель 27.

Устройство работает следующим образом.

Наиболее часто в строительстве забивают цилиндрические элементы конструкций (инъекторы, электроды заземления), поэтому в качестве примера их и рассмотрим. Забиваемую металлическую конструкцию 20 размещают в ударном устройстве, для чего предварительно откручивают накидную гайку 25. Конусные клинья 24, опустившись под действием своего веса, увеличивают диаметр проходного отверстия устройства. Пропустив вперед конец конструкции 20 закрепляют устройство на ней, зажимая гайкой 25 клинья 24. Для съема ударника 2 (фиг. 1) его монтируют со стороны мембраны 9. Обычно монтаж устройства на конструкцию осуществляют в горизонтальном положении, а затем устройство устанавливают вертикально в месте забивания конструкции в грунт.

Ударник 2 под действием своего веса находится в нижнем положении, опираясь на меньшую ступень 5 коаксиального корпуса 1 (фиг. 1), либо на подвижную втулку 10 (фиг. 2). Пружина 16 сжата. Сжатый воздух по штуцеру 26 поступает в полость 6 и через кольцевой канал в полость 7. Мембрана 9 под действием веса ударника 2 перекрывает окна 17 (либо каналы, образованные лысками 18 или фигурными углублениями 19), так как ее меньший диаметр меньше минимального диаметра (расстояния), на котором выполнены окна 17 (указанные каналы) для выхлопа сжатого воздуха кольцевого выступа 13. Под действием давления сжатого воздуха в рабочей камере мембрана 9 деформируется в вертикальном направлении и, тем самым, поднимает ударник 2. Приобретенная ударником 2 кинетическая энергия такова, что он влезает на некоторую высоту. Высота подъема ударника 2 определяется расчетным путем и зависит от давления сжатого воздуха, диаметра мембраны и веса ударника. В начальный момент мембрана 9 сопровождает ударник 2. Герметизация рабочей камеры при этом не нарушается. Подвижная втулка 10 под действием пружины 16 поднимается вместе с мембраной 9 и ударником 2 до момента, когда нижний кольцевой выступ 14 упрется в кольцевой эластичный уплотнитель 27 (фиг. 1, 2 слева). Произойдет отсечение полости 7 от полости 6. Затем произойдет отрыв ударника от мембраны 9 и откроются окна 17 (указанные каналы) для выхлопа сжатого воздуха из рабочей камеры. Сжатый воздух через окна 17 для выхлопа сжатого воздуха или каналы между лысками 18 (фигурными углублениями 19) из полости 7 удалится в атмосферу. Если подвижная втулка 10 выполнена составной, то верхний ее элемент 11 подскочит на некоторую высоту относительно нижнего элемента 12, который будет ограничен в своем перемещении за счет того, что его кольцевой выступ 14 упрется в кольцевой эластичный уплотнитель 27. Таким образом, составная подвижная втулка 10 повышает эффективность работы устройства за счет более длительного воздействия сжатого воздуха на ударник 2 (через мембрану 9). Мембрана 9 начнет возвращаться в исходное положение за счет упругих свойств материала. Затем, воздействуя на подвижную втулку 10 (11, 12), она ее опустит на некоторую высоту. Так как высота подъема ударника 2 ограничена энергетическими возможностями ударного устройства, то гайка 21 (фиг. 2) должна быть размещена на высоте, большей высоты подъема ударника 2. В случае монтирования ударника 2 непосредственно на забиваемую в грунт металлическую конструкцию 20 (фиг. 1) длина не забитой части металлической конструкции должна превышать высоту подъема ударника 2. При опускании ударника 2 он приобретает кинетическую энергию и в конце своего пути удаояет либо по меньшей ступени 5 коаксиального корпуса 1 (фиг. 1) либо своим цилиндрическим выступом 22 - по подвижной втулке 10 (фиг. 2), которая в своем нижнем положении упирается в кольцевой упор 15 и передает ударный импульс через корпус 1 на забиваемую в грунт металлическую конструкцию 20. В нижнем положении подвижной втулки 10 (11, 12) ее кольцевой выступ 14 откроет кольцевой канал 8 и сжатый воздух из полости 6 корпуса 1 поступает в полость 7 и цикл повторится.

Предлагаемое устройство для вертикального забивания металлических конструкций за счет выполнения системы воздухораспределения на меньшей ступени коаксиального корпуса позволяет упростить конструкцию. Кроме того, устройство имеет повышенную эффективность работы за счет того, что подвижная втулка под действием сил инерции поднимается на большую высоту, герметизируя при этом рабочую камеру, что позволяет более длительное время воздействовать на ударник, забрасывая его на большую высоту.

Изобретение относится к области горной и строительной техники и может быть использовано для забивания в грунт металлических конструкций (опор, свай при строительстве и труб при добыче полезных ископаемых - солевых растворов, воды). Задачей, решаемой в данном техническом решении, является упрощение конструкции при повышении эффективности процесса забивания металлических конструкций. Это достигается за счет того, что в устройстве, содержащим коаксиальный корпус, кольцевой ударник, мембрану, закрепленную по контуру к корпусу и образующую совместно с последним рабочую камеру с окнами для подвода и выхлопа сжатого воздуха, узел крепления устройства к забиваемой конструкции, при этом рабочая камера разделена на две полости, соединенные между собой кольцевым каналом, впускное окно постоянно соединяет нижнюю полость рабочей камеры с пневмомагистралью, а выхлопное размещено в верхней полости, при этом на цилиндрической стенке меньшего диаметра корпуса установлена подпружиненная втулка с кольцевыми выступами, причем диаметр верхнего кольцевого выступа больше меньшего параметра мембраны, а диаметр нижнего кольцевого выступа больше диаметра кольцевого уплотнительного элемента. 1 c. и 7 з.п., ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для вертикального забивания в грунт металлических конструкций, преимущественно труб, содержащее коаксиальный корпус, кольцевой ударник, мембрану, закрепленную по контуру к корпусу и образующую совместно с последним рабочую камеру с окнами для подвода и выхлопа сжатого воздуха, узел крепления к забиваемой конструкции, отличающееся тем, что кольцевой ударник размещен со стороны мембраны с возможностью перемещения мембраной в вертикальном направлении, при этом на цилиндрической стенке меньшего диаметра коаксиального корпуса установлена подвижная втулка с кольцевыми выступами, причем диаметр верхнего кольцевого выступа больше меньшего диаметра мембраны, а диаметр нижнего кольцевого выступа больше внутреннего диаметра кольцевого эластичного уплотнителя, при этом рабочая камера разделена на две полости, соединенные между собой кольцевым каналом, причем окно для подвода сжатого воздуха постоянно соединяет нижнюю полость рабочей камеры с пневмомагистралью, а окна для выхлопа сжатого воздуха размещены в стенке верхней полости рабочей камеры в верхнем кольцевом выступе подвижной втулки на расстоянии от продольной оси устройства, превышающем меньший диаметр мембраны. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что подвижная втулка выполнена подпружиненной. 3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что меньшая ступень коаксиального корпуса является наковальней. 4. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что подвижная втулка выполнена составной из двух элементов, при этом в верхней части каждого элемента выполнен кольцевой выступ, а под нижним элементом установлена пружина. 5. Устройство по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что окна для выхлопа сжатого воздуха образованы лысками на периферийной поверхности верхнего кольцевого выступа подвижной втулки. 6. Устройство по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что окна для выхлопа сжатого воздуха образованы фигурными углублениями на периферийной поверхности кольцевого выступа подвижной втулки. 7. Устройство по любому из пп.1-6, отличающееся тем, что ударник размещен на забиваемой в грунт металлической конструкции. 8. Устройство по любому из пп.1-6, отличающееся тем, что ударник размещен на меньшей ступени корпуса.