РЕВЕРСИВНЫЙ ПНЕВМОПРОБОЙНИК Российский патент 2001 года по МПК E02F5/18 E21B4/14 E21B7/26 

Изобретение относится к строительству, а именно к бестраншейной прокладке подземных коммуникаций, и наиболее эффективно может быть использовано в конструкции управляемых реверсивных пневмопробойников для проходки скважин заданной траектории, особенно криволинейных.

Известно устройство для пробивания скважин в грунте (а.с. СССР N 238424, E 02 F, опубл. БИ N 9, 1969 г.), включающее корпус, расположенный в нем с возможностью возвратно-поступательного движения ударник с расточкой в задней части, золотник, закрепленный в задней части корпуса с возможностью ограниченного осевого перемещения при помощи резьбовой пары и состоящий из патрубка с каналом для подвода сжатого воздуха в расточку ударника и втулки на его передней части, скользяще входящей в расточку ударника. В этом устройстве при полностью ввернутом золотнике осуществляется его прямой ход (вперед), а при полностью вывернутом - обратный ход (назад), то есть производится реверсирование. Для этого необходимо отсоединить воздухоподводящий шланг от магистрали сжатого воздуха и многократно его повернуть, что довольно затруднительно, особенно в протяженной скважине, и требует затрат времени. При проходке криволинейных скважин практически невозможно проведение реверсирования с использованием этого механизма из-за перекоса деталей и значительных сопротивлений грунта вращению воздухоподводящего шланга.

Известно также устройство для пробивания скважин в грунте (а.с. СССР N 263482, E 02 F, опубл. БИ N 7, 1970 г.), включающее корпус, расположенный в нем с возможностью возвратно-поступательного движения ударник с расточкой в задней части, золотник, закрепленный в задней части корпуса и состоящий из патрубка с каналом для подвода сжатого воздуха в расточку ударника и установленной на его передней части с возможностью ограниченного осевого перемещения подпружиненной втулки, скользяще входящей в расточку ударника. Внутри патрубка размещен подпружиненный штуцер для подключения к воздухоподводящему шлангу, а в передней его части размещен фиксатор для соединения или разъединения с ним втулки. В исходном состоянии втулка под действием пружины находится в переднем положении и соединена с патрубком фиксатором. При подключении устройства к источнику сжатого воздуха происходит его прямой ход (вперед). Для реверсирования необходимо потянуть воздухоподводящий шланг назад, при этом штуцер освободит фиксатор, втулка выйдет из зацепления с патрубком и под действием сжатого воздуха со стороны расточки ударника сместится назад. Здесь меньше затраты времени на реверсирование, однако также требуются значительные усилия из-за сопротивления грунта продвижению шланга, особенно при проходке криволинейных скважин. Существенным недостатком этого устройства является возможность самореверсирования, особенно при проходке криволинейных скважин, из-за самопроизвольного натяжения шланга при движении его по грунту.

Кроме того, известен самодвижущийся пневматический бурильный агрегат (патент ФРГ N 1294891, E 02 D, заявл. 23.11.1962), включающий корпус с размещенным в нем цилиндром, ударник, расположенный в цилиндре с возможностью возвратно-поступательного движения, воздухораспределительное устройство для приведения ударника в указанное движение и выхлопные отверстия в цилиндре для отвода отработанного воздуха. Механизм реверса образован дополнительными выхлопными отверстиями, расположенными между основными и задней частью цилиндра, и камерами из упругого материала между корпусом и цилиндром, сообщенными с источником сжатого воздуха через управляющий шланг. При прямом ходе (вперед) камеры сообщены с источником сжатого воздуха и перекрывают дополнительные выхлопные отверстия. Для реверсирования камеры сообщают с атмосферой и дополнительные выхлопные отверстия становятся открытыми. При этом уменьшается импульс сил, движущих ударник вперед, и импульс сил торможения при движении ударника назад. Ударник начинает наносить удары не по передней части корпуса, а по его задней части, что заставляет весь агрегат двигаться назад, то есть происходит реверсирование.

Переключение с одного режима на другой в этом агрегате можно производить "на ходу" и для этого не требуется физических усилий, в том числе и при проходке криволинейных скважин, так как воздухоподводящий и управляющий шланги жестко соединены с корпусом и сопротивление грунта их движению на процесс переключения влияния не оказывает. Однако известный агрегат имеет ряд существенных недостатков: сложность конструкции и, как следствие, высокую стоимость и низкую надежность в работе, а также малую скорость проходки из-за малой удельной энергии удара.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому техническому решению является пневматическое реверсивное устройство для образования скважин в грунте (а.с. СССР N 1250619, E 02 F 5/18, опубл. БИ N 30, 1986 г.), включающее корпус, расположенный в нем с возможностью возвратно-поступательного движения ударник с расточкой в задней части, золотник, закрепленный в задней части корпуса и состоящий из патрубка с каналом для подвода сжатого воздуха в расточку ударника и установленной на нем с возможностью ограниченного осевого перемещения подпружиненной втулки, скользяще входящей в расточку ударника, причем патрубок и втулка золотника имеют две пары скользяще взаимодействующих поверхностей, из которых первая пара поверхностей большого диаметра расположена в их передней части, а вторая пара поверхностей малого диаметра - в их средней части.

Полость между поверхностями большого и малого диаметра патрубка и втулки через обратный клапан и калиброванное отверстие сообщена с каналом патрубка, а между ним и втулкой установлен фиксатор для их соединения при наличии сжатого воздуха в канале патрубка. В исходном положении втулка занимает переднее положение и при подаче сжатого воздуха устройство совершает прямой ход (вперед), при этом через обратный клапан и калиброванное отверстие полость между поверхностями большого и малого диаметра патрубка и втулки заполняется сжатым воздухом, а фиксатор соединяет между собой патрубок и втулку. Для реверсирования устройства отключают его от сети сжатого воздуха, при этом втулка отсоединяется от патрубка и под действием сжатого воздуха в полости между поверхностями большого и малого диаметра, сжимая пружину, перемещается в заднее положение. При включении сжатого воздуха втулка фиксируется в этом положении и устройство совершает обратный ход (назад).

Недостатком данного устройства является необходимость строгого выдерживания интервала времени от момента прекращения подачи сжатого воздуха при прямом ходе до момента подачи сжатого воздуха на обратный ход. Так при его увеличении сверх определенной величины реверсирования не произойдет, потому что сжатый воздух из полости между поверхностями большого и малого диаметра через калиброванное отверстие и зазоры между патрубком и втулкой выйдет в атмосферу и втулка под действием пружины вернется в исходное положение. Величина этого интервала зависит от многих факторов (температуры сжатого воздуха и окружающей среды, наличия или отсутствия смазки и ее типа и т.д.), которые однозначно во время эксплуатации учтены быть не могут. Это снижает надежность и стабильность работы. Кроме того, наличие в механизме реверса пружины и деталей из резины также снижает надежность и долговечность устройства в работе.

Технической задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является повышение надежности, долговечности и стабильности работы реверсивного пневмопробойника при проходке скважин различной траектории, в том числе криволинейных, при одновременном снижении трудоемкости и затрат времени на режимы переключения и при сохранении скорости проходки путем устранения недостатков указанных решений, то есть создание такого пневмопробойника, реверсирование которого осуществлялось бы без воздействия на воздухоподводящий шланг или без выключения и включения источника сжатого воздуха и чтобы элементы реверса не оказывали негативного влияния на скорость проходки.

Это достигается тем, что в реверсивном пневмопробойнике, включающем корпус, расположенный в нем с возможностью возвратно-поступательного движения ударник с расточкой в задней части, золотник, закрепленный в задней части корпуса и состоящий из патрубка с каналом для подвода сжатого воздуха в расточку ударника и втулки, скользяще входящей в указанную расточку и установленной на патрубке с возможностью ограниченного осевого перемещения, причем патрубок и втулка золотника имеют две пары скользяще взаимодействующих поверхностей, из которых первая пара поверхностей большого диаметра расположена в их передней части, а вторая пара поверхностей малого диаметра - в их средней части, согласно изобретению на задних частях патрубка и втулки образована третья пара скользяще взаимодействующих поверхностей среднего диаметра, при этом полость между скользяще взаимодействующими поверхностями большого и малого диаметра постоянно сообщена с атмосферой, а полость между скользяще взаимодействующими поверхностями малого и среднего диаметра - периодически через переключающее устройство с источником сжатого воздуха, причем площадь торца втулки со стороны расточки ударника меньше разности площадей ее поперечных сечений среднего и малого диаметров.

При подаче сжатого воздуха в полость между поверхностями малого и среднего диаметра втулка золотника, преодолевая противодавление на ее торец со стороны расточки ударника, занимает крайнее переднее положение, что соответствует прямому ходу пневмопробойника (вперед). При сообщении этой полости с атмосферой втулка под действием давления сжатого воздуха со стороны расточки ударника занимает крайнее заднее положение, соответствующее обратному ходу пневмопробойника (назад). Таким образом, реверсирование предлагаемого пневмопробойника осуществляется просто - сообщением или разобщением золотника с источником сжатого воздуха, что можно проводить "на ходу" через управляющий воздухоподводящий шланг в скважине любой траектории. Это обеспечивает надежность и стабильность реверсирования пневмопробойника в любых условиях и легко осуществляется. Наличие только одной подвижной детали (втулки) также способствует повышению надежности, долговечности и стабильности работы. Скорость проходки не уменьшается, так как не уменьшается активная площадь ударника.

Можно поверхность среднего диаметра патрубка образовать внутренней поверхностью трубки, соединенной с ним своей задней частью, а скользяще взаимодействующую с ней поверхность втулки - наружной поверхностью ее задней части, что позволяет придать деталям форму, более благоприятную для восприятия ударных нагрузок.

Кроме того, можно втулку выполнить составной из двух взаимодействующих между собой продольных частей, на передней из которых выполнить поверхность большого диаметра, а на задней - поверхности малого и среднего диаметра, что позволит снизить точность изготовления и тем самым его стоимость.

Сущность предлагаемого технического решения иллюстрируется примерами конкретного исполнения и чертежами, где на:
- фиг. 1 показана схема подключения реверсивного пневмопробойника к источнику сжатого воздуха;
- фиг. 2 - общий вид реверсивного пневмопробойника в продольном разрезе с частичным обрывом в положении "прямой ход";
- фиг. 3 - то же, в положении "обратный ход";
- фиг. 4 - золотник в пневмопробойнике в более крупном масштабе в продольном разрезе с частичными обрывами, где верхняя часть соответствует положению "прямой ход", а нижняя - положению "обратный ход";
- фиг. 5 - золотник по фиг. 4, втулка которого выполнена из двух частей в аналогичных положениях;
- фиг. 6 - другой пример золотника по фиг. 4, также в аналогичных положениях;
- фиг. 7 - сечение А-А на фиг. 6;
- фиг. 8 - золотник по фиг. 6, втулка которого выполнена из двух частей в аналогичных положениях.

В исходном положении реверсивный пневмопробойник 1 (фиг. 1) через основной воздухоподводящий шланг 2 и пульт управления 3 подключен к источнику сжатого воздуха - компрессору 4. Через дополнительный управляющий шланг 5 и переключающее устройство 6 (любого известного типа) пневмопробойник 1 также подключен к компрессору 4. Назначение переключающего устройства 6 - сообщение пневмопробойника 1 с компрессором 4 для совершения им прямого хода (вперед) или разобщение - для совершения обратного хода (назад).

Реверсивный пневмопробойник (фиг. 2, 3) состоит из корпуса 7 трубообразной формы с глухой передней частью, внутри которого с возможностью возвратно-поступательного движения размещен ударник 8 с расточкой 9 в его задней части. Ударник 8 выполнен с проточкой 10 на его наружной поверхности в средней части, которая окнами 11 сообщена с расточкой 9, а пазами 12 на его переднем пояске - с полостью 13 между ним и корпусом 7. На задней части корпуса 7 через амортизатор 14 закреплен золотник 15, скользяще входящий в расточку 9 ударника 8. Золотник 15 предназначен для подвода сжатого воздуха в расточку 9 ударника 8 и при взаимодействии их между собой - для осуществления управляемого впуска и выпуска сжатого воздуха в полость 13 и из нее и приведения тем самым пневмопробойника в действие. При этом в зависимости от взаимного расположения элементов золотника 15 можно осуществлять прямой ход (вперед) (фиг. 2) или обратный ход (назад) (фиг. 3). Полость 16 между корпусом 7, ударником 8, золотником 15 и амортизатором 14 выхлопными отверстиями 17 в последнем постоянной сообщена с атмосферой.

Золотник 15 (фиг. 4) имеет патрубок 18, который включает закрепленный в амортизаторе 14 стержень 19 трубообразной формы со сквозным осевым каналом 20. К заднему концу стержня 19 через гайку 21 подсоединен основной воздухоподводящий шланг 2, а на переднем конце стержня 19 между гайкой 22 и упругим элементом 23 (резина) с шайбой 24 установлен стакан 25. Детали 19, 22, 23, 24, 25 соединены между собой, составляют единое целое и являются патрубком 18. На патрубке 18 с возможностью ограниченного осевого перемещения установлена втулка 26, которая своей передней частью скользяще входит в расточку с диаметром d₁ 9 ударника 8. Патрубок 18 и втулка 26 скользяще взаимодействуют между собой по трем парам поверхностей, первая пара поверхностей большого диаметра d₂ патрубка 18 и втулки 26 расположена на их передних частях и образована наружной поверхностью 27 стакана 25 патрубка 18 и внутренней поверхностью 28 втулки 26. Вторая пара поверхностей малого диаметра d₃ патрубка 18 и втулки 26 расположена в их средней части и образована наружной поверхностью 29 патрубка 18 и внутренней поверхностью 30 втулки 26. Третья пара поверхностей среднего диаметра d₄ патрубка 18 и втулки 26 расположена в их задней части и образована наружной поверхностью 31 патрубка 18 и внутренней поверхностью 32 втулки 26. Полость 33 между поверхностями 27, 28 большого диаметра и поверхностями 29, 30 малого диаметра соответственно патрубка 18 и втулки 26 отверстиями 34 во втулке 26 постоянно сообщена с атмосферой через полость 16 и выхлопные отверстия 17. Полость 35 между поверхностями 29, 30 малого диаметра и поверхностями 31, 32 среднего диаметра соответственно патрубка 18 и втулки 26 каналами 36 в стержне 19 сообщена с внутренним пространством крышки 37, которое через резьбовое отверстие 38, дополнительный управляющий шланг 5 (фиг. 1), переключающее устройство 6 сообщено с компрессором 4 (штуцер на фиг. 4, 6 не показан). Конкретные значения d₁, d₂, d₃, d₄ выбираются таким образом, чтобы площадь торца втулки 26 со стороны расточки 9 ударника 8, равная π(d21

-d22)/4, была меньше разности площадей ее поперечных сечений среднего и малого диаметров, равной π(d24-d23)/4.
Золотник 15 по фиг. 5 в общем аналогичен золотнику по фиг. 4 как по устройству, так и по соотношению размеров, но отличается следующим. Втулка 26 выполнена из двух взаимодействующих между собой торцами продольных частей 39 и 40. Поверхность 28 большого диаметра выполнена на передней части 39 втулки 26, а поверхности 30 и 32 малого и среднего диаметров - на задней ее части 40.

Золотник 15 может быть выполнен по фиг. 6 и отличается от золотника по фиг. 4 следующим. Поверхность 32 среднего диаметра патрубка 18 образована внутренней поверхностью трубки 41, закрепленной на задней части стержня 19 между его буртом (поз. не обозначен) и крышкой 37. Поверхность 31 среднего диаметра втулки 26 образована наружной поверхностью ее задней части. Каналы 36 для сообщения полости 35 с компрессором 4 образованы пазами 42 на стержне 19 (фиг. 7). Соотношение размеров d₁, d₂, d₃, d₄ между собой такое же, как у золотника по фиг. 4.

Золотник 15 по фиг. 8 в общем аналогичен таковому по фиг. 6 как по устройству, так и по соотношению размеров, но отличается тем, что втулка 26 выполнена составной из двух взаимодействующих между собой продольных частей 43 и 44. Поверхность 28 большого диаметра выполнена на передней части 43 втулки 26, а поверхности 30, 31 малого и среднего диаметров соответственно - на задней ее части 44.

Реверсивный пневмопробойник 1 готовят к работе следующим образом. Устанавливают его в приямке (на фиг. 1 не показан) в нужном положении и подключают к компрессору 4 через пульт управления 3 и основной воздухоподводящий шланг 2, а также через переключающее устройство 6 и дополнительный управляющий шланг 5.

Прямой ход:
Включают компрессор 4, а переключающее устройство 6 устанавливают в положение для сообщения компрессора 4 с пневмопробойником 1 (фиг. 1). Сжатый воздух по дополнительному управляющему шлангу 5 поступает внутрь крышки 37 (фиг. 4, верхняя половина) и далее по каналам 36 в патрубке 18 золотника 15 в полость 35. Со стороны полости 35 на втулку 26 начинает действовать сила, равная произведению давления сжатого воздуха на площадь, равную разности площадей поперечных сечений втулки 26 по поверхности 32 среднего диаметра и по поверхности 30 ее малого диаметра. Под действием этой силы втулка 26 скользит по патрубку 18 и в расточке 9 ударника 8 и занимает крайнее переднее положение.

Затем включают пульт управления 3 и сжатый воздух по основному воздухоподводящему шлангу 2 и сквозному осевому каналу 20 (фиг. 2; фиг. 4, верхняя половина) в патрубке 18 золотника 15 поступает в расточку 9 ударника 8, при этом на втулку 26 начинает действовать сила, равная произведению давления сжатого воздуха на площадь ее торца со стороны расточки 9, которая стремится сместить втулку 26 назад. Так как активная площадь втулки 26 со стороны полости 35 больше таковой со стороны расточки 9, то будет больше и сила, смещающая втулку 26 в переднее положение и удерживающая в таковом на всем протяжении прямого хода пневмопробойника. Полость 33 отверстиями 34 постоянно сообщена с атмосферой через полость 16 и выхлопные отверстия 17 в амортизаторе 14 и на результирующую сил влияния не оказывает.

Аналогичным образом займет крайнее переднее положение и втулка 26, выполненная составной из двух взаимодействующих между собой продольных частей 39 и 40 (фиг. 5, верхняя половина), а также втулка 26, выполненная по фиг. 6, верхняя половина, и выполненная по фиг. 8, верхняя половина, из двух продольных частей 43 и 44.

Сжатый воздух из расточки 9 ударника 8 (фиг. 2) через окна 11, зазор между корпусом 7 и проточкой 10 и пазы 12 поступает в полость 13. Так как площадь ударника 8 со стороны полости 13 больше его площади со стороны расточки 9, то он начинает двигаться назад. После перекрытия окон 11 золотником 15 поступление сжатого воздуха в полость 13 прекратится и начнется его расширение, а после открытия окон 11 из полости 13 произойдет выхлоп отработанного воздуха в атмосферу через полость 16 и выхлопные отверстия 17 в амортизаторе 14. Под действием постоянного давления сжатого воздуха со стороны расточки 9 ударника 8 он, не доходя до задней части корпуса 7, затормозится и начнет двигаться вперед. В конце своего движения вперед ударник 8 нанесет удар по передней части корпуса 7, продвигая его в грунте и образуя тем самым скважину. Незадолго до удара сжатый воздух через открывшиеся окна 11 снова начнет поступать в полость 13 и описанный процесс повторяется.

Обратный ход
Для осуществления обратного хода пневмопробойника 1 (фиг. 1), то есть его реверсирования, переключающее устройство 6 устанавливают в положение, при котором пневмопробойник через дополнительный управляющий шланг 5 изолирован от компрессора 4 и сообщен с атмосферой. При этом полость 35 (фиг. 4, нижняя половина) через каналы 36 в патрубке 18 и внутренней пространство крышки 37 также сообщается с атмосферой. Под действием силы со стороны расточки 9 ударника 8, равной произведению давления сжатого воздуха на площадь ее переднего торца, втулка 26 переместится назад и займет свое крайне заднее положение и будет его сохранять все время в процессе обратного хода пневмопробойника.

Аналогично займет крайнее заднее положение и втулка 26, выполненная составной из двух взаимодействующих между собой продольных частей 39 и 40 (фиг. 5, нижняя половина), а также втулка 26, выполненная по фиг. 6, нижняя половина, и выполненная по фиг. 8, нижняя половина, из двух продольных частей 43 и 44.

Так как открытие окон 11 (фиг. 3) при движении ударника 8 происходит раньше и занимает больший промежуток времени, чем при прямом ходе, то импульс сил, действующих на ударник 8 со стороны полости 13, превышает таковой со стороны расточки 9. Это ведет к тому, что ударник 8 начинает наносить удары по задней части корпуса 7, заставляя пневмопробойник двигаться назад, то есть происходит реверсирование его движения.

Изобретение относится к строительству, а именно к бестраншейной прокладке подземных коммуникаций, и используется в конструкции управляемых реверсивных пневмопробойников для проходки скважин заданной траектории, особенно криволинейных. Реверсивный пневмопробойник включает корпус, расположенный в нем с возможностью возвратно-поступательного движения ударник с расточкой в задней части, золотник, закрепленный в задней части корпуса и состоящий из патрубка с каналом для подвода сжатого воздуха в расточку ударника и втулки, скользяще входящей в указанную расточку и установленной на патрубке с возможностью ограниченного осевого перемещения. Патрубок и втулка золотника имеют три пары скользяще взаимодействующих поверхностей: большого, малого и среднего диаметров. Полость между скользяще взаимодействующими поверхностями большого и малого диаметра постоянно сообщена с атмосферой, а полость между скользяще взаимодействующими поверхностями малого и среднего диаметров - периодически через переключающее устройство с источником сжатого воздуха. Площадь торца втулки со стороны расточки ударника меньше разности площадей ее поперечных сечений среднего и малого диаметров. Изобретение обеспечивает повышение надежности, долговечности и стабильности работы реверсивного пневмопробойника, снижение трудоемкости и затрат времени на режим переключения. 2 з.п.ф-лы, 8 ил.

1. Реверсивный пневмопробойник, включающий корпус, расположенный в нем с возможностью возвратно-поступательного движения ударник с расточкой в задней части, золотник, закрепленный в задней части корпуса и состоящий из патрубка с каналом для подвода сжатого воздуха в расточку ударника и втулки, скользяще входящей в указанную расточку и установленной на патрубке с возможностью ограниченного осевого перемещения, причем патрубок и втулка золотника имеют две пары скользяще взаимодействующих поверхностей, из которых первая пара поверхностей большого диаметра расположена в их передней части, а вторая пара поверхностей малого диаметра - в их средней части, отличающийся тем, что на задних частях патрубка и втулки образована третья пара скользяще взаимодействующих поверхностей среднего диаметра, при этом полость между скользяще взаимодействующими поверхностями большого и малого диаметра постоянно сообщена с атмосферой, а полость между скользяще взаимодействующими поверхностями малого и среднего диаметра - периодически через переключающее устройство с источником сжатого воздуха, причем площадь торца втулки со стороны расточки ударника меньше разности площадей ее поперечных сечений среднего и малого диаметров. 2. Пневмопробойник по п.1, отличающийся тем, что поверхность среднего диаметра патрубка образована внутренней поверхностью трубки, соединенной с ним своей задней частью, а скользяще взаимодействующая с ней поверхность втулки - наружной поверхностью ее задней части. 3. Пневмопробойник по п.1 или 2, отличающийся тем, что втулка выполнена составной из двух взаимодействующих между собой продольных частей, на передней из которых выполнена поверхность большого диаметра, а на задней - поверхности малого и среднего диаметра.