СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОРРЕКТИРОВАНИЯ НАПРАВЛЕНИЯ ТРУБОПРОВОДА НЕБОЛЬШОГО ДИАМЕТРА, ПРОКЛАДЫВАЕМОГО ПРОДАВЛИВАНИЕМ Российский патент 2001 года по МПК E02F5/18 

Изобретение относится к области строительства, в частности к способам и устройствам прокладки подземных коммуникаций бестраншейными способами.

Известны способы и устройства с клиновым рабочим органом для корректирования направления трубопровода небольшого диаметра, прокладываемого продавливанием в грунте гидродомкратными установками.

Известен способ корректирования направления трубопровода небольшого диаметра с использованием установленного на переднем конце головного снаряда клинового рабочего органа, заключающийся в возможности вращения рабочего органа вокруг оси головного снаряда в момент проходки скважины, тем самым, ориентируя головной снаряд в направлении проходки скважины.

Известны устройства грунтопрокалывающих устройств ГПУ-600 и гидравлического пресса БГ-3, входящего в комплект машины КМ-170, выполненные с использованием принципа "шагающих домкратов" [1], [2].

Наиболее близкое техническое решение, выбранное в качестве прототипа [3] - способ и устройство для корректирования направления трубопровода небольшого диаметра, прокладываемого продавливанием. Трубопровод прокладывают, используя установленный на переднем конце направляющей стальной трубы клиновой рабочий орган в виде цилиндра с наклонным срезом. Трубу продвигают вперед, вращая орган двигателем, размещенным внутри трубы, и наблюдая при помощи теодолита за центром мишени, установленной позади стрелки, указывающей направление среза органа. При смещении центров, один из которых контролируется теодолитом, останавливают продвижение трубы, поворачивая рабочий орган так, чтобы стрелка накладывалась на центр, и, не вращая рабочий орган, продвигают трубу до совмещения центров, после чего вновь продвигают трубу, вращая рабочий орган.

Устройство содержит размещенный внутри трубы двигатель с редуктором, на выходном элементе которого закреплен рабочий орган, в центре которого установлен вал, пропущенный через отверстия в редукторе и двигателе. Конец вала, на котором установлена стрелка, выступает внутрь камеры, образованной на заднем конце трубы. Между передней стенкой камеры и стрелкой установлены лампы. Позади стрелки закреплена прозрачная вертикальная пластина, на которую нанесена мишень.

Недостатком известного способа и устройства является невозможность оперативной установки рабочего органа в любое нужное положение относительно оси головного снаряда, в том числе и по его оси, что приводит к низкой точности ориентации трубопровода и невозможности прокладки таким способом протяженных коммуникаций (более 50 м).

Задачей изобретения является расширение области применения предлагаемого технического решения путем повышения точности прокладки подземных коммуникаций методом прокола за счет снабжения устройства механизмом оперативной установки головной части снаряда в требуемое положение.

Способ корректирования направления трубопровода небольшого диаметра, прокладываемого продавливанием, включающий внедрение головного снаряда в грунт гидравлическими установками, оперативную установку рабочего органа головного снаряда, отличающийся тем, что рабочий орган, представленный в виде асимметричного лидирующего наконечника, ось которого отклонена от продольной оси снаряда, устанавливается в русле скважины в любое положение относительно оси головного снаряда, в том числе строго по оси, за счет поочередного вращения рабочего органа и наклонной шайбы во встречных направлениях, и положение ее контролируется относительно продольной оси снаряда, с последующей коррекцией этой оси относительно вертикали, независимо от возможного поворота става, являющегося измерительной базой.

Способ для корректирования направления трубопровода небольшого диаметра, прокладываемого продавливанием, включает пять основных конструктивных узлов:
- систему энергообеспечения;
- гидравлическую установку;
- головной снаряд с системой контроля положения;
- став;
- пульт управления с системой обработки информации о положении головного снаряда в устье скважины.

Примем неподвижную глобальную систему координат с началом в центре замка силовой гидравлической установки и с направлением осей:
- ось Z - вертикально вверх, перпендикулярно плоскости, которой принадлежат оси гидродомкратов гидравлической установки;
- ось Y - по оси хвостовой секции головного снаряда;
- ось X - в соответствии с построением правой системы координат.

Так как мы ввели понятие "вертикальная плоскость", необходимо обеспечить ее "вертикальность" на всех последующих шагах измерения после первого. В противном случае возникают существенные ошибки, разрушающие весь метод измерения положения головного снаряда в скважине. Поэтому в системе контроля положения присутствует датчик вертикали, выполненный в виде маятника, ориентированного по отношению к Земле.

Принимаем следующие обобщенные координаты:
L - шаг продвижки по горизонтали; β - угол наклона между горизонтальной плоскостью и осью головного снаряда; δ - азимутальный или дирекционный угол между осью Х и горизонтальной проекцией оси головного снаряда, вычисленный по ходу часовой стрелки; α - датчик вертикали.

Способ корректирования направления трубопровода небольшого диаметра, прокладываемого продавливанием, функционально осуществляется следующим образом (фиг. 1).

Положение рабочего органа относительно оси головного снаряда и положение самого головного снаряда в русле скважины контролируется четырьмя датчиками: датчиком перемещения - Д1 (шаг продвижки L); датчиком вертикали - Д2 (α); датчиком изгиба головного снаряда - Д3 (β и δ); датчиком оборотов двигателя головного снаряда - Д4 (n_Д).

После загрузки программы управления в компьютер устанавливаются начальные координаты положения головного снаряда и снимаются начальные показания датчика Д2. Гидродомкраты гидравлической установки внедряют став с головным снарядом в устье скважины. Шаг продвижки контролируется датчиком перемещения Д1. Задачу корректирования направления трубопровода и сохранения заданного направления проходки исполняет вращающийся рабочий орган, представленный в виде асимметричного лидирующего наконечника, ось которого отклонена от продольной оси, и наклонная шайба, соединенная с рабочим органом посредством карданного шарнира.

При прохождении головным снарядом шага продвижки L датчик Д1 подает сигнал на устройство отключения двигателя системы энергоснабжения. Затем определяется положение головного снаряда в русле скважины опросом датчиков Д2 и Д3. Сигналы от этих датчиков в импульсной форме поступают в интегрирующий элемент, где показания датчика Д3 - значения β и δ - корректируются на величину показаний датчика Д2 - α. Откорректированные значения β₁ и δ₁ поступают в аналого-цифровой преобразователь АЦП, где полученные данные и постоянная величина L преобразуются в координаты X, Y, Z положения головного снаряда. Полученные координаты сравниваются с заданными, X_з, Y_з, Z_з, программно рассчитанными компьютером исходя из заданной траектории проектируемой трассы. Если заданные координаты не соответствуют действительным, то по сигналу рассогласования, поступающему в аналого-цифровое преобразующее устройство, рассчитывается необходимое число оборотов двигателя n_Д для переориентации рабочего органа головного снаряда и наклонной шайбы так, чтобы на следующем шаге продвижки вернуть головной снаряд на заданную трассу проходки скважины. Требуемое значение величины n_Д сравнивается с действительным значением опросом датчика Д4. Если разность расчетной и действительной величин n_Д равна нулю, на электродвигатель поступает сигнал о включении гидродомкратов гидравлической установки и начале прохождения следующего шага продвижки. При получении в логической схеме сигнала рассогласования - n_Д ≠ 0 электродвигатель головного снаряда переустанавливает его рабочий орган и наклонную шайбу до требуемого положения, при этом количество оборотов двигателя контролируется датчиком Д4 до соблюдения условия n_Д = 0. По выполнению этой операции подается сигнал в систему энергоснабжения о начале следующего шага продвижки. Полученные показания датчиков и рассчитанные координаты положения головного снаряда на каждом шаге запоминаются компьютером и по этим показаниям строится действительная трасса проходки скважины.

В качестве датчиков измерения положения головного снаряда в скважине могут использоваться известные реохордные датчики, связанные с отвесом или маятником, а также специально разработанные датчики для предлагаемого устройства.

Следует отметить, что предлагаемое функциональное решение и использование системы обобщенных координат, построенных по аналогии с системами бурения вертикальных скважин, позволит создавать современные установки направленной проходки горизонтальных скважин, адаптированные к условиям не только прокола, но и бурения.

Сопоставительный анализ показывает, что в прототипе отсутствуют признаки, сходные с существенными отличительными признаками в заявляемом способе и устройстве: с заменой клинового рабочего органа на асимметричный лидирующий наконечник с двумя муфтами обгона, наклонной шайбой, стаканом и их связями между собой и другими конструктивными элементами.

Совокупность признаков заявляемого способа и его технического решения имеет отличия от прототипа и известных аналогов и не следует явным образом из изученного уровня развития техники, поэтому авторы считают, что объект является новым и имеет изобретательский уровень.

Изобретение является промышленно применимым, так как оно может быть использовано в строительстве для прокладки подземных коммуникаций бестраншейным способом.

Достижение технического результата обеспечивается за счет применения двух муфт обгона, взаимодействующих с электродвигателем посредством редуктора и передающих момент поочередно на наклонную шайбу или рабочий орган, представленный в виде асимметричного лидирующего наконечника посредством карданного шарнира.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 2 показана кинематическая схема устройства.

Устройство для корректирования направления трубопровода небольшого диаметра, прокладываемого продавливанием, содержащее электродвигатель и редуктор, помещенные в корпус и связанные с рабочим органом головного снаряда, представленным в виде лидирующего наконечника, ось которого отклонена от продольной оси снаряда, отличающееся тем, что снабжено двумя муфтами обгона, расположенными концентрически одна внутри другой и соединенными посредством стакана, связанного с электродвигателем через редуктор и заключенного между внутренним кольцом одной муфты и внешним кольцом другой муфты, причем внешняя из муфт вторым кольцом связана с наклонной шайбой, а внутренняя муфта - с рабочим органом посредством карданного шарнира.

Устройство для корректирования направления трубопровода небольшого диаметра, прокладываемого продавливанием, содержит рабочий орган 1, ось которого отклонена от продольной оси снаряда и посредством карданного шарнира 2 соединенный с центральным валом 3, проходящим через наклонную шайбу 4 и жестко соединенную с ней обойму 5; две муфты обгона 6 и 7, расположенные концентрически одна внутри другой и соединенные посредством стакана 8 шпоночным соединением 9 с редуктором 10, получающим вращающий момент от электродвигателя 11, размещенного в корпусе 12. Муфта обгона 6 своим внешним кольцом соединена с обоймой 5, а внутренним - со стаканом 8. Муфта обгона 7 внешним кольцом соединена со стаканом 8, а внутренним - с центральным валом 3.

Устройство для корректирования трубопровода небольшого диаметра, прокладываемого продавливанием, работает следующим образом.

Электродвигатель 11 через понижающую передачу, редуктор 10 передает вращающий момент посредством шпоночного соединения 9 стакану 8. Конструкцией головного снаряда предусматривается вращение вала электродвигателя как по часовой стрелке, так и против.

При вращении вала электродвигателя 11 по часовой стрелке вращающий момент посредством редуктора 10 и шпоночного соединения 9 передается стакану 8. При этом внешнее и внутреннее кольцо муфты обгона 7 входят в зацепление, приводя во вращение центральный вал 3, и посредством карданного шарнира 2 приводит во вращение рабочий орган 1, сканирующий при движении поверхность наклонной шайбы 4. В муфте обгона 6 при рассматриваемом направлении вращения внутреннее кольцо не входит в зацепление с внешним кольцом, т. е. стакан 8 не передает вращение обойме 5 и наклонная шайба 4 остается неподвижной.

При вращении вала электродвигателя 11 против часовой стрелки вращение в том же направлении получают: редуктор 10, стакан 8 посредством шпоночного соединения 9, внутреннее кольцо муфты обгона 6, которое входит в зацепление с внешним кольцом и приводит во вращение обойму 5 с наклонной шайбой 4. Внешнее кольцо муфты обгона 7 вращается со стаканом 8, не входя в зацепление с внутренним кольцом. Центральный вал 3 и карданный шарнир 2 остаются неподвижными. Положение рабочего органа 1 зависит от положения вращаемой наклонной шайбы 4.

Таким образом, обеспечивается оперативная установка асимметричного рабочего органа в любое нужное положение относительно оси головного снаряда, в том числе строго по его оси, контролируя при этом положение лидирующего наконечника относительно продольной оси снаряда и положение оси снаряда относительно вертикали, независимо от возможного поворота става, являющегося измерительной базой, что позволяет расширить область применения предлагаемого грунтопрокалывающего устройства за счет увеличения длины проходимых подземных скважин до 100 м и выведения скважины в заданную точку с первой проходки, без использования стартовых скважин.

Источники информации
1. А. П. Рыбаков, В.Л. Баладинский, Н.А. Ходоровский, Н.И. Ильин, И.Я. Литауэр. Механизация строительства линейных сооружений связи. М.: Связь, 1978, с. 35-37.

2. Руководство по проходке горизонтальных скважин при бестраншейной прокладке инженерных коммуникаций. М.: ЦНИИОМТП Госстроя СССР, Стройиздат, 1982, с. 96 с ил.

3. Заявка N 62-34916, E 21 D 9/06, от 29.07.87 (прототип).

Изобретение относится к строительству, в частности к способам и устройствам прокладки подземных коммуникаций бестраншейными способами. Сущность способа заключается в возможности оперативной установки асимметричного рабочего органа в русле скважины в любое нужное положение относительно оси головного снаряда, в том числе строго по его оси, контролируя при этом положение лидирующего наконечника относительно продольной оси снаряда и положение оси снаряда относительно вертикали, независимо от возможного поворота става, являющегося измерительной базой. Устройство содержит электродвигатель и редуктор, связанные с асимметричным рабочим органом посредством двух муфт обгона, передающих вращающий момент, в зависимости от направления вращения вала двигателя, рабочему органу или наклонной шайбе. Вращение рабочего органа и наклонной шайбы позволяет добиваться любой требуемой оперативной ориентации головной части снаряда в русле скважины в момент ее проходки. Применение способа и устройства позволяет повысить скорость и протяженность проходки подземных скважин за счет точности выведения скважины в заданную точку с первой проходки, без использования стартовых скважин. 2 с.п.ф-лы, 2 ил.

1. Способ корректирования направления трубопровода небольшого диаметра, прокладываемого продавливанием, включающий внедрение головного снаряда в грунт гидравлическими установками, оперативную установку рабочего органа головного снаряда, отличающийся тем, что рабочий орган, представленный в виде асимметричного лидирующего наконечника, ось которого отклонена от продольной оси снаряда, устанавливается в русле скважины в любое положение относительно оси головного снаряда, в том числе строго по оси, за счет поочередного вращения рабочего органа и наклонной шайбы во встречных направлениях и положение ее контролируется относительно продольной оси снаряда, с последующей коррекцией этой оси относительно вертикали, независимо от возможного поворота става, являющегося измерительной базой. 2. Устройство для корректирования направления трубопровода небольшого диаметра, прокладываемого продавливанием, содержащее электродвигатель и редуктор, помещенные в корпус и связанные с рабочим органом головного снаряда, представленным в виде лидирующего наконечника, ось которого отклонена от продольной оси снаряда, отличающееся тем, что снабжено двумя муфтами обгона, расположенными концентрически одна внутри другой и соединенными посредством стакана, связанного с электродвигателем через редуктор и заключенного между внутренним кольцом одной муфты и внешним кольцом другой муфты, причем внешняя из муфт вторым кольцом связана с наклонной шайбой, а внутренняя муфта - с рабочим органом посредством карданного шарнира.