КОМБИНИРОВАННОЕ ПНЕВМОИМПУЛЬСНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2012 года по МПК E21C37/14 E21B7/26 E02F5/18 

Изобретение относится к области горной промышленности и строительства, в частности к устройствам разупрочнения массива горных пород (грунта). Кроме того, комбинированное пневмоимпульсное устройство может быть использовано для пробивания отверстий в массиве (грунте), при прокладывании в грунте кабелей телефонной, электро- и радиосвязи, дренажных труб, а также для пробивания образовавшихся пробок в сантехнических и промышленных коммуникациях.

Известны пневматический патрон, предназначенный для разрушения горных пород [1], устройство, предназначенное для осуществления комбинированного способа разупрочнения угольного массива [2] и устройства, предназначенные для пробивания отверстий в массиве [3, 4]. Все эти устройства и пневматический патрон основаны на использовании энергии сжатого воздуха высокого давления.

Пневматический патрон, предназначенный для разрушения горных пород [1], не может быть использован напрямую для осуществления поставленной цели предлагаемого изобретения, так как при истечении сжатого воздуха из выхлопных отверстий не формируется реактивная сила для смещения пневматического патрона.

Устройство, предназначенное для осуществления комбинированного способа разупрочнения угольного массива [2], так же не может быть использовано напрямую для осуществления поставленной цели предлагаемого изобретения, так как при каждом цикле срабатывания сбрасывания воздуха в атмосферу из вспомогательной камеры осуществляется вручную, при этом имеет место большие потери воздуха из всей воздухоподводящей сети.

Устройства, предназначенные для пробивания отверстий в массиве [3], имеют следующие недостатки: выхлопные отверстия ориентированы под определенным углом относительно продольной оси корпуса устройства и относительно его продольного сечения в тангенциальном направлении, что даст устройству при его работе двигаться только вперед с некоторым вращением; механизм периодического импульсного истечения сжатого воздуха имеет сложную конструкцию, что технологически не оправдано.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению аналогом, принятым за прототип, является устройство по патенту на изобретение РФ №2151259 [4], которое предназначено для образования отверстий в массиве (грунте). Это устройство включает корпус с рабочей и размещенной в хвостовой части корпуса вспомогательной камерой с механизмом периодического импульсного истечения сжатого воздуха. В головной части корпуса закреплена пика. Рабочая и вспомогательная камеры устройства разделены дифференциальным золотником, входящим в состав механизма периодического импульсного истечения сжатого воздуха из рабочей камеры. Золотник имеет калиброванный канал для связи упомянутых камер и ступенчатый продольный канал для размещения в нем дифференциального поршня. Золотник периодически перекрывает выхлопные отверстия из рабочей камеры, которые направлены под углом больше 90°, но меньше 180° относительно хвостовой части от продольной оси корпуса устройства. Рабочая камера сообщена с источником сжатого воздуха со стороны хвостовой части корпуса устройства через воздухопроводящую трубку, проходящую через вспомогательную камеру и механизм импульсного истечения сжатого воздуха.

Прототип имеет следующий недостаток.

Устройство не может совершать поступательного движения в обратном направлении. Этот процесс присущ всем традиционным механическим средствам бурения шпуров (скважин). Наличие функции движения в прямом и обратном направлении в процессе бурения необходимо для маневрирования буровым инструментом в случае заклинивания (зажима) бурового инструмента в шпуре (скважине), а также для извлечения бурового инструмента из шпура (скважины) механическим путем по окончании процесса бурения. При рассмотренных выше случаях извлечение устройства, принятого за прототип, из пробиваемого им отверстия или поступательное движение устройства вперед или назад при разупрочнении массива горных пород исключено.

Целью изобретения является повышение функциональной возможности устройства за счет выполнения поступательного движения устройства, как в прямом, так и в обратном направлении.

Эта цель достигается тем, что предлагаемое комбинированное пневмоимпульсное устройство (далее но тексту - устройство) выполнено в виде комбинированного става, содержащего передний корпус, задний корпус и хвостовик - все они соединены между собой двумя ниппелями. Каждый корпус содержит вспомогательную камеру, рабочую камеру и механизм периодического импульсного истечения сжатого воздуха, который открывает или закрывает выхлопные отверстия рабочей камеры. В головной части переднего корпуса закреплена пика. Выхлопные отверстия рабочей камеры в переднем корпусе устройства ориентированы под расчетным углом в пределах больше 90°, но меньше 180° относительно хвостовой части от продольной оси комбинированного става устройства. Выхлопные отверстия рабочей камеры в заднем корпусе ориентированы под расчетным углом в пределах больше 0°, но меньше 90° относительно хвостовой части от продольной оси комбинированного става предлагаемого устройства. За счет реактивной силы импульсного истечения сжатого воздуха из выхлопных отверстий переднего корпуса устройство совершает поступательные движения вперед, а при истечении сжатого воздуха из выхлопных отверстий заднего корпуса устройство совершает поступательные движения в обратном направлении (назад). Хвостовик содержит воздухораспределительный механизм для заполнения сжатым воздухом рабочей камеры переднего корпуса до расчетного давления P₁ или заднего корпуса до расчетного давления P₂, при этом P₁ всегда больше P₂.

На фиг.1 схематически изображено устройство, механизмы которого находятся в исходном положении. На фиг.2 схематически изображено положение механизмов устройства при его движении вперед. На фиг.3 схематически изображено положение механизмов устройства при его движении в обратном направлении (назад). На фиг.4 схематически изображено специальное оборудование для подачи сжатого воздуха высокого давления в устройство.

Устройство (фиг.1) представляет собой комбинированный став, содержащий передний корпус 1, задний корпус 2 и хвостовик 3 - все они последовательно соединены между собой ниппелями 4. Каждый корпус содержит рабочую камеру 5, вспомогательную камеру 6, механизм периодического импульсного истечения сжатого воздуха 7 и выхлопные отверстия 8. Механизм периодического импульсного истечения сжатого воздуха 7 состоит из золотника 9, перекрывающего выхлопные отверстия 8. Рабочая камера 5 сообщается со вспомогательной камерой 6 через калиброванный канал 10 в золотнике 9. Сквозной продольный канал 11 в золотнике 9 выполнен ступенчатым, и в нем размещен дифференциальный поршень 12, площадь которого со стороны рабочей камеры 5 равна S₁. Ход дифференциального поршня 12 в сторону вспомогательной камеры 6 ограничен ступенью сквозного продольного канала 11, а в сторону рабочей камеры 5 ограничен стопорным кольцом 13. Со стороны вспомогательной камеры площадь дифференциального поршня 12 равна величине S₂. При этом S₁ больше S₂. Сквозной продольный канал 11 со стороны вспомогательной камеры 6 перекрыт обратным клапаном 14, поджатым к золотнику 9 усилием f пружины 15. Обратный клапан 14 кинематически связан с дифференциальным поршнем 12, а золотник 9 упирается в седловину 16, расположенную в рабочей камере 5. В золотнике 9 выполнено также калиброванное отверстие 17 для сообщения вспомогательной камеры 6 с атмосферой при соответствующем положении золотника 9 и обратного клапана 14. В головной части переднего корпуса закреплена пика 18. Воздухораспределительный механизм хвостовика 3 содержит шток-поршень 19, кинематически связанный с калиброванной пружиной 20, и штуцер 21. В шток-поршне 19 расположены центральный 22 и поперечный 23 воздухопроводящие каналы. При перемещении шток-поршня 19 вперед поперечный канал 23 совмещается с воздухопроводящими каналами 24 или 25. Канал 24 сообщен со вспомогательной камерой 6 заднего корпуса 2. Канал 25 через воздухопроводящую трубку 26 сообщен со вспомогательной камерой 6 переднего корпуса 1. Штуцер 21 хвостовика 3 предназначен для подсоединения к устройству специального оборудования для подачи сжатого воздуха высокого давления в устройство. В состав специального оборудования для подачи сжатого воздуха высокого давления в устройство (фиг.4) входят: гибкие воздухопроводящие шланги высокого давления расчетной длины 27; тройник 28; редуктор 29, позволяющий получать на выходе сжатый воздух с расчетным давлением P₁; редуктор 30, позволяющий получать на выходе сжатый воздух с расчетным давлением Р₂; управляющие вентиля 31 и 32; тройник 33; источник сжатого воздуха высокого давления 34 (компрессор, ресивер и др.).

Устройство работает следующим образом. К штуцеру 21 (фиг.1) подсоединяют специальное оборудование (фиг.4), используя гибкий воздухопроводящий шланг высокого давления расчетной длины 27, при этом управляющие вентиля 31 и 32 закрыты. Далее устройство пикой 9 (фиг.1) вставляют в предварительно пробуренную скважину (шпур) при разупрочнении массива горных пород (грунта) или располагают в коллекторных трубах при пробивании образовавшихся пробок в сантехнических и промышленных коммуникациях, или вставляют пику 18 в предварительно сделанную выемку в грунте при пробивании отверстий, прокладывании кабелей телефонной, электро- и радиосвязи, при формировании дренажных труб. Открывают вентиль 31 (фиг.4). При этом сжатый воздух из источника 34, через гибкий воздухопроводящий шланг высокого давления 27, тройник 33, гибкий воздухопроводящий шланг высокого давления 27, открытый вентиль 31, гибкий воздухопроводящий шланг высокого давления 27, редуктор 29 (настроенный на расчетное давление P₁), гибкий воздухопроводящий шланг высокого давления 27, тройник 28, гибкий воздухопроводящий шланг высокого давления расчетной длины 27, штуцер 21 поступает в центральный канал 22 шток-поршня 19. При этом шток-поршень 19 под действием расчетного давления сжатого воздуха P₁ отжимает пружину 20, смещается вперед, совмещая поперечный канал 23 в шток-поршне 19 с каналом 25, выполненным в корпусе хвостовика 3. Далее сжатый воздух давлением P₁ следует по каналу 25 и через воздухопроводящую трубку 26 попадает во вспомогательную камеру 6 и через калибровочный канал 17 золотника 9 механизма периодического импульсного истечения сжатого воздуха 7 в рабочую камеру 5 переднего корпуса 1 устройства. В момент когда P₁·S₁ станет больше P₁·S₂+f, дифференциальный поршень 12 перемещается в сторону вспомогательной камеры 6, и отжимая пружину 15, открывает обратный клапан 14. При этом воздух из вспомогательной камеры 6 истекает через калиброванные отверстия 17 и выхлопные отверстия 8 в атмосферу. Давление во вспомогательной камере 6 резко падает, и за счет разности давлений в рабочей 5 и вспомогательной 6 камерах золотник 9 перемещается вниз в сторону вспомогательной камеры 6 и открывает выхлопные отверстия 8, через которые сжатый воздух в импульсном режиме вытекает из рабочей камеры в атмосферу. Поскольку выхлопные отверстия 8 рабочей камеры 5 в переднем корпусе 1 устройства ориентированы под расчетным углом в пределах больше 90°, но меньше 180° относительно хвостовой части от продольной оси комбинированного става устройства, то за счет реактивной силы импульсного истечения сжатого воздуха из выхлопных отверстий 8 переднего корпуса 1 устройство совершает поступательные движения вперед (фиг.2). После истечения сжатого воздуха из рабочей камеры 5 обратный клапан 14 вместе с дифференциальным поршнем 12 возвращается в исходное положение. В свое первоначальное положение возвращается и золотник 9. На этом заканчивается период открытия золотником 9 выхлопных отверстий 8, а вместе с этим и первый импульс воздействия и проникания на определенную глубину устройства в массиве. Поскольку сжатый воздух через гибкий воздухопроводящий шланг высокого давления расчетной длины 27, перемещающийся вместе с устройством, непрерывно поступает в рабочую камеру 5 переднего корпуса 1, то очевидно, что процесс продвижения устройства вперед прекратится только в случае прекращения поступления сжатого воздуха в рабочую камеру 5 переднего корпуса 1 устройства. При необходимости проведения маневра для движения устройства в обратном направлении (назад) поступают следующим образом. Подачу сжатого воздуха во вспомогательную камеру 6 и рабочую камеру 5 переднего корпуса 1 устройства под давлением P₁ прекращают, закрывая вентиль 31. Открывают вентиль 32 (фиг.4). При этом сжатый воздух также из источника 34, через гибкие воздухопроводящие шланги высокого давления 27, тройник 33, открытый вентиль 32, но через редуктор 30 (настроенный на расчетное давление Р₂), гибкие воздухопроводящие шланги высокого давления 27, тройник 28, штуцер 21 поступает в центральный канал 22 шток-поршня 19. При этом шток-поршень 19 под действием расчетного давления сжатого воздуха P₂ отжимает пружину 20, смещается вперед, совмещая поперечный канал 23 в шток-поршне 19 с каналом 25, выполненным в корпусе хвостовика 3. Далее сжатый воздух давлением Р₂ следует по каналу 25, попадает во вспомогательную камеру 6 и через калибровочный канал дифференциального золотника механизма периодического импульсного истечения сжатого воздуха в рабочую камеру 5 заднего корпуса 2 устройства. В результате этого, в соответствии с вышеописанным принципом срабатывания механизма периодического импульсного истечения сжатого воздуха 7 в переднем корпусе 1 устройства, механизм периодического импульсного истечения сжатого воздуха 7 заднего корпуса 2 срабатывает и открывает выхлопные отверстия 8, через которые сжатый воздух в импульсном режиме вытекает из рабочей камеры в атмосферу. Поскольку выхлопные отверстия 8 рабочей камеры 5 в заднем корпусе 2 устройства ориентированы под расчетным углом в пределах больше 0°, но меньше 90° относительно хвостовой части от продольной оси комбинированного става устройства, то за счет реактивной силы импульсного истечения сжатого воздуха из выхлопных отверстий 8 заднего корпуса 2 устройство совершает поступательные движения в обратном направлении (назад) (фиг.3). Далее, очевидно, что процесс продвижения устройства в обратном направлении (назад) прекратится только в случае прекращения поступления сжатого воздуха в рабочую камеру 5 заднего корпуса 2 устройства.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет повысить функциональную возможность устройства за счет выполнения поступательного движения устройства как в прямом, так и в обратном направлении (назад), заключающееся в следующем:

1. Повысить эффективность обработки массива при проведении его разупрочнения, за счет образования большего количества трещин в массиве в результате возможности движения устройства по скважине (шпуру) в прямом и обратном направлении.

2. Возможность извлечения зажатого устройства из отверстия (скважины, шпура), за счет чередования импульсного истечения сжатого воздуха в противоположных направлениях.

3. Проведение качественной зачистки пробитого отверстия (скважины, шпура, коллекторной трубы и др.), за счет выбрасывания буровой мелочи, штыба, мусора и др. из них сжатым воздухом при движении устройства в прямом или в обратном направлении.

4. Возможность сохранения и защиты от растягивающих усилий гибкого воздухопроводящего шланга высокого давления, за счет щадящего воздействия на шланг при извлечении устройства из отверстия (скважины, шпура).

Источники информации, принятые во внимание

1. «Пневматический патрон», авторское свидетельство на изобретение СССР №1802117, кл. E21С 37/06, 15.03.1993 г., Бюл. №10, (аналог устройства).

2. «Комбинированный способ разупрочнения угольного массива и устройство для его осуществления», патент на изобретение РФ №2342531, кл. Е21С 37/06, E21F 7/00, 27.12.2008 г., Бюл. №36, (аналог устройства).

3. «Устройство для пробивания отверстий в массиве», патент на изобретение РФ №2191236, кл. E02C 5/18, E21В 7/26, 20.10.2002 г., Бюл. №29, (аналог устройства).

4. «Устройство для пробивания отверстий в массиве», патент на изобретение РФ №2151259, кл. Е21В 7/26, E02F 5/18, 20.06.2000 г., Бюл. №17, (прототип устройства).

Изобретение относится к устройствам разупрочнения массива горных пород, а также может быть использовано для пробивания отверстий в массиве. Комбинированное пневмоимпульсное устройство, включающее закрепленную в головной части корпуса пику, рабочую и вспомогательную камеры, разделенные золотником с калиброванным каналом для связи упомянутых камер, калиброванным отверстием, для сообщения вспомогательной камеры с атмосферой при соответствующем положении золотника, ступенчатым продольным каналом для размещения в последнем дифференциального поршня и обратного клапана, и который периодически открывает выхлопные отверстия из рабочей камеры. Устройство выполнено в виде комбинированного става, содержащего передний и задний корпуса с механизмом импульсного истечения сжатого воздуха и хвостовик, соединенных между собой двумя ниппелями, причем выхлопные отверстия рабочей камеры в переднем корпусе устройства ориентированы под расчетным углом в пределах больше 90°, но меньше 180°, а в заднем корпусе под расчетным углом в пределах больше 0°, но меньше 90° относительно хвостовой части от продольной оси комбинированного става, а хвостовик с воздухораспределительным механизмом для подачи сжатого воздуха под расчетным давлением P₁ или Р₂ во вспомогательные камеры устройства и состоящего из подпружиненного шток-поршня с центральным и поперечным каналами и системой воздухораспределительных каналов, подающих сжатый воздух в вспомогательную камеру переднего и заднего корпусов с возможностью попеременной подачи в них сжатого воздуха давлением P₁ или Р₂ при соответствующем положении шток-поршня в хвостовике. Повышается эффективность работы устройства. 4 ил.

Комбинированное пневмоимпульсное устройство, включающее закрепленную в головной части корпуса пику, рабочую и вспомогательную камеры, разделенные золотником с калиброванным каналом для связи упомянутых камер, калиброванным отверстием, для сообщения вспомогательной камеры с атмосферой при соответствующем положении золотника, ступенчатым продольным каналом для размещения в последнем дифференциального поршня и обратного клапана, и который периодически открывает выхлопные отверстия из рабочей камеры, отличающееся тем, что устройство выполнено в виде комбинированного става, содержащего передний и задний корпуса с механизмом импульсного истечения сжатого воздуха и хвостовик, соединенные между собой двумя ниппелями, причем выхлопные отверстия рабочей камеры в переднем корпусе устройства ориентированы под расчетным углом в пределах больше 90°, но меньше 180°, а в заднем корпусе под расчетным углом в пределах больше 0°, но меньше 90° относительно хвостовой части от продольной оси комбинированного става, а хвостовик с воздухораспределительным механизмом для подачи сжатого воздуха под расчетным давлением P₁ или P₂ во вспомогательные камеры устройства и состоящего из подпружиненного шток-поршня с центральным и поперечным каналами и системой воздухораспределительных каналов, подающих сжатый воздух в вспомогательную камеру переднего и заднего корпусов с возможностью попеременной подачи в них сжатого воздуха давлением P₁ или P₂ при соответствующем положении шток-поршня в хвостовике.