Устройство для очистки от грунта забитой вертикальной трубы Советский патент 1992 года по МПК E21B7/26 E02F5/20 

Изобретение относится к технологии строительных работ и может быть использовано для очистки забитых в грунт открытым торцом труб различного назначения.

Известны различные грунтозаборники, выполненные в виде грейферов, осуществляющих отбор грунта из забитой в грунт трубы с открытым торцом, с последующим удалением из них грунта. Недостатком этого устройства является малая эффективность забора грунта от забоя, т.е. забирается небольшой объем грунта, так как на последний действуют статическими силами, развиваемыми грейфером.

Известен рабочий орган для образования скважин в грунте, содержащий полую трубу с режущим наконечником. На наружной поверхности трубы смонтированы подпружиненные упоры, один из которых выполнен с возможностью перемещения относительно трубы.

Недостатками известного устройства являются сложность очистки трубы, длина которой превышает длину устройства, низкая надежность работы, связанная с тем, что извлечение рабочего органа из скважины осуществляется пружинами, установленными на поверхности. После каждого удара по трубе осуществляется ее подъем с отрывом режущего наконечника от забоя. Это приводит к резкому снижению производительности, так как при очередном ударе ударный импульс не передается на забой, а сначала сжимает пружины, опуская при этом трубу вниз. При этом резко повышается энергоемкость процесса, так как при каждом ударе часть энергии расходуется на деформацию пружины.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство, содержащее грунтоза- борник, ударный узел, размещенный внутри грунтозаборника, и связанный жестко с ним ребрами. Нижняя часть грунтозаборника выполнена конической формы, а торец ударного узла размещен выше нижнего торца грунтозаборника

Недостатком этого технического решения при использовании его для очистки версл

С

xi

4 СП 00

ел а

тикально забитых труб в грунт является заклинивание его в трубе при подъеме, а также дополнительное сопротивление при движении вниз за счет радиального уплотнения грунта внешней конической поверхности грунтозаборника.

Цель изобретения - повышение производительности и надежности в работе.

Цель достигается тем, что устройство, содержащее ударный узел с рабочим органом, выполненным в виде обечайки с торцовым окном в передней части, снабжено раструбом, выполненным в виде усеченного конуса, прикрепленного меньшим основанием к обечайке, и упором, размещенным внутри обечайки над раструбом. Такое выполнение устройства обеспечивает заполнение раструба грунтом от забоя с большей площади, чем диаметр обечайки что исключает заклинивание рабочего органа при его подъеме по трубе и обеспечивает обжатие грунта после его забора с последующим его разуплотнением Это также позволяет увеличить объем извлекаемого грунта, так как при подъеме рабочего органа грунт в нем под действием гравитации опускается и обжимается, что предопределяет образование свода, являющегося замком, препятствующий осыпанию грунта из рабочего органа

Упор выполняют конической формы и располагают его соосное ударным механизмам, причем большее его основание обращено вверх. Такое выполнение конструкции позволяет разуплотнить грунт радиальным его смещением, что повышает эффективность процесса.

Диаметр большего основания корпуса выполняют большим или равным диаметру обечайки. Такое выполнение конструкции позволяет в передней части устройства пережимать грунт, создавая замок, препятствующий осыпанию грунта из рабочего органа.

Ударный узел закрепляют к верхнему торцу рабочего органа. Такое выполнение конструкции позволяет увеличить емкость рабочего органа, т.е. повысить эффективность очистки трубы от грунта.

Упор выполняют в виде стержня, установленного впереди механизма в зоне соединения раструба и рабочего органп Такое выполнение устройства позволяет одновременно повысить производительность за счет увеличения емкости рабочего органа и уменьшить обрушение грунта из рабочего органа.

Стержень выполняют в виде четырехугольника, вершины которого размещены по оси рабочего органа и в есте еоедиие

ния раструба с рабочим органом. Такое выполнение устройства позволит при подъеме рабочего органа создать радиальные усилия, препятствующие обрушению грунта из

внутренней полости рабочего органа.

Рабочий орган соединяют с раструбом посредством замка, выполненного в виде кольцевых выступов, размещенных на передней и задней частях обечайки и раструба,

0 и хомута, концы которого установлены в отверстиях, выполненных в стенках раструба и обечайки, Такое выполнение конструкции позволяет осуществить быструю смену раструба с одного диаметра на другой в зависи5 мости от свойств грунта, что повышает универсальность устройства.

Рабочий орган соединяют с раструбом посредством замка, выполненного в виде окон в передней части обечайки, и загнутых

0 элементов раструба, размещенных в окнах и хомуте, три этом раструб выполнен из отдельных секторов и вокруг него и обечайки установлен хомут Такое выполнение конструкции упрощает сборку устройства при

5 настройке для работы в различных грунтовых условиях.

Хомут выполняют с коническими элементами, углы конусности которых совпадают с углами конусности поверхностей

0 раструба и обечайки. Такое выполнение устройства позволяет упростить его конструкцию

Снабжение рабочего органа раструбом, выполненным в виде усеченного конуса, по5 зволяет с большей площади отбирать грунт, что обеспечивает его уплотнение в рабочем органе, способствующему его удержанию при подъеме

Выполнение раструба в Форме усечен0 него конуса, закрепленным к обечайке меньшим основанием, и упором, размещенным внутри обечайки над раструбом, образует пережим сечения поступающего в трубу грунтового керна, что способствует

5 образованию свода, удерживающего грунт в рабочем органе при его подъеме

Выполнение упора конической формы и расположение соосно ударному механизму, причем бопыьим основанием сверх, обеспе0 чивает равномерное воздействие на грунтовый керн во всех направлениях.

При диаметре основания конуса, большем или равном диаметру обечайки, исключается заклинивание рабочего органа в

5 тру5е при его подъеме.

Закрепление ударного уэлз к верхнему торцу рабочего органа поьышает производит ельносгь процесса очистки

Выполнение упора Б ви/;е стержня, установлении о впереди у парного узла ь зоне

соединения раструба и рабочего.органа, обеспечивает разуплотнение грунтового керна, проходящего сквозь меньшее окно раструба. Это позволяет при подъеме рабочего органа уменьшить составляющую от веса керна, действующего вниз, и тем самым увеличить соотношение между горизонтальной составляющей, направленной на образование свода, и вертикальной, способствующей опоражниванию рабочего ор- гана от грунта.

Известна установка внутри рабочего органа, извлекающего грунт, пластин, которые расположены перпендикулярно цилиндрической обечайке. Пластины установлены в зоне уплотнения грунтового забоя (впереди режущих кромок рабочего органа). Назначение этих элементов - способствовать отрыву грунта от забоя и удержанию его в рабочем органе при его подъеме за счет сцепления с грунтом через окна в пластинах.

Выполнение стержня в продольном сечении в виде четырехугольника, вершины которого размещены по оси рабочего органа и в месте соединения раструба с рабочим органом, способствует образованию поперечных сил, препятствующих обрушению грунта из рабочего органа при его подъеме.

Соединение рабочего органа с раструбом посредством замка, выполненного в виде кольцевых выступов, размещенных на передней и задней частях обечайки и раструба, и хомута, концы которого установлены в от- верстиях, выполненных в стенках раструба и обечайки, обеспечивает соединение частей рабочего органа.

Соединение рабочего органа с раструбом посредством замка, выполненного в ви- де окон в передней части обечайки, и загнутых элементов патрубка, размещенных в окнах и хомуте, при этом раструб выполнен из отдельных секторов и вокруг него и обечайки установлен хомут, упроща- ет соединение частей рабочего органа.

Выполнение хомута с коническими элементами, углы конусности которых совпадают с углами конусности поверхностей раструба и обечайки, обеспечивает надеж- ное крепление раструба к обечайке.

На фиг. 1 показано устройство, находящееся в очищаемой трубе; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - устройство с цилиндрической оболочкой; на фиг. 4 - уст- ройство с закрепленным ударным узлом в заднем торце рабочего органа; на фиг. 5 - устройство со стержнем, установленным соосно ударному узлу и впереди него; на фиг. 6 - устройство со стержнем, выполненным в сечении в виде прямоугольника; на фиг. 7 - устройство с составным рабочим органом, а замок выполнен в виде хомута: на фиг. 8 - устройство, составные части которого выполнены с загнутыми элементами, а раструб выполнен из отдельных секторов.

Устройство для очистки от грунта внутренней полости трубы, забитой вертикально в грунт, состоит из ударного узла 4 (например, пневмопробойника), на корпусе которого закреплен рабочий орган 1 (фиг. 1). Крепление может осуществляться за счет силы трения, возникающей при посадке втулки 10 на конической поверхности корпуса ударного узла 4, при этом последний служит приводом при внедрении рабочего органа 1 в грунтовый керн 3, находящийся внизу трубы 2. Угол конусности посадочной поверхности корпус-втулка существенно меньше угла трения металла о металл (при 2° угле конструкции практически неразбираемые). К втулке 10 приварены вкладыши 9, а к ним приварена обечайка 6 (фиг. 2), которая может быть конической (фиг. 1), цилиндрической (фиг. 3). иметь два участка, один из которых цилиндрический 13, а другой - конический 14 (фиг. 7), или иметь форму поверхности второго порядка 15 (фиг. 3). В любом случае меньшее сечение обечайки 6 располагается в передней части рабочего органа 1 и к нему прилегает меньшим поперечным сечением конический раструб 5. Обечайка 6 в задней части может иметь фланец 11, полностью перекрывающий внутреннюю полость 7 рабочего органа или же имеющий окно 12, сечение которого меньше сечения минимального проходного отверстия d обечайки б и раструба 5. Обечайка б с раструбом 5 может быть выполнена за одно целое (фиг, 1,3) либо быть составной (фиг. 7,8). В последнем случае они соединены между собой посредством хомута 16 (фиг. 7,8), располагаемого с внешней сторо- ны рабочего органа 1. Хомут 16 может иметь радиальные выступы 17 и 18. входящие соответственно в окна 19 и 20 раструба 5 и обечайки 6 (фиг. 7). Хомут 16 выполнен из двух элементов цилиндрической формы, которые скреплены между собой болтовыми соединениями (не показаны).

На фиг. 8 показана конструкция рабочего органа 1, у которой только в обечайке 6 выполнены отверстия 20, а раструб5 выполнен из отдельных секторов 21, 22, на конце которых выполнены загнутые элементы 23. Позицией 24 обозначен трос.

Ударный узел 4 можно крепить в задней части рабочего органа 1 (фиг. 4-6), при этом конструкция узла крепления может быть любой (на фиг. 4-6 показана конструкция,

идентичная фиг. 1, т.е. через втулку 10 и вкладыши 9, которые закреплены между собой сваркой). Обечайка 6 может быть при этом выполнена с фланцем 11, перекрывающим внутреннюю полость 7 рабочего органа 1, либо с окном 12 (фиг. 5), сечение которого меньше минимального проходного сечения раструба 5 (по диаметру d).

При креплении ударного узла 4 в торце обечайки 6 целесообразно в зоне минимального проходного сечения раструба 5 устанавливать стержень 25, который вкладышами 26 приварен к внутренней стенке обечайки 6 (фиг. 5). При этом целесообразно стержню 25, являющемуся телом вращения, придавая, в сечении форму четырехугольника (фиг. 6) с вершинами, расположенными на продольной оси рабочего органа 1 и в минимальном проходном сечении раструба 5. При этом образуются две конические поверхности 27,28. Позицией 29 обозначен свод.

Устройство работает следующим образом.

При составном рабочем органе (фиг. 7,8) необходимо сначала его собрать. Для этого раструб 5 (фиг. 7) приставляют меньшим сечением к торцу обечайки 6, затем устанавливают выступы 17 и 18 хомута 16 в окна 19 и 20 соответственно раструба 5 и обечайки 6 и болтами (не показаны) стягивают хомут 16. Таким образом раструб 5 жестко соединен с обечайкой 6,

В случае выполнения раструба 5 из отдельных секторов (фиг. 8) для сборки рабочего органа необходимо развернуть каждый из секторов 5 примерно на 90° и вставить загнутые их элементы 23 в отверстие 20 обечайки 6. Затем все сектора развернуть вперед (фиг. 8), и сверху установить хомут 16. При его стягивании болтами (не показаны) за счет конических поверхностей хомута 16 раструба 5 и обечайки 6, последние распираются и тем самым происходит жесткое соединение, так как загнутые элементы 23 упираются во внутреннюю стенку обечайки 6 и переднюю кромку отверстия 20. При выполнении рабочего органа 1 цельным (фиг. 1,3) сборка его не нужна. Рабочий орган 1 жестко соединен с ударным узлом 4 за счет того, что он приварен к вкладышам 9, а они, в свою очередь, приварены к втулке 10. Вкладышей 9 имеется несколько (6-8 шт) и они расположены равномерно по окружности, тем самым образуя каналы для прохода грунта в полость 7, У втулки 10 внутренняя поверхность выполнена конической с углом конусности, меньшим угла трения металла о металл (меньше 4°). Сопрягаемая контактирующая поверхность корпуса ударного узла

4 выполнена с таким же углом конусности, что исключает их саморассоединение (крепление рабочего органа 1 к ударному узлу 4 может быть и иным).

Опускают на трос 24 рабочий орган 1 с

ударным узлом в трубу 2, забитую открытым торцом, до соприкосновения переднего торца раструба 5 с грунтовым керном 3. Затем подают сжатый воздух в ударный узел 4 0 пневмопробойник, который создает удар ные импульсы, направленные на забой. Под действием этих импульсов раструб 5 внедряется в забой. Силы отдачи, возникающие при работе устройства, компенсируются его

5 массой.

По мере внедрения в грунт, последний, поступая через раструб 5, уплотняется и проталкивается сквозь минимальное проходное сечение диаметром d. Затем грунт

0 конической поверхностью 8 ударного узла 4 разуплотняется и сдвигается в радиальном направлении/Таким образом, вся полость 7, служащая емкостью для грунта, заполняется последним. При дальнейшей проходке

5 вглубь грунт продолжает поступать внутрь полости 7, где уплотняется, так как столб грунта увеличивается, а следовательно, увеличивается вертикальная сила, уплотняющая грунт в полости 7. Для увеличения

0 плотности грунта в полости 7 возможно закрепление к торцу обечайки 6 фланца 11, который полностью или частично герметизирует полость 7. В случае выполнения рабочего органа 1 с фланцем 11 и окном 12

5 целесообразно сечение окна 12 выполнять меньшим проходного сечения d. В этом случае поступление грунта в полость 7 большее, чем его выдавливание через окно 12 и грунт в полости 7 уплотняется. Уплотне0 ние грунта в рабочем органе 1 приведет к двойному эффекту. Во-первых, большее количество грунта можно извлечь за один проход.

При подъеме устройства за трос 24 про5 исходит сначала отрыв его от грунта. Обычно для этой операции используют обратный ход пневмопробойника, т.е. при работе в реверсивном режиме ударный импульс направлен вверх. Для того, чтобы грунт не

0 высыпался из рабочего органа 1 после отрыва его от забоя, ударный узел 4 отключают и дальнейшее извлечение устройства из трубы осуществляют статически лебедкой с тросом 24.

5 При подьеме грунт из раструба В осыпается, в минимальном сечении образуется свод 29. который удерживает грунт в.рабочем органе 1. Силы-трения, возникающие между стенкой рабочего органа 1 и грунтом, способствуют его удержанию. Чем больше

уплотнение грунта в полости 7, тем больше силы трения, удерживающие грунт при подъеме устройства - это второй эффект операции по уплотнению грунта. После извлечения рабочего органа на поверхность друнт из него удаляется. Для этого можно включить ударный узел 4, и создаваемые им ударные импульсы способствуют опорожнению полости 7. В дальнейшем вновь опускают устройство вниз. Обычно кольцевой слой грунта, находящийся на внутренней поверхности трубы 2, обрушится либо под действием собственного веса, либо опускающимся вниз устройством,

При закреплении ударного узла 4 в передней части обечайки б (фиг. 1,3) более эффективно осуществляется внедрение рабочего органа в грунт 3, находящийся в трубе 2, так как конструкция рабочего органа 1 более жестка. В этом случае, ударный узел 4 одновременно служит упором,чобеспечи- вающим разрыхление уплотненного грунта, прошедшего сквозь минимальное проходное сечение диаметром d, Однако, в этом случае, емкость рабочего органа 1 уменьшается, что предопределяет уменьшение объема набираемого в него грунта

При закреплении ударного узла 4 в задней части обечайки б объем полости 7 возрастает, однако при этом ухудшаются условия, удерживающие грунт от обрушения. Необходимо резко уменьшать диаметр d, что приведет к большим усилиям сопротивления при внедрении рабочего органа 1 в грунт.

При разделении функций по созданию ударных импульсов и упора, разуплотняющего грунт, поступивший в полость 7, можно снабжать рабочий орган 1 стержнем 25, прикрепленным вкладышами 26 к обечайке б в зоне минимального проходного сеченир, а ударный узел 4 можно крепить с торца обечайки 6 (фиг. 5).. В этом случае, при увеличении объема полости 7, улучшится условие задержки грунта в полости 7. Это связано с тем, что максимальные усилия, действующие на свод 29, приложены к его центру (фиг, 4), При наличии стержня 25 получается кольцевая поверхность свода, т.е. ее поверхность в поперечном сечении делится на две части меньшего сечения. С другой стороны, по поверхности стержня 25 возникает сила трения, препятствующая обрушению грунта.

На фиг. 6 показан стержень 25, имеющий в сечении форму четырехугольника, вершины которого ус ановлены на продольной оси и в минимальном ачении раструба 5. В этом случае стержень 25, служащий упором, имеет две конические поверхнссти

27 и 28. Первая 27 из них обеспечивает уплотнение грунта при поступлении его в полость 7, а вторая 28 предназначена для создания поперечной силы, способствующей образованию свода 29 при подъеме рабочего органа.

При использовании стержней 25 в качестве упоров несколько повышается жесткость конструкции рабочего органа, но

при этом повышается жесткость конструкции рабочего органа, но при этом повышается объем полости 7, что обеспечивает повышение объема извлекаемого грунта.

Применение предлагаемого устройства для очистки грунта из трубы, забитой открытым торцом в грунт, позволяет упростить эту технологическую операцию, повысить ее производительность, использовать сравнительно простое оборудование,

Формула изобретения

1. Устройство для очистки от грунта за.битой вертикально трубы, включающее рабочий орган, выполненный в виде обечайки с конической нижней частью, и расположенный по центру ударный узел, скрепленный с обечайкой отличающееся

тем, что, с целью повышения производительности и надежности в работе, рабочий орган снабжен раструбом, закрепленным меньшим основанием к нижнему торцу обечайки, и упооом, размещенным соосно с упопным узлом внутри обечайки в зоне соединения раструба и обечайки, при этом диаметр большего основания раструба болыие или равен диаметру обечайки.

2 Устройство по п. 1,отли чающее- с я тем, что ударный узел закреплен к верхнему торцу обечайки./

3.Устройство по пп. 1 и 2, отличаю, щ е е с я тем, что упор выполнен в виде

конического стержня, большее основание которого обращено вверх.

4.Устройство по пп. 1 и 2, отличающее с я тем, что упор выполнен в виде четырехугольного в продольном сечении

стержня, вершины которого размещены по продольной оси обечайки и в месте соединения раструба с обечайкой.

5 Устройство по пп. 1-4, отличающееся тем, что обечайка соединена с

раструбом посредством замка,

6. Устройство по п. 5, о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что замок выполнен в виде кольцевых выступов, размещенных на передней и задней частях обечайки и раструба, и хомута, концы которого установлены в отверстиях, выполненных в стенках раструба и обечайки.

7. Устройство по п. 5, о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что замок выполнен в виде окон в передней части обечайки и загнутых элементов раструба, размещенных в окнах и хомуте, при этом раструб выполнен из отдельных секторов и вокруг него и обечайки установлен хомут.

8. Устройство по пп. 6и 7, отличающее с я тем, что хомут выполнен с коническими элементами, углы конусности которых совпадают с углами конусности поверхностей раструба и обечайки.

Использование: в строительстве, в частности при забивке в грунт вертикально труб. Сущность: рабочий орган в виде обечайки снабжен раструбом, выполненным в виде усеченного конуса и упоро м, размещенным соосно ударному узлу внутри обечайки в зоне соединения раструба и обечайки. Диаметр большего основания раструба больше или равен диаметру обечайки. Ударный узел прикреплен к верхнему торцу обечайки. Упор может быть выполнен либо в виде конического стержня, либо четырехугольного. Обечайка может быть соединена с раструбом замком. 7 з.п. ф-лы, 8 ил.

рх&. /

о ю

со ю т «

/

pv.7

. в