Способ управления направлением движения и устройство ударного действия для пробивания скважин в грунте (пневмопробойник)

 

Изобретение относится к строительной технике и может быть использовано при бестраншейной прокладке коммуникаций. Способ содержит операцию разворота устройства в сторону нужного направления проходки за счет одностороннего торможения асимметричного в продольном сечении корпуса устройства (пневмопробойника) путем локального по осевой и цилиндрической поверхностям изменения коэффициента трения между контактирующими поверхностями корпуса устройства и грунтом. Устройство для реализации способа управления направлением его движения включает осесимметричный цилиндрический корпус, ударник, движущийся возвратно-поступательно, механизм изменения направления движения в виде нескольких эластичных баллонов, размещенных по окружности корпуса с индивидуальным подводом рабочей среды (сжатого воздуха), при этом эластичные баллоны размещены в зоне контакта корпуса устройства с грунтом. Такая операция и реализующая ее конструкция устройства позволяет повысить эффективность управления направлением движения устройства и проходить скважину по нужному направлению. 2 с. и 9 з.п. ф-лы, 11 ил.

Изобретение относится к строительной технике и предназначено для проходки скважин в грунте при бесстраншейной прокладке подземных коммуникаций.

Известен способ управления направлением движения устройства ударного действия для проходки скважин в грунте (патент США N 4632191), изменение направления движение которого достигается приложением к передней части его корпуса радиального усилия со стороны грунта. Для осуществления такого способа передняя часть устройства выполнена скошенной на клин и, кроме того, корпусу с помощью специальной крыльчатки, взаимодействующей с грунтом, может быть придано вращение. При поступательном движении устройства с вращением скважина получается практически прямолинейной. При проходке криволинейной скважины крыльчатка разъединяется с корпусом, корпус не вращается, вектор радиальной силы, действующей на скошенную часть со стороны грунта, не меняет направления и отклоняет устройство в сторону.

Недостатки способа и устройства - большие энергозатраты на вращение корпуса, нарушение целостности стенок скважины.

Известен способ управления направлением движения устройства для проходки скважин в грунте (патент ФРГ N 2510020), сущность которого заключается в асимметричном приложении ударного импульса относительно продольной оси устройства. Это достигается за счет выполнения ударника со смещенным относительно продольной оси устройства центром тяжести. При проходке прямолинейной скважины ударник, вращаясь, наносит равномерные удары вокруг продольной оси устройства. При проходке криволинейной скважины ударник фиксируется в одном из положений и обеспечивает нанесение асимметричных ударов только в этом направлении.

Недостатком способа является низкая эффективность управления из-за небольшого эксцентриситета центра тяжести ударника.

Известно устройство для проходки скважин в грунте (а.с. СССР N 236349), включающее цилиндрический корпус с расположенным внутри него ударником. На внешней поверхности корпуса шарнирно закреплена оболочка, между внутренней поверхностью которой и корпусом установлены три пневматические камеры с раздельным подводом сжатого воздуха. Для искривления скважины оболочка разворачивается относительно корпуса при подаче воздуха в одну или две камеры.

Недостатками устройства являются низкая эффективность его работы из-за повышенного сопротивления внедрению в грунт, т.к. диаметр проходимой скважины больше диаметра пневмопробойника.

Известно устройство для проходки скважин в грунте, предназначенное для стабилизации направления движения пневмопробойника, содержащее цилиндрический корпус с расположенным внутри него ударником. На внешней поверхности корпуса шарнирно прикреплена оболочка, между внешней поверхностью которой и корпусом смонтированы три пневматические камеры, подвод сжатого воздуха в которые регулируется копиром, присоединенным к корпусу пневмопробойника. При отклонении скважины копир, фиксируя отклонение, воздействует на золотник, обеспечивая подачу сжатого воздуха в требуемую камеру и разворот устройства в нужную сторону [1].

Недостатками устройства являются невозможность проходки криволинейных скважин.

Известно устройство для образования скважин в грунте, включающее заостренный цилиндрический корпус с расположенным в нем ударником, цилиндрическую оболочку, закрепленную на корпусе, и пневматические баллоны, расположенные между оболочкой и корпусом и служащие для отклонения корпуса при избирательной подаче в них воздуха. Оболочка выполнена в виде двух секций, находящихся на некотором расстоянии одна от другой, а баллоны сгруппированы по два в каждой секции. Баллоны в одной секции расположены перпендикулярно баллонам другой, при этом устройство снабжено упругими рамками, охватывающими баллоны и корпус [2].

Недостатками устройства являются низкая эффективность отклонения из-за больших сопротивлений секций и сложность устройства. Общим недостатком известных устройств является однородность поверхности корпуса с точки зрения коэффициента трения.

Решаемая техническая задача - повышение эффективности управления направлением движения устройства.

Это достигается тем, что на части поверхности корпуса, расположенной с одной стороны от продольной оси устройства, изменяют величину коэффициента трения корпуса о грунт, что вызывает появление асимметричной силы трения, поворачивающей устройство в сторону.

Целесообразно на части поверхности контакта корпуса с грунтом применять материал с большим или меньшим коэффициентом трения, чем трение противоположной части поверхности корпуса о грунт. Такая операция позволяет создать тормозящую силу, разворачивающую устройство в нужном направлении.

Целесообразно одновременно с изменением коэффициента трения на части контактирующей с грунтом поверхности корпуса в этой же области прикладывать радиальную силу. Такая операция позволяет увеличить эффективность поворота устройства.

Целесообразно в устройстве для пробивания скважин в грунте, реализующем предлагаемый способ управления направлением его движения и включающем цилиндрический корпус, ударник, движущийся возвратно-поступательно, механизм изменения направления движения пневмопробойника, выполненный в виде нескольких эластичных баллонов, размещенных по окружности корпуса, с индивидуальным подводом рабочей среды (сжатого воздуха, жидкости), баллоны размещать в зоне контакта корпуса пневмопробойника с грунтом. Такое выполнение устройства позволяет локально изменять силу по поверхности корпуса, что способствует его повороту.

Целесообразно эластичные баллоны размещать на поверхности в хвостовой части корпуса пневмопробойника или расширителя, присоединяемого к устройству. Такое выполнение позволяет увеличить радиальную силу и силу трения, поворачивающие устройство.

Целесообразно устройство снабжать тягами, соединяющими два эластичных баллона, размещенных по обе стороны от оси устройства. Такое выполнение обеспечивает возврат эластичного баллона в исходное положение.

Целесообразно располагать тяги в параллельных плоскостях. Такое выполнение конструкции устройства обеспечивает равномерный возврат эластичного баллона в исходное положение.

Целесообразно наружные поверхности тяг в той части, где они охватывают эластичные баллоны, снабжать цилиндрическими пластинами из материала с коэффициентом трения, превышающим коэффициент трения металла о грунт (например феродо, резину). Такое выполнение конструкции обеспечивает силу трения, разворачивающую корпус устройства, и защиту баллонов от порыва при взаимодействии с грунтовыми включениями.

Целесообразно передний и задний торцы пластины в продольном сечении выполнять наклонными к боковой поверхности корпуса устройства. Такое выполнение устройства повышает надежность проходки.

На фиг. 1 показан общий вид предлагаемого устройства; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - устройство с расширителем и эластичными баллонами, размещенными в хвостовой части корпуса пневмопробойника; на фиг. 4 - устройство, у которого эластичные баллоны размещены на расширителе; на фиг. 5 - устройство с двумя расположенными одна за другой вдоль продольной оси секциями эластичных баллонов; на фиг. 6 - поперечное сечение Б-Б на фиг. 5; на фиг. 7 - поперечное сечение В-В на фиг. 5; на фиг. 8 - вариант исполнения устройства с тягами, прикрепленными своими концами к эластичным баллонам в сечении Б-Б на фиг. 5; на фиг. 9 - тяги с цилиндрическими оболочками, охватывающими баллоны, размещенные вдоль вертикальной оси сечений Б-Б на фиг. 5; на фиг. 10 - положение тяг при развороте устройства вверх в сечении Б-Б на фиг. 5; на фиг. 11 - положение тяг при развороте устройства влево в сечении Б-Б на фиг. 5.

Сущность предлагаемого способа управления устройством ударного действия.

При проходке скважины осесимметричный корпус устройства воспринимает одинаковое сопротивление со всех сторон. В однородных грунтах поэтому он движется прямолинейно. В случаях необходимости получения криволинейной скважины необходимо создать асимметричное тормозящее усилие, которое будет разворачивать устройство для движения по криволинейной трассе. Для этого с одной стороны относительно продольной оси корпуса изменяют коэффициент трения на участке поверхности корпуса, взаимодействующего с грунтом. В итоге создается асимметричная сила, которая обеспечивает разворот устройства при необходимости изменения направления проходки.

Для повышения эффективности поворота устройства целесообразно прикладывать радиальное усилие в месте изменения коэффициента трения. В этом случае реализуется двойной эффект.

Пример. Устройство ударного действия - пневмопробойник 1 (фиг. 2) выполнено в виде цилиндрического корпуса 2 с эластичными баллонами 3 - 6, размещенными по окружности (фиг. 2) с индивидуальными магистралями 7, подающими рабочую среду (воздух или жидкость) в любой из баллонов. Баллоны размещены последовательно один за другим (фиг. 2) по окружности или в два ряда по длине устройства (фиг. 5), в каждом из которых имеются попарно два баллона, управляющие движением в горизонтальной (фиг.7) или вертикальной (фиг.6) плоскости. В последнем случае эластичные баллоны, размещенные по обе стороны от продольной оси симметрии, могут быть соединены между собой тягами 9 и 10, что показано на фиг. 8 - 11. Возможно выполнение тяг 9 и 10 с цилиндрическими оболочками 11 и 12 по периферии, охватывающими эластичные баллоны 3, 6 и 4, 5 (фиг. 9 - 11). В этом случае на цилиндрических поверхностях этих поверхностей могут быть закреплены пластины 13 и 14 из материала, имеющего большой коэффициент трения, например из феродо. Баллоны 3 - 6 могут быть расположены на поверхности корпуса 2 пневмопробойника 1 (фиг. 1 и 2) или на расширителе 17 (фиг. 4). При использовании тяг 9 и 10 с периферийными цилиндрическими пластинами 13 и 14 целесообразно на их передних и задних торцах образовать конические поверхности 15 и 16 (фиг. 5).

Принцип работы предлагаемого устройства для пробивания скважин в грунте.

Проходка прямолинейной скважины.

Сжатый воздух, поступая внутрь пневмопробойника 1, приводит в возвратно-поступательное движение ударник (не показан), который наносит удар по корпусу 2. Ударные импульсы, создаваемые пневмопробойником 1, продвигают устройство вперед и своей передней поверхностью он формует скважину в грунте. В силу осевой симметричности корпуса 2 устройства в однородном грунте образуется прямолинейная скважина.

Проходка криволинейной скважины.

Сжатый воздух через магистраль 7 поступает в эластичный баллон, например 3, надувая последний. Соприкасаясь со стенкой скважины, баллон создает радиальную силу трения, которые стремятся отклонить устройство от первоначального направления.

При использовании устройства с тягами 9 и 10 надуваемый баллон подтягивает за собой баллон, размещенный с другой стороны продольной оси. Выполнение тяг 9 и 10 с цилиндрическими оболочками 11 и 12 по периферии, которые охватывают баллоны, расположенные по обе стороны от продольной оси устройства, обеспечивают защиту баллонов при встрече с включением, находящимся в грунте. К оболочкам 11 и 12 могут быть прикреплены пластины 13 и 14 из феродо (фиг. 9 и 10). В рассматриваемом варианте цилиндрические оболочки 11 и 12 тяг 9 и 10, оснащенные коническими поверхностями 15 и 16 при движении устройства (вперед, назад), не будут разрушать грунтовую поверхность скважины. Наличие тяг 9 и 10, расположенных на расстоянии, большем диаметра корпуса 2, позволяет, не прилагая больших усилий, перемещать их за надуваемым эластичным баллоном. При необходимости после поворота проходить прямолинейную скважину в баллон 6, находящийся на другой стороне от деформированного баллона 3, подают сжатый воздух и тем самым и надувной баллон 6 за счет тяг устанавливается за пределы поверхности контакта корпуса 2 (расширители 17) с грунтом. Сжатый воздух из баллона 3 удаляется по магистрали 7.

Если при проходке прямолинейной скважины устройство встретилось с включением или попало в неоднократный грунт, на него действует асимметричная сила со стороны грунта, разворачивающая устройство от трассы. Для стабилизации направления движения необходимо подать сжатый воздух (жидкость) в эластичный баллон, расположенный в другой стороне от действия возникшей сдвигающей силы.

Давлением сжатого воздуха (жидкости), подаваемого в эластичный баллон, можно регулировать в процессе проходки скважин направление движения пневмопробойника.

Применение предлагаемого устройства позволяет управлять направлением движения пневмопробойника в вертикальной и горизонтальной плоскостях, что обеспечит проходку прямолинейных скважин в неоднородных грунтах, при необходимости - криволинейных скважин.

Формула изобретения

1. Способ управления направлением движения устройства ударного действия для проходки скважин в грунте (пневмопробойника), включающий разворот последнего в сторону нужного направления движения за счет приложения асимметричной в поперечном сечении корпуса устройства силы, отличающийся тем, что с одной стороны относительно продольной оси корпуса изменяют коэффициент трения участка поверхности корпуса, взаимодействующей с грунтом.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что коэффициент трения изменяют за счет того, что на часть поверхности контакта корпуса устройства с грунтом вводят материал с большим или меньшим коэффициентом трения, чем трение другой части поверхности корпуса о грунт.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что одновременно с изменением коэффициента трения на части контактной с грунтом поверхности корпуса в этой же области прикладывают радиальную силу.

4. Устройство для пробивания скважин в грунте (пневмопробойник), включающее симметричный цилиндрический корпус, ударник, движущийся возвратно-поступательно, механизм изменения направления движения пневмопробойника в виде нескольких эластичных баллонов с индивидуальным подводом рабочей среды (сжатого воздуха, жидкости), отличающееся тем, что эластичные баллоны размещены в зоне контакта корпуса устройства с грунтом.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что эластичные баллоны размещены в хвостовой части корпуса пневмопробойника.

6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что оно выполнено с расширителем, присоединенным к корпусу, а эластичные баллоны размещены в хвостовой части расширителя.

7. Устройство по любому из пп.4 - 6, отличающееся тем, что оно выполнено с тягами, соединяющими два эластичных баллона, размещенные по обе стороны от продольной оси устройства, при этом тяги расположены по обе стороны корпуса устройства.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что тяги расположены в параллельных плоскостях.

9. Устройство по п.7, отличающееся тем, что тяги по периферии охватывают эластичные баллоны, размещенные по обе стороны от продольной оси пневмопробойника, и на их внешней поверхности закреплены пластины из материала с коэффициентом трения, превышающим коэффициент трения корпуса о грунт.

10. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что передний и задний торцы пластины в продольном сечении выполнены наклонными к боковой поверхности корпуса устройства.

11. Устройство по любому из пп.7 - 10, отличающееся тем, что тяги выполнены из материала с коэффициентом трения, большим (меньшим) коэффициента трения металла о грунт, например из резины или "феродо".

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11