Грунтозаборное устройство

 

Изобретение относится к строительной технике и может быть использовано при бестраншейной прокладке трубопроводов. Грунтозаборное устройство содержит керноприемник и ударный механизм, соединенный с ним посредством узла крепления. Керноприемник имеет опорную поверхность для узла крепления, образующая которой параллельна оси керноприемника, односторонне ограниченную его упорной поверхностью, перпендикулярной оси керноприемника. Узел крепления имеет вертикальную плоскость симметрии, совпадающую с вертикальной плоскостью симметрии керноприемника, опорную и упорную поверхности. Образующая опорной поверхности и упорная поверхность узла крепления параллельны соответственно образующей опорной поверхности и упорной поверхности керноприемника. Узел крепления имеет сквозной вырез, на боковых сторонах которого выполнены конические распорные поверхности для соединения с конической передней частью ударного механизма. Конические распорные поверхности являются частями конической поверхности вращения, ось которой находится в вертикальной плоскости симметрии узла крепления, параллельна оси керноприемника и смещена к нижнему краю сквозного выреза. Узел крепления установлен в керноприемнике с возможностью ограниченного поперечного и осевого перемещения. Изобретение обеспечивает повышение надежности, технологичности и долговечности устройства. 3 з.п.ф-лы, 7 ил.

Предлагаемое техническое решение относится к строительной технике и может быть использовано при бестраншейной прокладке трубопроводов.

Известно грунтозаборное устройство по а.с. СССР 1120069, E 02 F 5/18, опубл. в БИ 39 за 1984 г., содержащее трубчатой формы емкость и соединенный с ней ударный механизм для погружения ее в грунт, при этом емкость со стороны приема грунта снабжена свободноноворотной перекрывающей ее заслонкой, а ударный механизм закреплен на внутренней стороне емкости.

В известном устройстве ударный механизм боковой поверхностью закреплен на внутренней поверхности трубчатой формы емкости (керноприемника). Реализация технического решения в материалах изобретения не раскрыта. Можно предполагать, что в предложенной конструкции эффективная передача энергии удара от ударного механизма к керноприемнику возможна только при их сварке по линии контакта. Но такое решение будет иметь недостатки: во-первых, из-за невозможности использования ударного механизма, например, в других керноириемниках при необходимости очистки труб разного диаметра; во-вторых - по причине низкой надежности работы устройства из-за температурной деформации корпуса ударного механизма и заклинивания ударника.

Таким образом, практически возможная реализация известного технического решения исключает многоцелевое использование ударного механизма и снижает надежность работы грунтозаборного устройства.

Известно грунтозаборное устройство для бестраншейной прокладки подземных коммуникаций по а.с. СССР 1165751, E 02 F 5/18, опубл. в БИ 25 за 1985 г., содержащее трубчатой формы емкость, жестко прикрепленный к ней ударный узел, размещенный на внутренней стороне емкости, при этом крепление ударного узла к трубчатой формы емкости выполнено в виде втулки и фиксатора, между которыми размещен ударный узел. Втулка может быть выполнена чечевицеобразной или цилиндрической формы и охвачена частью емкости. Фиксатор выполнен из обоймы опорного элемента и запорного узла. Запорный узел может быть выполнен в виде клина, при этом торец опорного элемента со стороны ударного узла имеет скос. Запорный узел может быть также выполнен в виде винтовой пары.

Недостатком устройства является применение сварки для присоединения к трубчатой формы емкости (керноприемнику) втулки и фиксатора. Сварные конструкции из-за температурных деформаций плохо работают на ударную нагрузку. Снятие температурных деформаций обеспечивают за счет отжига, что трудоемко и дорого при значительных размерах керноприемников. Фактором, снижающим прочность и долговечность устройства, является крепление нижней части втулки к днищу керноприемника. При приложении ударных нагрузок во втулке возникают изгибающие моменты относительно днища керноприемника, вызывающие растягивающие напряжения в сварных швах. Как известно, напряжения растяжения являются главной причиной любого разрушения. Для увеличения прочности соединения втулка приварена к днищу керноприемника через прорезанные в нем пазы, что усложняет конструкцию.

Фиксатор содержит обойму опорного элемента и запорный узел клинового или винтового типа. Крепление фиксатора к керноприемнику удлиняет последний, увеличивает массу устройства и усложняет конструкцию керноприемника. Увеличение массы устройства негативно сказывается на производительности очистки труб от грунта по причине снижения скорости самотранспортирования устройства до забоя.

Перечисленные обстоятельства свидетельствуют о ненадежности устройства по известному техническому решению, сложности его конструкции и невысокой скорости самотранспортирования.

Наиболее близким к предлагаемому устройству но технической сущности и достигаемому результату является устройство для бестраншейной прокладки подземных коммуникаций по а.с. СССР 1041646, E 02 F 5/18, E 02 D 17/146, опубл. в БИ 34 за 1983 г., содержащее цилиндрическую желонку, выполненную с упорами на внутренней поверхности и соединенную с ударным механизмом, при этом передний торец желонки выполнен асимметричным относительно ее продольной оси, на части внешней поверхности желонки выполнен конический срез, а упоры имеют наружную поверхность цилиндрической формы, посредством которой они прикреплены к внутренней поверхности желонки равномерно по окружности, и внутреннюю поверхность в виде усеченного конуса, вершина которого направлена к носовой части устройства.

В известном решении крепление ударного механизма к желонке (керноприемнику) осуществляется за счет самоторможения по коническим поверхностям, имеющимся на передней части ударного механизма и в задней части керноприемника, поэтому конические поверхности имеют углы раствора менее угла раствора конуса трения металла по металлу. Ввиду того что при работе ударного механизма существуют силы отдачи, надежность соединения обеспечивают малыми значениями углов раствора конических сопрягаемых поверхностей (менее 10^o). При таких углах в соединении возникают большие заклинивающие усилия (усилия запрессовки), вызывающие высокие напряжения в керноприемнике, снижающие его долговечность. С другой стороны, усилия запрессовки пропорциональны величине прикладываемой импульсной нагрузки. Для извлечения ударного механизма из керноприемника требуются усилия, равные усилию запрессовки. Ударные механизмы (пневмопробойники), применяемые в качестве привода грунтозаборных устройств, в режиме реверса имеют энергию удара в два раза ниже, чем в режиме прямого хода. Этот фактор существенно ограничивает возможность многоцелевого использования ударного механизма, например, в керноприемниках другого диаметра.

Соединение ударного механизма с керноприемником осуществляется вдоль продольной оси грунтозаборного устройства, поэтому центр тяжести устройства лежит на его продольной оси. Устройство не обладает поперечной устойчивостью и при движении может вращаться. Это неприемлемо, так как для образования подстилающего слоя конический срез, выполненный на половине переднего торца керноприемника, должен быть строго ориентирован относительно вертикальной плоскости и находиться в нижней части керноприемника.

Конструкция керноприемника в виде стакана нетехнологична из-за низкого коэффициента использования металла (отношения массы детали к массе заготовки).

Таким образом, отмеченные недостатки известного технического решения снижают надежность работы устройства, технологичность конструкции керноприемника и его долговечность, а также ограничивают возможность многоцелевого использования ударного механизма.

Техническими задачами, решаемыми предлагаемым грунтозаборным устройством, являются повышение надежности, технологичности и долговечности устройства и обеспечение возможности многоцелевого использования ударного механизма за счет одностороннего силового замыкания между собой керноприемника, узла крепления и ударного механизма.

Они решаются за счет того, что в грунтозаборном устройстве, содержащем керноприемник трубчатой формы, имеющий вертикальную плоскость симметрии, и ударный механизм, установленный параллельно оси керноприемника и соединенный с ним конической передней частью посредством узла крепления, согласно предлагаемому техническому решению керноприемник имеет опорную поверхность для узла крепления, образующая которой параллельна оси керноприемника, односторонне ограниченную его упорной поверхностью, перпендикулярной оси керноприемника, причем узел крепления имеет вертикальную плоскость симметрии, совпадающую с вертикальной плоскостью симметрии керноприемника, опорную и упорную поверхности, при этом образующая опорной поверхности и упорная поверхность узла крепления параллельны соответственно образующей опорной поверхности и упорной поверхности керноприемника, причем узел крепления имеет сквозной вырез, на боковых сторонах которого выполнены конические распорные поверхности для соединения с конической передней частью ударного механизма, причем конические распорные поверхности являются частями конической поверхности вращения, ось которой находится в вертикальной плоскости симметрии узла крепления, параллельна оси керноприемника и смещена к нижнему краю сквозного выреза, при этом узел крепления установлен в керноприемнике с возможностью ограниченного поперечного и осевого перемещения.

Выполнение на керноприемнике опорной поверхности для узла крепления, образующая которой параллельна оси керноприемника, односторонне ограниченной его упорной поверхностью, перпендикулярной оси керноприемника, а также наличие в узле крепления опорной и упорной поверхностей, причем образующая опорной поверхности и упорная поверхность узла крепления параллельны соответственно образующей опорной поверхности и упорной поверхности керноприемника, обеспечивают возможность соединения керноприемника и узла крепления посредством одностороннего силового замыкания.

Известно, что условием силового замыкания является ограничение возможности перемещения элемента в каком-либо направлении. В предлагаемом решении реализация силового замыкания осуществляется за счет установки узла крепления в керноприемнике с возможностью ограниченного поперечного (радиального) и осевого перемещения. Ввиду того что наложенные ограничения на указанные перемещения имеют односторонний характер, силовое замыкание является односторонним.

При параллельных между собой образующих опорных поверхностней узла крепления и керноприемника и, в свою очередь, параллельных оси керноприемника и ударному механизму, т.е. направлению его силового воздействия, узел крепления будет скользить по керноприемнику при приложении к узлу крепления нагрузок от ударного механизма. Одностороннему силовому замыканию в осевом направлении способствуют упорные поверхности керноприемника и узла крепления, ограничивающие скольжение их опорных поверхностей друг по другу.

Конические распорные поверхности, выполненные на боковых сторонах сквозного выреза в узле крепления, посредством которых соединяется с ним коническая передняя часть ударного механизма, обеспечивают поперечную деформацию, т. е. поперечное (радиальное) перемещение узла крепления при воздействии на него ударного механизма. Опорная поверхность керноприемника, охватывающая опорную поверхность узла крепления, ограничивает возможность поперечного перемещения узла крепления и тем самым реализует одностороннее силовое замыкание в поперечном направлении.

Применение в устройстве одностороннего силового замыкания упрощает процессы сборки и демонтажа ударного механизма с керноприемником и обеспечивает возможность многоцелевого использования ударного механизма. Силовое замыкание исключает применение сварки в устройстве, снижающей надежность его работы и срок службы. Кроме этого, наличие одностороннего силового замыкания и возможность скольжения опорной поверхности узла крепления по опорной поверхности керноприемника исключают их жесткое соединение между собой, что способствует сглаживанию импульсов ударных нагрузок, увеличению долговечности и надежности грунтозаборного устройства.

Параллельное расположение осей керноприемника и конической поверхности вращения, частями которой являются конические распорные поверхности сквозного выреза узла крепления, необходимо для равномерной поперечной деформации узла крепления при приложении к нему нагрузок ударного механизма, что исключает возможность перекоса узла крепления относительно опорной поверхности керноприемника и повышает надежность работы грунтозаборного устройства. Смещение оси указанной конической поверхности вращения к нижней части сквозного выреза реализует при одностороннем силовом замыкании в поперечном направлении рычажную систему "узел крепления - ударный механизм", что способствует увеличению плеча приложения нагрузки от ударного механизма, т.е. увеличению разжимного усилия узла крепления в опорной поверхности керноприемника. Это снижает вероятность самопроизвольной разборки узла крепления с керноприемником под действием сил отдачи ударного механизма.

Наличие в узле крепления вертикальной плоскости симметрии, совпадающей с вертикальной плоскостью симметрии керноприемника, предопределяет поперечную устойчивость грунтозаборного устройства при движении по трубе.

Целесообразно опорную поверхность керноприемника ограничить его упорной поверхностью со стороны забора грунта керноприемником и использовать в качестве упорной поверхности узла крепления его торец. Такое решение позволяет уменьшить поперечные размеры узла крепления и упростить его конструкцию.

Целесообразно также опорную поверхность керноприемника ограничить его упорной поверхностью со стороны ударного механизма и при этом использовать в качестве упорной поверхности узла крепления торец бурта, выполненного на опорной поверхности узла крепления. Это позволит реализовывать одностороннее силовое замыкание в поперечном направлении в тонкостенном керноприемнике, имеющем малую массу, поэтому наиболее приемлемым для грунтозаборного устройства.

Целесообразно опорную поверхность керноприемника выполнить цилиндрической формы. Такая форма опорной поверхности наиболее технологична, ибо керноприемник имеет трубчатую форму. Это также обеспечивает равнопрочность стенки керноприемника при силовом замыкании с узлом крепления.

Таким образом, совокупность признаков предлагаемого технического решения повышает технологичность конструкции керноприемника, надежность работы и долговечность устройства, упрощает процессы сборки и демонтажа керноприемника с ударным механизмом для многоцелевого его использования за счет реализации одностороннего силового замыкания между собой керноприемника, узла крепления и ударного механизма.

Сущность предлагаемого грунтозаборного устройства иллюстрируется примерами конкретного исполнения и чертежами.

На фиг. 1 показан продольный разрез устройства.

На фиг. 2 в увеличенном виде показан фрагмент А на фиг. 1.

На фиг. 3 в увеличенном виде показан фрагмент А на фиг. 1 (вариант выполнения упорных поверхностей на керноприемнике и узле крепления).

На фиг. 4 в увеличенном виде показано сечение Б-Б на фиг. 1.

На фиг. 5 в увеличенном виде показано сечение В-В на фиг. 1.

На фиг. 6 в увеличенном виде показано сечение Б-Б на фиг. 1 (вариант выполнения опорной поверхности узла крепления).

На фиг. 7 в увеличенном виде показано сечение Б-Б на фиг. 1 (вариант выполнения сквозного выреза в узле крепления).

Предлагаемое устройство содержит трубчатой формы керноприемник 1 (фиг. 1) и ударный механизм 2, соединенные с помощью узла 3 крепления. Ось ударного механизма 2 параллельна оси керноприемника 1. Ударный механизм 2 обеспечивает возможность движения устройства по трубе 4 до забоя с последующим разрушением забоя и забором грунта керноприемником 1. Керноприемник 1 и узел 3 крепления имеют совмещенные вертикальные плоскости симметрии (не показано). Керноприемник 1 (фиг. 2) имеет опорную поверхность 5 для узла 3 крепления, образующая которой параллельна оси керноприемника 1. При этом опорная поверхность 5 керноприемника 1 односторонне ограничена его упорной поверхностью 6, расположенной со стороны забора грунта керноприемником 1. Узел 3 крепления имеет опорную поверхность 7 и упорную поверхность 8, в качестве которой служит его торец. Образующая опорной поверхности 7 узла 3 крепления параллельна образующей опорной поверхности 5 керноприемника 1. Упорные поверхности 6 и 8 соответственно керноприемника 1 и узла 3 крепления параллельны друг другу и перпендикулярны оси керноприемника 1.

Узел 3 крепления (фиг. 4, 5) имеет сквозной (продольный) вырез 9, на боковых сторонах которого выполнены конические распорные поверхности 10 (фиг. 4) для соединения с конической передней частью ударного механизма 2 (фиг. 1-3). Конические распорные поверхности 10 (фиг. 4) являются частями конической поверхности вращения, ось которой находится в вертикальной плоскости симметрии узла 3 крепления, параллельна оси керноприемника 1 и смещена к нижнему краю сквозного выреза 9. Конические распорные поверхности 10 обеспечивают поперечное перемещение узла 3 крепления за счет его радиального деформирования конической передней частью ударного механизма 2.

Для осуществления одностороннего силового замыкания узел 3 крепления (фиг. 2, 3) установлен в керноприемнике 1 с возможностью ограниченного поперечного и осевого перемещения. Упорные поверхности 6 керноприемника 1 и 8 узла 3 крепления ограничивают его осевое перемещение в керноприемнике 1. Ограниченость поперечного перемещения узла 3 крепления обусловлена тем, что опорная поверхность 7 узла 3 крепления охватывается опорной поверхностью 5 керноприемника 1.

Опорная поверхность 5 (фиг. 3) керноприемника 1 может быть oгpaничена его упорной поверхностью 6 со стороны ударного механизма 2. В этом случае упорной поверхностью 8 узла 3 крепления служит торец бурта (на фиг.3 поз. не обозначен), выполненного на опорной поверхности 7 узла 3 крепления.

Для снижения массы устройства на опорной поверхности 7 (фиг. 6) узла 3 крепления могут быть выполнены лыски.

Сквозной вырез 9 (фиг. 4-6) узла 3 крепления может иметь щелевую или другую форму, например цилиндрическую (фиг. 7). Последний вариант выполнения сквозного выреза 9 снижает массу узла 3 крепления.

Опорные поверхности 5 и 7 (фиг. 2, 3) керноприемника 1 и узла 3 крепления могут быть любой формы, например, многогранной, но при соблюдении параллельности образующей опорной поверхности 5 оси керноприемника 1. Керноприемник 1 имеет трубчатую форму, поэтому наиболее технологична цилиндрическая форма его опорной поверхности 5. Такая форма обеспечивает при силовом замыкании узла 3 крепления с керноприемником 1 равнопрочность стенки керноприемника 1, что существенно для увеличения долговечности устройства, работающего в условиях динамического нагружения.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Перед началом выполнения работ по очистке трубы 4 (фиг. 1) от грунта производят сборку устройства. Для этого опорную поверхность 7 (фиг. 2, 3) узла 3 крепления устанавливают на опорную поверхность 5 керноприемника 1 до касания упорных поверхностей 8 и 6. При этом совмещают вертикальные плоскости симметрии узла 3 крепления и керноприемника 1, а также ориентируют дно сквозного выреза 9 (фиг. 4-6) так, чтобы оно занимало верхнее положение. Затем в пространство, образованное коническими распорными поверхностями 10 (фиг. 4, 6, 7) сквозного выреза 9 в узле 3 крепления, вставляют коническую переднюю часть ударного механизма 2 (фиг. 1-3). После включения ударного механизма 2 происходит силовое замыкание в поперечном направлении опорной поверхности 7 (фиг. 2, 3) узла 3 крепления с опорной поверхностью 5 керноприемника 1 за счет поперечной деформации узла 3 (фиг. 4, 6, 7) крепления конической передней частью ударного механизма 2 через конические распорные поверхности 10 сквозного выреза 9. Одностороннему силовому замыканию в осевом направлении способствует ограничение осевого перемещения опорной поверхности 7 (фиг. 2, 3) узла 3 крепления по опорной поверхности 5 керноприемника 1, обусловленное их упорными поверхностями 8 и 6.

Ввиду того что при работе ударного механизма 2 имеют место реактивные силы (силы отдачи), соединение ударного механизма 2 (фиг. 1-3) с узлом 3 крепления осуществляется за счет самоторможения. В связи с этим их сопрягаемые конические поверхности имеют углы раствора менее угла раствора конуса трения металла по металлу.

Затем производят циклическую очистку трубы 4 (фиг. 1) от грунта. Ударный механизм 2 перемещает устройство по трубе 4 до забоя и осуществляет забор грунта керноприемником 1. Для извлечения устройства из забоя и трубы 4 на керноприемнике 1 закреплен трос (не показано), связывающий устройство с лебедкой (не показано). Поперечную устойчивость и ориентирование устройства обеспечивают совмещенность вертикальных плоскостей симметрии керноприемника 1 и узла 3 крепления и положение центра тяжести устройства ниже его продольной оси. Последнее достигнуто за счет смещения ударного механизма 2 к днищу керноприемника 1 посредством смещения конических распорных поверхностей 10 (фиг. 4, 6, 7) к нижнему краю сквозного выреза 9 узла 3 крепления. Поперечная устойчивость исключает вращение устройства при движении по трубе 4, что имеет первостепенное значение, ибо предотвращает закручивание с тросом шланга (не показано) для подачи сжатого воздуха к ударному механизму 2, а также высыпание фунта из керноприемника 1 через его открытую верхнюю часть.

После извлечения устройства из трубы 4 удаляют грунт из керноприемника 1 через открытую верхнюю часть и цикл очистки повторяют.

Для демонтажа устройства переключают ударный механизм 2 (фиг. 1; здесь и далее устройство в демонтажном положении не показано) в режим реверса. Приложение нагрузки в направлении, противоположном осевому силовому замыканию, снимает ограничение на осевое перемещения опорной поверхности 7 (фиг. 2, 3) узла 3 крепления по опорной поверхности 5 керноприемника 1, наложенное их упорными поверхностями 8 и 6. При извлечении опорные поверхности 5 и 7 скользят друг по другу, но присутствует их силовое замыкание в поперечном направлении. Ввиду того что соединение конических распорных поверхностей 10 (фиг. 4, 6, 7) сквозного выреза 9 в узле 3 крепления и конической передней части ударного механизма 2 является самотормозящимся, в условиях силового замыкания в поперечном направлении узла 3 крепления с керноприемником 1 не происходит разъединение узла 3 крепления и ударного механизма 2.

После извлечения из керноприемника 1 (фиг. 1) узла 3 крепления снимается ограничение на его поперечное перемещение, поэтому ударный механизм 2 и узел 3 крепления свободно разбираются.

Формула изобретения

1. Грунтозаборное устройство, содержащее керноприемник трубчатой формы, имеющий вертикальную плоскость симметрии, и ударный механизм, установленный параллельно оси керноприемника и соединенный с ним конической передней частью посредством узла крепления, отличающееся тем, что керноприемник имеет опорную поверхность для узла крепления, образующая которой параллельна оси керноприемника, односторонне ограниченную его упорной поверхностью, перпендикулярной оси керноприемника, причем узел крепления имеет вертикальную плоскость симметрии, совпадающую с вертикальной плоскостью симметрии керноприемника, опорную и упорную поверхности, при этом образующая опорной поверхности и упорная поверхность узла крепления параллельны соответственно образующей опорной поверхности и упорной поверхности керноприемника, причем узел крепления имеет сквозной вырез, на боковых сторонах которого выполнены конические распорные поверхности для соединения с конической передней частью ударного механизма, причем конические распорные поверхности являются частями конической поверхности вращения, ось которой находится в вертикальной плоскости симметрии узла крепления, параллельна оси керноприемника и смещена к нижнему краю сквозного выреза, при этом узел крепления установлен в керноприемнике с возможностью ограниченного поперечного и осевого перемещения.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что опорная поверхность керноприемника ограничена его упорной поверхностью со стороны забора грунта керноприемником, при этом упорной поверхностью узла крепления служит его торец.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что опорная поверхность керноприемника ограничена его упорной поверхностью со стороны ударного механизма, при этом упорной поверхностью узла крепления служит торец бурта, выполненного на опорной поверхности узла крепления.

4. Устройство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что опорная поверхность керноприемника имеет цилиндрическую форму.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7