Устройство для вращательного погружения секций рабочего инструмента в грунт и секция рабочего инструмента для этого устройства

Изобретение относится к шнековому бурению. Техническим результатом является надежное и безопасное выполнение подъема рабочего инструмента из горизонтального в рабочее положение, а также быстрое соединение (разъединение) секций рабочего инструмента, исключающее осевое перемещение секции относительно патрона. Устройство для вращательного погружения секций рабочего инструмента в грунт содержит вращатель, редуктор и патрон. Нижняя часть патрона снабжена захватом и подпружиненными фиксаторами, а в верхней части полости патрона выполнен карман с цилиндрической проточкой и поперечным сквозным пазом. Подпружиненные фиксаторы снабжены фиксирующими стержнями, выполненными под продольные пазы на оголовке секции рабочего инструмента. Секция рабочего инструмента снабжена механизмом поворота, включающим две вращающиеся головки, расположенные на внешней боковой поверхности секции. Вращающиеся головки кинематически связаны между собой и с поворотным фиксирующим элементом. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 9 ил.

 

Изобретение относится к строительству и может быть использовано для сооружения несущих фундаментов, закрепления различных механизмов и устройств на грунте, в том числе в условиях мерзлых грунтов при вращательном погружении в грунт (бурении или завинчивании) секций рабочего инструмента, а также при выполнении подготовительных работ.

В настоящее время существует проблема низкой производительности при выполнении подготовительных работ для бурения или завинчивания, возникающая из-за невозможности в большинстве случаев соединить патрон с секцией рабочего инструмента (винтовой сваи или шнековой секции) при любом его положении за исключением вертикального. Большое количество времени затрачивается на соединения (разъединения) дополнительных частей этого инструмента между собой.

Кроме того, при вращательном погружении рабочего инструмента (при бурении или завинчивании винтовых свай) возникает осевое перемещение инструмента в патроне, передающем крутящий момент, что приводит к потере управляемости и, как следствие, - к бесконтрольному погружению рабочего инструмента в грунт.

Известно устройство для завинчивания свай, которое перед погружением рабочего инструмента надевается на верхний конец сваи и при помощи шлицев передает крутящий момент на сваю при ее вращательном погружении [Иродов М.Д. Применение винтовых свай в строительстве. - М., 1968 г., с.110].

Использовать данное устройство возможно лишь после того, как рабочий инструмент (свая) установлен при помощи дополнительных грузоподъемных устройств в вертикальное положение.

Известно также устройство для бурения [патент US 4334392], в котором крепление шнековой секции к ответной втулке патрона механизма вращения осуществляется посредством фиксирующего пальца, а за счет многогранного хвостовика на шнековой секции происходит передача крутящего момента при бурении.

Недостатком данного устройства является невозможность соединения патрона со шнековой секцией, которая лежит на земле или в транспортном средстве в горизонтальном положении, а закрепление патрона с бурильным инструментом указанной конструкции возможно лишь в вертикальном положении и, как правило, с использованием приставной лестницы или из транспортного средства на высоте.

Также невозможно осуществить укладку в горизонтальное положение рабочего инструмента без полного его отсоединения от патрона.

Указанное устройство имеет ограниченные функциональные возможности и не позволяет соединить патрон со шнековой секцией при любом ее положении за исключением вертикального.

Наиболее близким к заявляемому является устройство для завинчивания рабочего инструмента - винтовых свай [патент РФ №2374391], содержащее вращатель, редуктор, патрон, выполненный в виде втулки, с продольным пазом и горизонтальной осью. Нижняя часть патрона снабжена захватами, каждый из которых имеет рукоятку с подпружиненным фиксатором, причем захваты имеют несквозные пазы, горизонтальная ось выполнена с цилиндрическими выступами на концах, а продольные пазы втулки выполнены ступенчато-замкнутыми.

При этом устройство может быть снабжено второй горизонтальной осью, съемной накладкой, состоящей из двух пластин, в которых выполнены отверстия под горизонтальные оси, причем в одной из пластин отверстия выполнены фигурной формы, и на одном конце горизонтальных осей выполнены скосы аналогичной фигурной формы.

В этом устройстве в качестве рабочего инструмента используется стандартная свая, в виде трубной части с цилиндрическими выступами на концах горизонтальной оси, установленной в верхней ее части (оголовка) [патент РФ №2374391].

Устройство с помощью патрона позволяет захватывать трубную часть (секцию рабочего инструмента) сваи, опускаемую в грунт, за цилиндрические выступы на концах горизонтальной оси, установленной в верхней ее части. После выполнения захвата сваи ее поднимают, переносят к месту завинчивания и, передавая крутящий момент, завинчивают.

Недостатком известного устройства является то, что при завинчивании с его помощью рабочий инструмент (свая) имеет возможность осевого перемещения относительно патрона.

При этом недостатком рабочего инструмента (сваи) является отсутствие жесткого осевого крепления с патроном и, как следствие, наличие осевого перемещения при выполнении рабочих операций.

Наличие осевого перемещения не позволяет осуществлять бурение секцией рабочего инструмента (шнековой секцией) с помощью известного устройства. При использовании известного устройства в патроне, передающем крутящий момент, при вращательном погружении в грунт возникает осевое перемещение шнековой секции, что приводит к бесконтрольному погружению ее в грунт.

Кроме того, недостатком данного устройства является использование горизонтальной оси с цилиндрическими выступами в верхней части рабочего инструмента (сваи) или же дополнительного устройства в виде сменных накладок и второй оси, так как каждый из них усложняет процесс подготовки к вращательному погружению рабочего инструмента в грунт.

В отношении устройства для вращательного погружения секций рабочего инструмента в грунт решаемая техническая задача заключается в расширении технологических возможностей заявляемого устройства за счет его использования не только для завинчивания винтовых свай, но и для бурения с использованием шнековых секций при надежном, точном и безопасном погружении.

Поставленная задача в отношении устройства для вращательного погружения секций рабочего инструмента в грунт решается тем, что в этом устройстве, содержащем вращатель, редуктор и патрон, выполненный в виде втулки, нижняя часть которого снабжена захватом и подпружиненными фиксаторами, согласно изобретению захват с фиксаторами выполнен в виде вилки, при этом ось каждого из фиксаторов диаметральна и перпендикулярна оси вращения патрона, а в верхней части полости патрона выполнен карман с цилиндрической проточкой и поперечным сквозным пазом, выполненным под поворотный элемент на оголовке секции рабочего инструмента, и подпружиненные фиксаторы снабжены фиксирующими стержнями и выполнены под продольные пазы на оголовке секции рабочего инструмента

В отношении секции рабочего инструмента решаемая техническая задача заключается в точном, контролируемом погружении последней в грунт, исключая осевое перемещение.

Поставленная задача решается тем, секция рабочего инструмента, выполненная в виде корпуса с оголовком, согласно изобретению снабжена механизмом поворота, включающим две вращающиеся головки, кинематически связанные между собой, расположенные на внешней боковой поверхности секции рабочего инструмента в верхней и нижней его части и кинематически связанные с поворотным фиксирующим элементом на оголовке секции рабочего инструмента, включающим поперечный выступ, расположенный на верхнем конце оголовка, и продольные пазы, расположенные на его боковых поверхностях.

При этом секция рабочего инструмента может быть выполнена в виде штанги, шнековой секции или сваи.

Заявляемые конструкции устройства для вращательного погружения секций рабочего инструмента в грунт и секции рабочего инструмента представляют собой группу изобретений, из которых одно - секция рабочего инструмента - предназначено для использования в другом. Единый технический замысел подтверждается общей технической задачей и функцией.

Устройство для вращательного погружения секций рабочего инструмента в грунт объединено в одну заявку с секцией рабочего инструмента на том основании, что последняя обеспечивает максимально эффективное использование этого устройства.

Подпружиненные фиксаторы вилки обеспечивают надежное соединение патрона с секцией рабочего инструмента и позволяют воспринимать вес поднимаемых секций рабочего инструмента с учетом запаса прочности.

Удобство пользования при выполнении операции и простота конструкции фиксаторов делает узел фиксации патрона с секцией рабочего инструмента надежным и безопасным.

Снабжение секции рабочего инструмента механизмом поворота, включающим две вращающиеся головки, кинематически связанные между собой, расположенные на внешней боковой поверхности секции рабочего инструмента в верхней и нижней его части и кинематически связанные с поворотным фиксирующим элементом на оголовке секции рабочего инструмента, обеспечило выполнение надежного и безопасного подъема секций рабочего инструмента из горизонтального в рабочее положение и наоборот, а также быстрого соединения (разъединения) этих секций между собой при вращательном погружении (подъеме) их в грунт заявляемым устройством, исключающим осевое перемещение секции относительно патрона.

Закрепление патрона на секции рабочего инструмента осуществляется установкой фиксаторов в продольных пазах оголовка секции рабочего инструмента, когда он находится в горизонтальном положении на земле или в транспортном средстве.

В дальнейшем, после подъема секции рабочего инструмента и полного заведения оголовка во внутрь патрона, осуществляется поворот нижней головки на боковой поверхности трубы секции рабочего инструмента, при этом через кинематическую связь поворотный элемент на оголовке секции рабочего инструмента поворачивается, фиксируется за выступы цилиндрической проточки кармана в верхней полости патрона, что не допускает осевого перемещения секции рабочего инструмента относительно патрона. Описанный порядок закрепления секции рабочего инструмента в патроне позволяет сократить время на подготовительные работы при установке секций рабочего инструмента перед бурением.

Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в надежном и безопасном выполнении подъема рабочего инструмента из горизонтального в рабочее положение и наоборот, а также в быстром соединении (разъединении) секций рабочего инструмента между собой при вращательном погружении (подъеме) их в грунт заявляемым устройством, исключающим осевое перемещение секции относительно патрона,

Изобретение иллюстрируется чертежами, на которых представлены: На фиг. 1 - общий вид заявляемого устройства, на фиг. 2 - патрон со шнековой секцией в зафиксированном положении; на фиг. 3 - вид А с фиг. 2; на фиг. 4 - сечение Б-Б с фиг. 3; на фиг. 5 - патрон с фиксаторами; на фиг. 6 - сечение В-В с фиг. 5; на фиг. 7 - шнековая секция; на фиг. 8 - выносной элемент Г с фиг. 7; на фиг. 9 - выносной элемент Д с фиг. 7.

Устройство для вращательного погружения секции рабочего инструмента в грунт состоит из вращателя 1, редуктора 2 и патрона 3, выполненного в виде втулки (фиг. 1). На чертеже (фиг. 1) изображена также секция рабочего инструмента в виде шнековой секции 4.

Патрон 3 (фиг. 5) состоит из корпуса 5 и двух подпружиненных фиксаторов 6, находящихся в нижней части корпуса 5, ось каждого из фиксаторов 6 перпендикулярна оси вращения патрона 3.

В верхней части внутренней полости патрона 3 выполнен карман 7 с цилиндрической проточкой со сквозным поперечным пазом 8 (фиг. 5 и 6).

Нижняя часть корпуса 5 патрона 3 выполнена в виде «вилки» с двумя выступающими элементами, на которых установлены подпружиненные фиксаторы 6.

Погружаемая в грунт заявляемым устройством секция рабочего инструмента (шнековая секция 4) (фиг. 1) состоит из шнековой трубы 9 (фиг. 7) со шнековыми витками 10, оголовка 11 с многогранной поверхностью в верхней части и внутренней полости 12 в нижней части шнековой трубы 9.

На боковых поверхностях оголовка 11 (фиг. 7) диаметрально друг другу расположены два продольных паза 13, по ширине соответствующие диаметру фиксирующих стержней 14 (фиг. 3) фиксаторов 6, установленных на патроне 3 (фиг. 1).

На верхнем конце оголовка 11 расположен поперечный выступ 15 и поворотный фиксирующий элемент 16 (фиг. 4 и фиг. 7), который имеет возможность поворота вокруг своей вертикальной оси, который посредством тяги 17 (фиг. 7), проходящей сквозь оголовок 11, кинематически связан с механизмом 18 поворота (фиг. 8 и 9) внутри шнековой трубы 9 и который предназначен для управления этим фиксирующим элементом 16. Поперечный выступ 15 и фиксирующий элемент 16 соответствуют друг другу по размерам.

Механизм 18 поворота, в состав которого входят две вращающиеся головки 19 и 20 соответственно, кинематически связанные между собой, расположен в верхней и нижней части шнековой трубы 9.

Устройство для вращательного погружения секции рабочего инструмента в грунт работает следующим образом.

К шнековой секции 4, расположенной горизонтально подводится вращатель 1 с патроном 3 (фиг. 1).

Продольные пазы 13 на оголовке шнековой секции 4 располагают по боковым сторонам многогранной поверхности оголовка 11. Оттянув фиксаторы 6, опускают вращатель 1 на оголовок 11, тем самым «вилочные» выступы патрона 3 охватывают многогранный оголовок 11, напротив продольных пазов 13 оказываются фиксирующие стрежни 14 (фиг. 3), при отпуске самих фиксаторов 6 они утапливаются в пазах 13 оголовка 11.

Выполнив захват шнековой секции 4 при помощи фиксаторов 6, осуществляют подъем. Шнековая секция 4 принимает вертикальное положение в результате подъема.

После того как подъем состоялся и шнековая секция 4 приняла вертикальное положение, ее опускают вниз на предварительно подготовленную горизонтальную площадку (подставку) и осуществляют придавливание с таким расчетом, чтобы оголовок 11 шнековой секции 4 полностью вошел внутрь патрона 3 (фиг. 2). При этом наружная поверхность оголовка 11 должна совпасть с внутренней поверхностью патрона 3. Этому способствует расположение фиксирующих стержней 14 внутри продольных пазов 13 оголовка 11 шнековой секции 4.

Затем, поворачивая головку 20, расположенную в нижней части шнековой секции 4, за счет кинематически «связанного» механизма внутри шнековой трубы 9 и тяги 17 проходящей сквозь оголовок 11 и являющейся единым целым с фиксирующим элементом 16, расположенным на верхней части оголовка 11 шнековой секции 4, поворачивают этот фиксирующий элемент 16 на 90° (фиг. 4).

При полном расположении оголовка 11 шнековой секции 4 внутри патрона 3 поперечный выступ 15 на оголовке 11 входит в поперечный паз кармана 7, а фиксирующий поворотный элемент 16 оказывается внутри этого кармана 7, который расположен в верхней части полости патрона 3. При повороте на 90° фиксирующий элемент 16 зацепляется за выступы кармана, образованные поперечным сквозным пазом (фиг. 4).

Тем самым шнековая секция 4 фиксируется относительно патрона 3 в осевом направлении. Теперь патрон 3 и шнековая секция 4 составляют единое целое (фиг. 2).

Операцию «придавливания», т.е. «надевание» патрона 3 на оголовок 11 шнековой секции 4, также выполняют при самом процессе бурения, когда в скважине находится предыдущая шнековая секция 4 или несколько шнековых секций 4 и требуется увеличить длину столба за счет дополнительно присоединенной шнековой секции 4. В таком случае шнековую секцию 4, подцепленную к патрону 3, опускают на предыдущую шнековую секцию 4, находящуюся в скважине. Соединение предыдущей шнековой секции 4 с добавленной шнековой секцией 4 выполняется поворотом верхней головки на боковой поверхности предыдущей шнековой секции 4. Перед соединением предварительно выполняют фиксацию добавленной шнековой секции 4 с патроном 3, как было уже сказано, нижней поворотной головкой 20 на добавленной шнековой секции 4.

При необходимости увеличения глубины скважины столб шнековых секций 4 оставляют в скважине с таким расчетом, чтобы верхняя боковая поворотная головка 19 последней шнековой секции была над уровнем земли в легкой доступности по высоте, затем вращением ее поворачивают фиксирующий элемент 16 на оголовке 11 шнековой секции 4, находящегося внутри патрона 3, и, вытянув фиксирующие стержни 14 из продольных пазов оголовка, выполняют расцепление патрона 3 и шнековой секции 4.

Патрон 3 оказывается отсоединенным от шнековой секции 4, и можно выполнять наращивание очередной шнековой секции 4 по (процедуре) способу, описанному выше.

Уменьшение шнекового столба путем отсоединения шнековых секций 4 выполняют в обратном порядке.

После подъема шнекового столба над уровнем земли с таким расчетом, чтобы верхняя поворотная головка предпоследней секции оказалась на доступной высоте, специальной вилкой фиксируют шнековый столб относительно скважины, которая удерживает его от падения в скважину.

Затем поворотом верхней головки 19 предпоследней секции рассоединяют последнюю и предпоследнюю шнековую секцию 4.

После рассоединения, приопустив устройство для вращательного погружения секцией рабочего инструмента в грунт с отсоединенной шнековой секцией 4, вращением нижней поворотной головки 20 поворачивают фиксирующий элемент 16 и раскрепляют шнековую секцию 4 и патрон 3. Шнековая секция 4 остается висеть в патроне 3 за счет фиксирующих стрежней 14, которые находятся в продольных пазах 13 оголовка 11.

Вращатель 1 с редуктором 2 и патроном 3 опускают на землю, добиваясь того, чтобы шнековая секция 4 легла, поворачиваясь вокруг фиксирующих стрежней 14, и приняла горизонтальное положение (фиг. 1). Теперь фиксирующие стрежни 14 на патроне 3 стали в доступной близости, и можно отсоединить патрон 3 от шнековой секции 4.

В дальнейшем патрон 3 соединяют с со шнековой секцией 4, которая выступает над скважиной, убирают вилку, поддерживающую столб шнековых секций 4, и повторяют процедуру по его уменьшению, отсоединяя последовательно секцию за секцией.

Все операции по соединению (наращиванию) секций рабочего инструмента (винтовых свай или шнековых секций ) 4 выполняются на земле без подъема на высоту, без каких-либо дополнительных приставных лестниц или подмостей.

Таким образом, заявляемое устройство обеспечивает надежное и безопасное погружение рабочего инструмента (шнековой секции) в грунт без его осевого перемещения относительно патрона, расширяя тем самым свои технологические возможности.

Операция по соединению и рассоединению секций рабочего инструмента осуществляется быстро и не требует удерживания их в вертикальном положении.

Кроме того, заявляемое устройство позволяет за счет возможности подъема секции рабочего инструмента с земли или из транспортного средства, а также за счет сокращения времени закрепления секции рабочего инструмента в патроне вращателя значительно повысить производительность выполнения работ по подготовке к вращательному погружению секции рабочего инструмента в грунт, а также улучшить условия работы, так как все работы производятся не на высоте, а на земле, в непосредственной близости от места выполнения работ.

1. Устройство для вращательного погружения секции рабочего инструмента в грунт, содержащее вращатель, редуктор и патрон, выполненный в виде втулки, нижняя часть которого снабжена захватом и подпружиненными фиксаторами, отличающееся тем, что захват с фиксаторами выполнен в виде вилки, при этом ось каждого из фиксаторов диаметральна и перпендикулярна оси вращения патрона, а в верхней части полости патрона выполнен карман с цилиндрической проточкой и поперечным сквозным пазом, выполненным под поворотный фиксирующий элемент на оголовке секции рабочего инструмента, и подпружиненные фиксаторы снабжены фиксирующими стержнями и выполнены под продольные пазы на оголовке секции рабочего инструмента.

2. Секция рабочего инструмента, выполненная в виде корпуса с оголовком, отличающаяся тем, что она снабжена механизмом поворота, включающим две вращающиеся головки, кинематически связанные между собой, расположенные на внешней боковой поверхности секции рабочего инструмента в верхней и нижней его части и кинематически связанные с поворотным фиксирующим элементом на оголовке секции рабочего инструмента, включающим поперечный выступ, расположенный на верхнем конце оголовка, и продольные пазы, расположенные на его боковых поверхностях.

3. Секция рабочего инструмента по п. 2, отличающаяся тем, что секция рабочего инструмента может быть выполнена в виде штанги, шнековой секции или сваи.