Устройство для образования скважин в грунте

 

Устройство предназначено для образования скважин в грунте и может быть использовано для бестраншейной прокладки подземных коммуникаций. Устройство содержит корпус, ударник, наковальню и наконечник. Ударник размещен в корпусе и установлен с возможностью взаимодействия с наковальней. Наконечник кинематически связан с корпусом и установлен с возможностью ограниченного поворота относительно продольной оси симметрии корпуса не менее чем в двух плоскостях. Максимальный угол отклонения продольной оси симметрии наконечника от продольной оси симметрии корпуса не превышает 10^o. Технический результат заключается в повышении точности управления устройством в неоднородных во своему составу грунтах. 2 з.п. ф-лы., 3 ил.

Изобретение относится к горной промышленности и строительству, в частности к устройствам для образования скважин в грунте и может быть использовано при бестраншейной прокладке подземных коммуникаций под дорогами, взлетно-посадочными полосами аэродромов, а также при сооружении закрытого дренажа без повреждения покрытий на территории заводов, шахт и других предприятий.

Известно устройство для образования скважин в грунте, которое содержит корпус, размещенный в корпусе ударник и кинематически связанный с корпусом наконечник, который установлен с возможностью ограниченного поворота в любой плоскости относительного корпуса [1].

При встрече с препятствием наконечник поворачивается в плоскости, определяемой вектором силы реакции со стороны препятствия, и в направлении, определяемом этим же вектором. Ударную силу к наконечнику прикладывают в точке, которая лежит в плоскости поворота наконечника и смещена относительно линии центров масс устройства. К недостаткам известного устройства можно отнести нестабильность курса проходки, которая связана со сравнительно большой инерционностью возращения наконечника после его поворота в положение, при котором его продольная ось симметрии совпадает с продольной осью симметрии устройства. Указанное обстоятельство вызвано тем фактором, что после отклонения наконечника, которое вызвано встречей с твердым включением, наконечник недостаточно быстро возвращается в исходное положение под действием ударной нагрузки и за период возвращения наконечника в исходное положение устройство не может возвратиться на заданный курс, хотя и будет сохранять прямолинейное движение в грунтовом массиве.

Известно устройство для образования скважин в грунте, которое содержит корпус, размещенный в корпусе ударник, который установлен с возможностью взаимодействия с наковальней, и кинематически связанный с корпусом наконечник, который установлен с возможностью ограниченного поворота относительно продольной оси симметрии корпуса не менее чем в двух плоскостях [2].

К недостаткам известного устройства, выбранного в качестве ближайшего аналога, можно отнести значительное смещение курса его проходки от проектной оси после преодоления им препятствия. После встречи с препятствием, например, твердым включением, устройство восстанавливает свое прямолинейное движение в грунтовом массиве, но ось, определяющая направление его дальнейшего перемещения, оказывается смещенной относительно оси, определяющей направление его перемещения до встречи с препятствием. Указанное обстоятельство вызвано тем фактором, что при сравнительно больших углах отклонения продольной оси симметрии наконечника от продольной оси симметрии корпуса наконечник работает как грунтовый руль, который из-за неоднородности грунта в зоне преодоления препятствия не может обеспечить выход устройства на курс, максимально приближенный к первоначальному (до встречи с препятствием).

Изобретение направлено на решение задачи по созданию такого устройства для образования скважин в грунте, которое обеспечило бы снижение отклонения направления проходки после прохождения устройством от первоначального направления его движения и, следовательно, повысило стабильность проходки при образовании скважин в неоднородных грунтах. Технический результат, который может быть получен при реализации изобретения, заключается в повышении точности управления устройством для образования скважин в неоднородных по своему составу грунтах.

Поставленная задача решена за счет того, что в устройстве для образования скважин в грунте, включающем корпус, размещенный в корпусе ударник, который установлен с возможностью взаимодействия с наковальней, и кинематически связанный с корпусом наконечник, который установлен с возможностью ограниченного поворота относительно продольной оси симметрии корпуса не менее чем в двух плоскостях, максимальный угол отклонения продольной оси симметрии наконечника от продольной оси симметрии корпуса не превышает 10^o.

Кроме того, поставленная задача решена за счет того, что устройство для образования скважин в грунте выполнено с приспособлением для возврата наконечника при его отклонении от продольной оси симметрии корпуса. Наличие такого приспособления позволяет снизить инерционность системы возврата устройства на заданный курс после преодоления им препятствия.

Кроме того, поставленная задача решена за счет того, что приспособление для возврата наконечника при его отклонении от продольной оси симметрии корпуса выполнено в виде размещенной в зазоре между наконечником и корпусом шайбы из упругого материала, которая установлена с возможностью взаимодействия своими торцами соответственно с передним торцом корпуса и задним торцом наконечника. При таком варианте конструктивного выполнения устройства указанное приспособление кроме ускорения возврата наконечника в исходное положение после преодоления им препятствия дополнительно выполняет функции защитного элемента, препятствующего попаданию грунта в зазор между наконечником и корпусом.

На фиг. 1 изображено устройство для образования скважин в грунте; на фиг. 2 - то же при преодолении препятствия; на фиг. 3 - один из вариантов конструктивного выполнения устройства для образования скважин в грунте.

Устройство для образования скважин в грунте содержит корпус 1, в котором установлен с возможностью возвратно-поступательного перемещения ударник 2. Ударник 2 является одной из составных частей ударного механизма (на чертежах не изображен), обеспечивающего перемещение устройства в грунтовом массиве. Возвратно-поступательное перемещение ударника 2 может быть осуществлено, например, под действием сжатого воздуха или гидравлической жидкости под давлением с помощью распределительного узла любой известной конструкции. Ударник 2 установлен с возможностью взаимодействия своим торцом с наковальней 3. В передней части, то есть части, обращенной в сторону разрушаемого грунта, корпус 1 выполнено отверстие, в котором установлен наконечник 4. Наконечник 4 кинематически связан с корпусом 1. Кинематическая связь наконечника 2 с корпусом 1 может быть выполнена, например, в виде сферического шарнира 5, или любого известного соединения, обеспечивающего необходимую подвижность наконечника 4 относительно корпуса 1. Наковальня 3 и наконечник 4 закреплены на шарнире 5 и расположены оппозитно на его поверхности. Соединение наковальни 3 и наконечника 4 с шарниром 5 может быть выполнено разъемным, например, резьбовым, или неразъемным. Так на представленных графических материалах представлен вариант конструктивного выполнения устройства для образования скважин в грунте, при котором наковальня 3 и шарнир 5 выполнены за одно целое, а шарнир 5 соединен с наконечником 4 посредством резьбового соединения. Наконечник 4 установлен с возможностью ограниченного поворота относительно продольной оси симметрии корпуса 1 не менее чем в двух плоскостях. Наконечник 4 может совершать три вращательных движения, относительно корпуса 1 соответственно вокруг трех осей, пересекающихся в точке 0, которая является центром вращения. Для достижения поставленной цели наконечнику 4 достаточно иметь возможность поворота относительно корпуса 1 всего вокруг двух осей, пересекающихся в центре вращения 0 и не совпадающих с осью симметрии наконечника 4, то есть вращение наконечника 4 вокруг оси его симметрии не является обязательным. Угол () поворота наконечника 4 вокруг любой оси, проходящей через центр вращения 0 и не совпадающей с осью симметрии наконечника 4, ограничен. Указанное ограничение угла поворота наконечника 4 конструктивно реализуется, например, с помощью создания зазора определенной величины между обращенными друг к другу торцевыми поверхностями соответственно наконечника 4 и корпуса 1, то есть между задним торцом наконечника 4 и передним торцом корпуса 1. На основании проведенных исследований эмпирически установлено, что максимальный угол () отклонения продольной оси симметрии наконечника 4 от продольной оси симметрии корпуса 1 не должен превышать 10^o. Конкретная величина угла () выбирается в зависимости от физико-технических характеристик грунта, в котором осуществляется формирование скважины, от геометрических параметров устройства, от мощности ударного механизма и от прочих параметров и определяется выбором величины указанного зазора. Поворот наконечника 4 вокруг любой оси, проходящей через центр вращения 0, обеспечивается сферической поверхностью шарнира 5, охватываемой ответной сферической поверхностью корпуса 1 и кольцевым зазором, который образован между обращенными друг к другу торцевыми поверхностями соответственно наконечника 4 и корпуса 1.

Устройство для образования скважин в грунте может быть выполнено с приспособлением для возврата наконечника 4 при его отклонении от продольной оси симметрии корпуса 1. Указанное приспособление может быть выполнено, например в виде установленных в полости корпуса 1 упорных элементов (на чертежах не изображены) из упругого материала. Упорные элементы расположены коаксиально вокруг наковальни 3 и при повороте наконечника 4, а следовательно и наковальни 3, они, обладая определенной упругостью, будут взаимодействовать с наковальней 3 и ограничивать угол поворота наконечника 4 до заданной величины. Таким образом при преодолении препятствия упорные элементы (точнее часть их) будут находиться в сжатом состоянии, препятствуя дальнейшему отклонению наконечника 4 от продольной оси симметрии корпуса 1, а после преодоления препятствия группа упорных элементов, которая находится в контакте с боковой поверхностью наковальни 3, будет помогать возвращению наконечника 4 в исходное положение.

Наиболее предпочтительным является такой вариант конструктивного выполнения приспособления для возврата наконечника 4 при его отклонении от продольной оси симметрии корпуса 1, при котором оно выполнено в виде размещенной в зазоре между наконечником 4 и корпусом 1 шайбы 6 (фиг. 3) из упругого материала, которая установлена с возможностью взаимодействия своими торцами соответственно с передним торцом корпуса 1 и задним торцом наконечника 4. В качестве материала для изготовления шайбы 6 может быть использован, например, фторопласт. При этом упругость материала, из которого выполнена шайба 6, выбирается из условия возможности поворота наконечника 4 на максимальный угол ().

Устройство для образования скважин в грунте работает следующим образом.

При циклическом нанесении ударником 2 ударов по торцу наковальни 3 энергия удара передается на наконечник 4, который углубляясь в грунтовый массив увлекает за собой корпус 1. При встрече с препятствием 7 в грунте, например, валуном или остатками фундамента, наконечник 4 поворачивается вокруг центра вращения 0 в пределах угла (), величина которого не превышает 10^o. Поворот наконечника 4 осуществляется в плоскости, проходящей через центр вращения в точку, определяемую как область контакта наконечника 4 с препятствием 7, в направлении реактивной силы, действующей на наконечник 4 со стороны препятствия 7. В результате при взаимодействии торца наковальни 3 с ударником 2 возникает ударная сила, образующая по отношению к центру вращения 0 плечо, в связи с чем возникает ударный момент. Поскольку при повороте наконечника 4 взаимодействующая с препятствием 7 его наружная боковая поверхность и поверхность торца наковальни 3 находятся по разные стороны от продольной оси симметрии корпуса 1, которая проходит через центр вращения 0, то ударный момент стремится повернуть наконечник 4 в направлении, противоположном направлению реактивной силы. В то же время вследствие не центрального удара на корпус 1 действует момент, вращающий корпус 1 в плоскости в направлении поворота наконечника 4 под действием ударной силы. В результате этого препятствие 7 перемещается и/или разрушается (полностью или частично), а наконечник 4 возвращается в исходное положение, при котором его продольная ось симметрии совпадает с продольной осью симметрии корпуса 1. При этом устройство продолжает прямолинейное движение, как и до встречи с препятствием 7. Следует отметить, что процесс возвращения наконечника 4 в исходное положение займет некоторое время, во время которого наконечник 4 будет выполнять функции грунтового руля. В указанный период устройство из-за не симметричного расположения наконечника 4 отклонится от заданного направления проходки, а после возврата наконечника 4 в исходное положение, при котором его продольная ось симметрии совпадает с продольной осью симметрии корпуса 1, будет продолжать прямолинейное движение. Для минимизации отклонения направления перемещения устройства от заданного направления перемещения в грунтовом массиве после преодоления им препятствия 7 эмпирически определена величина максимального угла () отклонения наконечника 4, которая не превышает 10^o. В результате проведенных исследований установлено, что при превышении указанного ограничения угла ( ) отклонения наконечника 4 от продольной оси симметрии корпуса 1 происходит существенное изменение направления перемещения устройства после преодоления им препятствия 7.

При использовании приспособления для возврата наконечника 4 при его отклонении от продольной оси симметрии корпуса 1 устройство будет работать описанным выше образом. Однако, возврат наконечника 4 после его взаимодействия с препятствием 7 в исходное положение произойдет значительно быстрее и, следовательно, отклонение направления перемещения устройства для образования скважин в грунте после преодоления им препятствия 7 снизится. Так при одном из вариантов конструктивного выполнения указанного приспособления (фиг. 3) возвращению в исходное положение наконечника 4 после преодоления устройством препятствия 7 будет способствовать упругость материала, из которого выполнена шайба 6, находящаяся при повороте наконечника 4 в максимально сжатом состоянии. Кроме того, шайба 6 позволяет исключить проникновение грунта в зазор между обращенными друг к другу торцевыми поверхностями соответственно наконечника 4 и корпуса 1, что, во-первых, позволит обеспечить поворот наконечника 4 при работе в любых грунтах, и, во-вторых, снизить вероятность проникновения частиц грунта в полость корпуса 1 и тем самым повысить эксплуатационную надежность работы ударного механизма.

Формула изобретения

1. Устройство для образования скважин в грунте, включающее корпус, размещенный в корпусе ударник, который установлен с возможностью взаимодействия с наковальней, и кинематически связанный с корпусом наконечник, который установлен с возможностью ограниченного поворота относительно продольной оси симметрии корпуса не менее чем в двух плоскостях, отличающееся тем, что максимальный угол отклонения продольной оси симметрии наконечника от продольной оси симметрии корпуса не превышает 10^o.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно выполнено с приспособлением для возврата наконечника при его отклонении от продольной оси симметрии корпуса.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что приспособление для возврата наконечника при его отклонении от продольной оси симметрии корпуса выполнено в виде размещенной в зазоре между наконечником и корпусом шайбы из упругого материала, которая установлена с возможностью взаимодействия своими торцами соответственно с передним торцом корпуса и задним торцом наконечника.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3