ГИДРОРАСКАЛЫВАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО

Предлагаемая полезная модель относится к горной промышленности, в частности, к гидрораскалывающим устройствам.
Полезная модель может быть использована для безвзрывного отделения от массива монолитных блоков пород при добыче природного камня, проходке горных выработок и т.д., а также направленного разрушения и разупрочнения различных объектов за счет создания в них трещин в заданном направлении.
Известно устройство для направленного разрушения монолитных объектов, содержащее разъемный корпус с кольцевыми проточками у краевых частей на внутренних поверхностях и трубчатую, эластичную камеру, а также элементы для подвода рабочей жидкости (а.с. СССР №1767174 кл. Е21С 37/10, 1992).
Недостатками известного решения являются:
- малый срок службы устройства, что связано с преждевременным разрывом рабочей камеры,
- низкая надежность закрепления рабочей камеры на подводящем штуцере.
Известно гидрораскалывающее устройство, включающее разъемный вдоль своей продольной оси корпус с проточками на внутренней поверхности для размещения в них соединительных элементов, трубчатую эластичную камеру, коаксиально установленную внутри разъемного корпуса, а также распирающие вставки, установленные в зазоре между частями разъемного корпуса и взаимодействующие с эластичной камерой, и средства фиксации эластичной камеры в корпусе и соединения ее с подводящей магистралью размещены в полости, образованной кольцевой проточкой корпуса (пат. США №4690460, кл. Е21С 37/10, 1985 г).
Однако, известное решение не позволяет предотвратить разрыв эластичной трубчатой камеры в процессе работы устройства в момент образования трещины в разрушаемом объекте.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является гидрораскалывающее устройство, содержащее разъемный вдоль своей продольной оси корпус с кольцевыми полостями у его торцов, установленный на частях корпуса механизм их возврата в нерабочее положение, расположенную внутри разъемного корпуса эластичную камеру, распирающие вставки, размещенные между частями разъемного корпуса со стороны плоскости разъема и взаимодействующие с ними и с эластичной камерой, торцевые запорные цилиндрические фланцы со штуцером подвода рабочего агента в эластичную камеру, установленным на ее конце и имеющим ограничитель объема рабочего агента, корпус которого выполнен с продольной прорезью и содержит втулку, взаимодействующий с ней посредством преднапряженного управляющего элемента подпружиненный толкатель, контактирующий с запорным элементом, и взаимодействующий с ним упорный элемент, причем преднапряженный управляющий элемент установлен в открытой с одной стороны продольной прорези корпуса ограничителя объема рабочего агента и контактирует с внутренней стенкой эластичной камеры, и кольцевые уплотнители и шайбы, расположенные на эластичной камере и в кольцевых полостях корпуса (см. патент РФ №2131033, по кл. Е21С 37/10, 1999 г)
Недостатками известного решения являются:
- невозможность проведения интегрального контроля положения камеры в процессе работы устройства из-за одностороннего контакта преднапряженного управляющего элемента с внутренней поверхностью эластичной камеры, а следовательно, точного определения момента ее разрыва;
нестабильность работы ограничителя рабочего хода пуансонов гидрораскалывающего устройства, поскольку преднапряженный и дополнительно подпружиненный управляющий элемент, в процессе хранения и работы деформируется сам и деформирует (изгибает) длинную консоль корпуса ограничителя, на которую он передает нагрузку от пружины и эластичной камеры, что также приводит к разрыву последней или преждевременному прекращению работы гидрораскалывающего устройства.
- неудобство регулировки ограничителя рабочего хода пуансонов, т.к. для этого его необходимо извлекать из предварительно разобранного гидрораскалывающего устройства, что приводит к непроизводительной потере рабочего времени.
- нестабильная работа механизма возврата пуансонов в нерабочее положение из-за недостаточной упругости пружин.
- неравномерность расхождения пуансонов, приводящая к уменьшению их фактического рабочего хода.
- неудобство сборки из-за трудности размещения концов эластичной камеры в полости герметизирующих обойм.
Задачами, решаемыми предлагаемой полезной моделью, являются, создание гидрораскалывающего устройства позволяющего:
- обеспечить проведение интегрального контроля положения стенок камеры;
- повысить надежность работы устройства за счет увеличения срока службы эластичной камеры, и предотвращения ее разрывов;
-увеличить срок службы, ремонтопригодность и удобство эксплуатации гидрораскалывающего устройства.
Технический результат в предлагаемой полезной модели достигают созданием гидрораскалывающего устройства, содержащего разъемный вдоль своей продольной оси корпус с кольцевыми полостями у его торцов, установленный на частях корпуса механизм их возврата в нерабочее положение, расположенную внутри разъемного корпуса эластичную камеру, распирающие вставки, размещенные между частями разъемного корпуса со стороны плоскости разъема и взаимодействующие с ними и с эластичной камерой, торцевые герметизирующие обоймы с цилиндрическими фланцами со штуцером подвода рабочего агента в эластичную камеру и штуцером вытеснения из этой камеры воздуха, расположенный между штуцерами ограничитель объема рабочего агента, имеющий корпус с продольной прорезью, содержащий втулку, взаимодействующий с ней посредством управляющего элемента подпружиненный толкатель, контактирующий с управляющим элементом, и взаимодействующий с ним упорный элемент, причем управляющий элемент установлен в продольной прорези корпуса ограничителя объема рабочего агента и контактирует с внутренней стенкой эластичной камеры, кольцевые конусные уплотнители и ответные им шайбы, расположенные во фланцах герметизирующих обойм на эластичной камере и в кольцевых полостях корпуса, в котором, согласно полезной модели, один конец корпуса ограничителя объема рабочего агента соединен со штуцером подачи рабочего агента посредством толкателя, установленного с возможностью перемещения по осевым каналам корпуса и штуцера, снабженного канавками для пропуска рабочего агента, а другой конец корпуса ограничителя свободно размещен в канале штуцера вытеснения воздуха и связан с втулкой, при этом втулка и примыкающий к ней конец корпуса имеют отверстия для пропуска рабочего агента и/или воздуха, при этом управляющий элемент выполнен в виде многозвенного шарнирного механизма, при этом прорезь корпуса ограничителя объема рабочего агента выполнена сквозной и имеет на внутренней поверхности продольные направляющие пазы, в которых с возможностью перемещения по ним размещены торцы осей вращения управляющего элемента, выполненного в виде звеньев шарнирного механизма, причем шарнирные звенья попарно сочленены и выступающие из прорези места сочленения имеют контакт с эластичной камерой по диаметрально противоположным линиям, по крайней мере, в двух точках, причем другие концы шарнирных звеньев расположены на оси корпуса ограничителя объема рабочего агента.
Предлагаемое устройство позволяет ужесточить конструкцию ограничителя рабочего объема, а также исключить одностороннюю, не скомпенсированную нагрузку на корпус ограничителя и, как следствие, обеспечить возможность точного интегрального контроля рабочего хода пуансонов.
Контактирующий по двум диаметрально расположенным линиям с эластичной камерой управляющий элемент, выполненный в виде многозвенного шарнирного механизма позволяет также увеличить точность регулировки, благодаря тому, что заданное регулируемое перемещение запорного элемента (шарика) до перекрытия им впускного отверстия штуцера кратно количеству выступающих сочленений шарнирного механизма, а в его жестких звеньях практически отсутствуют какие-либо искажающие регулировку деформации.
В предлагаемой полезной модели звенья многозвенный шарнирного механизма имеют одинаковую длину, а длина осей шарнирных сочленений, контактирующих с внутренней поверхностью эластичной камеры превышает ширину продольной прорези корпуса.
Это упрощает конструкцию и исключает возможность расположения звеньев шарнирного механизма по оси корпуса ограничителя, препятствующего работе управляющего элемента.
С обеих сторон прорези корпуса для размещения торцов осей выступающих сочленений выполнены пазы, оси которых совпадают по направлению с осями сочленений.
Это позволяет уменьшить габариты ограничителя и упростить его сборку и установку между штуцерами гидрораскалывающего устройства.
Установленная в штуцере втулка выполнена регулировочной с возможностью ее перемещения вдоль продольной оси штуцера, например, посредством резьбового соединения, а отверстия для пропуска воздуха и/или рабочего агента расположены вдоль оси регулировочной втулки и корпуса ограничителя.
Это позволяет не только оптимально регулировать ход пуансонов, но и не разбирать при этом гидрораскалывающее устройство, т.к. для регулировки достаточно выкрутить заглушку штуцера.
Каждая из частей разъемного корпуса выполнена составной, состоящей из по крайней мере, трех частей, соединяемых между собой разъемным соединением, при этом торцевые и срединную части элементов разъемного корпуса соединяют между собой, винтом, головка которого не имеет выступов над поверхностью элементов корпуса.
Это позволяет за счет «податливости» байонетного соединения элементов корпуса существенно уменьшить концентрацию напряжений в кольцевых полостях пуансонов и устранить возможный проворот элементов относительно друг от друга.
Механизм возврата частей корпуса в нерабочее положение выполнен в виде, по крайней мере, двух преднапряженных плоских пружин с каждого торца корпуса и/или возвратных пружин.
Дополнительное предварительное напряжение пружин позволяет в существующих габаритах гидрораскалывающего устройства обеспечить стабильность возврата его частей в нерабочее положение и уменьшить время возврата.
Уплотняющая шайба выполнена с направляющим пазом, расположенным на ее торце со стороны распирающих вставок параллельно плоскости разъема частей корпуса, при этом торцы распирающих вставок снабжены выступами, соответствующими этому пазу.
Это обеспечивает равномерное расхождение пуансонов, увеличивает срок службы и производительность работы гидрораскалывающего устройства.
Крепление штуцеров к концам эластичной камеры выполнено при помощи торцевых герметизирующих обойм, имеющих на контактирующей с эластичной камерой внутренней поверхности резьбу, при этом концы эластичной камеры зафиксированы и обжаты между резьбовой поверхностью обойм и конусными концами штуцеров.
Это повышает ремонтопригодность гидрораскалывающего устройства, так как резьба в полости герметизирующих обойм позволяет легко «ввинчивать» конец эластичной камеры в обойму, а не запрессовывать, преодолевая сопротивление кольцевых выступов, как это было в прототипе.
Проведенные патентные исследования показали, что не известны технические решения с указанной совокупностью существенных признаков, в аналогичных гидрораскалывающих устройствах, т.е. предлагаемое решение, соответствует критерию «новизна».
Считаем, что сведений, изложенных в материалах заявки, достаточно для практического осуществления изобретения.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется нижеследующим описанием и чертежами, где:
На фиг.1 представлен продольный разрез устройства при сомкнутых разъемных частях корпуса (пуансонах) в варианте выполнения их составными, соединяющимися посредством байонетного соединения;
на фиг.2 - сечение по А.А фиг.1
на фиг.3 - представлен продольный разрез устройства в рабочем состоянии при закрытом клапане;
на фиг.4 - сечение по Б-Б фиг.3
на фиг.5 - сечение по В-В фиг.2 (принципиальная схема поперечного сечения гидрораскалывающего устройства (сечение по В-В повернуто);
на фиг.6 - показано байонетное соединение между торцевого и срединного элементов каждого пуансона;
на фиг.7 вид по Д-Д фиг.1
на фиг.8 - сечение по Г-Г фиг.3
на фиг.9 - вид Е-Е
на фиг 10 - вид I на фиг.8
Гидрораскалывающее устройство состоит из разъемного вдоль своей продольной оси корпуса 1 (пуансонов), установленной внутри него коаксиально эластичной камеры 2, распирающих вставок 3, размещенных со стороны плоскости разъема корпуса 1 и в плоскости, перпендикулярной его продольной оси, ограничителя объема рабочего агента, предназначенного для регулирования величины хода раздвигающихся в процессе рабочего цикла (пуансонов) частей разъемного корпуса и механизм возврата частей корпуса в нерабочее положение.
При этом распирающие вставки имеют трапецеидальное сечение, а их боковая грань, образованная наибольшим основанием трапеции, контактирует с эластичной камерой 2, а грани, образованные боковыми сторонами трапеции - с поперечными скосами на внутренних стенках пуансонов 1.
Наружная поверхность эластичной камеры 2 может быть соединена с внутренней поверхностью разъемных частей корпуса 1 (пуансона) и/или распирающими вставками 3 посредством упругой связи, например путем склеивания.
Устройство имеет также штуцер 4 подвода рабочего агента в эластичную камеру и штуцер 5 вытеснения из этой камеры с конусообразными концами, размещаемыми в корпусе 1 гидрораскалывающего устройства
Штуцеры 4 и 5 закреплены на концах эластичной камеры 2 при помощи герметизирующих обойм 6, которые имеют на контактирующей с эластичной камерой внутренней поверхности резьбу для фиксации и обжатия концов эластичной камеры.
Между штуцерами 4 и 5 установлен ограничитель объема рабочего агента, предназначенный для регулирования величины хода раздвигающихся в процессе рабочего цикла (пуансонов) частей разъемного корпуса 1 путем перекрытия канала подвода рабочего агента в эластичную камеру 2.
Ограничитель объема рабочего агента состоит из корпуса 7 со сквозной продольной прорезью 8, толкателя 9 с выемкой 10, запорного элемента, например, шарика 11, контактирующего с выемкой 12, преднапряженной пружины 13, расположенной между шариком 11 и упорным элементом 14, который имеет резьбовое соединение со штуцером 4, размещенного в прорези 8, управляющего элемента, выполненного в виде многозвенного шарнирного механизма, регулировочной втулки 15, имеющей резьбовое соединение со штуцером 5, и имеющий контакт с корпусом 7.
Многозвенный шарнирный механизм соединен со штуцером 4 посредством толкателя 9, установленного с возможностью перемещения по осевым каналам корпуса 7 и штуцера 4, снабженного канавками 16 для пропуска рабочего агента.
Второй конец корпуса 7 размещен в канале штуцера 5 с возможностью перемещения вдоль этого канала и контактирует с регулировочной втулкой 17.
При этом регулировочная втулка 17 и примыкающий к ней конец корпуса 7 имеют отверстия для пропуска рабочего агента и/или воздуха (на черт не показ.)
Звено 18 многозвенного шарнирного механизма установлено в осевом канале 7 с возможностью перемещения вдоль этого канала совместно с толкателем 9, а звено 19 контактирует с торцом прорези 8 в противоположной части корпуса 7.
Прорезь 8 имеет на внутренней поверхности продольные направляющие пазы 21, в которых, с возможностью перемещения по ним, размещены торцевые выступы осей вращения звеньев 22 шарнирного механизма, а выступающие из прорези 8 сочленения 23 этого механизма контактируют с эластичной камерой 2 по диаметрально противоположным линиям, по крайней мере, в двух точках.
Звенья шарнирного механизма имеют одинаковую длину, длина осей шарнирных сочленений 23, контактирующих с внутренней поверхностью эластичной камеры превышает ширину продольной прорези 8 корпуса 7.
В прорези с обеих сторон корпуса для размещения торцов осей выступающих сочленений 23 выполнены пазы 24, оси которых совпадают по направлению с осями сочленений 23.
Каждая из частей (пуансон) разъемного корпуса 1 может быть выполнена составной, состоящей из, по крайней мере, из трех частей, соединяемых между собой разъемным соединением.
В результате соединения торцевой 25 и срединной 26 частей корпуса 1 образуют кольцевую полость 27.
Для герметизации эластичной камеры 2 в корпусе в кольцевой полости 27 установлены кольцевой конусный уплотнитель 28, контактирующий с торцевым запорным фланцем 29 и с герметизирующей обоймой 30, и ответная фланцу шайба 31
Для предотвращения взаимного поворота торцевой 25 и срединной 26 частей элементов разъемного корпуса 1 может быть использован винт 32, головка которого не имеет выступов над поверхностью элементов корпуса 1.
Наиболее эффективным видом соединения частей 25 и 26 каждого из элементов разъемного корпуса 1 является известное из литературы байонетное.
На корпусе 1 установлен механизм возврата в нерабочее положение смежных элементов корпуса
Механизм возврата может быть выполнен, в зависимости от мощности предлагаемого устройства, или в виде двух преднапряженных возвратных пружин 33 (при большом диаметре раскалывающего устройства), или в виде двух плоских преднапряженных пружин с каждого торца корпуса..
Гидрораскалывающее устройство работает следующим образом.
Предварительно собранное гидрораскалывающее устройство с помощью регулировочной втулки 17 регулируют на заданное перемещение (ход) пуансонов 1, после чего подключают его к гидравлическому шлангу и размещают в скважине.
Подаваемый через штуцер 4 рабочий агент расширяет рабочую эластичную камеру 2, передавая усилия, как непосредственно через пуансоны 1, так и через распирающие вставки 3.
Стенки эластичной трубчатой камеры 2, расширяясь под воздействием рабочего агента, за счет расположения боковых стенок кольцевого конусного уплотнителя 28 под острым углом друг к другу обеспечивают прижатие шайбы 10 к плоским основаниям кольцевой полости 27, приводя к надежному закреплению концов эластичной камеры 2 на конусах штуцеров 4 и 5.
Управляющий элемент отслеживает перемещение внутренней стенки эластичной камеры 2, вызывая перемещение подпружиненного толкателя 9 в направлении от торцевой части устройства к серединной, перекрывая постепенно подводящий канал штуцера 4.
Достигнув предварительно заданной величины перемещения, запорный элемент 11 перекрывает подводящий канал, и прекращает поступление рабочего агента во внутреннюю полость эластичной камеры 2.
Ограничитель рабочего хода является эффективным средством защиты гидрораскалывающего устройства, предотвращающим разрыв эластичной камеры 2 при раскрытии сформированной трещины сверх допустимой величины путем ограничения перемещения разъемных частей корпуса 1, не превышающего предварительно заданную регулировкой ограничителя величину, при которой эластичная камера остается герметичной внутри разъемного корпуса устройства.
Осуществив формирование трещины в процессе рабочего цикла, давление рабочего агента сбрасывают до нуля, при этом все подвижные части силового элемента под действием механизма возврата 33, а также упругости эластичной камеры 2, связанной с распирающими вставками 3 и разъемными частями корпуса 1 посредством клеевого соединения, возвращаются в первоначальное положение.