ПНЕВМАТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО УДАРНОГО ДЕЙСТВИЯ ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ СКВАЖИН В ГРУНТЕ
PNEUMATIC IMPACT-ACTION DEVICE FOR DEVELOPMENT OF WELL IN SOIL

Изобретение относится к строительной технике и может быть применено для образования скважин в грунте.
Известно пневматическое устройство ударного действия (см., например, а.с. СССР №1108170, М.кл. E02D 7/02, 1984 г.), содержащее полый корпус, ступенчатый ударник с центральным сквозным каналом, разделяющий корпус на камеры рабочего, холостого ходов и камеру выпуска отработавшего воздуха, центральную сквозную трубу, пропущенную через сквозной канал ударника и закрепленную относительно корпуса со стороны хвостовика рабочего инструмента (зажимного устройства) и фланца, расположенного с противоположной хвостовику стороны. Внутренняя сквозная полость трубы предназначена для пропуска жесткого стержня.
Недостатком указанного и подобного ему устройства являются:
1) зависимость величины хода ударника от его длины - ударник длиннее в 2 и более раз его хода; 2) значительные габариты по длине и значительные подвижные массы; 3) одна из трех камер используется в качестве выпускной и с ее стороны импульс давления воздуха не формируется - в рабочем процессе используется только часть рабочих площадей ударника, как правило, со стороны организации рабочего хода ударника, что существенно снижает энергию удара, передаваемую хвостовику инструмента.
Известно пневматическое устройство ударного действия (см., например, патент РФ №2248268, МКл. В25В 9/04, E02F 5/16, 2004 г.), содержащее полый корпус с размещенным в нем бесступенчатым ударником с центральным сквозным каналом, разделяющим полость корпуса на камеры рабочего и холостого ходов, трубку с лысками на боковой ее поверхности и с продольным сквозным каналом, взаимодействующую с центральным каналом ударника, снабженную постоянно открытым дроссельным каналом впуска в камеру холостого хода, крышку с каналом перепуска и сквозным центральным отверстием для пропуска трубки, установленной в центральном отверстии крышки с кольцевым зазором, образующим дроссельный канал впуска в камеру рабочего хода, футорку с постоянно открытым каналом впуска и шлангом для подачи сжатого воздуха из сети, образованную между футоркой и крышкой, сообщенную постоянно каналом с сетью предкамеру, рабочий инструмент (кольцевая обечайка, надеваемая на торец трубы), хвостовик, входящий в камеру холостого хода канал выпуска в корпусе, стакан, охватывающий канал выпуска с зазором, образующим с корпусом кольцевой выпускной канал.
Недостатками указанного и подобного ему устройства являются:
1) радиальный канал выпуска в корпусе предопределяет наличие стакана, охватывающего канал выпуска с зазором, образующим с корпусом кольцевой выпускной канал, что обуславливает увеличение диаметрального сечения устройства и его массы; 2) хвостовик рабочего инструмента со стороны ударника представлен сплошным цилиндром с переходом в буртик и далее в кольцевое сечение, взаимодействующие с забиваемой трубой, что обуславливает наличие в сечениях переходов буртика концентраторов напряжений и при передаче ударных нагрузок понижает прочностные свойства сечений буртика и ресурса работы как хвостовика, так и устройства в целом; 3) лыски управления перепуском, выполненные на боковой поверхности трубки, предопределяют уменьшение диаметрального сечения трубки, что при взаимодействии с центральным каналом ударника предопределяет взаимные соударения и снижение ресурса работы трубки. Указанный недостаток усиливается консольным расположением трубки, что вызывает в ней изгибные напряжения, которые наиболее отрицательно проявляются в сечениях трубки на участках лысок и дополнительно усиливают отрицательное воздействие соударений с ударником на прочностное состояние диаметрального сечения трубки, приводящее к снижению ее ресурса.
Известно также пневматическое устройство ударного действия для образования скважин в грунте, которое является наиболее близким техническим решением по отношению к предлагаемому и принятое в качестве прототипа (см., например, заявку №2006126859/03 (029149) от 24.07.2006 г., М.кл. В25В 9/04, E02F 5/18, 2006 г. Решение от 08.02.2008 г. о выдаче патента РФ на изобретение с началом отсчета срока действия патента 24.07.2006 г.), содержит полый корпус с продольным дроссельным каналом, размещенным в корпусе бесступенчатым ударником с центральным сквозным каналом, разделяющим полость корпуса на камеры рабочего и холостого хода, центральную трубку, взаимодействующую с центральным сквозным каналом ударника, футорку с постоянно открытым каналом впуска и шлангом для подачи сжатого воздуха из сети, крышку с периферийным каналом и радиальным каналом перепуска и сквозным центральным отверстием для пропуска центральной трубки, образованную между футоркой и крышкой предкамеру сетевого воздуха, сообщенную периферийным каналом и продольным дроссельным каналом с камерой холостого хода и хвостовиком, входящим в камеру холостого хода, при этом хвостовик и футорка выполнены со сквозными каналами для пропуска центральной трубки, установленной в центральном отверстии крышки с кольцевым зазором, образующим кольцевой дроссельный канал впуска в камеру рабочего хода, радиальный выпускной канал, выполненный в центральной трубке под острым углом к ее оси с вершиной со стороны футорки, при этом центральная трубка уплотненно закреплена относительно хвостовика и футорки.
Прототипу свойственны недостатки.
При протягивании через машину канатов или цепей в трубке могут возникать деформации, которые будут проявляться на поверхности центральной трубки со стороны ударника, что приведет к заклиниванию ударника и остановке работы пневматического устройства.
При пневмотранспортировании грунта по каналу центральной трубки возможно попадание частиц грунта через канал выпуска в камеры рабочего и холостого ходов, что также приводит к быстрому износу ударника и центральной трубки.
Указанные недостатки прототипа можно исключить, если: в центральную трубку, взаимодействующую с центральным сквозным каналом ударника, установить коаксиально с зазором дополнительную трубку с радиальным выпускным каналом и с закреплением по ее торцам относительно центральной трубки, при этом радиальный выпускной канал в дополнительной трубке выполнить под острым углом к ее оси с вершиной в сторону футорки и сместить по винтовой линии относительно радиального выпускного канала центральной трубки в сторону футорки.
Техническая задача решается тем, что пневматическое устройство ударного действия для образования скважин в грунте включает полый корпус с продольным дроссельным каналом, размещенным в корпусе бесступенчатым ударником с центральным сквозным каналом, разделяющим полость корпуса на камеры рабочего и холостого хода, центральную трубку, взаимодействующую с центральным сквозным каналом ударника, футорку с постоянно открытым каналом впуска и шлангом для подачи сжатого воздуха из сети, крышку с периферийным каналом и радиальным каналом перепуска и сквозным центральным отверстием для пропуска центральной трубки, образованную между футоркой и крышкой предкамеру сетевого воздуха, сообщенную периферийным каналом и продольным дроссельным каналом с камерой холостого хода и хвостовиком, входящим в камеру холостого хода, при этом, хвостовик и футорка выполнены со сквозными каналами для пропуска центральной трубки, установленной в центральном отверстии крышки с кольцевым зазором, образующим кольцевой дроссельный канал впуска в камеру рабочего хода, радиальный выпускной канал, выполненный в центральной трубке под острым углом к ее оси с вершиной со стороны футорки, а центральная трубка уплотненно закреплена относительно хвостовика и футорки, причем в центральной трубке установлена коаксиально с кольцевым зазором дополнительная трубка с радиальным выпускным каналом и с закреплением по ее торцам относительно центральной трубки, при этом радиальный впускной канал в дополнительной трубке выполнен под острым углом к ее оси с вершиной со стороны футорки и смещен по винтовой линии относительно радиального выпускного канала центральной трубки в сторону футорки.
Выполнение предлагаемого пневматического устройства ударного действия для образования скважин в грунте поясняется чертежом, на котором показано устройство с частичным продольным разрезом с центральной трубкой, в которой установлена коаксиально с зазором дополнительная трубка с радиальным выпускным каналом и с закреплением по ее торцам относительно центральной трубки, при этом радиальный выпускной канал в дополнительной трубке смещен по винтовой линии относительно радиального выпускного канала центральной трубки в сторону футорки.
Пневматическое устройство ударного действия содержит полый корпус 1 с размещенным в нем бесступенчатым ударником 2 с центральным сквозным каналом 3, камеру 4 рабочего и камеру 5 холостого ходов, центральную трубку 6 и дополнительную трубку 7. Дополнительная трубка 7 установлена коаксиально с кольцевым зазором 8, закреплена по ее торцам относительно трубки 6, имеет радиальный выпускной канал 9, выполненный под острым углом к ее оси и смещенный по винтовой линии относительно радиального выпускного канала трубки 6.
В корпусе 1 выполнен продольный дроссельный канал 10 впуска воздуха в камеру 5 холостого хода. Центральная трубка 6 взаимодействует с центральным сквозным каналом 3 ударника 2,  установлена со стороны камеры 4 рабочего хода в центральном сквозном отверстии 11 неподвижной крышки 12 и образует кольцевой дроссельный канал 13 впуска в камеру рабочего хода.
Хвостовик 14 снабжен сквозным каналом 15, в котором установлена центральная трубка 6, уплотненно закрепленная относительно хвостовика 14 и футорки 16.
Футорка 16 снабжена сквозным впускным каналом 17 с установленным в нем ниппелем с воздухоподводящим каналом 18 подачи сжатого воздуха из сети.
В крышке 12 выполнен радиальный канал 19 перепуска воздуха в кольцевой дроссельный канал 13 впуска и периферийный канал 20 впуска в продольный дроссельный канал 10 корпуса 1. Между крышкой 12 и футоркой 16 образована предкамера 21 сетевого воздуха. Центральная трубка 6 снабжена радиальным выпускным каналом 22 для выпуска отработавшего воздуха из камер 4 и 5 в кольцевой зазор 8 между центральной трубкой 6 и дополнительной трубкой 7 и далее в радиальный выпускной канал 9 и сквозной канал 23 дополнительной трубки. Центральная трубка 6 относительно хвостовика 14 и футорки 16 закреплена уплотнительными кольцами 24 и 25, а дополнительная трубка 7 закреплена уплотнительными кольцами 26 и 27 относительно центральной трубки 6, чем достигается увеличение ресурса крышки, трубки и пневмоударного устройства в целом, поскольку генерируемые ударные нагрузки, передаваемые ударником хвостовику и корпусу, снижаются благодаря виброизолирующим (амортизационным и демпферным) свойствам резиновых уплотнительных колец.
Если пневматическое устройство ударного действия используется, например, для лидерной или прямой проходки скважины, то сквозной канал 23 используется для пневмотранспортирования грунта, поступающего через входное отверстие 28 корпуса 1 в сквозной канал 23 непосредственно через отверстие 29 трубки со стороны футорки 16 и посредством пневмотранспортной трубы 30 к месту укладки грунта в отвал или транспортное средство. Пневмотранспорт может быть организован по методу «нагнетания» или «всасывания», которые широко известны.
Перекрытие среза радиального выпускного канала 9 выпуска дополнительной трубки 7 предохраняет от попадания частиц грунта в зазор 8 и через радиальный выпускной канал 22 трубки 6 в камеры 4 и 5, что способствует поддержанию расчетного ресурса устройства. При этом срезы радиальных выпускных каналов 22 и 9 в трубках 6 и 7, выполненные под острым углом к их осям с вершинами со стороны футорки, а также их смещение по винтовой линии относительно друг друга способствует непопаданию частиц грунта в камеры 4 и 5.
Пневматическое устройство ударного действия работает следующим образом.
При подаче сжатого воздуха по шлангу 18 через постоянно открытый канал впуска 17 он поступает в предкамеру 21 сетевого воздуха и далее в камеру 4 рабочего хода по радиальному каналу 19 и кольцевому дроссельному каналу 13 впуска, образованному зазором между поверхностями центрального отверстия крышки 12 и боковой поверхностью центральной трубки 6.
Одновременно сетевой воздух из предкамеры 21 поступает через периферийный канал 20 впуска в крышке 12 и посредством продольного дроссельного канала 10 впуска в стенке корпуса 1 - в камеру 5 холостого хода.
Давление воздуха в камере 4 рабочего хода будет практически равным атмосферному давлению, так как площадь проходного сечения радиального выпускного канала 22 выпуска в стенке центральной трубки 6 и кольцевого зазора 8 с радиальным выпускным каналом 9 в дополнительной трубке 7 имеют площадь проходного сечения, значительно превышающую площадь проходного сечения кольцевого дроссельного канала 13 впуска.
В камере 5 холостого хода, поскольку радиальный выпускной канал 22 закрыт, давление воздуха увеличивается, и ударник 2 начнет перемещаться от хвостовика 14, совершая холостой ход.
При последующем перемещении ударник 2 перекроет своей боковой поверхностью канал 22 выпуска, вследствие чего начнется увеличение давления воздуха, отсеченного в камере 4 рабочего хода, а также воздуха, вновь натекающего в эту камеру через кольцевой дроссельный канал 13 впуска из предкамеры 21.
Продолжая движение, ударник 2 отсекающей ступенью со стороны камеры 5 откроет радиальный выпускной канал 22, и из нее начнется выпуск отработавшего воздуха в кольцевой зазор 8, далее в радиальный выпускной канал 9 и сквозной канал 23 непосредственно через отверстие 29 и посредством пневмотранспортной трубы 30 - в атмосферу. Давление воздуха в камере 5 холостого хода устанавливается на уровне атмосферного, поскольку проходное сечение радиального выпускного канала 22, кольцевого зазора 8 и радиального выпускного канала 9 существенно больше проходного сечения продольного дроссельного канала 10 впуска.
По мере совершения ударником 2 холостого хода давление воздуха в камере 4 рабочего хода будет увеличиваться. Под действием разности импульсов давлений воздуха в камерах 4 и 5 ударник 2 будет затормаживать свое перемещение и остановится в расчетном положении. Далее под действием импульса давления со стороны камеры 4 рабочего хода ударник 2 начнет ускоренно перемещаться в сторону хвостовика 14, совершая рабочий ход.
По мере перемещения ударника 2 давление воздуха в камере 4 будет уменьшаться. Это будет вызвано тем, что быстро увеличивающийся объем камеры 4 при рабочем ходе не успевает заполняться сетевым воздухом, поступающим из предкамеры 21 сетевого воздуха через радиальный канал 19 и кольцевой дроссельный канал 13 впуска.
При дальнейшем перемещении ударника 2 его торец со стороны камеры 5 перекроет радиальный выпускной канал 22, после чего в камере 5 холостого хода начнется процесс сжатия отсеченного в ней воздуха и воздуха, поступающего по продольному дроссельному каналу 10 в корпусе 1.
При последующем движении ударник отсекающей ступенью со стороны камеры 4 откроет радиальный выпускной канал 22 и из камеры рабочего хода начнется выпуск отработавшего воздуха через кольцевой зазор 8, радиальный выпускной канал 9 в сквозной канал 23 и далее в атмосферу.
В периоды рабочего и холостого ходов ударника расчетный рабочий режим устройства будет выполняться благодаря уплотнениям 24, 25 и 26, 27, обеспечивающим устойчивые характеристики воздуха в объемах камер 4 и 5, которые формируют энергетические показатели устройства.
Преодолевая импульс противодавления воздуха со стороны камеры 5 холостого хода под действием разницы импульсов давления воздуха со стороны камер 4 и 5, ударник 2 наносит удар по хвостовику 14. Далее ударный импульс передается корпусу 1. Под действием указанного импульса корпус 1 будет погружаться в грунт, заполняя через входное отверстие 28 в корпусе пространство сквозного канала 23 измельченными, смешанными с воздухом частицами грунта, который будет пневмотранспортной трубой 30 удаляться к месту разгрузки. В этом случае существенно снижается лобовое сопротивление грунта, уплотняемого в стенки скважины, что значительно уменьшит общее сопротивление перемещению корпуса и повысит производительность процесса образования скважины.
После соударения ударника 2 с хвостовиком 14 рабочий процесс пневматического устройства ударного действия будет повторяться с той лишь разницей, что очередной холостой ход ударника будет осуществляться с использованием импульса отскока, который может достигать 20% от величины ударного импульса.