ГИДРОРАСКАЛЫВАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО

Предлагаемая полезная модель относится к горной промышленности, в частности, к гидрораскалывающим устройствам (ГРУ) и 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 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. E21C 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.
Известно 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. E21C 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.
Наиболее близким по Технической сущности к предлагаемому решению является гидрораскалывающее устройство (ГРУ), 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 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, имеющим 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, при этом один конец корпуса ограничителя объема рабочего агента соединен со штуцером подвода рабочего агента посредством толкателя, установленного с возможностью перемещения по осевым каналам корпуса и штуцера, и снабженного канавками для пропуска рабочего агента, а противоположный конец корпуса ограничителя свободно размещен в канале штуцера отвода воздуха и контактирует с втулкой, при этом последняя и примыкающий к ней конец корпуса имеют отверстия для пропуска рабочего агента и/или воздуха (см. патент РФ ПМ №85552 по кл. Е21С 37/10, 2009)
Недостатками известного решения являются:
- многозвенный управляющий элемент весьма сложен в изготовлении, так как необходимо с высокой точностью изготовить его миниатюрные детали (центральные оси вращения с упорами, оси вращения в зонах контакта с эластичной камерой, звенья шарнирного механизма, корпус управляющего элемента с внутренними продольными и поперечными пазами);
- на всех шарнирных соединениях накапливаются люфты, снижающие точность регулировки рабочего хода разъемных частей корпуса, что приводит либо к разрыву эластичной камеры, либо к существенному уменьшению рабочего хода;
- касание звеньев шарнирного механизма осуществляется не в диаметрально противоположных точках эластичной камеры, а в точках, которые смещены друг относительно друга вдоль оси камеры, что также уменьшает точность регулирования рабочего хода из-за проскальзывания шарнирных соединений вдоль продольной оси камеры;
- конец корпуса управляющего элемента жестко соединен с торцом штуцера для подвода рабочего агента (запрессован в канал штуцера), это приводит к тому, что очень сложно сориентировать прорезь корпуса и упоры многозвенного механизма в процессе установки (ввинчивания) узла «штуцер-управляющий элемент» внутрь эластичной камеры и герметизирующей обоймы в процессе сборки ГРУ.
Это приводит к тому, что плоскость, в которой управляющий элемент касается стенок эластичной камеры, может не совпадать с продольными плоскостями симметрии трапецеидальных вставок, перемещение которых друг относительно друга максимально и легче обеспечивает точность регулирования рабочего хода разъемного корпуса.
Это не только снижает точность регулирования рабочего хода, но и не позволяет стандартизировать положение регулирующей втулки для различных ГРУ, вызывая необходимость индивидуальной регулировки каждого ГРУ, что удлиняет время сборки ГРУ и увеличивает затраты на их производство.
Техническим результатом, решаемым предлагаемой полезной моделью, является создание гидрораскалывающего устройства, обеспечивающего высокую точность регулирования рабочего хода разъемных частей корпуса с максимальным рабочим ходом.
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, имеющим 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, при этом один конец корпуса ограничителя объема рабочего агента соединен со штуцером подвода рабочего агента посредством толкателя, установленного с возможностью перемещения по осевым каналам корпуса и штуцера, и снабженного канавками для пропуска рабочего агента, а противоположный конец корпуса ограничителя свободно размещен в канале штуцера отвода воздуха и контактирует с втулкой, при этом последняя и примыкающий к ней конец корпуса имеют отверстия для пропуска рабочего агента и/или воздуха, в котором, согласно полезной модели, управляющий элемент ограничителя объема рабочего агента выполнен в виде, по крайней мере, двух симметрично расположенных относительно продольной оси эластичной камеры ветвей упругого механизма, которые, по крайней мере, в двух местах жестко связаны друг с другом, и, по крайней мере, на одном участке диаметрально разведены и образуют замкнутую симметричную пружину округлой формы, при этом концы корпуса управляющего элемента размещены с возможностью вращения в торцах штуцеров для подвода рабочего агента и отвода воздуха, а выступающие из прорези выпуклости ветвей упругого механизма контактируют с эластичной камерой, по крайней мере, в двух диаметрально противоположных точках, и концы управляющего элемента, размещенные в осевых каналах корпуса и штуцеров дополнительно снабжены, по крайней мере, одним центрирующим отрезком.
Предлагаемая полезная модель обеспечивает стабильную деформацию упругой системы управляющего элемента и ее трансформацию в линейное перемещение торца управляющего элемента, контактирующего с запорным элементом (шариком) за счет того что касание управляющего элемента осуществляют в точках контакта с эластичной камерой, расположенных диаметрально противоположно относительно оси камеры.
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 полезной модели.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется нижеследующим описанием и чертежами, где:
На фиг. 1 представлен продольный разрез устройства при сомкнутых разъемных частях корпуса (пуансонах);
на фиг. 2 - представлен продольный разрез устройства в рабочем состоянии;
на фиг. 3-сечение по А.А фиг. 1;
на фиг. 4 - сечение по Б-Б фиг. 1;
на фиг. 5 вид по В-В фиг. 2.
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 и герметизирующих обойм 4.
При этом распирающие вставки 3 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.
Устройство имеет также штуцер 5 подвода рабочего агента в эластичную камеру и штуцер 6 отвода воздуха из камеры с конусообразными концами, размещаемыми в корпусе 1 гидрораскалывающего устройства
Штуцеры 5 и 6 закреплены на концах эластичной камеры 2 при помощи герметизирующих обойм 6, которые имеют контакт с эластичной камерой
Между штуцерами 5 и 6 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 10, преднапряженной пружины 12, расположенной между шариком 11 и упорным элементом 13, который имеет соединение со штуцером 5, размещен в прорези 8, управляющего элемента.
Управляющий элемент ограничителя объема рабочего агента выполнен в виде, по крайней мере, двух симметрично расположенных от продольной оси корпуса 7 ветвей 14 и 15 упругого механизма, в котором, по крайней мере, в двух места ветви 14 и 15 жестко связанны друг с другом, и, по крайней мере, на одном участке диаметрально разведены и образуют замкнутую симметричную пружину округлой формы.
Места жесткой связи ветвей 14 и 15 (не показаны на черт.) друг с другом расположены на продольной оси корпуса 7.
В качестве упругого механизма может быть пружина любого сечения (круглого, квадратного, в виде ленты и др.) Конструкция управляющего элемента из пружинной проволоки гораздо проще в изготовлении.
Управляющий элемент одним концом соединен со штуцером 5 посредством толкателя 9, установленного с возможностью перемещения по осевым каналам корпуса 7 и штуцера 5, с канавками (на чертеже не показ) для пропуска рабочего агента.
Второй конец корпуса 7 размещен в канале штуцера 6 с возможностью перемещения вдоль этого канала и контактирует с регулировочной втулкой 16.
В предлагаемой конструкции ГРУ концы корпуса 7 управляющего элемента размещены в торцах штуцера 5 для подвода рабочего агента и штуцера 6 для отвода воздуха с возможностью вращения последних относительно концов корпуса в процессе обжатия концов эластичной камеры между штуцерами и резьбовой поверхностью герметизирующих обойм, поэтому при сборке ГРУ сначала в полость эластичной камеры 2 устанавливают корпус 7 с управляющим элементом, точно позиционируя управляющий элемент в продольной плоскости симметрии трапецеидальных вставок 3, а затем вворачивают поочередно штуцер 6 отвода воздуха и штуцер 5 подачи рабочего агента, зажимая штуцерами концы эластичной камеры 2 в герметизирующих обоймах 4.
Управляющий элемент приводят в рабочее положение, вворачивая в штуцер 5 подвода рабочего агента упорный элемент 13, а в штуцер 6 отвода воздуха регулировочную втулку 16. При этом управляющий элемент не меняет своей позиции и максимально точно отслеживает перемещение внутренней поверхности эластичной камеры.
Концы управляющего элемента, размещенные в осевых каналах корпуса 7 и штуцеров 5 и 6,  дополнительно снабжены, по крайней мере, одним центрирующим отрезком 17.
Это необходимо, чтобы концы, состоящие только из 2 ветвей, не имели возможность двигаться в каналах корпуса и штуцеров.
Центрирующий отрезок 17 может быть такого же поперечного сечения, что и ветви 14, 15 упругого механизма.
Регулировочная втулка 16 и примыкающий к ней конец корпуса 7 имеют отверстия для пропуска рабочего агента и/или воздуха (на чертежах не показан).
Выступающие из прорези 8 выпуклости 18 упругой пружины контактируют с эластичной камерой 2, по крайней мере, в двух диаметрально противоположных точках.
Каждая из частей (пуансон) разъемного корпуса 1 может быть выполнена составной, состоящей, по крайней мере, из трех частей.
Соединение торцевых и срединных частей составного корпуса шип-паз может быть выполнено в виде замка типа «ласточкиного хвоста».
Соединение «ласточкин хвост» является неразъемным и, в тоже время допускает небольшой люфт, в пределах заданных зазоров, который существенно снижает концентрацию изгибающих напряжений в торцевых частях корпуса и не приводит к разъединению его составных частей.
Чтобы исключить проворачивание соединенных частей относительно друг друга по кольцевой образующей паза в резьбовое глухое отверстие на их стыках может быть забит фиксатор (показан на фиг. 1 и фиг. 2) из пластичного металла (медь, латунь, алюминий) заподлицо с внешней поверхностью корпуса.
Так как металл «затекает» в резьбовые канавки, фиксатор надежно закрепляется в отверстии и предотвращает проворачивание соединенных «ласточкиным хвостом деталей корпуса, а пластичный металл не препятствует изгибам торцевых частей относительно срединных в пределах заданного люфта, без разрушения их надежного соединения.
Предлагаемое гидрораскалывающее устройство работает следующим образом.
Предварительно собранное гидрораскалывающее устройство с помощью регулировочной втулки 16 регулируют на заданное перемещение (ход) пуансонов 1, после чего подключают его к гидравлическому шлангу и размещают в скважине.
Подаваемый через штуцер 5 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, расширяют воздействием на них рабочего агента,
Управляющий элемент отслеживает перемещение внутренней стенки эластичной камеры 2, вызывая перемещение подпружиненного толкателя 9 в направлении от торцевой части устройства к срединной, перекрывая постепенно подводящий канал штуцера 5. При этом изначально, то есть до установки управляющего элемента внутрь эластичной камеры, ветви 14 и 15 образующие выпуклости 18 создают пружину округлую формы, к восстановлению которой за счет сил упругости стремится эта «следящая за рабочим ходом пуансонов» часть упругого элемента. При установке последнего внутрь эластичной камеры пружина округлой формы сжимается в пределах упругости ветвей 14 и 15, и ее поперечное сечение становится дискообразным, а общая длина управляющего элемента увеличивается.
Запорный элемент 11 (шарик) приподнимается над выемкой 10, надежно прижатый с другой стороны упорным элементом 13 посредством пружины 12.
Когда расширение эластичной камеры достигает предварительно заданной величины, ветви 14 и 15 под воздействием сил упругости возвращаются в положение, близкое к округлому (то есть близкое к первоначальной форме округлой пружины) длина управляющего элемента уменьшается, а запорный элемент 11 под воздействием пружины 12 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 (пружин), а также упругости эластичной камеры 2, связанной с распирающими вставками 3 и разъемными частями корпуса 1 посредством клеевого соединения, возвращаются в первоначальное положение.
Испытание партии опытных образцов гидрораскалывающих устройств предлагаемой конструкции показали, по сравнению с прототипом, возможность существенного увеличения рабочего хода за счет статистически достоверного уменьшения резервного запаса хода во время настройки управляющего элемента в 3 раза.
А именно, если в прототипе по инструкции вынужденно настраивали рабочий ход не более 85% от максимального (из-за колебаний точности настройки «плюс-минус» 12%), то при настройке опытных образцов ГРУ рабочий ход составил 95%, при этом случаев разгерметизации эластичных камер во время испытаний (испытывалась партия 10 штук по 1000 циклов во время испытаний каждого ГРУ) зафиксировано не было.
Кроме того, на 8% была снижена себестоимость производства ГРУ, за счет уменьшения затрат на изготовление управляющего элемента, а также более чем в 2 раза повышена надежность и долговечность работы ГРУ из-за увеличения количества циклов гарантированной работы эластичных камер (с 1 тысячи до 2 тысяч циклов) до их замены и регулировки хода, за счет точного позиционирования и надежной работы управляющих элементов.