Гидрораскалывающее устройство
HYDRO-RIFTING DEVICE

Предлагаемое изобретение относится к горной промышленности, в частности к гидрораскалывающим устройствам (ГРУ), и может быть использовано 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, 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.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является гидрораскалывающее устройство, содержащее разъемный вдоль своей продольной оси корпус (пуансоны) 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 с направляющими пазами и установленные с возможностью перемещения вдоль них выступы распирающих вставок, 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, 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 (см. патент №154557, по кл. Е21С 37/10, 2015).
Недостатком известной конструкции является небольшой срок службы эластичной камеры. Это происходит по следующим причинам:
- в известном устройстве эластичная камера выполнена в виде трубки и имеет ограниченные возможности радиального растяжения, которое прямо пропорционально квадрату ее радиуса;
- бесполезная трата части запаса эластичности материала камеры (до 200%) в момент начала деформация стенок скважины, т.к растяжение внутреннего контура камеры начинается сразу с началом холостого хода пуансонов и распирающих вставок. Это приводит к ограничению рабочего хода пуансонов;
- неравномерное растягивания камеры, т.к. ход распирающих вставок, как это видно из геометрии, более чем в полтора раза опережает ход частей корпуса, то примыкающая к их основаниям поверхность эластичной камеры растягивается еще больше;
- частая замена эластичных камер, т.к. выступы на торцах распирающих вставок имеют прямоугольную форму, что создает концентрацию напряжений на внешней поверхности эластичной камеры, материал которой в процессе создания рабочего давления (100-150 МПа) стремится «затечь» в зазоры между прямоугольными выступами и ответными им прямоугольными пазами в герметизирующей шайбе. При этом от цикла к циклу происходит микроразрушение эластичного материала об острые углы выступов. Именно в этих участках со временем образуется надрез (трещина) камеры;
- замена гладкой эластичной камеры через каждые 500-1000 циклов в зависимости от условий работы устройства при максимальном ходе пуансонов, рассчитанном из условий растягивания камеры на 350-400%, из которых до 200% занимает растяжение на холостом ходу.
Техническим результатом, решаемым предлагаемым изобретением, является создание гидрораскалывающего устройства, позволяющего в несколько раз увеличить срок службы камеры, при сохранение рабочего хода пуансона.
Технический результат в предлагаемом изобретение 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 с направляющими пазами, установленные с возможностью перемещения вдоль них выступы распирающих вставок, 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, 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, в котором, согласно изобретению, эластичная камера выполнена с продольными гофрами, причем расстояние между диаметрально расположенными точками гофр в плоскости распирающих вставок меньше, чем расстояние между их аналогичными точками относительно продольной оси частей корпуса, а управляющий элемент, расположенный в плоскости симметрии распирающих вставок, контактирует с внутренней поверхностью продольных гофр максимального диаметра, при этом направляющие пазы и установленные в них выступы распирающих вставок имеют полуцилиндрическую форму.
В предлагаемом гидрораскалывающем устройстве эластичная камера с продольными гофрами позволяет, сохранив рабочий ход пуансонов, в несколько раз увеличить срок службы камеры, так как последняя начинает растягиваться только после того, как «расправятся» гофры.
Во время холостого хода увеличение диаметра камеры происходит за счет гофр. Таким образом, экономится до 200% эластичности. Кроме того, обеспечивается возможность увеличения рабочего хода пуансонов за счет оптимального компромисса между частичным уменьшением максимального растяжения камеры до 250-300% и увеличением долговечности камеры.
В предлагаемом изобретении опережающий (пуансоны) ход трапециевидных вставок и неравномерное растяжение камеры частично компенсируется предварительной деформацией гофрированной камеры (а это легко благодаря гофрам), сжав последнюю основаниями вставок путем их максимально возможного перемещения к оси камеры по воздействием торцевых возвратных пружин.
Это позволяет, по меньшей мере, в процессе холостого хода скомпенсировать опережение хода вставок на величину их «отрицательного» хода, равного величине деформации камеры.
Выполнение управляющего элемента ограничителя объема рабочего агента 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 меньшей мере, в двух точках, причем другие концы шарнирных звеньев расположены на оси корпуса ограничителя объема рабочего агента, позволяет исключить возможность расположения звеньев шарнирного механизма по оси корпуса ограничителя, препятствующего работе управляющего элемента.
Управляющий элемент ограничителя объема рабочего агента выполнен в виде двух симметрично расположенных относительно продольной оси эластичной камеры ветвей упругого механизма, которые в двух местах жестко связаны друг с другом и на одном участке диаметрально разведены и образуют замкнутую симметричную пружину округлой формы, установленную в плоскости симметрии распирающих вставок и касающуюся своими диаметрально противоположными выпуклостями впадин продольных гофр эластичной камеры, что позволяет обеспечить высокую точность регулирования рабочего хода пуансонов с максимальным рабочим ходом.
Сущность предлагаемого гидрораскалывающего устройства поясняется нижеследующим описанием и чертежами, где:
На фиг. 1 представлен продольный разрез устройства при сомкнутых разъемных частях корпуса (пуансонах);
На фиг. 2 - сечение по А.А фиг. 1;
На фиг. 3 - сечение по Б-Б фиг. 1;
На фиг. 4 - сечение по В-В фиг. 1;
Гидрораскалывающее устройство содержит разъемный вдоль своей продольной оси корпус 1 (пуансоны) с кольцевыми полостями у его торцов, установленный на частях корпуса механизм их возврата в нерабочее положение, расположенную внутри разъемного корпуса эластичную камеру 2, распирающие вставки 3 трапецеидального сечения, размещенные между частями разъемного корпуса с направляющими пазами 4, и установленные с возможностью перемещения вдоль них выступы 5 распирающих вставок, взаимодействующие с ними и с эластичной камерой.
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.
Эластичная камера 2 выполнена с продольными гофрами 6, причем расстояние между диаметрально расположенными точками гофр в плоскости распирающих вставок меньше, чем расстояние между их аналогичными точками относительно продольной оси частей корпуса,
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 7 подвода рабочего агента в эластичную камеру 2 и штуцер 8 отвода воздуха из камеры с конусообразными концами, размещаемыми в корпусе 1 гидрораскалывающего устройства.
Штуцеры 7 и 8 закреплены на концах эластичной камеры 2 при помощи герметизирующих обойм 9, которые имеют контакт с эластичной камерой 2
Между штуцерами 7 и 8 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 10 со сквозной продольной прорезью 11, толкателя 12 с выемкой 13, запорного элемента, например шарика 14, контактирующего с выемкой 13, преднапряженной пружины 15, расположенной между шариком 14 и упорным элементом 16, который имеет соединение со штуцером 7, размещен в прорези 11, управляющего элемента 17.
Управляющий элемент 17 ограничителя объема рабочего агента расположен в плоскости симметрии распирающих вставок 2, контактирует с внутренней поверхностью продольных гофр 6 максимального диаметра.
Конструкция управляющего элемента 17 в зависимости от технологических возможностей и технических задач может быть различна и авторы на новизну не претендуют (см патент №154557 и 85552).
Управляющий элемент одним концом соединен со штуцером 7 посредством толкателя 12, установленного с возможностью перемещения по осевым каналам корпуса 10 и штуцера 8, с канавками (на чертеже не показаны) для пропуска рабочего агента.
Второй конец корпуса 10 размещен в канале штуцера 8 с возможностью перемещения вдоль этого канала и контактирует с регулировочной втулкой (на чертеже не показана).
В предлагаемой конструкции гидрораскалывающего устройства концы корпуса 10 управляющего элемента размещены в торцах штуцера 7 для подвода рабочего агента и штуцера 8 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 гидрораскалывающего устройства сначала в полость эластичной камеры 2 устанавливают корпус 10 с управляющим элементом, точно позиционируя управляющий элемент 17 в продольной плоскости симметрии трапецеидальных вставок 3, а затем вворачивают поочередно штуцер 8 отвода воздуха и штуцер 7 подачи рабочего агента, зажимая штуцерами концы эластичной камеры 2 с гофрами в герметизирующих обоймах 9.
Управляющий элемент 17 приводят в рабочее положение, вворачивая в штуцер 7 подвода рабочего агента упорный элемент 15, а в штуцер 8 отвода воздуха регулировочную втулку 18. При этом управляющий элемент 17 не меняет своей позиции и максимально точно отслеживает перемещение внутренней поверхности эластичной камеры.
Концы управляющего элемента 17, состоящие только из 2 ветвей и размещенные в осевых каналах корпуса 10 и штуцеров 7 и 8, дополнительно снабжены по крайней мере одним центрирующим отрезком (на чертеже не показан).
Это необходимо, чтобы концы не имели возможности двигаться в каналах корпуса и штуцеров.
Предлагаемое гидрораскалывающее устройство работает следующим образом.
Предварительно собранное гидрораскалывающее устройство с помощью регулировочной втулки 18 регулируют на заданное перемещение (ход) пуансонов 1, после чего подключают его к гидравлическому шлангу и размещают в скважине.
Подаваемый через штуцер 7 рабочий агент расширяет рабочую эластичную камеру 2 с гофрами, передавая усилия как непосредственно через пуансоны 1, так и через распирающие вставки 3.
Стенки эластичной трубчатой камеры 2 с продольными гофрами 6 расширяют воздействием на них рабочего агента.
Управляющий элемент отслеживает перемещение внутренней стенки эластичной камеры 2, вызывая перемещение подпружиненного толкателя 12 в направлении от торцевой части устройства к срединной, перекрывая постепенно подводящий канал штуцера 7.
Рассмотрим работу устройства, имеющего управляющий элемент 17 с двумя ветвями 19 и 20, образующими выпуклости 23, которые создают пружину округлую формы.
При установке управляющего элемента 17 внутрь эластичной камеры пружина округлой формы сжимается в пределах упругости ветвей 19 и 20, и ее поперечное сечение становится дискообразным, а общая длина управляющего элемента увеличивается.
Запорный элемент 14 (шарик) приподнимается над выемкой 13, надежно прижатый с другой стороны упорным элементом 16 посредством пружины 15.
Когда расширение эластичной камеры 2 достигает предварительно заданной величины длина управляющего элемента 17 уменьшается, а запорный элемент 14 под воздействием пружины 15 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, что по сравнению с прототипом рабочий ход пуансонов увеличивается за счет оптимального компромисса между частичным уменьшением максимального растяжения камеры до 250-300% и увеличением долговечности камеры.