ПНЕВМАТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО УДАРНОГО ДЕЙСТВИЯ ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ СКВАЖИН В ГРУНТЕ
PNEUMATIC IMPACT ACTION DEVICE FOR FORMATION OF WELLS IN SOIL

Изобретение относится к строительной технике и может быть применено для образования скважин в грунте.
Известно пневматическое устройство ударного действия (см., например, патент РФ №2334058, МПК E02F 5/18 (2006). Опубл. 2008, Бюл. 26), содержащее полый корпус с размещенным в нем бесступенчатым ударником и центральным сквозным каналом, камеры рабочего и холостого ходов, подвижную трубку со сквозной неподвижной трубкой. Кольцевой зазор между трубками образует кольцевой канал впуска в камеру холостого хода. Трубка подвижно установлена в центральном сквозном канале ударника и центральном отверстии неподвижной крышки и образует кольцевой дроссельный канал впуска в камеру рабочего хода. Корпус снабжен радиальным выпускным каналом, крышкой с кольцевой перемычкой и перепускными каналами. Между перемычкой и крышкой образована предкамера сетевого воздуха. Трубка и труба установлены в ступенчатом хвостовике рабочего инструмента в виде кольцевой обечайки. Корпус снабжен воздухоотбойным стаканом с кольцевым выпускным отверстием в атмосферу.
Устройство может быть использовано для забивания обсадных труб, а центральная труба для пневмотранспорта грунта из обсадной трубы. Пневмотранспорт может быть организован по методу "нагнетания" или "всасывания", которые широко известны.
Техническому решению по патенту РФ №2334058 свойственны следующие недостатки: центральная подвижная трубка, распределяющая подачу воздуха в камеру рабочего и холостого ходов, снабжена кольцевым буртиком, выполняющим функции клапана, при контакте с центральной коаксиально установленной трубкой или перемычкой в крышке обусловливает трение, перекосы, которые могут привести к затруднениям или остановке перемещения центральной трубки, вследствие чего прекращается процесс впуска и работы устройства; радиальный канал выпуска в корпусе защищен кольцевым воздухоотбойным стаканом, что обусловливает в конце рабочего хода и начале холостого хода непроизводительный расход воздуха из сети через обе камеры и радиальный канал выпуска в кольцевое пространство воздухоотбойного стакана и далее в атмосферу, что снижает экономичность рабочего процесса устройства.
Известно пневматическое устройство ударного действия (см., например, патент РФ №2393316, МПК Е21В 1/30, E02F 5/18 (2006), опубл. 2010, БИ №18), содержащее полый корпус с продольным дроссельным каналом, размещенный в корпусе бесступенчатый ударник с центральным сквозным каналом, разделяющий 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 воздуха из сети, крышку с периферийным каналом, радиальным каналом перепуска и сквозным центральным отверстием для пропуска 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. 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.
Недостатком технического решения по патенту РФ №2393316 является: наличие продольного канала в стенке корпуса для впуска воздуха в камеру холостого хода, что при ограниченном диаметральном размере корпуса приводит к уменьшению рабочей площади торцевых частей ударника, что предопределяет уменьшение силовых импульсов давления воздуха и снижение энергии единичного удара пневматического устройства ударного действия; постоянно открытый дроссельный канал в крышке и кольцевой канал в зазоре между крышкой и трубкой предопределяет непроизводительный расход воздуха камерой рабочего хода в конце рабочего хода ударника, что приводит к увеличению общего расхода воздуха из сети и снижает экономичность пневматического устройства ударного действия.
Известно также пневматическое устройство ударного действия (см., например, патент РФ №2455445, МПК Е21В 1/30 (2006), опубл. 2012. Бюл. №19 - прототип), содержащее полый корпус с размещенным в нем 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 со сквозным центральным отверстием для пропуска центральной трубки, образованную между футоркой и крышкой предкамеру сетевого воздуха, сообщенную продольным дроссельным каналом с камерой холостого хода, хвостовик, входящий в камеру холостого хода, при этом хвостовик и футорка выполнены со сквозными каналами для пропуска 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 с вершиной со стороны футорки, а центральная трубка уплотненно закреплена относительно хвостовика и футорки, 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 выпускной 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, в дополнительной трубке выполнены пазы, уплотненно сопряженные с поверхностью центральной трубки, образуя при этом раздельно продольный дроссельный канал впуска воздуха в камеру холостого хода и канал выпуска воздуха из камеры рабочего хода и предкамеры снабжен радиальными каналами в центральной трубке.
Пневматическое устройство ударного действия по патенту РФ №2455445, как содержащее наибольшее количество существенных признаков, включенных в предлагаемое техническое решение, принято в качестве прототипа.
Прототип обладает основным недостатком: центральная трубка и коаксиально установленная в ней трубка выпуска отработавшего воздуха из камер рабочего и холостого хода, несмотря на уплотненное образование двух каналов в зазоре между трубками и разъединенных продольными перегородками на два выпускных канала, для камеры рабочего и камеры холостого хода, не исключают непроизводительного расхода воздуха при сообщении камер через радиальные выпускные каналы в центральной трубке, через продольные каналы в зазоре между трубками и выпускные каналы в коаксиально установленной трубке с осевым каналом выпуска, совмещенном функционально с грунтотранспортом и выпуском воздуха в атмосферу, поскольку каналы впуска и обе камеры постоянно открыты, что приводит к повышенному расходу воздуха из сети и снижает экономичность и энергетические параметры рабочих процессов в обеих камерах и всего устройства.
Задача заявляемого изобретения: перекрыть подачу воздуха из предкамеры в камеры рабочего и холостого ходов в конце рабочего и начале холостого ходов ударника и осуществить выпуск воздуха только из камеры холостого хода.
Техническое решение пневматического устройства ударного действия для образования скважин в грунте заключается в следующем.
Пневматическое устройство ударного действия для образования скважин в грунте, включающее полый корпус с размещенным в нем 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 со сквозным центральным отверстием для пропуска центральной трубки, образованную футоркой и крышкой предкамеру сетевого воздуха, продольный дроссельный канал впуска в камеру холостого хода, хвостовик, входящий в камеру холостого хода, при этом хвостовик и футорка выполнены со сквозным каналом для пропуска трубки, установленной в центральном отверстии крышки с зазором, образующим кольцевой дроссельный канал впуска, радиальный выпускной канал, выполненный в центральной трубке, а центральная трубка уплотненно закреплена относительно хвостовика и футорки, в центральной трубке установлена коаксиально с кольцевым зазором дополнительная трубка с радиальным выпускным каналом, выполненным под острым углом, и с закреплением по ее торцам относительно центральной трубки, причем полость корпуса со стороны камеры рабочего хода снабжена выточкой, а со стороны предкамеры образована распределительная камера с кольцевым буртиком на корпусе со стороны камеры рабочего хода, дроссельный канал на поверхности центральной трубки выполнен в виде канала-паза либо канала-лыски с входом из кольцевой распределительной камеры и выходом в камеру холостого хода, ударник выполнен ступенчатым со штоковой частью, входящей в отверстие кольцевого буртика на корпусе, штоковая часть ступенчатого ударника со стороны кольцевой распределительной камеры снабжена каналом-пазом либо каналом-лыской, а поршневая часть ступенчатого ударника снабжена каналом-пазом либо каналом-лыской, постоянно открытым со стороны кольцевой камеры рабочего хода и перекрывается периодически отсечной кромкой выточки в корпусе со стороны камеры холостого хода, радиальный выпускной канал камеры холостого хода в центральной трубке соединен с кольцевым каналом, образованным зазором между центральной и дополнительной трубками с выходом в атмосферу.
Исполнение пневматического устройства ударного действия поясняется чертежом продольного разреза.
Пневматическое устройство ударного действия для образования скважин в грунте содержит корпус 1, футорку 2, ступенчатый ударник 3 со штоковой частью 4 и поршневой частью 5, снабженный центральным сквозным каналом 6 с установленной в нем неподвижно центральной трубкой 7, в которой размещена коаксиально с зазором 8 дополнительная трубка 9 с грунтопроводящим каналом 10. Канал 11 выпуска отработавшего воздуха из камеры 12 холостого хода размещен в центральной трубке 7 со стороны хвостовика 13. Ступенчатый ударник 3 разделяет полость корпуса 1 на кольцевую камеру 14 рабочего хода и кольцевую распределительную камеру 15, расположенную со стороны крышки 16 футорки 2. На штоковой части 4 ступенчатого ударника 3 выполнен канал-паз либо канал-лыска 17 со стороны кольцевой камеры 14 рабочего хода. Канал-паз либо канал-лыска 18 на поршневой части 5 ступенчатого ударника 3 входит в выточку 19 камеры 12 холостого хода в положении ступенчатого ударника 3, опертого на хвостовик 13. Крышка 16 футорки 2 снабжена центральным сквозным отверстием 20, в котором с зазором, образующим кольцевой канал 21 впуска, установлена центральная трубка 7 с боковым каналом-пазом либо каналом-лыской 22, образующим с центральным сквозным каналом 6 в ступенчатом ударнике 3 впускной канал 23 в камеру 12 холостого хода из кольцевой распределительной камеры 15. Футорка 2 снабжена впускным каналом 24, сообщающим кольцевую предкамеру 25 с сетью сжатого воздуха и кольцевым дроссельным каналом 21, образованным в зазоре между крышкой 16 и центральной трубкой 7, сообщающим постоянно кольцевую предкамеру 25 и кольцевую распределительную камеру 15 между собой. В корпусе 1 между кольцевой распределительной камерой 15 и кольцевой камерой 14 рабочего хода выполнен кольцевой буртик 26, являющийся ограничителем хода ступенчатого ударника 3 при его перемещении в сторону кольцевой распределительной камеры 15. Выпускной канал 8 из камеры 12 холостого хода снабжен радиальным каналом 11, взаимодействующим с боковой поверхностью сквозного осевого канала 6 в ступенчатом ударнике 3. Коаксиально установленная дополнительная трубка 9 снабжена радиальным выпускным каналом 27, выполненным под острым углом к продольной оси трубки 9 с вершиной со стороны футорки 2.
Пневматическое устройство ударного действия для образования скважин в грунте работает следующим образом.
После включения пускового устройства воздух из сети поступает по воздухоподводящему каналу 24 в футорке 2 в кольцевую предкамеру 25, образованную футоркой 2 и крышкой 16 сетевого воздуха. Далее через кольцевой канал 21 подвода воздуха в крышке 16 воздух поступает в кольцевую распределительную камеру 15. Из кольцевой распределительной камеры 15 по каналу-пазу либо по каналу-лыске 22, образованному боковой поверхностью центральной трубки 7 и стенкой центрального сквозного канала 6 в штоковой части 4 ступенчатого ударника 3 и его поршневой части 5, поступает в камеру 12 холостого хода. Одновременно сжатый воздух из кольцевой распределительной камеры 15 по каналу-пазу либо по каналу-лыске 17, вскрытому со стороны кольцевой распределительной камеры 15, поступает в кольцевую камеру 14 рабочего хода, из которой одновременно перепускается по каналу-пазу либо по каналу-лыске 18, вскрытому с ее стороны в камеру 12 холостого хода. Канал-паз либо канал-лыска 18 ограничен по перепуску воздуха отсекающей кромкой выточки 19 камеры 12 холостого хода.
В начале движения при холостом ходе ступенчатого ударника 3 под действием сил давления воздуха со стороны камеры 12 холостого хода перепуск воздуха между кольцевой распределительной камерой 15, кольцевой камерой 14 рабочего хода и камерой 12 холостого хода осуществляется в зависимости от положения ступенчатого ударника 3 при одинаковой протяженности каналов-пазов либо каналов-лысок 17 и 18 на ступенчатом ударнике 3 и канала паза либо канала-лыски 22 на боковой поверхности центральной трубки 7. После перекрытия каналов-пазов либо каналов-лысок 17, 18 и 22 в кольцевой распределительной камере 15 давление воздуха повышается за счет его поступления через кольцевой канал 21 подвода в крышке 16 из кольцевой предкамеры 25. Одновременно в кольцевой камере 14 рабочего хода осуществляется сжатие отсеченного в ней воздуха, а в камере 12 холостого хода осуществляется расширение воздуха, поступившего в нее в период перепуска из кольцевой распределительной камеры 15.
При последующем движении ступенчатый ударник 3 своей поршневой частью 5 со стороны камеры 12 холостого хода откроет выпускной радиальный канал 11 в центральной трубке 7 и посредством продольного кольцевого канала 8, образованного зазором между центральной трубкой 7 и дополнительной трубкой 9, а также выпускного радиального канала 27 камера 12 холостого хода сообщается с атмосферой или закорпусным пространством, в результате чего в камере 12 холостого хода давление воздуха понизится до атмосферного.
Исчерпав разницу импульса давления воздуха со стороны камеры 12 холостого хода против импульса противодавления воздуха со стороны кольцевой камеры 14 рабочего хода и кольцевой распределительной камеры 15 ступенчатый ударник 3 затормозит свое движение и остановится в расчетном положении. Сразу же после остановки под действием импульса давления воздуха со стороны кольцевой распределительной камеры 15 на торец штоковой части 4 и со стороны кольцевой камеры 14 рабочего хода на кольцевую площадь поршневой части 5 ступенчатого ударника 3 последний начнет ускоренное движение в сторону камеры 12 холостого хода, совершая рабочий ход.
При последующем движении ступенчатый ударник 3 своей торцевой поверхностью со стороны камеры 12 холостого хода перекроет выпускной радиальный канал 11 в центральной трубке 7 и в камере 12 холостого хода начнется процесс сжатия отсеченного в ней воздуха. Отмеченный период времени характеризуется частичным расширением воздуха в кольцевой распределительной камере 15 и чистым расширением воздуха в кольцевом объеме камеры 14 рабочего хода.
Совершая последующее движение в сторону хвостовика 13, ступенчатый ударник 3 откроет впускной канал-паз либо канал-лыску 22 на центральной трубке 7 и канал-паз либо канал-лыску 17 на штоковой части 4 и канал-паз либо канал-лыску 18 на поршневой части 5 ступенчатого ударника 3. После открытия канала-паза либо канала-лыски 18 отсекающей кромкой выточки 19 камеры 12 холостого хода и канала-паза либо канала-лыски 22 на боковой поверхности центральной трубки 7 сжатый воздух из кольцевой распределительной камеры 15 будет поступать в камеру 12 холостого хода. Одновременно по каналу-пазу либо каналу-лыске 17 на штоковой части 4 в кольцевую камеру 14 рабочего хода и по перепускному каналу-пазу либо каналу-лыске 18 на поршневой части 5 ступенчатого ударника 3 в камеру 12 холостого хода.
Преодолевая сопротивление от противодавления воздуха со стороны камеры 12 холостого хода, ступенчатый ударник 3 наносит удар по хвостовику 13.
Рабочий процесс после соударения ступенчатого ударника 3 с хвостовиком 13 будет повторяться с той разницей, что холостой ход ударника 3 будет осуществляться за счет импульса сил давления воздуха и импульса отскока ступенчатого ударника 3 от хвостовика 13.