РАМА ОПОРНАЯ ЭКСЦЕНТРИКОВАЯ

Полезная модель относится к вспомогательному оборудованию для буровых установок буро-вращательного и канатно-ударного действия, при проведении работ по устройству буронабивных свай, или другими словами, фундаментных свай, с использованием инвентарных обсадных труб. Служит для фиксации и удержания обсадной трубы или комплекта труб (става) от падения в скважину под фундаментную сваю, при извлечении става труб.
Известны несколько широко использующихся аналогов опорных рам, отличающихся принципом фиксации, а следовательно, и конструктивными особенностями, это рамы опорные на клиньях, рамы опорные на винтах, рамы опорные рычажного типа.
Все опорные рамы имеют одну общую особенность - это силовая рама, воспринимающая нагрузку от веса обсадных труб, на которой равномерно устанавливаются фиксирующие элементы. Как правило, фиксирующих элементов бывает от двух до четырех.
В опорных рамах на клиньях фиксация обсадных труб основана на эффекте заклинивания. Фиксирующими элементами являются клинья. Для фиксации клинья забиваются между силовой рамой и обсадной трубой. Достоинством этой конструкции можно назвать простоту в изготовлении, однако, ее существенный недостаток - это то, что она не является самофиксирующейся и самоцентрирующейся. Поэтому, требуется ручная установка и подгонка клиньев по месту с последующей их забивкой, что приводит к существенным временным затратам. Еще одним недостатком является физическая несвязность клиньев и силовой рамы, это влечет частую потерю клиньев или даже попадание их в скважину. А без полного комплекта клиньев конструкция является не работоспособной.
В опорных рамах на винтах обсадные трубы фиксируются двумя или четырьмя резьбовыми винтами. Достоинствами конструкции можно назвать физическую связность винтов и силовой рамы и относительную простоту в изготовлении. Недостатки - она также не является ни самофиксирующейся, ни самоцентрирующейся. Приходится вручную центрировать конструкцию и затягивать винты и, чем больше винтов, тем сложней и дольше это делать. Наличие резьбовых пар усложняет использование и обслуживание конструкции в условиях сильной загрязненности строительных участков. Еще один существенный недостаток - это малая площадь контакта (практически точка) между винтом и обсадной трубой, что может привести к нежелательной деформации трубы и ее преждевременному износу.
В опорных рамах рычажного типа, являющихся наиболее близким аналогом заявляемой полезной модели, фиксация обсадных труб основана на эффекте самозаклинивания. Заклинивание происходит за счет перемещения системы рычагов под действием сил трения и веса обсадных труб на прижиме и упоре. Эта конструкция является самофиксирующейся и самоцентрирующейся. Ее основной недостаток - это сложная кинематическая схема, что приводит к сложности в изготовлении, настройки и обслуживании конструкции. Неточная настройка, износ компонентов рычажной системы со временем могут повлечь самопроизвольную расфиксацию дорогостоящих обсадных труб, их падение в скважину и вероятную утерю (http://www.msi-lzmo.rn/files/catalog/catalog.pdf).
Технический результат состоит в том, что заявляемая полезная модель в отличие от ближайшего аналога обладает простой и надежной конструкцией, не требует точности в изготовлении и настройки, проста в обслуживании, может применяться с обсадными трубами широкого спектра диаметров. Фиксация обсадных труб осуществляется за счет эффекта самозаклинивания, но в отличие от ближайшего аналога этот эффект достигается не посредством сложной рычажной системы, а благодаря эксцентриситету равномерно расположенных на силовой раме подвижных кулачков - эксцентриков. Эксцентрики расположены и свободно вращаются на осях в углах силовой рамы. Такое расположение эксцентриков позволяет снизить деформацию силовой рамы во время фиксации обсадной трубы, а также уменьшить ее габариты, ввиду небольшого зазора (30-40 мм) между обсадной трубой и внутренними стенками силовой рамы. Надежная физическая связь между эксцентриками и силовой рамой исключает возможность утери эксцентриков. А форма эксцентриков обеспечивает надежное самозаклинивание и самоцентрирование. Также, силовая рама дополнена нижним основанием, увеличивающим площадь опоры рамы, это не позволяет раме погружаться в грунт.Данная конструкция эксцентриковых опорных рам успешно работает с обсадными трубами диаметром от 0,4 до 1,5 метров, что подтверждено практикой. В зависимости от диаметра обсадной трубы изменяются только габариты силовой рамы, а форма и размеры эксцентриков практически остаются неизменными, что позволяет обеспечить унификацию в условиях производства и взаимозаменяемость в случае ремонта на строительном участке.
Заявляемая опорная рама для фиксации обсадных труб отличается тем, что на силовой раме равномерно расположены подвижные кулачки (эксцентрики) с возможностью свободного вращения, при этом эксцентрики имеют форму сектора, рабочая поверхность эксцентриков смещена относительно оси их вращения на величину эксцентриситета, эксцентрики установлены на осях в проушинах, которые привариваются к силовой раме, оси фиксируются на проушине двумя крышками и болтами и шплинтуются от осевого смещения, проушины выполняют роль верхнего ограничителя поворота эксцентриков, а роль нижнего ограничителя поворота эксцентрика выполняет скос основания силовой рамы, также предусмотрено приспособление для фиксации эксцентриков в нерабочем положении. При этом эксцентрики изготовлены из термически обработанной легированной стали. Рабочая поверхность эксцентриков имеет вогнутость и поперечную насечку.
Краткое описание чертежей:
На Фиг.1 - внешний вид эксцентриковой опорной рамы, где:
1 - силовая рама,
2 - основание силовой рамы,
3 - ребро жесткости,
4 - грузоподъемное ухо,
5 - эксцентрик,
6 - палец на цепочки для фиксации эксцентрика в нерабочем положении.
На Фиг.2 представлен эскиз размещения эксцентриков на силовой раме, где:
7 - опорная рама,
8 - обсадная труба.
На Фиг.3 представлено изображение опорной рамы в рабочем положении эксцентриков.
На Фиг.4 представлен эскиз установки эксцентрика на силовую раму, изображение всех компонентов сборки эксцентрикового узла, где:
9 - проушина,
10-ось,
11 - крышка с болтами,
12 - нижний ограничитель поворота эксцентрика.
При устройстве фундаментов методом буронабивных свай, бурятся скважины под защитой инвентарных обсадных труб. Диаметры и глубина скважин закладываются проектными организациями и могут превышать следующие величины: диаметры - 1,5 метра, глубина - 40 метров. Инвентарные обсадные трубы предназначены для крепления поверхности стенок скважин от обрушения, их диаметр и общая длина (длина става) равны диаметру и глубине скважины. Существует наиболее распространенный ряд диаметров скважин, на который ориентируются как строительные и проектные организации, так и производители бурового оборудования и инструмента. Для примера в таблице 1 приведен этот ряд диаметров, а также соответствующая ему ориентировочная масса става обсадных труб длиной 40 метров.
Таблица 1
Диаметр, м
0,62
0,75
0,80
0,88
1,00
1,18
1,30
1,500
Масса става, т
17
20
22
24
25
32
36
55
Однако на практике нередко встречаются и другие диаметры.
Извлечение буровой установкой обсадных труб из скважины происходит посекционно. Верхняя извлеченная обсадная труба отсоединяется вверху от буровой установки, внизу от става труб, находящегося в скважине. В этот момент времени необходимо надежно зафиксировать оставшиеся в скважине обсадные трубы. Если буровая установка не оснащена специальным навесным оборудованием для работы с обсадными трубами - обсадным столом, применяют опорную раму. Как правило, опорные рамы изготавливают под конкретный диаметр обсадной трубы, или под диапазон близких диаметров. Для обеспечения надежности работы, снижения времени фиксации и расфиксации, опорная рама должна удовлетворять следующим условиям: она должна быть самофиксирующейся, самоцентрирующейся, рассчитанной на вес всего става обсадных труб, не погружаться в грунт под действием веса става обсадных труб, иметь простую в обслуживании конструкцию. Всем этим условиям соответствует конструкция эксцентриковой опорной рамы.
В заявляемой полезной модели фиксация обсадных труб осуществляется за счет эффекта самозаклинивания, но в отличие от опорных рам рычажного типа, этот эффект достигается не при помощи сложной рычажной системы, а благодаря эксцентриситету равномерно расположенных на силовой раме подвижных кулачков - эксцентриков. Эксцентрики расположены и свободно вращаются на осях в углах силовой рамы. Такое расположение эксцентриков позволяет снизить деформацию силовой рамы во время фиксации обсадной трубы, а также уменьшить ее габариты, ввиду небольшого зазора (30-40 мм) между обсадной трубой и внутренними стенками силовой рамы. Надежная физическая связь между эксцентриками и силовой рамой исключает возможность утери эксцентриков. А форма эксцентриков обеспечивает надежное самозаклинивание и самоцентрирование. Также, силовая рама дополнена нижним основанием, увеличивающим площадь опоры рамы, это не позволяет раме погружаться в грунт.Данная конструкция эксцентриковых опорных рам успешно работает с обсадными трубами диаметром от 0,4 до 1,5 метров, что подтверждено практикой. В зависимости от диаметра обсадной трубы изменяются только габариты силовой рамы, а форма и размеры эксцентриков практически остаются неизменными, что позволяет обеспечить унификацию в условиях производства и взаимозаменяемость в случае ремонта на строительном участке.
Пример осуществления полезной модели:
На Фиг.1 представлен внешний вид эксцентриковой опорной рамы. Эксцентрики 5 откинуты и зафиксированы в нерабочем положении, специально предусмотренными для этого, пальцами на цепочках 6. Фиксация эксцентриков 5 в нерабочем положении необходима, чтобы они не создавали помех рабочему циклу при погружении обсадных труб в грунт.
Итак, эксцентриковая опорная рама имеет следующую конструкцию.
Силовая рама 1 сварена из стального проката. Ее поперечное сечение выбрано из условия жесткости и прочности при удержании веса всего става обсадных труб. Форма в плане - квадратная, как наиболее простая в изготовлении и ремонте. Внутренний просвет рамы на 60-80 мм больше диаметра обсадной трубы. В нижней части силовой рамы 1 приварено основание 3, увеличивающее площадь опоры рамы на грунт, а совместно с ребрами 3 увеличивающее жесткость всей конструкции силовой рамы 1. Также, на раме 1 предусмотрено четыре грузоподъемных уха 4. Эксцентрики 5 - подвижные кулачки, изготовлены из термически обработанной легированной стали в форме сектора. Расположены в углах силовой рамы 1 в специальных проушинах. Подробнее о форме и размере эксцентриков будет написано далее. Палец на цепочке 6 - необходим для фиксации эксцентрика 5 в нерабочем положении. Цепочка служит для связи пальца с силовой рамой 1 и предотвращает его утерю.
Эксцентрик 5 выполнен в виде сектора радиусом R (в плоскости симметрии) и шириной рабочей поверхности Н. Эффект самозаклинивания возникает благодаря смещению оси вращения эксцентрика относительно оси рабочей поверхности Д на величину (эксцентриситета) е. Эксцентриситет подобран таким образом, чтобы заклинивание происходило при ходе эксцентрика равным 1/5-1/4 от его полного хода (полный ход эксцентрика равен его эксцентриситету). Это сделано для компенсации износа и неточности геометрии рабочей поверхности эксцентрика и поверхности обсадной трубы.
Соответственно повышается срок службы конструкции. В сечении, проходящем в радиальном направлении (разрез В-В), рабочая поверхность имеет вогнутость, радиус которой совпадает с радиусом обсадной трубы (R-об.тр). Это увеличивает поверхность контакта между эксцентриком и обсадной трубой. Для улучшения сцепления с поверхностью обсадной трубы, на рабочую поверхность эксцентрика 5 нанесена поперечная насечка, ее форма может быть любой, она определяется технологическими возможностями производства.
Фиг.2 и Фиг.3 демонстрируют эксцентриковую опорную раму в рабочем (зафиксированном) положении. Как видим, эксцентрики 5 размещены в углах квадратной силовой рамы 1 в направлении диагоналей таким образом, чтобы расстояние между осями двух противоположных эксцентриков составляло:
L=D+2R+2(1/5…1/4)e, где D - диаметр обсадной трубы, R - радиус эксцентрика в плоскости симметрии, е - его эксцентриситет. Неточное выдерживание расстояния L между каждой парой эксцентриков компенсируется достаточным ходом эксцентрика и не влияет на работоспособность конструкции. Самоцентрирование конструкции происходит за счет равномерного (в нашем случае взаимно перпендикулярного) размещения эксцентриков 5 на силовой раме 1, а также, за счет вогнутости рабочей поверхности эксцентрика 5, радиус которой равен радиусу обсадной трубы.
Для установки эксцентриков 5 на силовую раму 1 была разработана конструкция эксцентрикового узла (Фиг.4), обеспечивающая надежность функционирования и простоту монтажа. В состав узла, помимо эксцентрика 5, входят: проушина 9, ось 10, две крышки с болтами 11 и нижний ограничитель поворота эксцентрика 12. Эксцентрик 5 устанавливается на оси 10 в проушину 9, которая имеет форму, позволяющую приваривать ее в угол силовой рамы 1 к обеим стенкам, также проушина 9 выполняет роль верхнего ограничителя поворота эксцентрика. Ось 10 фиксируется на проушине 9 двумя крышками и болтами 11, затем шплинтуется от осевого смещения. Для исключения поворота эксцентрика 5 на угол больший 90 градусов (эксцентрик выйдет из зацепления) служит нижний ограничитель поворота 12. Нижним ограничителем поворота является скос основания силовой рамы.
Порядок работы с эксцентриковой опорной рамой:
1. После окончания бурения и погружения става обсадных труб до требуемой глубины скважины, эксцентриковая рама одевается на выступающую часть трубы.
2. Далее начинается бетонирование скважины с одновременным извлечением става обсадных труб на поверхность с помощью буровой установки.
3. После извлечения верхней секции става, извлекаются фиксирующие пальцы, и эксцентрики приводятся в рабочее положение.
4. Верхняя секция отсоединяется от става и удаляется из рабочей зоны. При этом оставшиеся в скважине трубы удерживаются от самопроизвольного погружения эксцентриковой опорной рамой.
5. Буровая установка захватывает следующую секцию става труб и начинает ее подъем. При этом происходит расфиксация эксцентриков опорной рамы.
6. Затем эксцентрики переводятся в нерабочее положение и стопорятся фиксирующими пальцами.
7. Потом повторяется цикл с пункта 2 до пункта 6 до полного извлечения става обсадных труб.