ПНЕВМАТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО УДАРНОГО ДЕЙСТВИЯ ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ СКВАЖИН В ГРУНТЕ
PNEUMATIC DEVICE OF IMPACT ACTION TO FORM WELLS 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 хода 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 подобных ему устройств являются: 1) зависимость величины хода ударника от его длины - ударник длиннее в два 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, М.кл. 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 в виде кольцевой обечайки, одеваемой 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 подобных ему устройств 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, которые при передаче ударных нагрузок понизят прочностные свойства сечений 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, патент РФ №2334057, МКл. E02F 5/18, 2006 г.), содержит полый корпус с размещенным в нем бесступенчатым ударником с центральным сквозным каналом, разделяющим полость корпуса на камеры рабочего и холостого хода, трубку, взаимодействующую с центральным сквозным каналом ударника, футорку с постоянно открытым каналом впуска и воздухоподводящим рукавом для подачи сжатого воздуха из сети, крышку с радиальным каналом перепуска и сквозным центральным отверстием для пропуска трубки, образованную между футоркой и крышкой предкамеру сетевого воздуха, и хвостовик, входящий в камеру холостого хода, образующий с корпусом грунтовую камеру, хвостовик и футорка выполнены с сквозными каналами для пропуска трубки, установленной в центральном отверстии крышки с кольцевым зазором, образующим дроссельный канал впуска в камеру рабочего хода, канал выпуска из которой выполнен в трубке под острым углом к оси трубки с вершиной со стороны футорки, при этом трубка уплотненно закреплена относительно хвостовика и футорки.
Прототипу свойственен недостаток.
При проходке пневмопробойника перед ним возникает ядро, образованное уплотнением грунта, которое усложняет продвижение машины.
Техническая задача заключается в снижении лобового сопротивления грунта.
Указанный недостаток прототипа можно исключить, если: в стенке корпуса со стороны хвостовика выполнить дополнительные отверстия, сообщающиеся с грунтовой камерой, воздух в которую поступает из дополнительной кольцевой сетевой камеры, постоянно сообщенной с основной сетевой камерой, камерой холостого хода и грунтовой камерой, причем канал, сообщающий дополнительную кольцевую сетевую камеру и грунтовую камеру между собой, выполнен в виде сопла, расширяющегося со стороны кольцевой сетевой камеры.
Техническая задача решается тем, что пневматическое устройство ударного действия для образования скважин в грунте включает полый корпус с размещенным в нем бесступенчатым ударником с центральным сквозным каналом, разделяющим полость корпуса на камеры рабочего и холостого хода, трубку, взаимодействующую с центральным сквозным каналом ударника, футорку с постоянно открытым каналом впуска и воздухоподводящим рукавом для подачи сжатого воздуха из сети, крышку с радиальным каналом перепуска и сквозным центральным отверстием для пропуска трубки, образованную между футоркой и крышкой предкамеру сетевого воздуха, хвостовик, образующий с корпусом грунтовую камеру, входящий в камеру холостого хода, хвостовик и футорка выполнены со сквозными каналами для пропуска трубки, установленной в центральном отверстии крышки с кольцевым зазором, образующим дроссельный канал впуска в камеру рабочего хода, канал выпуска в трубке, который выполнен под острым углом к оси трубки с вершиной со стороны футорки, а трубка уплотненно закреплена относительно хвостовика и футорки, причем в стенке корпуса со стороны хвостовика выполнены дополнительные отверстия, сообщающиеся с грунтовой камерой, и между хвостовиком и корпусом выполнена дополнительная кольцевая сетевая камера, постоянно сообщенная с основной сетевой камерой, камерой холостого хода и грунтовой камерой, а канал, сообщающий дополнительную кольцевую сетевую камеру и грунтовую камеру между собой, выполнен в виде сопла, расширяющегося со стороны дополнительной кольцевой сетевой камеры.
Выполнение предлагаемого пневматического устройства ударного действия для образования скважин в грунте поясняется чертежом, на котором показано устройство с частичным продольным разрезом с дополнительными отверстиями в стенке корпуса со стороны хвостовика и дополнительной кольцевой сетевой камерой между хвостовиком и корпусом, постоянно сообщенной с основной сетевой камерой, камерой холостого хода и грунтовой камерой, причем канал, сообщающий дополнительную кольцевую сетевую камеру и грунтовую камеру между собой, выполнен в виде сопла, расширяющегося со стороны дополнительной кольцевой сетевой камеры.
Пневматическое устройство ударного действия содержит полый корпус 1 с размещенным в нем бесступенчатым ударником 2 с центральным сквозным каналом 3, камеру рабочего хода 4 и камеру холостого хода 5, трубку 6.
В корпусе 1 выполнен продольный дроссельный канал впуска 7 воздуха в дополнительную кольцевую сетевую камеру 8 между хвостовиком 9 и корпусом 1, постоянно сообщенную с основной сетевой камерой 10, камерой холостого хода 5 и грунтовой камерой 11, причем канал 12, сообщающий дополнительную кольцевую сетевую камеру 8 и грунтовую камеру 11 между собой, выполнен в виде сопла, расширяющегося со стороны кольцевой сетевой камеры 8. Трубка 6 взаимодействует с центральным сквозным каналом 3 ударника 2 и установлена со стороны камеры рабочего хода 4 в центральном отверстии 13 неподвижной крышки 14 и образует кольцевой дроссельный канал впуска 15 в камеру рабочего хода.
Хвостовик 9 снабжен каналом 16, соединяющим дополнительную кольцевую сетевую камеру 8 и сквозной канал 17, в котором установлена трубка 6, уплотненно закрепленная относительно хвостовика и футорки 18.
Футорка 18 снабжена сквозным впускным каналом 19 с установленным в нем ниппелем с воздухоподводящим рукавом 20 подачи сжатого воздуха из сети.
В крышке 14 выполнен радиальный канал перепуска 21 воздуха в кольцевой дроссельный канал впуска 15 и периферийный канал впуска 22 в канал 7 корпуса 1. Между крышкой 14 и футоркой 18 образована предкамера сетевого воздуха 10. Трубка 6 снабжена каналом выпуска 23 отработавшего воздуха из камеры рабочего хода 4 и камеры холостого хода 5 в сквозной канал 24 трубки. Трубка 6 относительно хвостовика 9 и футорки 18 закреплена уплотнительными кольцами 25 и 26, 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 24 используется для пневмотранспортирования грунта, поступающего через входное отверстие 27 и дополнительные отверстия 28 в корпусе 1 в сквозной канал непосредственно через отверстие 29 трубки со стороны футорки 18 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.
Пневматическое устройство ударного действия работает следующим образом.
При подаче сжатого воздуха по воздухоподводящему рукаву 20 через постоянно открытый канал впуска 19 он поступает в предкамеру сетевого воздуха 10 и далее в камеру рабочего хода 4 по радиальному каналу перепуска 21 и кольцевому дроссельному каналу впуска 15, образованному зазором между поверхностями центрального отверстия крышки 14 и боковой поверхностью трубки 6.
Одновременно воздух из предкамеры сетевого воздуха 10 поступает через периферийный канал впуска 22 в крышке 14 и посредством продольного дроссельного канала впуска 7 в стенке корпуса 1 в дополнительную кольцевую сетевую камеру 8 и через канал 16 и сквозной канал 17 в камеру холостого хода 5, а также через канал 12, выполненный в виде сопла, расширяющегося со стороны кольцевой сетевой камеры 8, в грунтовую камеру 11 и далее по сквозному каналу 24 трубки 6.
Давление в камере рабочего хода 4 будет практически равным атмосферному давлению, так как площадь проходного сечения канала выпуска 23 в стенке трубки 6 имеет площадь проходного сечения, значительно превышающую площадь проходного сечения кольцевого дросселя впуска 15.
В камере холостого хода 5 давление воздуха увеличивается, и ударник 2 начнет перемещаться от хвостовика 9, совершая холостой ход.
При последующем перемещении ударник 2 перекроет своей боковой поверхностью канал выпуска 23, вследствие чего начнется увеличение давления воздуха, отсеченного в камере рабочего хода 4, а также воздуха, вновь натекающего в эту камеру через кольцевой дроссельный канал впуска 15 из предкамеры 10.
Продолжая движение, ударник 2 отсекающей ступенью со стороны камеры холостого хода 5 откроет канал выпуска 23 и из нее начнется выпуск отработавшего воздуха в сквозной канал 24 непосредственно через отверстие 29 и посредством пневмотранспортной трубы 30 - в атмосферу. Давление воздуха в камере холостого хода 5 устанавливается на уровне атмосферного, поскольку проходное сечение канала выпуска 23 существенно больше проходного сечения продольного сечения сквозного канала впуска 17.
По мере совершения ударником 2 холостого хода давление воздуха в камере рабочего хода 4 будет увеличиваться. Под действием разности импульсов давлений воздуха в камере рабочего хода 4 и камере холостого хода 5 ударник 2 будет затормаживать свое перемещение и остановится в расчетном положении. Далее под действием импульса давления со стороны камеры рабочего хода 4 ударник 2 начнет ускоренно перемещаться в сторону хвостовика 9, совершая рабочий ход.
По мере перемещения ударника 2 давление воздуха в камере рабочего хода 4 будет уменьшаться. Это будет вызвано тем, что быстро увеличивающийся объем камеры рабочего хода 4 при рабочем ходе не успевает заполнятся сетевым воздухом, поступающим из предкамеры 10 сетевого воздуха через радиальный канал 21 и кольцевой дроссельный канал впуска 15.
При дальнейшем перемещении ударника 2 его торец со стороны камеры холостого хода 5 перекроет канал выпуска 23, после чего в камере холостого хода начнется процесс сжатия отсеченного в ней воздуха и воздуха, поступающего по продольному дроссельному каналу впуска 7 в корпусе 1 в дополнительную кольцевую сетевую камеру 8 через канал 16 и сквозной канал 17.
При последующем движении ударник отсекающей ступенью со стороны камеры рабочего хода 4 откроет канал выпуска 23 и из камеры рабочего хода начнется выпуск отработавшего воздуха в сквозной канал 24 и далее по трубе 30 в атмосферу.
В периоды рабочего и холостого ходов ударника расчетный рабочий режим устройства будет выполняться благодаря уплотнениям 25 и 26, обеспечивающим устойчивые характеристики воздуха в объемах камеры рабочего хода 4 и камеры холостого хода 5, которые формируют энергетические показатели устройства.
Преодолевая импульс противодавления воздуха со стороны камеры холостого хода 5 под действием разницы импульсов давления воздуха со стороны камеры рабочего хода 4 и камеры холостого хода 5, ударник наносит удар по хвостовику 9. Далее ударный импульс передается корпусу 1. Под действием указанного импульса корпус 1 будет погружаться в грунт, заполняя через отверстие 27 и дополнительные отверстия 28 в корпусе пространство грунтовой камеры 11 с одновременным измельчением грунта струями воздуха из сопел 12, соединенных с дополнительной кольцевой сетевой камерой 8. Измельченные и смешанные с воздухом частицы грунта будут посредством сквозного канала 24 и пневмотранспортной трубы 30 удалятся к месту разгрузки. Этому будет способствовать также удаляемый через канал выпуска 23 отработавший воздух камеры рабочего хода 4 и камеры холостого хода 5. В этом случае существенно снижается лобовое сопротивление грунта, уплотняемого в стеки скважины, что значительно уменьшит общее сопротивление перемещению корпуса и повысит производительность процесса образования скважины.
После соударения ударника 2 с хвостовиком 9 рабочий процесс пневматического устройства ударного действия будет повторятся с той лишь разницей, что очередной холостой ход ударника будет осуществляться с использованием импульса отскока, который может достигать 20% от величины ударного импульса.