Гидрораскалывающее устройство
HYDRO-RIFTING DEVICE

Предлагаемое изобретение относится к горному делу, более конкретно к гидрораскалывающему устройству, и может быть использовано для безвзрывного отделения от массива монолитных блоков пород при добыче природного камня, проходке горных выработок и т.д., а также разрушения и разупрочнения различных объектов за счет создания в них направленных трещин.
Известно устройство для направленного разрушения монолитных объектов, содержащее разъемный корпус с кольцевыми проточками у краевых частей на внутренних поверхностях и трубчатую эластичную камеру, а также элементы для подвода рабочей жидкости (а.с. СССР №1767174, кл. Ε21С 37/10, 1992).
Основными недостатками известного решения являются:
- недостаточный срок службы силового элемента, что связано с преждевременным разрывом рабочей камеры;
- невозможность ликвидации зазоров между устройством и скважиной.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решения является гидрораскалывающее устройство, содержащее разъемный вдоль своей продольной оси корпус с кольцевыми полостями у его торцов, установленный на частях (пуансонах) 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, имеющий контакт 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, кл. Е21С 37/10, 2015).
Основным недостатком известной конструкции является большой холостой ход, существенно уменьшающий долговечность эластичной камеры, так как до 200% ее эластичности расходуется на компенсацию установочного зазора, который для скважин 35-102 миллиметра составляет 3-5 мм.
На рабочий ход гидрораскалывающего устройства (ГРУ) остается тоже около 200% расчетной эластичности, так как реальная эластичность камер, как правило, не превышает 450% из-за используемых компонентов, технических требований к другим свойствам камер и особенностей производства камер (экструзия).
Таким образом, оставшийся запас эластичности - не более 50% не может обеспечить необходимую долговечность камер. Это приводит к необходимости частой замены вышедших из строя камер (исходя из многолетнего опыта работы на карьерах и стройплощадках - до 1 раза в месяц, а в случае нестабильного качества камер и чаще).
Вторым недостатком известной конструкции являются зазоры между гидрораскалывающим устройством и скважиной.
Этот недостаток частично устраняют путем использования стальных прокладок различной толщины между стенками скважины и пуансонами ГРУ.
Однако при этом увеличиваются затраты времени на установку и извлечение прокладок, а в случае, если не удалось создать трещину прокладки заклинивают ГРУ, и при извлечении прокладок с использованием кувалды или гидравлического домкрата изнашиваются не только прокладки, но и пуансоны ГРУ. Происходит это потому, что поверхности пуансонов и прокладок параллельны поверхности скважины.
С учетом различий в диаметре скважин прокладки уменьшают холостой ход не более чем в 2 раза.
Тем не менее, опыт использования прокладок позволил ориентировочно определить величину повышения долговечности эластичных камер в зависимости от запаса эластичности:
- 50% - долговечность - 300 циклов;
- 100% - долговечность - 1000 циклов;
- 150% - долговечность - 2000 циклов;
- 200% - долговечность - 5000 циклов;
- 250% - долговечность - 10000 циклов.
Зависимость нелинейная, так как на долговечность камер влияют кроме запаса эластичности другие факторы, такие как величина рабочего хода от цикла к циклу, качество обработки деталей ГРУ, контактирующих с камерой, качество скважин и другие.
Техническим результатом, решаемым предлагаемым изобретением, является создание гидрораскалывающего устройства, позволяющего в несколько раз увеличить срок службы камеры за счет увеличения 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 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, имеющий контакт с внутренней стенкой эластичной камеры, при этом один конец корпуса ограничителя объема рабочего агента соединен со штуцером подвода рабочего агента, а противоположный конец корпуса ограничителя свободно размещен в канале штуцера отвода воздуха, которое согласно изобретению снабжено блоком расклинивания с приводом его продольного перемещения, закрепленного на одной из частей разъемного корпуса, на наружной поверхности которой выполнены скосы, имеющие контакт с ответными скосами на внутренней поверхности блока расклинивания, при этом части разъемного корпуса смещены относительно плоскости симметрии распирающих вставок, а наружная поверхность блока имеет форму, обеспечивающую вход блока в скважину
Предлагаемое изобретение позволяет компенсировать любой зазор между гидрораскалывающим устройством и скважиной без использования прокладок за счет блока расклинивания, и, как следствие, увеличить долговечность эластичных камер более чем в 10 раз.
Предлагаемое изобретение существенно облегчает извлечение ГРУ даже если не удалось создать трещину, поскольку клиновые поверхности блока на первом же витке вращения винта создают зазор между внешней поверхностью блока расклинивания и поверхностью скважины.
Выполнение привода продольного перемещения блока расклинивания в виде механической передачи, например или гайка - винт, или червячной передачи, или храповой передачи, позволяет использовать простой и надежный механический привод, что значительно упрощает конструкцию устройства.
Изобретение также характеризуется тем, что в механической передаче гайка - винт гайка выполнена в торцевой поверхности блока, а другая торцевая часть винта снабжена кольцевой проточкой, при этом на торце одной из герметизирующих обойм жестко закреплен захват, на котором соосно с винтом выполнен направляющий паз, предназначенный для компенсации поперечного перемещения торцевой части винта относительно захвата.
Такая конструкция блока расклинивания позволяет надежно и быстро устранять любой зазор между гидрораскалывающим устройством и стенкой скважины, а после возврата клина в исходное положение легко извлекать гидрораскалывающее устройство из скважины.
Таким образом, эластичная камера устройства сразу начинает работать в режиме рабочего хода не теряя запас эластичности на холостой ход, необходимый для компенсации зазора в скважине.
Предлагаемая механическая передача гайка - винт позволяет использовать для расклинивания ГРУ обычный гайковерт.
Сущность предлагаемого гидрораскалывающего устройства поясняется нижеследующим описанием и чертежами, где:
На фиг. 1 представлен продольный разрез гидрораскалывающего устройства;
На фиг. 2 - сечение по А-А фиг. 1;
На фиг. 3 - сечение по Б-Б фиг. 1;
На фиг. 4 - вид В фиг. 5;
На фиг. 5 - место I по фиг. 1.
Гидрораскалывающее устройство содержит разъемный вдоль своей продольной оси корпус с кольцевыми полостями у его торцов, установленный на частях (пуансоны) 1 и 2 корпуса механизм их возврата в нерабочее положение, расположенную внутри разъемного корпуса эластичную камеру 3, распирающие вставки 4, размещенные между частями разъемного корпуса со стороны плоскости разъема и взаимодействующие с ними и с эластичной камерой, торцевые герметизирующие обоймы 5 с цилиндрическими фланцами 6 со штуцером 7 подвода рабочего агента в эластичную камеру и штуцером вытеснения 8 из этой камеры воздуха, расположенный между штуцерами ограничитель объема рабочего агента 9, имеющий контакт с внутренней стенкой эластичной камеры 3 и блок расклинивания 10 с приводом его продольного перемещения.
Блок расклинивания 10 закреплен на одной из частей разъемного корпуса, например, (пуансон) части 1, на наружной поверхности которой выполнены скосы 11.
На внутренней поверхности блока расклинивания 10 выполнены ответные скосы 12.
Части (пуансоны) 1 и 2 разъемного корпуса смещены относительно плоскости симметрии распирающих вставок 4.
Наружная поверхность блока расклинивания 10 имеет форму, повторяющую форму скважины и обеспечивающую легкий вход блока в скважину.
Расположенный между штуцерами 7 и 8 ограничитель объема рабочего агента 9 предназначен для регулирования величины хода раздвигающихся в процессе рабочего цикла (пуансонов) частей разъемного корпуса 1 путем перекрытия канала подвода рабочего агента в эластичную камеру 3.
Привод продольного перемещения блока расклинивания выполнен в виде механической передачи.
В зависимости от технологических возможностей и технических задач механическая передача может быть или гайка - винт, или червячная передача, или храповая передача.
Рассмотрим вариант механической передачи гайка - винт.
В этом случае, гайка 13 выполнена в торцевой поверхности 14 блока, и торцевая часть винта 15 снабжена кольцевой проточкой 16, а на торце одной из герметизирующих обойм 5 жестко закреплен захват 17, на котором выполнен соосно с винтом 15 направляющий паз 18, предназначенный для компенсации поперечного перемещения торцевой части винта относительно захвата 17.
С целью закрепления торца блока расклинивания на пуансоне в предлагаемой конструкции скосы 11 и 12, расположенные над герметизирующей обоймой 5, образуют соединение в виде «ласточкина хвоста».
Предлагаемое гидрораскалывающее устройство работает следующим образом.
Предварительно собранное гидрораскалывающее устройство регулируют на заданное перемещение (ход) пуансонов 1 и 2, после чего подключают устройство к гидравлическому шлангу и размещают в скважине.
После размещения устройства в скважине приводом продольного перемещения блока расклинивания 10 проводят доводку блока до упора, т.е. компенсируют зазор между скважиной и устройством.
Для этого, например, с помощью гайковерта вращают винт 15 по часовой стрелке, блок расклинивания 10 перемещают вдоль пуансона 1 и устанавливают скосами 11 и 12 в зазор между блоком 10 и стенкой скважины до упора, при этом кольцевая проточка 16 скользит вдоль направляющего паза 18.
После осуществления рабочего хода пуансонов, независимо от результата (образования трещины) винт 15 вращают против часовой стрелки, кольцевая проточка 16 упирается в захват 17, и блок расклинивания перемещают по скосам 11 и 12 в исходное положение.
Подаваемый через штуцер 7 рабочий агент расширяет рабочую эластичную камеру 3, передавая усилия как непосредственно через пуансоны 1 и 2, так и через распирающие вставки 4.
Стенки эластичной трубчатой камеры 3 расширяют воздействием на них рабочего агента.
С помощью ограничителя рабочего хода 8 отслеживают перемещение внутренней стенки эластичной камеры 3 путем постепенного перекрытия подводящего канала штуцера 7.
Когда расширение эластичной камеры 3 достигает предварительно заданной величины, перекрывают подводящий канал и прекращают поступление рабочего агента во внутреннюю полость эластичной камеры 3.
Ограничитель рабочего хода 8 является эффективным средством защиты гидрораскалывающего устройства, предотвращающим разрыв эластичной камеры 3 при раскрытии сформированной трещины сверх допустимой величины путем ограничения перемещения пуансонов 1 и 2, не превышающего предварительно заданную регулировкой ограничителя величину, при которой эластичная камера 3 остается герметичной внутри пуансонов устройства.
Осуществив формирование трещины в процессе рабочего цикла, давление рабочего агента сбрасывают до нуля, при этом все подвижные части гидрораскалывающего устройства под действием механизма возврата 19 (пружин), а также упругости эластичной камеры 3, связанной с распирающими вставками 4 и пуансонами 1 и 2, возвращают в первоначальное положение.
Гидрораскалывающее устройство с блоком расклинивания удобно использовать и для расширения трещины (это бывает необходимо при создании трещин на высоких уступах и блоках, а также в скальном массиве и железобетоне). В данном случае могут быть использованы несколько гидрораскалывающих устройств.
Для расширения трещин используют прокладки (не показано), поэтому после фиксации достигнутой ширины трещины одним или двумя гидрораскалывающими устройствами на остальных устройствах сбрасывают давление, блок расклинивания возвращают в исходное положение, устанавливают прокладки необходимого размера, а затем снова расклинивают.
При этом существенно растет производительность работ, так как полностью исключаются трудоемкие операции по «забиванию» прокладок и их извлечению, а также предотвращается износ прокладок и пуансонов ГРУ.
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.