Машина ударного действия для проходки скважин в грунте
PERCUSSION MACHINE FOR DRILLING HOLES IN THE GROUND

Предлагаемое решение относится к технологии производства строительных работ, а именно к бестраншейной прокладке подземных коммуникаций для получения скважин в грунте прямолинейной траектории.
Известна машина ударного действия для проходки скважин в грунте по патенту РФ № 2135700 С1, опубл. 27.08.1999, включающая корпус с расположенным в нем с возможностью возвратно-поступательного движения ударником, наконечник с головной частью в виде одностороннего клина, втулку с по меньшей мере одной спиралеобразной лопастью на наружной поверхности, установленную на корпусе с возможностью вращения, и устройство для соединения и разъединения втулки с корпусом, при этом втулка, выполненная за одно целое с наконечником, установлена на головной части корпуса, выполненной в виде его ступени меньшего диаметра, а наружный диаметр втулки с наконечником не больше наружного диаметра корпуса.
Общими признаками аналога и предлагаемого технического решения являются: корпус с расположенным в нем с возможностью возвратно-поступательного движения ударником.
Недостатком данной машины ударного действия для проходки скважин в грунте является наличие наконечника с головной частью в виде одностороннего клина, что будет приводить к отклонению траектории скважины при проходке прямых участков. При этом втулка с по меньшей мере одной спиралеобразной лопастью на наружной поверхности, установленная на корпусе с возможностью вращения, не обеспечивает требуемой скорости вращения наконечника с головной частью в виде одностороннего клина при движении машины на прямом участке, что будет приводить к движению машины по спиральной траектории.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является машина ударного действия для проходки скважин в грунте и им подобных работ (варианты) по патенту РФ № 2134745 С1, опубл. 20.08.1999, включающая корпус с расположенным в нем с возможностью возвратно-поступательного движения ударником, промежуточный элемент с закрепленным на его передней части с возможностью ограниченного углового перемещения наконечником, первую пару поверхностей указанных промежуточного элемента и наконечника, охватываемая из которых выполнена сферической, и вторую пару поверхностей этих элементов, образованную при контакте их торцов, при этом промежуточным элементом является корпус со ступенью меньшего диаметра на передней части, при этом сферическая поверхность первой пары поверхностей выполнена на указанной ступени корпуса, скользяще входящей во внутреннюю полость наконечника, образованную цилиндрической поверхностью первой пары поверхностей, а вторая пара поверхностей образована передним торцом корпуса и дном полости наконечника.
Общими признаками прототипа и предлагаемого технического решения являются: корпус с расположенным в нем с возможностью возвратно-поступательного движения ударником и промежуточный элемент.
Недостатком данной машины ударного действия для проходки скважин в грунте и им подобных работ является малое сечение сквозного осевого канала наконечника и отверстий в корпусе для сообщения с закорпусным пространством, что может привести к их закупориванию при проходке по грунтам с наличием включений, повышению лобового сопротивления, снижению скорости проходки и эффективности работы машины.
Кроме того, при работе машины весь вырезаемый наконечником грунт будет поступать в малое сечение сквозного осевого канала наконечника, это будет способствовать переуплотнению грунта, в этой зоне, после чего этот уплотненный грунт через малые отверстия в наконечнике поступает в закорпусное пространство и там вдавливается в стенки скважины, тем самым энергия удара машины тратится сначала на уплотнение грунта при проходе через осевое отверстие наконечника, после чего происходят затраты энергии на вдавливание этого грунта в стенки скважины. Что повышает расход энергии на перемещение и уплотнение грунта, тем самым снижается скорость проходки скважины и эффективность работы машины.
Помимо этого, при встрече машины с препятствием и отклонении наконечника в какую-либо сторону, уплотненный грунт может заполнить внутреннее пространство ступени корпуса меньшего диаметра, тем самым препятствуя возвращению наконечника в первоначальное положение и способствуя отклонению машины от прямолинейной траектории. Тем самым снижая эффективность работы машины при проходке скважины по прямой траектории.
Проблемы заключаются в повышении эффективности работы машины за счет снижения вероятности отклонения машины от прямолинейной траектории, снижения затрат энергии и увеличения скорости проходки скважины за счет уменьшения лобового сопротивления и сил трения о стенки скважины.
Решение проблемы достигается тем, что в машине ударного действия для проходки скважин в грунте, включающей корпус с расположенным в нем с возможностью возвратно-поступательного движения ударником и установленный в передней части корпуса промежуточный элемент согласно техническому решению в передней части промежуточного элемента, выполненного в виде подпружиненной наковальни с возможностью ограниченного осевого перемещения, установлен рассекатель, а в передней части корпуса установлена опережающая трубка с по меньшей мере одним отверстием, при этом между внутренней поверхностью опережающей трубки и наружной поверхностью рассекателя образована полость.
Указанная совокупность признаков позволяет, в отличие от известных решений, избежать отклонения машины от заданной траектории при её движении на прямолинейном участке, поскольку в передней части корпуса установлена опережающая трубка, которая при встрече с препятствием или с прочными включениями будет способствовать их разрушению под действием ударной нагрузки ударника, дальнейшему дроблению включений внешней рабочей поверхностью рассекателя в образованной полости между внутренней поверхностью опережающей трубки и наружной поверхностью рассекателя, и вдавливание включений в стенки скважины через по меньшей мере одно отверстие в опережающей трубке под действием той же ударной нагрузки, при этом машина в скважине будет центрироваться внешней частью корпуса и опережающей трубки на большем базовом расстоянии, тем самым улучшая точность и прямолинейность проходки скважины и эффективность работы машины.
Образованная между внутренней поверхностью опережающей трубки и наружной поверхностью рассекателя полость при прохождении через неё грунта и его уплотнении согласно эффекта перераспределения влажности способствует увеличению влажности грунта на периферии, направлению увлажненного грунта внешней рабочей поверхностью рассекателя на наружную поверхность корпуса, тем самым снижая силу его трения о грунт, увеличивая скорость проходки скважины и эффективность работы машины.
Целесообразно промежуточный элемент устанавливать в корпусе неподвижно, а в его передней части устанавливать рассекатель и опережающую трубку с по меньшей мере одним отверстием, при этом между внутренней поверхностью опережающей трубки и наружной поверхностью рассекателя образовывать полость, что упрощает и удешевляет производство машины, и как следствие повышает эффективность её работы.
Целесообразно опережающую трубку выполнить с головной частью в виде клина, что позволит более эффективно с меньшими энергозатратами внедряться машине в грунт и разрушать попадающиеся на её пути препятствия, тем самым увеличивая скорость проходки скважины, и как следствие, повышая эффективность работы машины.
Целесообразно внешнюю рабочую поверхность рассекателя выполнять с различными углами и формой в зависимости от физико-механических свойств грунтов, что позволит с наименьшими энергозатратами направлять грунт на наружную поверхность машины и вдавливать его в стенки скважины, что повысит скорость проходки скважины и как следствие эффективность работы машины.
Сущность технического решения поясняется примером конкретного исполнения машины ударного действия для проходки скважин в грунте и чертежами фиг. 1-4, где на фиг. 1 изображена конструктивная схема исполнения предлагаемого решения, на фиг. 2 - конструктивная схема исполнения с неподвижно установленным рассекателем в корпусе, на фиг. 3 - пример исполнения опережающей трубки с головной частью в виде клина, на фиг. 4 - варианты исполнения внешней рабочей поверхности рассекателя с различными углами и формой в зависимости от физико-механических свойств грунтов.
Машина ударного действия для проходки скважин в грунте (далее - машина), выполненная в виде ударного механизма, состоит из корпуса 1, расположенным в нем с возможностью возвратно-поступательного движения ударником 2, установленным в передней части корпуса 1 промежуточным элементом 3 с пружиной 4. В передней части корпуса 1 установлена опережающая трубка 5 с головной частью 6 и отверстиями 7. Также в передней части промежуточного элемента установлен рассекатель 8 с внешней рабочей поверхностью 9. Между внутренней поверхностью 10 опережающей трубки 5 и внешней рабочей поверхностью 9 рассекателя 8 образована полость 11.
Машина работает следующим образом. При подаче энергоносителя в машину (фиг. 1) ударник 2 совершает возвратно-поступательные движения посредством распределительной системы (на фиг. не показано), в результате чего он наносит удары сначала по хвостовику промежуточного элемента 3, в результате, так как он имеет возможность ограниченного возвратно-поступательного движения, промежуточный элемент 3 совместно с рассекателем 8 продвигаются вперед, сжимая при этом пружину 4 и внедряясь в грунт, при этом наружной рабочей поверхностью 9 рассекателя 8 грунт направляется на наружную поверхность корпуса 1 и вдавливается в стенки скважины. Далее ударник 2, продолжая движение вперед, наносит удар по корпусу 1 машины. В свою очередь через корпус 1 удар передается опережающей трубке 5, которая внедряется в грунт, образуя при этом скважину. После нанесения удара ударник 2 отскакивает и посредством энергоносителя совершает обратный ход, при этом промежуточный элемент 3 совместно с рассекателем 8 под действием пружины 4 возвращаются в свое исходное положение. Цикл повторяется. В результате этого машина продвигается по скважине.
При встрече машины с препятствием, оно разрушается головной частью 6 опережающей трубки 5 под действием ударной нагрузки. Разрушенные частицы попадают в полость 11, образованную между внутренней поверхностью 10 опережающей трубки 5 и внешней рабочей поверхностью 9 рассекателя 8, после чего эти крупные частицы доразрушаются рассекателем 8 внутри полости 11, тем самым, не давая машине оттолкнуться от препятствия и изменить траекторию движения. Далее измельченные частицы направляются через отверстия 7 в опережающей трубке 5 на наружную поверхность корпуса 1 и вдавливаются в стенки скважины. При этом отклонения машины от прямолинейной траектории не происходит за счет того, что машина центрируется в скважине на большем базовом расстоянии по внешней части корпуса 1 и опережающей трубки 5. При движении машины в скважине грунт попадая в полость 11, образованную между внутренней поверхностью 10 опережающей трубки 5 и наружной поверхностью 9 рассекателя 8, уплотняется и в нем под действием ударной нагрузки происходит перераспределение влаги, которая сосредотачивается на большем диаметре, и после под действием внешней рабочей поверхности 9 рассекателя 8 уплотняется в стенки скважины образуя слой с повышенной влажностью. Машина двигается в скважине с меньшим коэффициентом трения о грунт.
Машина (фиг. 2) работает аналогично описанной выше, при этом ударник 2 наносит удар по промежуточному элементу 3, который в свою очередь передает ударные импульсы опережающей трубке 5, рассекателю 8, а также увлекает за собой корпус 1 машины.
Внешняя рабочая поверхность 9 рассекателя 8, выполненная в различной конфигурации (фиг. 4), позволяет наиболее рационально использовать подводимую энергию удара при проходке скважин в грунтах с различными физико-механическими свойствами.