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, МКл. E02D 7/02, 1984 г.), содержащее полый корпус, ступенчатый ударник с центральным сквозным каналом, разделяющий корпус на камеры рабочего, холостого 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 подобного ему устройства являются: 1) зависимость величины хода ударника от его длины - ударник длиннее в 2 и более раз его хода; 2) значительные габариты по длине, что требует увеличенных размеров приямка для установки устройства ударного действия и его перестановки во время наладки, и значительные подвижные массы, требующие увеличенных энергий удара, которые будут расходоваться на перемещение этих масс, а завышенные энергии удара, в свою очередь, требуют более прочных конструкций или приводят к снижению ресурса; 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, МКл. B25B 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 (кольцевая обечайка, одеваемая 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 подобного ему устройства 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 и при передачи 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. B25B 9/04, E02F 5/18, опубл. 27.01.2008 г.), включает полый корпус с продольным дроссельным каналом, размещенным в корпусе 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 с периферийным каналом и радиальным каналом перепуска и сквозным центральным отверстием для пропуска центральной трубки, образованную между футоркой и крышкой предкамеру сетевого воздуха, сообщенную периферийным каналом и продольным дроссельным с камерой холостого хода и хвостовиком, входящим 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 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 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.
Прототипу свойственны недостатки.
При протягивании через машину канатов или цепей в центральной трубке могут возникать деформации, которые будут проявляться на наружной поверхности центральной трубки со стороны ударника, что приведет к заклиниванию ударника и остановке работы машины.
При пневмотранспортировании грунта по каналу центральной трубки возможно попадание частиц грунта через канал выпуска в камеры рабочего и холостого ходов, что также приводит к быстрому износу ударника и центральной трубки.
Размещение продольного дроссельного канала в стенке корпуса обуславливает увеличение ее толщины и массы корпуса, что при ограничении по наружному диаметру корпуса приводит к уменьшению площади диаметрального сечения ударника и, как следствие, к снижению силовых импульсов давления со стороны камеры рабочего и холостого ходов и снижению кинетической энергии удара и частоты ударов.
Указанные недостатки можно исключить, если: продольный дроссельный канал в стенке корпуса перенести в коаксиальный зазор между центральной трубкой и дополнительной трубкой, для чего, например, на одной из трубок выполнить пазы, уплотненно сопрягая с поверхностью другой трубки, при этом одну часть пазов применить для впуска воздуха из предкамеры в камеру холостого хода, а другую часть для выпуска воздуха из камеры рабочего хода.
Техническая задача решается тем, что пневматическое устройство ударного действия для образования скважин в грунте включает полый корпус с размещенным в корпусе 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 и хвостовиком, входящим 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 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 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, причем продольный дроссельный канал со стороны камеры холостого хода и предкамеры снабжен радиальными каналами в центральной трубке, 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 камер рабочего и холостого хода.
Выполнение пневматического устройства ударного действия для образования скважин в грунте поясняется чертежами: фиг.1 - продольный разрез устройства; фиг.2 - поперечное сечение.
Пневматическое устройство ударного действия содержит полый корпус 1 с размещенным в нем бесступенчатым ударником 2 с центральным сквозным каналом 3, камеру 4 рабочего и камеру 5 холостого ходов, трубку 6 и дополнительную трубку 7. Дополнительная трубка 7 уплотненно сопряжена с поверхностью центральной трубки 6, закреплена по ее торцам и имеет радиальный выпускной канал 8, выполненный под острым углом к оси трубки и смещенный по винтовой линии относительно канала выпуска центральной трубки 9.
В дополнительной трубке 7 выполнены пазы 10, образующие дроссельный канал 11 впуска воздуха в камеру холостого хода 5 через радиальное отверстие 12 и канал выпуска воздуха 13 из камеры 4 рабочего хода. Трубка 6 взаимодействует с центральным сквозным каналом 3 ударника 2 и установлена со стороны камеры 4 рабочего хода в центральном отверстии 14 крышки 15.
Хвостовик 16 снабжен сквозным каналом 17, в котором установлена центральная трубка 6.
Футорка 18 снабжена сквозным впускным каналом 19 с установленным в нем ниппелем с воздухоподводящим каналом 20 подачи сжатого воздуха из сети.
В центральной трубке 6 выполнен радиальный канал 21 перепуска воздуха в дроссельный канал 11. Между крышкой 15 и футоркой 18, до упора поджимаемой крышку к корпусу 1, образована предкамера 22 сетевого воздуха.
Трубка 6 снабжена каналом 9 выпуска отработавшего воздуха из камер 4 и 5 в канал 13, образованные центральной трубкой 6 и дополнительной трубкой 7, и далее в радиальный выпускной канал 8 в сквозной канал 23 дополнительной трубки. Радиальный канал 9 выполнен под острым углом к оси трубки 6 с вершиной со стороны футорки и так, что срезы его со стороны камеры 4 и сквозного канала 23 трубки не совпадают в диаметральном сечении трубки.
Трубка 6 относительно хвостовика 16 и футорки 18 закреплена резиновыми уплотнительными кольцами 24 и 25, 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 23 используется для пневмотранспортирования грунта, поступающего через входное отверстие 26 корпуса 1 в сквозной канал 23 и посредством пневмотранспортной трубы к месту укладки грунта в отвал или транспортное средство. Пневмотранспорт может быть организован по методу «нагнетания» или «всасывания», которые широко известны.
Перекрытие среза канала 23 выпуска дополнительной трубки 7 предохраняет от попадания частиц грунта в камеры 4 и 5, что способствует поддержанию расчетного ресурса устройства.
Пневматическое устройство ударного действия работает следующим образом.
При подаче сжатого воздуха по шлангу 20 через постоянно открытый канал впуска 19 он поступает в предкамеру 22 сетевого воздуха и далее в камеру 4 рабочего хода по кольцевому дроссельному каналу, образованному зазором между поверхностями центрального отверстия 14 крышки 15 и боковой поверхностью трубки 6.
Одновременно сетевой воздух по радиальному каналу 21 поступает через дроссельный канал 11 и радиальное отверстие 12 - в камеру 5 холостого хода.
Давление в камере 4 рабочего хода будет практически равным атмосферному давлению, так как площадь проходного сечения канала 9 выпуска в стенке трубки 6 с каналом 13 выпуска и радиальным выпускным каналом 8 превышает площадь проходного сечения дроссельного канала 11 впуска воздуха в камеру холостого хода 5.
В камере 5 холостого хода давление воздуха увеличивается и ударник 2 начнет перемещаться от хвостовика 16, совершая холостой ход.
При последующем перемещении ударник 2 перекроет своей боковой поверхностью канал 9 выпуска, вследствие чего начнется увеличение давления воздуха, отсеченного в камере 4 рабочего хода, а также воздуха, вновь натекающего в эту камеру через кольцевой дроссельный канал впуска из предкамеры 22, образованный зазором между поверхностями центрального отверстия 14 крышки 15 и боковой поверхностью трубки 6.
Продолжая движение, ударник 2 отсекающей ступенью со стороны камеры 5 откроет канал 9 выпуска и из нее начнется выпуск отработавшего воздуха в канал 13 выпуска и далее в радиальный выпускной канал 8 и сквозной канал 23 - в атмосферу. Давление воздуха в камере 5 холостого хода устанавливается на уровне атмосферного, поскольку проходное сечение канала 9 выпуска, в стенке трубки 6 с каналом 13 выпуска и радиальным выпускным каналом 8 существенно больше проходного сечения дроссельного канала 11 впуска воздуха в камеру холостого хода.
По мере совершения ударником 2 холостого хода давление воздуха в камере 4 рабочего хода будет увеличиваться. Под действием разности импульсов давлений воздуха в камерах 4 и 5 ударник 2 будет затормаживать свое перемещение и остановится в расчетном положении. Далее под действием импульса давления со стороны камеры 4 рабочего хода ударник 2 начнет ускоренно перемещаться в сторону хвостовика 16, совершая рабочий ход.
По мере перемещения ударника 2 давление воздуха в камере 4 будет уменьшаться. Это будет вызвано тем, что быстро увеличивающийся объем камеры 4 при рабочем ходе не успевает заполнятся сетевым воздухом, поступающим из предкамеры 22 сетевого воздуха через кольцевой дроссельный канал, образованный зазором между поверхностями центрального отверстия 14 крышки 15 и боковой поверхностью трубки 6.
При дальнейшем перемещении ударника 2 его торец со стороны камеры 5 перекроет канал 9 выпуска, после чего в камере 5 холостого хода начнется процесс сжатия отсеченного в ней воздуха и воздуха, поступающего по дроссельному каналу 11.
При последующем движении ударник отсекающей ступенью со стороны камеры 4 откроет канал 9 выпуска и из камеры рабочего хода начнется выпуск отработавшего воздуха через канал 13 выпуска и радиальный выпускной канал 8 в сквозной канал 23 - в атмосферу.
В периоды рабочего и холостого ходов ударника расчетный рабочий режим устройства будет выполняться благодаря уплотнениям 24 и 25, обеспечивающим устойчивые характеристики воздуха в объемах камер 4 и 5, которые формируют энергетические показатели устройства.
Преодолевая импульс противодавления воздуха со стороны камеры 5 холостого хода под действием разницы импульсов давления воздуха со стороны камер 4 и 5, ударник наносит удар по хвостовику 16. Далее ударный импульс передается корпусу 1. Под действием указанного импульса корпус 1 будет погружаться в грунт, заполняя через отверстие 26 в корпусе пространство сквозного канала 23 измельченными, смешанными с воздухом частицами грунта, который будет транспортироваться к месту разгрузки. 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 16 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.