ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ УДАРНЫЙ МЕХАНИЗМ ГРУНТОЗАБОРНОГО УСТРОЙСТВА
PNEUMATIC IMPACT MECHANISM OF SOIL INTAKE DEVICE

Изобретение относится к строительству и горному делу, в частности к устройствам ударного действия, используемым для проходки скважин в грунтовых средах.
Известно пневматическое устройство ударного действия с бесклапанным воздухораспределителем (а.с. СССР №227198, кл. Е02F 5/18. Опубл. 1964), включающее корпус, ударник, наковальню, воздухораспределительный механизм; в задней части корпуса неподвижно установлен цилиндрический патрубок с центральным воздухораспределительным каналом, входящий во внутреннюю полость ударника, имеющую сквозные окна; ударник снабжен наружной полой гильзой, в которой расположен стержень, цилиндрическая часть которого установлена с зазором, а хвостовая коническая часть жестко соединена с гильзой.
Пневматическое устройство ударного действия по а.с. 227198 обладает недостатками: полость в ударнике постоянно сообщается с сетью и периодически опоражнивается при перепуске воздуха в переднюю камеру (камеру холостого хода), что обуславливает потери внутренней энергии воздуха и снижение его давления из-за значительных местных сопротивлений сложного тракта перепуска, что приводит к повышенному расходу воздуха и снижению экономичности устройства.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является пневмоударный механизм, используемый в грунтозаборном устройстве (а.с. СССР №614162, М. кл. E02D 1/00, G01N 1/02, опубл. 1978 г., прототип), включающий в цилиндрическую полость корпуса пневмоударный механизм с выпускными отверстиями, воздухоподводящую коробку с предкамерой сетевого воздуха и наковальню, ударник с золотником в виде ступенчатой трубки с большей ступенью, бесступенчатую трубку для грунтового керна, пропущенную через корпус, ударник и золотник, а ударник разделяет цилиндрическую полость корпуса на выпускную камеру со стороны воздухоподводящей коробки и камеру холостого хода со стороны наковальни и выполнен с боковыми отверстиями и внутренней камерой рабочего хода, связанной с золотником, и установленный с зазором относительно корпуса.
Пневмоударный механизм, как содержащий наибольшее количество существенных признаков, включенных в предлагаемое техническое решение, принят в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является: внутренняя камера рабочего хода в ударнике периодически посредством боковых отверстий и зазора между корпусом и ударником сообщается с камерой холостого хода со стороны наковальни и из-за сложной системы воздухоподводящих каналов (перепускное окно в ударнике, продольный кольцевой канал значительного объема) обладает значительным местным сопротивлением с низким коэффициентом расхода воздуха и потерей внутренней энергии сжатого воздуха для организации необходимого по величине силового импульса холостого хода, что приводит к повышенному расходу воздуха и снижению частоты ударов ударника;
функции выпуска воздуха выполняются внутренней камерой рабочего хода в ударнике, что существенно снижает давление воздуха со стороны камеры при организации силового импульса рабочего хода ударника, снижает энергию удара и эффект погружения корпуса пневматического ударного механизма в грунтовую среду.
Отмеченные недостатки пневмоударного механизма устраняются полностью или частично, если перекрыть выпускные боковые отверстия ударника большей ступенью ступенчатой трубки со стороны внутренней камеры рабочего хода в ударнике и оставить за выпускными отверстиями функции выпуска воздуха из камер холостого хода со стороны наковальни в выпускную камеру, причем коаксиально с зазором, образующим кольцевой канал между бесступенчатой и ступенчатой трубками, установить дополнительную бесступенчатую воздухоподводящую трубку, соединяющую постоянно предкамеру сетевого воздуха в воздухоподводящей коробке с камерой холостого хода посредством торцевого отверстия трубки со стороны наковальни либо бокового отверстия в стенке трубки с опиранием ее в наковальне.
Техническая задача заявляемого пневматического ударного механизма грунтозаборного устройства заключается в следующем: устройство, содержащее заключенный в цилиндрическую полость корпуса пневмоударный механизм с выпускными отверстиями, воздухоподводящую коробку с предкамерой сетевого воздуха и наковальню, ударник с золотником в виде ступенчатой трубки с большей ступенью, бесступенчатую трубку, пропущенную через корпус, золотник, ударник, разделяющий цилиндрическую полость корпуса на выпускную камеру со стороны воздухоподводящей коробки и камеру холостого хода со стороны наковальни, выполнен с выпускными боковыми отверстиями и внутренней, связанной с золотником полостью, и установленный с зазором относительно корпуса, причем большая ступень ступенчатой трубки установлена с постоянным перекрытием выпускного бокового отверстия ударника со стороны внутренней полости рабочего хода, и коаксиально с зазором между бесступенчатой и ступенчатой трубками установлена дополнительная бесступенчатая трубка, образующая кольцевой канал, соединяющий постоянно предкамеру сетевого воздуха с камерой холостого хода посредством бокового отверстия в стенке дополнительной бесступенчатой трубки с отпиранием ее в наковальне.
На фиг.1 схематически показан пневматический ударный механизм грунтозаборника в продольном осевом разрезе.
В устройстве использован пневмоударный механизм, имеющий конически суженный на головном конце корпус 1, в котором выполнена цилиндрическая полость 2. В полости 2 размещен с возможностью возвратно-поступательного движения ударник 3. Головная часть корпуса 1 представляет собой наковальню 4, выполненную заодно целое с корпусом 1. Ударник 3 разделяет цилиндрическую полость 2 корпуса 1 на камеры: выпускную камеру 5, находящуюся постоянно посредством выпускных отверстий 6 под давлением окружающего корпус 1 воздуха (атмосферного) и камеру 7 холостого хода со стороны наковальни 4. Корпус 1 со стороны, противоположной наковальне 4, закрыт крышкой 8 с выпускными отверстиями 6 и воздухораспределительной коробкой 9 с предкамерой 10 сетевого воздуха, подводимого из сети через воздухоподводящий рукав и ниппель 11. В полости 2 установлен золотник 12 в виде ступенчатой трубки 13 с кольцевым каналом 14, взаимодействующей своей большей ступенью 15 с ударником 3 при выпуске отработавшего воздуха из камеры 7 холостого хода в выпускную камеру 5 посредством зазора, образующего кольцевой канал 16 между корпусом 1 и ударником 3 через боковое отверстие 17. При этом большая ступень 15 ступенчатой трубки 13 постоянно перекрывает выпускные боковые отверстия 17 ударника 3. Со стороны предкамеры 10 сетевого воздуха с коаксиальным зазором между ступенчатой трубкой 13 и бесступенчатой трубкой 18 установлена дополнительная бесступенчатая трубка 19, образующая кольцевой канал 20, соединяющий постоянно предкамеру 10 в воздухоподводящей коробке 9 с камерой 7 холостого хода со стороны наковальни 4 посредством бокового отверстия 21 в стенке трубки 19 с опиранием в наковальне 4. Ступенчатая трубка 13 установлена с опиранием в предкамере 10 воздухоподводящей коробки 9. Ударник 3 снабжен внутренней кольцевой камерой 22 рабочего хода, взаимодействующей с большей ступенью 15 ступенчатой трубки 13, посредством которой внутренняя кольцевая камера 22 постоянно соединена с предкамерой 10 в коробке 9. В наковальне 4 выполнен сквозной осевой канал 23, диаметр которого может быть выполнен в зависимости от физико-механических характеристик забираемого грунта меньшим диаметра отверстия 24 бесступенчатой трубки 18 либо большим, либо выполненным в виде усеченного корпуса с меньшим диаметром со стороны бесступенчатой трубки. Такие конструктивные решения будут обеспечивать сохранение керна либо его разрыхление с изменением известных вакуумных или нагнетательных устройств, транспортирование забранного грунта на дневную поверхность, либо уплотнение забираемого грунта с сохранением его естественной плотности и слойности по длине керна. Бесступенчатая труба 18 установлена уплотненно с опиранием в наковальне 4.
Пневматический ударный механизм (фиг.1) работает следующим образом.
Сжатый воздух от компрессора поступает через воздухоподводящий рукав в ниппель 11 и далее в предкамеру 10 сетевого воздуха в коробке 9, по кольцевому каналу 20 в ступенчатой трубке 13, кольцевую камеру золотника 12 и внутреннюю кольцевую камеру 22 сетевого воздуха в ударнике 3. Предкамера 10 постоянно сообщена с камерой 21 и давление воздуха в ней поддерживается практически на уровне давления сетевого воздуха.
Одновременно сжатый воздух из предкамеры 10 по кольцевому каналу 20 в дополнительной воздухоподводящей трубке 19, опертой уплотненно в наковальне 4 и через отверстие 21, в виде круглого сечения либо щели, поступает в кольцевую камеру 7 холостого хода, диаметральная площадь которой больше кольцевой диаметральной площади внутренней кольцевой камеры 22.
Под действием разницы сил от давления воздуха со стороны внутренней кольцевой камеры 22 и кольцевой камеры 7 ударник 3 будет перемещаться в сторону, противоположную наковальне 4, при отсутствии противодавления воздуха со стороны кольцевой камеры 5, постоянно сообщенной посредством выпускных каналов 6 с атмосферой, совершая холостой ход.
По мере перемещения ударника 3 в сторону предкамеры 10 в коробке 9 боковое выпускное отверстие 17 в стенке ударника 3 вскроется большей ступенью 15 ступенчатой трубки 13. Вследствие этого отработавший воздух из кольцевой камеры 7 холостого хода по кольцевому каналу 16 между ударником 3 и стенкой 2 корпуса 1 через выпускное отверстие 17, вскрытое ступенью 15 ступенчатой трубки 13, будет выпускаться в камеру 5 и далее через выпускное отверстие 6 в атмосферу. Ударник 3, исчерпав импульс давления воздуха со стороны кольцевой камеры 7 холостого хода, несмотря на некоторое поступление воздуха через канал 21, встречая силу сопротивления от давления воздуха со стороны внутренней кольцевой камеры 22, остановится в расчетной точке и начнет ускоренное движение под действием импульса давления со стороны кольцевой камеры 22 в направлении наковальни 4, совершая рабочий ход. При движении ударника 3 боковое выпускное отверстие 17 остается перекрытым большей ступенью 15 ступенчатой трубки 13 и в кольцевой камере 7 холостого хода начнется сжатие отсеченного в ней воздуха и воздуха, поступающего через кольцевой канал 20 и выпускной канал 21 дополнительной бесступенчатой трубки 19. Преодолевая противодавление воздуха со стороны кольцевой камеры 7, ударник 3 наносит удар по наковальне 4. Энергия удара ударника 3 передается наковальне 4 корпуса 1, который под ее воздействием будет перемещаться в грунтовой среде с одновременным забором грунта через канал 22 и далее перемещением по бесступенчатому каналу 24 в трубке 19 в направлении дневной поверхности к месту его приема.
После соударения ударника 3 с наковальней 4 ударник 3 приобретает импульс отскока, к которому добавляется импульс давления воздуха со стороны кольцевой камеры 7 холостого хода, в результате чего совершается холостой ход ударника и (рабочий) цикл будет повторяться до прохождения заданного участка забора грунта.
Состояние отобранного грунта будет зависеть от задач его получения и применения известных устройств транспортирования грунта для конкретных целей.