УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ СКВАЖИН В ГРУНТЕ
DEVICE FOR MAKING OF WELLS IN SOIL

Изобретение относится к строительству, а именно к устройствам для бестраншейной прокладки скважин и тоннелей в грунте.
Известно устройство для образования скважин в грунте, содержащее конусный рабочий наконечник, выполненный, по меньшей мере, из трех секций, задней, средней и передней, со шнековой спиралью секций, имеющей одну направленность навивки, конусный расширитель и вибратор круговых колебаний по описанию изобретения к патенту РФ № 2304666, МПК Е02F 5/18, БИ № 23, 20.08.2007 г. (1).
Недостатком данной конструкции является его ограниченное применение для прокладки только небольших диаметров скважины.
Задачей изобретения являются конструктивные изменения устройства, дающие возможность его применения для прокладки не только скважины большого диаметра, но и тоннелей.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство для образования скважин в грунте содержит конусный рабочий наконечник, выполненный, по меньшей мере, из трех секций - задней, средней и передней, конусный расширитель, шнековую спираль секций, имеющую одну направленность навивки, вибратор круговых колебаний, причем конусный расширитель выполнен с полостью и имеет беговую дорожку с перфорацией, отверстия для забора грунта в полость, грунторежущие элементы. Полость конусного расширителя снабжена грунтонаправляющими устройствами. Вибратор круговых колебаний выполнен, по меньшей мере, из трех валов, общих для всех секций устройства, кинематически связанных друг с другом посредством шестеренчатых передач.
Валы на участке их прохождения через среднюю секцию имеют односторонне ориентированные эксцентрики, и на участках задней и передней секций вращаются в подшипниках, обоймы которых расположены в кронштейнах, жестко скрепленных со своими секциями.
Эксцентрики валов также имеют подшипники, обоймы которых расположены на силовом элементе, который закреплен на средней секции посредством регулируемой эластичной подвески. На валах закреплены пневматические колеса с возможностью их фрикционного взаимодействия с беговой дорожкой с перфорацией конусного расширителя. На конусном расширителе закреплен конический грунтопровод, по оси которого расположена направляющая труба с перфорацией с закрепленной на ней шнековой спиралью. Передний конец направляющей трубы с перфорацией расположен в концевой опоре конусного расширителя. Задний конец направляющей трубы с перфорацией расположен в механизме изменения направления проходки скважины, размещенном на внешней опоре, при этом внешняя опора имеет возможность совместного перемещения с устройством в осевом направлении скважины. При этом конический грунтопровод и направляющая труба с перфорацией кинематически взаимосвязаны мотор-редуктором, а внешняя опора выполнена с механизмом раздельного регулируемого торможения конического грунтопровода и направляющей трубы с перфорацией с возможностью его перестановки при изменении угловой направленности направляющей трубы с перфорацией. Внешняя опора несет на себе функцию точки опоры для изменения осевого направления направляющей трубы с перфорацией, выполняемого механизмом изменения направления проходки скважины, а также для механизма раздельного регулируемого торможения направляющей трубы с перфорацией и конического грунтопровода. Внешняя опора имеет возможность перемещения в осевом направлении скважины совместно с устройством для прокладки скважин в грунте.
Для улучшения фрикционного контакта беговая дорожка с перфорацией может быть выполнена с протектором, а односторонне ориентированные эксцентрики валов могут быть расположены на участках валов всех секций с разворотом ориентировки односторонне ориентированных эксцентриков каждой последующей секции относительно предыдущей, с чередованием расположения секций с регулируемой эластичной подвеской и без нее
Устройство для образования скважины в грунте работает следующим образом. Устройство размещается в начальном участке скважины, после чего его опресовывают грунтом или ввинчивают в подготовленный начальный участок скважины.
После этого начинают вращать конический грунтопровод и направляющую трубу с перфорацией с закрепленной на ней шнековой спиралью посредством мотор-редуктора, выполняющего кинематическую связь между этими элементами устройства.
В нашем случае (см. фиг.1) корпус мотор-редуктора закреплен на коническом грунтопроводе, при этом направляющая труба с перфорацией получает противоположное относительно конического грунтопровода вращение. При необходимости возможно изменить скорость вращения между вышеуказанными элементами путем подтормаживания одного из них. Т.е. если мы тормозим вращение направляющей трубы с перфорацией, то увеличиваем скорость вращения конусного грунтопровода и наоборот. Далее вращение от конического грунтопровода передается на конусный расширитель с закрепленной на нем беговой дорожкой с перфорацией, от которой вращение получают пневматические колеса и, соответственно, скрепленные с пневматическими колесами валы, имеющие на участке средней секции односторонние ориентированные эксцентрики. Их односторонняя ориентированность поддерживается кинематической связью валов, выполненной посредством шестеренчатых передач между валами (на чертеже не показаны).
При проворачивании валов с односторонне ориентированными эксцентриками создается круговое циклично перемещающееся усилие, передающееся через силовой элемент и регулируемую эластичную подвеску средней секции, которая будет также циклично прижиматься к грунту, что повлечет за собой соответствующее прижатие в противофазе валами через подшипники, обоймы которых расположены в кронштейнах, жестко скрепленных с задней и передней секциями устройства этих секций к грунту. После некоторого времени действия такого обкатывающего усилия на грунт, стенки скважины раздаются, создавая диаметр скважины больший, нежели диаметр секций устройства. После создания зазора между стенками скважины и секциями устройства начинается качение секций по стенкам скважины, что приводит к началу их вращения и, соответственно, их ввинчиванию (или вывинчиванию) посредством шнековых спиралей секций в грунт и их осевому продвижению. Надо отметить, что трение внешней поверхности секций о грунт (т.е. их фрикционный контакт с грунтом) играет основную роль для предотвращения обратного проскальзывания корпусов секций от накатывающего цикличного усилия эксцентриков.
Под воздействием усилий от перемещающихся секций, передающихся через валы, пневматические колеса и беговую дорожку с перфорацией на конусный расширитель, начинается срез грунта его грунторежущими элементами. Грунт через отверстия в конусном расширителе попадает в его полость и далее направляемый грунтонаправляющими устройствами попадает в конический грунтопровод, в котором он перемещается, подхваченный вращением шнековой спирали, закрепленной на направляющей трубе с перфорацией.
Направляющая труба с перфорацией, с закрепленной на ней шнековой спиралью, совместно с конусным расширителем и коническим грунтопроводом, механизмом раздельного регулируемого торможения и мотор-редуктором может менять свою осевую направленность посредством механизма изменения направления проходки скважины, расположенном на внешней опоре, при этом механизм раздельного регулируемого торможения закреплен на внешней опоре с возможностью его перестановки при изменении угловой направленности направляющей трубы с перфорацией. Угловое отклонение направляющей трубы с перфорацией возможно из-за того, что всю вышеприведенную вращающуюся систему можно отклонять от своего осевого положения и фиксировать из-за некоторых допустимых деформаций пневматических колес и траекторий их движения по беговой дорожке с перфорацией. Поэтому срезание грунта грунторежущими элементами конусного расширителя будет происходить нессиметрично с некоторым отклонением в необходимую сторону поворота скважины.
При работе устройства в тяжелых грунтах возможна подача воды в конусный расширитель и конический грунтопровод через перфорационные отверстия направляющей трубы с перфорацией для его лучшего прохождения. Кроме того, дополнительный положительный эффект по прохождению грунта даст круговая цикличная тряска секций, происходящая из-за вращения валов с эксцентриками, передающаяся на грунт в конусном расширителе и коническом грунтопроводе через пневматические колеса и беговую дорожку с перфорацией, а также вибрация конусного расширителя с коническим грунтопроводом из-за перемещения пневматических колес по беговой дорожке c перфорацией, имеющей протектор (на чертеже не показан).
При необходимости увеличить или уменьшить силу упора конусного расширителя на переднюю стенку скважины при проходке возможна регулировка давления секций на стенки скважины посредством регулировки регулируемой эластичной подвески, что приведет, в конечном счете, к меньшей или большей пробуксовке секций со шнековой спиралью и увеличению или уменьшению усилия конусного расширителя на переднюю стенку скважины. В совокупности с этим возможно изменение скорости вращения конусного расширителя путем торможения вращения направляющей трубы с перфорацией или конического грунтопровода механизмом раздельного регулируемого торможения, что приведет к оптимизации скорости проходки скважины.
В качестве аналога предлагаемому устройству взято «Устройство для образования скважин в грунте» по источнику информации (1)
Перечень фигур на чертежах.
На фиг.1 изображено устройство для образования скважины в грунте.
На фиг.2 показано сечение устройства по линии «А-А» плоскостью, проходящей через точки крепления мотор-редуктора к коническому грунтопроводу.
На фиг.3 показано сечение устройства плоскостью по линии «Б-Б».
Устройство содержит три секции: заднюю 24, среднюю 22 и переднюю 21 (фиг.1) Имеются общие для всех секций валы 4 с расположенными на них на участке средней секции 22, односторонне ориентированными эксцентриками 6. Имеются подшипники 11 валов 4 и подшипники 9 эксцентриков 6. Подшипники 11 валов 4, имеют кронштейны 5, а подшипники 9 эксцентриков 6 расположены в силовом элементе 8 (фиг.3), который закреплен на средней секции 22 посредством регулируемой эластичной подвески 7 (фиг.3). На всех секциях расположена шнековая спираль секций 10 одной направленности навивки. На валах 4 закреплены пневматические колеса 12. Пневматические колеса 12 имеют фрикционный контакт с беговой дорожкой с перфорацией 19. Беговая дорожка с перфорацией 19 закреплена на конусном расширителе 14, имеющим отверстия 15, грунторежущие элементы 16 и полость 13 с грунтонаправляющими устройствами 18. На конусном расширителе 14 установлена концевая опора 17, в которой расположена направляющая труба с перфорацией 25. На направляющей трубе с перфорацией 25 закреплена шнековая спираль 23. Имеется внешняя опора 26 с расположенными на ней механизмом раздельного регулируемого торможения 2 и механизмом изменения направления проходки скважины 1. Внутри конического грунтопровода 20 закреплен мотор-редуктор 3.
Устройство для образования скважин в грунте работает следующим образом. Устройство размещают в плотно опресованном вокруг него грунте, или ввинчивают его в подготовленный начальный участок скважины, после чего начинают вращать через мотор-редуктор 3 конический грунтопровод 20 и направляющую трубу с перфорацией 25, расположенную в концевой опоре 17 с закрепленной на ней шнековой спиралью 23. Далее вращение от конического грунтопровода 20 передается на конусный расширитель 14 с закрепленной на нем беговой дорожкой с перфорацией 19, от которой вращение получают контактирующие с ней пневматические колеса 12 и, соответственно, скрепленные с ними валы 4, имеющие на участке средней секции 22 односторонне ориентированные эксцентрики 6 с подшипниками 9. Для сохранения одностороннего ориентирования эксцентриков 6 валы 4 кинематически связаны друг с другом через шестеренчатые передачи (на чертеже не показаны). Для улучшения фрикционного контакта пневматических колес 12 с беговой дорожкой с перфорацией 19, на последней может быть выполнен протектор (на чертеже не показан).
При проворачивании валов 4 с односторонне ориентированными эксцентриками 6 создается круговое циклично перемещаемое усилие, передающееся через силовой элемент 8 и регулируемую эластичную подвеску 7 средней секции 22, которая будет также циклично прижиматься к грунтовым стенкам скважины, что повлечет за собой соответствующее прижатие в противофазе валами 4 через подшипники 11, обоймы которых расположены в кронштейнах 5, жестко скрепленных с задней секцией 24 и передней секцией 21 устройства, этих секций к грунту. После некоторого времени действия такого обкатывающего усилия на грунтовые стенки скважины они раздаются, создавая диаметр скважины больший, нежели диаметр секций устройства. После создания зазора между стенками скважины и секциями устройства начинается качение секций по стенкам скважины, что приводит к началу вращения секций и, соответственно, их ввинчиванию в грунт (или вывинчиванию) посредством шнековых спиралей секций 10 и продвижению секций в осевом направлении скважины. Под воздействием усилий от перемещающихся секций, передающихся через валы 4, пневматические колеса 12 и беговую дорожку с перфорацией 19 на конусный расширитель 14, начинается срез грунта грунторежущими элементами 16. Грунт через отверстия 15 в конусном расширителе 14 попадает в его полость 13 и далее направленный грунтонаправляющими устройствами 18 попадает в конический грунтопровод 20, в котором он перемещается подхваченный вращением шнековой спирали 23, закрепленной на направляющей трубе с перфорацией 25. Направляющая труба с перфорацией 25 с закрепленной на ней шнековой спиралью 23 совместно с конусным расширителем 14, коническим грунтопроводом 20, механизмом раздельного регулируемого торможения 2 и мотор-редуктором 3 может изменять свою осевую направленность посредством механизма изменения направления проходки скважины 1 расположенном на внешней опоре 26. Такое угловое отклонение возможно из-за того, что вся вышеприведенная вращающаяся система может отклоняться от своего осевого положения и фиксироваться из-за некоторых допустимых деформаций пневматический колес 12 и траекторий их движения по беговой дорожке с перфорацией 19. Поэтому срезание грунта грунторежущими элементами 16 конусного расширителя 14 будет происходить несимметрично, с отклонением в необходимую сторону поворота скважины.
Механизм раздельного регулируемого торможения конического грунтопровода 20 и направляющей трубы с перфорацией 25 установлен на внешней опоре 26 с возможностью его, перестановки, при изменении угловой направленности направляющей трубы с перфорацией 25. Внешняя опора 26 имеет возможность перемещения в осевом направлении скважины совместно с устройством для прокладки скважины в грунте.
При работе устройства в тяжелых грунтах возможна подача воды в конусный расширитель 14 и конический грунтопровод 20 через перфорационные отверстия направляющей трубы с перфорацией 25 для лучшего продвижения такого грунта. Кроме того, дополнительный положительный эффект по продвижению грунта дает круговая цикличная тряска секций при вращении валов 4 с эксцентриками 6, передающаяся на грунт в конусном расширителе 14 и коническом грунтопроводе 20 через пневматические колеса 12 и беговую дорожку с перфорацией 19, а также вибрация из-за перемещения пневматических колес 12 по беговой дорожке с перфорацией 19, имеющей протектор (на чертеже не показан). При необходимости увеличение или уменьшение силы упора конусного расширителя 14 на переднюю стенку скважины при проходке возможно создать регулировкой давления секций на стенки скважины, посредством регулирования регулируемой эластичной подвески 7, что приведет, в конечном результате, к увеличению или уменьшению усилия конусного расширителя 14 на переднюю стенку скважины (из-за увеличения или уменьшения пробуксовки секций со шнековой спиралью секций 10 о стенки скважины). Так же возможно нахождение оптимальной скорости проходки путем подтормаживания механизмом раздельного регулируемого торможения 2 конического грунтопровода 20 или направляющей трубы с перфорацией 25, кинематически объединенных мотор-редуктором 3.
При необходимости возможно реверсирование движения устройства путем изменения направления вращения мотор-редуктора 3.
Устройство для прокладки скважин в грунте применимо для создания скважин большого диаметра, как горизонтальных, так и имеющих небольшие угловые отклонения как по вертикали, так и по горизонтали, а также при прокладке тоннелей. Оно совмещает в себе конструкцию крепи призабойного пространства, сам движитель крепи и механизм регулируемой подачи грунторежущих элементов в забой. Добавочные конструктивные качества - реверсирование его движения и изменение траектории проходки - повысят его эксплуатационные возможности.
Литература
1. «Устройство для образования скважины в грунте» по патенту № 2304666, МПК Е02F 5/18, БИ № 23, 20.08.2007 г. (1).