Устройство для забивания в грунт длинномерных элементов

 

Изобретение позволит уменьшить расход сжатого воздуха за счет расположения в устройстве для забивания в грунт длинномерных элементов воздухораспределителя соосно мембране, так как уменьшается длина воздухоподводящих каналов. Это достигается за счет выполнения устройства с двумя системами каналов для подачи и выхлопа сжатого воздуха из пневмокамеры, причем впускные и выхлопные каналы размещены по обе стороны от подвижной втулки и соосны последней, при этом каналы для выхлопа выполнены в мембране и периодически перекрываются ударной массой. 5 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области горной и строительной техники и предназначено для бестраншейной прокладки подземных коммуникаций.

В настоящее время при бестраншейной прокладке подземных коммуникаций широко используется забивка труб ударными пневматическими машинами - пневмопробойниками (Х.В. Ткач, В.А. Григоращенко, В.А. Климашко Прокладка трубопроводов под дорогами с помощью пневмопробойника. Передовой опыт в строительстве. 1976, серия 1, N 10, с. 5-6). Недостатки известного способа - низкая эффективность процесса, связанная с возвратно-поступательным движением подвижной массы. После каждого удара необходимо гасить отдачу ударной массы, но при этом происходит отрыв забиваемой трубы от забоя, и при последующем нанесении удара энергия тратится на преодоление зазора между передним торцем забиваемого элемента и забоем. В итоге на грунт передается меньшая энергия и часть ее тратится на отрыв трубы от забоя. Чем слабее грунт, тем большим колебаниям подвержена забиваемая труба. Такая же картина наблюдается в начале внедрения, когда сцепление трубы с грунтом мало.

Наиболее близким аналогом является способ забивания в грунт длинномерных элементов, например труб, и устройство для его осуществления (патент РФ N 2030516, кл. Е 02 F 5/18), сущность которого в приложении ударного импульса, сформированного за счет раскачивания ударной массы в вертикальной плоскости, при этом удар наносят в нижнем положении массы. Устройство выполнено в виде ударного маятникового узла, масса которого закреплена на подвесе над забиваемой трубой. Узел подъема ударной массы выполнен в виде мембраны с камерой и распределителя, соединенного с камерой и пневмомагистралью. Распределитель установлен над забиваемой трубой, выполнен в виде штока с клапаном, при этом один конец штока взаимодействует с ударной массой в крайнем нижнем ее положении, а на другом конце размещен клапан для регулирования подачи воздуха в камеру. Недостатками известного устройства являются повышенный расход сжатого воздуха из-за размещения воздухораспределителя на некотором расстоянии от пневмокамеры. Объем воздухоподводящих каналов фактически является "вредным" объемом, который не оказывает существенного влияния на рабочий цикл, однако при выхлопе он удаляется в атмосферу. Кроме того, использование одной системы для подачи сжатого воздуха в рабочую камеру и для выхлопа из нее малоэффективно, так как давления впуска и выхлопа различны, что предопределяет необходимость выполнения каналов с различной площадью сечения (выхлопные каналы обычно имеют в 2-4 раза большую площадь сечения). Использование одной системы каналов для подачи и выхлопа сжатого воздуха предопределяет следующие недостатки. Если каналы выполнить с большим сечением, удовлетворяющим процессу истечения из пневмокамеры, то в этом случае возрастает объем каналов, что усложняет их изготовление и увеличивает "вредный" объем, то есть автоматически повышается расход сжатого воздуха. Если идти по второму пути и выполнять каналы с малым сечением (достаточным для впуска сжатого воздуха), то в этом случае затруднено опорожнение пневмокамеры, что ухудшает энергетические показатели рабочего цикла (уменьшается энергия удара за счет заброса ударной массы на меньшую высоту).

Техническая задача изобретения - устранение вышеизложенных недостатков.

Это достигается за счет того, что устройство, содержащее шабот, ударный узел, закрепленный на шаботе и выполненный в виде маятника, ударная масса которого на шарнирном подвесе закреплена над забиваемой трубой, узел подъема ударной массы в виде мембраны с пневмокамерой и воздухораспределителя в виде корпуса, жестко закрепленного с шаботом, со штуцером, подвижной втулки со штоком, взаимодействующим с маятником и размещенным в пневмомагистрали, выполнено с двумя системами каналов для подачи и выхлопа сжатого воздуха из пневмокамеры, причем, впускные и выхлопные каналы размещены по обе стороны от подвижной втулки и параллельны последней, при этом каналы для выхлопа выполнены в мембране и периодически перекрываются ударной массой. Такое выполнение устройства позволяет повысить эффективность его работы за счет уменьшения расхода сжатого воздуха (уменьшается объем, занимаемый каналами) и улучшения выхлопа (уменьшается длина выхлопных каналов, что приводит к уменьшению сопротивления со стороны каналов, а значит к улучшению опорожнения пневмокамеры).

Целесообразно снабжать устройство диском, размещенным между мембраной и ударной массой, радиальный размер которого превышает расстояние между продольной осью симметрии устройства и выхлопными каналами мембраны, причем, диск прикреплен к мембране в центральной части и выполнен с возможностью образования зазора между поверхностями диска и мембраны. Такое выполнение устройства повышает долговечность и надежность его работы, так как ударный импульс от качающейся массы передается на мембрану демпфированным. Кроме того, соотношение расстояния между выхлопным каналами мембраны и размерами диска обеспечивает работоспособность конструкции, так как в нижнем положении ударной массы пневмокамера герметизируется.

Целесообразно диск выполнять из резины. Такое выполнение устройства повышает его долговечность, так как снижаются пусковые нагрузки на мембрану при ударе.

Целесообразно воздухораспределитель выполнять соосным с мембраной и своим штоком, взаимодействующим с последней, при этом подвижная втулка выполнена со сквозными каналами, расположенными вокруг штока, причем, воздухораспределитель снабжен двумя эластичными фланцами, размещенными с обеих сторон подвижной втулки и закрепленными к корпусу воздухораспределителя на расстоянии, меньшем хода подвижной втулки, при этом толщина эластичных фланцев превышает размер сквозных каналов подвижной втулки. Такое выполнение конструкции устройства обеспечивает надежность воздухораспределения при минимизации объема воздухоподающих каналов, что уменьшает расход сжатого воздуха.

Целесообразно корпус воздухораспределителя выполнять с подвижной задней стенкой, к которой прикреплять эластичный фланец. Такое исполнение конструкции обеспечивает регулировку момента впуска сжатого воздуха в пневмокамеру, что регулирует начало подачи сжатого воздуха при нанесении удара качающейся массы, когда она имеет максимальную кинетическую энергию.

Целесообразно подвижную втулку воздухораспределителя выполнять с возможностью смещения вдоль оси штока и фиксации относительно последнего. Такое выполнение конструкции позволит регулировать момент отсечки пневмокамеры от магистрали, когда последняя соединена с атмосферой.

На фиг. 1 показано расположение элементов конструкции при нанесении удара по шаботу; на фиг. 2 - расположение элементов конструкции при нанесении удара через диск; на фиг. 3 - расположение элементов конструкции при подъеме ударной массы; на фиг. 4 - сечение А-А на фиг. 2.

Устройство прикрепляется к заданному торцу забиваемой трубы 1 и содержит шабот 2, к которому прикреплен кронштейн 3 с шарниром 4 и подвесом 5, с жестко прикрепленной к нему ударной массой 6. Устройство выполнено с воздухораспределителем, состоящим из корпуса 7, подвижной втулки 8, закрепленной на штоке 9, который перемещается по направляющей 10, жестко прикрепленной к корпусу 7. Задняя стенка 11 корпуса 7 может быть выполнена подвижной, например за счет резьбовой пары 12. Шток 9 выполнен соосно с ударной массой 6. Подвижная втулка 8 выполнена со сквозными каналами 13 (фиг. 2), размещенными вокруг штока 9. Внутри корпуса 7 воздухораспределителя с обеих его сторон к нему прикреплены два эластичных фланца 14 и 15, причем, расстояние между фланцами меньше хода подвижной втулки 8. Подвижная задняя стенка 11 выполнена со штуцером 16, по которому подается сжатый воздух от источника (не показан на чертежах). Пневмокамера 17 ограничена стенками кронштейна 3 и мембраны 18 с каналами 19. В центральной части к мембране может быть прикреплен диск 20, который размещен между мембраной 18 и качающейся массой 6. Радиальный размер диска 20 превышает расстояние между продольной осью устройства и выхлопными каналами 19. Диск 20 прикреплен к мембране 18 посредством болтового соединения 21. Мембрана 18 по периферии прикреплена к кронштейну 3. При отсутствии диска 20 качающаяся масса 6 должна иметь размеры, превышающие расстояние между каналами 19 (фиг. 1). Направляющая 10 выполнена с каналами 22. Корпус 7 воздухораспределителя совместно со штоком 9 и стенками эластичного фланца 14 образует полость 23, а совместно с эластичным фланцем 15 - вторую полость 24. Позицией 25 (фиг. 3) обозначена резьбовая пара, служащая для закрепления подвижной втулки 8 на штоке 9.

Принцип работы предлагаемого устройства.

Ударную массу 6 поднимают вокруг шарнира 4 на некоторый угол, после чего ее опускают. Разгоняясь, масса приобретает кинетическую энергию, с которой наносят удар по торцу трубы 1. Удар может наноситься непосредственно по металлическим элементам (кронштейн - шабот - труба), как показано на фиг. 1, либо через эластичные элементы конструкции (диск - мембрана - кронштейн - шабот - труба), как показано на фиг. 2 и 3. От ударных импульсов труба 1 внедряется в грунт, деформируя грунтовый массив, при этом часть грунта поступает внутрь трубы 1. Повторяя эти операции, обеспечивают забивку трубы 1 на необходимое расстояние.

В начале процесса необходимо отклонить массу 6, а затем этот процесс происходит автоматически. Это осуществляется следующим образом. Штуцер 16 постоянно соединен с пневмомагистралью. В крайних положениях подвижной втулки 8 ее каналы 13 перекрыты стенками эластичных фланцев 14 и 15. Ход подвижной втулки 8 больше расстояния между эластичными фланцами 14 и 15. Это приводит к деформации эластичных фланцев 14 и 15, которые перекрывают каналы 13 подвижной втулки 8 и отсекают полость 23 от полости 24. Когда процесс становится установившимся, происходит поочередное отсоединение полостей 23 и 24 друг от друга и их соединение.

В крайнем нижнем положении ударной массы 6 полости 23 и 24 не соединены между собой подвижной втулкой 6 (фиг. 2), поэтому сжатый воздух не поступает в пневмокамеру 17, подвижная втулка 8 своим торцем деформирует эластичный фланец 14, отсекая камеры 23 и 24 друг от друга. При отклонении качающейся массы 6 сжатый воздух, находящийся в полости 23, сдвигает подвижную втулку 8 вместе со штоком 9 (на чертежах вправо). Сжатый воздух из штуцера 16 по зазору между торцами эластичного фланца 14 и подвижной втулки 8, по каналам 13 подвижной втулки 8 поступает в полость 24 и через канал 22 в направляющей 10 - в пневмокамеру 17. Каналы 19 эластичной мембраны 18 в крайнем левом положении перекрыты диском 20 (фиг. 2) или стенками качающейся массы 6 (фиг. 1). Пневмокамера 17, наполняясь сжатым воздухом, деформирует мембрану 18, которая приводит в движение качающуюся массу 6, подбрасывая ее. Когда подвижная масса 6 набирает необходимую кинетическую энергию, подвижная втулка 8 находится в крайнем правом положении, деформируя эластичный фланец 15, и тем самым пневмокамера 17 отсекается от полости 23, а значит и от магистрали. В этот же момент каналы 19 мембраны 18 открываются, так как последняя изгибается, и между торцами мембраны 18 и диска 20 или качающейся массы 6 образуется зазор, по которому сжатый воздух удаляется из пневмокамеры 17 в атмосферу, мембрана 18 возвращается в исходное положение и при этом, воздействуя на шток 9, перемещает подвижную втулку 8 в исходное положение, показанное на фиг. 2. Качающаяся масса 6 под действием инерционных сил поднимается на максимальную высоту, а затем под действием силы тяжести падает, нанося в конце своего движения удар. Под действием силы отдачи масса 6 поворачивается на некоторый угол, отклоняясь от мембраны 17 (диск 21). Сжатый воздух, воздействуя на торец подвижной втулки 8, сдвигает ее и шток 9 влево. Затем цикл повторяется.

Для регулирования момента начала впуска сжатого воздуха из пневмомагистрали в пневмокамеру 17 необходимо вывинтить (ввинтить) заднюю стенку 11 в корпус 7 воздухораспределителя, при этом меняется момент отсечки камеры 24 от камеры 23. Для регулирования момента отсечки камеры 24 (магистрали) при выхлопе сжатого воздуха из пневмокамеры 17 в атмосферу необходимо сдвинуть подвижную втулку 8 влево (вправо) вдоль оси штока 9, для чего втулка 8 установлена на резьбе 25.

Все элементы конструкции воздухораспределителя размещены параллельно продольной оси мембраны 18, поэтому небольшой ход мембраны 18 обеспечивает переключение их на иной режим работы. В силу чего длина каналов минимальна и, как следствие, их минимальный объем и минимальный расход сжатого воздуха.

Проведенные эксперименты с опытным образцом устройства подтвердили отмеченные выше преимущества предложенного устройства по отношению к прототипу.

Формула изобретения

1. Устройство для забивания в грунт длинномерных элементов, содержащее шабот с кронштейном, ударный узел, закрепленный на шаботе и выполненный в виде маятника, ударная масса которого на шарнирном подвесе прикреплена к кронштейну над забиваемым элементом, например трубой, узел подъема ударной массы в виде мембраны с пневмокамерой, воздухораспределитель в виде корпуса, жестко прикрепленного к кронштейну со штуцером и подвижной втулкой со штоком, взаимодействующим с ударным узлом, размещенным в пневмомагистрали, отличающееся тем, что оно выполнено с двумя системами каналов для подачи и выхлопа сжатого воздуха из пневмокамеры, причем впускные и выхлопные каналы размещены по обе стороны от подвижной втулки и параллельны последней, при этом каналы для выхлопа выполнены в мембране и перекрываются ударной массой.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено диском, размещенным между мембраной и ударной массой, радиальный размер которого превышает расстояние между продольной осью симметрии устройства и выхлопными каналами мембраны, причем диск, прикрепленный к мембране в центральной части, выполнен с возможностью образования зазора между поверхностями диска и мембраны.

3. Устройство п.1 или 2, отличающееся тем, что диск выполнен из эластичного материала, например из резины.

4. Устройство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что воздухораспределитель выполнен соосно с мембраной и своим штоком взаимодействует с последней, при этом подвижная втулка выполнена со сквозными каналами, расположенными вокруг штока, причем воздухораспределитель снабжен двумя эластичными фланцами, размещенными с обоих сторон подвижной втулки и прикрепленными к корпусу воздухораспределителя на расстоянии, меньшем хода подвижной втулки, причем радиальная толщина эластичных фланцев превышает размер сквозных каналов подвижной втулки.

5. Устройство по любому из пп.1 - 4, отличающееся тем, что корпус воздухораспределителя выполнен с подвижной задней стенкой, к которой прикреплен эластичный фланец.

6. Устройство по любому из пп.1 - 5, отличающееся тем, что подвижная втулка воздухораспределителя выполнена с возможностью смещения вдоль оси штока и фиксации относительно последнего.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4