Устройство для образования скважин в грунте

 

Изобретение предназначено для образования скважин в грунте и может быть использовано для бестраншейной прокладки подземных коммуникаций. Устройство содержит корпус с механизмом перемещения, лидер и наконечник с опорным элементом. Максимальный размер лидера в его поперечном сечении не превышает максимальный размер корпуса в поперечном сечении последнего. На заднем торце лидера расположена выемка. На дне выемки размещен упорный элемент с рабочей поверхностью. Наконечник закреплен на корпусе. Опорный элемент наконечника выполнен с рабочей поверхностью, форма которой соответствует форме рабочей поверхности упорного элемента. Длина лидера по его продольной оси симметрии составляет не менее 0,45 и не более 5,9 от его максимального размера в поперечном сечении. Технический результат от использования устройства заключается в обеспечении минимального отклонения от заданного направления его перемещения при образовании скважин в неоднородных грунтах за счет повышения инерционности возврата лидера в исходное положение после преодоления устройством твердого включения. 2 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к горной промышленности и строительству, в частности к устройствам для образования скважин в грунте, и может быть использовано при бестраншейной прокладке подземных коммуникаций под дорогами, взлетно-посадочными полосами аэродромов, а также при сооружении закрытого дренажа без повреждения покрытий на территории заводов, шахт и других предприятий.

Известно устройство для образования скважин в грунте, содержащее корпус с механизмом перемещения, закрепленный на корпусе наконечник с опорным элементом и лидер, максимальный диаметр которого не превышает диаметр корпуса, с гнездом для размещения опорного элемента, продольная ось симметрии которого расположена на продольной оси симметрии корпуса. При этом лидер выполнен с выемкой, на дне которой расположено гнездо для размещения опорного элемента, а расстояние вдоль продольной оси симметрии устройства от торца опорного элемента до плоскости, проходящей через задний торец лидера, больше расстояния по той же оси от торца опорного элемента до переднего торца лидера [1].

К недостаткам известного устройства для образования скважин в грунте можно отнести большую вероятность изменения направления его перемещения в грунтовом массиве после преодоления твердого включения. Указанное обстоятельство вызвано тем фактом, что после прохождения препятствия лидер сравнительно быстро восстанавливает свое прежнее положение, т.е. под действием нагрузки, обусловленной реакцией грунта, продольная ось симметрии лидера оказывается расположенной на продольной оси симметрии корпуса устройства, что вызывает смещение оси проходки от ее проектной оси при дальнейшем перемещении устройства в грунтовом массиве.

Известно устройство для образования скважин в грунте, которое содержит корпус, внутри которого размещен привод для его перемещения, лидер, максимальный диаметр которого не превышает максимальный размер корпуса в его поперечном сечении, расположенную на заднем торце лидера выемку, на дне которой размещен упорный элемент с рабочей поверхностью, и закрепленный на корпусе наконечник с опорным элементом, имеющим рабочую поверхность, форма которой соответствует форме рабочей поверхности упорного элемента. При этом передняя рабочая поверхность лидера выполнена выпуклой, а нормаль к каждой точке передней рабочей поверхности лидера через отрезок прямой, соединяющей центр симметрии опорного элемента с любой точкой корпуса, которая лежит в плоскости, проходящей через нормаль и центр симметрии опорного элемента [2].

К недостаткам известного устройства, выбранного в качестве прототипа, можно отнести неустойчивость его курса при образовании скважин в неоднородных грунтах, которая вызвана недостаточной инерционностью возвращения лидера в исходное положение. После преодоления твердого включения желательно обеспечить такое перемещение устройства в грунтовом массиве, при котором оно вышло бы на курс, максимально приближенный к первоначальному, т.е. к тому направлению его перемещения, которое оно имело до встречи с твердым включением.

Задача изобретения - создание такого устройства для образования скважин в грунте, которое обеспечило бы минимальное отклонение от заданного направления его перемещения при образовании скважин в неоднородных грунтах. Технический результат, который может быть получен при реализации изобретения, заключается в повышении инерционности возврата лидера в исходное положение после преодоления устройством твердого включения в неоднородном грунте.

Задача решена за счет того, что в устройстве для образования скважин в грунте, которое содержит корпус с механизмом перемещения, лидер, максимальный размер которого в его поперечном сечении не превышает максимальный размер корпуса в поперечном сечении последнего, расположенную на заднем торце лидера выемку, на дне которой размещен упорный элемент с рабочей поверхностью, и закрепленный на корпусе наконечник с опорным элементом, имеющим рабочую поверхность, форма которой соответствует форме рабочей поверхности упорного элемента, длина лидера по его продольной оси симметрии составляет не менее 0,45 и не более 5,9 от его максимального размера в поперечном сечении.

Кроме того, задача решается за счет того, что в устройстве для образования скважин в грунте лидер имеет форму тела вращения с передней рабочей поверхностью, при этом по меньшей мере часть передней рабочей поверхности лидера образована поверхностью параболоида вращения. При таком варианте конструктивного выполнения устройства обеспечивается снижение энергоемкости процесса внедрения устройства в грунтовый массив.

Кроме того, задача решается за счет того, что в устройстве для образования скважин в грунте передняя рабочая поверхность лидера образована плавно сопряженными между собой поверхностями параболоида вращения и конуса вращения. Такой вариант конструктивного выполнения устройства позволяет снизить энергоемкость процесса внедрения устройства в грунтовый массив.

На фиг. 1 изображено устройство для образования скважин в грунте; на фиг. 2 - то же при встрече с препятствием; на фиг. 3 - один из вариантов конструктивного выполнения устройства для образования скважин в грунте.

Устройство для образования скважин в грунте содержит корпус 1 с механизмом перемещения (не показан), который может быть выполнен, например, в виде пневматического или гидравлического ударного механизма. На корпусе 1 закреплен наконечник 2 с опорным элементом 3. Соединение корпуса 1 с наконечником 2 может быть выполнено разъемным, например в виде резьбового соединения, или неразъемным, например в виде сварочного соединения. Наконечник 2 может быть выполнен за одно целое с корпусом 1, т.е. наконечник 2 может быть выполнен в виде выступа на корпусе 1. Продольные оси симметрии наконечника 2 и опорного элемента 3 расположены на продольной оси симметрии корпуса 1. Опорный элемент 3 имеет рабочую поверхность 4, которая может иметь выпуклую форму (фиг. 1 и 2) или вогнутую форму (фиг. 3). При выпуклой форме рабочей поверхности 4 опорного элемента 3 последний может быть образован выступом на наконечнике 2. При вогнутой форме рабочей поверхности 4 опорного элемента 3 он может быть образован выемкой на наконечнике 2. Рабочая поверхность 4 на опорном элементе 3 образована частью наружной поверхности тела вращения, преимущественно шара. На наконечнике 2 размещен лидер 5. Лидер 5 выполнен с выемкой 6. На дне выемки 6 расположен упорный элемент 7 для размещения опорного элемента 3 наконечника 2. Упорный элемент 7 имеет рабочую поверхность 8, которая может иметь выпуклую форму (фиг. 3) или вогнутую форму (фиг. 1 и 2). При выпуклой форме рабочей поверхности 8 упорного элемента 7 последний может быть образован выступом на лидере 5. При вогнутой форме рабочей поверхности 8 упорного элемента он может быть образован гнездом на дне выемки 6 в лидере 5. Рабочая поверхность 8 на упорном элементе 7 образована частью наружной поверхности тела вращения, например, шара. При этом форма рабочей поверхности 8 на упорном элементе 7 соответствует форме рабочей поверхности 4 на опорном элементе 3, то есть если рабочая поверхность 8 на упорном элементе 7 имеет коническую или сферическую форму, то рабочая поверхность 4 на опорном элементе 3 также должна иметь соответственно коническую или сферическую форму. Лидер 5 установлен на наконечнике 2 с возможностью ограниченного поворота по меньшей мере в двух плоскостях, при этом их взаимодействие осуществляется через рабочие поверхности 4 и 8. Максимальный размер лидера 5 в его поперечном сечении не превышает максимальный размер корпуса 1 в поперечном сечении последнего. Если, например, лидер 5 имеет форму тела вращения, а корпус 1 имеет цилиндрическую форму, то максимальный диаметр (d) лидер 5 должен быть менее или равным максимальному диаметру (D) корпуса 21. Эмпирически установлено, что длина (L) лидера 5 по его продольной оси симметрии должна составлять не менее 0,45 и не более 5,9 от его максимального размера в поперечном сечении. Например, если лидер 5 имеет форму тела вращения, то расстояние между его передним и задним торцами по продольной оси симметрии должно быть не менее 0,45 и не более 5,9 от его максимального диаметра (d), т. е. обязательным является выполнение следующей геометрической зависимости: 0,45 d < L < 5,9 d. Передняя рабочая поверхность 9 лидера 5 может иметь выпуклую форму. При этом нормаль к каждой точке передней рабочей поверхности 9 лидера 5 проходит через отрезок прямой, соединяющей центр симметрии O опорного элемента 3 с любой точкой корпуса 1, которая лежит в плоскости, проходящей через нормаль и центр симметрии опорного элемента 3 (фиг. 2).

Как уже указывалось выше, лидер 5 может иметь форму тела вращения, например сферическую или коническую. Наиболее целесообразным является такой вариант конструктивного выполнения устройства для образования скважин в грунте, при котором по меньшей мере часть передней рабочей поверхности 9 лидера 5 образована поверхностью параболоида вращения. При этом следует отметить, что вся передняя рабочая поверхность 9 лидера 5 может быть образована поверхностью параболоида вращения. Возможен такой вариант конструктивного выполнения устройства, при котором только головная часть передней рабочей поверхности 9 лидера 5 может быть образована поверхностью параболоида вращения, а оставшаяся часть передней рабочей поверхности 9 лидера 5 может быть образована, например, поверхностью цилиндра вращения или гиперболоида вращения (не показано).

Наиболее предпочтительным для уменьшения энергоемкости процесса внедрения устройства в грунтовый массив является такой вариант конструктивного выполнения устройства для образования скважин в грунте, при котором передняя рабочая поверхность 9 лидера 5 образована плавно сопряженными между собой поверхностями параболоида вращения и конуса вращения. Такой вариант конструктивного выполнения устройства для образования скважин в грунте изображен на фиг. 3, где головная часть длины (A) передней рабочей поверхности 9 лидера 5 образована поверхностью параболоида вращения, а концевая часть длины (A) передней рабочей поверхности 9 лидера 5 образована поверхностью конуса вращения. Указанные формы передней рабочей поверхности 9 лидера 5 определены эмпирически.

Устройство для образования скважины в грунте работает следующим образом.

В процессе перемещения устройства в однородном грунте на лидер 5 действует нагрузка, обусловленная реакцией грунта, равнодействующая которой R направлена по оси центров масс (по оси симметрии) устройства. При этом отклонения лидера 5 не происходит и ось его симметрии совпадает с осью симметрии корпуса 1.

При встрече лидера 5 с твердым препятствием 10 (фиг. 2) происходит поворот лидер 5 в направлении силы реакции R₁, действующей со стороны препятствия 10. Причем направление силы реакции R₁ при любом положении препятствия 10 по отношению к лидеру 5, пересекает отрезок прямой, соединяющий центр O опорного элемента 3 с любой точкой корпуса 1, т.е. направление силы реакции R₁ проходит позади центра O опорного элемента 3 (по курсу). При дальнейшем перемещении устройства в связи с поворотом лидера 5 на последний действует сила реакции R₂ грунта, проекция которой R_2y на ось Y, перпендикулярную оси а-а направлена противоположно проекции R_1y силы реакции R₁ на ту же ось. Таким образом, на опорный элемент 3 (и на жестко связанный с ним корпус 1) действует сила R_y = R_1y - R_2y, т.е. дестабилизирующая составная реакция препятствия R_1y уменьшена на величину R_2y. После прохождения лидером 5 препятствия 10 действие силы реакции R₁, действующей со стороны препятствия, на лидер 5 прекращается. При взаимодействии с препятствием 10 продольная ось симметрии лидера 5 была смещена относительно продольной оси симметрии корпуса 1 и после прохождения препятствия 10 лидер 5 под действием реакции грунта R₂ начнет поворачиваться в обратном направлении. Поскольку механизм перемещения продолжает работать, то корпус 1 продолжает перемещаться в грунтовом массиве. При этом лидер 5 выполняет функции грунтового руля, направляющего корпус 1 для движения в том же направлении, которое он осуществлял до встречи с препятствием. Степень приближения нового курса устройства (после прохождения препятствия 10) к исходной траектории его движения (до встречи с препятствием) зависит от геометрических параметров лидера 5. Как показали проведенные эксперименты, устройство для образования скважины после взаимодействия его лидера с препятствием 10 будет перемещаться с наименьшим отклонением от первоначального курса при условии, что длина (L) лидера 5 по его продольной оси симметрии составляет не менее 0,45 и не более 5,9 от величины максимального размера лидера 5 в его поперечном сечении. Выброс конкретного значения из указанного диапазона соотношений геометрических характеристик лидера 5 зависит от физико-механических характеристик грунта, диаметра образуемой скважины, типа и мощности механизма перемещения и от других параметров.

Формула изобретения

1. Устройство для образования скважин в грунте, включающее корпус с механизмом перемещения, лидер, максимальный размер которого в поперечном сечении не превышает максимальный размер корпуса в его поперечном сечении, расположенную на заднем торце лидера выемку, на дне которой размещен упорный элемент с рабочей поверхностью, и закрепленный на корпусе наконечник с опорным элементом, имеющим рабочую поверхность, форма которой соответствует форме рабочей поверхности упорного элемента, отличающееся тем, что длина лидера по его продольной оси симметрии составляет не менее 0,45 и не более 5,9 от его максимального размера в поперечном сечении.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что лидер имеет форму тела вращения с передней рабочей поверхностью, при этом по меньшей мере часть передней рабочей поверхности лидера образована поверхностью параболоида вращения.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что передняя рабочая поверхность лидера образована плавно сопряженными между собой поверхностями параболоида вращения и конуса вращения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3