Устройство для образования скважин в грунте

 

Изобретение относится к строительству, а именно к устройствам, предназначенным для бестраншейной прокладки скважин в грунте, и может найти применение при строительстве трубопроводов, подземных кабельных линий связи и электропередач. Устройство содержит шнековый винт, шарнирно соединенный с конусным рабочим наконечником, на наружной поверхности которого закреплена шнековая лопасть с навивкой, противоположной навивке лопасти шнекового винта, вибратор круговых колебаний, установленный внутри рабочего наконечника с зазором, при этом на внутренней поверхности рабочего наконечника закреплено зубчатое колесо с внутренним зубом, а на корпусе вибратора - с внешним, меньшим по числу зубьев, которые входят в зацепление, а корпус вибратора через компенсирующую муфту соединен с валом шнекового винта. Изобретение упрощает конструкцию устройства. 1 ил.

Изобретение относится к строительству, а именно к устройствам, предназначенным для бестраншейной прокладки скважин в грунте, и может найти применение при строительстве трубопроводов, подземных кабельных линий связи и электропередач.

Известно устройство для прокладки скважин в грунте, содержащее конусный рабочий наконечник с вибратором круговых колебаний и шнековый винт, соединенный шарнирно без возможности взаимного вращения с ним [1].

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство для образования скважин в грунте, содержащее шнековый винт, конусный рабочий наконечник с шнековой лопастью на его наружной поверхности с навивкой, противоположной навивке лопасти винта, вибратор круговых колебаний, установленный внутри рабочего наконечника с зазором, редуктор, установленный между шнековым винтом и вибратором, корпус которого шарнирно без возможности взаимного вращения соединен с конусным рабочим наконечником, ведомый вал жестко соединен с шнековым винтом, а ведущий через компенсирующую муфту с корпусом вибратора [2].

Проведенные исследования показали, что при обкатке по внутренней поверхности рабочего наконечника корпус вибратора развивает крутящий момент на ведущем валу редуктора, равный

где F_ц - возмущающая сила, создаваемая вибратором;

d - диаметр качения корпуса вибратора;

f – коэффициент трения между поверхностями корпуса вибратора и наконечника;

ϕ - угол сдвига фаз (угол между линией, соединяющей точку опоры корпуса вибратора о поверхность рабочего наконечника, и направлением возмущающей силы).

Максимальное значение угла сдвига фаз ϕ_max из условия качения без скольжения (вращения) корпуса вибратора по поверхности рабочего наконечника определяется коэффициентом трения f между их поверхностями

tg ϕ_mах=f.

При большем значении угла сдвига фаз ϕ происходит скольжение корпуса вибратора по поверхности наконечника (корпус вибратора не вращается). Для стального корпуса и рабочего наконечника при f = 0,15 максимальный момент Т_mах, развиваемый корпусом вибратора на ведущем валу редуктора, без учета силы тяжести вибратора составляет

Для увеличения момента в прототипе между корпусом вибратора и шнековыми полостями винта и рабочего наконечника установлен редуктор. Расчеты показали, что разместить в малом по диаметру рабочем наконечнике редуктор с требуемыми параметрами достаточно сложно, т.к. невозможно сочетать требуемые по условиям прочности размеры деталей с размерами рабочего наконечника.

Цель изобретения - упрощение конструкции устройства.

Для достижения поставленной цели в устройстве для образования скважин в грунте, содержащем шнековый винт, конусный рабочий наконечник, на наружной поверхности которого закреплена шнековая лопасть с навивкой, противоположной навивке лопасти шнекового винта, вибратор круговых колебаний, установленный внутри рабочего наконечника с зазором, согласно изобретению шнековый винт шарнирно соединен с конусным рабочим наконечником, на внутренней поверхности которого закреплено зубчатое колесо с внутренним зубом, а на корпусе вибратора - с внешним, меньшим по числу зубьев, которые входят в зацепление, а корпус вибратора через компенсирующую муфту соединен с валом шнекового винта.

На чертеже изображено устройство для образования скважин в грунте, общий вид.

Устройство для образования скважин в грунте содержит шнековый винт 1, конусный рабочий наконечник 2, на наружной поверхности которого закреплена шнековая лопасть 3 с навивкой, противоположной навивке лопасти шнекового винта. Шнековый винт 1 и конусный рабочий наконечник 2 соединены опорным шарниром 4. Внутри конусного рабочего наконечника 2 с зазором на опорах вращения 5 установлен вибратор круговых колебаний 6, корпус которого через компенсирующую муфту 7 соединен с валом шнекового винта 1. На внутренней поверхности конусного рабочего наконечника 2 закреплено зубчатое колесо 8 с внутренним зубом, а на корпусе вибратора закреплено зубчатое колесо 9 с внешним, меньшим по числу зубьев, которые входят в зацепление.

Для осуществления проходки скважины включается двигатель вибратора 6. Дебалансы вибратора, вращаясь с двигателем, создают возмущающую силу, которая прижимает корпус вибратора 6 через опоры вращения 5 к внутренним стенкам конусного рабочего наконечника 2 и заставляет его вращаться в направлении, обратном вращению дебалансов.

Так как корпус вибратора 6 компенсирующей муфтой 7 соединен с валом шнекового винта 1, то последний, ввинчиваясь в грунт, перемещается в направлении проходки, образуя лидерную скважину. Реактивный момент в зацеплении зубчатой пары 8, 9 вращает конусный рабочий наконечник 2 в противоположном направлении. Так как витки шнековой лопасти 3 на конусном рабочем наконечнике 2 имеют навивку, обратную навивке виткам шнекового винта 1, то конусный рабочий наконечник 2 также перемещается в направлении проходки, расширяя скважину до нужного размера. Возмущающая сила вибратора 6 через опоры вращения 5 воздействует на корпус конусного рабочего наконечника 2, который вместе с дебалансами совершает круговые колебания с частотой, равной частоте вращения дебалансов, перпендикулярные направлению проходки. Центр колебаний рабочего наконечника, т.е. точка, в которой амплитуда колебаний равна нулю, совпадает с опорным шарниром 4. С удалением от него амплитуда возрастает и достигает максимума на его цилиндрической части, в результате чего конусный рабочий наконечник 2 вызывает колебания грунта в радиальном направлении, что способствует уменьшению сил трения и сцепления в нем и поверхностью конусного рабочего наконечника 2 и шнековой лопастью 3.

Так как корпус вибратора 6 связан с конусным рабочим наконечником 2 через зацепление зубчатых колес 8, 9, то без учета силы тяжести вибратора и радиальной силы в зацеплении этой пары максимальный угол сдвига фаз ϕ_mах близок к 90°, а максимальный момент, развиваемый вращающимся корпусом вибратора, из выражения (1) будет

где dω - диаметр делительной окружности зубчатого колеса, закрепленного на корпусе вибратора.

Если момент, необходимый на ввинчивание лопастей шнекового винта 1 и конусного рабочего наконечника 2, превышает эту величину, то обкатка корпуса вибратора по внутренней поверхности рабочего наконечника под действием возмущающей силы сохранится без вращения корпуса вибратора, в результате чего скорость проходки скважины уменьшится до нуля, а вся энергия вибратора будет расходоваться на колебания конусного рабочего наконечника 2, который, воздействуя на грунт, уменьшит усилие на образование скважины, обеспечивая тем самым возможность дальнейшего образования скважины.

Шарнирное соединение шнекового винта с конусным рабочим наконечником, установка на внутренней поверхности рабочего наконечника зубчатого колеса с внутренним зубом, а на корпусе вибратора с внешним, меньшим по числу зубьев, которые входят в зацепление и соединение корпуса вибратора через компенсирующую муфту с валом шнекового винта позволит увеличить максимальный крутящий момент на корпусе вибратора по сравнению с прототипом примерно в 50 раз, в результате отпадает необходимость в редукторе, который установлен между корпусом вибратора, шнековым винтом и рабочим наконечником в прототипе. Не представляет трудности и изготовление зубчатых колес 8 и 9 необходимой прочности, так как они занимают максимально возможный размер внутреннего сечения конусного рабочего наконечника 2, а внутреннее зацепление зубчатой пары с малой разницей диаметров делительных окружностей имеет большой коэффициент перекрытия, что позволяет изготовить зубчатые колеса с мелким модулем, а следовательно, при тех же размерах с большим количеством зубьев в результате получить в малых размерах наконечника большое передаточное число, равное

где z₁, z₂ - соответственно число зубьев зубчатого колеса с внутренним 8 и внешним 9 зубом.

Предлагаемое устройство полностью сохраняет функциональные возможности прототипа, но значительно проще по конструкции, менее металлоемко и надежно в эксплуатации.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР № 899791, М.Кл. Е 02 F 5/18, 1982.

2. Авторское свидетельство СССР № 977615, М.Кл. Е 02 F 5/18, 1982.

Формула изобретения

Устройство для образования скважин в грунте, содержащее шнековый винт, конусный рабочий наконечник, на наружной поверхности которого закреплена шнековая лопасть с навивкой, противоположной навивке лопасти шнекового винта, вибратор круговых колебаний, установленный внутри рабочего наконечника с зазором, отличающееся тем, что шнековый винт шарнирно соединен с конусным рабочим наконечником, на внутренней поверхности которого закреплено зубчатое колесо с внутренним зубом, а на корпусе вибратора - с внешним, меньшим по числу зубьев, которые входят в зацепление, а корпус вибратора через компенсирующую муфту соединен с валом шнекового винта.

РИСУНКИРисунок 1