Устройство для проходки скважин ( варианты)

Изобретение относится к устройствам для бестраншейной проходки скважин и может быть использовано при прокладке подземных коммуникаций. Технический результат - повышение производительности проходки, снижение энергоемкости и повышение КПД устройства за счет уменьшения площади его контакта с грунтом и устранения эффекта проскальзывания. Устройство содержит соединенный с приводом вал 1 с установленными на нем съемными модулями прямого 3, обратного ходов 4 и коническим наконечником 2 с резьбой. Модуль обратного 4 хода выполнен в виде конического бурава, а модуль прямого 3 хода состоит из ряда эксцентрических, последовательно развернутых относительно оси вращения колес, состоящих из жестко связанных с приводным валом ступиц и установленных на них с возможностью вращения ободьев. Боковые поверхности ободьев наклонены к оси приводного вала 1 на угол ϕ_i, удовлетворяющий условию: arctg(p/πd_i)≤ϕ_i≤arctg(p/2(d_i+2ε_i)), где р - шаг резьбы конического наконечника 2, d_i и ε_i - значения диаметра и эксцентриситета i-го колеса соответственно. По второму варианту изобретения боковые поверхности ободьев параллельны оси приводного вала 1, а на их рабочих поверхностях выполнена резьба шага, которой равен шагу резьбы конического наконечника 2. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к устройствам для бестраншейной проходки скважин и может быть использовано при прокладке подземных коммуникаций.

Известны устройства (проходчики) для бестраншейной проходки скважин (см., например, в книге Свирщевский В.К. Проходка скважин в грунте способом раскатки. - Новосибирск, 1982 г., стр.24-27), содержащие приводной вал с последовательно развернутыми вокруг его оси эксцентриковыми шейками и установленными на них с возможностью вращения коническими и цилиндрическими реверсивными катками, продольные оси которых наклонены к оси вращения. Значения эксцентриситетов и углов разворота шеек, средние диаметры катков и значения углов наклона осей катков к оси устройства ступенчато закономерно изменяются по длине вала так, что геометрические центры катков лежат на охватывающей вал конической винтовой линии. При вращении вала катки, обкатываясь по своим забоям, формируют стенки скважины и одновременно перемещаются по винтовой линии, обеспечивая продольную подачу устройства (ввинчивание его в скважину). При реверсировании вала устройство выходит из скважины.

Для обеспечения эффективной самоподачи устройства расчетный шаг винтовой линии, определяющий скорость проходки и производительность устройства, должен быть одинаков по всей длине вала, а диаметры катков пропорциональны диаметрам соответствующих витков линии. Для протяженных катков указанное условие невыполнимо, поэтому в известном устройстве параметры реальной винтовой линии резко неоднородны по длине вала. Как следствие, при работе устройства катки проскальзывают относительно стенок скважины, что приводит к ослаблению (вплоть до исчезновения) эффекта самоподачи и, в конечном счете, снижению производительности проходки и КПД устройства.

Известно устройство по авт. свидетельству SU №1765313, МПК⁷ Е02F 5/18, 1992 г., в котором, с целью уменьшения вышеуказанного недостатка, каждый каток разделен на ряд конических секций, установленных на одной эксцентриковой шейке с возможностью их раздельного вращения, при этом продольные оси секции наклонены к оси вала на угол, обратно пропорциональный среднему диаметру катка.

В известном устройстве склонность катков к проскальзыванию несколько уменьшилась, однако положительный эффект незначителен, так как на границах шеек шаг практической винтовой линии по-прежнему изменяется скачкообразно.

Кроме того, наличие зазоров между секциями требует, для исключения попадания грунта в зазоры, разработки специальных уплотнительных элементов, что усложняет конструкцию и снижает технологичность изделия.

Известно устройство для проходки скважин (патент RU №2238371, МПК⁷ E02F 5/18, Е21В 7/26, 7/30, от 20.10.2004 г.), включающее привод, соединенный посредством промежуточного вала с рабочим органом, составленным из последовательно установленных на оси вращения съемных модулей - модуля обратного хода, формирователя скважины, модуля прямого хода и наконечника в виде конического бурава. Модули прямого и обратного ходов содержат последовательно развернутые и эксцентрично установленные относительно оси вращения конические и цилиндрические катки, расположенные в порядке уменьшения их диаметров к концам рабочего органа.

В данном техническом решении в известной степени устранены такие недостатки проходчиков, как низкая технологичность, сложность сборки и разборки изделия, низкая ремонтопригодность. Вместе с тем, использование в нем в качестве рабочих элементов протяженных катков оставляет нерешенными проблемы, связанные с неоднородностью параметров практической винтовой линии устройства, поэтому последнему свойственны все недостатки вышеуказанных аналогов - низкая производительность проходки, значительная энергоемкость и малый КПД.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка устройства для бестраншейной проходки скважин, лишенного указанных недостатков.

Ожидаемые технические результаты - повышение производительности проходки, снижение энергоемкости и повышение КПД устройства за счет уменьшения площади его контакта с грунтом и устранения эффекта проскальзывания.

По варианту 1 результаты изобретения достигаются тем, что в устройстве для проходки скважин, содержащем соединенный с приводом вал с установленными на нем съемными модулями, в том числе наконечником и модулями прямого и обратного ходов, модуль обратного хода выполнен в виде конического бурава, а модуль прямого хода составлен из ряда эксцентрических, последовательно развернутых относительно оси вращения колес, состоящих из жестко связанных с валом ступиц и установленных на них с возможностью вращения ободьев, при этом угол ϕ₁ между боковыми поверхностями ободьев и осью вала удовлетворяет условию:

arctg(p/πd_i)≤ϕ_i<arctg(p/2(d_i+2ε_i)), где р - шаг резьбы наконечника, d_i, ε_i - значения соответственно диаметра и эксцентриситета каждого колеса.

По варианту 2 результаты изобретения достигаются тем, что в устройстве для проходки скважин, содержащем соединенный с приводом вал с установленными на нем съемными модулями, в том числе наконечником и модулями прямого и обратного ходов, модуль обратного хода выполнен в виде конического бурава, а модуль прямого хода составлен из ряда эксцентрических, последовательно развернутых относительно оси вращения колес, состоящих из жестко связанных с валом ступиц и установленных на них с возможностью вращения ободьев, на рабочих поверхностях которых выполнена резьба с шагом, равным шагу резьбы наконечника.

Кроме того, на рабочей поверхности наконечника равномерно по окружности выполнены прямые продольные или винтовые канавки.

В вариантах практической реализации изобретения наклон колес может быть осуществлен как путем установки ступиц под соответствующим углом к оси вала, так и путем установки на вертикально расположенных ступицах ободьев с конической рабочей поверхностью.

На фиг.1 изображен общий вид заявляемого устройства.

На фиг.2 - продольный разрез одного из колес по варианту 1.

На фиг.3 - продольный разрез одного из колес по варианту 2.

Устройство содержит приводной вал 1 с конусным наконечником 2, модулями прямого 3 и обратного 4 ходов. Модуль прямого хода 3 состоит из ряда колес 5 со ступицами 6 и ободьями 7, установленными под углом ϕ_i к оси приводного вала по первому варианту изобретения. По второму варианту поверхности ободьев параллельны оси приводного вала и имеют резьбовую нарезку 8.

Устройство работает следующим образом.

Приводной вал 1 устройства приводится в действие (вращение) любым известным приводом, например электродвигателем (на чертежах не показан).

При вращении вала 1 колеса 5, обкатываясь по своим забоям, формируют стенку скважины и одновременно, перемещаясь вдоль витков условной винтовой линии, за счет трения сцепления с грунтом ввинчивается в скважину, обеспечивая продольную подачу устройства.

В заявляемом техническом решении за счет более тонкой по сравнению с известными устройствами дискретизации рабочих элементов (колес) параметры условной винтовой линии, определяемые соотношениями между диаметрами, углами наклона и разворота колес относительно оси вращения, более однородны по длине вала. Кроме того, расположение поверхностей ободьев под углом к оси вала, закономерно изменяющимся по длине последнего, обеспечивает постоянство шага практической винтовой линии.

Как следствие, колеса поступательно без проскальзывания вдавливаются в стенки скважины, что обусловливает эффективное ввинчивание устройства в скважину за счет уверенного зацепления с грунтом. Отсутствие проскальзывания, в свою очередь, увеличивает скорость проходки и приводит к снижению непроизводительных затрат энергии.

По второму варианту изобретения эффект продольной самоподачи устройства обеспечивается выполнением на наружных (рабочих) поверхностях ободьев резьбы, параметры которой соответствуют параметрам практической винтовой линии устройства.

Резьба на ободьях обеспечивает уверенное зацепление с грунтом, а меньшая по сравнению с катками площадь контакта колес со стенками скважины и выполнение продольных или винтовых канавок на боковой поверхности наконечника обусловливает снижение непроизводительных затрат энергии на трение, что также повышает КПД устройства.

Извлечение устройства из скважины осуществляют путем реверса двигателя.

Практика показывает, что довольно часто, особенно при проходке вертикальных скважин, в скважину попадают корни деревьев, арматура, строительный мусор и др. артефакты, которые при рабочем ходе вдавливаются в стенки скважины, а после прохода устройства "отпружинивают" в скважину, образуя пробки и перегораживая тем самым путь изделию при его реверсировании.

Выполнение в предлагаемом устройстве модуля обратного хода в виде конического бурава облегчает его вывинчивание из скважины и снижает потери энергии на разрушение пробок.

Выполнение рабочего органа из функционально и конструктивно унифицированных легкосъемных модулей обеспечивает технологичность и ремонтопригодность изделия и позволяет оперативно, непосредственно на рабочем месте модифицировать рабочий орган в соответствии с изменяющимися условиями проходки, что, в конечном счете, обеспечивает повышение производительности последней и расширение области применения устройства.

1. Устройство для проходки скважин, содержащее соединенный с приводом вал с установленными на нем съемными модулями, в том числе коническим наконечником с резьбой и модулями прямого и обратного ходов, отличающееся тем, что модуль обратного хода выполнен в виде конического бурава, а модуль прямого хода составлен из ряда эксцентрических, последовательно развернутых относительно оси вращения колес, состоящих из жестко связанных с приводным валом ступиц, на которых с возможностью вращения установлены ободья, при этом угол ϕ_i между боковыми поверхностями ободьев и осью приводного вала удовлетворяет условию:

где р - шаг резьбы наконечника;

d_i и ε_i - значения диаметра и эксцентриситета i-го колеса соответственно.

2. Устройство для проходки скважин, содержащее соединенный с приводом вал с установленными на нем съемными модулями, в том числе коническим наконечником с резьбой и модулями прямого и обратного ходов, отличающееся тем, что модуль обратного хода выполнен в виде конического бурава, а модуль прямого хода составлен из ряда эксцентрических, последовательно развернутых относительно оси вращения колес, состоящих из жестко связанных с приводным валом ступиц, на которых с возможностью вращения установлены ободья, на рабочих поверхностях которых выполнена резьба с шагом, равным шагу резьбы конического наконечника.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что на рабочей поверхности конического наконечника и/или модуля обратного хода равномерно по окружности выполнены прямые продольные канавки.

4. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что на рабочей поверхности конического наконечника и/или модуля обратного хода равномерно по окружности выполнены винтовые продольные канавки.