Устройство для разрушения твердого плотного материала относительно несжимаемой жидкости

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

Сеюз Советскми

Социалистических

Республик

<ц722499 (6l ) Дополнительный к патенту (22) Заявлено 2706.77 (2I) 2498147/22-03 (23) Приоритет — (32) 28. 06 . 76 (3I) 7607337-8 (И) Швеция (51) М. Кл.

Е 21 С 25/60

Е. 21 С 37/06

Е 21 С 45/00

Государственный комитет сссР по делам н обретеннй н открытий (53) У К б 22. 23 2. 5 (088.8) Опубликовано150380 Бюллетень ¹ 10 дата опубликования описания 150380 (72) Автор изобретения

Иностранец

Эрик Волмар Лэвон (Швеция) Иностранная фирма н

Атлас Копко Акти е бол а г (Швеци я) (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАЗРУШЕНИЯ ТВЕРДОГО ПЛОТНОГО

МАТЕРИАЛА ОТНОСИТЕЛЬНО НЕСЖИМАЕМОЙ ЖИДКОСТЬЮ

Настоящее изобретение касается конструкции устройства для разрушения твердого плотного материала относительно несжимаемой жидкостью и может быть использовано, в част- 5 ности, для разрушения горных пород путем выбрасывания компактной массы жидкости в предварительно пробуренное неглубокое отверстие.

Известно устройство для дробления 10 горных пород, включающее трубу, присоединенную к источнику жидкости под давлением и вводимую в отверстие, предварительно пробуренное в породе.

При этом давление жидкости в этом та отверстии может создаваться либо статическим, либо динамическим путем (1) .

Однако широкого применения для дробления горных порбд это устройство © не нашло, в частности, из-за трудности создания достаточно высокого давления жидкости и трещиноватости пород, требующей эффективного уплотнения отверстия вокруг трубы.

Более близким техническим решением иэ известных к настоящему изобретению является устройство для разрушения твердого плотного материала относительно несжимаемой жидкостью, направляемой в виде продолговатой жидкой массы в сторону разрушаемого материала, содержащее цилиндр с размещенным в нем циклически движущимся поршнем, разделяющим пространство цилиндра на две камеры, в одной из которых помещено упругое средство, создающее осевую нагрузку на поршень, а другая соединена с источником жидкости под давлением и оснащена трубчатой насадкой для направления жидкости из этой камеры в сторону разрушаемого материала f 2) .

При использовании этого устройства возникают серьезные технические пооблемы, такие как усталость частей, в частности, гидравлической камеры, штока поршня, насадки, подвергаемых давлениям до 10 или 20 кбар, которые возникают при ударах поршня по жидкости, находящейся в гидравлической камере. Чрезмерно высокче давления способствуют повышенному износу уст-, ройства и создают также повышенную опасность для обслуживающего персонала..

Цель изобретения заключается в том, чтобы уменьшить износ устройства и повысить безопасность его работы.

722499

Эта цель достигается в результате того, чтс устройство снабжено клапанными средствами, регулирующими подачу определенного количества жидкости в гидравлическую камеру и иэ нее в насадку. 5

При этом, трубчатая насадка может быть установлена в передней головке цилиндра с возможностью аксиального перемещения в направлении движения жидкости иэ нее.

В этом случае клапанные средства образованы ступенчатым цилиндрическим клапаном на хвостовой части насадки и ответными углублениями в торцах поршня и передней головки цилиндра, а также центральным выступом на торце I5 поршня, входящим в насадку при ее вдвинутом в гидравлическую камеру положении.

В другом варианте выполнения устройства трубчатая насадка жестко 2О скреплена с передней головкой цилиндра, а соосно насадке в поршне установлен аксиально подвижный относительно него шток.

В этом случае клапанные средства образованы ступенчатым цилиндрическим клапаном в передней части штока и ответными углублениями в торцах поршня и передней головки цилиндра,а такжЕ центральным выступом на переднем торце штока, входящим в насадку при движении штока.

На выходном конце трубчатой насадки закреплен стопорный элемент, ограничивающий перемещение ее обратного хода.

При этом, стопорный элемент может быть закреплен с возможностью регулировочного аксиальноro перемещения относительно насадки.

Фиг. 1 — 5 — устройство, вид сбоку в различных фазах работы; фиг. 6-9 — устройство, вид сбоку в другом варианте выполнения в различных фазах работы; фиг. 10 — изменение по времени 45 давления в моделированном высверяенном отверстии; фиг. 11 — модификация выполнения устройства, представленного на фиг. 1 — 5. 50

На фиг. 1-5 показано устройство для выпуска жидкости в форме гидравлического поршня или столба в цилиндрическое глухое отверстие, которое предварительно просверлива- у ется в материале, подлежащим разрушению. В качестве примеров материалов, которые могут быть разрушены, являются горная порода, металлические руды, бетон и уголь. В качестве жидкости используется вода, хотя, может быть использована и другая жидкость.

Устройство содержит цилиндр 1, который в хвостовой части закрыт задней головкой 2. Приводной поршень Ф5

3 совершает возвратно-поступательное движение в цилиндре 1, при этом поршень 3 и задняя головка 2 ограничивают заднюю камеру 4 цилиндра 1.

Передняя головка 5 смонтирована в передней части цилиндра 1. Она удерживается o выталкивания из цилиндра 1 стопорным кольцом б,которое содержит несколько сегментов. Приводной поршень 3 и передняя головка 5 ограничивают переднюю камеру 1 цилиндра

1. Насадка 8 с воэможностью воэвратнопоступательного перемещения устанавливается во втулке 9, которая вставлена в переднюю головку 5. Движение насадки 8 ограничивается ее задней утолщенной частью 10 и стопорным кольцом 11, навинченным на передний конец насадки 8.

Приводной поршень 3 на стороне, которая обращена к передней камере 7 цилиндра 1, имеет кольцевую ступенчатую выемку по форме утолщенной части 10 насадки 8. Кольцевая ступенчатая выемка содержит внутреннюю кольцевую камеру 12 и внешнюю кольцевую камеру 13, имеющую больший внешний диаметр (фиг.4) . Кольцевые камеры 12, 13 окружают центральный выступ 14. На своем переднем конце выступ 14 имеет конусную боковую поверхность 15. Часть 16 насадки 8, которая выступает назад от увели— ченной части 10, имеет на своем заднем конце конусные внутреннюю 17 и внешнюю 18 боковые поверхности.уве— личенная часть 10 насадки 8 может быть вдвинута в камеру 13, чтобы остановиться против кольцевой поверхности 19, в то время как задняя часть 16 насадки входит в камеру 12.

Передняя камера 7 цилиндра 1 служит накопительной камерой для жидкости прежде, чем она поступит в насадку 8. Жидкосч ь подается в камеру 7 через канал 20, который через штуцер 21 и гибкий шланг 22 соединен с насосом 23 высокого давления.

Передняя камера 7 цилиндра 1 снабжена кольцевой камерой 24, кото— рая выполнена в передней головке 5 цилиндра 1. Камера 24 работает, как тормозная камера для увеличения час— ти 10, таким образом, что насадка 8 затормаживается гидравлически в конце своего перемещения вперед.!

Задняя камера 4 цилиндра 1 заряжается сжатым газом, таким как воздух или азот. Сжатый гаэ действует на приводной поршень 3, который передает эту осевую нагрузку на жидкость в накопительной камере 7. Камера 4 ци— линдра 1 может быть подсоединена к источнику высокого давления, такому как компрессор, посредством соединительного ниппеля 25 в задней головке 2.

7224 99

Устройство, показанное на фиг.1-5 работает следующим образом.

На фиг. 1 приводной поршень 3 и насадка 8 показаны в таком положении, когда насадка 8 направляется к отверстию 26, пробуренному н разрушаемом материале. После завершения регулировки насос 23 запускается и жидкость подается в канал 20.Давление жидкости действует на кольцевую поверхность 27 (фиг.?) на увеличенной части 10. Насадка 8 и приводной поршень 3 отжимаются назад против действия сжатого газа в задней камере 4 цилиндра 1, то есть жидкость последовательно подается н накопительную камеру 7 против действия осевой нагрузки, действующей на жидкость в этой камере. После небольшого перемещения увеличенная часть 10 покидает тормозную камеру

24, что означает, что давление жидкости также действует непосредственно на приводной поршень 3. Насадка 8 и приводной пори!.нь 3 отжимаются назад в течение с атия газа в задней камере 4 цилиндра 1 и накопления энергии в газе. Когда стопорное кольцо 11 задерживается на передней головке 5, насадка 8 прекращает свое движение назад (фиг.2). Приводной поршень 3 теперь отжимается один.

Когда увеличенная часть 10 покидает камеру 13, жидкость может протекать туда. Вскоре после этого задняя часть 16 насадки 8 покидает камеру

12, и жидкость также начинает пОступать н эту камеру. Однако поступление жидкости н насадку 8 не происходит из-за выступа 14, который все еще закрывает насадку 8. Когда жидкость пропускается в камеру 12, насадка 8 перемещается вперед. После не бол ьшого перемещения н асадки 8, выступ 14 покидает ее канал.

На фиг. 3 показано положение, при котором начинается пропускание жидкости в насадку 8. Насадка 8 теперь быстро продвигается вперед и затормаживается, когда часть 10 достигает кольцевой камеры 24. Таким образом жидкость продавливается через насадку 8 благодаря осевой нагрузке, действующей на жидкость в накопительной камере 7. Гидравлический поршень в насадке 8 ускоряется, как удлиненное сцепленное массивное тело, направляется и выпускается в отнерстие 26, чтобы ударить в его дно.

Фиг.5 показывает положение, при котором выступ 14 достигает канала насадки 8 и это означает, что начинается замедление приводного поршня 3.

Остающаяся жидкость в камере 7 цилиндра 1 используется, чтобы гидравлически затормозить приводной поршень 3. Для предотвращения отскока приводного поршня 3 остающаяся жид5

t5

40 кость допжна быть продавлена через кольцевой зазор между выступом 14 и каналом насадки 8 через кольцевые камеры 12, 13. Соответствующей подгонкой кольцевого зазора относительно энергии, накопленной в приводном поршне 3, и количества остающейся жидкости в камере 7 цилиндра

1 и кольцевых камерах 12, 13 приводной поршень 3 э атормажин аетс я пл анно. Фиг.1 показывает конечное положение после выстрела .

Зазор между насадкой 8 и привод(ным поршнем 3 является очень важным для работы устройства. Чтобы получить вышеописанное действие, зазор между конусными поверхностями 15, 17 на выступе 14 и насадке 8, соответственно, должен быть меньше, чем зазор между конусной поверхностью

18 на насадке 8 и внешней поверхностью кольцевой камеры 12.Зазор,. в свою очередь, должен быть меньше, чем зазор между увеличенной частью

10 и внешней поверхностью кольцевой камеры 13.Этим самым достигается непрерывно увеличивающееся ограничение движения жидкости по направлению ее потока.

Путем создания зазора между ныступом 14 и каналом насадки 8 более большим, например, путем создания более короткого выступа 14, устройство может быть сконструировано для двух выстрелов, где второй следует сразу же после первого выстрела . Это вызывается тем, что приводной поршень 3 достигает насадки 18 до того, как- она затормозится в кольцевой камере 24.

При достижении насадки 8 приводной поршень 3 производит удар, так что приводной поршень 3 и насадка 8 опять отдел яютс я .

Устройство может быть сконструировано с повышенной скорострельностью. Тогда гибкий шланг 22 подсоединяется к непрерывно действующему насосу. Когда насадка 8 и приводной поршень 3 достигают положения, показанного на фиг.2, следующий ход насоса производит выстрел . Насос будет продолжать работать пока ! ! ° не произойдет следующий выстрел и так далее ° Следовательно, серия выстрелов, следующая вскоре после предшествующего выстрела, производится в отверстие 26. Первый выстрел может создать трещины, когда он ударяет в дно отверстия 26, ! ! после чего последующие выстрелы увеличивают трещины до тех пор, .пока они не достигнут свободной поверхности материала.

Следует подчеркнуть, что сери я выстрелов производится автома.тически пока работает насос, без какого-либо вмешательства оператора.

7224 99

Количестно выпускаемой жидкости может быть легко изменено посредством стопорного кольца 11, которое определяет величину обратного хода насадки 8.

На фиг. 11 показана модифицированная передняя часть устройства, представленного н а фиг. 1-5 . Передняя головка 28 цилиндра 1 продолжена вперед до самого дальнего положения насадки 8. Удлиненный ствол 29 навинчен на переднюю головку 28.

Внутренний диаметр удлиненного ствола 29 является по существу таким же, как диаметр насадки 8. Удлиненный ствол 29 облегчает выравнивание устройства с отверстием 26 и служит для защиты подвижной насадки 8 от механических повреждений путем предотвра(щения ее от соприкоснонения с горной породой.

В случаях, когда отверстие 26 имеет тенденцию. к заполнению водой, может быть желательным откачать ее из отверстия перед стрельбой. Для этой цели может быть навинчен на переднюю головку ?8 колпак 30. Воздух под давлением подается в колпак 30 через входное отверстие 31 и выдувается в отверстие 26 через каналы 32 в передней головке 28 и удлиненный ствол 29.

В примере осуществления устройства, показанного на фиг, 6-9, насадI ка 8 жестко соединена с передней головкой 33. Шток 34 с возможностью перемещения расположен в приводном поршне 35. Относительное перемещение штока 34 и приводного поршня 35 ограничивается стопорным кольцом 36, навинченным на шток 34, и увеличенной частью 37 на штоке 34. Приводной поршень 15 в своем переднем торце имеет кольцевую камеру 38, которая сделана с размерами для приема уве— личенной части 37.Выступ 39 выполнен на торце штока 34. Передняя головка

33 снабжена кольцевой выемкой 40, которая соответствует увеличенной части 37 и выступу 39. К этой выемке

40 примыкает коническая камера 41.

Устройство, показанное на фиг.6-9, действует следующим образом.

На фиг. 6 приводной поршень 35 и шток 34 показаны н положении при настройке насадки 8 для выравнивания с отверстием 26. При законченной настройке запускается насос 42 после чего жидкость подается в канал 43.

Давление жидкости р аспредел яетс я равномерно по поверхности приводного поршня 35 посредством кольцевой навивки 44 на его торце. После небольшого перемещения приводного поршня

35, давление жидкости начинает действовать на его полную площадь. В течение последовательной подачи -жидкости приводной поршень 35 отжимается назад против действия осевой нагрузки, вызываемой сжатым газом в каме—

1Î

2О

ЗО

65 ре 45. Чтобы шток 34 остался в положении, показанном на фиг. 6, давление жидкости передается через канал 46, чтобы действовать на заднюю кольцевую поверхность увеличенной части 37 штока 34.

Когда приводной поршень 35 достигает стопорного кольца 36 (рис .7), продолжающаяся подача жидкости заставит части 37, 39 штока 34 выйти из выем.<и 40, и камеры 41 в передней головке 33 (фиг.8). Эатем осевая нагрузка, действующая на жидкость в накопительной камере 47, продавливает жидкость через насадку 8, выемку 40 и камеру 41. Шток 34 остается в своем положении иэ-за разности давления на части 37 (фиг.8) .

Фиг, 9 показывает положение, в котором приводной поршень 35 достигает увеличенной части 37 штока 34. При— водной поршень 35 затормаживается гидравлически жидкостью в тормозной камере 38 и ост ающейс я жидкост ью в накопительной камере 47. Чтобы получить плавное затормажи ванне приводного поршня 35 и предотвратить его отскок, зазор между кольцевой камерой 38 и увеличенной частью 37 должен быть больше, чем зазор между частью 37 и кольцевой выемкой 40.Этот последний зазор, в свою очередь, должен быть больше, чем зазор между цилиндрическим передним концом выступа 39 и каналом насадки 8. Этим самым достигается непрерывно увеличивающееся ограничение потока жидкости по направлению ее потока. Чтобы получить условия правильного разрушения было изучено давление в моделированном просверленном отверстии.

Фиг.10 показывает на диаграмме полученное давление. Вода в форме удлиненного массивного тела нагне— талась в твердую железную трубу глубиной 500 мм с диаметром 23 мм.

Дно трубы было закрыто. Было использовано устройство, тип которого показан на фиг. 1-5. Когда столб жидкости ударил в дно трубы, полная длина столба жидкости составляла около

800 мм. Скорость удара (скорость соударения) относительно дна была около 170 м/сек. Отношение между диаметром столба жидкости и внутренним диаметром трубы было 0,956. Так называемое динамическое давление жидкости, то есть р =,)О ° с ° V (где Р плотность жидкости, С вЂ” скорость звука в жидкости и V — скорость жидкости, когда она ударяет в дно отверстия), которое генерируется на дне отверстия, становится около 2,4 кбар (Р на фиг.10) . Фактическое давление выше, чем зто динамическое давление жидкости (фиг.10) . Эта разность возможно вызывается взрывным расширением объема воздуха, который сжимается водяным столбом в трубе.Ско722499

Формула и з обретени я

1. Устройство для разрушения твердого плотного материала относительно несжимаемой жидкостью, направляемой в виде продолговатой жидкой массы в сторону разрушаемого материала, содержащее цилиндр с размещенным в нем циклически движущимся поршнем, разделяющим пространство цилиндра на две камеры, в одной из которых

50 рост на я киносъемка процесса по хазывает, что сжатый воздух поднимается и распределяется в водяном столбе, когда столб ударяет в дно отверстия.

Энергия расширения сжатого воздуха накладывается на энергию, накопленную в водяном столбе. Таким образом, очевидно, что возможное сжатие э аключенного воздушного объема в просверленном отверстии оказывает благоприятное воздействие на процесс разрушения, особенно на возникновение трещин, которые требуются для разрушения. В показанном на фиг.10 изменении давления по времени труба была настолько прочной, что не разрушилась, когда вода ударила по ее дну. На 15 практике диаграмма давления является более сложной. В частности, наличие естественных трещин в материале уменьшает и иногда по сущесгву полностью ликвидирует действие сжатия воздуха. 2Î

Кроме этого, это действие уменьшается в случае меньшего относительного отношения площадей столба жидкости и отверстия.

Несколько экспериментов было сде- 25 ланс с вышеописанными устройствами .

Например, блоки известняка и гранита размером, граней в 1 м были разрушены посредством устройства, показанного на фиr. 1-5. Было просверлено в блокахЗО глухое отверстие глубиной 500 мм с диаметром 23 мм. Длина насадки была

300 мм. Сцепленный водяной столб, имеющий длину около 800 мм нагнетался в отверстие. Скорость соударения водя-З5 ного столба была около 170 м/сек, а кинетическая энергия — около б кдж.

В зависимости от ориентирования отверстий относительно неоднородностей. в блоках, они были разрушены полностью после различного числа выстрелов, обычно 1-3. Если трещины, которые возникали от первого выстрела, не достигали свободной поверх— ности, то последующие выстрелы заставляли трещины рас простр ан ят ьс я 45 дал ьше . помещено упругое средство, создающее осевую нагрузку на поршень, а другая соединена с источником жидкости под давлением и оснащена трубчатой насадкой для направления жидкости из этой камеры в сторону разрушаемого материала, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью уменьшения его износа и повышения безопасности работы, оно снабжено клапанными средствами, регулирующими подачу определенного количества жидкости в гидравлическую камеру и из нее в насадку.

2. Устройство по п.1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что трубчатая насадка установлена в передней головке цилиндра с воэможностью аксиального перемещения в направлении движения жидкости из нее.

3. Устройство по пп. 1 и 2, о тли чающеес я тем, чтоклапанные средства образованы ступенчатым цилиндрическим клапаном на хвостовой части насадки и ответными углублениями в торцах поршня и передней головки цилиндра, а также центральным выступом на торце поршня, входящим в насадку при ее вдвинутом в гидравлическую камеру положении.

4. Устройство по r .1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что трубчатая насадка жестко скреплена с передней головкой цилиндра, а соосно насадке в поршне установлен аксиально подвижный относительно него шток.

5. Устройство по пп.1 и 4, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что клапанные средства образованы ступенчатым цилиндрическим клапаном в передней части штока и ответными углублениями в торцах поршня и передней головки цилиндра, а также центральным выступом на переднем торце штока, входящим в насадку при движении штока. б. Устройство по п.2, о т л ич а ю щ е е с я тем, что на выходном конце трубчатой насадки закреплен стопорный элемент, ограничивающий перемешение ее обратного хода.

7.устройство по п.б, о т л и ч а ющ е е с я тем, что стопорный элемент закреплен с возможностью регулировочного аксиального перемещения относительно насадкИ.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент Германии 9 241966 кл. 5в 37/12, опублик, 1910.

2. Патент С(ПА 9 3412554, кл. б 0-54 . 5,опубли к. 1970 (прототип) 722499

d7 Я

Фиг.Я

РО use

ФЬг 10

ФФ) f/

Тираж 626 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комите..à CCCP по делам иэобретений н открытия

113035, Москва, Ж-35, Раушска". наб.,д. 4/5

Филиал ППП Патент, г. ужгород, ул. Прое тнал,4

Редактор Т. Авдейчик

Закаэ 175/48 л 2

Составитель В. Макаева

Текред М.КуэЬма Кор1.ектор Г . Наэ арова