устройство для образования скважин в грунте

Формула изобретения

Устройство для образования скважин в грунте, содержащее формообразующий корпус, внутри которого с возможностью ограниченного продольного перемещения размещен ударный механизм с выступающим из его нижнего торца рабочим концом поршня-ударника, отличающееся тем, что в нижней части формообразующего корпуса выполнены две расположенные одна над другой и разделенные поперечной переборкой заполненные жидкостью камеры, постоянно сообщенные между собой посредством отверстия, диаметр которого по существу равен диаметру рабочего конца поршня-ударника, установленного с возможностью периодического, в конце рабочего хода, вхождения через упомянутое отверстие в нижнюю по положению камеру, в то время как в верхней, преимущественно цилиндрической камере, в своей верхней части снабженной кольцевым буртом на внутренней боковой поверхности, постоянно размещен с возможностью перемещения в ней конец корпуса ударного механизма со сквозными радиальными окнами в боковой стенке, который на своей наружной поверхности, в ее нижней части, снабжен кольцевым выступом, боковая поверхность которого постоянно сопряжена с соответствующей ей внутренней боковой поверхностью верхней камеры, а его торцевые поверхности расположены с возможностью поочередного контактирования с обращенными к ним торцевыми поверхностями поперечной переборки в крайнем нижнем и кольцевого бурта в крайнем верхнем положении упомянутого конца корпуса в верхней камере, кроме того, наружная поверхность корпуса на участке между сквозными окнами и кольцевым выступом выполнена в форме конуса и совместно с кольцевым буртом верхней камеры образует кольцевую щель переменной ширины и через которую упомянутая камера постоянно сообщена с пространством формообразующего корпуса.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к строительству и может быть использовано при изготовлении набивных свай в промышленном и гражданском строительстве, а также для уплотнения грунта и улучшения его структуры.

Известно устройство для образования скважин в грунте [1], содержащее базовую машину со стрелой и приводом рабочего органа, направляющую штангу и рабочий орган в виде усеченного конуса, который с помощью лебедки поднимается на высоту 5-10 м и сбрасывается на грунт.

Недостатком указанного устройства является громоздкость, малая частота ударов (2-3 удара в мин), большие динамические воздействия на стрелу и привод базовой машины, в силу чего указанное устройство обладает малой производительностью и надежностью. Кроме того, после каждого удара рабочий орган необходимо вынимать из скважины. Это, с одной стороны, связано с большими затратами энергии на извлечение рабочего органа, а с другой - после извлечения рабочего органа происходит разгрузка грунта, что неблагоприятно влияет на качество образуемой скважины.

Известно также устройство [2] для вытрамбовывания котлованов, содержащее корпус с размещенным внутри бойком с приводом и установленной в нижней части корпуса с возможностью продольного перемещения трамбовкой. В этом устройстве базовая машина, на которой устанавливается описанное устройство, практически не испытывает динамических воздействий при разгоне и взводе бойка. Кроме того, в этом устройстве трамбовка не извлекается из грунта после каждого удара, а остается в трамбуемой выемке. Однако, как и в предыдущем устройстве [1] , разгон бойка происходит за счет силы тяжести, поэтому для достижения требуемой энергии длина устройства достигает нескольких метров.

Более совершенным является устройство [3], в котором погружение трамбовки осуществляется ударным механизмом (гидромолотом), расположенным сверху и соединенным с трамбовкой посредством жесткой муфты. Размеры данного устройства при довольно большой энергии и частоте ударов значительно меньше, чем в устройствах [1, 2].

Недостатком устройств [2, 3] является то, что корпус трамбовки состоит из двух частей, подвижных друг относительно друга и соединенных между собой муфтой. При погружении трамбовки через зазор между корпусом и муфтой уплотняемый грунт может проникать внутрь корпуса, что отрицательно сказывается на работоспособности устройства.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство [4], содержащее корпус, внутри которого подвижно установлен поршень-боек, наносящий удары по корпусу, блок управления и пневмоаккумулятор.

В этом устройстве исключена возможность проникновения грунта внутрь корпуса. Однако и оно не лишено недостатков. В этом устройстве, как и в предыдущих [2, 3], поршень-боек в конце своего хода наносит удар непосредственно по корпусу или по жесткой муфте. В результате в поршне-бойке и в корпусе устройства в момент соударения возникают ускорения, равные нескольким десяткам "g". B результате в поршне-бойке и корпусе возникают чрезмерные напряжения, близкие или превосходящие предел текучести. Учитывая, что корпус трамбовки, как правило, представляет собой сварную конструкцию, воздействие на которую интенсивных знакопеременных нагрузок крайне нежелательно, надежность таких устройств будет низкой.

Таким образом, прототипу присуща недостаточная надежность и эффективность.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в повышении надежности и эффективности устройства для образования скважин в грунте.

Сущность изобретения состоит в том, что в отличие от известного устройства для образования скважин в грунте, содержащего формообразующий корпус, внутри которого с возможностью ограниченного продольного перемещения размещен ударный механизм с выступающим из его нижнего торца рабочим концом поршня-ударника, согласно изобретению в нижней части формообразующего корпуса выполнены две расположенные одна над другой и разделенные поперечной переборкой заполненные жидкостью камеры, постоянно сообщенные между собой посредством образованного в поперечной переборке отверстия, диаметр которого по существу равен диаметру рабочего конца поршня-ударника, установленного с возможностью периодического в конце рабочего хода вхождения через упомянутое отверстие в нижнюю по положению камеру; в то время как в верхней, преимущественно цилиндрической камере, в своей верхней части снабженной кольцевым буртом на внутренней боковой поверхности, постоянно размещен с возможностью перемещения в ней полый конец корпуса ударного механизма со сквозными радиальными окнами в боковой стенке, который на своей наружной поверхности, в ее нижней части, снабжен кольцевым выступом; боковая поверхность упомянутого выступа постоянно сопряжена с соответствующей ей внутренней боковой поверхностью верхней камеры, а его торцевые поверхности расположены с возможностью поочередного контактирования с обращенными к ним торцевыми поверхностями поперечной переборки в крайнем нижнем и кольцевого бурта в крайнем верхнем положении упомянутого конца корпуса в верхней камере; кроме того, наружная поверхность упомянутого корпуса на участке между сквозными окнами и кольцевым выступом выполнена в форме конуса, который своим большим основанием примыкает к кольцевому выступу и совместно с кольцевым буртом верхней камеры образует кольцевую щель переменной ширины, через которую упомянутая камера постоянно сообщена с пространством формообразующего корпуса.

Технический результат, который может быть получен в результате использования изобретения, заключается в повышении надежности и эффективности устройства за счет снижения пиковых нагрузок на корпус и ударник во время их соударения.

Упомянутый результат при использовании заявляемого устройства достигается за счет того, что в нижней части формообразующего корпуса выполнена открытая со стороны ударного механизма заполненная жидкостью нижняя камера, диаметр входного отверстия которой по существу равен диаметру нижнего конца поршня-ударника ударного механизма, входящего в указанную камеру в конце рабочего хода, а над нижней камерой в формообразующем корпусе выполнена верхняя, заполненная жидкостью, цилиндрическая камера с кольцевым буртом в верхней части, при этом нижний конец корпуса ударного механизма со сквозными окнами в боковой стенке снаружи снабжен кольцевым выступом, по боковой поверхности постоянно сопряженным с соответствующей ему боковой цилиндрической поверхностью упомянутой верхней камеры, а коническая поверхность корпуса ударного механизма, расположенная между сквозными окнами корпуса и упомянутым кольцевым выступом, при чрезмерном ходе формообразующего корпуса взаимодействует с внутренней боковой поверхностью кольцевого бурта упомянутой верхней камеры, образуя с ним кольцевую щель переменной ширины.

Предложенное конструктивное решение позволяет "растянуть" во времени ударный импульс и тем самым резко уменьшить пиковые нагрузки на корпус и ударник, как при нормальной работе устройства, так и при работе на чрезвычайно мягких грунтах. Благодаря этому удается более эффективно использовать кинетическую энергию поршня-ударника для погружения формообразующего корпуса в грунт и выполнить его тонкостенным и относительно легким.

Изобретение поясняется чертежом, где представлена принципиальная схема устройства для образования скважин в грунте (продольный разрез).

Устройство для образования скважин в грунте состоит из формообразующего корпуса 1, во внутреннем пространстве которого ограниченно подвижно вдоль оси размещен ударный механизм 2 с выступающим из его нижнего торца поршнем-ударником 3. В нижней части формообразующего корпуса 1 образованы разделенные поперечной переборкой 4 нижняя камера 5 сферической и верхняя камера 6 цилиндрической формы, заполненные жидкостью 7 до указанного на чертеже уровня. Камеры 5 и 6 постоянно сообщаются друг с другом через образованное в поперечной переборке 4 отверстие 8, диаметр которого по существу равен диаметру поршня-ударника 3. В верхней камере 6 постоянно размещен конец корпуса 9 ударного механизма 2, в боковой стенке которого расположены сквозные радиальные окна 10. В нижней части корпуса 9 на его наружной боковой поверхности образованы кольцевой выступ 11, сопряженный с внутренней боковой поверхностью камеры 6, и расположенная между окнами 10 и кольцевым выступом 11 коническая поверхность 12.

В верхней части камеры 6 образован кольцевой бурт 13. Корпус 9 ударного механизма подвижен вдоль оси формообразующего корпуса 1 в пределах хода, определяемого положением поперечной переборки 4 и кольцевого бурта 13. В крайнем нижнем в формообразующем корпусе 1 положении ударного механизма 2 кольцевой выступ 11 корпуса 9 последнего своим нижним торцем упирается в поперечную переборку 4, а в крайнем верхнем положении - верхним торцем - в торцевую поверхность кольцевого бурта 13. Необходимая для нормальной работы устройства направленность ударного механизма в формообразующем корпусе 1 обеспечивается за счет сопряжения боковых поверхностей кольцевого выступа 11 и камеры 6, а также за счет цилиндрического сопряжения 14 формообразующего корпуса 1 и ударного механизма 2.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии формообразующий корпус 1 устройства опирается на уплотняемый грунт. Своим нижним торцем кольцевой выступ 11 корпуса 9 ударного механизма 2 контактирует с поперечной переборкой 4 формообразующего корпуса 1, а поршень-ударник 3 ударного механизма находится в крайнем нижнем положении, при этом его нижний конец через отверстие 8 в поперечной переборке 4 входит в нижнюю камеру 5, заполненную жидкостью, например, минеральным маслом или масляной эмульсией.

При включении привода ударного механизма поршень-ударник 3 перемещается вверх, его нижний конец выходит из камеры 5, а освободившееся при этом в камере 5 пространство заполняется жидкостью, поступающей через кольцевую щель А и сквозные окна 10 между буртом 13 верхней камеры 6 и корпусом 9 ударного механизма 2. Уровень жидкости в формообразующем корпусе 1 после взвода поршня-ударника устанавливается на 10-15 см выше кольцевого бурта 13.

После взвода поршень-ударник 3 ускоренно движется вниз, совершая рабочий ход. При этом жидкость, вытесняемая ударником из верхней камеры 6 по кольцевой щели Б между ударником 3 и полым концом корпуса 9, сквозным окнам 10 и кольцевой щели А, вытесняется в пространство формообразующего корпуса 1, расположенное выше уровня жидкости, заполняющей камеры 5 и 6. Размеры кольцевой щели Б, окон 10 и кольцевой щели А при крайнем нижнем положении корпуса 9 выбраны таким образом, что переток жидкости из камеры 6 совершается при малом гидравлическом сопротивлении и практически не препятствует разгону поршня ударника 3 до заданной скорости.

Совершающий рабочий ход поршень-ударник 3 через отверстие 8 своим рабочим концом входит в нижнюю камеру 5, изолируя последнюю от верхней камеры 6.

В результате жидкость, находящаяся в указанной камере, оказывается запертой и подвергается сжатию. Кинетическая энергия поршня-ударника 3 преобразуется в потенциальную энергию сжатой жидкости. При этом в объеме нижней камеры 5 резко возрастает гидростатическое давление и на днище камеры 5 действует направленная вдоль оси сила. Под действием этой силы формообразующий корпус 1 приходит в ускоренное движение относительно корпуса 9 ударного механизма 2, внедряясь в грунт. В то же время поршень-ударник 3 под действием давления жидкости в камере 5 затормаживается и скорость его движения уменьшается.

В момент, когда скорости поршня-ударника 3 и формообразующего корпуса 1 становятся одинаковыми, т.е. в момент, когда отсутствует их взаимное перемещение, в нижней камере 5 устанавливается максимальное давление жидкости. Начиная с этого момента скорость движения поршня-ударника 3 становится меньше скорости погружения формообразующего корпуса 1, при этом последний ускоренно движется вниз относительно поршня-ударника 3. В результате нижний конец поршня-ударника 3 будет выходить из камеры 5 и давление жидкости в ней уменьшается. В момент выхода конца поршня-ударника 3 из камеры 5 давление становится равным нулю, после чего на формообразующий корпус 1 и поршень-ударник 3 прекращается действие сил со стороны жидкости.

Дальнейшее движение формообразующего корпуса 1 вниз будет происходить только при действии силы сопротивления грунта. Под действием указанной силы корпус 1 затормаживается и останавливается.

Величина максимальной силы, действующей на формообразующий корпус 1 со стороны жидкости в камере 5, тем больше, чем больше энергия ударного механизма 2 и чем меньше объем жидкости в камере 2, а также чем меньше кольцевой зазор между отверстием 8 и нижним концом поршня-ударника 3.

Непосредственно после удара между нижней торцовой поверхностью кольцевого выступа 11 корпуса 9 и соответствующей ей опорной поверхностью поперечной переборки 4 образуется зазор, определяемый величиной погружения формообразующего корпуса 1 в грунт. Во время погружения формообразующего корпуса в грунт жидкость из верхней камеры 6 через окна 10 и кольцевую щель А перетекает в нижнюю камеру 5. После цикла погружения корпуса 1 в грунт под действием сил со стороны манипулятора (на чертеже не показан) корпус 9 ударного механизма снова опускается вниз до соприкосновения его нижнего торца с опорной поверхностью поперечной переборки 4.

Далее цикл повторяется.

Так происходит работа трамбовки на сравнительно твердых грунтах. При трамбовании очень мягких грунтов (насыпных, болотистых), особенно при первых ударах, происходит чрезмерное погружение формообразующего корпуса 1 в грунт после первого удара и, как следствие, большое перемещение корпуса 1 относительно корпуса 9 ударного механизма. В этом случае в конце хода формообразующего корпуса 1 кольцевой бурт 13 верхней камеры 6 своей боковой поверхностью перекрывает окна 10, изолируя указанную камеру от нижней камеры 5. После этого камера 6 сообщается с внутренним пространством формообразующего корпуса 1 только через переменную по ширине узкую кольцевую щель, образованную внутренней боковой поверхностью бурта 13 и наружной конической поверхностью 12 корпуса 9 ударного механизма 2. Указанная щель обладает существенно большим гидравлическим сопротивлением, чем окна 10.

В результате происходит дросселирование вытесняемой из камеры 6 жидкости, и в камере 6 создается повышенное давление, действующее на кольцевой бурт 13, вызывая торможение формообразующего корпуса 1.

Профиль поверхности 12 выполнен таким образом, чтобы обеспечить давление в камере 6, близкое к постоянному, что обеспечивает минимальный путь торможения. Благодаря наличию тормоза исключается жесткое соударение кольцевого выступа 11 с кольцевым буртом 13,что позволяет избежать воздействия интенсивных динамических нагрузок на детали устройства.

Таким образом, предложенное конструктивное решение позволяет обеспечить оптимальный режим образования скважин в грунте при высоком КПД использования энергии (не менее 70%) и при сравнительно легкой конструкции формообразующего корпуса устройства, т.к. силы, возникающие при передаче через жидкость энергии от поршня-ударника формообразующему корпусу, на несколько порядков меньше, чем при непосредственном (жестком) соударении поршня-ударника с формообразующим корпусом. Благодаря введению гидротормоза предотвращается жесткое соударение формообразующего корпуса с корпусом ударного механизма при трамбовании любых грунтов.

Источники информации

1. А.С. СССР 1260442.

2. А.С. СССР 926153.

3. Пат. РСТ 92/10637.

4. А.С. СССР 1093800, кл. Е. 21 С 3/20 (прототип).