устройство для образования направленных трещин

Формула изобретения

1. Устройство для образования направленных трещин, включающее цилиндрический корпус с осевым отверстием и плунжер, вставленный в это отверстие, отличающееся тем, что цилиндрический корпус выполнен в виде стакана, а плунжер установлен с возможностью продольного перемещения до упора в дно стакана, при этом на конце плунжера выполнен кольцевой выступ, на плунжер надето кольцо с внутренним диаметром, меньшим диаметра кольцевого выступа, и закреплено на открытом конце стакана, причем на свободном от стакана конце плунжера закреплен груз, например металлический цилиндр с рукоятками, и между грузом и кольцом на плунжер надета пружина.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что основание стакана выполнено в виде заостренного наконечника.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что заостренный наконечник армирован твердосплавными вставками.

Описание изобретения к патенту

Техническое решение относится к горному делу и может быть использовано для образования трещин с целью добычи ценного кристаллического сырья и природного камня, разборки завалов и сооружений, дробления негабаритов.

Известно устройство для образования направленных трещин в скважинах по патенту РФ № 2202040, Е21С 37/06, опубл. в БИ №10, 2003 г., включающее цилиндрический корпус в виде трубы из упругого материала, имеющей на внешней поверхности продольные клинья.

Устройство не содержит механизма для создания ударной нагрузки и поэтому способно работать только совместно с дополнительным оборудованием. Оно может образовывать трещины лишь на стенках скважины. Эти ограничения обуславливают его сравнительно узкую область применения и низкую эффективность.

Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является устройство для образования направленных трещин в скважинах по патенту РФ № 2229595, кл. Е21С 37/02, 37/12, опубл. в БИ №15, 2004 г., включающее цилиндрический корпус и рабочие органы в виде клиньев на его наружной поверхности. В корпусе выполнено осевое отверстие, в которое вставлен плунжер, имеющий на свободном конце ступенчатое утолщение и кольцевой выступ, при этом корпус оканчивается клином, а на плунжер между кольцевым выступом и корпусом надета пружина.

Это устройство предназначено для образования трещин из скважины. Для его работы необходимо оборудование, обеспечивающее ударную нагрузку на плунжер. Поэтому оно имеет относительно узкую область применения и низкую эффективность работы.

Решаемая техническая задача заключается в повышении эффективности работы устройства за счет создания требуемой ударной нагрузки без дополнительного оборудования и расширении области применения за счет возможности образования направленной трещины и без бурения скважины.

Задача решается тем, что в устройстве для образования направленных трещин, включающем цилиндрический корпус с осевым отверстием и плунжер, вставленный в это отверстие, согласно предлагаемому техническому решению цилиндрический корпус выполнен в виде стакана, а плунжер установлен с возможностью продольного перемещения до упора в дно стакана. На конце плунжера выполнен кольцевой выступ, на плунжер надето кольцо с внутренним диаметром, меньшим, чем диаметр кольцевого выступа, и закреплено на открытом конце стакана. На свободном от стакана конце плунжера закреплен груз, например металлический цилиндр с рукоятками, и между грузом и кольцом на плунжер надета пружина.

Выполнение корпуса в виде стакана и установка плунжера с возможностью продольного перемещения до упора в дно стакана обеспечивают ударную нагрузку на разрушаемый объект при контакте разгоняемого плунжера с дном стакана. Кольцевой выступ на плунжере и надетое на плунжер кольцо с внутренним диаметром, меньшим, чем диаметр кольцевого выступа, которое закреплено на открытом конце стакана, исключают самопроизвольный распад устройства на составляющие его части. Закрепленный на свободном от стакана конце плунжера груз, например металлический цилиндр с рукоятками, без существенного возрастания габаритов устройства повышает кинетическую энергию ударного узла и, тем самым, увеличивает ударную нагрузку на разрушаемый объект. Пружина, надетая на плунжер между грузом и кольцом, облегчает подъем плунжера для его разгона и удерживает стакан на контакте с разрушаемым объектом. Разгон плунжера легко осуществляется вручную, что исключает необходимость применения дополнительного оборудования. Ударная нагрузка для образования трещины может передаваться не только через пластичное вещество в скважине (как в прототипе), но и непосредственно разрушаемому объекту при его контакте с устройством. Поэтому в ряде случаев (для разрушения блоков малых размеров или горной породы низкой прочности, например мерзлого грунта, льда) образование трещины можно осуществлять и без бурения скважины. Таким образом, за счет создания требуемой ударной нагрузки без дополнительного оборудования и возможности образования направленной трещины без бурения скважины повышается эффективность работы устройства и расширяется область его применения.

Целесообразно основание стакана выполнить в виде заостренного наконечника. Это снижает сопротивление внедрению устройства в разрушаемый объект либо в пластичное вещество в скважине, обеспечивает формирование трещин в заданных плоскостях.

Целесообразно при этом заостренный наконечник армировать твердосплавными вставками. Это обеспечивает возможность образования трещин и в крепких горных породах (например, в гранитах и их аналогах) без бурения скважин.

Сущность технического решения поясняется примером конкретного исполнения и чертежами.

На фиг.1 показано устройство для образования направленных трещин (далее - устройство), продольный разрез; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1.

Устройство (фиг.1) состоит из цилиндрического корпуса в виде стакана 1, в который вставлен плунжер 2 с возможностью продольного перемещения до упора в его дно. Основание стакана 1 выполнено в виде заостренного наконечника 3. Наконечник 3 армирован твердосплавными вставками 4. На конце плунжера 2 выполнен кольцевой выступ (поз. не обозначен). На плунжер 2 надето кольцо 5, которое закреплено на конце стакана 1 резьбовым соединением (поз. не обозначено). Внутренний диаметр кольца 5 выполнен меньшим, чем диаметр кольцевого выступа. На свободном от стакана 1 конце плунжера 2 с помощью резьбового соединения (поз. не обозначено) закреплен груз в виде металлического цилиндра 6 (далее - цилиндр 6) с рукоятками 7. Между цилиндром 6 и кольцом 5 на плунжер 2 надета пружина 8. Устройство подано в скважину 9, которая заполнена пластичным веществом 10. В стенках скважины 9 сформирована направленная трещина 11 (фиг.2).

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Устройство со стороны стакана 1 подают в скважину 9 (фиг.1), предварительно заполненную пластичным веществом 10 (например, смесью глины и отработанного машинного масла). С помощью рукояток 7 приподнимают плунжер 2 вместе с цилиндром 6 и разгоняют их в направлении дна стакана 1. В момент контакта плунжера 2 с дном стакана 1 возникает ударная нагрузка, которая передается через стакан 1 пластичному веществу 10 в скважине 9. Давление в пластичном веществе 10 возрастает до образования в стенках скважины 9 трещины 11. Далее подъем и разгон плунжера 2 с цилиндром 6 повторяют периодически. От этого устройство ступенчато перемещается в направлении забоя скважины 9 и развивает трещину 11 за счет вытеснения в нее пластичного вещества 10 из скважины 9. Создав трещину 11 требуемых размеров, устройство извлекают из скважины 9. В случае образования трещины 11 без бурения скважины 9 наконечник 3 стакана 1 устанавливают на поверхность разрушаемого объекта (не показано) и воздействуют на нее ударными нагрузками (подъемом и разгоном плунжера 2). От этого на контакте устройства и разрушаемого объекта вначале образуется лунка ("выкол"), а затем - трещина 11. Ударными нагрузками воздействуют до тех пор, пока разрушаемый объект не расколется на отдельные части или трещина 11 не достигнет требуемых размеров.

Устройство предназначено для образования трещин (с целью разрушения объекта) в условиях, при которых применение самоходной техники либо механизмов с приводами (электрическими, пневматическими, гидравлическими) невозможно либо нецелесообразно. Например, во время ликвидации последствий стихийного бедствия возникает проблема быстрой разборки завала, а коммуникационные системы (подъездные дороги и электроснабжение) оказываются нарушенными. Либо когда при разборке отдельных частей старого сооружения во время ремонта работы по разрушению объектов носят случайный характер, и поэтому приобретение дорогостоящего оборудования экономически не оправдано. Отметим, что устройство может эффективно (без применения сложных измерительных систем) использоваться в научных исследованиях процесса передачи ударных нагрузок твердому телу через пластичное вещество 10, поданное в скважину 9.

Приведем следующий пример. При отсутствии пружины 8 энергия W₀ удара на контакте плунжера 2 и дна стакана 1 определяется из выражения (без приложения усилий на рукоятки 7)

где m₀ - масса падающего груза (суммарная масса плунжера 2 и цилиндра 6 с рукоятками 7);

g - ускорение свободно падающего тела;

Н - высота, с которой падает груз (расстояние между плунжером 2 и дном стакана 1).

Согласно проведенным исследованиям почти вся (более 90%) энергия падающего груза передается через устройство пластичному веществу 10 в скважине 9 (из-за плавного вхождения плунжера 2 в пластичное вещество 10 отскок плунжера 2 от дна стакана 1 практически отсутствует). Устройство воздействует на пластичное вещество 10 в скважине 9 с энергией W, определяемой как

где m - масса устройства;

а - ускорение, с которым устройство внедряется в пластичное вещество 10;

h - глубина, на которую внедряется устройство в пластичное вещество в результате одиночного удара.

Исходя из выражений (1) и (2) и малой потери энергии при ее передаче от плунжера 2 стакану 1, имеем

Согласно закону Ньютона сила F, с которой устройство воздействует на пластичное вещество 10 вдоль оси скважины 9, учитывая выражение (3), определяется как

Принимая, что во время действия ударной нагрузки движение устройства вдоль оси скважины 9 является равномерно замедленным, имеем

где t - время, в течение которого устройство внедрялось в пластичное вещество 10.

Из выражения (5) имеем

В результате, зная массу т устройства и массу m _o составляющих его частей, глубину h внедрения устройства в пластичное вещество 10 и высоту Н, с которой падает груз (расстояние между плунжером 2 и дном стакана 1), можно оценивать силу F, ускорение а и время t внедрения устройства в пластичное вещество 10. Чтобы определить эти величины обычным путем (без предлагаемого устройства), требуется специальная многоканальная измерительная система (вместо линейки и весов) с широким динамическим (до десяти килоньютон) и частотным (до нескольких десятков килогерц) диапазоном.

Таким образом, устройство способно работать без дополнительных ударных механизмов, может образовывать направленные трещины и без бурения скважин.

Основание стакана 1 выполняют в виде заостренного наконечника 3 (далее - наконечник 3). Наконечник 3 может иметь различную форму, например, конуса, треугольной пирамиды, клина. Его форму и размеры выбирают, исходя из требований к давлению на контакте устройства и пластичного вещества 10 в скважине 9, а также к характеру формирования трещин 11. При необходимости формирования одиночной трещины 11 в заданной плоскости (как показано на фиг.2) наконечник 3 выполняют в виде клина. Для одновременного формирования трещин 11 в трех плоскостях, расположенных под углом 120°, применяют наконечник 3 в виде треугольной пирамиды. Форму конуса используют тогда, когда ориентация и число формируемых трещин 11 не имеют значения. Размеры наконечника 3 рассчитывают, исходя из прочности разрушаемого объекта (требуемого давления в пластичном веществе 10), энергии ударных нагрузок (силы F) и диаметра скважины 9. Следует также отметить, что благодаря наконечнику 3 существенно снижается сопротивление внедрению устройства непосредственно в разрушаемый объект (при отсутствии скважины 9) либо в пластичное вещество 10 в скважине 9.

Для разрушения (образования трещин) прочных горных пород (гранитов и их аналогов) наконечник 3 армируют твердосплавными вставками 4 (далее - вставки 4). Вставки 4 выполняют две функции. Во-первых, образуют на поверхности скважины 9 продольные бороздки (не показано), концентрирующие напряжения в плоскости формирования трещины 11 (обеспечивают направленное разрушение). Во-вторых, в случае образования трещины 11 без бурения скважины 9, предохраняют наконечник 3 от повреждения о прочную поверхность разрушаемого объекта.

Чтобы устройство во время работы и транспортировки не распадалось на отдельные части, ход плунжера 2 относительно стакана 1 ограничен. Для этого на поданном в стакан 1 конце плунжера 2 выполнен кольцевой выступ, а на плунжер 2 надето кольцо 5, которое закреплено на конце стакана 1. Внутренний диаметр кольца 5 выполнен меньшим, чем диаметр кольцевого выступа. Способ крепления кольца 5 к стакану 1 не носит принципиальный характер. Однако желательно, чтобы кольцо 5 с элементами его крепления к стакану 1 свободно входило в скважину 9. В этом случае устройство можно вводить в скважину 9 на максимальную глубину (до цилиндра 6) и тем самым образовывать трещину 11 набольшего размера.

Энергия ударных нагрузок пропорциональна суммарной массе подвижных относительно стакана 1 частей устройства. Увеличивать эту массу (с целью повышения энергии ударных нагрузок) можно путем удлинения плунжера 2. Однако это приводит к увеличению габаритов устройства, что нежелательно (неудобно при работе). Поэтому на свободном от стакана 1 конце плунжера 2 закреплен металлический цилиндр 6 с рукоятками 7. Это, во-первых, позволяет без существенного изменения габаритов устройства значительно увеличить энергию ударной нагрузки, во-вторых, благодаря рукояткам 7 - максимально использовать вес рабочего тела для разгона плунжера 2.

Между цилиндром 6 и кольцом 5 на плунжер 2 может быть надета пружина 8. Она выполняет две функции. Во-первых, при образовании трещины 11 без бурения скважины 9 пружина 8 прижимает стакан 1 к поверхности разрушаемого объекта. За счет этого наконечник 3 не изменяет своего положения при перемещении плунжера 2 в направлении от дна стакана 1. Вся ударная нагрузка воздействует в одно место (сосредоточивается по линии контакта наконечника 3 с разрушаемым объектом). В результате затрачиваемая энергия тратится на образование только формируемых трещин. Поэтому объект разрушается с минимальной энергоемкостью, так как отсутствуют мелкие осколки, на образование которых требуется затрачивать много энергии. Во-вторых, пружина 8 облегчает подъем цилиндра 6 вместе с плунжером 2 (поднимать цилиндр 6 вверх менее удобно, чем разгонять его вниз). Жесткость пружины 8 подбирают экспериментальным путем. С одной стороны, она должна способствовать подъему цилиндра 6, а с другой - не оказывать существенного влияния на энергию ударных нагрузок. По результатам испытания устройства предложено жесткость пружины 8 выбирать такой, чтобы она под действием веса цилиндра 6 (с рукоятками 7) и плунжера 2 сжималась до контакта плунжера 2 с дном стакана 1.

Устройство предполагается использовать при добыче кристаллического сырья и блочного камня, разборке старых сооружений и завалов, раскалывании негабаритов, заготовке блоков льда. В зимнее время его можно эффективно использовать для ликвидации гололеда, при копке траншеи в мерзлом грунте. Устройство отличается простотой конструкции, надежностью в работе. Оно может быть изготовлено практически в любой механической мастерской.