Главная -> Пневмопробойники

Примеры некоторых технических решений, направленных на усовершенствование пневмопробойников

По мере накопления опыта практической эксплуатации пневмопробойников инженерами многих странах мира было предложено огромное число запатентованных технических решений, направленных на устранение их основных недостатков.

При этом основная масса предлагаемых решений, не затрагивая, в подавляющем большинстве случаев, уже ставшей, по-существу, общепринятой и, практически, классической конструкции системы воздухораспределения, было связано прежде всего с разработкой принципиально новых способов и механизмов реверсирования.

Но здесь помимо решения основной задачи, связанной с удобством, надежностью и повышением комфорта эксплуатации пневмопробойников, многими фирмами преследовалась абсолютно не скрываемые и более, чем очевидные и откровенные задачи достижения собственной монополии путём разработки собственного патентно-защищенного механизма.

В справедливости данного утверждения легко убедиться, проанализировав не одну сотню патентов, полученных на различные механизмы реверса, предназначенных для практической реализации весьма немногочисленной группы одних и тех же способов реверсирования, и отличающихся между собой лишь незначительными конструктивными особенностями.

Одновременно с этим следует отметить, что несмотря на некоторые чисто теоретические разработки, до настоящего времени нет ни одного успешно внедренного в практику технического решения, связанного хотя бы с частичным повышением использования энергии сжатого воздуха, не говоря уже о максимально возможной эффективности её использования, в погружаемом в грунт ударном устройстве.

Более успешными в этом отношении были попытки повышения надежности и ресурса эксплуатации подобных устройств за счет дальнейшего упрощения их конструкции и повышения прочности ударника.

Наиболее ярким примером одного из таких технических решений, разработанного в начале 80-х годов группой учёных ИГД СО АН СССР под руководством д.т.н. Тупицына К.К., является конструктивная схема ударной машины со встроенной в её хвостовую часть и геометрически не связанной с ударником оригинальной системой воздухораспределения, получившей название пульсатора давления.

В отличие от известных пневмопробойников с классической системой воздухораспределения, принцип работы которой может быть реализован только при помощи дифференциального ударника сложной геометрической формы, в предлагаемом ударном устройстве применяется простейший по своей геометрии цилиндрический ударник, плавно переходящий в своей носовой части в конус со сферическим наконечником.

Строго говоря, такая форма ударника с точки зрения некоторых особенностей его ударно-волнового силового нагружения не является абсолютно идеальной, так как не обеспечивает равномерного поля распределения напряжений в каждом из его поперечных сечений, но по своим прочностным характеристикам, по долговечности и надежности ударник такой геометрии намного превосходит дифференциальный ударник.

В классических пневмопробойниках возвратно-поступательное перемещение ударника обеспечивается за счет разности сил давления сжатого воздуха, действующих на разные по величине площади поперечных сечений ударника со стороны передней и задней рабочих камер.

В ударном устройстве со встроенным пульсатором давления ударник имеет одинаковые площади своих поперечных сечений со стороны обеих камер и его возвратно-поступательное перемещение может быть осуществлено только за счет разности давлений в этих камерах.

Собственно, на этом и основан принцип работы данного ударного устройства. Смонтированный в его хвостовой части и связанный только с одной лишь задней камерой пульсатор давления через строго заданные промежутки времени последовательно подключает эту камеру либо к магистрали сжатого воздуха либо к атмосфере.

Длительность интервалов времени пульсирующего (импульсного) режима изменения давления в задней камере определяется временем заполнения сжатым воздухом и временем его выхлопа из входящей в конструкцию пульсатора специальной камеры через подбираемое эмпирическим путём прецизионное калибровочное отверстие.

Предположим, что в начальный момент запуска машины в работу ударник занимает крайнее правое положение и в обеих камерах поддерживается атмосферное давление воздуха.

При подаче пульсатором давления в заднюю камеру ударник за счет разности сил магистрального со стороны задней камеры и атмосферного со стороны передней камеры давления начинает разгоняться в направлении носовой части ударного устройства.

В процессе разгона ударника часть поступающего в заднюю камеру воздуха через технологические зазоры между внешней наружной поверхностью ударника и внутренней цилиндрической поверхностью корпуса начинает перетекать в переднюю камеру. В результате перетечек и компрессии накопленного и продолжающего поступать в переднюю камеру воздуха, перемещающимся вперед ударником, давление воздуха в этой камере становится выше атмосферного.

После нанесения удара по носовой части корпуса пульсатор соединяет заднюю камеру с атмосферой. Начиная с этого момента, давление воздуха в передней камере становится выше, чем в задней и под действием возникающей разности давлений ударник начинает перемещаться в обратном направлении.

После достижения ударником расчетной точки начала торможения пульсатор повторно соединяет заднюю камеру с магистралью и давление воздуха в этой камере становится выше, чем в передней. За счет разности этих давлений ударник вначале полностью тормозится, а затем начинает повторный разгон в направлении носовой части ударного устройства.

В процессе установившегося режима работы ударного устройства в результате перетечек сжатого воздуха из задней камеры в переднюю и наоборот в передней камере, выполняющей функцию пневматической пружины, устанавливается некоторое среднее между атмосферным и магистральным давление сжатого воздуха.

Управляя начальным положением ударника в момент включения в работу пульсатора давления, при помощи нескольких специально разработанных именно для этого устройства оригинальных способов и механизмов реверсирования можно неоднократно изменять направления его движения.

Более чем очевидным достоинством машин со встроенным пульсатором давления является их конструктивная простота и очень значительное по сравнению с классическими пневмопробойниками повышение надежности и долговечности, а, следовательно, и ресурса эксплуатации этих машин за счет существенного увеличения прочностных характеристик ударника.

Вместе с тем следует отметить и тот факт, что эти машины нисколько не повышают эффективности использования энергии сжатого воздуха. В них, так же как и в классических пневмопробойниках, удар по носовой части машины наносится через образующуюся в её передней камере воздушную подушку и в результате этого, часть энергии сжатого воздуха вместо того, чтобы быть полезно израсходованной на разгон ударника, бездарно тратится на его торможение.

Так же, как и пневмопробойники машины со встроенным пульсатором давления не могут обеспечить их управляемого движения на плоскости или в пространстве.

И самым главным недостатком этих машин, не позволившим им в конечном итоге достойно конкурировать с пневмопробойниками, является отсутствие обратной связи между ударником и пульсатором давления, цикл работы которого практически невозможно синхронизировать с циклом рабочего хода ударника. Чисто теоретически, в режиме прямого хода ударного устройства пульсатор должен соединять заднюю камеру с атмосферой не раньше момента нанесения удара по носовой части устройства и подавать в эту камеру сжатый воздух не позже момента достижения при обратном ходе ударника расчетной точки начала его торможения.

На практике добиться такой идеальной синхронизации без дополнительной и постоянной корректировки режима работы пульсатора разработчикам ударного устройства, несмотря на все предпринимаемые ими для этого усилия, к сожалению, не удалось.

Кроме того, сама корректировка режима работы пульсатора могла производиться только вручную и только при помощи соединенного с передней камерой машины специального наземного устройства.

В итоге, машины со встроенным пульсатором давления могли быть использованы вместо пневмопробойников только при выполнении некоторых отдельных работ при использовании их в качестве наземного навесного ударного узла.

К числу заслуживающих внимания технических технических решений следует отнести и разработанный фирмой GRUNDOMAT примерно в конце 70-х годов пневмопробойник с подвижным относительно его корпуса подпружиненным наконечником, который в отличие от ставшей уже классической конусообразной формы, имел ступенчатую цилиндрическую форму с последовательно уменьшающимися в направлении носовой части диаметрами цилиндрических ступеней.

В этом пневмопробойнике реализован так называемый двухтактный способ его внедрения в грунт. Ударник вначале производит один или несколько ударов по носовому наконечнику, который внедряется в грунт при неподвижном корпусе машины, а затем после того после того как полностью выбирается свободный ход наконечника относительно корпуса энергия очередного удара через наконечник передается на корпус и тот вместе с наконечником перемещается на некоторое расстояние вперед. Более наглядное и достаточно удачно визуализированное представление о процессе внедрения пневмопробойника в грунт можно получить при помощи короткого анимационного ролика, размещенного на сайте http://www.mgs.ru/grundomat/.

По мнению специалистов фирмы GRUNDOMAT применение подвижного относительно корпуса наконечника позволяет существенно повысить прямолинейность образующееся в грунте скважины, что достаточно эффектно иллюстрируется вторым, размещенном на этом же самом сайте анимационным роликом.

Выглядит всё это действительно более, чем убедительно, уже даже после самого первого просмотра роликов и, чисто психологически, сразу же хочется верить в громкое рекламное заявление о самой точной в мире подземной ракете.

Вместе с тем возникают и некоторые сомнения в достоверности такого утверждения.

Во-первых, чисто исторически, пневмопробойник с подвижным носовым наконечником был разработан именно в тот момент, когда фирма GRUNDOMAT, пытаясь занять на мировом рынке место одного из ведущих производителей пневмопробойников, неоднократно подвергаясь санкциям международных судов за пиратское не лицензионное копирование конструкции советских пневмопробойников, безуспешно и неоднократно пытаясь найти хотя брешь в их патентной защите. В этой ситуации любое отличающееся, хоть чем-то, от патентно защищенного и обладающее пусть даже самой незначительной новизной техническое решение, могло сыграть ключевую роль для того, чтобы попытаться найти на мировом рынке свою нишу.

Во-вторых, вот уже на протяжении нескольких десятилетий практически ни один из ведущих мировых производителей, несмотря на, наверняка, давно уже закончившуюся патентную защиту пневмопробойника с подвижным носовым наконечником, не занимается выпуском подобных машин. Если применение подвижного наконечника, явилось бы на самом деле, действительно, революционной идеей, такой, например, как разработка бесклапанной системы воздухораспределения, то многие фирмы, наверняка, стали бы разрабатывать собственные конструкции пневмопробойников с подвижными носовыми наконечниками или изготавливать их по лицензии.

В-третьих, независимо от подвижности или неподвижности носового наконечника, при встрече пневмопробойника с крупногабаритным препятствием в виде валуна или железобетонного обломка строительного мусора он просто физически не сможет разрушить его и в самом лучшем случае, в зависимости от конкретной ситуации столкновения, сможет обойти это препятствие только по касательной, существенно отличающейся от прямолинейной, траектории.

И, наконец, в-четвертых, необходимо учесть и тот факт, что любой реальный грунт даже при отсутствии в нём каких-либо препятствий, не является структурно однородным и на переходах длиной в несколько десятков, не говоря уже о нескольких сотнях метров, обеспечить прямолинейность скважины чисто бестраншейным методом при помощи неуправляемого пневмопробойника практически невозможно.

Очевидно, не отменяя своих громких рекламных заявлений, к такому же выводу пришли и специалисты фирмы GRUNDOMAT, которые также как и другие мировые лидеры по производству пневмопробойников, приняв за основу классическую бесклапанную систему воздухораспределения, на протяжении уже многих лет акцентируют своё основное внимание именно на разработке управляемого ударного устройства.

Задача разработки такого устройства стала особенно актуальной после вытеснения из многих областей бестраншейных технологий, появившимися значительно позже пневмопробойников установками горизонтально-наклонного бурения (ГНБ).

Принцип действия таких установок основан на создании двух основных одновременно или раздельно применяемых видов воздействия на погружаемый в грунт и постоянно наращиваемый став труб, носовая часть которого оснащена имеющей клиновой скос буровой головкой. Это вращение става труб вокруг его продольной оси и статическое вдавливание.

При одновременном воздействии двух этих факторов, клиновой скос буровой коронки перемещается вперёд по винтовой линии, продольная ось которой совпадает с продольной осью вращения, обеспечивая тем самым строго прямолинейное перемещение всего става труб.

Искривление траектории движения погружаемого в грунт става труб осуществляется путем прекращения его продольного вращения и последующего отклонения от прямолинейной траектории за счет клинового скоса буровой коронки. Для перехода от криволинейного движения к прямолинейному повторно включается вращение.

В рамках данного краткого обзора, опуская излишние технические подробности, можно ограничиться одной лишь констатацией факта того, что неоднократно предпринимаемые на протяжении нескольких десятилетий, попытки практической реализации аналогичных методов управления движением пневмопробойника, несмотря на достаточно большое число связанных с этим направлением, патентно защищенных идей, до настоящего успехом не увенчались.

Более удачными с точки зрения возможности практической реализации оказались идеи оснащения пневмопробойника специальными дистанционно управляемыми с дневной поверхности рулями. Такие рули могут быть выполнены, например, в виде независимо работающих друг от друга выдвигаемых из корпуса и вдвигаемых обратно в плоскости перпендикулярной его продольной оси четырех диаметрально противоположных гидравлически управляемых цилиндров.

Судя по имеющейся в литературе информации, рядом фирм на протяжении разных лет независимо друг от друга были предприняты абсолютно не без успешные попытки практической реализации такого способа управления. Но широкого промышленного распространения эти способы не нашли.

Не анализируя других весьма многочисленных, оригинальных и технически красивых идей, появившихся в течение нескольких последних десятилетий, попытаемся прежде всего понять суть основных проблем, возникающих перед любым инженером на пути создания действительно жизнеспособного управляемого пневмопрообойника.

Одна из этих проблем состоит в том, что в отличие от находящихся на дневной поверхности установок ГНБ с полностью подведёнными к ним необходимыми инженерными коммуникациями, пневмопробойник является погружаемой в грунт машиной и подвод к нему и к его механизмам управления необходимых коммуникаций представляет собой отдельную и весьма не простую задачу.

Например, для работы самого пневмопробойника и управления его движением при помощи четырех, работающих независимо друг от друга гидравлически управляемых рулей, необходимо, как минимум пять независимых друг от друга, одной пневматической низкого и четырёх гидравлических линий высокого давления, соединяющих пневмопробойник с дневной поверхностью.

Следующая проблема состоит в разработке многоканального наземного устройства, обеспечивающего надежное, устойчивое и как можно наиболее простое управление движением пневмопробойника.

И, конечно же, наиболее сложной проблемой является размещение внутри и без того ограниченного внутреннего пространства ударного устройства пусть даже самых примитивных механизмов и необходимых для их работы коммуникаций.

Понятно, что без минимизации общего числа этих проблем, даже в принципе, не может быть и речи о создании действительно конкурентно способного по отношению к установкам ГНБ управляемого пневмопробойника.

Сравнительно недавно фирма GRUNDOMAT (в отличие от других, ограничивающихся в подавляющем большинстве случаев громкими заявлениями, не менее именитых предшественников) не только объявила о разработке управляемого пневмопробойника GRUNDOSTEER, но и приступила к его серийному выпуску.

Изменение траектории движения этого пневмопробойника осуществляется путем изменения в одной или одновременно в двух плоскостях направления продольной оси носовой части ударного устройства относительно продольной оси его корпуса.

Управление изменением положения носовой части относительно корпуса осуществляется специальным рычажным устройством, при помощи которого размещаемый на специальном наземном приспособлении участок жесткого воздухоподающего шланга, вручную вращается вокруг своей продольной оси.

Для определения направления вращения и угла поворота шланга используется специальное навигационное оборудование, в состав которого по аналогии с навигационным оборудованием установок ГНБ, входит портативный радиолокатор, передающий необходимую для управления пневмопробойником информацию на специальный графический дисплей оператора.

При этом, так же как и в установках ГНБ, местоположение и углы наклона ударного устройства (угол азимута и зенитный угол) определяются при помощи встроенного в погружаемое устройство специального излучающего радиосигналы измерительного зонда с автономным энергопитанием.

Не располагая, к сожалению, подробной технической документацией о конструкции самого ударного устройства, принципе его действия, а также принципе действия и конструкции управляющего положением носовой части механизма, очень трудно сделать объективные выводы о надежности, долговечности и других критериях практической ценности рассматриваемого устройства.

Вместе с тем, и даже уже имеющейся информации вполне достаточно для того, чтобы говорить о чрезмерной конструктивной сложности, а, следовательно, и стоимости изготовления этого устройства.

В справедливости данного утверждения легко убедиться, если принять во внимание хотя бы то, что один только механизм вращения носовой части, не говоря уже о всей конструкции пневмопробойника в целом, состоит не менее, чем из нескольких десятков деталей.

Так же, как и в установках ГНБ, для определения положения пневмопробойника GRUNDOSTEER используется очень дорогостоящее навигационное оборудование, включающее в себя, портативный радиолокатор, специальный встраиваемый в ударное устройство измерительный зонд и целый ряд других, необходимых для его управления пневмопробойником вспомогательных технических устройств. В зависимости от конкретных фирм изготовителей, стоимость полного комплекта такого оборудования может составлять от одного до нескольких миллионов рублей.

Поэтому, с точки зрения материальных затрат преимущества управляемого пневмопробойника перед установками ГНБ, однозначно, не очевидны и относятся к области дискуссионных вопросов.

Не затрагивая конкретных тонкостей, связанных с оценкой точности систем слежения за управляемым пневмопробойником или рабочим инструментом установок ГНБ, обратим отдельное внимание на их общий и очень существенный недостаток.

Независимо от типа погружаемого в грунт устройства, для наиболее точного определения его координат и других необходимых для управления физических параметров, определяющих в конечном итоге результирующую точность выполняемых работ, радиолокатор на протяжении всего маршрута прокладываемой подземной коммуникации должен располагаться на земной поверхности как можно наиболее точно над самим погружаемым в грунт устройством.

На практике обеспечить такое идеально точное взаимное дистанционное позиционирование локатора и находящегося в грунте рабочего инструмента либо весьма проблематично, либо вообще не возможно. Например, при прокладке коммуникаций под зданиями, водоёмами и некоторыми другими видами искусственных или естественных препятствий.

В условиях плотной городской застройки пневмопробойник на отдельных участках трассы может попадать в поле зрения радиолокатора и на каждом из таких участках еще остается хотя бы дискретно управляемым. При отсутствии на протяжении всей трассы подобных участков управляемый пневмопробойник помимо своего названия, более сложной, дорогостоящей и менее надежной конструкции, практически больше ничем не отличается от неуправляемого.

Таким образом, можно достаточно обоснованно утверждать, что и сама заложенная в пневмопрообойники GRUNDOSTEER идеология их управления не имеет абсолютно никаких преимуществ по отношению к установкам ГНБ.

Очень важно отметить и, имеющий исключительно принципиальное значение, сам факт того, что основные и абсолютно не безуспешные усилия разработчиков GRUNDOSTEER в первую очередь были направлены именно на создание управляемого ударного устройства, а не на устранение рассмотренных нами ранее основных недостатков классических пневмопробойников.


Задать вопрос автору статьи: pnevm-tools@yandex.ru



Предыдущие из цикла статей о пневмопробойниках:


Пневмопробойники: основные понятия и определения
Пневмопробойник – это самодвижущаяся пневматическая машина ударного действия, которая может быть использована как самостоятельно, так и в сочетании с другими видами оборудования, применяемого для реализации широкого спектра бестраншейных технологий в строительстве, в частности, для бестраншейной прокладки или замены труб, бестраншейной прокладки или замены инженерных подземных коммуникаций под различного рода препятствиями

История развития пневмопробойников
Впервые идея образования скважин в уплотняемом грунте путем применения самодвижущегося при помощи взрывных зарядов технического устройства была предложена в 1947 году советскими инженерами Назаренко Н.В. и Назаренко В.Н. Но была ли технически реализована эта идея и была ли она доведена до уровня промышленного использования или осталась только на уровне чисто теоретического изобретения ничего, к сожалению, неизвестно.

Принцип действия, достоинства и недостатки современных пневмопробойников
В настоящее время практически все без исключения серийно выпускаемые в мире пневмопробойники имеют принципиально одну и ту же конструктивную схему, состоящую из трёх основных узлов – являющегося рабочим инструментом пневмопробойника полого цилиндрического корпусом, размещенного внутри этого корпуса выполненного по дифференциальной схеме ударника и смонтированной в хвостовой части машины бесклапанной системы воздухораспределения. Реверсивные пневмопробойники оснащаются также ещё и механизмом реверса, который в подавляющем большинстве случаев независимо от своего принципа действия и конструкции также размещается в хвостовой части корпуса.


Следующие из цикла статей о пневмопробойниках:


Новые перспективные разработки управляемых и неуправляемых пневмопробойников
С учетом рассмотренных в предыдущих статьях некоторых основных вопросов, можно уверенно утверждать, что для создания более совершенных, по отношению к ныне существующим, погружаемых в грунт ударных устройств нужно попытаться решить хотя бы одну из двух основных групп задач.

Поиск



Пневмопробойники