Строительные машины

Машины вращательного бурения

При вращательном бурении рабочему инструменту — режущей головке сообщаются два вида непрерывного движения: враща­тельное (вокруг ее вертикальной оси) и поступательное (вдоль оси). Совершая эти движения, инструмент разрушает грунт в за­бое скважины и поднимает его от забоя вверх по специальной поверхности шнека, расположенного непосредственно за режущей головкой. Режущая головка и шнек вместе образуют рабочий ор­ган машин вращательного бурения, часто называемых поэтому машинами шнекового бурения. После заполнения витков шнека разрушенным грунтом бурение приостанавливают, рабочий орган извлекают из скважины и сообщают ему ускоренное вращение, что приводит к его быстрой разгрузке от грунта под действием центробежных сил. Затем рабочий орган снова опускают в сква­жину и продолжают проходку до следующего заполнения витков шнека. Таким образом, процесс проходки скважины протекает не непрерывно, а циклически. Машины вращательного бурения, пред­назначенные для разработки скважин под свайные опоры, выпол­няются в основном самоходными на базе автомобилей и тракто­ров. Поскольку эти машины, как правило, кроме бурового обору­дования снабжаются крановым для подтаскивания и установки в пробуренные скважины свай, они называются еще бурильно-крановыми машинами.

Наша промышленность выпускает большое число бурильно-крановых машин различных моделей, однако из них лишь немно­гие способны разрабатывать скважины в мерзлых грунтах. Из существующих отечественных бурильно-крановых машин наиболее мощной и специально предназначенной для разработки скважин под свайные опоры магистральных трубопроводов в суровых кли­матических условиях является машина БМ802С. При ее проекти­ровании особое внимание уделялось вопросам хладноломкости ма­териалов, выбора жидкости для гидросистемы, утепления кабины, освещения фронта работ и другим, определяющим ее работоспо­собность на северных трассах. Машина БМ802С имеет крутящий момент на буре в 2,5—3 раза больший, чем другие машины, пред­назначенные для аналогичных целей, что позволяет ей разрабаты­вать многолетнемерзлые и сезонномерзлые грунты с поверхност­ной прочностью до 400 ударов плотномером ДорНИИ. В ней соче­тается механический привод вращения бура с гидравлическим приводом его подачи.

Бурильно-крановая машина (рис. 1) представляет собой са­моходный агрегат, буровое оборудование которого смонтировано на шасси трехосного автомобиля повышенной проходимости, что позволяет продвигаться по трассе строительства в условиях без­дорожья. Надежная и прочная рама автомобиля обеспечивает увеличение массы буровой машины, который необходим для ее успешной и высокопроизводительной работы. К раме крепится опорно-поворотное устройство, на котором устанавливается пово­ротная платформа, опирающаяся на круг катания устройства тремя парами конических катков. На поворотной платформе раз­мещены основные узлы буровой машины: буровое оборудование и его привод. Привод бурового оборудования не зависит от при­вода базового автомобиля и состоит из силового агрегата и транс­миссии.

Трансмиссия привода бура состоит из следующих основных уз­лов (рис. 2): карданного вала, коробки передач, поворотного редуктора и вращателя. Карданный вал передает вращение от двигателя ведущему валу коробки передач, компенсируя взаим­ную несоосность установки обоих этих узлов. Коробка передач ме­ханическая, многоступенчатая, что позволяет при одной и той же скорости вращения получить на ее выходном валу последовательно несколько скоростей для последующей передачи через поворотный редуктор, вращатель и буровую штангу буровому инструменту. Поворотный редуктор позволяет передавать крутящий момент от коробки передач на вращатель на всем диапазоне рабочих углов поворотного механизма. Это возможно потому, что ось поворота буровой колонны совпадает с осью вращения ведущей шестерни поворотного редуктора. Вращатель предназначен для дальнейшей передачи крутящего момента на буровую штангу. Он представляет собой двухступенчатый коническо-цилиндрический редуктор, имею­щий в ступице большой цилиндрической шестерни квадратное от­верстие для прохода штанги.

Буровое оборудование состоит из бурового рабочего органа, штанги, напорного механизма и колонны. Колонна — четырехгран­ная сварная ферма из труб, состоящая из двух секций и «гуська». Нижний конец колонны шарнирно закреплен на поворотной плат- форме машины. При помощи двух гидроцилиндров колонна может поворачиваться вокруг этого шарнира и быть установлена под любым углом к поверхности земли в интервале от 3 до 90°. На «гуське», расположенном в верхней части колонны, размещены блоки для грузового каната. «Гусек» имеет шарнир, позволяющий в транспортном положении откидывать его для уменьшения габа­рита машины по высоте при перевозке по железной дороге и дви­жении по проездам с ограниченной высотой. На колонне закреп­лены вращатель и напорный механизм. Последний служит для подачи бурового инструмента в забой и создания осевого стати­ческого усилия, необходимого для эффективного разрушения грунта. Он представляет собой четырехкулачковый гидравличе­ский патрон, который зажимает штангу во время бурения и по­дает ее в забой усилием двух гидравлических цилиндров. Корпуса гидроцилиндров закреплены на колонне, а к штокам их присоеди­нен корпус механизма зажима.

Рис. 1. Бурильно-крановая машина

Рис. 2. Кинематическая схема бурильно-крановой машины:

1— двигатель; 2 — насос гидропривода; 3 — электрогенератор для освещения и обогрева; 4 — реверс; 5 —лебедка; 6 — редуктор поворота; 7 —поворотная платформа; 8 — грузовой полиспаст; 9 — полиспаст подъема буровой штанги; 10 — механизм зажима и подачи штанги; 11 — вращатель; 12 —буровая головка; 13 — редуктор отбора мощности; 14 — поворотный редуктор; 15 — коробка перемены передач; 16 — карданный вал

Отбор мощности для передачи кру­тящего момента от двигателя на механизм вращения и лебедку осуществляется редуктором, который устанавливается на перед­ней стенке поворотного редуктора и соединен зубчатой муфтой •с первичным валом коробки передач. От редуктора отбора мощно­сти крутящий момент через цепные передачи и промежуточный вал передается на механизм реверса, а затем через распредели­тельную шестеренную передачу — на лебедку и механизм враще­ния. Лебедка имеет два барабана: один для подъема штанги с ра­бочим инструментом, а другой для подтаскивания и установки сваи. Для обеспечения устойчивости машины и разгрузки ее рес­сор во время бурения на раме укреплены подвижные опоры-аутри­геры, представляющие собой силовые гидроцилиндры двусторон­него действия, штоки которых оканчиваются упорными плитами со шпорами. При работе штоки гидроцилиндров выдвинуты и упи­раются упорными плитами в землю, передавая на нее основную-нагрузку от рамы машины.

Буровая штанга, служащая для передачи буровому инстру­менту вращательного и поступательного движения, представляет собой металлический стержень квадратного сечения, свободно про­пущенный сквозь отверстие в механизме зажима и подачи, а также квадратное отверстие в ступице большой цилиндрической ше­стерни вращателя. Верхним концом штанга закреплена в верт­люге, подвешенном на подъемном канате, а к нижнему ее концу крепится буровой инструмент.

Машина укомплектована сменными шнековыми бурами раз­личного диаметра (до 600 мм), каждый из которых состоит из за­бурника, траверсы и шнека. К траверсе крепятся болтами сменные резцы, оснащенные пластинками твердого сплава.

В процессе разработки скважины бур периодически поднимают на дневную поверхность и сообщают ему ускоренное вращение, при котором разрушенный грунт разбрасывается вокруг скважины. Привод бурового инструмента, поворотной платформы и лебедки машины выполнен механическим, а привод аутригеров, механизма подъема колонны, зажима и подачи штанги — гидравлическим. Кабина бурильщика, расположенная на поворотной платформе,, сделана из листовой стали и утеплена. В ней сосредоточено управление всеми механизмами бурильной машины (кроме механизма передвижения, который управляется из кабины шо­фера).

Машины термического бурения

Принцип термического бурения заключается в быстром и не­равномерном нагреве поверхностного слоя грунта скоростной •струей высокотемпературных газов, что вызывает в нем значительные термические напряжения, под действием которых очередной поверхностный слой растрескивается и выдувается из скважины, обнажая для последующего разрушения новый слой грунта.

Генератором высокотемпературной газовой струи является ре­активная горелка — термобур, в котором в качестве горючего применяется керосин или бензин, а в качестве окислителя — со­ответственно кислород или воздух.

На рис. 3. изображена схема трехсоплового термобура, кре­пящегося в трубчатой штанге установки термического бурения. По штанге в кожух термобура подается вода для охлаждения, а по двум трубкам, проходящим внутри штанги, в форсунку по­ступают кислород под давлением 1,5—2 МПа и керосин под дав­лением 0,8—1,2 МПа. Из форсунки смесь тонкораспыленного керосина с кислородом впрыскивается в камеру сгорания. При сго­рании этой смеси образуются газообразные продукты, имеющие температуру до 2000—3000 °С и давление 2—4 МПа. Устрем­ляясь в сопловое отверстие, газовые струи достигают сверхзвуко­вой скорости (1500—2000 м/с), с которой они выбрасываются на забой, мгновенно нагревая тонкий поверхностный слой грунта до очень высокой температуры. Под действием этой температуры в результате быстрого и неравномерного расширения поверхность растрескивается (шелушится), и отскочившие от массива мелкие мечевидные частицы грунта выносятся из скважины продуктами горения и парами воды, подаваемой для охлаждения термобура. Температуру и скорость газовых струй регулируют таким обра­зом, чтобы избежать плавления породы, иначе энергоемкость процесса резко повысится, а скорость проходки снизится. Для обеспечения равномерного разрушения грунта по всему забою и формирования ровной боковой поверхности скважины штанга с термобуром вращается с частотой 6—30 об/мин и плавно пода­ется в скважину по мере ее проходки (рис. 4.).

Машины термического бурения оборудуются на базе автомо­биля или трактора и имеют рабочий орган (термобур), заключен­ный в специальную направляющую (штангу), установленную на мачте, что позволяет одновременно вращать бур и углублять сква­жину. Вращение бура и его подача производятся индивидуаль­ными электро- или гидродвигателями. Для отсоса отработанных газов и пара устье скважины при бурении накрывается кожухом, соединенным с вентилятором. Каждая машина управляется из ка­бины машиниста, перед которым находятся приборы, показываю­щие расход керосина, кислорода, воздуха и воды, их давление в системе, давление в камере сгорания термобура и т. д. Управле­ние термобуром автоматизировано.

Поскольку обеспечение кислородом машин, работающих в трас­совых условиях, представляет определенные трудности, при буре­нии не очень прочных пород (например, мерзлых грунтов) приме­няют бензин и воздух. В этом случае температура газовой струи несколько меньше. Зажигание горючей смеси в камере сгорания во всех случаях производится электрозапалом, включаемым ма­шинистом на пульте управления.

Машины термомеханического бурения

Термомеханический способ бурения представляет собой комби­нацию термического и механического методов бурения и сочетает одновременное воздействие на грунт высокотемпературной газовой струи, истекающей со сверхзвуковой скоростью, и механического вращательного бурового инструмента при наличии осевого усилия.

Рабочий орган машины термомеханического бурения состоит из подводящего устройства, штанги, горелки и бурового инстру­мента. Подводящее устройство представляет собой разъемный корпус с двумя ползунами, которые входят в направляющие стрелы. Верхняя часть корпуса подводящего устройства имеет две камеры: одна для подвода воздуха, другая — бензина, а сред­няя и нижняя выполнены в виде вертлюга, вращающаяся часть которого заканчивается фланцем для присоединения буровой штанги. Штанга — пустотелая с восьмигранной наружной поверх­ностью. Сквозь нее проходят трубопроводы, по которым воздух и бензин поступают от подводящего устройства к горелке. Нижняя часть штанги заканчивается шлицевой втулкой для передачи вра­щения буровому инструменту через корпус горелки. Внутри кор­пуса горелки находится камера сгорания, выполненная в виде жа­ровой трубы. К нижней части горелки крепятся сменные сопловой аппарат и буровой инструмент. Сопловой аппарат представляет собой съемное чашевидной формы дно горелки с центральным и периферийными соплами, расположенными на разном расстоянии от центра горелки и под разными углами к плоскости забоя.

Буровой инструмент в виде трехперой коронки или трехшарошечного долота со съемными плашками или шарошками, армиро­ванными твердосплавными пластинками, надевается снаружи на сопловой аппарат и крепится к корпусу горелки. При этом сопла горелки располагаются в промежутках между лезвиями буровой коронки. Рабочий орган подвешивается к стреле при помощи двух цепей, служащих для его подъема и опускания, а также передачи осевого усилия на буровой инструмент от пневмопривода, установ­ленного на стреле. Вращение рабочего органа осуществляется че­рез штангу роторным механизмом, установленным на раме ходо­вой части машины.

Образующиеся в результате сгорания газы со сверхзвуковой скоростью вырываются из камеры сгорания через сопловые от­верстия и воздействуют на забой скважины перед резцами буро­вого инструмента. Частично разрушенный термическим воздей­ствием высокотемпературных газовых струй грунт легко разраба­тывается резцами бурового инструмента.

Станки ударно-канатного бурения

Станки ударно-канатного бурения имеют еще достаточное рас­пространение при работах в породах любой крепости. Однако присущие им скорости очень низки по сравнению со скоростями бурения машинами, разрабатывающими грунт другими методами. Сущность ударно-канатного метода заключается в том, что буро­вой снаряд периодически поднимается на некоторую высоту, па­дая, наносит удары по забою скважины и разрушает грунт.

Принципиальное устройство станка ударно-канатного бурения состоит в следующем (рис. 5.). Буровой снаряд, включающий долото 1, ударную штангу 2 и канатный замок 3, подвешивается на канате 4, который, огибая последовательно блок 5 на головной части мачты 6 станка, оттяжной ролик 7 балансира 8 и откло­няющий ролик 9, намотан другим концом на барабан 10 инструментальной лебедки станка. Вращение посредством двигателя и редуктора ударного вала приводит в движение кривошип 11, ко­торый через шатун 12 сообщает колебательное движение балан­сиру 8 станка, на конце которого укреплен оттяжной ролик 7. Качаясь, балансир 8 вызывает перемещение рабочей части каната совместно с буровым снарядом вверх и вниз относительно забоя. При падении на забой буровой снаряд внедряется в грунт и разрушает его. По мере углубления забоя скважины канат по­степенно сматывают с барабана лебедки. Для того, чтобы обес­печить возможность свободного падения бурового снаряда на за­бой, подъем оттяжного ролика балансира станка должен проис­ходить с соответствующей скоростью и притом быстрее, чем его опускание. Поворот долота, осуществляемый в забойном замке во время подъема снаряда над забоем, вследствие свойства сталь­ного каната раскручиваться под нагрузкой и вновь скручиваться при ее снятии обеспечивает формирование скважины круглого се­чения. Через определенные промежутки времени забой скважины очищают от разрушенного грунта при помощи желонки 13, наве­шенной на стрелу рядом с буровым снарядом. Опускание в сква­жину и подъем желонки осуществляются при помощи желоночной лебедки. В процессе бурения в скважину подливают теплую воду. Вода, смешиваясь с разрушенным грунтом, образует буровую грязь-шлам, который легче вычерпывается желонкой.

Режим бурения скважины определяется высотой подъема сна­ряда над забоем, частотой ударов по забою, интервалами и про­должительностью очистки скважины от шлама. При подборе ре­жима бурения необходимо стремиться к максимально возможной высоте подъема снаряда над забоем скважины, что увеличивает энергию каждого удара и повышает эффективность работы ин­струмента. Число ударов должно соответствовать высоте подъема снаряда таким образом, чтобы, во-первых, движение ролика ба­лансира при его подъеме опережало движение каната вниз, обес­печивая свободное падение снаряда на забой скважины, а во-вто­рых, удар инструмента по грунту происходил в момент достижения оттяжным роликом верхней мертвой точки. Несоблюдение этих условий может привести в одном случае к зависанию снаряда на канате вместо удара по забою, что ухудшает проходку и сокра­щает срок службы оборудования, а в другом — к чрезмерному ос­лаблению каната, приводящему к развинчиванию резьбовых со­единений. Число ударов п долота по забою в минуту определяется из соотношения

n=0,118ka₀ b/S ,

где k — коэффициент, учитывающий неравномерность движения пальца кривошипа и равный 0,9—0,95; a₀ — угол поворота пальца кривошипа, соответствующий подъему оттяжного ролика с ниж­него мертвого положения до верхнего, градусы; b — ускорение до­лота при свободном падении в буровом шламе (b = 5?7 м/с²); S — ход инструмента, т. е. высота подъема долота над забоем, м.

Максимальную массу бурового снаряда определяют в зависи­мости от диаметра скважины и конструктивных параметров станка по формуле

Мmax= (Н-2h)_P,

где а — отношение диаметра бурового снаряда к диаметру сква­жины (а=0,7?0,8), максимальное значение а не должно быть бо­лее 0,8, так как в противном случае замедляется скорость падения бурового снаряда, что приводит к снижению энергии каждого удара и, следовательно, скорости проходки; D — диаметр долота, м; H —высота мачты станка от поверхности земли до оси голов­ного блока, м; 2h — запас высоты мачты, равный примерно удво­енной величине подъема бурового снаряда, м; (H—2h)— длина бурового снаряда; р — плотность стали (7,85 т/м³).

Существующая конструкция станков ударно-канатного буре­ния позволяет применять их преимущественно в стационарных или близких к ним условиях. Эти станки недостаточно мобильны и, несмотря на простоту технологии, малопроизводительны по срав­нению с машинами, основанными на других принципах вертикаль­ного бурения. Важным качеством ударно-канатного метода буре­ния является его универсальность: способность разбуривать лю­бые грунты.

Рис. 5. Принципиальная схема станка ударно-канатного бурения (а) и типы рабочего инструмента (б):

/ — инструмент в сборе; //, /// и IV — типы долота; V — желонка

Машины для разработки скважин методом ударного желонирования

В настоящее время единственно универсальными буровыми машинами, способными бурить любые грунты в широком диапа­зоне глубин, являются станки канатно-ударного бурения. Однако реализуемая ими технология и буровой инструмент являются ма­лопроизводительными. При бурении рабочий орган, выполненный в виде подвесного долота, периодически приподнимается и сбра­сывается на забой. Разрушение грунта производится путем нане­сения непосредственно по нему ударов долотом, что само по себе весьма эффективно. Однако после ряда ударов сколотый грунт начинает мешать проходке, отбирая энергию долота на излишнее свое измельчение, создавая демпфирующую подушку, снижающую скорость долота перед нанесением удара по неразрушенному грунту. При этом значительная часть энергии каждого удара тра­тится на непроизвольное перемалывание отколотых от массива кусков грунта. Кроме того, необходимы дополнительные работы по извлечению из скважины разрушенного грунта.

В машинах, работающих методом ударного желонирования, удары по грунту производятся не непосредственно, а через инстру­мент, выполненный в виде лидеров-желонок (рис. 6.). В этом случае молот, перемещающийся по направляющим мачты, нано­сит удары по лидеру-желонке, а тот в свою очередь передает их на грунт, разрушает его и извлекает из скважины при поднятии инструмента подъемным канатом. Такой метод бурения намного эффективней и характеризуется скоростями проходки мерзлого грунта, достигающими 1 м/мин. При этом буровые машины могут не только разрабатывать в грунте скважины, но и забивать в него сваи (рис. 7.). Буровая машина этого типа, кроме того, может быть оснащена рабочим органом, способным разрабатывать скважины, значительно превосходящие по глубине длину лидера-же­лонки (рис. 8.). В этом случае сменное буровое оборудование машины включает мачту / с направляющими 2, на которых кре­пится с возможностью свободного перемещения вдоль них посредством ползунов 3 центрирующая гильза 4, снабженная в нижней своей части раструбом 5. Гильза свободно охватывает корпус мо­лота 6, подвешиваемого на подъемном канате 10 и имеющего в нижней части кольцевой выступ 7, превышающий по диаметру проходной диаметр гильзы 4. К нижней части молота 6 присоеди­нен лидер 8, внешний диаметр которого превосходит диаметр мо­лота 6. Направляющие 2 мачты / снабжены в нижней своей части ограничителем 9, предохраняющим гильзу 4 от соскакивания.

Работа по бурению скважины протекает следующим образом. Молот 6 с лидером 8 поднят подъемным канатом 10 в крайнее верхнее положение. При этом гильза 4 также поднята молотом 6 при помощи кольцевого выступа 7 в крайнее верхнее положение и фиксирует наклон молота 6 с лидером 8 относительно направляющих 2 мачты 1. Затем молот 6 включают. Он начинает нано­сить удары по лидеру 8, а потом заглубляться в грунт, образуя скважину. По мере разработки скважины лидер 8 с молотом 6 постепенно опускается вниз. Вместе с ним под действием собствен­ной массы скользит вниз по направляющим 2 мачты / гильза 4, упираясь раструбом 5 в кольцевой выступ 7 и фиксируя наклон молота 6 с лидером 8. При достижении крайнего нижнего поло­жения гильза 4 упирается ползунами 3 в ограничитель 9 и оста­навливается, а лидер 9 с молотом 6 продолжает опускаться в грунт, сохраняя первоначальное направление. После очередного погружения в грунт на глубину, равную длине лидера 8, он вме­сте с молотом 6 извлекается из грунта подъемным канатом 10. По мере извлечения из грунта молот 6 попадает в раструб 5 гильзы 4, входит в нее, затем захватывает ее кольцевым высту­пом 7 и поднимает вверх по направляющим мачты 1. При этом гильза 4 снова фиксирует направление молота 6 с лидером 8, обеспечивая при новом опуске после разгрузки лидера от грунта его точное попадание в скважину. Операция проходки повторя­ется несколько раз отдельными захватками, каждый раз разра­батывая грунт на длину лидера.

Вместо свободно падающего молота, реализуемого на модер­низированных станках ударно-канатного бурения, может быть применен пневматический, электрический или гидравлический мо­лот. Последний тип молота является в настоящее время наиболее перспективным ввиду оснащения подавляющего большинства строительных машин гидроприводом.

Лидеры-желонки (см. рис. 3.82, в, г) получили применение при разработке неглубоких скважин (3 м) в сезонномерзлых грунтах при помощи дизель-молотов. Эффективность применения лидеров этого типа в их простоте и универсальности. Ими можно проби­вать отверстия в мерзлых грунтах с каменистыми включениями и в бетоне, подстилаемом мерзлым грунтом. При этом лидер под­таскивается и ставится лебедками копра под дизель-молот вместо сваи, а после извлечения оттаскивается в сторону, и на его место устанавливается свая. Таким образом, разработка скважины в мерзлом слое грунта и последующая забивка сваи производятся с одной установки копра.

Разновидностью метода ударного желонирования является виброударная лидерная проходка, заключающаяся в сообщении лидеру-желонке ударных нагрузок при помощи вибромолота, свя­занного с лидером посредством пружин. До появления лидеров-желонок, выполненных в виде трех вер­тикальных полок, пересекающихся по одной прямой и оснащенных в забойной части зубчатой коронкой, применялись исключительно лидеры-желонки трубчатого типа (см. рис. 3.82, а) с верхними раз­грузочными окнами (трубы-лидеры). Грунтовый керн, поступаю­щий внутрь трубы-лидера при проходке скважины, под действием ударов вибромолота перемещается по трубе-лидеру вверх и там вываливается наружу через разгрузочные окна. Последнее обстоятельство делает возможным совмещение операций по проходке и эвакуации грунта

.

.

Современные установки виброударного бурения являются наи­более эффективными для разработки скважин под свайные опоры в мерзлых и талых грунтах. В отличие от рассмотренных ранее установок машинам этого типа свойственны следующие важные преимущества:

более высокие скорости проходки (это преимущество стано­вится более заметным с увеличением прочности разрабатываемого грунта);

возможность осуществления непрерывного технологического цикла (без предварительного опорожнения трубы-лидера перед каждым новым погружением);

меньшая энергоемкость процесса проходки, обусловленная ми­нимальным объемом разрабатываемого грунта;

отсутствие уплотнения грунтового керна вследствие сущест­венно нелинейного характера колебаний трубы-лидера.

Рабочим органом любой установки виброударного бурения является вибромолот с трубой-лидером. Вибромолот состоит из вибровозбудителя, комплекта пружин, с помощью которых вибро­возбудитель крепится к трубе-лидеру, и элементов подвески. Виб­ровозбудитель представляет собой вибратор, снабженный бойком-ударником. Как правило, в качестве вибровозбудителей применяются вибраторы направленного действия, которые характе­ризуются тем, что генерируют колебания, направленные по одной прямой, совпадающей с продольной осью трубы-лидера. Вибратор такого типа имеет четное число валов (обычно два), на каждом из которых укреплены равносильные неуравновешенные массы-деба-лансы. Валы приводятся во встречное вращение одним или не­сколькими двигателями, расположенными внутри корпуса вибра­тора или вне его. При вращении дебалансов возникают центро­бежные силы, которые, будучи приложены к корпусу вибратора, складываются, образуя суммарную знакопеременную силу, изме­няющуюся по гармоническому закону и вызывающую направлен­ные колебания вибратора. Совершая колебания, вибратор наносит удары по наковальне трубы-лидера, погружая его в грунт. Ча­стота и интенсивность удара при постоянной массе вибратора оп­ределяются частотой вращения валов с дебалансами, параметрами пружин и податливостью трубы-лидера. Для получения ударов максимально возможной энергии жесткость пружин выбирают из условия работы системы в резонансном режиме, а величину их поджатия — из условия получения максимальной скорости движе­ния вибратора в момент, непосредственно предшествующий удару. Поскольку при работе вибромолот оказывает на рабочий инстру­мент (трубу-лидер) два вида воздействия: удары (через нако­вальню) и вибрацию (через пружины), то и метод погружения ин­струмента получил название виброударного.

Процесс виброударного бурения характеризуется поочередным приложением к трубе-лидеру со стороны вибромолота ударной и выдергивающей сил. Под действием первой лидер последовательно погружается в грунт, а под действием второй каждый раз чуть возвращается назад, не доходя, однако, до положения, соответ­ствующего началу каждого цикла. При этом грунт, входящий во внутреннюю полость трубы-лидера в виде керна, в момент удара остается (в результате инерционных свойств) неподвижным (труба проскальзывает вниз относительно неподвижного грунта), а затем в результате сил сцепления с внутренней поверхностью трубы несколько приподнимается вместе с трубой под действием выдергивающей силы вибромолота. В результате уплотнения керна не происходит, а при соблюдении определенных условий может иметь место даже его разуплотнение.

Бурение скважин виброударным методом протекает следующим образом (рис. 9.). Рабочий орган выставляют на место буду­щей скважины и включают вибромолот. Нанося удары по нако­вальне трубы-лидера, он погружает ее в грунт (рис. 9, а). По достижении необходимой глубины (рис. 9, б) вибромолот вы­ключают и трубу-лидер извлекают из грунта при помощи лебедки (рис. 3, в). В грунте остается скважина с гладкими стенками, точно повторяющая по форме поперечное сечение трубы-лидера. Затем рабочий орган с находящимся в трубе-лидере грунтовым керном перемещают, выставляют на место новой скважины

и включают вибромолот (рис. 9, г). Труба-лидер погружается в грунт, разрабатывая в нем новую скважину, а грунт, извлечен­ный из предыдущей, вытесняется новыми порциями и вывалива­ется из верхнего окна трубы-лидера на поверхность (рис. 9, д). По окончании последней скважины перед остановкой буровой ма­шины необходимо включить вибромолот на весу и выбить из трубы-лидера грунтовый керн, оставшийся от последней скважины (рис. 9, е).

Разработка мерзлого и плотного грунта характеризуется от­скоком рабочего инструмента от его поверхности при нанесении удара. В случае виброударного бурения отскок усугубляется дей­ствием молота на трубу-лидер через пружины. Явление отскока крайне вредно, так как в результате него следующий удар молота по трубе-лидеру может быть нанесен, когда та еще находится в воздухе и даже движется навстречу молоту. Вследствие этого часть энергии молота затрачивается на мгновенную остановку трубы-лидера и сообщение ей противоположной скорости, лишь оставшаяся часть — на разрушение грунта. Это приводит к сни­жению к. п. д. механизма и преждевременному разрушению трубы-лидера.

Для ликвидации отскока и увеличения скорости проходки при­меняются специальные механизмы напорного или фрикционного типа, ограничивающие подвижность погружаемого элемента. Принцип их действия заключается в направленном присоединении к массе трубы-лидера некоторой инертной массы (чаще всего кор­пуса установки), гасящей ее перемещения в противоположную забою сторону. В напорном механизме это достигается при по­мощи канатно-блочной системы или силовых гидроцилиндров, а в фрикционном — при помощи специального зажима, крепяще­гося к корпусу установки и зажимающего с определенным уси­лием трубу-лидер. При этом силы трения, возникающие между обкладками зажима и стенками трубы, препятствуют ее переме­щению вверх при отскоке и практически не влияют на переме­щения вниз под действием удара.

Возможно применение вместо напорного механизма некоторого инвентарного груза, навешиваемого непосредственно на трубу-лидер. Такой груз наилучшим образом разгружает корпус уста­новки от колебаний, но увеличивает ее массу и резко снижает ус­тойчивость в рабочем положении. Напорный и фрикционный ме­ханизмы способствуют передаче вибраций на корпус установки, но зато позволяют уменьшить ее общую массу и повысить устой­чивость. Наиболее простым и удобным в этом отношении явля­ется фрикционный зажим.

Высокие прочностные свойства мерзлых грунтов предопреде­ляют повышенные требования к энергетическим параметрам ра­бочего органа виброударных буровых машин. Для определения основного показателя погружающей способности вибромолота — энергии его единичного удара — следует ориентироваться на по­казатель прочности грунта, определенный числом ударов с плотномера ДорНИИ. Этот показатель наиболее полно характеризует механические свойства грунта применительно к его сопротивляе­мости ударному внедрению трубы-лидера.

Забивка трубы-лидера в грунт в зимних условиях характери­зуется прохождением забойной коронкой слоев, весьма разнород­ных по своим механическим свойствам. Покровная часть грунта при низких температурах окружающего воздуха (до —50 °С) обладает наибольшей прочностью (с = 200—400). С глубиной прочность резко уменьшается и по окончании промерзания стано­вится равной естественной прочности обычного (немерзлого) грунта соответствующей категории. Поэтому в качестве расчетной модели- разбуриваемого грунта следует принимать однородную среду с прочностью, оцениваемой некоторым средним значе­нием с.

Машины ударного бурения

Ударное бурение применяется преимущественно в прочных по­родах с коэффициентом крепости f?6 по шкале проф. М. М. Протодьяконова. Рабочим инструментом является бур — стальной стержень диаметром 22—32 мм, имеющий плоский затыльник с одного конца и коронку с заостренным лезвием с другого. Прин­цип ударного бурения заключается в следующем. При нанесении удара по затыльнику бура лезвие внедряется в породу на глубину h (рис. 10, с), сминая ее и образуя в ней щель (рис. 10, 6). Часть энергии удара, передаваясь через снятую породу, вызывает ее скалывание по краям щели. Однако величина скалывания огра­ничена зажатием породы на малой поверхности забоя шпура. После первого удара бур поворачивают на некоторый угол со и снова наносят удар по затыльнику, при этом лезвие делает новую щель в породе (рис. 10, в). В момент образования второй щели секторы породы в пределе угла со скалываются. Затем бур опять поворачивают и снова наносят по нему удар и т. д. Разрушенная порода удаляется из шпура сжатым воздухом или водой. Умень­шение угла поворота бура со приводит к бесполезному измельче­нию грунта и увеличивает тем самым энергоемкость процесса бу­рения. Однако чрезмерное увеличение угла также вредно, так как при этом скалывание грунта затрудняется.

Процесс ударного бурения является циклическим, складываю­щимся из удара и отскока бура с его одновременным поворотом. Роль трения бура о породу при ударном бурении во много раз меньше, чем при вращательном бурении инструментом режущего типа, что повышает к. п. д. процесса разрушения и уменьшает износ инструмента. Устройства для ударного бурения шпуров на­зывают перфораторами или буровыми (бурильными) молотками. Слово перфоратор происходит от латинского perforare — проби­вать, пробуривать.

Схема работы всех буровых молотков одинакова. Каждый из них представляет собой пневматический поршневой одноцилиндро­вый двигатель двухстороннего действия, в стальном цилиндре ко­торого под действием сжатого воздуха совершает возвратно-посту­пательные движения с частотой 1700—3000 в минуту поршень-ударник. В конце каждого переднего хода он наносит удар по за­тыльнику, заставляя лезвие разрушать породу в забое шпура.

При обратном ходе поршень посредством храповично-винтового устройства поворачивает себя и бур на 15—40°, чтобы при после­дующем ударе лезвие бура разрушало породу в другом месте за­боя шпура.

Для примера рассмотрим конструкцию пневматического пер­форатора ПР-ЗОл (рис. 11), который состоит из цилиндра 4, ствола 6, и задней головки 1, стянутых двумя болтами, и буро-держателя 9 (при смене бура 7 скобу буродержателя отводят в сторону). К задней головке прикреплена рукоятка, с помощью которой молоток поддерживается во время работы. Внутри ци­линдра молотка размещены золотниковая коробка 2 с золотником 3, поршень-ударник 5 и поворотный механизм, состоящий из хра­пового (геликоидального) стержня 13 с подпружинными собач­ками 14. Стержень проходит через храповую буксу 15, золотни­ковую коробку и направляющую спиральную гайку поршня-удар­ника, входя внутрь последнего. При работе молотка сжатый воздух подается в золотниковую коробку и в зависимости от поло­жения золотника попеременно поступает в одну из полостей ци­линдра— спереди или сзади поршня-ударника, заставляя его со­вершать возвратно-поступательные движения. Двигаясь вправо, поршень-ударник совершает рабочий ход с ударом в конце по за­бурнику. При этом закрепленная в полости поршня гайка, скользя своими витками по винтовой нарезке стержня 13, поворачивает его. Двигаясь затем влево, поршень-ударник поворачивается уже сам относительно стержня, который в этом случае остается непод­вижным, удерживаясь храповым механизмом, и увлекает за со­бой бур посредством поворотной буксы, верхняя часть 11 которой связана с поршнем подвижным шлицевым соединением, а в ниж­нюю часть 10 входит граненый хвостик бура. Образующаяся в процессе проходки буровая мука выдувается из шпура сжатым воздухом или вымывается водой, поступающими на дно шпура по промывочной трубе 12 в канале бура. При бурении с продувкой полная очистка шпура от муки осуществляется периодическим включением интенсивной продувки. Забойный конец бура 8 арми­руется пластинами твердых сплавов ВК-8, ВК-10, ВК-Н и ВК-15. Бурение пород средней крепости более эффективно бурами, осна­щенными пластинами ВК-8, а крепкие ВК-15.

Самоходные машины для бурения шпуров в породах для по­следующего их разрыхления взрывом при разработке траншей под магистральные трубопроводы имеют, как правило, два манипуля­тора, каждый из которых состоит из стрелы и рукоятки с буриль­ной колонной на конце. По направляющим бурильной колонки передвигается пневматический молоток. Пространственное переме­щение элементов манипуляторов осуществляется гидроцилинд­рами.

Управление манипулятора может производиться из кабины ма­шиниста и непосредственно от бурильной колонки (дистанцион­ное электрическое). Дистанционное управление позволяет сокра­тить обслуживающий персонал до двух человек. Наличие манипуляторов дает возможность бурить не только вертикальные, но и наклонные (в том числе горизонтальные) шпуры. При бурении шпуров в «нитку» или в «елочку» не требуется передвигать ма­шину после каждых двух шпуров: с одной позиции обслуживается участок трассы длиной в 14,2 м.

Машины вращательного бурения

При вращательном бурении шпуров рабочий инструмент — это резцовая головка, которой через буровую штангу сообщается вра­щательное и поступательное движение (рис. 12, а). Под дейст­вием силы Q, создающей вращательное движение, и силы Р, осу­ществляющей силовую подачу (напор) инструмента на забой, ре­зец снимает стружку породы толщиной h. Разрушенная порода выдается из шпура витками спиральной буровой штанги или по­током воды или воздуха. Скорость бурения зависит от многих факторов, главными из которых являются осевое усилие, частота вращения резца, крепость породы, форма и материал резца и способ удаления разрушенной породы.

Вращательное бурение применяется преимущественно в поро­дах мягких и средней крепости (коэффициент f=1?10 по шкале проф. М. М. Протодьяконова). Процесс вращательного бурения по сравнению с ударным — непрерывный. Поэтому вращательное бурение (в тех породах, где оно применимо) производительней ударного.

Ударно-вращательное бурение является в принципе враща­тельным бурением, но таким, при котором буровой инструмент кроме воздействия большого статически приложенного осевого усилия и крутящего момента подвергается дополнительно воздей­ствию динамических нагрузок — ударов. В результате этого резец лучше внедряется в породу и снимает более толстую стружку. Поэтому производительность ударно-вращательного бурения (в породах с f = 6?14) больше, а энергетические затраты на еди­ницу длины или объема шпура меньше, чем при вращательном или ударном бурении.

Для вращательного бурения шпуров применяют электриче­ские, гидравлические и пневматические сверла, а также сверла, приводимые в действие двигателями внутреннего сгорания. Рабо­чим инструментом сверла является бур, представляющий собой витой металлический стержень с коронкой на конце. Стержни и коронки изготовляют из углеродистых сталей марок У7, У8, У7А, У8А, У8ГА, У9, У10, а также из рессорно-пружинной стали 55С2. Режущую часть буровых кромок часто оснащают пластинами ме-таллокерамических твердых сплавов. В очень прочных породах применяют шарошки. Буровая коронка состоит из корпуса, двух резцов (перьев) и хвостовика для соединения с буровой штангой.

Передние (режущие) грани резцов (перьев) армируются пластин­ками твердого сплава марки ВК-6 или ВК.-8. Буровые коронки в основном бывают двух типов — с симметричным (рис. 12, б) и асимметричным (рис. 12, в) расположением режущих граней на резцах. В буровой коронке второго типа, изображенной на рис. 12, в, резец А имеет более короткую режущую кромку сна­ружи, а резец В — изнутри. При бурении в твердых породах асим­метричные коронки дают большую скорость бурения, чем симмет­ричные, хотя при одинаковых условиях износ первых может быть больше.

Различают следующие элементы резцов (рис. 12,г): угол приострения пера ?, угол заострения лезвия резца ?, передний угол заточки у, задний угол заточки ?. Конструкция резца и его геометрия должны обеспечивать при минимальном износе полу­чение высокой скорости бурения. Практика показывает, что оп­тимальный угол приострения е, удовлетворяющий указанным ус­ловиям, составляет 120°. Задний угол заточки а также влияет на производительность бурения. Существует зависимость, которая по­казывает, что скорость бурения при постоянном давлении на ре­зец пропорциональна касательной заднего угла заточки (по Шеферду): v =ktg?, где v — скорость бурения; k — постоянная буре­ния, равная w?D, w — частота вращения резца, D — диаметр резца.

У коронок обычного типа при у = 0 резцы расположены под прямым углом к поверхности забоя шпура. Для данного случая скорость бурения выразится так

v = ktg(90° — ?).

Из уравнения следует, что увеличение угла заострения лезвия Р приводит к уменьшению скорости бурения и наоборот. Исходя из условия прочности режущей кромки резца, существует предел увеличения угла а.

При бурении резцами с передним углом заточки у зависимость производительности бурения выражается уравнением

v_v = — или

(cos y)^m

_ w?D tg a

^Vy = (cos_V)^m '

где v_y — скорость бурения при угле у; v — скорость бурения ко­ронкой с резцами, перпендикулярными к поверхности шпура (у = 0); т — постоянная породы.

Численные значения т для некоторых пород таковы:

Отвердевшая глина 17,58

Мелкий песчаник 15,2

Крупнозернистый песчаник 9,96

Твердый песчаник 9,67

Разность v_v—v показывает, что повышение скорости бурения происходит от увеличения переднего угла заточки у. При выборе рациональной геометрии резца необходимо сочетать величину угла у, а и р, так как они функционально связаны. Например, для того, чтобы увеличить угол у, нужно соответственно уменьшить или задний угол заточки а, или угол заострения р\ В первом слу­чае это отразится на скорости бурения, так как с уменьшением угла а снижается и скорость бурения. Уменьшение же угла ог­раничивается прочностными размерами режущих кромок.

Буровые машины вращательного бурения разделяются на руч­ные и колонковые сверла и самоходные установки. При бурении шпуров ручные сверла удерживаются вручную. Их масса состав­ляет 12—23 кг. Колонковые сверла более мощны и тяжелы, по­этому для работы с ними требуются специальные механические приспособления. Самоходные буровые установки монтируются, как правило, на базе гусеничного трактора и имеют несколько од­новременно работающих сверл.

В качестве примера рассмотрим конструкцию установки БМ253. Эта двухшпиндельная буровая установка состоит из базо­вого трактора Т-130Г и навесного оборудования, включающего раму, коробку отбора мощности, вращателя, приводного вала, гидросистемы и бурового инструмента (рис. 13, а). Рама навес­ного оборудования состоит из левой и правой ферм, соединенных в задней части верхней и нижней траверсами. Спереди рама кре­пится посредством кронштейнов к лонжеронам трактора, а сзади — к рамам его ходовых тележек. Между нижней и верх­ней траверсами установлены две цилиндрические направляющие 6, по которым в процессе бурения перемещается вращатель 4 (рис. 13, 6). На внешней стенке заднего моста трактора кре­пится двухскоростная реверсивная коробка отбора мощности 2, ведущий вал которой соединен с валом отбора мощности / трак­тора шлицевой втулкой. Выходной вал коробки имеет квадратное отверстие, в которое входит нижний конец приводного квадрат­ного вала 3, шарнирно подвешенного к верхней траверсе. Привод­ной вал 3 служит для передачи крутящего момента от коробки отбора мощности 2 к подвижному вращателю 4, перемещаемому вдоль направляющих 6 при помощи гидроцилиндра подачи.

Вращатель выполнен в виде многоступенчатого раздаточного редуктора с вертикальными валами и предназначен для враще­ния двух буровых штанг 5. Первичный вал вращателя полый, имеет квадратное сквозное отверстие для прохода приводного вала. От первичного вала вращение передается через ряды шесте­рен двум выходным полым валам, через которые проходят полые ведущие штанги.

На нижнем конце каждого выходного вала ус­тановлен ключ с фиксатором для перехвата ведущей штанги при бурении скальных пород на глубину более двух метров и для ус­тановки шнековых буровых штанг. На верхних концах ведущих штанг установлены вертлюги, к патрубкам которых крепятся ру­кава для подвода воздуха от компрессора. Производительность компрессора, работающего совместно с установкой, должна быть не менее 9 м³/мин при давлении 0,5—0,6 МПа. При бурении мерзлых грунтов ведущая штанга с вертлюгом снимается и на ее ме­сто ставится шнековая буровая штанга.

Буровая машина БМ254 (рис. 14) предназначена для буре­ния вертикальных и наклонных шпуров под взрыв в скальных по­родах до XI категории и в мерзлых грунтах, может быть исполь­зована также при разрушении смерзшегося бруствера. Конструк­ция и применяемые материалы предусматривают возможность

использования буровой машины при температуре окружающего воздуха от 233 до 313 К (от —40 до +40 °С).

Машина состоит из базового трактора (ТДТ-55А с бульдозер­ным отвалом) и навесного оборудования, включающего следую­щие основные узлы и системы: основание с рамами наклона и по­ворота, колонну, коробку передач, вращатель, приводной вал, лю­нет, комплект буровых штанг различного назначения, насосную станцию, силовые гидроцилиндры, объединенные в гидросистему навесного оборудования, электро- и пневмосистемы, систему уп­равления.

Основание рамной конструкции крепится болтами к лонжеро­нам трактора. На основании при помощи роликовой поворотной опоры с внутренним зацеплением установлена поворотная рама, а на ней шарнирно укреплена наклонная рама с рабочим обору­дованием. Такое конструктивное устройство позволяет поворачи­вать рабочее оборудование на ±90° относительно продольной оси машины, вынося его на обе стороны машины или сзади нее, и производить бурение под любым углом от вертикального до гори­зонтального положения. На раме наклона размещены колонна с вращателем, приводным валом, коробкой передач и люнетом. Вращатель вместе с буровой установкой под действием гидроци­линдра подачи может перемещаться вдоль колонны, а сама ко­лонна также может перемещаться в обоймах рамы наклона под действием гидроцилиндра подачи колонны, что значительно рас-

перемещаться вдоль колонны, а сама ко­лонна также может перемещаться в обоймах рамы наклона под действием гидроцилиндра подачи колонны, что значительно расширяет возможную зону работы машины и позволяет бурить сква­жины в дне траншеи.

Комплект сменного рабочего инструмента машины включает бур с трехшарошечным долотом диаметром 76 мм для бурения скальных пород до VIII категории (рис. 15, а); пневмобур для бурения скальных пород свыше VIII категории, оснащенный коронкой диаметром 105 мм (рис. 15, 6); шнековый бур для буре­ния мерзлых грунтов резцовой головкой диаметром 105 мм с рез­цами, армированными твердым сплавом (рис. 15, в). Рабочему инструменту сообщаются два вида непрерывного движения: вра­щательное — вокруг его вертикальной оси и поступательное — вдоль оси.

Схема привода рабочего инструмента изображена на (рис. 16). От приводного вала коробки передач трактора крутящий момент передается через цепь на ведущий вал редуктора привода насо­сов, который приводит во вращение мотор-насос МН250/100 и шестеренчатый насос НШ-464. Рабочая жидкость от мотор-насоса МН250/100, работающего в режиме насоса, поступает на анало­гичный мотор-насос МН250/100, работающий в режиме мотора и вращающий ведущий вал коробки передач. Преобразованный в коробке передач крутящий момент приводит во вращение при­водной вал, а тот в свою очередь передает его посредством пере­мещающегося вдоль него вращателя буровой штанге с укреплен­ным на ней рабочим инструментом. Поступательное движение ин­струмента осуществляется за счет подачи рабочей жидкости от насоса НШ-46У через гидрораспределитель к гидроцилиндру по­дачи рабочего инструмента.

При бурении шнековым буром удаление из шпура разрушен­ного на забое грунта осуществляется шнеком, а при бурении пневмоударником или трехшарошечным долотом — сжатым воз­духом, подаваемым по шлангам от прицепного компрессора, об­служивающего машину. Этот же воздух одновременно служит и для охлаждения инструмента.

ЛИТЕРАТУРА

1. В.И. Минаев «Машины для строительства магистральных трубопроводов»

Москва «Недра» 1985г.

2. Каталог машин для строительства трубопроводов. Москва «Недра» 1977г,