Устройство для разрушения твердого плотного материала относительно несжимаемой жидкости

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК ПАТЕНТУ Сеюз Советскма Социалистических Республик) осуларстаенный комитет сссР по лелам н обретеннй н открытий(72) Автор изобретению ИностранецЭрик Волмар Лэвон(;,й",1 ,)(1;:) "г фт"1 1 Иностранная фирма н Атлас Копко Актиеболаг тШвеци я)(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАЗРУШЕНИЯ ТВЕРДОГО ПЛОТНОГО МАТЕРИАЛА ОТНОСИТЕЛЬНО НЕСЖИМАЕМОЙ ЖИДКОСТЬЮ Настоящее изобретение касается конструкции устройства для разрушения твердого плотного материалаотносительно несжимаемой жидкостью и может быть использовано, в част ности, для разрушения горных пород путем выбрасывания компактной массы жидкости в предварительно пробуренное неглубокое отверстие.Известно устройство для дробления 10 горных пород, включающее трубу, присоединенную к источнику жидкости под давлением и вводимую в отверстие, предварительно пробуренное в породе. При этом давление жидкости в этом 15 отверстии может создаваться либо статическим, либо динамическим путем 11) .Однако широкого применения для дробления горных порбд это устройство 20 не нашло, в частности, из-за трудности создания достаточно высокого давления жидкости и трещиноватости пород, требующей эффективного уплотнения отверстия вокруг трубы, , фБолее близким техническим решением иэ известных к настоящему изобретению является устройство для разрушения твердого плотного материала относительно несжимаемой жидкостью, Зе) направляемой в виде продолговатойжидкой массы в сторону разрушаемогоматериала, содержащее цилиндр сразмещенным в нем циклически движущимся поршнем, разделяющим пространство цилиндра на две камеры, в однойиз которых помещено упругое средство,создающее осевую нагрузку на поршень,а другая соединена с источником жидкости под давлением и оснащена трубчатой насадкой для направления жидкости из этой камеры в сторону разрушаемого материала (2)При использовании этого устройствавозникают серьезные технические пооблемы, такие как усталость частей,в частности, гидравлической камеры,штока поршня, насадки, подвергаемыхдавлениям до 10 или 20 кбар, которыевозникают при ударах поршня по жидкости, находящейся в гидравлическойкамере, Чрезмерно высокче давленияспособствуют повышенному износу уст-,ройства и создают также повышеннуюопасность для обслуживающего персонала.,Цель изобретения заключается втом, чтобы уменьшить износ устройства и повысить безопасность егоработы.Эта цель достигается в результате того, что устройство снабжено клапанными средствами, регулирующими подачу определенного количества жидкости в гидравлическую камеру и иэ нее в насадку. 5При этом, трубчатая насадка может быть установлена и передней головке цилиндра с возможностью аксиального перемещения в направлении движения жидкости иэ нее.В этом случае клапанные средства образованы ступенчатым цилиндрическим клапаном на хностовой части насадки и ответными углублениями в торцах поршня и передней головки цилиндра, а также центральным выступом на торце 15 поршня, входящим в насадку при ее вдвинутом в гидранлическую камеру положении.В другом варианте выполнения устройства трубчатая насадка жестко Я скреплена с передней головкой цилиндра, а соосно насадке в поршне установлен аксиально подвижный относительно него шток.В этом случае клапанные средства образонаны ступенчатым цилиндрическим клапаном в передней части штока и ответными углублениями в торцах поршня и передней головки цилиндра,а также центральным выступом на переднем торце штока, входящим в насадку при движении штока.На выходном конце трубчатой насадки закреплен стопорный элемент, ограничивающий перемещение ее обратного хода.При этом, стопорный элемент может быть закреплен с возможностью регулировочного аксиального перемещения относительно насадки.фиг. 1-5 - устройство, вид сбоку в различных фазах работы;фиг. 6-9 - устройство, вид сбоку н другом варианте выполнения в различных фазах работы 1фиг. 10 - изменение по времени 45 давления в моделиронанном высверяенном отверстии;фиг. 11 - модификация выполнения устройства, представленного на фиг.1 - 5. 50На фиг. 1-5 показано устройство для выпуска жидкости в форме гидравлического поршня или столба в цилиндрическое глухое отверстие, которое предварительно просверлина ется в материале, подлежащим разрушению. В качестве примеров материалов, которые могут быть разрушены, являются горная порода, металлические руды, бетон и уголь. В качестве жидкости используется вода, хотя, может быть использована и другая жидкость.Устройство содержит цилиндр 1, который в хвостовой части закрыт задней головкой 2. Приводной поршень 45 3 совершает вознратно-поступательное движение в цилиндре 1, при этомпоршень 3 и задняя головка 2 ограничивают заднюю камеру 4 цилиндра 1.Передняя головка 5 смонтированав передней части цилиндра 1. Онаудерживается от выталкивания из цилиндра 1 стопорным кольцом б,котороесодержит несколько сегментов. Приводной поршень 3 и передняя головка 5 ограничивают переднюю камеру ) цилиндра1. Насадка 8 с воэможностью возвратнопоступательного перемещения устанавливается во втулке 9, которая вставлена в переднюю головку 5. Движениенасадки 8 ограничивается ее заднейутолщенной частью 10 и стопорнымкольцом 11, навинченным на переднийконец насадки 8,Приводной поршень 3 на стороне,которая обращена к передней камере 7цилиндра 1, имеет кольцевую ступенчатую выемку по форме утолщеннойчасти 10 насадки 8, Кольцевая ступенчатая выемка содержит внутреннююкольцевую камеру 12 и внешнюю кольцевую камеру 13, имеющую большийвнешний диаметр (фиг.4) . Кольцевыекамеры 12, 13 окружают центральныйвыступ 14, На своем переднем концевыступ 14 имеет конусную боковуюпонерхность 15. Часть 16 насадки 8,которая выступает назад от увели -ченной части 10, имеет на своемзаднем конце конусные внутреннюю 17 ивнешнюю 18 боковые поверхности.уне -личенная часть 10 насадки 8 можетбыть вдвинута в камеру 13, чтобыостановиться против кольцевой поверхности 19, в то время как задняячасть 1 б насадки входит н камеру 12,Передняя камера 7 цилиндра 1 служит накопительной камерой для жидкости прежде, чем она поступит внасадку 8. Жидкость подается в камеру 7 через канал 20, который через штуцер 21 и гибкий шланг 22 соединен с насосом 23 высокого давления,Передняя камера 7 цилиндра 1снабжена кольцевой камерой 24, кото -рая выполнена н передней головке 5цилиндра 1, Камера 24 работает, кактормозная камера для увеличения час -ти 10, таким образом, что насадка 8затормаживается гидравлически в конце с воего перемещени я н перед. Задняя камера 4 цилиндра 1 заряжается сжатым газом, таким как воздух или азот. Сжатый гаэ действует на приводной поршень 3, который передает эту осевую нагрузку на жидкость в накопительной камере 7. Камера 4 ци - линдра 1 может быть подсоединена к источнику высокого давления, такому как компрессор, посредстном соединительного ниппеля 25 н задней головке 2.45 50 55 60 65 Устройство, показанное на фиг.1-5 работает следующим образом.На фиг. 1 приводной поршень 3 и насадка 8 показаны в таком положении, когда насадка 8 направляется к отверстию 26, пробуренному в разрушаемом материале. После завершения регулировки насос 23 запускается и жидкость подается в канал 20.Давление жидкости действует на кольцевую поверхность 27 (фиг.) на увеличенной части 10, Насадка 8 и приводной поршень 3 отжимаются назад против действия сжатого газа в задней камере 4 цилиндра 1, то есть жидкость последовательно подается э накопительную камеру 7 против действия осевой нагрузки, действующей на жидкость в этой камере. После небольшого перемещения увеличенная часть 10 покидает тормозную камеру 24, что означает, что давление жидкости также действует непосредственно на приводной поршень 3. Насадка 8 и приводной поршень 3 отжимаются назад в течение с атия газа в задней камере 4 цилиндра 1 и накопления энергии в газе. Когда стопорное кольцо 11 задерживается на передней головке 5, насадка 8 прекращает свое движение назад (фиг.2). Приводной поршень 3 теперь отжимается один, Когда увеличенная часть 10 покидает камеру 13, жидкость может протекать туда. Вскоре после этого задняячасть 16 насадки 8 покидает камеру 12, и жидкость также начинает пОступать э эту камеру. Однако поступление жидкости э насадку 8 не происходит из-за выступа 14, который все еще закрывает насадку 8. Когда жидкость пропускается в камеру 12, насадка 8 перемещается вперед. После небольшого перемещения насадки 8, выступ 14 покидает ее канал.На фиг. 3 показано положение, при котором начинается пропускание жидкости в насадку 8. Насадка 8 теперь быстро продвигается вперед изатормаживается, когда часть 10 достигает кольцевой камеры 24, Таким образом жидкость продавливается через насадку 8 благодаря осевой нагрузке, действующей на жидкость внакопительной камере 7. Гидравлический поршень в насадке 8 ускоряется, как удлиненное сцепленное массивное тело, направляется и выпускается в отверстие 26, чтобы ударить в его дно.Фиг.5 показывает положение, при котором выступ 14 достигает канала насадки 8 и это означает, что начинается замедление поиводного поршня 3, Остающаяся жидкость в камере 7 цилиндра 1 используется, чтобы гидравлически затормозить приводной поршень 3. Для предотвращения отскока приводного поршня 3 остающаяся жид 5 10 15 20 25 30 35 40 кость допжна быть продавлена через кольцевой зазор между выступом 14 и каналом насадки 8 через кольцевые камеры 12, 13. Соответствующей подгонкой кольцевого зазора относительно энергии, накопленной в приводном поршне 3, и количества остающейся жидкости в камере 7 цилиндра 1 и кольцевых камерах 12, 13 приводной поршень 3 затормаживается плавно. Фиг.1 показывает конечное положение после выстрела.Зазор между насадкой 8 и приводным поршнем 3 является очень важным для работы устройства, Чтобы получить вышеописанное действие, зазор между конусными поверхностями 15, 17 на выступе 14 и насадке 8, соответственно, должен быть меньше, чем зазор между конусной поверхностью 18 на насадке 8 и внешней поверхностью кольцевой камеры 12.Зазор, в свою очередь, должен быть меньше, чем зазор между увеличенной частью 10 и внешней поверхностью кольцевой камеры 13.Этим самым достигается непрерывно увеличивающееся ограничение движения жидкости по направлению ее потока.Путем создания зазора между выступом 14 и каналом насадки 8 более большим, например, путем создания более короткого выступа 14, устройство может быть сконструировано для двух выстрелов, где второй следует сразу же после первого выстрела. Это вызывается тем, что приводной поршень 3 достигает насадки 18 до того, как она затормозится в кольцевой камере 24.При достижении насадки 8 приводной поршень 3 производит удар, так что приводной поршень 3 и насадка 8 опять отделяются. Устройство может быть сконструир о в а но с повышенной с корострел ьностью. Тогда гибкий шланг 22 подсоединяется к непрерывно действующему насосу. Когда насадка 8 и приводной поршень 3 достигают положения,показанного на фиг.2, следующий ходнасоса производит выстрел. Насос будет продолжать работать пока1 1 Фне произойдет следующий выстРели так далееСледовательно, сериявыстрелов, следующая вскоре после предшествующего выстрела, производится в отверстие 26. Первыйвыстрел может создать трещины,когда он ударяет в дно отверстия 26,11после чего последующие выстрелыувеличивают трещины до тех пор,.пока они не достигнут свободной поверхности материала,Следует подчеркнуть, что сериявыстреловпроизводится автома,тически пока работает насос, безкакого-либо вмешательства оператора.Количество выпускаемой жидкости может быть легко изменено посредством стопорного кольца 11, которое определяет величину обратного хода насадки 8.На фиг. 11 показана модифицированная передняячасть устройства, представленного на фиг.1-5,Передняя головка 28 цилиндра 1 продолжена вперед до самого дальнего положения насадки 8. Удлиненный ствол 29 навинчен на переднюю головку 28. Внутренний диаметр удлиненного ствола 29 является по существу таким же, как диаметр насадки 8. Удлиненный ствол 29 облегчает выравнивание устройства с отверстием 26 и служит для защиты подвижной насадки 8 от механических повреждений путем предотвра 1 щения ее от соприкосновения с горной породой.В случаях, когда отверстие 26 имеет тенденцию к заполнению водой, может быть желательным откачать ее из отверстия перед стрельбой. Для этой цели может быть навинчен на переднюю головку 28 колпак 30. Воздух под давлением подается в колпак 30 через входное отверстие 31 и выдувается в отверстие 26 через каналы 32 в передней головке 28 и удлиненный ствол 29,В примере осуществления устройства, показанного на фиг, 6-9, насад ка 8 жестко соединена с передней головкой 33, Шток 34 с возможностью перемещения расположен в приводном поршне 35, Относительное перемещение штока 34 и приводного поршня 35 ограничивается стопорным кольцом 36, навинченным на шток 34, и увеличенной частью 37 на штоке 34. Приводной поршень 15 в своем переднем торце имеет кольцевую камеру 38, которая сделана с размерами для приема уве - личенной части 37.Выступ 39 выполнен на торце штока 34. Передняя головка 33 снабжена кольцевой выемкой 40, которая соответствует увеличенной части 37 и выступу 39. К этой выемке 40 примыкает коническая камера 41,Устройство, показанное на фиг.б, действует следующим образом.На фиг. 6 приводной поршень 35 и шток 34 показаны в положении при настройке насадки 8 для выравнивания с отверстием 26. При законченной настройке запускается насос 42 после чего жидкость подается в канал 43Давление жидкости распределяется равномерно по поверхности приводного поршня 35 посредством кольцевой навивки 44 на его торце. После небольшого перемещения приводного поршня 35, давление жидкости начинает действовать на его полную площадь, В течение последовательной подачи жидкости приводной поршень 35 отжимается назад против действия осевой нагрузки, вызываемой сжатым газом в каме -1 О 15 2 О 25 ЗО 35 50 55 60 65 ре 45. Чтобы шток 34 остался в положении, пзказанном на фиг. б, давление жидкости передается через канал 46, чтобы действовать на заднююкольцевую поверхность увеличеннойчасти 37 штока 34.Когда приводной поршень 35 достигает стопорного кольца 36 (рис,7),продолжающаяся подача жидкости заставит части 37, 39 штока 34 выйти извыем.си 40, и камеры 41 в переднейголовке 33 (фиг.8). Эатем осеваянагрузка, действующая на жидкостьв накопительной камере 47, продавливает жидкость через насадку 8, выемку 40 и камеру 41. Шток 34 остаетсяв своем положении иэ-за разности давления на части 37 (фиг.8),фиг, 9 показывает положение, в котором приводной поршень 35 достигаетувеличенной части 37 штока 34, При -водной поршень 35 затормаживаетсягидравлически жидкостью в тормознойкамере 38 и остающейся жидкостью внакгпительной камере 47. Чтобы получитьь плавное з атормажи ванне приводного поршня 35 и предотвратить егоотскок, зазор между кольцевой камерой 38 и увеличенной частью 37 должен быть больше, чем зазор междучастью 37 и кольцевой выемкой 40. Этотпоследний зазор, в свою очередь,должен быть больше, чем зазор междуцилиндрическим передним концом выступа 39 и каналом насадки 8, Этимсамым достигается непрерывно увеличивающееся ограничение потока жидкости по направлению ее потока, Чтобыполучить условия правильного разрушения было изучено давление в моделированном просверленном отверстии.фиг.10 показывает на диаграммеполученное давление. Вода в формеудлиненного массивного тела нагне -талась в твердую железную трубуглубиной 500 мм с диаметром 23 мм.Дно трубы было закрыто, Было использованоо устройст во, тип которого показан на фиг, 1-5. Когда столб жидкости ударил в дно трубы, полная длинастолба жидкости составляла около800 мм. Скорость удара (скорость соударения) относительно дна былаоколо 170 м/сек. Отношение междудиаметром столба жидкости и внутренним диаметром трубы было 0,956, Такназываемое динамическое давление жидкости, то есть р = О сЧ (где Яплотность жидкости, С - скоростьзвука в жидкости и Ч - скорость жидкости, когда она ударяет в дно отверстия), которое генерируется на днеотверстия, становится около 2,4 кбар(Р на фиг.10) . Фактическое давление выше, чем зто динамическое давление жидкости (фиг.10) . Эта разностьвозможно вызывается взрывным расширением объема воздуха, который сжимается водяным столбом в трубе.Ско 722499 10Формула и з обретени я 1. Устройство для разрушения твердого плотного материала относительно несжимаемой жидкостью, направляемой в виде продолговатой жидкой массы в сторону разрушаемого материала, содержащее цилиндр с размещенным в нем циклически движущимся поршнем, разделяющим пространство цилиндра на две камеры, в одной из которых 50 ростная киносъемка процесса показывает, что сжатый воздух поднимается и распределяется в водяном столбе, когда столб ударяет в дно отверстия, Энергия расширения сжатого воздуха накладывается на энергию, накопленную в водяном столбе. Таким образом, очевидно, что возможное сжатие заключенного воздушного объема в просверленном отверстии оказывает благоприятное воздействие на процесс разрушения, особенно на возникновение трещин, которые требуются для разрушения. В показанном на фиг.10 изменении давления по времени труба была настолько прочной, что не разрушилась, когда вода ударила по ее дну. На15 практике диаграмма давления является более сложной. В частности, наличие естественных трещин в материале уменьшает и иногда по сущесгву полностью ликвидирует действие сжатия воздуха. 2 О Кроме этого, это действие уменьшается в случае меньшего относительного отношения площадей столба жидкости и отверстия.Несколько экспериментов было сде ланс с вышеописанными устройствами. Например, блоки известняка и гранита размером, граней в 1 м были разрушены посредством устройства, показанного на фиг. 1-5. Было просверлено в блокахЗО глухое отверстие глубиной 500 мм с диаметром 23 мм. Длина насадки была 300 мм, Сцепленный водяной столб, имеющий длину около 800 мм нагнетался в отверстие. Скорость соударения водя-З 5 ного столба была около 170 м/сек, а кинетическая энергия - около б кдж. В зависимости от ориентирования отверстий относительно неоднородностей. в блоках, они были разрушены полностью после различного числа выстрелов, обычно 1-3, Если трещины, которые возникали от первого выстрелаф, не достигали свободной поверх - ности, то последующиевыстрелы заставляли трещины распространяться 45 дал ьше . помещено упругое средство, создающее осевую нагрузку на поршень, адругая соединена с источником жидкости под давлением и оснащена трубчатой насадкой для направления жидкости из этой камеры в сторону разрушаемого материала, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью уменьшенияего износа и повышения безопасностиработы, оно снабжено клапаннымисредствами, регулирующими подачу определенного количества жидкостив гидравлическую камеру и из нее внасадку.2. Устройство по п.1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что трубчатаянасадка установлена в передней головке цилиндра с воэможностью аксиального перемещения в направлении движения жидкости из нее,3. Устройство по пп.1 и 2, о тличающееся тем, чтоклапанные средства образованы ступенчатым цилиндрическим клапаном на хвостовой части насадки и ответнымиуглублениями в торцах поршня и передней головки цилиндра, а также центральным выступом на торце поршня,входящим в насадку при ее вдвинутомв гидравлическую камеру положении.4. Устройство по п.1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что трубчатаянасадка жестко скреплена с переднейголовкой цилиндра, а соосно насадке в поршне установлен аксиальноподвижный относительно него шток.5. Устройство по пп.1 и 4, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что клапанные средства образованы ступенчатымцилиндрическим клапаном в переднейчасти штока и ответными углублениямив торцах поршня и передней головкицилиндра, а также центральным выступом на переднем торце штока, входящим в насадку при движении штока,б. Устройство по п.2, о т л ич а ю щ е е с я тем, что на выходномконце трубчатой насадки закрепленстопорный элемент, ограничивающийперемешение ее обратного хода.7.устройство по п.б, о т л и ч а ющ е е с я тем, что стопорный элемент закреплен с возможностью регулировочного аксиального перемещенияотносительно насадкИ.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе 1. Патент Германии 9 2419 бб,кл. 5 в 37/12, опубли к, 1910. 2, Патент СПА 9 3412554,кл. б 0-54 . 5,опубли к. 1970 (прототип)722499 Р фаг 1 ФЬг 10 21 Составитель В. Макаева едактор Т, Авдейчик Техред М,Куэьма Корректор акаэ 175/48 аж н оеСССР П фи П У нт ,ул, Проетна Тир ЦНИИПИ Госу по делам 3035, Моска