ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ ГИДРОМОНИТОРНОЙ

Известия ТулГУ. Технические науки. 2013. Вып. 4
УДК 622.23.054.2:622.271.64
ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ ГИДРОМОНИТОРНОЙ
БУРИЛЬНОЙ ГОЛОВКИ
В.В. Колесников, А.В. Лежебоков, А.Е. Пушкарев
Предлагается использовать встроенный генератор гидродинамических колебаний на основе эффекта Польмана-Яновского и явление кавитации для создания в работе инструмента машины горизонтального бурения продольно вибрационного ускорения, что повысит эффективность работы. Рассматриваются конструкции рабочих
наконечников. Описана гидромониторная бурильная головка с встроенным генератором гидродинамических колебани.
Ключевые слова: гидромониторная бурильная головка, рабочий инструмент
машин ГНБ, динамические колебания.
На сегодняшний день рост городов и совершенствование их инфраструктуры, ведет к повышению количества подземных инженерных коммуникаций. Прокладка коммуникаций открытым способом сложно выполнима или практически не выполним, под архитектурными памятниками,
жилыми зданиями, магистралями дорог. В этих случаях пользуются способом бестраншейной прокладки, при помощи техники горизонтально направленного бурения (далее по тексту ГНБ). Тем самым обуславливая увеличение потребности в техники ГНБ [1].
Основной спектр инструмента применяемый, для работ машин ГНБ
направлен на породы малой и средней крепости. Одним из путей повышения эффективности работы машин ГНБ по крепким породам, является совершенствование конструкций рабочих наконечников, за счет применения
энергии струй рабочих растворов и вибрации.
Для этого Ермолиным Д.А. и Зайнашевым М.М. разработана гидромониторная бурильная головка (рис.1) [2] для горизонтальнонаправленного бурения пилотной скважины с помощью струи жидкости
или газа, применяемым при бестраншейном сооружении трубопроводов в
грунте.
Техническая идея данного устройства, заключается в обеспечении
условий для контролируемого отклоняющего воздействия на буровой снаряд в породах с гравийно-валунно-галечниковыми отложениями и повышении надежности опережающего направленного гидромониторного воздействия.
Для этого гидромониторная бурильная головка, содержащая двускатную фронтальную поверхность с лобовым породоразрушающим выступом на сопряжении скатов, калибрующую часть с продолговатым контуром поперечного сечения, направляющую часть с асимметричным ско240
Машиностроение и машиноведение
сом, средство соединения с колонной бурильных труб и нагнетательный
канал с вводами в гидромониторные сопла, за счет того, что скаты фронтальной поверхности с лобовым породоразрушающим выступом на сопряжении скатов расположены на скосе направляющей части, при этом лобовой породоразрушающий выступ ориентирован по продольному направлению скоса направляющей части, по меньшей мере, два гидромониторных
сопла расположены на прилегающих к скатам противоположных участках
калибрующей части, по меньшей мере, одно гидромониторное сопло расположено на калибрующей части с ориентацией по продольному направлению скоса направляющей части в сторону расположения фронтальной
поверхности, а также за счет того, что устройство снабжено породоразрушающим зубом, расположенным на сопряжении скатов и поверхности калибрующей части, и двумя дополнительными породоразрушающими выступами, при этом упомянутые выступы расположены на центральносимметричных оси бурильных труб сегментах краевых участков скатов.
Рис. 1. Гидромониторная бурильная головка: 1 - калибрующая часть;
2 - направляющей часть; 3 - асимметричный скос; 3 – резьба;
4 - колонна бурильной трубы; 5 – ввод, 6 - гидромониторное сопло,
7 - породоразрушающий зуб
Гидромониторная бурильная головка (рис.2) [3], разработанная
Рольфом Д., используется в устройствах для бурения подземных тоннелей.
Состоит гидромониторная бурильная головка из корпуса, связанного с бурильной установкой, с возможностью вращения вокруг центральной оси
головки. Корпус имеет осевой канал, проходящий вдоль центральной оси,
с направляющей поверхностью на боковой стороне корпуса, скошенной в
направлении переднего конца головки и сообщенный с направленным вперед соплом, выпускное отверстие которого расположено вне центральной
оси, и с направленным назад дополнительным соплом, установленным на
уровне задней концевой части направляющей поверхности. Впускное отверстие дополнительного сопла расположено снаружи направляющей по241
Известия ТулГУ. Технические науки. 2013. Вып. 4
верхности для образования за соплом свободного пространства и изменения направления движения бурильной головки. Данная головка может
иметь несколько вариантов исполнения: передних сопел может быть несколько, они могут быть расположены симметрично под углом 45o относительно одного из них, дополнительных сопел также может быть несколько.
Дополнительное сопло может быть направлено под углом 15o относительно центральной оси головки, а передние сопла - под углом 10o - 15o. Впускные отверстия передних сопел могут быть расположены вне центральной оси параллельно ей, а ось канала одного из них может лежать в общей
плоскости с центральной осью.
Техническая идея гидромониторной бурильной головки состоит в
повышении ее эффективности, благодаря которой обеспечивается облегчение маневрирования бура при изменении направления бурения, что увеличивает возможность управления буром.
Для достижения этой технического идеи, гидромониторная бурильная головка снабжена установленным в корпусе на уровне задней концевой
части направляющей поверхности направленным назад дополнительным
соплом, канал которого сообщен с осевым каналом, а выпускное отверстие
расположено снаружи направляющей поверхности для образования за соплом свободного пространства и изменения направления движения бурильной головки.
Рис. 2. Гидромониторная бурильная головка: 1 - бурильная головка,
2 - сопло направленное, 3 - шпонка, 4 - канал, 5 - управляющая
поверхность, 6 – резьба, 7 - отверстие, 8 - передняя поверхность,
9 - канал, 10 - насадка, 11 - канал, 12 - насадка, 13 – выемка
Институтом техники, технологии и управления СГТУ было разработано устройство, предназначенная для бестраншейной прокладки трубопроводов методом прокола (рис.3) [4], которое может найти применение
для устройства скрытых переходов при строительстве трубопроводов, подземных кабельных линий связи и электропередач. Устройство содержит
полый рабочий наконечник конической формы, соединенный через шар242
Машиностроение и машиноведение
нир, установленный на опорах вращения, со стержнем, вибратор круговых
колебаний в виде катка, опирающегося на внутреннюю поверхность полого рабочего наконечника, привод вибратора, установленный в прокладываемом трубопроводе и соединенный со стержнем, и подающий механизм.
Стержень смонтирован на опорах вращения на фланце, закрепленном на
переднем по направлению прокола конце прокладываемого трубопровода.
Наконечник соединен водилом со стержнем.
Для достижения поставленной цели шарнир на стержне и стержень
на фланце установлены на опорах вращения, а стержень соединен с приводом вибратора и водилом катка.
Рис. 3. Устройство для бестраншейной прокладки трубопроводов
методом прокола: 1- трубопровод, 2 - фланец, 3 – опора, 4 - стержень,
5 - опора вращения, 6 - шаровая опора, 7 - рабочий наконечник,
8 - лидер, 9 - каток, 10 - водило, 11 - муфта, 12 - электродвигатель,
13 - уплотнение, 14 – кабель
Для осуществления прокола включаются тяговая лебедка и электродвигатель привода вибратора, который через муфту приводит во вращение стержень, а вместе с ним водило с катком, который перекатывается
по внутренней поверхности полого рабочего наконечника. Под действием
возмущающей силы катка рабочий наконечник совершает круговые колебания с частотой, равной частоте вращения стержня, перпендикулярные
направлению проходки. Центр колебаний рабочего наконечника, т.е. точка,
в которой амплитуда колебаний равна нулю, совпадает с опорным шарниром. С удалением от нее амплитуда возрастает и достигает максимума на
его цилиндрической части. Рабочий наконечник обкатывается по поверхности скважины и вызывает колебания грунта в радиальном направлении,
что способствует уменьшению сил трения и сцепления в нем и, как следствие, уменьшению сопротивления и увеличению скорости прокладки тру243
Известия ТулГУ. Технические науки. 2013. Вып. 4
бопровода.
Кафедрой ГиСПС Тульского государственного университета предложена гидромониторная бурильная головка с встроенным генератором
гидродинамических колебаний. Данное устройство относится к горному
делу и строительству, в частности к оборудованию для бестраншейной
прокладки труб под дорогами и другими инженерными сооружениями, и
может быть использовано для прокладывания пилотной скважины, применяясь как головная часть исполнительного органа установки ГНБ, совместно с растворами, используемыми в работе при бестраншейной прокладке
трубопровода.
Гидромониторная бурильная головка с встроенным генератором
гидродинамических колебаний включает буровую головку с каналами и
соплами, управляющую поверхность и переднею поверхность. Внутри
корпуса наконечника находится диск с входными струеформирующими
каналами, резонирующими элементами в виде пластин, консольно закрепленных в диске с выходными отверстиями, фиксирующими винтами, обжимным кольцом, штифтами, крепящимися к хвостовой части, с внутренним каналом.
Технической задачей, которая может решена с помощью данного
устройства, является повышение эффективности работы породоразрушающего инструмента в крепких породах.
Данная задача решается за счет того, что внутри гидромониторной
бурильной головки находится генератор гидродинамических колебаний,
каждая резонирующая пластина которого находится напротив соосного с
ней струеформирующего канала. При набегании буровой жидкости происходит интенсивное воздействие на резонирующие элементы, появляются
возмущения жидкости, пульсирующая кавитационная область, возбуждение в резонирующих элементах изгибных колебаний, вибрации, передающиеся на бурильную головку. С целью повышения интенсивности колебаний необходимо настроить частоту собственных колебаний резонирующих
элементов на частоту собственных колебаний поступаемой жидкой среды
для создания резонанса, реализуя эффект Польмана - Яновского [5].
Техническим результатом является повышение эффективности работы породоразрушающего инструмента для прокладки пилотной скважины, придание воздействию на массив динамического характера, кратковременных ударных импульсов, в частности продольновибрационных ускорений, возникающих в инструменте при колебаниях жидкости, и кавитации, протекающей в буровом растворе, способных повысить его работоспособность.
Был изготовлен экспериментальный образец гидромониторной бурильной головки с встроенным генератором гидродинамических колеба244
Машиностроение и машиноведение
ний на рис. 4, а показана головка в разобранном виде на рис. 4, б в собранном виде.
Рис. 4. Экспериментальный образец гидромониторной бурильной
головки
Головка прошла испытания, которые подтвердили её работоспособность и эффективность. Так снижение нагрузки на инструменте составило
около 30 % при достижении резонансного режима колебаний пластинчатых элементов и собственных колебаний поступаемой жидкой среды (промывочной жидкости).
Список литературы
1. Рыбаков А.П. Основы бестраншейных технологий. Теория и
практика. М.: Изд-во ПрессБюро, 2005. 304 с.
2. Пат. 2081988, РФ. Гидромониторная бурильная головка / Рольф
Д. Заявл. 25.03.1991. Опубл. 20.06.1997.
3. Пат. 2330928, РФ. Гидромониторная бурильная головка / Ермолиным Д.А., Зайнашевым М.М Заявл. 17.01.2007. Опубл. 10.08.2008.
4. Пат. 2190728, РФ. Устройство для бестраншейной прокладки
трубопроводов методом прокола / Институт техники, технологии и управления СГТУ. Заявл. 05.03.2001. Опубл. 10.10.2002.
5. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике.
М: ИИЛ, 1956. 726 с.
Колесников В.В., аспирант, duckrobot87@gmail.com, Россия, Тула, Тульский
государственный университет,
Лежебоков А.В., канд. техн. наук, troagn@mail.ru, Россия, Тула, ЗАО Тульская
инвестиционно-строительная компания,
Пушкарев А.Е., д-р техн. наук, pushkarev-agn@mail.ru, Россия, Тула, Тульский
государственный университет
245
Известия ТулГУ. Технические науки. 2013. Вып. 4
EXPERIMENTAL STUDIES OF THE CHARACTERISTICS OF NOZZLES
V.V. Kolesnikov, A.V. Legebokov, A.E. Pushkarev
It is proposed to use the built-in generator hydrodynamic fluctuations on the basis of
the effect Pollman-Yanovsky and the phenomenon of cavitation inception in the work of the
machine tool horizontal drilling longitudinal vibration acceleration, thus increasing efficiency. We consider the design of the tool tip. Described jetting drilling head with built-in
generator hydrodynamic fluctuations.
Key words: jetting drill bit, working tool machines for HDD, dynamic fluctuations.
Kolesnikov V.V., postgraduate, duckrobot87@gmail.com, Russia, Tula, Tula State
University,
Legebokov A.V., candidate of technical science, troagn@mail.ru, Russia, Tula, "Tula
Investment and Construction Company",
Pushkarev A.E., doctor of technical science, pushkarev-agn@mail.ru, Russia, Tula,
Tula State University
УДК 622.23.054.2:622.271.64
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ФОРМИРОВАНИЯ ПОГРУЖНОЙ
ВЫСОКОНАПОРНОЙ СТРУИ
В.В. Колесников, А. М. Лебедев, А.В. Лежебоков,
К.А. Головин, А.Е. Пушкарев
Предлагается математическая модель формирования затопленной высоконапорной жидкостной струи, основанная на второй теории турбулентности Прандтля.
Модель описывает структуру и характеристики струи с различными свойствами.
Ключевые слова: кавитация, струеформирующие насадки, динамические колебания; турбулентная вязкость.
Гидроструйные технологии находят все большее применение в различных производственных областях. При этом одним из сдерживающих
факторов является необходимость научно обоснованного прогнозирования
свойств струй, что позволит осуществлять проектирование гидроструйного
инструмента для конкретных условий применения. В этой связи построение математических моделей, отражающих динамические процессы, происходящие при формировании высоконапорной струи, с учетом возможно
большего числа влияющих факторов, является актуальной задачей.
Для построения математической модели используем модель осесимметричной струи [1], основанную на второй теории турбулентности
246