Лекция №6. Бурильно-крановые машины и машины для бурения скважин под буронабивные сваи
История бурильных и буровых машин.
Буровые машины, предназначенные для сверления горизонтальных отверстий, уже существовали в XVII столетии, что подтверждается предложением, сделанным в 1683 году механиком Геннинг-Гутманом магистрату города Гарца, на производство буровых работ с помощью его машины. Однако, вследствие недостатков, какими обладали буровые машины того времени, применение их было единичное. В 1803 году зальцбургский инженер Гайншинг и в 1813 г. английский механик Тревич сделали весьма солидные усовершенствования в этого рода машинах; затем в 1844 г. англичанин Брунт предложил молоты в рудниках приводить в движение с помощью сжатого воздуха и производить одновременно вентиляцию штолен. В 1851 году французский инженер Каве первый начал работать этого рода машинами, которые были впоследствии усовершенствованы Бартлетом, предложившим свою машину в 1854 г. управлению по возведению Мон-Сенисского туннеля. Женевский профессор физики Колладон немного ранее, а именно в 1852 г., построил бурильную машину с пневматической передачей, взамен существовавшей до того времени канатной. Строитель Мон-Сенисского туннеля (инженер Соммелье) обе эти идеи соединил в одну и устроил пневматическую бурильную машину, а для сгущения воздуха воспользовался водой горных потоков Альп. Лет пятнадцать тому назад применение буровых машин, действующих сжатым воздухом, при проведении туннелей было редкостью и ограничивалось двумя туннелями, Мон-Сенисским и Сен-Готтардским (см. Туннель); между тем, в настоящее время буровые машины применяются к постройке относительно уже и небольших сооружений, например у нас на Новороссийской ветви Владикавказской железной дороги при постройке туннелей, одного длиной 650,94 саженей и другого в 180 сажен. Все сказанное выше относится к ударным машинам; между тем, идея вращательного бурения, появившаяся в 1848 в Праге и примененная там к сверлению известняков, дала очень хорошие результаты, почему и начала разрабатываться в Австрии (Реттингер), Франции (Леша) и Германии (Ржиг) с не меньшим успехом, как и система ударных машин. В 1864 г. инженер Штопф предложил производить вращательное бурение с помощью воды, находящейся под давлением, а гамбургский инженер Брандт разработал эту идею практически и построил вращательную машину своей системы. Первые опыты с этой машиной произведены были в Сен-Готтардском туннеле, а с 1877 года ими уже работали в полном объеме при сооружении Зонштейнского туннеля у Траунзее, Брандлейтского в Тюрингии, Аральбергского в Швейцарии, Сурамского на Кавказе и во многих рудниках. На последней всемирной выставке в Париже машины Брандта награждены большой золотой медалью.
Быстрое усовершенствование буровых машин началось лишь со времени применения их к постройке туннелей, а именно Мон-Сенисского, и всецело принадлежит нижеследующим четырем инженерам: Соммелье, Граттони, Грандису и Колландону. Уже в 1866 г. выдана была 91 привилегия на различного рода буровые машины, а с этого времени сделано очень много в них усовершенствований. Самые замечательные ныне системы следующие: Дюбуа-Франсуа, Сакса, Мак-Кина, Сегена, Ингерзоля, Дарлингтона, Туреттини, Шрамма, Ферру, Мейера или Фрелиха и Брандта, которые, несомненно, оказали огромное влияние на успех в этого рода работах, способствуя скорому преодолению тех препятствий, которые представляли до сих пор твердые горные породы при прорытии туннелей и штолен.
Все перечисленные выше системы буровых машин подразделяются на так называемые ударные и вращательные: первые приводятся в движение посредством сжатого воздуха, а вторые посредством напора воды, откуда и называются пневматическими и гидравлическими. Машины первого рода выбивают породу кусками, а второго рода - цилиндрической стальной пилой высверливают цилиндрики буримой породы, которые без особых приспособлений переламываются и крошатся во время работы. Существует еще один род машин (perforateur), которые сверлят сразу отверстия большого диаметра, от 6-ти до 20-ти футов и известны под названием "Beaumont", от имени изобретателя, английского инженера Бомона. Машины этого рода, называемые также "щитовыми", употреблены были при прорытии туннеля под Лондоном в Англии, под рекой Гудзоном в Америке и под каналом Ла-Манш во Франции, причем под Ла-Маншем пройденная ими в меловом грунте пробная штольня имеет 884,55 сажени длины.
Щитовая машина представляет собой стальную трубу, оканчивающуюся резцом и закрывающую спереди стальным щитом забойное место штольни. Длина такой трубы бывает различна и зависит от диаметра: от 0,75 до 1,50 саженей. Диаметр трубы бывает в 6 и 10 футов, а для прорытия туннеля под Гудзоном диаметр щитовой машины был в 20 футов и давление, на нее производимое гидравлическими прессами, равнялось 15 тысячам пудов.
Машины этого рода имеют видимое преимущество перед описанными выше, так как вовсе устраняют необходимость употребления взрывчатых веществ, представляющих столь большую опасность для рабочих, и дают возможность более легкого устройства вентиляции и вполне обеспечивают работу от заливания водой, вследствие встречи ключей или просачивания грунта.
Машина Beaumont'a приводится во вращательное движение сжатым воздухом, а поступательное движение получается от гидравлических прессов. Судя по работам, которые велись этой машиной под каналом Ла-Манш, успех таковых в серой меловой формации не превышает 1 метра в час, что представляет собой уже весьма хороший результат. Машина эта всегда может быть применена, когда геологические напластования однообразны, подобно нижним частям меловой формации, и не представляют твердости камня или скалистого грунта. Подробное описание см. в "Annales industrielles" (1882).
Давление воздуха и воды, нужное для приведения Б. в действие, производится с помощью особых аппаратов-насосов или компрессоров. Величина этого давления находится в зависимости от степени твердости буримой горной породы и рода машины. Если все грунты разделить на мягкие, твердые и скалистые, то, по данным профессора Ржига, нужно:
– для ударных машин в грунтах мягких от 1 до 2 атмосфер давления, в твердых от 2 до 3 и в скалистых от 3 до 4 атмосфер давления (к этим цифрам следует прибавить от 20 до 30% на потерю давления, происходящую от трения воздуха в трубах)
– для вращательных машин в грунтах мягких от 40 до 60 атмосфер, в твердых до 80 и скалистых до 150 атмосфер давления. В этого рода машинах потери давления вдоль проводов не замечается. Машины щитовые, так называемые "Beaumont", требуют давления сообразно диаметру штольни и твердости грунта.
Всякая ударная бурильная машина должна выполнить 6 различного рода движений:
– удар,
– обратный ход ударного стержня,
– его поворот,
– поступательное движение его вперед по мере углубления отверстия,
– передвижение самой машины вперед,
– ее отодвигание назад.
Первое и второе движение выполняются регулировкой поршней, третье движение происходит с помощью спиральной дорожки, выделанной на поверхности стержня, которой движется стержень по неподвижному шипу, укрепленному в раме машины; четвертое происходит вследствие одинаковой длины поршневого цилиндра машины с величиной передвижения всей машины; пятое и шестое движения производятся руками.
Всякая вращательная буровая машина должна выполнять два действия:
передвигать вперед буровой стержень с зубчатым стальным наконечником, поворачивать его. Первое действие производится особым механизмом, а второе - с помощью двух водостолбовых машин, приводящих в движение бесконечный винт, поворачивающий стержень посредством зубчатого колеса, соединенного со стержнем наглухо.
Все вновь строящиеся буровые машины отличаются от прежних увеличением силы диаметра бурава и уменьшением числа буровых сверл. Так, например, последние буровые машины Дюбуа и Франсуа имеют один бур, а Брандта - два бура.
Основные понятия.
Самоходные бурильно-крановые машины широко применяют в городском строительстве при устройстве свайных оснований зданий и сооружений, опор мостов, трубопроводов, линий электроснабжения и связи, колодцев, ограждений, а также при обустройстве дорог, посадке деревьев и кустарников. Они представляют собой совместно действующее бурильное и специальное крановое оборудование, смонтированное на шасси серийных автомобилей и тракторов, привод которого осуществляется от двигателя базовой машины или самостоятельной силовой установки. Бурильным оборудованием проходят способом механического вращательного бурения вертикальные и наклонные скважины в талых и сезонно промерзающих грунтах, а специальным крановым - устанавливают в пробуренные скважины сваи, столбы, железобетонные опоры, блоки колодезных облицовок и другие элементы.
По типу базовой машины бурильно-крановые машины разделяют на автомобильные и тракторные; по принципу действия бурильного оборудования - на машины цикличного и непрерывного действий; по типу привода бурильного и кранового оборудования различают машины с механическим, гидравлическим и смешанным (гидромеханическим) приводами; по виду исполнения бурильно-кранового оборудования - на машины с совмещенным (бурильное и крановое оборудование смонтированы на одной мачте) и раздельным (бурильное оборудование смонтировано на мачте, крановое - на стреле) оборудованием; по возможности поворота рабочего оборудования в плане машины разделяют на неповоротные и поворотные; по расположению рабочего оборудования на базовом шасси - с задним и боковым расположением у неповоротных машин, на поворотной платформе - у поворотных.
Главный параметр бурильно-крановых машин - максимальная глубина разбуриваемой скважины (м). К основным параметрам относятся: диаметр бурения (скважины), угол бурения (угол наклона оси скважины к горизонту), грузоподъемность кранового оборудования.
В качестве сменного бурильного инструмента бурильно-крановых машин используются лопастные, кольцевые и шнековые буры, закрепляемые на конце бурильной штанги, которой сообщается крутящий момент и усилие подачи.
Лопастной бур (рис. 1, а) состоит из корпуса 1 с двумя копающими лопастями в виде двухзаходного винта, забурника 5 и заслонки 2. Лопасти оснащены сменными резцами 4, разрыхляющими грунт и установленными в резцедержателях 3. Забурник, расположенный на конце бурильной головки, задает буру направление и удерживает его на оси бурения. Заслонки препятствуют просыпке грунта при выемке грунта из скважины. Бур крепится к нижнему концу бурильной штанги с помощью пальца. Шнековый (винтовой) бур (рис. 1, б) представляет собой трубчатый остов 9 с винтовыми транспортирующими грунт спиралями в виде сплошной ленты 10. Шнек имеет хвостовик 11 для крепления на конце бурильной штанги. К шнеку крепится сменная бурильная головка 8 с резцами 7 и забурником 6.
Рис. 1. Буры бурильно-крановых машин
Кольцевой бур (рис. 1, в) разрушает грунт по периферии и формирует кольцевую щель, отделяющую керн от массива. Бур состоит из корпуса 12 в виде трубы, на нижней торцевой части которой равномерно расположены кулачки 14 с резцами 15. Поверхность корпуса бура снабжена винтовыми лопастями 13, транспортирующими разрушенный грунт (породу) из кольцевой щели на дневную поверхность. Две отклоняющие планки 16 отбрасывают разрушенный грунт к наружной стенке кольцевой щели.
При бурении скважин в мерзлых грунтах применяют резцы и забурники, армированные твердосплавными пластинками. Бурение скважин осуществляется при вращении бурильного инструмента с одновременным его движением вниз. В процессе бурения скважина необходимой глубины образуется за несколько повторяющихся циклов, каждый из которых включает последовательно выполняемые операции бурения, подъема бурильного инструмента на дневную поверхность, его разгрузку и возврат в забой.
Для бурения скважин различных диаметров каждая бурильно-крановая машина комплектуется набором сменного бурильного инструмента.
Бурильно-крановая машина
Бурильно-крановая машина (рис. 1) состоит из базового автомобиля 1, специальной рамы, закрепленной на раме автомобиля, бурильно-кранового оборудования, гидравлического механизма установки бурильной мачты, выносных опор с гидродомкратами 8, механической трансмиссии, гидросистемы и электрооборудования. Бурильно-крановое оборудование шарнирно закреплено на кронштейнах специальной рамы и может поворачиваться в продольно-вертикальной плоскости машины гидроцилиндром 2 при установке оборудования в транспортное и рабочее положение. В транспортном положении бурильное оборудование укладывается на опорную стойку. Бурильно-крановое оборудование включает бурильную мачту 5 с оголовком, штангу с бурильным инструментом в виде лопастного бура 6 с забурником 7 и резцами, гидравлический механизм подачи бурильного инструмента на забой и извлечения его из скважины, вращатель штанги и однобарабанную червячную реверсивную лебедку для установки опор в пробуренную скважину. Подача и извлечение штанги с бурильным инструментом осуществляется гидроцилиндром двойного действия, смонтированным внутри бурильной мачты. Штанга перемещается по поршню со штоком, закрепленным в верхней части бурильной мачты. Вращатель 5 - гипоидный конический редуктор - приводится в действие от коробки отбора мощности 11 автомобиля через раздаточную коробку 10, управляемый гидроцилиндром фрикцион и карданный вал 9. Привод барабана реверсивной червячной лебедки осуществляется от раздаточной коробки. На барабан лебедки запасован канат грузового полиспаста с крюковой обоймой 4. Раздаточная коробка обеспечивает три частоты вращения бура в зависимости от прочности разрабатываемого грунта, а также реверс бурильного инструмента и барабана лебедки. При работе машина опирается на две выносные опоры с гидродомкратами, разгружающие задний мост базового автомобиля. Гидроцилиндры механизмов установки мачты и подачи бурильного инструмента, управления фрикционной муфтой и выносных опор обслуживаются шестеренным насосом, приводимым в действие от раздаточной коробки. Управление бурильно-крановым оборудованием осуществляется с пульта, расположенного в кузове у рабочего места оператора.
Рис. 1. Бурильно-крановая машина
В настоящее время более 70 % потребности российского рынка в бурильно-крановых машинах обеспечивает Алапаевский завод «Стройдормаш», входящий в промышленную группу «Уралинвестэнерго». Завод «Стройдормаш» выпускает широкую гамму бурильно-крановых машин на автомобильных и тракторных шасси. Машины могут работать при температуре окружающего воздуха - 40...+ 40 °С.