ВОЗДУХОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ПНЕВМОУДАРНИКА Российский патент 2000 года по МПК E21B4/14 

Изобретение относится к пневматическим ударным машинам, используемым в горной, горно-металлургической и строительной промышленности.

Известно воздухораспределительное устройство пневмоударника, включающее трубчатый клапан-золотник с буртиком, седло с каналами питания камеры холостого хода и каналами, соединенными с выхлопным каналом, крышку с кольцевыми каналами питания камеры рабочего хода. (См. патент ФРГ N 2100762, 1971).

Недостатками этого воздухораспределительного устройства являются дополнительный выхлоп только из одной рабочей камеры и малый ход клапана-золотника, определяемый зазорами между плоскостями буртика и взаимодействующими с ними плоскостями седла и крышки, вследствие чего практически невозможно по золотниковой схеме осуществить качественную герметизацию наполняемой воздухом камеры от каналов дополнительного выхлопа и, следовательно, от нежелательных утечек воздуха, снижающих мощность машины.

Известны также конструкции воздухораспределительных устройств, позволяющих осуществлять через золотник выхлоп из обеих камер пневмоударника (см. например, монографию "Пневматические машины ударного действия для проходки скважин и шпуров", Есин Н.Н. и др., Новосибирск, Наука, 1986, стр. 143, схема 5).

Недостатками этих воздухораспределительных устройств являются многоступенчатая посадка золотников, снижающая надежность работы и требующая очень высокой точности изготовления, а также невозможность управления интенсивностью дополнительного выхлопа.

Наиболее близким по технической сущности является воздухораспределительное устройство пневмоударника (см. а.с. СССР N 129591, класс 5в, 901, 1960), включающее трубчатый клапан-золотник с выемкой в средней части, седло со штоком и радиальными и осевым отверстиями в нем. Недостатками этого устройства являются посадка золотника по внутреннему и наружному диаметрам, наличие радиальных каналов относительно большого сечения в золотнике, поэтому большая масса золотника, невозможность управления интенсивностью выхлопа по пути движения ударника.

Предлагаемым изобретением решается задача повышения ударной мощности в условиях высоких противодавлений воздуха на выхлопе и надежности пнввмоударника.

Достигается это тем, что в воздухораспределительном устройстве пневмоударника, включающем трубчатый клапан-золотник с выемкой в средней части, размещенные в клапанной волости, образованной седлом с каналом питания камеры рабочего хода, штоком с осевым и радиальными каналами, крышкой с сетевым каналом и каналом питания камеры холостого хода, согласно изобретению, наружная цилиндрическая поверхность клапана-золотника образует с крышкой кольцевой калиброванный канал, соединенный с сетевым питающим каналом, с каналами питания камер рабочего и холостого хода, а на наружной поверхности штока с обеих сторон от радиальных каналов и на одинаковом расстоянии от них выполнены глухие продольные пазы, постоянно соединенные с каналами питания камер рабочего и холостого хода и периодически, в зависимости от положения клапана-золотника, соединяющиеся посредством его выемки с радиальными каналами штока, в осевом канале которого размещено средство для регулирования величины проходного сечения радиальных каналов, например, стержень обратного клапана с дополнительной пружиной.

Целесообразно также в клапане-золотнике выполнить выемку, смещенную по длине относительно поперечной оси симметрии, чтобы его большая по длине посадочная поверхность постоянно прерывала сообщение соответствующих глухих пазов с радиальными каналами штока или образовывала с ними за счет кромок дроссельные каналы, или на наружной поверхности клапана-золотника выполнить симметрично расположенную кольцевую выемку, или клапан-золотник выполнить из материала с невысокой плотностью.

Выполнение кольцевого калиброванного канала между наружной цилиндрической поверхностью клапана-золотника и соответствующей поверхностью крышки, который соединен с сетевым питающим каналом, с каналами питания камер рабочего и холостого хода позволяет, в отличие от традиционных клапанных устройств, взять на себя только функцию регулирования количества воздуха, поступающего в камеры. При этом другая функция - распределение потока воздуха в ту или иную камеры - выполняется торцовыми поверхностями клапана-золотника. Это позволило устранить зависимость количества подаваемого воздуха от величины хода клапана и кратно увеличить эту величину. Выполнение на наружной поверхности клапана-золотника симметричной кольцевой канавки, предусматриваемой как вариант снижения массы, не изменяет качество регулирования количества воздуха, а требует лишь уточнения расчета.

Увеличение хода клапана-золотника позволило возложить на него функцию управления дополнительным выхлопом из обеих камер, который осуществляется поочередным соединением продольных глухих пазов штока с радиальными каналами выемкой клапана-золотника. Если выемка в клапане-золотнике выполнена смещенной по длине относительно поперечной оси симметрии, то длина его посадочных поверхностей неодинакова. При этом поверхность большей длины постоянно закрывает передние или задние глухие пазы. Например, если большая посадочная поверхность обращена вперед - в сторону долота - то дополнительный выхлоп из камеры рабочего хода закрыт. Если же при сборке воздухораспределительного устройства клапан-золотник перевернуть, будет закрыт дополнительный выхлоп из камеры холостого хода. Увеличение длины посадочной поверхности клапана-золотника можно выполнить так, чтобы его выемка соединялась с передними или задними глухими пазами штока, образуя за счет кромок отсечки лишь дроссельные щели, ограничивая величину дополнительного выхлопа из передней или задней камеры - еще один из вариантов ступенчатого управления дополнительным выхлопом.

В осевой канал штока выходят радиальные каналы, величину проходного сечения которых можно регулировать в зависимости от перепада давления воздуха в сети и на выхлопе. Для этого в осевом канале по скользящей уплотняющей посадке размещается подпружиненный стержень, передний торец которого взаимодействует с выходными отсечными кромками радиальных каналов, а на задний торец действует давление сетевого воздуха. Величина проходного сечения радиальных каналов, которые можно выполнить в виде продольных щелей, будет определяться разностью давления воздуха и жесткостью пружины. Если стержень является частью обратного клапана, устанавливается дополнительная пружина, работающая только в диапазоне перемещения его переднего торца в зоне радиальных отверстий штока.

Таким образом, совокупность признаков предлагаемого изобретения позволяет повысить ударную мощность в условиях высоких противодавлений воздуха на выхлопе и надежность пневмоударника.

Предлагаемое воздухораспределительное устройство пневмоударника иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1,2.

На фиг.1 представлен общий вид воздухораспределительного устройства для пневмоударника в разрезе с центральным выхлопом, где клапан-золотник выполнен с симметрично расположенной по длине выемкой для осуществления дополнительного продленного выхлопа из обеих камер; на фиг.2 - общий вид воздухораспределительного устройства в разрезе для пневмоударника с боковым выхлопом, где клапан-золотник выполнен со смещенной по длине относительно поперечной оси симметрии выемкой и установлен с ориентацией для осуществления дополнительного продольного выхлопа только из камеры холостого хода, и с наружной симметричной проточкой для снижения его массы. Основные выхлопные каналы из камеры рабочего и холостого хода не показаны. Обозначения на чертежах приняты одинаковыми.

Воздухораспределительное устройство пневмоударника (см. фиг. 1) содержит трубчатый клапан-золотник 1 с внутренней выемкой 2, седло 3 с каналами 4 питания камеры 5 рабочего хода, шток 6 с осевым 7 и радиальными 8 каналами, крышку 9 с сетевым 10 каналом и каналом 11 питания камеры холостого хода 12. Наружная цилиндрическая поверхность клапана-золотника 1 образует с внутренней цилиндрической поверхностью крышки 9 кольцевой калиброванный канал 13, соединенный с сетевым питающим каналом 10, с каналами 4 питания камеры рабочего хода 5 и с каналами 11 питания камеры холостого хода 12. На наружной поверхности штока 6 с обеих сторон от радиальных каналов 8 имеются глухие продольные пазы 14, соединенные с каналами 4, 11 питания камер рабочего 5 и холостого хода 12. В осевом канале 7 штока 6 размещен стержень 15 обратного клапана 16 с основной 17 и дополнительной 18 пружинами. Воздухораспределительное устройство размещено в корпусе 19 пневмоударника и поджато с обеих сторон цилиндром 20 и переходником 21. Внутри цилиндра 20 с возможностью осевого перемещения расположен ударник 22 с отверстием 23, взаимодействующим с выхлопными трубками 24 в 25 из камер соответственно рабочего 5 и холостого 12 хода. Последняя закреплена в хвостовике долота 26. В цилиндре 20 имеется блокировочное отверстие 27. Клапан-золотник 1 (см. фиг.2) может иметь несимметрично расположенную по длине относительно поперечной оси симметрии выемку 2. При этом большая по длине посадочная поверхность 28 постоянно перекрывает сообщение передних глухих пазов 14 и каналы 4 с радиальными каналами 8. Если при сборке клапан-золотник 1 перевернуть, то его посадочная поверхность 28 будет перекрывать сообщение задних глухих пазов 14 и каналы 11 с радиальными каналами 8. Для снижения массы клапана-золотника 1 предусмотрено выполнение канавки 29 и выполнение его из материала с невысокой плотностью. Для пневмоударника с боковым выхлопом, например, по каналам 30 между корпусом 19 и цилиндром 20, изолированным от каналов 11, питающих камеру холостого хода (на фиг. 2 не показана), в седле 3 и цилиндре 20 выполнены соответствующие друг другу постоянно сообщающиеся каналы 31, соединенные с осевым 7 и радиальными 8 каналами штока 6.

Воздухораспределительное устройство и пневмоударник работают следующим образом.

При подаче сжатого воздуха по отверстию переходника 21 обратный клапан 16, преодолевая сопротивление пружины 17, перемещается на величину "а" до касания более жесткой пружины 18 и затем, преодолевая сопротивление обеих пружин, до упора в торец штока 6. При этом стержень 15, перемещаясь по осевому каналу 7, закрывает изнутри радиальные каналы 8. Воздухораспределительное устройство и пневмоударник в целом работают в клапанном режиме, поскольку впускные каналы 4 и 11, пазы 14, полость 2 клапана-золотника 1 не соединены с каналами 23 (см. фиг.1), 31, 30 (см. фиг.2). Сжатый воздух по каналам 10 поступает в кольцевой калиброванный канал 13 (через канавку 29 на фиг. 2), определяющий своей площадью количество поступающего в камеры воздуха. Далее при положениях ударника 22 и клапана-золотника 1, изображенных на фиг.1, воздух по каналам 11 поступает в камеру холостого хода 12. Ударник 22 перемещается вверх, совершая холостой ход. При этом вначале, до момента закрытия трубкой 24 выхлопного канала 23, давление воздуха в камере 5 равно атмосферному или в закрытом пространстве (в дальнейшем - противодавлению на выхлопе), затем начнет повышаться, поскольку путь воздуха через каналы 4, 14, 2, 8 закрыт стержнем 15.

При выходе трубки 25 из выхлопного канала 23 ударника 22 камера холостого хода 12 соединяется с атмосферой, давление в ней резко падает, вызывая падение давления над верхней торцовой поверхностью клапана-золотника 1. В это время на нижнюю поверхность клапана-золотника 1 действует соответственно площади сетевое давление воздуха и давление в камере рабочего хода. Под действием разности давлений воздуха на торцы и силы трения струи воздуха о цилиндрическую поверхность клапана-золотника 1 в кольцевом калиброванном канале 13 (кольцевая диафрагма на фиг.2) клапан-золотник 1 перемещается вверх на величину "в", закрывая каналы 11 и открывая каналы 4. Сжатый воздух поступает в камеру рабочего хода 5. Ударник 22 останавливается и начинает рабочий ход до момента удара по долоту 26.

Если перепад давления воздуха снижается, например, при повышении противодавления на выхлопе из-за появления водопритока в скважину, остаточное давление воздуха во время выхлопа в камерах 5, 12 также повышается, вызывая повышение давления в осевом канале 7 штока 6. Стержень 15 поднимается до момента прекращения действия пружины 18. Обратный клапан 16 в это время отрыт. Одновременно открываются радиальные каналы 8. В этом случае при движении ударника 22 вверх после закрытия трубкой 24 выхлопного канала 22 воздух в камере 5, сжимаясь, вытесняется по каналам 4, 14, 8, 7, 23 в атмосферу на всем пути холостого хода. Площади сечения каналов 14, 8 выполнены с расчетом частичного снижения противодавления в камере 5, чтобы исключить удары ударником о клапанный удел и не снизить эффективность переброски клапана-золотника 1 в верхнее положение после открытия выхлопного канала в трубке 25 из камеры холостого хода 12. Таким образом, несмотря на повышение противодавления на выхлопе, ход ударника может быть даже увеличен. Во время рабочего хода клапан-золотник 1 перекрывает нижней посадочной поверхностью нижние пазы 14, а другой открывает верхние. Камера рабочего хода 5 наполняется, ударник 22 перемещается вниз. В момент закрытия канала в трубке 25 в камере 12 остается давление воздуха, повышенное из-за водопритоков. Но при сжатии воздух из камеры 12 частично вытесняется по каналам 11, верхним пазам 14 и каналам 8, 23 в атмосферу, снижая тормозящую силу противодавления. Энергия удара практически не снижается.

Воздухораспределительное устройство можно настроить таким образом, чтобы радиальные каналы 8 не закрывались стержнем 15 даже при отсутствии противодавления на выхлопе. Для того вместо пружины 18 достаточно установить упорную втулку той же длины. Тогда дополнительный продленный выхлоп из обеих камер позволит значительно увеличить ход ударника и, следовательно, энергию ударов. Для повышения частоты ударов в этом случае можно применять облегченные ударники. Применяя сменные клапаны-золотники, например, со смещенной по длине выемкой (см. фиг. 2), можно получить продленный выхлоп из той или другой камеры или снизить его интенсивность за счет получения дроссельных щелей в соединении клапана-золотника со штоком. Все это повышает функциональные возможности предлагаемого воздухораспределительного устройства.

Изобретение относится к пневматическим ударным машинам, используемым в горной, горно-металлургической, строительной промышленности и позволяет повысить ударную мощность в условиях высоких противодавлений воздуха на выхлопе и надежность. Воздухораспределительное устройство пневмоударника содержит трубчатый клапан - золотник с внутренней выемкой, перемещающийся по поверхности штока, имеющего радиальные и осевой каналы и два ряда продольных глухих пазов, соединенных постоянно с питающими каналами и периодически за счет посадочных поверхностей клапана-золотника с радиальными и осевым каналами штока, соединенными с основным выхлопным каналом. При открытии клапаном-золотником торцевых питающих каналов в седле или крышке закрывается их соединение с выхлопными каналами и наоборот. Таким образом, помимо основного выхлопа из обеих камер машины, осуществляется также из обеих камер дополнительный продленный выхлоп. Для регулирования интенсивности продленного выхлопа в осевом канале штока установлен подпружиненный стержень, открывающий или закрывающий полностью или частично передним концом радиальные каналы в зависимости от величины перепада давления воздуха в сети и на выхлопе. Для этого может быть использован стержень обратного клапана с дополнительной пружиной или дистанционной втулкой. Клапан-золотник может быть выполнен с наружной кольцевой выемкой для снижения массы и с несимметрично расположенной внутренней выемкой для регулирования интенсивности дополнительного продленного выхлопа только одной из камер пневмоударника в зависимости от осевой ориентации посадочных поверхностей. 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Воздухораспределительное устройство пневмоударника, включающее трубчатый клапан-золотник с выемкой в средней части, размещенный в клапанной полости, образованной седлом с каналом питания камеры рабочего хода, штоком с осевым и радиальными каналами, крышкой с сетевым каналом и каналом питания камеры холостого хода, отличающееся тем, что между наружной цилиндрической поверхностью клапана-золотника и поверхностью крышки выполнен кольцевой калиброванный канал, соединенный с сетевым питающим каналом, с каналами питания камер рабочего и холостого ходов, на наружной поверхности штока с обеих сторон от радиальных каналов и на одинаковом расстоянии от них выполнены глухие продольные пазы, постоянно соединенные с каналами питания камер рабочего и холостого ходов и периодически в зависимости от положения клапана-золотника соединяющиеся посредством его выемки с радиальными каналами штока, в осевом канале штока размещено средство для регулирования величины проходного сечения радиальных каналов, например, стержень обратного клапана с дополнительной пружиной. 2. Воздухораспределительное устройство пневмоударника по п.1, отличающееся тем, что выемка клапана-золотника выполнена смещенной по длине относительно поперечной оси симметрии, причем его большая по длине посадочная поверхность постоянно прерывает сообщение соответствующих глухих пазов с радиальными каналами штока или образует с ними за счет кромок дроссельные каналы. 3. Воздухораспределительное устройство пневмоударника по п.1, отличающееся тем, что клапан-золотник снабжен наружной симметрично расположенной кольцевой выемкой и выполнен из материала с невысокой плотностью.