УСТАНОВКА ДЛЯ БУРЕНИЯ ТВЕРДЫХ ПОРОД Российский патент 2001 года по МПК E21B7/02 E21D9/10 

Настоящее изобретение относится к установке для бурения твердых пород и в частности к устройству стрелы установки для бурения твердых пород.

Из авторского свидетельства СССР N 589386 (кл. E 21 C 11/02, 1978) известна установка для бурения твердых пород, содержащая стрелу, шарнирно соединенную с рамой и установленную с возможностью поворота относительно первой оси, на другом конце стрелы шарнирно соединенную с ней подающую балку, установленную с возможностью поворота относительно второй оси, параллельной первой оси, подъемный цилиндр между стрелою и рамой для поворота стрелы относительно рамы, поворотный цилиндр между подающей балкой и стрелой для поворота подающей балки относительно стрелы, причем подъемный цилиндр содержит первую и вторую цилиндрические полости, в которые для поворота стрелы в различных направлениях относительно рамы подается рабочая жидкость, и поворотный цилиндр включает также соответствующие цилиндрические полости, в которые подается рабочая жидкость для поворота подающей балки в различных направлениях относительно стрелы, поршневой шток подъемного цилиндра выполнен полым, подъемный цилиндр содержит отдельный неподвижный поршень, входящий в поршневой шток, а третья цилиндрическая полость внутри поршневого штока полностью отделена от первой и второй цилиндрических полостей подъемного цилиндра и соединяется с первой цилиндрической полостью поворотного цилиндра.

Однако известная установка при работе требует обеспечения выравнивания подающего бруса бурового станка при повороте стрелы между рамой и подающим брусом в горизонтальное или вертикальное положение для ввода буровой штанги в новое пробуриваемое отверстие, для чего используют так называемую параллельную автоматику, при которой поворот стрелы относительно рамы компенсируется в соединениях между подающим брусом и стрелой с помощью отдельных сервоцилиндров, когда поворот стрелы вызывает изменение длины одного сервоцилиндра, что вновь вызывает перемещение рабочей жидкости в сервоцилиндре между стрелой и подающим брусом, так что соответственно изменяется длина этого цилиндра, в результате чего подающий брус поворачивается в противоположном направлении относительно конца стрелы по сравнению с поворотом стрелы относительно рамы.

Для того, чтобы обеспечить параллельность, нужны отдельные гидравлические цилиндры, соединенные таким образом, что образуют замкнутую схему. Такая конструкция является, однако, дорогостоящей и требует дополнительного пространства вокруг соединений, одновременно увеличивая количество деталей, подвергающихся износу. Еще одна проблема заключается в том, что, поскольку функционирование этих цилиндров должно обеспечиваться путем использования отдельных контролируемых давлением обратных клапанов, закрывающих каналы передачи давления в цилиндрах, так что возможный разрыв шланга не позволяет свободно поворачивать подающий брус, так что величина давления, требующегося для того, чтобы открыть эти клапаны, оказывается вредной для осуществления функции поворота стрелы, поскольку она сопротивляется повороту до тех пор, пока давление не достигнет достаточного уровня. В результате этого при крайних угловых положениях стрелы управление ею может утерять плавность, а в некоторых случаях может даже потребоваться перевести подающий брус в более приемлемое положение равновесия для того, чтобы обеспечить должный контроль. Это также вызывает усложнение буровых работ и снижает возможности применения станка.

Технической задачей настоящего изобретения является предложение устройства, устраняющего проблемы, типичные для известных технических решений, и предложение простого, легко и надежно функционирующего параллельного управления подающим брусом.

Данная техническая задача решается за счет того, что в установке для бурения твердых пород, содержащей стрелу, шарнирно соединенную с рамой и установленную с возможностью поворота относительно первой оси, на другом конце стрелы шарнирно соединенную с ней подающую балку, установленную с возможностью поворота относительно второй оси, параллельной первой оси, подъемный цилиндр между стрелой и рамой для поворота стрелы относительно рамы, поворотный цилиндр между подающей балкой и стрелой для поворота подающей балки относительно стрелы, причем подъемный цилиндр содержит первую и вторую цилиндрические полости, в которые для поворота стрелы в различных направлениях относительно рамы подается рабочая жидкость, и поворотный цилиндр включает также соответствующие цилиндрические полости, в которые подается рабочая жидкость для поворота подающей балки в различных направлениях относительно стрелы, поршневой шток подъемного цилиндра выполнен полым, подъемный цилиндр содержит отдельный неподвижный поршень, входящий в поршневой шток, а третья цилиндрическая полость внутри поршневого штока полностью отделена от первой и второй цилиндрических полостей подъемного цилиндра и соединяется с первой цилиндрической полостью поворотного цилиндра, согласно изобретению первая и вторая цилиндрические полости поворотного цилиндра соединены или с источником рабочей жидкости, или с приемником соответственно одновременно с третьей цилиндрической полостью внутри поршневого штока и с первой цилиндрической полостью подъемного цилиндра, в результате чего, когда подъемный цилиндр втягивается, соответственно втягивается поворотный цилиндр, а когда подъемный цилиндр раздвигается, раздвигается поворотный цилиндр, так, чтобы обеспечить выравнивание подающего бруса вне зависимости от угла наклона стрелы.

Предпочтительно к поворотному цилиндру подсоединены третья и четвертая линии рабочей жидкости для того, чтобы поворачивать поворотный цилиндр независимо от подъемного цилиндра, причем управляемые давлением обратные клапаны, будучи подсоединены к каждой линии рабочей жидкости, управляются другой линией рабочей жидкости, причем третья цилиндрическая полость подъемного цилиндра связана соединительной линией между первой цилиндрической полостью поворотного цилиндра и первым обратным клапаном, при этом подъемный цилиндр содержит управляемые давлением перепускные клапаны, подсоединенные между его первой и второй цилиндрическими полостями и первой и второй линиями рабочей жидкости, ведущими к нему, причем указанные клапаны удерживают подъемный цилиндр в неподвижном положении, пока в него не будет подана рабочая жидкость, при этом вторая цилиндрическая полость поворотного цилиндра соединена посредством челночного клапана давления с первой линией рабочей жидкости, ведущей в первую цилиндрическую полость подъемного цилиндра, с впускной стороной перепускного клапана, при этом линия регулирования давления челночного клапана давления соответственно соединена со второй линией рабочей жидкости, ведущей во вторую цилиндрическую полость подъемного цилиндра, с впускной стороной перепускного клапана.

Кроме того, предпочтительно управляемые давлением перепускные клапаны соединяются с линиями рабочей жидкости, ведущими в поворотный цилиндр, между управляемыми давлением обратными клапанами и поворотным цилиндром, при этом соединительная линия, ведущая в третью цилиндрическую полость подъемного цилиндра, соединяется с линией, ведущей в первую цилиндрическую полость поворотного цилиндра между обратным клапаном и перепускным клапаном, причем челночный клапан, соединенный с линиями рабочей жидкости подъемного цилиндра, соответственно соединяется с линией рабочей жидкости, ведущей во вторую цилиндрическую полость поворотного цилиндра между обратным клапаном и перепускным клапаном.

Предпочтительно также подъемный цилиндр подсоединен ниже стрелы между стрелой и рамой и соответственно поворотный цилиндр подсоединен выше стрелы между стрелой и подающим брусом.

Преимущество технического решения, являющегося предметом настоящего изобретения, заключается в том, что при подъеме бруса вверх для подъема может использоваться большая площадь, поскольку давление подаваемой рабочей жидкости обеспечивает параллельный эффект в обеих цилиндрических полостях. Аналогичным образом, при опускании цилиндра давление, обеспечивающее втягивание цилиндра, действует параллельно с воздействием веса стрелы, однако в цилиндрической полости внутри поршневого штока давление оказывает противоположное воздействие, компенсируя таким образом воздействие веса стрелы. За счет этого достигается улучшение управления при подъеме и опускании стрелы при одновременном поддержании требующегося параллелизма для подающего бруса.

Изобретение будет описано более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг. 1 схематически показано являющееся предметом настоящего изобретения устройство для управления перемещениями по вертикали стрелы и подающего бруса;
на фиг. 2 схематически показаны гидравлические соединения устройства, являющиеся предметом настоящего изобретения.

На фиг. 1 схематически показаны стрела 1, шарнирно соединенная с рамой 2 и поворачивающаяся относительно первой горизонтальной оси 3. Подъемный цилиндр 4 между стрелой 1 и рамой 2 соединен своими концами с помощью соединений 5 и 6 с рамой и стрелой соответственно. Другой конец стрелы 1 содержит подающий брус 8, шарнирно соединенный второй горизонтальной осью 7 с буровой штангой 9, перемещающейся вдоль подающего бруса 8. Поворотный цилиндр 10 между подающим брусом 8 и стрелой 1 соединен с помощью соединений 11 и 12 с подающим брусом 8 и стрелой 1 соответственно.

На фиг. 2 схематически показаны гидравлические соединения устройства с фиг. 1 относительно подъемного цилиндра 4 и поворотного цилиндра 10. Как ясно показано на чертеже, подъемный цилиндр 4 содержит три цилиндрические полости, причем поршень 4a движется внутри подъемного цилиндра 4. С обеих сторон поршня 4a находятся цилиндрические полости 13a и 13b, в которые подача рабочей жидкости производится в зависимости от того, требуется ли перемещение поршня 4a вовнутрь подъемного цилиндра 4 или из него. Поршневой шток 4b является полым, и подъемный цилиндр 4 имеет внутри него, в середине, неподвижный сервопоршень 4c, простирающийся в поршневой шток 4b, причем третья цилиндрическая полость 13c внутри поршневого штока 4b увеличивается или уменьшается в зависимости от перемещения поршня 4a относительно цилиндра 4. Первая и вторая линии рабочей жидкости 14a и 14b ведут соответственно в цилиндрические полости 13a и 13b.

Третья и четвертая линии рабочей жидкости 15a и 15b соединены с подъемным цилиндром 10 для отдельного поворачивания подающего бруса 8, причем указанные линии подсоединены через посредство управляемых давлением обратных клапанов 16a и 16b с управляемыми давлением перепускными клапанами 17a и 17b поворотного цилиндра, и далее с первой и второй полостями поворотного цилиндра 10 для рабочей жидкости 18a и 18b соответственно. Подача рабочей жидкости в одну из линий 15a и 15b вызывает раздвигание или втягивание поворотного цилиндра 10, поворачивая таким образом подающий брус 8 относительно стрелы 1. Третья цилиндрическая полость 13c внутри поршневого штока 4b соединена посредством соединительной линии 19 между обратным клапаном 16a и перепускным клапаном 17a третьей линии рабочей жидкости 15a. Соответственно линии 14a и 14b рабочей жидкости подъемного цилиндра 4 содержат перепускные клапаны 20a и 20b. Первая линия 14a рабочей жидкости подъемного цилиндра подсоединена через управляемый давлением челночный клапан 21 между управляемым давлением обратным клапаном 16b и перепускным клапаном 17b четвертой линии 15b рабочей жидкости, а линия управляющего давления челночного клапана 21 соединена со второй линией 14b рабочей жидкости. Перепускные клапаны 14a, 17b и 20a, 20b предназначены для того, чтобы удерживать цилиндры 10 и 4 в неподвижном положении, т.е. гидравлически закрытыми в те периоды, когда рабочая жидкость никаким образом не подается ни в один из них. Кроме того, в случае перегрузки, они пропускают рабочую жидкость, чтобы не допустить поломки устройств. Их назначение и использование очевидны и в общем полностью известны сами по себе, поэтому не описываются здесь более подробно.

Когда рабочая жидкость поступает в первую цилиндрическую полость 13a подъемного цилиндра 4, жидкость выталкивает поршень 4a наружу изнутри подъемного цилиндра 4 одновременно с вытеканием рабочей жидкости из второй цилиндрической полости 13b через перепускной клапан 20b, открытый давлением, передаваемым по первой линии 14a рабочей жидкости, во вторую линию 14b рабочей жидкости и далее в резервуар для рабочей жидкости. Одновременно увеличиваются размеры третьей цилиндрической полости 13c внутри поршневого штока 4b. Рабочая жидкость, поступающая в линию 14a, воздействует через челночный клапан 21 на четвертую линию 15b рабочей жидкости, т.е. линию поворотного цилиндра 10 и далее через обратный клапан в его перепускном клапане 17b, поворотный цилиндр 10 в его цилиндрической полости 18b. Давление рабочей жидкости передается через поршень 10a поворотного цилиндра 10 в цилиндрическую полость 18a и далее через перепускной клапан 17a, открытый давлением в линии 15b, по соединительной линии 19 в цилиндрическую полость 13c поршневого штока 4a подъемного цилиндра 4, причем эффект давления рабочей жидкости в цилиндрических полостях 13a и 13c является параллельным и таким образом облегчает поворот вверх стрелы 1, несмотря на ее вес. Одновременно при протекании рабочей жидкости она выталкивает поршень 10a поворотного цилиндра 10 наружу из поворотного цилиндра 10 и поворачивает таким образом подающий брус 8 относительно стрелы 1 в той степени, в какой подъемный цилиндр 4 поворачивает стрелу 1 относительно рамы 2.

Когда стрела 1 поворачивается вниз, рабочая жидкость поступает во вторую цилиндрическую полость 13b подъемного цилиндра 4, в результате чего поршень 4a втягивается в подъемный цилиндр 4, а рабочая жидкость вытекает из цилиндрической полости 13a через перепускной клапан 20a в резервуар для рабочей жидкости. Одновременно с этим при сжатии цилиндра уменьшение объема полости ведет к повышению давления в третьей цилиндрической полости подъемного цилиндра, и это давление вызывает протекание рабочей жидкости по линии 19 в цилиндрическую полость 18a поворотного цилиндра 10, вызывая укорачивание таким образом поворотного цилиндра 10. В соответствии с этим рабочая жидкость вытекает из второй полости рабочей жидкости 18b поворотного цилиндра 10 через управляемый давлением челночный клапан 21, открытый воздействием давления, в линии 14b рабочей жидкости, в резервуар для рабочей жидкости. Таким образом, ослабляется усилие поворота стрелы 1 вниз, и движение стрелы 1 становится более медленным и контролируемым. При втягивании поршня 4a подъемного цилиндра 4 в цилиндр и укорачивании таким образом цилиндра поршень 10a поворотного цилиндра 10 втягивается в него, причем укорачивание всего поворотного цилиндра соответствует изменению длины подъемного цилиндра 4, и таким образом подающий брус 8 поворачивается в той же степени, что и стрела 1 поворачивается относительно рамы 2, при сохранении выравнивания подающего бруса. Одновременно рабочая жидкость вытекает из второй цилиндрической полости 18b поворотного цилиндра 10 через перепускной клапан 17b, открытый давлением из линии 19, и далее через управляемый давлением челночный клапан 21, открытый давлением, действующим в линии 14b подъемного цилиндра 4, в линию 14a и далее в резервуар для рабочей жидкости.

При желании поворотный цилиндр 10 может быть развернут для поворота подающего бруса в другом направлении без поворота подъемного цилиндра 4 путем подачи рабочей жидкости в третью и четвертую линии 15a и 15b рабочей жидкости. В этом случае при поступлении рабочей жидкости в линию 15a она протекает через обратный клапан 16a и далее через перепускной клапан 17a в цилиндрическую полость 18a, в то время как поршень 10a входит в цилиндр 10. Аналогичным образом рабочая жидкость вытекает из цилиндрической полости 18a через перепускной клапан 17b, открытый давлением рабочей жидкости, поступающей через линию 15a, и через обратный клапан 16b в линию 15b и далее в резервуар для рабочей жидкости. Аналогичным образом, когда рабочая жидкость поступает в линию 15b, происходят противоположные действия, когда поршень 10a выталкивается из поворотного цилиндра 10 и выталкиваемая рабочая жидкость течет через линию 15a в резервуар для рабочей жидкости. Клапаны, применяемые для управления подъемным цилиндром 4 и поворотным цилиндром 10, являются или двухпозиционными клапанами, или пропорциональными клапанами, которые хорошо известны и посредством которых рабочая жидкость, поступающая от источника рабочей жидкости, такого как насос для рабочей жидкости, может быть направлена в одну из линий одновременно с тем, когда другая линия аналогичным образом соединена с не находящимся под давлением резервуаром для рабочей жидкости или с пониженным давлением. Такие управляющие клапаны и их назначение и использование также полностью известны сами по себе и поэтому не описываются более подробно.

В приведенном описании и на чертежах изобретение описано только в качестве примера и ни в коем случае не ограничивается им. Хотя в описании и на чертежах показано только параллельное действие стрелы 1 по вертикали и необходимая для его реализации компоновка, очевидно, что такая же конструкция может быть применена также для управления перемещениями и поворотами стрелы 1 в горизонтальной плоскости. Очевидно также, что хотя на чертежах не показаны обычные предохранительные и тому подобных клапаны, они могут быть использованы известными способами и могут сочетаться с являющейся предметом изобретения компоновкой без изменения характера или сущности изобретения. Способы подачи и накачивания рабочей жидкости могут быть также представлены любыми известными решениями.

Площадь поперечного сечения сервоцилиндра 4c в подъемном цилиндре 4 и площадь сечения поршня, соединенного с указанной цилиндрической полостью поворотного цилиндра 10, необязательно должны быть равны, поскольку размеры их перемещения и площади поперечного сечения могут быть подобраны различным образом, при условии, что количество смещающей рабочей жидкости и размеры треугольников, образованных соединениями цилиндра и поворотными соединениями, т.е. треугольников 4,5,6 и 7,11,12 соответственно, в достаточной степени подобны, так что некоторое изменение угла между стрелой 1 и рамой 2 ведет к соответствующему изменению угла между подающим брусом и стрелой 1 в противоположном направлении.

Изобретение относится к горному делу, в частности к установкам для бурения по твердым породам, которые содержат стрелу, шарнирно соединенную с рамой и поворачивающуюся относительно первой оси, подъемный цилиндр между стрелой и рамой, установленный на другом конце стрелы, шарнирно соединенный с ней подающий брус, поворачивающийся на второй оси, параллельной первой оси, и поворотный цилиндр между подающим брусом и стрелой. При этой компоновке подъемный цилиндр содержит три цилиндрические полости, из которых первая и вторая могут быть соединены с источником рабочей жидкости для подъема и опускания стрелы. Третья цилиндрическая полость находится внутри полого поршневого штока и цилиндр содержит неподвижный сервопоршень, простирающийся внутрь поршневого штока. Третья цилиндрическая полость соединяется с поворотным цилиндром, с его первой цилиндрической полостью, а вторая цилиндрическая полость поворотного цилиндра может соединяться или с источником рабочей жидкости, или с ее приемником одновременно с первой цилиндрической полостью подъемного цилиндра. Изобретение обеспечивает повышение производительности работы установки за счет сокращения времени на обуривание забоя. 1 с. и 3 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Установка для бурения твердых пород, содержащая стрелу, шарнирно соединенную с рамой и установленную с возможностью поворота относительно первой оси, на другом конце стрелы шарнирно соединенную с ней подающую балку, установленную с возможностью поворота относительно второй оси, параллельной первой оси, подъемный цилиндр между стрелой и рамой для поворота стрелы относительно рамы, поворотный цилиндр между подающей балкой и стрелой для поворота подающей балки относительно стрелы, причем подъемный цилиндр содержит первую и вторую цилиндрические полоски, в которые для поворота стрелы в различных направлениях относительно рамы подается рабочая жидкость, и поворотный цилиндр включает также соответствующие цилиндрические полости, в которые подается рабочая жидкость для поворота подающей балки в различных направлениях относительно стрелы, поршневой шток подъемного цилиндра выполнен полым, подъемный цилиндр содержит неподвижный отдельный поршень, входящий в поршневой шток, а третья цилиндрическая полость внутри поршневого штока полностью отделена от первой и второй цилиндрических полостей подъемного цилиндра и соединяется с первой цилиндрической полостью поворотного цилиндра, отличающаяся тем, что первая и вторая цилиндрические полости поворотного цилиндра соединены или с источником рабочей жидкости или с приемником соответственно одновременно с третьей цилиндрической полостью внутри поршневого штока и с первой цилиндрической полостью подъемного цилиндра, в результате чего, когда подъемный цилиндр втягивается, соответственно втягивается поворотный цилиндр, а когда подъемный цилиндр раздвигается, раздвигается поворотный цилиндр, так, чтобы обеспечить выравнивание подающего бруса вне зависимости от угла наклона стрелы. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что третья и четвертая линии рабочей жидкости подсоединены к поворотному цилиндру для того, чтобы поворачивать поворотный цилиндр независимо от подъемного цилиндра, причем управляемые давлением обратные клапаны, будучи подсоединены к каждой линии рабочей жидкости, управляются другой линией рабочей жидкости, причем третья цилиндрическая полость подъемного цилиндра связана соединительной линией между первой цилиндрической полостью поворотного цилиндра и первым обратным клапаном, при этом подъемный цилиндр содержит управляемые давлением перепускные клапаны, подсоединенные между его первой и второй цилиндрическими полостями и первой и второй линиями рабочей жидкости, ведущими к нему, причем указанные клапаны удерживают подъемный цилиндр в неподвижном положении, пока в него не будет подана рабочая жидкость, при этом вторая цилиндрическая полость поворотного цилиндра соединена посредством челночного клапана давления с первой линией рабочей жидкости, ведущей в первую цилиндрическую полость подъемного цилиндра, с впускной стороной перепускного клапана, при этом линия регулирования давления челночного клапана давления соответственно соединена со второй линией рабочей жидкости, ведущей во вторую цилиндрическую полость подъемного цилиндра, с впускной стороной перепускного клапана. 3. Установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что управляемые давлением перепускные клапаны соединяются с линиями рабочей жидкости, ведущими в поворотный цилиндр, между управляемыми давлением обратными клапанами и поворотным цилиндром, при этом соединительная линия, ведущая в третью цилиндрическую полость подъемного цилиндра, соединяется с линией, ведущей в первую цилиндрическую полость поворотного цилиндра между обратным клапаном и перепускным клапаном, причем челночный клапан, соединенный с линиями рабочей жидкости подъемного цилиндра соответственно соединяется с линией рабочей жидкости, ведущей во вторую цилиндрическую полость поворотного цилиндра между обратным клапаном и перепускным клапаном. 4. Установка по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что подъемный цилиндр соединен ниже стрелы между стрелой и рамой и соответственно поворотный цилиндр подсоединен выше стрелы между стрелой и подающим брусом.