ПОГРУЖНОЙ ПНЕВМОУДАРНИК Российский патент 2005 года по МПК E21B4/14 

Техническое решение относится к буровой технике, предназначенной для бурения скважин ударно-вращательным способом, и может найти применение в горном деле и строительстве. Преимущественная область применения - подземная отработка месторождений полезных ископаемых.

Известен пневматический ударный механизм по а.с. СССР №848615, кл. Е 21 С 3/24, опубл. в БИ №27, 1981 г., содержащий корпус, в котором установлен поршень, образующий с его стенками камеры рабочего и холостого хода, кольцевой эластичный клапан, размещенный в седле и образующий с корпусом канал для подвода энергоносителя в камеру рабочего хода, и инструмент, при этом клапан имеет форму тора, установлен в кольцевой канавке, выполненной на наружной поверхности клапанного седла.

Описанный пневматический ударный механизм имеет существенный недостаток в том, что при срабатывании кольцевого эластичного клапана задействованы его внутренние силы упругости, рассчитанные на определенное рабочее давление энергоносителя в магистрали. Поэтому в режиме работы на пониженном давлении, например при забурке скважины, стабильность работы пневматического ударного механизма нарушается. Кроме того, в нем не предусмотрено принудительное вытеснение отработанного энергоносителя из камеры рабочего хода при обратном ходе поршня, что создает противодавление в этой камере, уменьшает ход поршня и как следствие не позволяет получить высокую энергию удара.

Известен также пневматический ударный механизм по а.с. СССР №998740, кл. Е 21 С 3/24, опубл. в БИ №7, 1983 г., отличающийся от упомянутого выше устройства по а.с. СССР №848615 тем, что в нем установлен дополнительный эластичный клапан в виде тора, образующий с внутренними стенками корпуса канал для выпуска воздуха из камеры рабочего хода.

В этом пневматическом механизме достигается увеличение хода поршня и повышение энергии удара, так как в нем предусмотрено снижение противодавления при холостом ходе поршня. Недостатком его является то, что основной и дополнительный эластичные клапаны кинематически не связаны между собой, и при работе механизма на разных давлениях энергоносителя нарушается синхронизация работы этих клапанов и как следствие стабильная его работа.

Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков к предлагаемому техническому решению является погружной пневмоударник по а.с. СССР №229369, кл. Е 21 B 1/06, Е 21 С 3/24, опубл. в БИ №33, 1968 г., включающий цилиндр с головкой, воздухораспределительное устройство с центральной трубкой, имеющей фланец и входящей в сквозное отверстие поршня-ударника, при этом фланец центральной трубки выполнен с дроссельными отверстиями, а каналы для выхлопа отработанного энергоносителя размещены на наружной поверхности головки, имеющей резьбу для соединения с цилиндром.

Согласно описанию прототипа, в его конструкции при обратном ходе ударника из камеры рабочего хода воздух вытесняется в атмосферу (скважинное пространство) через разрядный тракт воздухораспределительной системы: дроссельные отверстия 8, заклапанную полость с каналами 9 и отверстия в цилиндре 13.

Недостатком этого погружного пневмоударника является то, что разрядка камеры рабочего хода осуществляется через дроссельные отверстия, проходное сечение которых не обеспечивает эффективного снижения противодавления в этой камере для увеличения хода ударника и существенного повышения энергии удара. Выполнение дроссельных отверстий с большим проходным сечением приводит к нарушению условий перекидки клапана. Кроме того, активная площадь клапана со стороны камеры рабочего хода уменьшена на величину опорной периферийной площадки, обусловленной посадкой его на торцевую поверхность фланца, что ухудшает условия работы при различных давлениях энергоносителя. В прототипе не предусмотрен командный впуск энергоносителя в камеру рабочего хода для своевременной перекидки клапана, что приводит к снижению надежности запуска и стабильности работы погружного пневмоударника в широком диапазоне давления энергоносителя.

Техническая задача - повышение энергии удара за счет увеличения хода ударника и обеспечение надежного запуска и стабильной работы его в широком диапазоне давления энергоносителя за счет своевременной подачи команды на срабатывание ступенчатого питающе-разрядного клапана.

Поставленная задача решается посредством того, что в предлагаемом погружном пневмоударнике, включающем корпус, ударник с центральным сквозным каналом, разделяющим полость корпуса на камеры прямого и обратного хода, воздухораспределительную систему, содержащую ступенчатый питающе-разрядный клапан, клапанное седло с отверстиями для питания камеры прямого хода, центральную трубку, отверстия в корпусе, соединенные с заклапанной полостью, сообщенной со щелевым каналом, согласно предлагаемому решению, воздухораспределительная система дополнительно содержит разрядный канал, расположенный между клапанным седлом и торцем большей ступени питающе-разрядного клапана, сообщенный, с одной стороны, с камерой прямого хода через отверстия клапанного седла, а с другой стороны, со щелевым каналом через кольцевой канал, образованный между корпусом и наружной поверхностью большей ступени питающе-разрядного клапана.

Указанная совокупность признаков позволяет отказаться от выполнения дроссельных отверстий, а разрядку камеры прямого хода при обратном ходе ударника осуществить через отверстия клапанного седла значительно большего проходного сечения по сравнению с проходным сечением дроссельных отверстий прототипа, что обеспечивает более эффективное снижение противодавления в камере прямого хода, увеличение хода ударника и как следствие повышение энергии удара. Кроме того, образование в воздухораспределительной системе дополнительно разрядного канала между клапанным седлом и торцем большей ступени питающе-разрядного клапана существенно увеличивает его активную площадку, что сокращает время перекидки ступенчатого питающе-разрядного клапана.

Целесообразно на боковой поверхности центральной трубки, в зоне камеры прямого хода выполнить продольные командные каналы.

Для обеспечения надежного запуска и стабильной работы погружного пневмоударника в широком диапазоне давления энергоносителя необходима своевременная подача энергоносителя в камеру прямого хода для срабатывания питающе-разрядного клапана. В предлагаемом погружном пневмоударнике подача энергоносителя в камеру прямого хода выполняется через указанные продольные командные каналы.

Сущность технического решения поясняется примером конкретного конструктивного исполнения и чертежами, где на фиг.1 показан продольный разрез погружного пневмоударника, общий вид в статическом состоянии; на фиг.2 - узел А на фиг.1 в увеличенном масштабе во время работы погружного пневмоударника, причем левая сторона - ударник в крайнем верхнем положении, конец обратного хода - начало прямого хода, а ступенчатый питающе-разрядный клапан - в положении “питания” камеры прямого хода, правая сторона - ударник в крайнем нижнем положении (фиг.1), конец прямого хода, а ступенчатый питающе-разрядный клапан - в положении “разрядка” (фиг.2).

Погружной пневмоударник (далее - пневмоударник) состоит из корпуса 1 (фиг.1), имеющего нижний ряд выхлопных каналов 2 и верхний ряд отверстий 3, ударника 4, имеющего центральный сквозной канал с расточкой 5, кольцевую проточку 6 и продольные пазы 7, выполненные на его боковой поверхности, и разделяющего полость корпуса 1 на камеру 8 прямого хода и камеру 9 обратного хода, соединяемые периодически с затрубным (скважинным) пространством через выхлопные каналы 2 корпуса 1. В передней (головной) части корпуса 1 закреплена муфта 10 с буровым инструментом 11, имеющие подвижное шлицевое соединение 12 и шпонку 13. Буровой инструмент 11 имеет хвостовую 14 и головную 15 части, выполненные соответственно с осевым продувочным каналом 16 и забойными продувочными каналами 17. Со стороны ударного торца в хвостовой части 14 бурового инструмента 11 установлено амортизационное кольцо 18. В верхней (хвостовой) части корпуса 1 размещена воздухораспределительная система, содержащая переходник 19 с канавкой 20 и отверстиями 21, ступенчатый питающе-разрядный клапан 22, установленный в переходнике 19 в зоне канавки 20 и отверстий 21, клапанное седло 23 с отверстиями 24 и 25 для периодического питания камеры 8 прямого хода через кольцевой 26 и торцевой 27 каналы, образованные между ступенчатым питающе-разрядным клапаном 22 и клапанным седлом 23. Между корпусом 1 и большей ступенью питающе-разрядного клапана 22 и между торцем этой ступени и клапанным седлом 23 образованы соответственно кольцевой канал 28 и разрядный канал 29, сообщающие периодически камеру 8 прямого хода с затрубным (скважинным) пространством через отверстия 24 в клапанном седле 23, щелевой канал 30, заклапанную полость 31, отверстия 21, канавку 20 в переходнике 19 и отверстия 3 в корпусе 1. В клапанном седле 23 установлена с возможностью осевого перемещения центральная трубка 32 с питающим 33 и продувочным 34 каналами, имеющая блокировочные окна 35 (фиг.2), продольные командные каналы 36, окна 37 и пазы 38 (фиг.1) для периодического питания камеры 9 обратного хода.

Пневмоударник работает следующим образом. Энергоноситель из магистрали, подводимый к переходнику 19 (фиг.1) по ставу штанг в положении ударника 4 “начало обратного хода” и в положении “разрядка” ступенчатого питающе-разрядного клапана 22 (фиг.2, правая половина) по питающему каналу 33, окнам 37 и пазам 38 центральной трубки 32, расточке 5 ударника 4 поступает в камеру 9 обратного хода. Камера 8 прямого хода в это время находится под пониженным давлением, соединенная с затрубным (скважинным) пространством через продольные пазы 7 и кольцевую проточку 6 ударника 4 и выхлопные каналы 2 корпуса 1. Кроме того, камера 8 прямого хода в положении ударника 4 “начало обратного хода” и в положении “разрядка” ступенчатого питающе-разрядного клапана 22 (фиг.2, правая половина) сообщена с затрубным (скважинным) пространством через разрядный тракт воздухораспределительной системы: отверстия 24 клапанного седла 23, разрядный канал 29, кольцевой канал 28, щелевой канал 30, заклапанную полость 31, отверстия 21 и канавку 20 в переходнике 19 и отверстия 3 в корпусе 1. За счет перепада давлений в камерах 8 и 9 ударник 4 совершает обратный ход. По мере перемещения ударника 4 вначале перекрываются выхлопные каналы 2 в корпусе 1, затем пазы 38 центральной трубки 32,питающие камеру 9 обратного хода. При этом камера 8 прямого хода остается сообщенной с затрубным (скважинным) пространством через описанный выше разрядный тракт воздухораспределительной системы. Далее расточка 5 ударника 4 входит в зону продольных командных каналов 36 центральной трубки 32 и энергоноситель под магистральным давлением начинает поступать в камеру 8 прямого хода через продольные командные каналы 36. В это же время камера 9 обратного хода сообщается с затрубным (скважинным) пространством через выхлопные каналы 2 корпуса 1. Давление в ней резко падает, а в камере 8 прямого хода давление резко нарастает, что приводит к переброске ступенчатого питающе-разрядного клапана 22 из положения “разрядка” (фиг.2, правая половина) в положение “питание” (фиг.2, левая половина). Движение ударника 4 затормаживается до полной остановки и меняется с обратного хода на прямой. При этом камера 8 прямого хода сообщается с магистралью энергоносителя через кольцевой 26 и торцевой 27 каналы и отверстия 24 в клапанном седле 23. Ударник 4 с нарастающей скоростью перемещается в сторону бурового инструмента 11. После открытия выхлопных каналов 2 в корпусе 1 ударником 4 камера 8 прямого хода сообщается с затрубным (скважинным) пространством. Давление в ней резко падает, снижается и сила, удерживающая ступенчатый питающе-разрядный клапан 22 в положении “питание” (фиг.1 и 2, левая половина). Под действием магистрального давления энергоносителя, поступающего через отверстия 25 клапанного седла 23, на меньшую ступень питающе-разрядного клапана 22, ступенчатый питающе-разрядный клапан 22 перебрасывается из положения “питание” (фиг.1 и 2, левая половина) в положение “разрядка” (фиг.2, правая половина). Дополнительно к выхлопным каналам 2 корпуса 1 камера 8 прямого хода сообщается с затрубным (скважинным) пространством через указанный выше разрядный тракт воздухораспределительной системы. Камера 9 обратного хода сообщается с магистралью энергоносителя через питающий канал 33, окна 37, пазы 38 центральной трубки 32 и расточку 5 ударника 4. Ударник 4 наносит удар по буровому инструменту 11 и цикл повторяется.

Очистка забоя скважины от разрушенной породы осуществляется через продувочный канал 34 центральной трубки 32, осевой продувочный канал 16 и забойные продувочные каналы 17 бурового инструмента 11. Автоматическая блокировка (остановка работы) пневмоударника осуществляется при перемещении бурового инструмента 11 и центральной трубки 32 вперед (при отрыве пневмоударника от забоя скважины). При этом камера 9 обратного хода разгерметизируется через зазоры в шлицевом соединении 12 муфты 10 и бурового инструмента 11, давление в ней падает. Камера 8 прямого хода сообщается с магистралью энергоносителя через блокировочные окна 35 центральной трубки 32. В ней поддерживается повышенное давление по сравнению с давлением в камере 9 обратного хода, что и удерживает ударник 4 на буровом инструменте 11. Работа пневмоударника прекращается.

Ввиду того, что в предлагаемом пневмоударнике ступенчатый питающе-разрядный клапан 22 в сочетании с корпусом 1 и клапанным седлом 23 образуют в воздухораспределительной системе разрядный тракт увеличенного проходного сечения по сравнению с прототипом, при обратном ходе ударника 4 противодавление в камере 8 прямого хода существенно меньше, чем в прототипе. Поэтому ход ударника 4 увеличивается, вследствие чего увеличивается и энергия удара. Управление работой ступенчатого питающе-разрядного клапана 22 осуществляется по команде и не зависит от противодавления в камере 8 прямого хода, что обеспечивает надежный запуск и стабильную работу пневмоударника в широком диапазоне давления энергоносителя.

Изобретение относится к буровой технике, предназначенной для бурения скважин ударно-вращательным способом, и может найти применение в горном деле и строительстве. Погружной пневмоударник включает корпус, ударник с центральным сквозным каналом, разделяющим полость корпуса на камеры прямого и обратного хода, воздухораспределительную систему, содержащую ступенчатый питающе-разрядный клапан, клапанное седло с отверстиями для питания камеры прямого хода, центральную трубку, отверстия в корпусе, соединенные с заклапанной полостью, сообщенной со щелевым каналом. Воздухораспределительная система дополнительно содержит разрядный канал, расположенный между клапанным седлом и торцем большей ступени питающе-разрядного клапана, сообщенный, с одной стороны, с камерой прямого хода через отверстия клапанного седла, а с другой стороны, со щелевым каналом через кольцевой канал, образованный между корпусом и наружной поверхностью большей ступени питающе-разрядного клапана. Достигается повышение энергии удара за счет увеличения хода ударника и обеспечивается надежный запуск и стабильная работа в широком диапазоне давления энергоносителя за счет своевременной подачи команды на срабатывание ступенчатого питающе-разрядного клапана. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Погружной пневмоударник, включающий корпус, ударник с центральным сквозным каналом, разделяющий полость корпуса на камеры прямого и обратного хода, воздухораспределительную систему, содержащую ступенчатый питающе-разрядный клапан, клапанное седло с отверстиями для питания камеры прямого хода, центральную трубку, отверстия в корпусе, соединенные с заклапанной полостью, сообщенной со щелевым каналом, отличающийся тем, что воздухораспределительная система дополнительно содержит разрядный канал, расположенный между клапанным седлом и торцом большей ступени питающе-разрядного клапана, сообщенный, с одной стороны, с камерой прямого хода через отверстия клапанного седла, а с другой стороны, со щелевым каналом через кольцевой канал, образованный между корпусом и наружной поверхностью большей ступени питающе-разрядного клапана.2. Пневмоударник по п.1, отличающийся тем, что на боковой поверхности центральной трубки, в зоне камеры прямого хода выполнены продольные командные каналы.