ПОГРУЖНОЙ ПНЕВМОУДАРНИК Российский патент 2009 года по МПК E21B4/14 

Техническое решение относится к горному делу, а именно к погружным пневмоударникам для проходки скважин по породам средней и высокой крепости, и может найти применение в строительстве.

Известен погружной пневмоударник, описанный в книге Н.Н.Есина. Погружные пневматические машины ударного действия для бурения скважин. - Новосибирск: Наука, Сибирское отделение, 1976. - с.66. Он содержит корпус с расположенной внутри гильзой, клапанную коробку с пластинчатым клапаном, составной ударник, образующий с корпусом и гильзой камеры холостого и рабочего хода, буровую коронку. В стенке корпуса выполнены радиальные выхлопные отверстия и продольный канал, направленный в сторону забойной части коронки.

Система воздухораспределения данного пневмоударника предполагает радиальный выхлоп через отверстия в корпусе, что создает условия для попадания абразивных частиц из затрубного пространства скважины внутрь пневмоударника и приводит к интенсивному износу посадочных поверхностей, резко уменьшающему ресурс машины. При такой системе выхлопа продувка забоя осуществляется через продольный канал в корпусе воздухом, поступающим только из одной камеры, что ухудшает очистку забоя от буровой мелочи, приводит к непроизводительной потере энергии на ее переизмельчение. Используемый в системе воздухораспределения пластинчатый клапан усложняет конструкцию, создает риск отказа при запуске и работе. Все это снижает надежность и долговечность пневмоударника.

Наиболее близким по технической сути и совокупности существенных признаков является погружной пневматический ударный механизм, описанный в патенте РФ №2090730, кл. Е21В 4/14, Е21С 3/24, опубл. в БИ №26, 1997 г.

Он содержит корпус, ударник, имеющий головку и хвостовик, соединенные шейкой и имеющие отсечные кромки. Имеется гильза, охватывающая хвостовик и образующая с его торцом торцевую камеру рабочего хода. Содержится разрезная втулка, охватывающая шейку ударника с образованием соответственно между втулкой и хвостовиком, втулкой и головкой ударника кольцевых камер холостого и рабочего хода, последняя из которых посредством канала и окна в гильзе постоянно связана с торцевой камерой рабочего хода. Имеется питающий канал и буровая коронка с каналами, установленная в гнезде корпуса с образованием полости между коронкой и торцом ударника. В гильзе выполнен канал, постоянно соединяющий кольцевую камеру холостого хода с питающим каналом, а окно в гильзе, посредством которого сообщаются торцевая и кольцевая камеры рабочего хода, выполнено с возможностью периодического сообщения этих камер с кольцевой камерой холостого хода при открытии окна кромкой хвостовика ударника в процессе холостого хода последнего. В стенке корпуса выполнена кольцевая расточка с возможностью периодического размещения в ней отсечной кромки головки ударника и сообщения между собой кольцевой камеры рабочего хода с полостью между ударником и коронкой, причем каналы в коронке выполнены открытыми в данную полость и постоянно соединяют ее с атмосферой.

Выхлоп из рабочих камер осуществляется при выходе отсечных кромок выемок в задней части головки ударника в расточку в корпусе. Однако при такой системе выхлопа необходимое сечение открывается на довольно большом ходу ударника при выхлопе, что увеличивает время выхлопа и, следовательно, увеличивает непроизводительную фазу рабочего цикла и может затруднить опорожнение рабочих камер. Выполнение ударника цельной деталью при данной системе воздухораспределения вызывает необходимость использования разрезных полуколец. Эти полукольца должны иметь точно изготавливаемые соосные поверхности и быть надежно закреплены в гильзе. Это увеличивает количество деталей в конструкции, что затрудняет ее изготовление. Кроме того, пики напряжений, возникающие при работе в шейке хвостовика цельного ударника, могут иметь значительную величину, что увеличивает риск поломки. Изготовление заодно гильзы и переходника не технологично и не экономично. Переходник не требует дорогого материала и сложной термообработки.

Техническая задача - повышение надежности за счет снижения напряжений в меньшей ступени хвостовика путем использования демпфирующих свойств неподвижного сопряжения хвостовика и головки ударника, а также за счет упрощения конструкции.

Данная техническая задача решается тем, что в погружном пневмоударнике, содержащем корпус с расточкой в передней части, ударник, состоящий из головки и хвостовика, выполненного ступенчатым, охватывающую хвостовик гильзу, образующую с ударником со стороны торца большей ступени хвостовика торцевую камеру рабочего хода, с ударником и корпусом со стороны головки ударника кольцевую камеру рабочего хода, а между камерами рабочего хода камеру холостого хода и имеющую канал, соединяющий торцевую и кольцевую камеры рабочего хода, а также питающий канал, постоянно соединенный с камерой холостого хода, буровую коронку с каналом и переходник, согласно техническому решению снаружи средней части головки ударника выполнена проточка с возможностью периодического сообщения с расточкой в корпусе, постоянно соединенная продольными пазами с кольцевой камерой рабочего хода. Хвостовик ударника неподвижно закреплен в полости головки, а задняя часть гильзы выполнена открытой и имеет у торца утолщение, на котором выполнен упор, взаимодействующий с ответным упором в корпусе.

Использование выполненной в средней части головки ударника проточки для осуществления выхлопа при выходе ее в расточку в корпусе позволяет на достаточно малом ходу ударника при выхлопе получить значительное сечение выхлопного канала, тем самым обеспечить хорошее опорожнение камер рабочего хода, создать рациональный рабочий цикл.

Цилиндрическая поверхность головки ударника, на которой выполнены продольные пазы, позволяет обеспечить постоянный контакт поверхности головки с посадочной поверхностью корпуса и избежать его проседания в расточку корпуса при любом направлении бурения.

Использование составного ударника позволяет существенно упростить всю конструкцию пневмоударника. Количество деталей в машине невелико, их изготовление не требует сложной технологии. Это позволяет упростить и удешевить производство таких пневмоударников и повысить надежность их работы.

В машине велика рабочая площадь ударника, используемая на рабочем ходу. Она больше площади поперечного сечения полости корпуса, что позволяет компенсировать постоянно действующее сопротивления со стороны камеры холостого хода, постоянно соединенной с питающим каналом. Это позволяет обеспечить достаточно большие значения энергетических параметров.

Выполнение ударника составным позволяет уменьшить риск поломки ударника, дает возможность допустить предударную скорость большей величины, что позволяет увеличить ударную мощность. При ударе составным ударником возможно удлинение ударного импульса, что улучшает разрушения породы на забое скважины. Данная схема наиболее перспективна для создания пневмоударников, работающих на повышенном давлении сжатого воздуха, имеющих повышенные энергетические параметры.

Выполнение гильзы, открытой с заднего торца, позволяет осуществить помещение хвостовика ударника внутрь гильзы при сборке ударника без использования разрезной втулки и элементов ее крепления. Это упрощает конструкцию пневмоударника.

Использование упоров в задней части гильзы позволяет рационально осуществить ее закрепление в корпусе. Движение гильзы вперед предотвращает упор в утолщении у торца, взаимодействующий с ответным упором в корпусе, а движение назад - упор в торце, взаимодействующий с упором в переходнике. Выполнение гильзы и переходника отдельными деталями позволяет удешевить производство, поскольку переходник может быть изготовлен из более дешевого материала по более простой технологии.

Данные элементы конструкции, при возможности получения достаточно высоких энергетических параметров, позволяют обеспечить высокую надежность, поскольку наиболее нагруженные детали защищаются от поломок, форма деталей относительно проста, количество их не велико. Закрытый тип пневмоударника (без перфораций стенок корпуса) позволяет получить и высокую износостойкость, поскольку абразивные частицы при работе не попадают внутрь машины.

Целесообразно, чтобы хвостовик ударника имел массу больше массы головки ударника.

Выполнение хвостовика ударника с большей массой, чем масса головки, позволяет избежать риска их разъединения при работе. Головка и хвостовик могут соединяться с помощью конических поверхностей, имеющих угол относительно продольной оси, меньший угла трения материала этих деталей. Однако при ударе может иметь место тенденция отскока. Для уменьшения силы, возникающей при таком взаимодействии, весьма полезно, чтобы задняя из соударяющихся деталей была более массивной, чем передняя. Это повышает надежность их соединения.

Сущность технического решения иллюстрируется примером конкретного исполнения и чертежом, где изображен продольный разрез погружного пневмоударника.

Погружной пневмоударник (далее - пневмоударник) содержит корпус 1, ударник 2, имеющий головку 3 и хвостовик 4, выполненный ступенчатым, гильзу 5, охватывающую хвостовик 4 и образующую с ударником 2 со стороны торца большей ступени хвостовика 4 торцевую камеру 6 рабочего хода, а со стороны головки 3 с ударником 2 и корпусом 1 кольцевую камеру 7 рабочего хода. Между рабочими камерами 6, 7 образована камера 8 холостого хода. В задней части корпуса 1 установлен переходник 9 с упором (поз. не обозначен), а в передней части подвижно установлена буровая коронка 10 с каналом 11. В гильзе 5 выполнен канал 12 с выходом 13, соединяющий торцевую камеру 6 и кольцевую камеру 7 рабочего хода. В гильзе 5 выполнен питающий канал 14, постоянно открытый в камеру 8 холостого хода. В передней части корпуса 1 выполнена расточка 15, а снаружи головки 3 ударника 2 выполнена проточка 16, постоянно соединенная продольными пазами 17 с кольцевой камерой 7 рабочего хода. Внутри головки 3 образована полость 18, в которую входит часть меньшей ступени хвостовика 4 и имеет там неподвижное закрепление. На задней части гильзы 5 выполнено утолщение 19 с упором 20, контактирующим с ответным упором (поз. не обозначен) корпуса 1. Хвостовик 4 ударника 2 имеет массу больше, чем масса головки 3.

Работает пневмоударник следующим образом.

Сжатый воздух по ставу штанг, присоединяемому к переходнику 9, попадает в его полость, откуда поступает в питающий канал 14 и связанную с ним камеру 8 холостого хода. В это время кольцевая камера 7 рабочего хода и связанная с ней каналом 12 торцевая камера 6 рабочего хода соединены с атмосферой через продольные пазы 17, проточку 16, расточку 15 и канал 11. Сжатый воздух, воздействуя со стороны камеры 8 холостого хода на поверхность большей ступени хвостовика 4, приводит ударник 2 в движение, начинается холостой ход. Сжатый воздух на холостом ходу создает силу, приложенную к хвостовику 4, однако отсоединению его от головки 3 препятствует неподвижное сопряжение, образованное в полости 18. Сжатый воздух со стороны камеры 8 холостого хода воздействует и на внутреннюю поперечную поверхность ступени гильзы 5, однако ее движение предотвращено упором 20 на утолщении 19, взаимодействующим с ответным упором (поз. не обозначен) в корпусе 1. При движении на холостом ходу передняя кромка проточки 16 отсекает ее соединение с расточкой 15, соединение с атмосферой рабочих камер 6 и 7 прекращается. При дальнейшем движении внутренняя кромка хвостовика 4 выходит в область выхода 13 канала 12, соединяя его с камерой 8 холостого хода. Через выход 13 сжатый воздух поступает в торцевую камеру 6 рабочего хода, а через канал 12 - в кольцевую камеру 7 рабочего хода. Поскольку рабочая площадь ударника 3 со стороны рабочих камер 6 и 7 значительно больше рабочей площади со стороны камеры 8 холостого хода, то, несмотря на постоянно действующее с ее стороны давление, результирующая сила, действующая на ударник 2, направляется вперед. Под действием этой силы ударник 2 останавливается и переводится на рабочий ход. При движении на рабочем ходу ударника 2 внутренняя кромка большей ступени хвостовика 4 выходит из области выхода 13 канала 12, впуск сжатого воздуха в рабочие камеры 6 и 7 прекращается. Дальнейшее движение ударника 2 происходит по инерции и за счет расширения сжатого воздуха в рабочих камерах 6 и 7. В дальнейшем передняя кромка проточки 16 открывает ее полость в расточку 15, начинается выхлоп из рабочих камер 6 и 7. При выхлопе воздух через продольные пазы 17, проточку 16 и расточку 15 поступает в полость между ударником 2 и коронкой 10, откуда по каналу 11 подается на забой скважины. В конце рабочего хода ударник 2 наносит удар по торцу буровой коронки 10. При большей массе хвостовика 4 относительно массы головки 3 уменьшается тенденция отскока при ударе, повышается надежность их неподвижного сопряжения. Цикл повторяется.

Изобретение относится к горному делу, а именно к погружным пневмоударникам для проходки скважин по породам средней и высокой крепости, и может найти применение в строительстве. Техническая задача повышение надежности за счет снижения напряжений в меньшей ступени хвостовика путем использования демпфирующих свойств неподвижного сопряжения хвостовика и головки ударника, а также за счет упрощения конструкции. Погружной пневмоударник содержит корпус с расточкой в передней части, ударник, состоящий из головки и хвостовика, выполненного ступенчатым, охватывающую хвостовик гильзу, образующую с ударником со стороны торца большей ступени хвостовика торцевую камеру рабочего хода, с ударником и корпусом со стороны головки ударника кольцевую камеру рабочего хода, а между камерами рабочего хода камеру холостого хода и имеющую канал, соединяющий торцевую и кольцевую камеры рабочего хода, а также питающий канал, постоянно соединенный с камерой холостого хода, буровую коронку с каналом и переходник. Снаружи средней части головки ударника выполнена проточка с возможностью периодического сообщения с расточкой в корпусе, постоянно соединенная продольными пазами с кольцевой камерой рабочего хода. Хвостовик ударника неподвижно закреплен в полости головки, а задняя часть гильзы выполнена открытой и имеет у торца утолщение, на котором выполнен упор, взаимодействующий с ответным упором в корпусе. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Погружной пневмоударник, содержащий корпус с расточкой в передней части, ударник, состоящий из головки и хвостовика, выполненного ступенчатым, охватывающую хвостовик гильзу, образующую с ударником со стороны торца большей ступени хвостовика торцевую камеру рабочего хода, с ударником и корпусом со стороны головки ударника кольцевую камеру рабочего хода, а между камерами рабочего хода камеру холостого хода и имеющую канал, соединяющий торцевую и кольцевую камеры рабочего хода, а также питающий канал, постоянно соединенный с камерой холостого хода, буровую коронку с каналом и переходник, отличающийся тем, что снаружи средней части головки ударника выполнена проточка с возможностью периодического сообщения с расточкой в корпусе, постоянно соединенная продольными пазами с кольцевой камерой рабочего хода, при этом хвостовик ударника неподвижно закреплен в полости головки, а задняя часть гильзы выполнена открытой и имеет у торца утолщение, на котором выполнен упор, взаимодействующий с ответным упором в корпусе.2. Погружной пневмоударник по п.1, отличающийся тем, что хвостовик ударника имеет массу больше массы головки ударника.