УДАРНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2009 года по МПК E21B1/38 B25D9/00 

Настоящее изобретение относится к ударному устройству для бурильного молотка (перфоратора) или т.п., содержащему средства для подачи импульса механического напряжения (далее - импульса напряжения) инструменту, соединенному с ударным устройством. В известных ударных устройствах удар создается посредством ударного поршня возвратно-поступательного хода, который, как правило, выполнен с гидравлическим или пневматическим приводом и в некоторых случаях с электрическим приводом или приводится в действие посредством двигателя внутреннего сгорания. Импульс напряжения создается в инструменте, таком как буровая штанга, когда ударный поршень ударяет по поверхности удара или на хвостике или на инструменте.

Проблема, связанная с известными ударными устройствами, заключается в том, что возвратно-поступательное движение ударного поршня приводит к созданию динамических ускоряющих усилий, которые усложняют управление устройством. Когда поршень ускоряется в направлении удара, бур стремится одновременно сместиться в противоположном направлении, тем самым приводя к уменьшению сжимающего усилия конца бурового долота или инструмента относительно материала, подлежащего обработке. Для поддержания достаточно большого сжимающего усилия бурового долота или инструмента при его воздействии на материал, подлежащий обработке, ударное устройство необходимо толкнуть достаточно сильно в направлении материала. Это, в свою очередь, требует принятия во внимание дополнительной силы при проектировании опорных и других конструкций ударного устройства, вследствие чего устройство станет больше по размерам и тяжелее и более дорогим в изготовлении. Вследствие его массы ударный поршень движется медленно, что ограничивает частоту возвратно-поступательного движения поршня и, следовательно, частоту ударов, несмотря на то, что она должна быть существенно увеличена для повышения эффективности ударного устройства. Однако в существующих в настоящее время устройствах это приводит к значительно более низкой эффективности, и по этой причине на практике невозможно повысить частоту ударного устройства.

В Европейском патенте 1070569 от 24.01.2001 раскрыт породоразрушающий инструмент, имеющий сверхмагнитострикционный материал, размещенный в центре катушки возбуждения, расположенной в кожухе, долото, являющееся ударно-передающим инструментом и контактирующее с передним концом материала, и реактивно-принимающую пластину, контактирующую с другим концом материала. При проведении разрушительных работ к инструменту прикладывается усилие, конец долота прижимается к объекту, подлежащему разрушению, и силовой блок подает импульсное напряжение на материал. Когда импульсное напряжение подается на катушку, изменяется магнитное поле указанного материала посредством тока возбуждения, протекающего через катушку, и возникает такая магнитострикция, которая создает желаемую форму ударной волны, передаваемой к объекту через долото, контактирующее с передним концом материала, и разрушает объект.

Целью настоящего изобретения является создание ударного устройства для бурильного молотка или подобных устройств, обеспечивающее уменьшение неблагоприятного воздействия динамических усилий, создаваемых при ударном действии, и возможность более простого увеличения частоты возвратно-поступательного движения.

Эта цель достигается тем, что в ударном устройстве для бурильного молотка или подобных устройств, содержащем средства для подачи импульса напряжения инструменту, соединенному с ударным устройством, согласно изобретению средства для подачи импульса напряжения включают ударный элемент, прикрепленный к корпусу ударного устройства и связанный с инструментом, и средства для воздействия напряжения на ударный элемент и для внезапного снятия напряжения в ударном элементе, после чего энергия напряжения, накопленная в элементе, освобождается в виде импульса напряжения, направленного к инструменту, и средства для воздействия напряжения на ударный элемент имеют пространство для жидкости под давлением и буртик, выполненный на ударном элементе и обращенный к указанному пространству, и средства для подачи рабочей жидкости в указанное пространство и сброса давления в указанном пространстве.

Средства для сброса давления в пространстве для жидкости под давлением могут включать средства для выпуска рабочей жидкости под давлением из указанного пространства, при этом ударный элемент способен подвергаться воздействию напряжения за счет подачи рабочей жидкости под давлением в указанное пространство и снятию напряжения в ударном элементе за счет внезапного вытекания рабочей жидкости из указанного пространства.

Ударное устройство может содержать вспомогательный поршень, сообщенный с пространством для жидкости под давлением, и средства для перемещения под давлением вспомогательного поршня в сторону указанного пространства для уменьшения объема указанного пространства и увеличения давления в нем, и средства для освобождения вспомогательного поршня для его перемещения в сторону от пространства для жидкости под давлением для увеличения объема указанного пространства и уменьшения давления в нем.

Ударное устройство может содержать механический пусковой элемент для перемещения вспомогательного поршня в сторону пространства для жидкости под давлением.

Ударное устройство может содержать несущий цилиндр, размещенный между пусковым элементом и вспомогательным поршнем, и пусковой элемент имеет выступ, обращенный к несущему цилиндру, вдоль которого цилиндр способен совершать вращательное движение, при этом после перемещения пускового элемента на достаточное расстояние несущий цилиндр и вспомогательный поршень способны быстро переместиться в сторону от пространства для жидкости под давлением для создания импульса напряжения.

Ударный элемент может иметь, по меньшей мере, два соответствующих буртика, расположенных один за другим в продольном направлении элемента, и фиксирующие средства для фиксации заданного соответствующего буртика с обеспечением его неподвижности в аксиальном направлении ударного устройства.

Ударный элемент может быть образован, по меньшей мере, из двух отдельных ударных элементов, соединенных последовательно в продольном направлении для обеспечения их воздействия друг на друга, так что длина напряженного участка ударного элемента представляет собой комбинированную длину напряженных участков ударных элементов, соединенных последовательно.

Ударный элемент может быть образован, по меньшей мере, из двух отдельных ударных элементов, соединенных последовательно в продольном направлении для обеспечения их воздействия друг на друга, так что длина напряженного участка ударного элемента представляет собой комбинированную длину напряженных участков ударных элементов, соединенных последовательно.

По меньшей мере, несколько ударных элементов могут быть, по существу, втулкообразными и установлены соосно друг относительно друга.

Из вышеописанного ясно, что согласно основной идее изобретения удар выполняется посредством одного или нескольких упругих ударных элементов, в которых создается напряженное состояние для накопления энергии для каждого удара. В напряженном состоянии длина элемента изменяется по сравнению с его длиной в ненапряженном состоянии, и напряженное состояние ударного элемента внезапно снимается, после чего элемент стремится вернуться к его длине в состоянии покоя (в ненапряженном состоянии) и к сообщению ударной нагрузки или к подаче импульса напряжения инструменту за счет накопленной энергии напряжения.

Преимуществом настоящего изобретения является то, что толчкообразное движение при ударах, вызываемое так, как описано выше, не требует ударного поршня с возвратно-поступательным ходом, а величина изменения длины упругого ударного элемента составляет порядка одного миллиметра. В результате отсутствует необходимость в перемещении больших масс взад и вперед в направлении удара, и динамические усилия являются небольшими по сравнению с динамическими усилиями, создаваемыми тяжелыми ударными поршнями возвратно-поступательного хода, используемыми в известных конструкциях. Кроме того, такая конструкция обеспечивает возможность увеличения скорости возвратно-поступательного перемещения без существенного снижения производительности.

Изобретение будет описано более подробно со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых изображено следующее:

фиг.1 схематично иллюстрирует принцип работы ударного устройства согласно изобретению;

фиг.2 схематично показывает вариант осуществления ударного устройства согласно изобретению;

фиг.3 схематично показывает другой вариант осуществления ударного устройства согласно изобретению;

фиг.4 схематично показывает третий вариант осуществления ударного устройства согласно изобретению;

фиг.5 схематично показывает четвертый вариант осуществления ударного устройства согласно изобретению;

фиг.6 показывает вариант осуществления ударного элемента согласно изобретению.

На фиг.1 схематично проиллюстрирован принцип работы ударного устройства согласно изобретению. Ломаная линия на фиг.1 показывает ударное устройство 1 и его корпус 1а, который окружает упругий ударный элемент 2. Ударный элемент 2 сжат или в альтернативном варианте растянут до такой степени, чтобы вызвать изменение длины элемента по сравнению с его длиной в состоянии покоя (исходной длиной). При практической реализации это изменение составляет порядка одного миллиметра, то есть, например, от 1 до 2 мм. Деформирование ударного элемента, само собой разумеется, требует энергии, которая сообщается элементу 2 или механически, или гидравлически, или с помощью гидромеханических средств, как показано посредством примеров практической реализации на фиг.2-6.

В том случае, когда в ударном элементе создано предварительное напряжение, то есть он, например, подвергнут сжатию, как показано в качестве примера на фиг.1, ударное устройство 1 с усилием подается вперед, так что конец инструмента 3 прочно прижимается к концу ударного устройства или непосредственно, или посредством отдельной соединительной детали, такой как хвостовик или т.п. При таком положении сжимающее усилие, действующее на ударный элемент, внезапно снимается, после чего ударный элемент стремится вернуться к его естественной длине. В результате в буровой штанге или в каком-либо другом инструменте создается волна напряжения, и при распространении к концу инструмента волна оказывает ударное воздействие на материал ("создает удар в материале"), подлежащий обработке аналогично тому, как это происходит в известных ударных устройствах.

Теоретически при отсутствии потерь соотношение ударного элемента и его предварительного напряжения или, соответственно, распространяющейся волны напряжения таково, что длина волны напряжения в два раза превышает длину деформированной части ударного элемента, и, соответственно, интенсивность волны напряжения будет составлять половину напряжения, запасенного в ударном элементе для удара. На практике эти величины изменяются вследствие потерь.

На фиг.2 схематично показан вариант осуществления ударного устройства согласно изобретению, в котором ударный элемент 2 расположен относительно корпуса 1а ударного устройства таким образом, что конец элемента, удаленный от инструмента 3, прикреплен к корпусу 1а ударного устройства 1, и элемент подвергается сжатию на конце, находящемся рядом с инструментом 3, с помощью гидравлического поршня 4. На фиг.2 дополнительно схематично показаны опорные зажимные приспособления 5а и 5b и соответствующие буртики 2а и 2b, предусмотренные на ударном элементе 2. Если необходимо изменить свойства и характеристики пульсации ударного элемента, существует возможность использования или всей длины L₁ ударного элемента 2, измеряемой, начиная от поршня, или напряжению будут подвергаться соответствующие участки ударного элемента 2 с длиной L₂ и L₃, что возможно путем использования одного из соответствующих буртиков 2а, 2b и соответствующих опорных зажимных приспособлений.

В том случае, если используется вся длина ударного элемента 2, элемент подвергается сжатию посредством рабочей жидкости, поданной в камеру 6 нагнетания за поршнем 4, так что весь участок ударного элемента, показанный слева от поршня 4 на фиг.2, будет деформироваться. В результате длительность ударного импульса будет приблизительно в два раза превышать L₁. Если желательно получить более короткий ударный импульс другой формы, например, устанавливают опорные зажимные приспособления 5а в такое положение, при котором они опираются на соответствующий буртик 2а, и при создании предварительного напряжения в ударном элементе 2 он сжимается только на участке между поршнем 4 и соответствующим буртиком 2а. Следовательно, длина волны напряжения, распространяющейся к инструменту 3 благодаря удару, приблизительно в два раза превышает L₂. Еще более короткая волна напряжения получается посредством соответствующего буртика 2b и опорных зажимных приспособлений 5b. Таким образом, эксплуатационные параметры ударного устройства можно соответствующим образом изменять в соответствии с используемым в данный момент инструментом и условиями работы.

На фиг.3 показан другой вариант осуществления ударного устройства согласно изобретению. В данном варианте осуществления ударный элемент деформируется посредством отдельного поворотного механизма, который приводится в действие с помощью механизма с гидравлическим поршнем, перемещающимся в направлении поперек к ударному элементу. Поворотный механизм содержит опорные элементы 7а и 7b, которые параллельны оси, проходящей поперек к центральной оси ударного элемента. Между опорными элементами расположено приводное средство 7с, которое посредством опорных рычагов 8а и 8b прикреплено к элементам 7а и 7b. Поршень 9, в свою очередь, имеет удлиненное отверстие 9а в середине, в которое входит приводное средство 7с. В более предпочтительной конструкции поршень 9 содержит два поперечных стержня 9b с обеих сторон ударного элемента 2, так что силы, действующие на приводное средство 7с, симметрично уравновешены. Когда поршень 9 смещается вправо на фиг.3, он толкает приводное средство 7с в том же направлении, тем самым заставляя опорные элементы 7а и 7b посредством опорных рычагов 8а и 8b смещаться дальше в сторону друг от друга, в результате чего создается сила, действующая на ударный элемент 2 в направлении, обозначенном стрелкой А. Когда приводное средство 7с пересекает осевую линию между опорными элементами 7а и 7b, оно может свободно отклоняться вправо на фиг.3, после чего опорные элементы 7а и 7b смогут снова смещаться ближе друг к другу, и энергия напряжения в ударном элементе 2 выделяется в виде импульса напряжения, направленного к инструменту. Соответственно, когда поршень 9 смещается влево на

фиг. 3, поворотный механизм аналогичным образом удлиняется и быстро укорачивается в противоположном направлении, в результате чего создается новый импульс напряжения, направленный к инструменту.

На фиг.4 схематично показан третий вариант осуществления ударного устройства согласно изобретению. На фиг.4 показано деформирование ударного элемента 2 посредством гидромеханического устройства. В данной конструкции ударный элемент имеет буртик 2', расположенный относительно корпуса ударного устройства таким образом, что пространство 10 для жидкости под давлением образуется между кольцевым буртиком и ударным устройством. Рабочую жидкость сначала подают в это пространство 10 под нормальным гидравлическим давлением при подаче. Ударный элемент 2 может быть подвергнут воздействию различного напряжения, и, следовательно, форму и мощность создаваемого импульса напряжения можно регулировать путем изменения давления рабочей жидкости, подлежащей подаче, или давления при создании предварительного напряжения. После этого пространство 10 для текучей среды под давлением закрывают и также используют отдельный вспомогательный поршень 11, который приводится в действие с помощью механического пускового элемента 12. Между пусковым элементом 12 и вспомогательным поршнем 11 имеется отдельный несущий цилиндр 13. Пусковой элемент дополнительно содержит (имеет) выступ 12а, обращенный к несущему цилиндру 13, при этом цилиндр совершает вращательное движение вдоль выступа в процессе использования. В данном варианте осуществления при смещении пускового элемента в направлении, обозначенном стрелкой В, то есть влево на фиг.4, после того, как пространство 10 будет заполнено рабочей жидкостью под заданным давлением, пусковой элемент 12 будет толкать вспомогательный поршень 11 в направлении пространства 10 благодаря выступу 12а пускового элемента 12. Поскольку канал для текучей среды под давлением, ведущий в пространство 10, был закрыт до того, как пусковой элемент 12 начал смещаться, пространство 10 будет герметично закрыто, и введение вспомогательного поршня 11 в пространство 10 приведет к уменьшению объема и увеличению давления, тем самым вызывая дополнительное деформирование ударного элемента 2. Когда пусковой элемент сместится на такое расстояние, что несущий цилиндр 13 сможет переместиться в сторону от поршня 11, и вследствие этого несущий цилиндр 13 и поршень 11 смогут быстро сместиться благодаря крутой форме выступа 12а, напряжение в ударном элементе быстро снимается и передается инструменту, не показанному на фиг.4. Скорость может быть увеличена, например, путем открытия канала, проходящего из пространства 10, в пространство для среды под давлением или какое-либо другое пространство, по существу, одновременно, так что рабочая жидкость сможет проходить в него из пространства 10 с как можно меньшими потерями. Когда пусковой элемент сместится вправо на фиг.4, рабочая стадия может быть снова начата и повторена для получения заданной частоты возвратно-поступательного движения.

Механическая конструкция для приведения в действие вспомогательного поршня 11 может быть заменена гидравлической конструкцией. В конструкции, подобной показанной на фиг.4, конец вспомогательного поршня 11, противоположный по отношению к пространству 10, выполнен с поверхностью, на которую действует давление, и которая больше поверхности, на которую также действует давление, и которая обращена к пространству 10. После этого данную поверхность большего размера подвергают воздействию нормального давления рабочей жидкости, так что указанное воздействие на эту поверхность приводит к смещению вспомогательного поршня 11 в сторону пространства 10 до тех пор, пока произведение давления, действующего на каждую сторону, и соответствующей площади поверхности не станет одинаковым для обеих сторон (поверхностей) вспомогательного поршня. Когда снова обеспечивают возможность быстрого выхода рабочей жидкости или из пространства 10, или из пространства за вспомогательным поршнем 11, напряжение в ударном элементе 2 быстро снимается, что приводит к созданию импульса напряжения в инструменте.

На фиг.5 показан четвертый вариант осуществления ударного устройства согласно изобретению. В данном варианте осуществления используются несколько ударных элементов, соединенных последовательно и деформируемых одновременно. Это может быть реализовано, например, путем использования сплошного стержня в качестве самого внутреннего ударного элемента и втулкообразных элементов, расположенных друг над другом вокруг стержня. На фиг.5 эти втулкообразные элементы 2” и 2”' показаны в сечении для иллюстрации. В данном варианте осуществления конец каждого втулкообразного элемента выполнен с буртиком, на который опирается центральный стержень или соседний втулкообразный элемент. Во время использования устройства по данному варианту осуществления рабочая длина ударного элемента представляет собой сумму длин всех передних ударных элементов 2'-2”'. Посредством данного варианта осуществления фактическая длина ударного устройства может быть уменьшена на один ударный элемент при сохранении параметров импульса напряжения, создаваемого ударным элементом. Как и в случае с ударными элементами, соединенными последовательно, как описано выше, самый внутренний стержнеобразный ударный элемент 2' и самый наружный втулкообразный ударный элемент 2”' подвергаются воздействию сжимающего усилия в качестве примера, в то время как самый средний втулкообразный ударный элемент 2”, расположенный между двумя другими элементами, подвергается воздействию растягивающего напряжения. Следовательно, в такой конструкции каждый второй ударный элемент подвергается воздействию сжимающего напряжения, а все остальные ударные элементы подвергаются воздействию растягивающего напряжения. Вышеуказанное не имеет особого значения для "работы" импульса напряжения, создаваемого в инструменте, но результат будет таким же, как и в случае импульса напряжения, создаваемого посредством сжимающего или растягивающего напряжения в однородном ударном элементе, длина которого соответствует сумме длин ударных элементов.

На фиг.5 также показана конструкция ударного элемента, пригодного для реализации на практике ударного устройства согласно изобретению. В данном варианте осуществления ударный элемент образован из нескольких параллельных компонентов, которые, тем не менее, имеют одинаковую длину. Соответственно, длина ударного элемента равна длине этих компонентов, и в других отношениях элемент соответствует отдельному ударному элементу такой же длины и с соответствующим поперечным сечением.

На фиг.6 схематично показан вариант осуществления, в котором ударный элемент подвергнут не сжатию, а растяжению для накопления энергии и создания заданного напряжения. В этом варианте осуществления ударный элемент 2 закреплен со стороны его переднего конца, находящегося рядом с инструментом ударного устройства, так что элемент не может смещаться в направлении задней части корпуса ударного устройства. Соответственно, противоположный конец ударного элемента предусмотрен с поршнем 4', так что пространство 6' для жидкости под давлением образовано между корпусом ударного устройства и поршнем 4' со стороны поршня 4', обращенной к инструменту. В данном варианте осуществления ударный элемент растягивается с помощью рабочей жидкости до тех пор, пока не будет получено заданное напряженное состояние. Для выполнения удара внезапно создают возможность выхода рабочей жидкости, находящейся в пространстве 6', посредством клапана (распределителя) 14, схематично показанного на фиг.6, так что ударный элемент 2 укорачивается до его нормальной длины, что приводит к образованию импульса напряжения, распространяющегося до инструмента 3.

Передача накопленной энергии от ударного элемента к инструменту требует довольно быстрого снятия напряжения. Однако, если мощность и длительность импульса напряжения, передаваемого инструменту, подлежат регулированию, существует возможность использования скорости снятия напряжения в ударном элементе. Другими словами, когда напряжение в ударном элементе снимается более медленно, мощность импульса напряжения, распространяющегося до инструмента, может быть уменьшена, а длительность его увеличена, в результате чего соответственно изменяются характеристики ударной нагрузки, действующей со стороны инструмента на материал, подлежащий обработке. Даже в этом случае напряжение в ударном элементе снимается довольно быстро. В еще одном альтернативном варианте осуществления ударного элемента один или несколько параллельных сплошных элементов заменены трубчатым элементом, если это необходимо по соображениям, связанным с проектированием.

Изобретение описано в вышеприведенном описании и проиллюстрировано на чертежах только в качестве примера, и не ограничивается ими ни в каком отношении. Существенный признак заключается в том, что импульс напряжения создается в инструменте посредством ударного элемента, который подвергается воздействию или сжимающего, или растягивающего напряжения за счет заданного усилия для создания заданного напряженного состояния, после чего напряженное состояние ударного элемента внезапно снимается, так что напряжение передается или прямо, или непрямым образом концу инструмента и далее инструменту.

Предложено ударное устройство для бурильного молотка или т.п., содержащее средства для передачи ударной нагрузки или подачи импульса напряжения инструменту, соединенному с ударным устройством. Средства для подачи импульса напряжения включают ударный элемент (2), прикрепленный к корпусу (1а) ударного устройства, и средства для воздействия напряжения на ударный элемент и, соответственно, для внезапного снятия напряжения в ударном элементе (2), после чего энергия напряжения выделяется в виде импульса напряжения, направленного к инструменту (3), который прямо или косвенно соединен с ударным элементом. 7 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Ударное устройство для бурильного молотка или подобных устройств, содержащее средства для подачи импульса напряжения соединенному с ударным устройством инструменту, содержащие ударный элемент, прикрепленный к корпусу ударного устройства и связанный с инструментом, и средства для воздействия напряжения на ударный элемент и для внезапного снятия напряжения в ударном элементе, после чего энергия напряжения, накопленная в элементе, освобождается в виде импульса напряжения, направленного к инструменту, отличающееся тем, что средства для воздействия напряжения на ударный элемент имеют пространство для жидкости под давлением и буртик, выполненный на ударном элементе и обращенный к указанному пространству, и средства для подачи рабочей жидкости в указанное пространство и сброса давления в нем, при этом средства для сброса давления включают средства для выпуска рабочей жидкости под давлением из указанного пространства, причем ударный элемент способен подвергаться воздействию напряжения за счет подачи рабочей жидкости под давлением в указанное пространство и снятию напряжения в ударном элементе за счет внезапного вытекания рабочей жидкости из указанного пространства.

2. Ударное устройство по п.1, отличающееся тем, что содержит вспомогательный поршень, сообщенный с пространством для жидкости под давлением, и средства для перемещения под давлением вспомогательного поршня в сторону указанного пространства для уменьшения объема указанного пространства и увеличения давления в нем, и средства для освобождения вспомогательного поршня для его перемещения в сторону от пространства для жидкости под давлением для увеличения объема указанного пространства и уменьшения давления в нем.

3. Ударное устройство по п.2, отличающееся тем, что оно содержит механический пусковой элемент для перемещения вспомогательного поршня в сторону пространства для жидкости под давлением.

4. Ударное устройство по п.3, отличающееся тем, что содержит несущий цилиндр, размещенный между пусковым элементом и вспомогательным поршнем, и пусковой элемент имеет выступ, обращенный к несущему цилиндру, вдоль которого цилиндр способен совершать вращательное движение, при этом после перемещения пускового элемента на достаточное расстояние несущий цилиндр и вспомогательный поршень способны быстро перемещаться от пространства для жидкости под давлением для создания импульса напряжения.

5. Ударное устройство по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что ударный элемент имеет, по меньшей мере, два соответствующих буртика, расположенных один за другим в продольном направлении элемента, и фиксирующие средства для неподвижной фиксации заданного соответствующего буртика в аксиальном направлении ударного устройства.

6. Ударное устройство по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что ударный элемент образован, по меньшей мере, из двух отдельных ударных элементов, соединенных последовательно в продольном направлении для обеспечения их воздействия друг на друга так, что длина напряженного участка ударного элемента представляет собой комбинированную длину напряженных участков ударных элементов, соединенных последовательно.

7. Ударное устройство по п.5, отличающееся тем, что ударный элемент образован, по меньшей мере, из двух отдельных ударных элементов, соединенных последовательно в продольном направлении для обеспечения их воздействия друг на друга, так что длина напряженного участка ударного элемента представляет собой комбинированную длину напряженных участков ударных элементов, соединенных последовательно.

8. Ударное устройство по п.7, отличающееся тем, что, по меньшей мере, несколько ударных элементов являются по существу втулкообразными и установлены соосно относительно друг друга.