УДАРНЫЙ ПОРШЕНЬ Российский патент 2017 года по МПК E21B1/24 E21B1/38 E21B4/14 B25D9/14 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее решение относится к ударным поршням и способу изменения состояния распределителя бурильной машины для горной породы.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Управляющие кромки используются в бурильных машинах для горной породы для привязки по времени изменений этапов работы или изменений состояний с положением ударного поршня относительно цилиндра. Это может быть достигнуто посредством управляющих кромок, управляющих потоком рабочей среды под давлением в гидравлической системе бурильной машины для горной породы. Однако чтобы обеспечить достаточную надежность, гарантирующую функционирование бурильной машины для горной породы во всех случаях, для бурильных машин для горной породы может потребоваться значительное так называемое продвижение. Это означает, что управляющая кромка ударного поршня проходит мимо соответствующей управляющей кромки цилиндра или распределителя перед оптимальной точкой удара ударного поршня. Это приводит к началу движения распределителя, который начинает закрывать напорный канал, соединенный с рабочим пространством, прежде чем произойдет фактический удар. Если точка удара по какой-либо причине перемещается, в определенный момент времени давление в баке (низкое давление) может даже существовать в рабочем пространстве, когда ударный поршень все еще перемещается по направлению к точке удара. Это вызывает кавитацию в рабочем пространстве, что приводит к эрозии.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы обеспечить новый способ и ударный поршень для осуществления способа. Данная задача изобретения решена посредством способа и ударного поршня, которые характеризуются тем, что изложено в независимых пунктах формулы изобретения. Некоторые варианты осуществления изобретения раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.

Решение базируется на идее формирования управляющей кромки ударного поршня таким образом, чтобы рабочая среда под давлением могла протекать через выемки, предусмотренные на управляющей кромке ударного поршня, прежде чем фактическая управляющая кромка ударного поршня пройдет мимо соответствующей управляющей кромки, предусмотренной на цилиндре управления или распределителе.

Некоторые преимущества технического решения обсуждены в связи с подробным описанием.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Ниже будет описано решение более подробно посредством некоторых вариантов осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

на фиг. 1 показана часть бурильной машины для горной породы;

на фиг. 2 схематично показана часть бурильной машины для горной породы;

на фиг. 3 схематично показана часть бурильной машины для горной породы;

на фигурах 4a, 4b, 4c и 4d схематично показаны детали ударных поршней; и

на фиг. 5 схематично показан способ изменения состояния для распределителя бурильной машины для горной породы.

Назначение чертежей является только иллюстративным, и чертежи показаны не в масштабе.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фиг. 1 показана часть бурильной машины для горной породы. Часть бурильной машины 2 для горной породы показана только в качестве примера, и конфигурация бурильной машины 2 для горной породы, содержащей ударный поршень 1, описанный в данном документе, может изменяться в зависимости от рассматриваемого варианта осуществления. Бурильная машина 2 для горной породы может содержать цилиндр 3 управления, распределитель 4 золотникового типа и рабочую среду под давлением (не показана). Ударный поршень 1 перемещается под действием давления рабочей среды под давлением и рабочей зоны (рабочих зон) ударного поршня, рабочая среда под давлением которого оказывает воздействие в направлении А удара относительно цилиндра 3 управления, который приводит к удару по инструменту. В этом описании цилиндр 3 управления может содержать цилиндр, предусмотренный внутри несущей конструкции бурильной машины 2 для горной породы, внутри которой ударный поршень 1 выполнен с возможностью перемещения. Цилиндр 3 управления может содержать конструкцию цилиндра, которая расположена отдельно от несущей конструкции бурильной машины 2 для горной породы и которая расположена внутри несущей конструкции, или цилиндр 3 управления может быть образован по меньшей мере частично в виде части непосредственно несущей конструкции бурильной машины для горной породы.

После удара ударный поршень 1 возвращается в свое заднее положение относительно цилиндра 3 управления, перемещаясь в обратном направлении В, противоположном направлению удара. Таким образом, направления А и B по существу параллельны продольному направлению цилиндра 3 управления, которое также по существу параллельно осевому направлению цилиндра 3 управления. Далее может начаться новый рабочий цикл бурильной машины для горной породы. Распределитель 4 может содержать каналы, управляющие потоком рабочей среды под давлением, между различными пространствами, образованными между ударным поршнем 1 и цилиндром 3 управления, и другие части гидравлической системы бурильной машины для горной породы 2, чтобы управлять рабочим циклом ударного поршня и, таким образом, бурильной машиной 2 для горной породы.

Распределитель 4 может перемещаться относительно цилиндра 3 управления по меньшей мере из первого состояния во второе состояние, посредством чего потоком рабочей среды под давлением и тем самым рабочим циклом ударного поршня 1 и бурильной машиной 2 для горной породы можно управлять. Более конкретно, ударный поршень 1 может содержать управляющую кромку, выполненную с возможностью побуждения изменения в положении распределителя в направлении, параллельном осевому направлению ударного поршня 1, когда ударный поршень перемещается в направлении удара относительно цилиндра управления. Согласно варианту осуществления в первом состоянии может возникнуть гидравлическая связь между областью высокого давления гидравлической системы бурильной машины 2 для горной породы и рабочим пространством; и во втором состоянии может возникнуть гидравлическая связь между рабочим пространством и резервуаром.

Управляющей кромкой может быть любая кромка, поверхность или тому подобное, выполненное на подвижной и/или неподвижной части бурильной машины 2 для горной породы, которая может при перемещении ударного поршня в направлении А удара или в обратном направлении B относительно цилиндра 3 управления изменять направление потока рабочей среды под давлением, тем самым воздействуя на изменение состояния распределителя 4. Изменение состояния распределителя 4 может быть достигнуто, например, путем открытия или закрытия прохода(ов) и/или канала(ов), соединяющих пространство, образованное между цилиндром 3 управления и ударным поршнем 1 за счет геометрии цилиндра 3 управления и ударного поршня 1, других областей высокого давления и низкого давления гидравлической системы бурильной машины 2 для горной породы и рабочей зоны (рабочих зон) распределителя 4. Другими словами, управляющие кромки можно использовать для механической связи потока рабочей среды под давлением с перемещением ударного поршня 1 относительно цилиндра 3 управления, тем самым обеспечивая механическое управление для временных изменений в потоке рабочей среды под давлением и тем самым изменений фаз рабочего цикла бурильной машины для горной породы, таких как при изменениях состояний распределителя 4. Принцип работы такой бурильной машины 2 для горной породы известен по существу специалистам в данной области техники и поэтому не описывается в данном документе более подробно.

Фиг. 2 схематично иллюстрирует пример части бурильной машины 2 для горной породы, в которой управляющая кромка 5 ударного поршня 1 содержит по меньшей мере одну выемку 6, предусмотренную на внешней периферии 7 управляющей кромки. В варианте осуществления, показанном на фиг. 2, управляющая кромка 5 ударного поршня 1 может содержать заднюю кромку переднего фланца 10 ударного поршня 1. Выемка 6 может представлять собой прорезь или другой тип образования, отличающегося от по существу острой и непрерывной управляющей кромки 5 цилиндрического типа. Управляющая кромка 5, выполненная с выемкой 6, может быть выполнена с возможностью обеспечения начала изменения состояния для распределителя 4, прежде чем управляющая кромка 5 ударного поршня 1 пройдет мимо соответствующей второй управляющей кромки 8, выполненной на распределителе 4 или цилиндре 3 управления. Это может быть достигнуто посредством выемки 6, открывающей область поперечного сечения, выступающую в осевом направлении ударного поршня 1, другими словами, в направлении, параллельном направлению А удара, позволяя рабочей среде под давлением протекать в осевом направлении из пространства между цилиндром 3 управления и ударным поршнем 1 в рабочую зону распределителя, заставляя распределитель 4 перемещаться относительно цилиндра 3 управления, тем самым изменяя состояние распределителя 4. Это обеспечивает плавное изменение состояния для распределителя 4 в направлении, параллельном осевому направлению ударного поршня 1 по сравнению с традиционными решениями без выемок.

Согласно варианту осуществления выемка 6 может быть выполнена с возможностью открытия области поперечного сечения, выступающей в осевом направлении ударного поршня 1, которая равна или больше 1/50 рабочей зоны распределителя в поперечном сечении, вызывающей начало изменения состояния для распределителя, прежде чем управляющая кромка 5 ударного поршня пройдет мимо соответствующей второй управляющей кромки 8, выполненной на распределителе 4 или цилиндре 3 управления. Согласно варианту осуществления эта выступающая область поперечного сечения открывается посредством выемки размером 0,5 мм, прежде чем управляющая кромка 5 ударного поршня 1 пройдет мимо соответствующей управляющей кромки 8, выполненной на распределителе или цилиндре управления.

Согласно дополнительному варианту осуществления выемка 6 может иметь длину, продолжающуюся в продольном направлении ударного поршня 1, которое по существу параллельно направлению A удара, которая больше или равна 0,5 мм от управляющей кромки 5. Достаточно большая выемка в области поперечного сечения, выступающей в осевом направлении ударного поршня 1, может улучшить плавное изменение состояния распределителя 4 и уменьшить проблемы, связанные с традиционными решениями, такими как кавитация. С другой стороны, это позволяет выполнить управляющую кромку 5 еще дальше от конца инструмента ударного поршня 1, тем самым позволяя распределителю 4 изменять свое состояние, например, из первого состояния во второе состояние, позже, медленнее и/или более плавно. Если выемка отсутствует, то закругление или фаска, которая относится к традиционному способу изготовления, область поперечного сечения, выполненная путем закругления или фаски, прежде чем управляющая кромка 5 проходит мимо второй управляющей кромки 8, не является достаточно большой для обеспечения достаточного потока рабочей среды под давлением для изменения состояния распределителя 4, который подвергается воздействию.

В вариантах осуществления, где форма ударного поршня 1 является такой, что управляющая кромка 5 не содержит части плоской поверхности в радиальном направлении ударного поршня 1, предполагается, что управляющая кромка может находиться в положении ударного поршня 1, которое располагается дальше всего от внешней периферии 7 управляющей кромки 5, и в таких положениях, которые расположены ближе всего к выемке 6. Таким образом, можно предположить, что управляющая кромка 5 будет находиться в первом положении ударного поршня 1, обеспечивающем максимальную область поперечного сечения, выступающую в осевом направлении ударного поршня 1 между ударным поршнем 1 и второй управляющей кромкой 8, выполненной на распределителе 4 или на цилиндре 3 управления, которая представляет собой область поперечного сечения, доступную для потока рабочей среды под давлением в случае, когда ударный поршень 1 перемещается в направлении A удара и выемка 6 проходит мимо второй управляющей кромки 8.

Согласно варианту осуществления управляющая кромка 5 может содержать одну выемку 6. Согласно варианту осуществления выемка 6 может продолжаться вдоль всей внешней периферии 7 управляющей кромки 5. Согласно другому варианту осуществления выемка может продолжаться только вдоль части внешней периферии 7 управляющей кромки 5. Согласно еще одному варианту осуществления управляющая кромка 5 может содержать две или более такие выемки 6, продолжающиеся вдоль по меньшей мере части внешней периферии 7 управляющей кромки 5. Вариант осуществления, показанный на фиг. 2 и/или на фиг. 3, может содержать одну, две, три или более таких выемок 6. Выемки 6 могут располагаться на равном расстоянии вдоль внешней периферии 7 управляющей кромки 5 или иным образом в зависимости от варианта осуществления. В вариантах осуществления, где выемка(и) 6 продолжается только вдоль части внешней периферии, выемка 6 может предпочтительно иметь длину, продолжающуюся в продольном направлении ударного поршня 1, которое по существу параллельно направлению A удара, которая больше или равна 2 мм от управляющей кромки 5.

Геометрия выемки 6 может изменяться в зависимости от варианта осуществления, выемка 6 может содержать, например, канавку, такую как на фиг. 3, закругление, такое как на фиг. 4a, или фаску, такую как на фиг. 4b, и она может продолжаться вдоль по меньшей мере части внешней периферии 7 управляющей кромки 5 ударного поршня 1. Выемка 6 может иметь острые геометрические переходы, профиль поперечного сечения выемки 6 может быть прямоугольным или треугольным, например закругленным, поперечное сечение может быть круглым или эллиптическим, например, или комбинированным, поперечное сечение можно быть U-образным, например, при условии, что комбинированная область поперечного сечения одной или более выемок 6, выступающих в осевом направлении ударного поршня 1, может обеспечить протекание достаточного количества рабочей среды под давлением через выемку 6, чтобы привести к началу изменения состояния распределителя 4 путем перемещения распределителя 4 в направлении, параллельном осевому направлению ударного поршня 1. В варианте осуществления, показанном на фиг. 2, распределитель 4 может затем перемещаться в обратном направлении B. В другом варианте осуществления распределитель 4 может затем перемещаться в направлении удара.

Согласно варианту осуществления по меньшей мере одна выемка 6 или две или более выемок 6 могут быть сформированы таким образом, чтобы область поперечного сечения, выступающая в осевом направлении, постепенно увеличивалась при перемещении ударного поршня 1, перемещаясь в направлении A удара относительно цилиндра 3 управления. Это может быть достигнуто, например, путем формирования каждой выемки 6 таким образом, чтобы площадь области поперечного сечения выемки на конце выемки, расположенной ближе всего к концу торцевой стороны инструмента ударного поршня 1, была меньше, чем площадь области поперечного сечения выемки на конце управляющей кромки 5 выемки 6. Таким образом, можно обеспечить постепенное увеличение рабочей среды под давлением, протекающей через выемку(и), тем самым обеспечивая постепенное открытие выемки(ок) для рабочей среды под давлением. Это позволяет обеспечить даже более плавное изменение состояния распределителя 4.

Фиг. 4a и 4b иллюстрируют некоторые выемки 6, схематично показанные в поперечном сечении со стороны ударного поршня 1. Фиг. 4c и 4d иллюстрируют другие выемки в ударных поршнях 1, схематично показанных в поперечном сечении со стороны управляющей кромки 5 по направлению к торцевой стороне инструмента ударного поршня 1. На фиг. 4c показан вариант осуществления с двумя выемками 6. На фиг. 4d показана деталь ударного поршня 1, содержащая выемку 6. В момент времени, когда вторая управляющая кромка 8 проходит положение поперечного сечения, показанного на фиг. 4d, выемка 6 может открывать область 12 поперечного сечения, выступающую в осевом направлении ударного поршня 1, которая на фиг. 4d показана заштрихованной. Геометрия выемки 6 может изменяться в различных вариантах осуществления. К тому же, область 12 поперечного сечения, выступающая в осевом направлении ударного поршня, которую может открыть выемка 6, может изменяться вдоль длины выемки 6.

Согласно варианту осуществления управляющая кромка 5 ударного поршня 1 расположена таким образом, чтобы в точке удара можно было предотвратить продвижение относительно соответствующей управляющей кромки 8, выполненной на распределителе 4 или цилиндре 3 управления, другими словами, в положении ударного поршня 1 относительно цилиндра 3 управления в момент, когда происходит удар.

Фиг. 5 схематично иллюстрирует способ изменения состояния для распределителя 4 бурильной машины 2 для горной породы. Бурильная машина для горной породы может содержать цилиндр 3 управления, распределитель 4 золотникового типа, ударный поршень 1 и рабочую среду под давлением. Ударный поршень 1 может содержать ударный поршень 1 согласно варианту осуществления, описанному в данном описании, или комбинацию признаков вариантов осуществления.

Способ согласно фиг. 5 может содержать этап, на котором вызывают 501 при перемещении ударного поршня 1 относительно цилиндра 3 управления в направлении А удара, начало изменения состояния распределителя посредством управляющей кромки 5, предусмотренной на ударном поршне 1. Способ может также содержать этап, на котором открывают 502 посредством по меньшей мере одной выемки, предусмотренной на внешней периферии 7 управляющей кромки 5, соединительный проход между пространством 9, образованным между фланцами 10, 11 поршня, и областью высокого давления, прежде чем управляющая кромка 5 ударного поршня 1 пройдет мимо соответствующей управляющей кромки, выполненной на распределителе или цилиндре управления.

Согласно варианту осуществления выемка 6 может открывать область поперечного сечения, выступающую в осевом направлении ударного поршня 1, которая равна или больше 1/50 рабочей зоны распределителя в поперечном сечении, обеспечивая начало изменения состояния для распределителя 4, прежде чем управляющая кромка 5 ударного поршня 1 пройдет мимо соответствующей управляющей кромки 8, выполненной на распределителе 4 или цилиндре 3 управления.

Согласно варианту осуществления рабочая среда под давлением может быть направлена в точке удара ударного поршня через по меньшей мере одну выемку, предусмотренную на управляющей кромке ударного поршня, для изменения состояния распределителя в направлении, параллельном осевому направлению ударного поршня 1.

Согласно варианту осуществления способ может дополнительно содержать направление рабочей среды под давлением на первой фазе ударной фазы рабочего цикла бурильной машины 2 для горной породы через по меньшей мере одну выемку 6, предусмотренную на управляющей кромке 5 ударного поршня 1 для изменения состояния распределителя 4 в направлении, параллельном осевому направлению ударного поршня 1. Далее способ может дополнительно содержать направление рабочей среды под давлением во второй фазе ударной фазы рабочего цикла бурильной машины для горной породы 2, указанная вторая фаза следует за указанной первой фазой, которая протекает по всей управляющей кромке таким образом, чтобы изменялось положение распределителя 4 в направлении, параллельном осевому направлению ударного поршня 1.

Специалистам в данной области техники будет очевидно, что при дальнейшем развитии технологии концепцию изобретения можно будет реализовать различными способами. Изобретение и его варианты осуществления не ограничиваются примерами, описанными выше, но могут изменяться в пределах объема формулы изобретения.

Группа изобретений относится к области бурения. Ударный поршень для бурильной машины для горной породы, содержащей цилиндр управления, распределитель и рабочую среду под давлением, содержит управляющую кромку, выполненную с возможностью обеспечения изменения положения распределителя в направлении, параллельном осевому направлению ударного поршня, когда ударный поршень перемещается в направлении удара относительно цилиндра управления. Управляющая кромка ударного поршня содержит по меньшей мере одну выемку, предусмотренную на внешней периферии управляющей кромки и выполненную с возможностью обеспечения начала изменения состояния для распределителя, прежде чем управляющая кромка ударного поршня пройдет мимо соответствующей управляющей кромки, предусмотренной на распределителе или цилиндре управления. Обеспечивается снижение эрозии в рабочем пространстве. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Ударный поршень для бурильной машины для горной породы, содержащей цилиндр управления, распределитель золотникового типа и рабочую среду под давлением,

при этом ударный поршень содержит управляющую кромку, выполненную с возможностью обеспечения изменения в положении распределителя в направлении, параллельном осевому направлению ударного поршня, когда ударный поршень перемещается в направлении удара относительно цилиндра управления,

причем указанная управляющая кромка ударного поршня содержит по меньшей мере одну выемку, выполненную на внешней периферии управляющей кромки и с возможностью обеспечения начала изменения состояния для распределения, прежде чем управляющая кромка ударного поршня пройдет мимо соответствующей управляющей кромки, предусмотренной на распределителе или цилиндре управления.

2. Ударный поршень по п. 1, в котором указанная управляющая кромка ударного поршня содержит заднюю кромку переднего фланца ударного поршня.

3. Ударный поршень по п. 1 или 2, в котором указанная по меньшей мере одна выемка содержит канавку, закругление или фаску, продолжающиеся вдоль по меньшей мере части внешней периферии указанной управляющей кромки ударного поршня.

4. Ударный поршень по п. 1, в котором указанная выемка выполнена с возможностью открытия области поперечного сечения, выступающей в осевом направлении ударного поршня и соответствующей по меньшей мере 1/50 рабочей зоны распределителя в поперечном сечении, обеспечивая начало изменения состояния для распределителя, прежде чем указанная управляющая кромка ударного поршня пройдет мимо соответствующей управляющей кромки, предусмотренной на распределителе или цилиндре управления.

5. Ударный поршень по п. 4, в котором указанная выступающая область поперечного сечения открывается посредством выемки, прежде чем указанная управляющая кромка ударного поршня пройдет мимо соответствующей управляющей кромки, предусмотренной на распределителе или цилиндре управления.

6. Ударный поршень по п. 5, в котором указанная выступающая область поперечного сечения открывается посредством выемки по меньшей мере на 0,5 мм, прежде чем указанная управляющая кромка ударного поршня пройдет мимо соответствующей управляющей кромки, предусмотренной на распределителе или цилиндре управления.

7. Ударный поршень по п. 1, в котором управляющая кромка содержит по меньшей мере две из указанных выемок, предусмотренных на внешней периферии управляющей кромки.

8. Ударный поршень по п. 1, в котором указанная управляющая кромка ударного поршня расположена таким образом, что обеспечено нулевое продвижение в точке удара относительно соответствующей управляющей кромки, предусмотренной на распределителе или цилиндре управления.

9. Бурильная машина для горной породы, содержащая цилиндр управления, распределитель золотникового типа и ударный поршень по любому из пп. 1-8.

10. Способ изменения состояния для распределителя бурильной машины для горной породы, содержащей цилиндр управления, распределитель золотникового типа, ударный поршень и рабочую среду под давлением, включающий в себя этапы, на которых:

обеспечивают при перемещении ударного поршня относительно цилиндра управления в направлении удара начало изменения состояния распределителя посредством управляющей кромки, предусмотренной на ударном поршне, и

открывают посредством по меньшей мере одной выемки, выполненной на внешней периферии управляющей кромки, соединительный проход между пространством между фланцами поршня и областью высокого давления, прежде чем управляющая кромка ударного поршня пройдет мимо соответствующей управляющей кромки, предусмотренной на распределителе или цилиндре управления.

11. Способ по п. 10, в котором указанная управляющая кромка содержит заднюю кромку переднего фланца ударного поршня.

12. Способ по п. 10 или 11, в котором указанная выемка открывает область поперечного сечения, выступающую в осевом направлении ударного поршня, соответствующую по меньшей мере 1/50 рабочей зоны распределителя в поперечном сечении,

обеспечивая начало изменения состояния для распределителя, прежде чем указанная управляющая кромка ударного поршня пройдет мимо соответствующей управляющей кромки, предусмотренной на распределителе или цилиндре управления.

13. Способ по п. 10, включающий в себя этап, на котором направляют рабочую среду под давлением в точке удара ударного поршня через по меньшей мере одну выемку, выполненную на управляющей кромке ударного поршня, для изменения состояния распределителя в направлении, параллельном осевому направлению ударного поршня.

14. Способ по п. 10, включающий в себя этапы, на которых направляют рабочую среду под давлением в первой фазе ударной фазы рабочего цикла бурильной машины для горной породы через по меньшей мере одну выемку, выполненную на управляющей кромке ударного поршня для изменения состояния распределителя в направлении, параллельном осевому направлению ударного поршня, и

направляют рабочую среду под давлением во второй фазе ударной фазы рабочего цикла бурильной машины для горной породы, причем указанная вторая фаза следует за указанной первой фазой, которая проходит через всю управляющую кромку таким образом, чтобы положение распределителя изменялось в направлении, параллельном осевому направлению ударного поршня.