ПОГРУЖНОЙ ПНЕВМОУДАРНИК Российский патент 2023 года по МПК E21B4/14 

Техническое решение относится к горным машинам, а именно к погружным пневматическим ударным механизмам для бурения скважин по породам средней и высокой крепости и может найти применение в горном деле и строительстве.

Известен погружной пневматический ударный механизм по патенту РФ № 2090730, кл. Е21В 4/14, Е21С 3/24, опубл. в БИ №26 20.09.97, содержащий корпус, ударник, имеющий головку и хвостовик, соединенные шейкой и имеющие отсечные кромки, гильзу, охватывающую хвостовик и образующую с его торцом торцевую камеру рабочего хода, разрезную втулку, охватывающую шейку ударника с образованием между разрезной втулкой и хвостовиком, разрезной втулкой и головкой ударника соответственно кольцевых камер холостого и рабочего хода, последняя из которых посредством канала и окна в гильзе постоянно связана с торцевой камерой рабочего хода, питающий канал, буровую коронку с каналами, установленную в гнезде корпуса с образованием полости между нею и торцом ударника, при этом 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 между собой указанных камер с кольцевой камерой холостого хода при открытии окна кромкой хвостовика ударника в процессе холостого хода последнего, при этом 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 её с атмосферой.

Общими признаками аналога и предлагаемого технического решения являются: корпус, ударник, имеющий головку и хвостовик, соединенные шейкой и имеющие отсечные кромки, гильза, охватывающая хвостовик и образующая с его торцом торцевую камеру рабочего хода, разрезная втулка, охватывающая шейку ударника с образованием между разрезной втулкой и хвостовиком, разрезной втулкой и головкой ударника соответственно кольцевых камер холостого и рабочего хода, последняя из которых посредством канала и окна в гильзе постоянно связана с торцевой камерой рабочего хода, питающий канал, буровая коронка с каналами, установленная в гнезде корпуса с образованием полости между буровой коронкой и торцом ударника, при этом 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 между собой указанных камер с кольцевой камерой холостого хода при открытии окна кромкой хвостовика ударника в процессе холостого хода последнего.

Недостатком аналога является, то что для осуществления полноценного выхлопа из торцевой и кольцевой рабочих камер по данной схеме кольцевая расточка в стенке передней части корпуса должна иметь достаточно большое сечение. Это уменьшает прочность корпуса, для компенсации чего необходимо увеличивать толщину стенки, что утяжеляет конструкцию и уменьшает в тех же наружных габаритах площадь поперечного сечения полости корпуса, необходимой для образования рабочих площадей ударника.

В данной системе выхлопа расточка в корпусе соединяется с кольцевой рабочей камерой при открытии её отсечной кромкой внутри кармана, выполненного в головке ударника, что необходимо для того, чтобы поверхность головки не выходила из контакта с посадочной поверхностью полости корпуса и головка не западала в расточку. Это увеличивает длину головки, её массу и, без наличия протяженного плавного перехода к шейке ударника, уменьшает прочность ударника.

Разрезная втулка соединяется с гильзой при помощи стопоров, что усложняет конструкцию её и гильзы.

Кроме того, исполнение погружного пневмоударника по схеме аналога является сложной технической задачей, поскольку ударник на разных уровнях при работе устройства, совершая возвратно-поступательные перемещения, движется в трёх жестко-сопряженных поверхностях. Для избежания перетечек сжатого воздуха (что резко снижает энергию погружного пневмоударника) между кольцевыми камерами холостого и рабочего хода, а также торцевой камерой рабочего хода и кольцевой камерой холостого хода, необходимо обеспечение минимальных зазоров между поверхностями хвостовика и головки ударника и охватывающей их гильзы, а также между шейкой ударника и охватывающей её разрезной втулки. Самая незначительная неточность в исполнении ведет к повреждению посадочных поверхностей деталей погружного пневмоударника и даже заклиниванию ударника в гильзе. Перечисленное выше существенно снижает эффективность и надежность устройства.

Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является погружной пневмоударник, описанный в патенте РФ на полезную модель №121854, кл. Е21В 4/14, опубл. в БИ №31 10.11.2012г., содержащий корпус, ударник, имеющий головку и хвостовик, соединенные шейкой и имеющие отсечные кромки, гильзу, охватывающую хвостовик и образующую с его торцом торцевую камеру рабочего хода, разрезную втулку, охватывающую шейку ударника с образованием между ней и хвостовиком, между ней и головкой ударника соответственно кольцевых камер холостого и рабочего хода, последняя из которых посредством канала и окна в гильзе постоянно связана с торцевой камерой рабочего хода, питающий канал, постоянно сообщенный с кольцевой камерой холостого хода, буровую коронку с каналами, установленную в передней части корпуса с образованием между ней и торцом ударника полости, постоянно соединенной с атмосферой каналами в буровой коронке, при этом в полости корпуса между буровой коронкой и разрезной втулкой установлен направляющий выхлопной патрубок, охватывающий головку ударника, в стенке указанного патрубка выполнены радиальные окна, постоянно открытые в полость между буровой коронкой и торцом ударника и имеющие возможность периодического открытия отсечной кромкой головки ударника в кольцевую камеру рабочего хода.

Общими признаками прототипа и предлагаемого технического решения являются: корпус, ударник, имеющий головку и хвостовик, соединенные шейкой и имеющие отсечные кромки, гильза, охватывающая хвостовик и образующая с его торцом торцевую камеру рабочего хода, разрезная втулка, охватывающая шейку ударника с образованием между ней и хвостовиком, между ней и головкой ударника соответственно кольцевых камер холостого и рабочего хода, последняя из которых посредством канала и окна в гильзе постоянно связана с торцевой камерой рабочего хода, питающий канал, постоянно сообщенный с кольцевой камерой холостого хода, буровая коронка с каналами, установленная в передней части корпуса с образованием между ней и торцом ударника полости, постоянно соединенной с атмосферой каналами в буровой коронке, в полости корпуса между буровой коронкой и разрезной втулкой установлен направляющий выхлопной патрубок, охватывающий головку ударника, в стенке указанного патрубка выполнены радиальные окна, постоянно открытые в полость между буровой коронкой и торцом ударника и имеющие возможность периодического открытия отсечной кромкой головки ударника в кольцевую камеру рабочего хода.

Недостатком прототипа является сложное дорогостоящее исполнение деталей по его схеме. Ударник на разных уровнях при работе устройства, совершая возвратно-поступательные перемещения, движется в трёх жестко-сопряженных поверхностях. Для избежания перетечек сжатого воздуха (что резко снижает энергию, а значит, эффективность устройства) между кольцевыми камерами холостого и рабочего хода, а также торцевой камерой рабочего хода и кольцевой камерой холостого хода, необходимо обеспечение минимальных зазоров между поверхностями хвостовика и головки ударника и охватывающей их гильзы, а также между шейкой ударника и, охватывающей её разрезной втулки. Самая незначительная неточность в исполнении ведет к повреждению посадочных поверхностей деталей погружного пневмоударника и даже заклиниванию ударника в гильзе. Перечисленное выше существенно снижает надежность устройства.

Проблема заключается в повышении надежности погружного пневмоударника за счет применения «плавающей» разрезной втулки путем образования полостей вокруг её наружно-сопряженных с гильзой поверхностей, а также в повышении ударной мощности и соответственно эффективности погружного пневмоударника за счет снижения перетечек сжатого воздуха между камерами холостого и рабочего хода путем установки эластичного кольца между элементами погружного пневмоударника.

Решение поставленной проблемы достигается тем, что в погружном пневмоударнике, содержащем корпус, ударник, имеющий головку и хвостовик, соединенные шейкой и имеющие отсечные кромки, гильзу, охватывающую хвостовик и образующую с его торцом торцевую камеру рабочего хода, разрезную втулку, охватывающую шейку ударника с образованием между ней и хвостовиком, между ней и головкой ударника соответственно кольцевых камер холостого и рабочего хода, последняя из которых посредством канала и окна в гильзе постоянно связана с торцевой камерой рабочего хода, питающий канал, постоянно сообщенный с кольцевой камерой холостого хода, буровую коронку с каналами, установленную в передней части корпуса с образованием между ней и торцом ударника полости, постоянно соединенной с атмосферой каналами в буровой коронке, при этом в полости корпуса между буровой коронкой и разрезной втулкой установлен направляющий выхлопной патрубок, охватывающий головку ударника, в стенке указанного патрубка выполнены радиальные окна, постоянно открытые в полость между буровой коронкой и торцом ударника и имеющие возможность периодического открытия отсечной кромкой головки ударника в кольцевую камеру рабочего хода, согласно техническому решению между цилиндрическими наружной и внутренней поверхностями разрезной втулки и гильзы соответственно и торцевыми поверхностями разрезной втулки и направляющего выхлопного патрубка образованы полости, а снаружи разрезной втулки выполнена проточка, в которой установлено эластичное кольцо, контактирующее с внутренней цилиндрической поверхностью гильзы.

Образование полостей между цилиндрическими наружной и внутренней поверхностями разрезной втулки и гильзы соответственно и торцевыми поверхностями разрезной втулки и направляющего выхлопного патрубка дает возможность предотвращения повреждения посадочных поверхностей или заклинивания ударника в средней жестко-сопряженной поверхности при его возвратно-поступательном перемещении в процессе работы погружного пневмоударника. Таким образом создается так называемая «плавающая» разрезная втулка, многократно повышается надежность устройства, когда ударник перемещается в двух (верхней и нижней) точках опоры. Установка эластичного кольца в проточке, выполненной на внешней поверхности разрезной втулки, оставляя подвижность последней, практически полностью предотвращает возможность перетечки сжатого воздуха между кольцевыми камерами холостого и рабочего хода. Герметичность указанных камер друг от друга обеспечивает и увеличение энергии единичного удара, частоты, а значит, и мощности погружного пневмоударника, повышая его эффективность.

Сущность технического решения поясняется примером конкретного конструктивного исполнения погружного пневмоударника и иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 изображен погружной пневмоударник в продольном разрезе; на фиг.2 – узел А на фиг.1, увеличенный в 4 раза.

Погружной пневмоударник (далее – пневмоударник) содержит корпус 1 (фиг.1), ударник 2, имеющий головку 3 с отсечной кромкой 4 и хвостовик 5 с отсечной кромкой 6. Головка 3 и хвостовик 5 соединены шейкой 7. В корпусе 1 размещена гильза 8, охватывающая хвостовик 5, которая образует с его торца торцевую камеру 9 рабочего хода. Внутри гильзы 8 с упором в передний её торец установлена разрезная втулка 10, охватывающая шейку 7 ударника 2 и образующая между нею и хвостовиком 5 кольцевую камеру 11 холостого хода и между нею и головкой 3 кольцевую камеру 12 рабочего хода. В полости корпуса 1 спереди от разрезной втулки 10 установлен направляющий выхлопной патрубок 13, охватывающий головку 3 и имеющий радиальные окна 14, выполненные с возможностью взаимодействия с отсечной кромкой 4 головки 3. Камеры 9 и 12 соединены выполненным в гильзе 8 каналом 15, связанным с окном 16 в стенке гильзы 8, выполненным с возможностью взаимодействия с отсечной кромкой 6 хвостовика 5. В задней части корпуса 1 имеется питающий канал 17, а канал 18, выполненный в гильзе 8, соединяет этот канал 17 с кольцевой камерой 11 холостого хода. В передней части корпуса 1 установлена букса 19. В гнезде буксы 19 подвижно установлена буровая коронка 20 с каналами 21. Буровая коронка 20 образует с ударником 2 полость 22. Каналы 21 буровой коронки 20 и радиальные окна 14 в направляющем выхлопном патрубке 13 постоянно открыты в полость 22. Между внутренней цилиндрической поверхностью гильзы 8 и наружной цилиндрической поверхностью разрезной втулки 10 образована полость 23 (фиг.2). При этом на наружной цилиндрической поверхности разрезной втулки 10 выполнена проточка 24, в которой установлено эластичное кольцо 25, прилегающее к внутренней поверхности гильзы 8. Между нижней торцевой поверхностью разрезной втулки 10 и верхней торцевой поверхностью направляющего выхлопного патрубка 13 образована торцевая полость 26.

Работает пневмоударник следующим образом. Из става штанг сжатый воздух подается в питающий канал 17 в задней части корпуса 1, откуда через канал 18 в гильзе 8 поступает в кольцевую камеру 11 холостого хода. Воздействуя на рабочую площадь ударника 2 со стороны этой камеры 11, сжатый воздух приводит в движение ударник 2, начинается холостой ход. Сжатый воздух со стороны этой камеры 11 воздействует и на поверхность торца разрезной втулки 10, охватывающей шейку 7 ударника 2, но её перемещению препятствует направляющий выхлопной патрубок 13. При движении ударника 2 головка 3 с отсечной кромкой 4 отсекает радиальные окна 14 направляющего выхлопного патрубка 13, изолируя кольцевую камеру 12 рабочего хода и связанную с ней торцевую камеру 9 рабочего хода. В дальнейшем отсечная кромка 6 хвостовика 5 открывает окно 16, сообщая его с кольцевой камерой 11 холостого хода. Из кольцевой камеры 11 холостого хода сжатый воздух через окно 16 поступает в торцевую камеру 9 рабочего хода, а через канал 15 - в кольцевую камеру 12 рабочего хода. Ввиду того, что рабочая площадь ударника 2 со стороны камер 9, 12 рабочего хода за счет использования разрезной втулки 10 значительно больше его рабочей площади со стороны камеры 11 холостого хода, ударник 2 под действием сжатого воздуха, воздействующего на рабочие площади со стороны этих камер 9, 12, резко тормозится и переводится на рабочий ход. При движении ударника 2 на рабочем ходу отсечная кромка 6 отсоединяет окно 16 от кольцевой камеры 11 холостого хода, прекращая впуск воздуха в камеры 9 и 12 рабочего хода. В дальнейшем движение ударника 2 осуществляется за счет инерции и за счет расширения сжатого воздуха.

Значительная величина рабочей площади ударника 2 со стороны камер 9 и 12 рабочего хода позволяет осуществлять торможение ударника 2 при более позднем впуске сжатого воздуха в эти камеры 9, 12, а это предопределяет, по бесклапанной схеме воздухораспределения, и более раннюю отсечку впуска сжатого воздуха при рабочем ходе, позволяет более полно использовать энергию расширения сжатого воздуха, что повышает экономичность машины. Увеличенная рабочая площадь ударника 2 со стороны камер 9, 12 рабочего хода позволяет легко преодолевать сопротивление со стороны постоянно находящейся под давлением кольцевой камеры 11 холостого хода.

При дальнейшем движении ударника 2 отсечная кромка 4 головки 3 открывает радиальные окна 14 в направляющем выхлопном патрубке 13, начинается выхлоп сжатого воздуха из кольцевой камеры 12 рабочего хода и из соединенной с ней торцевой камеры 9 рабочего хода. При этом воздух поступает через радиальные окна 14 в полость 22, откуда через каналы 21 - на забой скважины. В конце рабочего хода ударник 2 наносит удар по хвостовику буровой коронки 20, имеющей возможность осевого перемещения в гнезде буксы 19. Цикл повторяется.

В предложенной схеме исполнения пневмоударника ударник 2, совершая во время работы возвратно-поступательные перемещения, постоянно находится в контакте по цилиндрическим поверхностям с гильзой 8, разрезной втулкой 10 и направляющим выхлопным патрубком 13. Полости 26 и 23 вокруг разрезной втулки 10 дают возможность последней при холостом и рабочем ходе ударника 2 незначительно перемещаться в стороны и по ходу движения ударника 2. Использование «плавающей» разрезной втулки 10 позволяет избежать жесткого контакта наружной поверхности шейки 7 ударника 2 с внутренней цилиндрической поверхностью разрезной втулки 10, что повышает надежность пневмоударника. Эластичное кольцо 25, расположенное в проточке 24 и герметизирующее друг от друга кольцевые камеры холостого 11 и рабочего 12 хода, предотвращает перетечки сжатого воздуха между указанными камерами, значительно повышая ударную мощность пневмоударника.

Изобретение относится к горным машинам, а именно к погружным пневматическим ударным механизмам для бурения скважин по породам средней и высокой крепости, и может найти применение в горном деле и строительстве. Погружной пневмоударник содержит корпус, ударник, гильзу, разрезную втулку, питающий канал и буровую коронку с каналами. Ударник состоит из головки и хвостовика, соединенных шейкой и имеющих отсеченные кромки. Гильза охватывает хвостовик и образует с его торцом торцевую камеру рабочего хода. Разрезная втулка охватывает шейку ударника с образованием между ней и хвостовиком, между ней и головкой ударника соответственно кольцевых камер холостого и рабочего хода. Камера рабочего хода посредством канала и окна в гильзе постоянно связана с торцевой камерой рабочего хода. Питающий канал постоянно сообщен с кольцевой камерой холостого хода. Буровая коронка с каналами установлена в передней части корпуса с образованием между ней и торцом ударника полости, постоянно соединенной с атмосферой каналами в буровой коронке. В полости корпуса между буровой коронкой и разрезной втулкой установлен направляющий выхлопной патрубок, охватывающий головку ударника. В стенке направляющего выхлопного патрубка выполнены радиальные окна, постоянно открытые в полость между буровой коронкой и торцом ударника и имеющие возможность периодического открытия отсечной кромкой головки ударника в кольцевую камеру рабочего хода. Между цилиндрическими поверхностями разрезной втулки и гильзы и торцевыми поверхностями разрезной втулки и направляющего выхлопного патрубка образованы полости. Снаружи разрезной втулки выполнена проточка, в которой установлено эластичное кольцо, контактирующее с внутренней цилиндрической поверхностью гильзы. Обеспечивается повышение надежности и ударной мощности погружного пневмоударника. 2 ил.

Погружной пневмоударник, содержащий корпус, ударник, имеющий головку и хвостовик, соединенные шейкой и имеющие отсечные кромки, гильзу, охватывающую хвостовик и образующую с его торцом торцевую камеру рабочего хода, разрезную втулку, охватывающую шейку ударника с образованием между ней и хвостовиком, между ней и головкой ударника соответственно кольцевых камер холостого и рабочего хода, последняя из которых посредством канала и окна в гильзе постоянно связана с торцевой камерой рабочего хода, питающий канал, постоянно сообщенный с кольцевой камерой холостого хода, буровую коронку с каналами, установленную в передней части корпуса с образованием между ней и торцом ударника полости, постоянно соединенной с атмосферой каналами в буровой коронке, при этом в полости корпуса между буровой коронкой и разрезной втулкой установлен направляющий выхлопной патрубок, охватывающий головку ударника, а в стенке указанного патрубка выполнены радиальные окна, постоянно открытые в полость между буровой коронкой и торцом ударника и имеющие возможность периодического открытия отсечной кромкой головки ударника в кольцевую камеру рабочего хода, отличающийся тем, что между цилиндрическими поверхностями разрезной втулки и гильзы и торцевыми поверхностями разрезной втулки и направляющего выхлопного патрубка образованы полости, а снаружи разрезной втулки выполнена проточка, в которой установлено эластичное кольцо, контактирующее с внутренней цилиндрической поверхностью гильзы.