машина ударного действия

Формула изобретения

Машина ударного действия, включающая ударный механизм с полым корпусом, рабочим инструментом, смонтированным в нем, ударником, размещенным в полости корпуса и разделяющим ее на две изолированные от внешней среды рабочие камеры - переднюю и заднюю, пневматический пульсатор, выполненный в виде полого корпуса с размещенным в нем вытеснителем, кинематически связанным с двигателем и разделяющим полость корпуса пневматического пульсатора на рабочую и разгрузочную полости, сообщенные посредством воздухопроводящих рукавов соответственно с задней и передней камерами полого корпуса ударного механизма, нагнетатель, выполненный в виде присоединенного к пневматическому пульсатору полого корпуса с размещенными в нем обратным клапаном и плунжером, связанным с вытеснителем, ресивер, сообщенный воздухопроводящими рукавами с нагнетателем и пневматическим пульсатором, отличающаяся тем, что она снабжена средством для изменения формы диаграмм давления воздуха в рабочей и разгрузочной полостях пневматического пульсатора отдельно в каждой из них или совместно с другой из этих полостей, при этом указанное средство выполнено в виде двух многоступенчатых, например трехступенчатых, регулируемых дросселей, установленных в воздухопроводящие рукава, сообщающие ресивер с рабочей и разгрузочной полостями пневматического пульсатора.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое техническое решение относится к ударным машинам и предназначено для использования в горном деле и строительстве при бурении скважин, забивании в грунт и извлечении из него металлических труб.

Известна машина ударного действия по авт. св. СССР №1052627, кл. Е 02 D 7/10 // Е 21 С 3/20, опубл. в БИ №41, 1983, включающая полый корпус, рабочий инструмент, смонтированный в корпусе, ударник, размещенный в полости корпуса и разделяющий указанную полость на две рабочие камеры - переднюю и заднюю, сообщенный с последней посредством воздухопроводящего рукава пневматический пульсатор в виде полого корпуса с подвижным вытеснителем, кинематически связанным с двигателем, при этом передняя и задняя рабочие камеры изолированы от внешней среды и сообщены между собой каналом малого проходного сечения.

Недостаток известной машины - невозможность регулирования величины энергии удара ударника по инструменту и относительно малая удельная мощность из-за низкого перепада давлений воздуха между передней и задней рабочими камерами, который не превышает 0,03-0,04 МПа.

Известна машина ударного действия по авт. св. №1106878, кл. Е 02 F 5/18, опубл. в БИ №29, 1984, выполненная по авт. св. СССР №1052627, кл. Е 02 D 7/10 // Е 21 С 3/20, опубл. в БИ №41, 1983, которая с целью обеспечения реверсирования ее хода снабжена средством для изменения формы диаграммы давления воздуха в рабочей полости пульсатора.

Недостаток известной машины, снижающий эффективность ее применения, - невысокая удельная мощность, так как при каждом рабочем ходе вытеснителя рабочая полость пульсатора сообщается с атмосферой.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту является машина ударного действия по авт. св. СССР №1382913, кл. Е 02 D 7/10, Е 21 С 3/20, опубл. в БИ №11, 1988, выполненная по авт. св. СССР №1052627, кл. Е 02 D 7,10 // Е 21 С 3/20, опубл. в БИ №41, 1983, пневматический пульсатор, который оснащен сообщенными с ним через компенсационные отверстия ресивером и нагнетателем.

Указанная машина обладает высокой удельной мощностью, так как ее нагнетатель обеспечивает значительный перепад давлений между передней и задней рабочими камерами ударного механизма. Недостаток машины - невозможность реверсирования хода, необходимого, например, при извлечении ее из скважины, что не обеспечивает эффективность ее действия.

Технической задачей предлагаемого решения является повышение эффективности действия и расширение области применения машины ударного действия за счет обеспечения возможности изменения в широких пределах энергии удара при прямом и обратном ее ходе.

Поставленная задача решается тем, что машина ударного действия, включающая ударный механизм с полым корпусом, рабочим инструментом, смонтированным в нем, ударником, размещенным в полости корпуса и разделяющим ее на две изолированные от внешней среды рабочие камеры - переднюю и заднюю, пневматический пульсатор, выполненный в виде полого корпуса с размещенным в нем вытеснителем, кинематически связанным с двигателем и разделяющим полость корпуса пневматического пульсатора на рабочую и разгрузочную полости, сообщенные посредством воздухопроводящих рукавов соответственно с задней и передней камерами полого корпуса ударного механизма, нагнетатель, выполненный в виде присоединенного к пневматическому пульсатору полого корпуса с размещенными в нем обратным клапаном и плунжером, связанным с вытеснителем, ресивер, сообщенный воздухопроводящими рукавами с нагнетателем и пневматическим пульсатором, согласно техническому решению снабжена средством для изменения формы диаграмм давления воздуха в рабочей и разгрузочной полостях пневматического пульсатора отдельно в каждой из них или совместно с другой из этих полостей, при этом указанное средство выполнено в виде двух многоступенчатых, например трехступенчатых, регулируемых дросселей, установленных в воздухопроводящие рукава, сообщающие ресивер, с рабочей и разгрузочной полостями пневматического пульсатора.

Снабжение машины ударного действия средством для изменения формы диаграмм давления воздуха в рабочей и разгрузочной полостях пневматического пульсатора отдельно в каждой из них или совместно с другой из этих полостей обеспечивает возможность изменения в широких пределах энергии удара при прямом и обратном ходе указанной машины, что повышает эффективность действия и расширяет область ее применения при проходке, например, глухих скважин или забивании в грунт и извлечении из него металлических труб, стержней различного диаметра и длины.

Выполнение средства для изменения формы диаграмм давления воздуха в рабочей и разгрузочной полостях пневматического пульсатора в виде двух многоступенчатых, например трехступенчатых, регулируемых дросселей обеспечивает четкую повторяемость значений энергии удара ударного механизма при одних и тех же положениях указанных дросселей, что повышает эффективность работы машины ударного действия при выполнении уже известного вида работ, например забивании в грунт труб одинакового диаметра и длины.

Установка двух многоступенчатых, например трехступенчатых, регулируемых дросселей в воздухопроводящие рукава, сообщающие ресивер с рабочей и разгрузочной полостями пневматического пульсатора, обеспечивает высокую удельную мощность машины ударного действия при прямом и обратном ходе, что повышает эффективность ее применения.

Сущность предлагаемого технического решения иллюстрируется примером конкретного исполнения и чертежами, где на фиг.1 показана машина ударного действия в продольном разрезе; на фиг.2 - один из вариантов положения многоступенчатых, например трехступенчатых, регулируемых дросселей при работе машины в режиме прямого хода; на фиг.3 то же, при работе в режиме обратного хода.

Машина ударного действия (далее - машина) состоит (фиг.1) из ударного механизма 1, пневматического пульсатора 2 (далее - пульсатор), нагнетателя 3, ресивера 4 и двух многоступенчатых, например трехступенчатых, регулируемых дросселей 5, 6 (далее - дроссели).

Ударный механизм 1 включает полый корпус 7, смонтированный в нем рабочий инструмент 8, ударник 9, размещенный в полости корпуса 7 с возможностью перемещения по оси. Ударник 9 разделяет полость корпуса 7 на две изолированные от внешней среды рабочие камеры - переднюю 10 и заднюю 11.

Основными элементами пульсатора 2 являются: полый корпус 12 и вытеснитель 13, разделяющий полость корпуса 12 пульсатора 2 на рабочую 14 и разгрузочную 15 полости, соединенные воздухопроводящими рукавами 16, 17 соответственно с задней 11 и передней 10 рабочими камерами полого корпуса 7 ударного механизма 1. Вытеснитель 13 перемещается вдоль оси полого корпуса 12 пульсатора 2 с помощью, например, кривошипно-шатунного механизма, приводимого в действие электрическим двигателем (не показаны). Нагнетатель 3 соединен с полым корпусом 12 пульсатора 2 и состоит из полого корпуса 18 с размещенными в нем плунжером 19, связанным с вытеснителем 13, и обратным клапаном 20. На боковой стенке полого корпуса 18 нагнетателя 3 выполнено впускное отверстие 21. Для подачи сжатого воздуха от нагнетателя 3 к ресиверу 4 служит воздухопроводящий рукав 22.

Дроссели 5, 6 установлены соответственно в воздухопроводящие рукава 24, 23, сообщающие ресивер 4 с разгрузочной 15 и рабочей 14 полостями пульсатора 2. Площади проходных сечений S₁, S₂, S₃ дросселя 6 (фиг.2) и S’₁, S’₂, S’₃ дросселя 5 (фиг.3) выбраны так, что S₁>S₂>S₃ и S’₁>S’₂>S’_3, причем не обязательно, что S₁=S’₁, S₂=S’₂, S₃=S’₃.

В средней части боковой стенки полого корпуса 12 пульсатора 2 выполнено отверстие 25, посредством которого рабочая 14 и разгрузочная 15 полости его периодически сообщаются воздухопроводящим рукавом 26 с ресивером 4.

Машина (фиг.1) работает следующим образом.

При включенном двигателе вытеснитель 13 пульсатора 2 перемещается возвратно-поступательно по периодическому закону. При этом давление воздуха в рабочей 14 и разгрузочной 15 полостях пульсатора 2, в воздухопроводящих рукавах 16, 17, задней 11 и передней 10 рабочих камерах ударного механизма 1 изменяется (при установившемся режиме работы) по некоторому периодическому закону с периодом, равным периоду движения вытеснителя 13. Под действием периодически изменяющейся разности давлений в передней 10 и задней 11 рабочих камерах ударник 9 в зависимости от режима работы (прямой или обратный ход) наносит удары по рабочему инструменту 8 или по задней торцевой стенке корпуса 7 ударного механизма 1. Во время работы машины рабочая 14 и разгрузочная 15 полости пульсатора 2 при каждом рабочем цикле сообщаются с ресивером 4 посредством воздухопроводящего рукава 26.

Плунжер 19 нагнетателя 3, связанный с вытеснителем 13, движется возвратно-поступательно и нагнетает воздух в ресивер 4. Когда давление воздуха в ресивере 4 достигает расчетной величины, подача воздуха в него прекращайся. Величина рабочего давления воздуха в ресивере 4 зависит от степени сжатия в нагнетателе 3 и определяется конструктивными параметрами нагнетателя 3 и настройкой обратного клапана 20. В период времени, когда нагнетатель 3 не подает сжатый воздух в ресивер 4, он практически не расходует энергию: энергия, израсходованная на сжатие воздуха в нагнетателе 3 при прямом ходе плунжера 19, совершает полезную работу при обратном его ходе.

Настройка машины на определенный режим работы осуществляется следующим образом.

При прямом ходе машины (фиг.2) рабочая полость 14 пульсатора 2 разобщена с ресивером 4 дросселем 6, который перекрывает канал воздухопроводящего рукава 23. Разгрузочная полость 15 пульсатора 2 сообщена с ресивером 4 одним из проходных сечений S’₁, S’₂, S’₃ дросселя 5, например, проходным сечением S’₁. При перемещении вытеснителя 13 влево (по чертежу) от среднего относительно корпуса 12 пульсатора 2 положения давление воздуха в рабочей полости 14 пульсатора, воздухопроводящем рукаве 16 и задней рабочей камере 11 ударного механизма 1 (фиг.1) многократно повышается относительно давления воздуха в ресивере 4. В разгрузочной полости 15 пульсатора 2, воздухопроводящем рукаве 17 и передней рабочей камере 10 ударного механизма 1 (фиг.1) вначале, до открытия вытеснителем 13 отверстия 25, понижается относительно давления в ресивере 4, так как воздухопроводящий рукав 24 частично перекрыт проходным сечением S’₁ дросселя 5. После открытия отверстия 25 оно выравнивается с давлением воздуха в ресивере 4. Под действием значительной разности давлений воздуха в задней 11 (высокое давление) и передней 10 (относительно низкое давление) рабочих камерах ударного механизма 1 ударник 9 ударяет по инструменту 8.

При перемещении вытеснителя 13 вправо (по чертежу), до открытия отверстия 25, давление воздуха в рабочей полости 14 пульсатора 2, воздухопроводящем рукаве 16, задней рабочей камере 11 ударного механизма 1 понижаемся, так как воздухоироводящий рукав 23 перекрыт дросселем 6. После открытия отверстия 25 выравнивается с давлением воздуха в ресивере 4. В разгрузочной полости 15 пульсатора 2, воздухопроводящем рукаве 17, передней рабочей камере 10 ударного механизма 1, до момента закрытия отверстия 25 вытеснителем 13, давление воздуха равно давлению в ресивере 4. После перекрытия отверстия 25 вытеснителем 13 давление воздуха в разгрузочной полости 15 пульсатора 2, воздухопроводящем рукаве 17 и передней рабочей камере 10 ударного механизма 1 несколько повышается относительно давления в ресивере 4 вследствие газодинамического сопротивления проходного сечения S’₁ дросселя 5. Под действием относительно небольшой разности давлений в передней 10 (повышенное давление) и задней 11 (давление, равное давлению в ресивере 4) рабочих камерах ударного механизма 1 ударник 9 останавливаемся в правой части корпуса 7 без удара по его торцу.

При обратном ходе машины (фиг.3) рабочая полость 14 пульсатора 2 сообщена с ресивером 4 одним из проходных сечений, например сечением S₁ дросселя 6, разгрузочная полость 15 разобщена с ним дросселем 5, который перекрывает канал воздухопроводящего рукава 24.

При перемещении вытеснителя 13 влево (по чертежу) от его среднего относительно корпуса 12 пульсатора 2 положения давление воздуха в рабочей полости 14 пульсатора 2, воздухопроводящем рукаве 16, задней рабочей камере 11 ударного механизма 1 несколько повышается относительно давления воздуха в ресивере 4 вследствие газодинамического сопротивления проходного сечения S₁ дросселя 6. В разгрузочной полости 15 пульсатора 2, воздухопроводящем рукаве 17 и передней рабочей камере 10 ударного механизма 1 (фиг.1), до момента открытия вытеснителем 13 отверстия 25, давление воздуха понижается; при его открытии - выравнивается с давлением в ресивере 4. Под действием относительно небольшой разности давлений в передней 10 (давление равно давлению в ресивере 4) и задней 11 (давление, повышенное относительно давления в ресивере 4) рабочих камерах ударник 9 останавливается в корпусе 7 без удара по инструменту 8.

При перемещении вытеснителя 13 вправо (по чертежу), до момента открытия отверстия 25, давление воздуха в рабочей полости 14 пульсатора 2, воздухопроводящем рукаве 16, задней рабочей камере 11 ударного механизма 1 понижается относительно давления в ресивере 4 вследствие газодинамического сопротивления проходного сечения S₁ дросселя 6; после его открытия - выравнивается с давлением в ресивере 4. В разгрузочной полости 15 пульсатора 2, воздухопроводящем рукаве 17 и передней рабочей камере 10 ударного механизма 1 давление воздуха, до момента закрытия вытеснителем 13 отверстия 25, равно давлению в ресивере 4. После закрытия указанного отверстия давление воздуха в разгрузочной полости 15, рукаве 17 и камере 10 возрастает многократно, так как разгрузочная полость 15 разобщена с ресивером 4 дросселем 5. Под действием большого перепада давлений воздуха в передней 10 (высокое давление) и задней 11 (низкое давление) рабочих камерах ударник 9 ударят по заднему торцу корпуса 7.

Таким образом, под действием периодически изменяющейся разности давлении воздуха в передней 10 и задней 11 рабочих камерах ударного механизма 1 ударник 9 наносит удары по инструменту 8 или по заднему торцу корпуса 7 ударною механизма 1, т.е. машина совершает прямой или обратный ход.

Форма диаграммы давления воздуха и, следовательно, энергия удара ударника 9 по корпусу 7 или рабочему инструменту 8 регулируется подбором проходных сечений дросселей 5 и 6. Чем меньше, например, проходное сечение дросселя 6, тем больше разность давлений воздуха в задней 11 и передней 10 рабочих камерах ударного механизма 1 и больше энергия удара ударника 9 по инструменту 8. И, наоборот, чем меньше проходное сечение дросселя 5, тем больше энергия удара ударника 9 по заднему торцу корпуса 7.

При перекрытых дросселями 5,6 воздухопроводящих рукавах 24, 23 ударный механизм 1 работает и качестве вибратора: ударник 9 периодически наносит удары по инструменту 8 и заднему торцу корпуса 7. Этим достигается, в частности, расширение области применения машины.