пневмоударник

Формула изобретения

Пневмоударник, содержащий цилиндр, соединенный с одной стороны с переходником, имеющим перегородку с центральным отверстием, с другой стороны - с головкой с закрепленным в ней долотом, расположенный внутри цилиндра с образованием полостей, одна из которых обращена к головке, а другая - к переходнику, поршень с центральным каналом, который выполнен с утолщением и имеет ударную часть, выполненную с возможностью вхождения в осевой канал головки, а в утолщенной части поршня в его центральном канале выполнены расточки и размещен золотник, пружину, установленную между переходником и торцом поршня для прижатия его к хвостовику долота, при этом поршень снабжен хвостовиком с закрепленной в нем втулкой, установленным с возможностью вхождения в центральное отверстие переходника, а в центральном канале поршня выполнены расточки, расположенные в три яруса, причем ближняя к переходнику и дальняя расточки F-образными каналами соединены между собой и с полостью цилиндра, обращенной к головке, средняя расточка -образными каналами соединена с полостью цилиндра, обращенной к переходнику, при этом золотник выполнен трубчатым и имеет внутри сплошную перегородку и боковые окна по обе стороны от перегородки, причем ближние к переходнику окна до перегородки совмещены с ближней к переходнику расточкой, а окна за перегородкой совмещены со средней расточкой, дальняя расточка перекрыта цилиндрической поверхностью золотника, при этом над ближними к переходнику окнами на наружной поверхности золотника образован кольцевой буртик, который разделяет ближнюю к переходнику расточку на две полости, одна из которых обращена к торцу хвостовика поршня, а другая полость сообщена с F-образными каналами с полостью цилиндра, обращенной к головке, причем буртик золотника прижат к торцу хвостовика поршня пружиной, расположенной между трубчатым золотником и внутренним уступом, образованным в месте уменьшения диаметра центрального канала поршня, отличающийся тем, что во втулке, закрепленной в хвостовике поршня, по наружной поверхности с торца, обращенного к буртику золотника, выполнены продольные глухие вырезы, устья которых выходят в полость ближней расточки над буртиком, а тупиковые части совмещены с радиальными отверстиями хвостовика поршня и в нерабочем положении пневмоударника сообщают полость расточки над буртиком с полостью цилиндра, обращенной к переходнику, а при рабочем ходе - с полостью переходника над перегородкой.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к ударным механизмам, используемым в качестве буровых устройств для проходки скважин в горной промышленности при подземной и открытой разработке месторождений полезных ископаемых.

При проходке таких скважин ударный механизм располагают непосредственно у забоя скважины, по ставу бурильных труб к механизму подводят сжатый воздух или воздушно-водяную смесь (далее “энергоноситель”).

Наиболее распространенной конструкцией является погружной ударный механизм М-1900, разработанный под руководством докт. техн. наук Б.В.Суднишникова (см. кн. Иванов К.И. и др. Техника бурения. М.: Недра, 1974, с.295, рис.184). Недостатком этой конструкции являются длинные каналы сравнительно малого сечения для подачи энергоносителя в рабочие камеры, выфрезерованные в толстостенном цилиндре и закрытые снаружи стальной рубашкой, что вызывает повышенные аэродинамические сопротивления при работе и требует дополнительных затрат энергии.

Указанные недостатки частично устранены в конструкции пневмоударника по заявке Российской Федерации № 2002111893/03(012474) от 6 мая 2002 г., по которой имеется положительное решение о выдаче патента от 15.09.2003 г.

Этот пневмоударник является наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам к данному изобретению и принят нами в качестве прототипа.

Он содержит цилиндр, соединенный с одной стороны с переходником, имеющим центральное отверстие, с другой стороны - с головкой с закрепленным в ней долотом, расположенный внутри цилиндра с образованием полостей, одна из которых обращена к головке, а другая - к переходнику, поршень с центральным каналом, который выполнен с утолщением и имеет ударную часть, выполненную с возможностью вхождения в осевой канал головки, а в утолщенной части поршня в его центральном канале выполнены расточки и размещен золотник, пружину, установленную между переходником и торцом поршня, для прижатия его к хвостовику долота, при этом поршень снабжен хвостовиком, установленным с возможностью вхождения в центральное отверстие переходника, а расточки в центральном канале поршня выполнены в три яруса, причем ближняя к переходнику и дальняя расточки F-образными каналами соединены между собой и с полостью цилиндра, обращенной к головке, средняя расточка -образными каналами соединена с полостью цилиндра, обращенной к переходнику, при этом золотник выполнен трубчатым и имеет внутри сплошную перегородку и боковые окна по обе стороны от перегородки, причем ближние к переходнику окна до перегородки совмещены с ближней к переходнику расточкой, а окна за перегородкой совмещены со средней расточкой, дальняя расточка перекрыта цилиндрической поверхностью золотника, при этом над ближними к переходнику окнами на наружной поверхности золотника образован кольцевой буртик, который разделяет ближнюю к переходнику расточку на две полости, одна из которых, обращенная к торцу хвостовика поршня, сообщена с выточкой поршня, а другая полость сообщена с F-образными каналами, причем буртик золотника прижат к торцу хвостовика поршня пружиной, расположенной между трубчатым золотником и внутренним уступом, образованным в месте уменьшения диаметра центрального канала поршня.

Недостатком прототипа является наличие выточки по наружной поверхности поршня и постоянное сообщение ее и с затрубным пространством скважины и с полостью ближней расточки над буртиком, это не исключает засорения их шламом, так как в периоды переброски золотника в направлении к головке, он всасывает шлам из затрубного пространства, что может привести к заклиниванию поршня и прекращению работы пневмоударника.

Задачей изобретения является устранение отмеченного недостатка прототипа и исключение зашламования внутренних полостей пневмоударника в процессе бурения.

Это достигается тем, что в пневмоударнике, содержащем цилиндр, соединенный с одной стороны с переходником, имеющим перегородку с центральным отверстием, с другой стороны - с головкой с закрепленным в ней долотом, расположенный внутри цилиндра с образованием полостей, одна из которых обращена к головке, а другая - к переходнику, поршень с центральным каналом, который выполнен с утолщением и имеет ударную часть, выполненную с возможностью вхождения в осевой канал головки, а в утолщенной части поршня в его центральном канале размещен золотник, пружину, установленную между переходником и торцом поршня, для прижатия его к хвостовику долота, при этом поршень снабжен хвостовиком, установленным с возможностью вхождения в центральное отверстие переходника, а в центральном канале поршня выполнены расточки, расположенные в три яруса, причем ближняя к переходнику и дальняя расточки F-образными каналами соединены между собой и с полостью цилиндра, обращенной к головке, средняя расточка -образными каналами соединена с полостью цилиндра, обращенной к переходнику, при этом золотник выполнен трубчатым и имеет внутри сплошную перегородку и боковые окна по обе стороны от перегородки, причем ближние к переходнику окна до перегородки совмещены с ближней к переходнику расточкой, а окна за перегородкой совмещены со средней расточкой, дальняя расточка перекрыта цилиндрической поверхностью золотника, при этом над ближними к переходнику окнами на наружной поверхности золотника образован кольцевой буртик, который разделяет ближнюю к переходнику расточку на две полости, одна из которых, обращена к торцу хвостовика поршня, а другая полость сообщена с F-образными каналами, в полости хвостовика поршня, обращенной к переходнику, закреплена втулка, у которой по наружной поверхности с торца, обращенного к буртику золотника, выполнены продольные глухие вырезы, устья которых выходят в полость ближней расточки над буртиком, а тупиковые части совмещены с радиальными отверстиями хвостовика поршня и в нерабочем положении пневмоударника сообщают полость расточки над буртиком с полостью цилиндра, обращенной к переходнику, а при рабочем ходе - с полостью переходника над перегородкой, причем буртик золотника прижат к торцу втулки пружиной, расположенной между трубчатым золотником и внутренним уступом, образованным в месте уменьшения диаметра центрального канала поршня.

Для нормальной работы пневмоударника в цилиндре предусмотрены щелевые отверстия, ограничивающие рабочий и холостой ход поршня, а для подачи в забой скважины отработанного энергоносителя на удаление продуктов разрушения в головке выполнены наклонные каналы.

Сущность изобретения поясняется чертежом (фиг.1), на котором показан вертикальный разрез пневмоударника для бурения скважин.

Пневмоударник содержит цилиндр 1, соединенный с одной стороны с переходником 2, имеющим перегородку 32 с центральным отверстием 3, с другой стороны - с головкой 4 с закрепленным в ней долотом 5, расположенный внутри цилиндра с образованием двух полостей, одна из которых 6 обращена к головке 4, а другая - 7 к переходнику 2, поршень 8, с центральным каналом 9, который выполнен с утолщением и имеет ударную часть 10, выполненную с возможностью вхождения в осевой канал 11 головки 4, а в утолщенной части поршня 8 в его центральном канале 9 выполнены расточки и размещен золотник 12, пружину 13, установленную между переходником 2 и торцом поршня 8 для прижатия его к хвостовику 14 долота 5, при этом поршень 8 снабжен хвостовиком 15, установленным с возможностью вхождения в центральное отверстие 3 переходника 2, а расточки в центральном канале 9 поршня 8 выполнены в три яруса, причем ближняя к переходнику расточка 16 и дальняя 18 F-образными каналами соединены между собой и с полостью 6 цилиндра, обращенной к головке 4, средняя расточка 17 -образными каналами соединена с полостью 7 цилиндра 1, обращенной к переходнику 2, при этом золотник 12 выполнен трубчатым и имеет внутри сплошную перегородку 19 и боковые окна по обе стороны от перегородки, причем ближние к переходнику 2 окна 20 до перегородки 19, совмещены с ближней к переходнику расточкой 16, а окна 21 за перегородкой совмещены со средней расточкой 17, дальняя расточка 18 перекрыта цилиндрической поверхностью золотника 12, при этом над ближними к переходнику 2 окнами 20 на наружной поверхности золотника 12 образован кольцевой буртик 22, который разделяет ближнюю к переходнику 2 расточку 16 на две полости, одна из которых 23, обращенная к торцу втулки 24, сообщена с продольными глухими вырезами 25 и радиальными отверстиями 26 хвостовика 15 поршня 8 в нерабочем положении пневмоударника сообщена с полостью 7 цилиндра 1, обращенной к переходнику 2, другая полость расточки 16 F-образными каналами сообщена с полостью цилиндра 1, обращенной к головке 4, причем буртик 22 золотника 12 прижат к торцу втулки 24 пружиной 27, расположенной между трубчатым золотником 12 и внутренним уступом 28, образованным в месте уменьшения диаметра центрального канала поршня 8.

Для нормальной работы пневмоударника в цилиндре 1 выполнены щелевые отверстия 29 и 30, а для подачи в забой скважины отработанного энергоносителя на удаление продуктов разрушения в головке 4 выполнены наклонные каналы 31.

Предлагаемый пневмоударник работает следующим образом. Для проходки скважины переходник 2 соединяют с буровым ставом, по которому подают энергоноситель (сжатый воздух или воздушно-водяную смесь, далее PA - рабочий агент), из переходника 2 PA под давлением поступает в центральном канал втулки 24, закрепленной в хвостовике 15 поршня 8, затем попадает в канал трубчатого золотника 12, из него через боковые окна 20 PA поступает в расточку 16, давит на кольцевую площадь буртика 22, удерживая его от смещения в дополнение к усилию пружины 27, и по F-образному каналу идет в полость 6 цилиндра 1, воздействует на кольцевую площадь полости 6 поршня 8 и перемещает его в направлении к переходнику 2. Это холостой ход поршня 8. Из полости 7 цилиндра 1 PA вытесняется по -образным каналам через расточку 17, окна 21, центральный канал золотника 12, канал 9 и осевой канал ударной части 10 поршня 8 и наклонные каналы 31 головки 4 на забой скважины.

Перемещаясь к переходнику 2, поршень 8 сначала ускоряется, а затем замедляется по мере сжатия пружины 13 вплоть до полной остановки.

К этому моменту кольцевой торец поршня 8 со стороны полости 6 откроет щелевое отверстие 30, выходящее в затрубное пространство скважины, поэтому давление в полости 6, F-образных каналах и расточке 16 резко упадет и в это же время радиальные отверстия 26 выйдут в полость сетевого давления переходника 2, через них РА под сетевым давлением по продольным вырезам 25 втулки 24 поступит в полость 23 над буртиком 22 и перебросит золотник 12 в направлении к головке 4, при этом боковая поверхность буртика 22 закроет вход РА под давлением в F-образные каналы, боковые окна 20 золотника 12 совместятся с расточкой 17, а окна 21 займут положение напротив расточки 18.

Теперь РА под давлением через боковые окна 20, расточку 17 и -образные каналы будет поступать в полость 7 цилиндра 1, давить на кольцевую площадь поршня 8, такое же давление РА будет оказывать и на торец хвостовика 15, будет воздействовать на поршень 8 в направлении к головке 4 и упругая сила пружины 13, поэтому поршень 8 ускоренно пойдет к хвостовику 14 долота 5, начнется рабочий ход. Пружина 27 под золотником 12 будет сжата до расчетного значения и будет находится в этом состоянии, так как после того, как радиальные отверстия 26 войдут в область отверстия 3 переходника 2, в вырезах 25 и полости 23 над буртиком 22 будет герметизировано сетевое давление РА. Из полости 6 цилиндра 1 отработавший энергоноситель будет вытесняться по F-образным каналам в расточку 18, боковые окна 21, центральный канал золотника 12 ниже перегородки 19, канал 9, осевой канал ударной части 10 и наклонные каналы 31 головки 4 на забой скважины.

В конце рабочего хода поршня 8 ударная часть 10 нанесет резкий удар по хвостовику 14 долота 5, в то же время кольцевой торец поршня 8 откроет щелевые отверстия 29, выходящие в затрубное пространство, а радиальные отверстия 26 выйдут из отверстия 3 в полость 7. В результате этого давление РА в полости 7, радиальных отверстиях 26, вырезах 25 и полости 23 упадет и усилие сжатой пружины 27, действующей в направлении к переходнику 2, будет больше, чем усилие РА, действующее на золотник 12 в направлении к головке 4, поэтому золотник 12 будет переброшен в направлении к переходнику 2 до упора буртика 22 в торец втулки 24, при этом окна 20 будут совмещены с расточкой 16 (положение деталей, показанное на фиг.1). РА под сетевым давлением будет поступать в полость 6 цилиндра 1 и цикл работы повторится в описанной выше последовательности.