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, поршень, расположенный внутри цилиндра с образованием полостей, связанных посредством щелевых отверстий с затрубным пространством, при этом одна из полостей обращена к головке, в которой выполнены наклонные каналы для подачи рабочего агента на забой скважины, а другая - к переходнику, поршень, имеющий центральный канал, выполнен с утолщением и ударной частью, которая входит в осевой канал головки, 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, расточки, выполненные в центральном канале поршня, расположены 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 боковые окна до перегородки совмещены с ближней к переходнику расточкой, а боковые окна за перегородкой совмещены со средней расточкой, дальняя расточка перекрыта цилиндрической поверхностью трубчатого золотника, при этом над ближними к переходнику боковыми окнами на наружной поверхности трубчатого золотника образован кольцевой буртик, который разделяет ближнюю к переходнику расточку на две полости, одна из которых обращена к торцу хвостовика поршня, а другая полость F-образными каналами сообщена с полостью цилиндра, обращенной к головке, причем трубчатый золотник подпружинен 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 трубчатого 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.

Наиболее распространенной конструкцией является пневмоударник М-1900, разработанный под руководством доктора технических наук Б.В.Суднишникова (см. Иванов К.И. и др. Техника бурения. М.: Недра, 1974, с.295, рис.184). Недостатками этой конструкции являются длинные каналы сравнительно малого сечения для подачи сжатого воздуха в рабочие камеры, выфрезерованные в тонкостенном цилиндре и закрытые снаружи стальной рубашкой, что вызывает повышенные аэродинамические сопротивления при работе и требует дополнительных затрат энергии, увеличенного расхода воздуха.

Указанные недостатки устранены в пневмоударнике по заявке №2002111893 от 06.05.2002 г., по которой выдан патент на изобретение №2224868, зарегистрированный 27.02.2004 г.

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

Принятый в качестве прототипа пневмоударник содержит цилиндр, соединенный с одной стороны с переходником, имеющим центральное отверстие, с другой стороны - с головкой с закрепленным в ней долотом, имеющим хвостовик, поршень, расположенный внутри цилиндра, с образованием двух полостей, одна из которых подпоршневая обращена к головке, а другая, надпоршневая, - 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 трубчатый золотник, рабочую 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, и на его наружной поверхности образована выточка, 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 подпоршневой полостью цилиндра, обращенной к головке, средняя расточка -образными каналами соединена с надпоршневой 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 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.

Основным недостатком прототипа является недостаточная надежность работы узла распределения энергоносителя, обусловленная тем, что поршень и хвостовик, обращенный к переходнику, выполнены составными, они соединены между собой резьбою. В ударном режиме работы при частоте 1500-2000 ударов в минуту очень трудно обеспечить надежность резьбового соединения, так как в процессе вибрации резьбовые соединения ослабляются и развинчиваются, при ослаблении и ударах резьба деформируется и выходит из строя, не может обеспечить требуемую соосность соединения и надежную работу трубчатого золотника, главной детали узла распределения энергоносителя.

Другим недостатком прототипа является (см. описание и фиг.1 заявки 2002111893) наличие на утолщенной части поршня выточки, которая образует между внутренней поверхностью цилиндра и выточкой поршня кольцевую камеру, сообщающуюся с одной стороны посредством щелевых отверстий с затрубным пространством, а с другой стороны с полостью над буртиком трубчатого золотника. Постоянное соединение указанных полостей с затрубным пространством вызвано необходимостью удерживания трубчатого золотника в крайнем верхнем положении при холостом ходе поршня, а также гарантией переброски трубчатого золотника вниз в конце холостого хода на рабочий ход.

Однако это решение чревато высокой вероятностью засасывания мелких абразивных частиц разрушенной породы из затрубного пространства в указанные полости при работе пневмоударника и заклинивания поршня в цилиндре.

Главной задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков прототипа усовершенствованием узла распределения энергоносителя с обеспечением подачи в забой скважины максимально возможного количества отработанного рабочего агента для интенсивной очистки скважины, что может быть выполнено, если не делать выточку в поршне, а кольцевую камеру над буртиком трубчатого золотника соединять не с затрубным пространством, а попеременно с надпоршневой полостью цилиндра, когда из нее производится слив рабочего агента, либо с полостью переходника, где поддерживается сетевое давление энергоносителя.

Решению этой технической задачи и посвящено предлагаемое изобретение.

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, поршень, расположенный внутри цилиндра с образованием полостей, связанных посредством щелевых отверстий с затрубным пространством, при этом одна из полостей обращена к головке, в которой выполнены наклонные каналы для подачи рабочего агента на забой скважины, а другая - к переходнику, поршень, имеющий центральный канал, выполнен с утолщением и ударной частью, которая входит в осевой канал головки, 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, расточки в центральном канале поршня расположены 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 боковые окна до перегородки совмещены с ближней к переходнику расточкой, а боковые окна за перегородкой совмещены со средней расточкой, дальняя расточка перекрыта цилиндрической поверхностью трубчатого золотника, при этом над ближними к переходнику боковыми окнами на наружной поверхности трубчатого золотника образован кольцевой буртик, который разделяет ближнюю к переходнику расточку на две полости, одна из которых обращена к торцу хвостовика поршня, а другая полость F-образными каналами сообщена с полостью цилиндра, обращенной к головке, причем трубчатый золотник подпружинен пружиной, расположенной между трубчатым золотником и внутренним уступом, образованным в месте уменьшения диаметра центрального канала поршня, 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.

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 3 с центральным отверстием 4, с другой стороны - с головкой 5, с закрепленный в ней долотом 6, поршень 7, расположенный внутри цилиндра 1 с образованием полостей 8 и 9, связанных посредством щелевых отверстий 10 и 11 с затрубным пространством, при этом одна из полостей 9 обращена к головке 5, в которой выполнены наклонные каналы 12 для подачи рабочего агента на забой скважины, а другая 8 - к переходнику 2, поршень 7 имеет центральный канал 13, выполнен с утолщением в средней части и имеет ударную часть 14, которая входит в осевой канал 15 головки 5, в утолщенной части поршня, в его центральном канале 13 выполнены расточки 16, 17 и 18, расположенные в три яруса, и размещен золотник 19, пружину 20, установленную между переходником 2 и торцом поршня 7, для прижатия его ударной части 14 к хвостовику 21 долота 6, при этом поршень 7 снабжен хвостовиком 29, установленным с возможностью вхождения в центральное отверстие 4 перегородки 3 переходника 2, ближняя 16 к переходнику 2 и дальняя 18 расточки центрального канала 13 поршня 7 F-образными каналами соединены между собой и с полостью 9 цилиндра 1, обращенной к головке 5, средняя расточка 17 -образными каналами соединена с полостью 8 цилиндра 1, обращенной к переходнику 2, при этом золотник 19 выполнен трубчатым и имеет внутри сплошную перегородку 22 и боковые окна по обе стороны от перегородки 22, причем ближние к переходнику 2 боковые окна 23 до перегородки 22 совмещены с ближней к переходнику 22 расточкой 16, а боковые окна 24 за перегородкой 22 совмещены со средней расточкой 17, дальняя расточка 18 перекрыта цилиндрической поверхностью трубчатого золотника 19, при этом над ближними к переходнику 2 боковыми окнами 23 на наружной поверхности трубчатого золотника 19 образован кольцевой буртик 25, который разделяет ближнюю к переходнику 2 расточку 16 на две полости, одна из которых обращена к торцу хвостовика 29 поршня 7, а другая полость F-образными каналами сообщена с полостью цилиндра 1, обращенной к головке 5, причем трубчатый золотник 19 подпружинен пружиной 26, расположенной между трубчатым золотником 19 и внутренним уступом 27, образованным в месте уменьшения диаметра центрального канала 13 поршня 7, в хвостовике 29 поршня 7 закреплена втулка 28, по наружной поверхности которой выполнены продольные глухие вырезы 30, устья которых выходят в полость ближней расточки 16 над буртиком 25, а тупиковые части совмещены с радиальными отверстиями 31 хвостовика 29 поршня 7 и в нерабочем положении пневмоударника сообщают полость расточки 16 над буртиком 25 с полостью цилиндра 1, обращенной к переходнику 2, а при рабочем ходе - с полостью 32 переходника 2.

Предлагаемый пневмоударник работает следующим образом. Для проходки скважины пневмоударник соединяют со ставом буровых труб, которые при помощи бурового станка вращают и прижимают долото 6 к забою, в полость 32 переходника 2 подают рабочий агент (далее РА) под давлением. Из переходника 2 PA поступает в центральный канал втулки 28, закрепленной в хвостовике 29 поршня 7, затем попадает в канал трубчатого золотника 19, из него через боковые окна 23 РА поступает в расточку 16, давит на кольцевую площадь буртика 25, удерживая его от смещения в дополнение к усилию пружины 26, и по F-образному каналу идет в полость 9 цилиндра 1, воздействует на кольцевую площадь полости 9 поршня 7 и перемещает его в направлении к переходнику 2. Это холостой ход поршня 7. Из полости 8 цилиндра 1 РА вытесняется по -образным каналам через расточку 17, окна 24, центральный канал золотника 19, канал 13 и осевой канал ударной части 14 поршня 7 и наклонные каналы 12 головки 5 на забой скважины.

Перемещаясь к переходнику 2, поршень 7 сначала ускоряется, а затем замедляется по мере сжатия пружины 20 вплоть до полной остановки.

К этому моменту кольцевой торец поршня 7 со стороны полости 9 откроет щелевое отверстие 11, выходящее в затрубное пространство скважины, поэтому давление в полости 9, F-образных каналах и расточке 16 резко упадет и в это же время радиальные отверстия 31 выйдут в полость сетевого давления переходника 2, через них РА под сетевым давлением по продольным вырезам 30 втулки 28 поступит в полость над буртиком 25 и перебросит золотник 19 в направлении к головке 5, при этом боковая поверхность буртика 25 закроет вход РА под давлением в F-образные каналы, боковые окна 23 золотника 19 совместятся с расточкой 17, а окна 24 займут положение напротив расточки 18.

Теперь РА под давлением через боковые окна 23, расточку 17 и -образные каналы будет поступать в полость 8 цилиндра 1, давить на кольцевую площадь поршня 7, такое же давление РА будет оказывать и на торец хвостовика 29, будет воздействовать на поршень 7 в направлении к головке 5 и упругая сила пружины 10, поэтому поршень 7 ускоренно пойдет к хвостовику 21 долота 6, начнется рабочий ход. Пружина 26 под золотником 19 будет сжата до расчетного значения и будет находиться в этом состоянии, так как после того, как радиальные отверстия 31 войдут в область отверстия 4 перегородки 3 переходника 2, в вырезах 30 и полости над буртиком 25 будет сохранено сетевое давление РА. Из полости 9 цилиндра 1 отработавший энергоноситель будет вытесняться по F-образным каналам в расточку 18, боковые окна 24, центральный канал золотника 13 ниже перегородки 22, канал 13, осевой канал ударной части 14 и наклонные каналы 12 головки 5 на забой скважины.

В конце рабочего хода поршня 7 ударная часть 14 нанесет резкий удар по хвостовику 21 долота 6, в то же время кольцевой торец поршня 7 откроет щелевые отверстия 10, выходящие в затрубное пространство, а радиальные отверстия 31 выйдут из отверстия 4 в полость 8. В результате этого давление РА в полости 8, радиальных отверстиях 31, вырезах 30 и полости над буртиком 25 золотника 19 упадет и усилие сжатой пружины 20, действующей в направлении к переходнику 2, будет больше, чем усилие РА, действующее на золотник 19 в направлении к головке 5, поэтому золотник 19 будет переброшен в направлении к переходнику 2 до упора буртика 25 в торец втулки 28, при этом окна 23 будут совмещены с расточкой 16 (положение деталей, показанное на фиг.1). РА под сетевым давлением будет поступать в полость 9 цилиндра 1 и цикл работы повторится в описанной выше последовательности.