погружной пневмоударник

Формула изобретения

Погружной пневмоударник, содержащий корпус, ступенчатый ударник, в средней части хвостовика которого выполнена проточка, камеру холостого хода и камеру рабочего хода, состоящую из кольцевой управляемой камеры и торцевой камеры постоянного давления, питающий и выхлопной каналы и буровой инструмент, отличающийся тем, что в корпусе установлена охватывающая ударник ступенчатая гильза, в которой питающий и выхлопной каналы расположены продольно, а между ними образована кольцевая полость, при этом в гильзе выполнен продольный канал, проходящий через кольцевую полость, постоянно открытый в камеру холостого хода и имеющий радиальный выход на внутреннюю поверхность гильзы с возможностью периодического его открытия кромкой торца хвостовика ударника в торцевую камеру постоянного давления.

Описание изобретения к патенту

Техническое решение относится к области горного дела, а именно к погружным пневмоударникам для проходки скважин по породам средней и высокой крепости, и может найти применение в строительстве.

Известен погружной пневмоударник, описанный в книге Н.А.Беляева Пневмоударные расширители скважин. Новосибирск: Изд. ИГД СО АН СССР, 1987, на с.10-13 и рис.9. Он содержит корпус с расположенной внутри гильзой, ударник, помещенный внутрь гильзы и разделяющий ее полость на камеры холостого и рабочего хода, буровую коронку, подвижно установленную в передней части корпуса. В гильзе выполнены боковые продольные питающие каналы, а в ударнике и коронке - центральный выхлопной канал.

Данная беззолотниковая схема воздухораспределения обеспечивает надежный запуск и устойчивую работу пневмоударника, однако рабочая площадь ударника со стороны камеры холостого хода невелика. Из-за существующей системы выхлопа из этой камеры данная площадь уменьшена на величину площади поперечного сечения носика ударника, который не может быть слишком тонок по соображению прочности. Это не позволяет осуществлять интенсивный холостой ход, уменьшает длину перемещения ударника, что не дает возможности увеличения энергии единичного удара. Со стороны камеры рабочего хода рабочая площадь ударника в меньшей степени, но тоже уменьшена на величину площади выхлопного канала. Все это ограничивает величину ударной мощности машины. Данная конструкция в большей степени ориентирована на использование сжатого воздуха повышенного давления, что ограничивает область ее использования.

Наиболее близким по технической сути и совокупности существенных признаков является погружной пневмоударник, описанный в книге Н.Н.Есина Погружные пневматические машины ударного действия для бурения скважин. - Новосибирск: Наука, Сибирское отделение, 1976. - стр.46. Он содержит корпус, ступенчатый ударник. Носовую ступень ударника охватывает передняя букса, а хвостовик-задняя. Образованы камера обратного хода и камера прямого хода, состоящая из кольцевой управляемой камеры и торцевой камеры постоянного давления. В кольцевую управляемую камеру прямого хода воздух имеет возможность поступать через канал в задней буксе и проточку в средней части хвостовика ударника. Имеется продольный канал, выполненный в корпусе, постоянно открытый в камеру постоянного давления и в полость передней буксы. Эта полость периодически сообщена с камерой обратного хода, что позволяет осуществлять впуск сжатого воздуха в эту камеру. Снаружи продольный канал закрыт стальной рубашкой, надетой на корпус. В корпусе и стальной рубашке для опорожнения кольцевой управляемой камеры, а в другое время рабочего цикла - и камеры обратного хода, выполнены выхлопные окна.

Впуск сжатого воздуха в камеру обратного хода через проточку в носовой ступени ударника не позволяет создать достаточно большую рабочую площадь ударника со стороны этой камеры, поскольку площадь поперечного сечения носовой ступени ударника вычитается из площади поперечного сечения полости корпуса, что уменьшает данную рабочую площадь. Объем камеры холостого хода также невелик. В него после отсечки впуска сжатого воздуха не входят объемы подводящих каналов, что понижает среднее давление в камере холостого хода по пути ударника. Такое устройство не позволяет осуществлять интенсивный холостой ход, уменьшает заброс ударника и, как следствие, не позволяет набрать ударнику достаточно большую кинетическую энергию при рабочем ходе. Это ограничивает создание большой ударной мощности пневмоударника. Кроме того, наличие перфорации в стенке корпуса и стальной рубашки дает возможности проникновения вовнутрь абразивных частиц, активизирующих износ трущихся поверхностей, и тем самым уменьшает ресурс машины. Выполнение подводящих и выхлопных каналов непосредственно в корпусе уменьшает его прочность. Прочность корпуса имеет большое значение, поскольку после удара, при посадке на буртик буровой коронки, корпус испытывает значительное динамическое воздействие. Невелика и экономичность машины, поскольку отработанный воздух удаляется через выхлопные окна в стенке корпуса и стальной рубашке и не используется для очистки забоя от буровой мелочи, а для этой цели производится дополнительный отбор воздуха из подводящих каналов, что увеличивает непроизводительный расход воздуха.

Техническая задача - увеличение ударной мощности за счет осуществления более интенсивного холостого хода ударника и повышение экономичности за счет использования всего отработанного воздуха для очистки забоя скважины без дополнительного отбора воздуха, а также увеличение ресурса машины за счет изоляции ее внутренней полости от несущего абразивную пыль затрубного пространства.

Данная техническая задача решается тем, что в погружном пневмоударнике, содержащем корпус, ступенчатый ударник, в средней части хвостовика которого выполнена проточка, камеру холостого хода и камеру рабочего хода, состоящую из кольцевой управляемой камеры и торцевой камеры постоянного давления, питающий и выхлопной каналы и буровой инструмент, согласно техническому решению в корпусе установлена охватывающая ударник ступенчатая гильза, в которой питающий и выхлопной каналы расположены продольно, а между ними образована кольцевая полость. В гильзе выполнен продольный канал, проходящий через кольцевую полость и постоянно открытый в камеру холостого хода и имеющий радиальный выход на внутреннюю поверхность гильзы с возможностью периодического его открытия кромкой торца хвостовика ударника в торцевую камеру постоянного давления.

Использование в конструкции ступенчатой гильзы позволяет сосредоточить в ней основные элементы воздухораспределения, а воспринимающий жесткое динамическое воздействие корпус выполнить более простым и прочным. В данной конструкции рабочая площадь ударника со стороны камеры холостого хода увеличена: она образована площадью большей ступени ударника и равна полной площади поперечного сечения полости большей ступени гильзы. Это позволяет увеличить силу, действующую на ударник со стороны этой камеры. Увеличен и объем камеры холостого хода, поскольку объем продольного канала, постоянно открытого в камеру холостого хода, присоединяется к ее объему. Так как кольцевая полость между питающим и выхлопным каналами соединена с проходящим через нее продольным каналом, то и ее объем тоже присоединен к объему камеры холостого хода. Увеличение объема камеры холостого хода при беззолотниковой схеме воздухораспределения, когда впуск сжатого воздуха в эту камеру происходит довольно задолго до удара, позволяет избежать резкого скачка давления в этой камере и уменьшить сопротивление движению ударника на рабочем ходу. На холостом ходу увеличенный объем камеры холостого хода позволяет поднять среднее давление по пути ударника до выхлопа воздуха и тем самым увеличить импульс силы со стороны камеры холостого хода. Увеличение рабочей площади ударника со стороны камеры холостого хода, а также объема этой камеры обеспечивают более интенсивный холостой ход ударника, увеличивают длину его перемещения, что на рабочем ходу дает возможность увеличения энергии единичного удара, а также позволяет сократить время холостого хода. Это повышает ударную мощность в целом.

Продольное расположение выхлопного канала позволяет направить весь отработанный воздух на забой скважины через канал в буровом инструменте и обеспечить наилучшую очистку забоя от буровой мелочи, дает возможность не тратить дополнительно воздух для очистки, что улучшает экономичность машины. Такое расположение выхлопного канала позволяет также избежать перфорации стенки корпуса, что повышает его прочность и благоприятно влияет на износостойкость трущихся поверхностей и, следовательно, повышает ресурс пневмоударника. Расположение питающего канала и части продольного канала в утолщенной стенке меньшей ступени ступенчатой гильзы позволяет увеличить сечение и объем этих каналов, что положительно сказывается на работе машины.

Сущность технического решения иллюстрируется примером конкретного исполнения и чертежом, где изображен продольный разрез погружного пневмоударника.

Погружной пневмоударник (далее пневмоударник) содержит корпус 1, внутри которого установлена ступенчатая гильза 2 (далее гильза 2), охватывающая ступенчатый ударник 3 (далее ударник 3) с хвостовиком 4, имеющим проточку 5 в средней части. Ударник 3 разделяет полость гильзы 2 на камеру 6 холостого хода и камеру 7 рабочего хода, состоящую из кольцевой управляемой камеры 8 и торцевой камеры 9 постоянного давления (далее камера 9). В гильзе 2 выполнены продольно расположенный питающий канал 10 с радиальным выходом 11 на внутреннюю поверхность гильзы 2, а также продольно расположенный выхлопной канал 12 с радиальным выходом 13 на внутреннюю поверхность гильзы 2. Между питающим каналом 10 и выхлопным каналом 12 в гильзе 2 образована кольцевая полость 14. В гильзе 2 выполнен также продольный канал 15, проходящий через кольцевую полость 14, постоянно открытый в камеру 6 холостого хода и имеющий радиальный выход 16 на внутреннюю поверхность гильзы 2 с возможностью периодического его открытия кромкой торца хвостовика 4 в камеру 9. В передней части корпуса 1 при помощи буксы 17 подвижно установлен буровой инструмент 18 с каналом 19.

Работает пневмоударник следующим образом.

Сжатый воздух по ставу штанг, присоединяемому к задней части корпуса 1, попадает в его полость, откуда поступает в питающий канал 10 в гильзе 2 и в камеру 9 камеры 7 рабочего хода. Из камеры 9 через открытый в данный момент радиальный выход 16 сжатый воздух поступает в продольный канал 15 в гильзе 2. Проходя по каналу 15 через кольцевую полость 14, сжатый воздух заполняет ее объем, а далее по каналу 15 поступает в камеру 6 холостого хода. В это время кольцевая управляемая камера 8 камеры 7 рабочего хода через радиальный выход 13 выхлопного канала 12 соединена с атмосферой. Поскольку рабочая площадь ударника 3 со стороны камеры 6 холостого хода много больше площади торца хвостовика 4, остающегося под давлением со стороны камеры 9, сжатый воздух, воздействуя на ударник 3, приводит его в движение, начинается холостой ход. При движении ударника 3 поверхность задней части хвостовика 4 перекрывает радиальный выход 16 продольного канала 15, происходит отсечка впуска сжатого воздуха в камеру 6 холостого хода. При этом и поверхность большей ступени ударника 3 перекрывает радиальный выход 13 выхлопного канала 12 - кольцевая управляемая камера 8 изолируется от атмосферы. В дальнейшем движение ударника 3 происходит по инерции и за счет расширения сжатого воздуха, аккумулированного в камере 6 холостого хода, продольном канале 15 и в кольцевой полости 14. Поскольку суммарный объем этих полостей достаточно большой, то и среднее давление воздуха при его расширении увеличено, что обеспечивает интенсивный холостой ход ударника 3, определяя достаточно большую длину его перемещения. При дальнейшем движении ударника 3 передняя кромка его большей ступени открывает радиальный выход 13 выхлопного канала 12, происходит выхлоп воздуха из камеры 6 холостого хода и связанных с ней полостей через канал 12 и канал 19 бурового инструмента 18 на забой скважины. Затем кромка проточки 5 открывает радиальный выход 11 питающего канала 10, происходит впуск сжатого воздуха в кольцевую управляемую камеру 8 камеры 7 рабочего хода. Воздействуя на ударник 3 со стороны кольцевой управляемой камеры 8 и камеры 9 камеры 7 рабочего хода, сжатый воздух останавливает ударник 3 и переводит его на рабочий ход. При движении ударника 3 на рабочем ходу кромка проточки 5 выходит из зоны радиального выхода 11 питающего канала 10 и радиальный выход 11 перекрывается поверхностью задней части хвостовика 4, происходит отсечка впуска сжатого воздуха в кольцевую управляемую камеру 8. Далее поверхность большей ступени ударника 3 перекрывает радиальный выход 13 выхлопного канала 12, изолируя камеру 6 холостого хода от атмосферы. Движение ударника 3 в это время происходит по инерции и за счет расширения сжатого воздуха в кольцевой управляемой камере 8, а также за счет воздействия сжатого воздуха на поверхность торца хвостовика 4 со стороны камеры 9. Далее, при движении ударника 3 кромка торца хвостовика 4 открывает радиальный выход 16 продольного канала 15, начинается впуск сжатого воздуха в камеру 6 холостого хода. Достаточно большой суммарный объем продольного канала 15, кольцевой полости 14 и камеры 6 холостого хода позволяет избежать резкого увеличения давления при впуске сжатого воздуха и уменьшить сопротивление движению ударника 3 в этой фазе рабочего цикла. При движении ударника 3 кромка поверхности его большей ступени открывает радиальный выход 13 выхлопного канала 12, осуществляется выхлоп воздуха из кольцевой управляемой камеры 8 через выхлопной канал 12 и канал 19 бурового инструмента 18 на забой скважины. В конце рабочего хода ударник 3 наносит удар по ударному торцу бурового инструмента 18, подвижно установленного в гнезде буксы 17. Цикл повторяется.