Пневмоударник

Изобретение относится к ударным механизмам, используемым в качестве буровых устройств для проходки скважин в горной промышленности при подземной и открытой разработке месторождений полезных ископаемых. Задачей изобретения является устранение резьбового соединения хвостовика с поршнем. Это достигается тем, что пневмоударник содержит цилиндр, соединенный с одной стороны с переходником, имеющим периферийные и центральное отверстия, с другой стороны - с головкой, оснащенной долотом и продувочными отверстиями, внутри цилиндра размещен поршень с утолщением в средней части, имеющий с одной стороны хвостовик, входящий в центральный канал клапанной коробки, размещенной между поршнем и переходником, с другой стороны - ударную часть, входящую в центральный канал головки, поршень имеет центральный канал, внутри которого размещен трубчатый золотник со сплошной перегородкой и боковыми окнами по обе стороны от перегородки, с внутренней стороны центрального канала выполнены две расточки, расположенные одна над другой, причем верхняя расточка соединена -образным каналом с подпоршневой полостью, а нижняя расточка -образным каналом соединена с надпоршневой полостью. Окна золотника и при работе попеременно совмещаются то с верхней, то с нижней расточкой, осуществляя подачу энергоносителя в надпоршневую или подпоршневую полость, пневмоударник совершает рабочий или холостой ход. Переброску золотника осуществляет нижняя пружина и клапанная коробка, выполненная ступенчатой формы со ступенчатым центральным каналом, внутри которого размещен трубчатый распределитель энергоносителя с буртиком, попеременно перекрывающий выходы -образных каналов в центральный канал клапанной коробки, подводящих энергоноситель в надпоршневую полость поршня по наикратчайшему пути. Переброску распределителя на подачу энергоносителя на рабочий ход осуществляет хвостовик поршня, который в конце холостого хода при низкой скорости соударения с нижним торцом буртика распределителя создает импульс перемещения распределителя с последующим воздействием на буртик сетевого давления. 1 ил.

 

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 и по ставу бурильных труб к механизму подводят сжатый воздух или воздушно-водяную смесь (далее - энергоноситель).

Известна конструкция пневмоударника, разработанного по авт. свид. СССР №184761 МПК Е 21 С от 7.04.1964 г., опубликованному в Б.И. №16, 1966 г.

Он содержит цилиндр без радиальных и продольных каналов в его теле, поршень, воздухораспределительное устройство с центральным трубчатым штоком-золотником, выполненным с радиальными каналами для подвода энергоносителя, входящим в отверстие поршня и осуществляющим распределение энергоносителя через радиальные каналы в поршне и продольные вырезы на его наружной поверхности, и инструмент с центральным каналом для выхлопа отработанного энергоносителя.

Для автоматического выключения пневмоударника с продолжением продувки скважины при отсутствии контакта инструмента конец штока-золотника выполнен меньшего диаметра, а тело цилиндра имеет кольцевую проточку, являющуюся частью камеры обратного хода.

В этом и заключается главный недостаток аналога, так как примерно 40% энергоносителя выходит в забой не только при выключении пневмоударника и продолжении продувки скважины, но и в периоды обратного и рабочего хода поршня, не производя полезного воздействия на поршень.

Указанный недостаток устранен в пневмоударнике по заявке №2002111893/0,3(012474) от 06.05.2002 г., по которой имеется положительное решение о выдаче патента на изобретение.

Этот пневмоударник является наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам к данному изобретению и принят 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 в центральном канале поршня выполнены расточки, расположенные в три яруса, причем ближняя 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.

Основным недостатком прототипа является недостаточная надежность работы узла распределения энергоносителя, обусловленная тем, что поршень и хвостовик выполнены составными и соединены между собой резьбою. В ударном режиме работы при частоте ударов 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.

Задача изобретения заключается в исключении указанного недостатка - устранении резьбового соединения хвостовика с поршнем.

Это достигается тем, что предлагаемый пневмоударник содержит цилиндр, переходник с перегородкой, имеющей периферийные и центральное отверстия, соединенный с цилиндром, с другой стороны цилиндр соединен с головкой, в осевом канале которой установлено долото и выполнены наклонные каналы для подачи в забой скважины энергоносителя, внутри цилиндра с образованием полостей размещены поршень, имеющий ударную часть, установленную с возможностью вхождения ее в осевой канал головки, и хвостовик с продольными вырезами, который входит в центральный канал клапанной коробки, закрепленной в полости между поршнем и переходником и имеющий внутри трубчатый распределитель энергоносителя с кольцевым буртиком и боковыми окнами, в полости между клапанной коробкой и торцом поршня установлена рабочая пружина, прижимающая ударную часть поршня к хвостовику долота, поршень выполнен с утолщением в средней части и центральным каналом, внутри которого образованы две расточки, расположенные одна над другой, первая расточка -образным каналом до начала работы соединена с полостью под поршнем, вторая расточка -образным каналом соединена с полостью над поршнем, внутри центрального канала поршня размещен трубчатый золотник, имеющий перегородку и боковые окна по обе стороны от перегородки, причем окна до перегородки до начала работы пневмоударника перекрыты цилиндрической поверхностью центрального канала поршня, а окна за перегородкой совмещены с ближней к клапанной коробке расточкой, для этого в центральном канале установлены упоры, снизу золотника расположена пружина, один конец которой упирается в нижний торец золотника, а второй конец - во внутренний уступ, образованный в месте уменьшения диаметра центрального канала, для ограничения рабочего и холостого хода поршня в цилиндре выполнены сквозные щелевые отверстия, клапанная коробка выполнена ступенчатой формы, большая ступень которой обращена к поршню, внутри ее выполнен ступенчатый центральный канал, больший диаметр которого выполнен в ступени большого диаметра, а меньший диаметр - в ступени меньшего диаметра, с внутренней стороны канала меньшего диаметра выполнена расточка, которая радиальными отверстиями соединена с полостью цилиндра и каналом ступени меньшего диаметра клапанной коробки, с обоих торцов ступени большего диаметра попарно в диаметральных плоскостях выполнены -образные каналы, которые выходят внутрь канала ступени большего диаметра на одном и том же расстоянии от торца, обращенного к поршню, в нерабочем положении пневмоударника все выходы -образных каналов полностью перекрываются буртиком трубчатого распределителя энергоносителя, установленного в канале большего диаметра с возможностью вхождения его открытого конца меньшего диаметра в центральный канал хвостовика поршня, второй, закрытый с торца конец распределителя энергоносителя, обращенный к переходнику, тонким стержнем соединен с перегородкой переходника и поджат пружиной так, чтобы окна, выполненные в ступени меньшего диаметра распределителя энергоносителя, в нерабочем положении совпадали с расточкой меньшего диаметра, верхняя часть полости канала большего диаметра распределителя энергоносителя, неперекрытая буртиком, дренажным отверстием соединена с атмосферой.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором показан вертикальный разрез пневмоударника с расположением его деталей в нерабочем положении.

Пневмоударник содержит: цилиндр 1, переходник 2 с перегородкой 3, имеющей периферийные отверстия 4 и осевое отверстие 5, соединенный с цилиндром, с другой стороны, цилиндр 1 соединен с головкой 6, в осевом канале 7 которой установлено долото 8 и выполнены наклонные каналы 9 для подачи в забой скважины отработанного энергоносителя, внутри цилиндра 1 с образованием полостей 10 и 11 размещен поршень 12, имеющий ударную часть 13, установленную с возможностью вхождения ее в осевой канал 7 головки, и хвостовик 14 с продольными вырезами 15, который входит в центральный канал 16 клапанной коробки 17, закрепленной в полости 10 между поршнем 12 и переходником 2 муфтой 18 и имеющей внутри трубчатый распределитель 19 энергоносителя с кольцевым буртиком 20 и боковыми окнами 21, в полости, образованной между клапанной коробкой 17 и торцом поршня 12, установлена рабочая пружина 22, прижимающая ударную часть 13 к хвостовику 23 долота 8, поршень 12 выполнен с утолщением в средней части и центральным каналом 24, внутри которого образованы две расточки одна над другой 25 и 26, при этом расточка 25 - образным каналом соединена с полостью 11, а расточка 26 - образным каналом соединена с полостью 10, внутри центрального канала 24 размещен трубчатый золотник 27, имеющий перегородку 28 и боковые окна 29 до перегородки и 30 за перегородкой, причем в исходном положении до начала работы окна 29 перекрыты цилиндрической поверхностью центрального канала 24, а окна 30 совмещены с ближней к клапанной коробке 17 расточкой 25, для этого в центральном канале 24 установлены ограничительные упоры 31, а снизу золотника 27 расположена пружина 32, один конец которой упирается в нижний торец золотника 33, а второй конец во внутренний уступ 34, образованный в месте уменьшения диаметра центрального канала 24, для ограничения рабочего и холостого хода поршня в цилиндре 1 выполнены сквозные щелевые отверстия 35 и 36, клапанная коробка 17 имеет ступенчатую форму, внутри нее выполнен ступенчатый центральный канал, большая ступень 16 которого обращена к поршню 12, а меньшая 37 - к переходнику 2, с внутренней стороны канала 37 выполнена расточка 38, которая радиальными отверстиями 39 соединена с полостью 40 цилиндра 1 между ступенью меньшего диаметра клапанной коробки 17 и переходником 2, с обоих торцов ступени большего диаметра выполнены -образные каналы, которые выходят внутрь канала 16 большей ступени на одном и том же расстоянии от торца, обращенного к поршню 12, в ступенчатом канале 16 клапанной коробки 17 установлен трубчатый распределитель 19 энергоносителя, открытый торец 41 которого входит в центральный канал 2 хвостовика 14 поршня 12, второй закрытый торец 42, обращенный к переходнику 2, тонким стержнем 43 соединен с ним и поджат пружиной 44 так, чтобы окна 45, выполненные в ступени 46 меньшего диаметра распределителя 19, в нерабочем положении пневмоударника совпадали с расточкой 38 клапанной коробки 17, кроме этого на наружной цилиндрической поверхности распределителя 19 выполнен кольцевой буртик 20, расстояние его от открытого торца 41 и высота выполнены так, что он в нерабочем положении полностью перекрывает все выходы 47 -образных каналов в центральный канал 16 большей ступени клапанной коробки 17, верхняя часть полости канала 16, не перекрытая буртиком 20, дренажным отверстием 48 соединена с атмосферой.

Предлагаемый пневмоударник работает следующим образом. Для проходки скважины переходник 2 соединяют с буровым ставом станка (на чертеже они не показаны), который вращает и прижимает к забою долото 8. Внутрь труб бурового става подают энергоноситель (сжатый воздух или воздушно-водяную смесь), который по периферийным отверстиям 4 под сетевым давлением поступает в полость между перегородкой 3 переходника 2 и клапанной коробкой 17, идет в кольцевую полость 40, через окна 39, расточку 38 и окна 45 в распределителе энергоноситель 19 проникает в его центральный канал, далее в центральный канал 24 поршня 12, в канал трубчатого золотника 27, давит на перегородку 28 сверху и смещает золотник 27 вниз до совмещения окон 29 до перегородки с расточкой 25 поршня 12 и -образными каналами, ведущими в подпоршневую полость 11, при этом окна 30 будут совмещены с расточкой 26 и -образными каналами, ведущими в надпоршневую полость 10, поступая в полость 11 под давлением энергоноситель будет поднимать поршень 12 вверх, сжимая рабочую пружину 22 и вытесняя из полости 10 отработавший энергоноситель в центральный канал 24 поршня 12 и наклонные каналы 9 в головке 6, на забой скважины для удаления разрушаемой породы. Это холостой ход поршня 12. По мере продвижения вверх и сжатия рабочей пружины 22 скорость поршня 12 замедляется. В конце холостого хода при низкой скорости хвостовик 14 поршня 12, вытесняя из центрального канала 16 энергоноситель по продольным вырезам 15, подходит вплотную к буртику 20 и приподнимает его, приоткрывая выходы 47 -образных каналов в центральный канал 16 клапанной коробки 17, в тот же момент энергоноситель под давлением устремится под буртик 20 и перебросит его вверх, так как над буртиком давление будет равно давлению затрубного пространства (из-за наличия их связи дренажным отверстием 48). Окна 45 распределителя 19 энергоносителя будут закрыты, пружина 44 сжата, а энергоноситель под сетевым давлением будет поступать по -образным каналам и центральному каналу 16 в надпоршневую полость 10 по наикратчайшему пути.

В то же время нижний торец поршня 12 откроет щелевое отверстие 36 и давление энергоносителя в полости 11 резко упадет, при этом упадет оно и в верхней полости золотника 27 над перегородкой 28, поэтому сжатая пружина 32 перебросит золотник 27 вверх до упора в ограничители 31, полость 11 под поршнем 12 будет соединена с забоем через -образные каналы, расточку 26, центральный канал 24 и наклонные каналы 9 в головке 6, начнется рабочий ход поршня вниз, ему будет способствовать и сжатая рабочая пружина 22. В конце рабочего хода ударная часть 13 нанесет по хвостовику 23 резкий удар и все детали пневмоударника займут положение, показанное на чертеже.

Как следует из описания и чертежа, предлагаемый пневмоударник обладает очень надежной конструкцией:

1) поршень его представлен одной деталью, цельной, неразъемной;

2) трубчатый золотник выполнен укороченным и легким, что обеспечивает его небольшую массу и малую инертность, а это очень важное свойство при частых переключениях;

3) пневмоударник оснащен оригинальной клапанной коробкой надежно закрепленной в цилиндре, все каналы, проточки и окна в ней могут быть выполнены достаточно большого сечения, что обеспечит низкие аэродинамические сопротивления при работе, особенно при подаче энергоносителя в надпоршневую полость при рабочем ходе, исключит засорение каналов частицами малого размера, которые могут находиться в энергоносителе;

4) переключение с холостого хода на рабочий обладает очень высокой надежностью, оно практически неизбежно, может легко регулироваться как по силе механического импульса на буртик распределителя, так и по величине хода, столь же неизбежно и переключение золотника с рабочего на холостой ход. Принцип действия и надежность работы основных узлов пневмоударника многократно проверены нами в лабораторных и производственных условиях при разработке и внедрении устройств для буровых станков и инструмента для подземных и открытых работ.

Пневмоударник, содержащий цилиндр, переходник с перегородкой, имеющей периферийные и центральное отверстия, соединенный с цилиндром, с другой стороны цилиндр соединен с головкой, в осевом канале которой установлено долото и выполнены наклонные каналы выхода энергоносителя внутри цилиндра с образованием полостей, размещены поршень, имеющий ударную часть, установленную с возможностью вхождения ее в осевой канал головки, и хвостовик с продольными вырезами, который входит в центральный канал клапанной коробки, закрепленной в полости между поршнем и переходником и имеющей внутри трубчатый распределитель энергоносителя с кольцевым буртиком и боковыми окнами, в полости между клапанной коробкой и торцом поршня установлена рабочая пружина, прижимающая ударную часть поршня к хвостовику долота, поршень выполнен с утолщением в средней части и центральным каналом, внутри которого образованы две расточки, расположенные одна над другой, первая расточка -образным каналом до начала работы соединена с полостью под поршнем, вторая расточка -образным каналом соединена с полостью над поршнем, внутри центрального канала поршня размещен трубчатый золотник, имеющий перегородку и боковые окна по обе стороны от перегородки, причем окна до перегородки до начала работы пневмоударника перекрыты цилиндрической поверхностью центрального канала, а окна за перегородкой совмещены с ближней к клапанной коробке расточкой, для этого в центральном канале установлены упоры, снизу золотника расположена пружина, один конец которой упирается в нижний торец золотника, а второй конец золотника - во внутренний уступ, образованный в месте уменьшения диаметра центрального канала, для ограничения рабочего и холостого хода поршня в цилиндре выполнены сквозные щелевые отверстия, отличающийся тем, что клапанная коробка выполнена ступенчатой формы, большая ступень которой обращена к поршню, внутри ее выполнен ступенчатый центральный канал, больший диаметр которого выполнен в ступени большего диаметра, а меньший диаметр - в ступени меньшего диаметра, с внутренней стороны канала меньшего диаметра выполнена расточка, которая радиальными отверстиями соединена с полостью цилиндра и каналом ступени меньшего диаметра клапанной коробки, с обоих торцов в ступени большего диаметра попарно в диаметральных плоскостях выполнены -образные каналы, которые выходят внутрь канала ступени большего диаметра на одном и том же расстоянии от торца, обращенного к поршню, в нерабочем положении пневмоударника все выходы -образных каналов полностью перекрываются буртиком трубчатого распределителя энергоносителя, установленного в канале большего диаметра с возможностью вхождения его открытого конца меньшего диаметра в центральный канал хвостовика поршня, второй закрытый с торца конец распределителя энергоносителя, обращенный к переходнику, тонким стержнем соединен с перегородкой переходника и поджат пружиной так, чтобы окна, выполненные в ступени меньшего диаметра распределителя энергоносителя, в нерабочем положении совпадали с расточкой меньшего диаметра, верхняя часть полости канала большего диаметра распределителя энергоносителя, не перекрытая буртиком, дренажным отверстием соединена с атмосферой.