Погружной гидроударник

Изобретение относится к буровой технике, а именно к погружным буровым устройствам с объемным гидроприводом для ударно-вращательного бурения скважин, и может найти применение в геологоразведке, гидрогеологии и горной промышленности. Техническим результатом является повышение надежности работы машины за счет обеспечения ее устойчивой работы в широком диапазоне давлений путем предотвращения преждевременного срабатывания питающе-разрядного клапана. Погружной гидроударник включает размещенную в корпусе гильзу, ступенчатый ударник с головкой, разделяющей полость гильзы на камеры прямого и обратного хода, и распределительную систему со ступенчатым питающе-разрядным клапаном, установленным на штоке и образующим с гильзой торцевую питающую щель, а со штоком - разрядный канал. Рабочие площади S_пр.х. и S_об.х. ударника со стороны камер прямого и обратного хода соответственно, площадь S_закр. верхнего торца питающе-разрядного клапана и площадь S_разр. разрядного канала удовлетворяют установленным соотношениям. 2 ил.

 

Изобретение относится к буровой технике, а именно к погружным буровым устройствам с объемным гидроприводом для ударно-вращательного бурения скважин, и может найти применение в геологоразведке, гидрогеологии и горной промышленности.

Известна погружная гидроударная буровая машина по патенту РФ №2166056, кл. Е 21 В 4/14, опубл. в БИ №12, 2001 г., включающая корпус, переходник, ударник и наковальню, имеющие центральный сливной тракт, и распределительную систему с питающе-разрядным клапаном и штоком с центральным разрядным каналом, при этом в верхней части корпуса, со стороны переходника, установлена гильза с подпружиненным поршнем, разделяющие внутреннюю полость корпуса на напорную и аккумуляторную камеры, последняя из которых постоянно соединена со сливным трактом через центральный разрядный канал штока.

Недостатком этой машины является ее ненадежность из-за неустойчивой работы на больших давлениях энергоносителя в результате преждевременного закрытия питающе-разрядного клапана на прямом ходе ударника вследствие большой площади его верхнего торца.

Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является погружной гидроударник по патенту РФ №2230873, кл. Е 21 В 4/14, опубл. в БИ №17, 2004 г., включающий размещенные в корпусе гильзу, ступенчатый ударник с головкой и штоком и наковальню, имеющие общий сливной тракт, распределительную систему с питающе-разрядным клапаном и аккумулятор, состоящий из пружины и поршня, разделяющего полость корпуса на напорную и аккумуляторную камеры, последняя из которых постоянно соединена с общим сливным трактом. При этом аккумулятор размещен в корпусе в штоковой зоне ступенчатого ударника под гильзой.

Недостатком данного погружного гидроударника является преждевременное открытие питающе-разрядного клапана при обратном ходе ударника из-за малой площади его верхнего торца и, как следствие, невозможность устойчивой работы в широком диапазоне давлений, что снижает надежность работы машины.

Техническая задача - повышение надежности работы машины за счет обеспечения ее устойчивой работы в широком диапазоне давлений путем предотвращения преждевременного срабатывания питающе-разрядного клапана.

Поставленная задача решается тем, что в погружном гидроударнике, включающем размещенную в корпусе гильзу, ступенчатый ударник с головкой, разделяющей полость гильзы на камеры прямого и обратного хода, и распределительную систему со ступенчатым питающе-разрядным клапаном, установленным на штоке и образующим с гильзой торцевую питающую щель, а со штоком - разрядный канал, согласно изобретению рабочие площади S_пр.х. и S_об.x. ударника со стороны камер прямого и обратного хода соответственно, площадь S_закр. верхнего торца клапана и площадь S_разр. разрядного канала удовлетворяют соотношениям:

при этом

где k - коэффициент, определяемый из соотношения 1,2<k<1,8.

Данные соотношения получены из допустимого противодавления в камере прямого хода при вытеснении жидкости через разрядный канал при обратном ходе ударника, которое в свою очередь зависит от площади S_закр. верхнего торца питающе-разрядного клапана, работающего на его закрытие. Машина, известные площади которой удовлетворяют данным соотношениям, не имеет сбоев в работе указанного клапана, что позволяет ей устойчиво работать в широком диапазоне давлений, обеспечивая тем самым высокую надежность. При k>1,8 и S_закр./S_разр.>5,0 будет происходить преждевременное открытие питающе-разрядного клапана при обратном ходе ударника, при k<1,2 и S_закр./S_разр.<4,0 может наблюдаться преждевременное закрытие питающе-разрядного клапана при прямом ходе ударника.

Сущность технического решения поясняется примером конкретного исполнения и фиг.1, 2, где на фиг.1 показан общий вид погружного гидроударника, продольный разрез; на фиг.2 - узел А на фиг.1 (в увеличенном масштабе): левая половина - питающе-разрядный клапан в положении питания камеры рабочего хода, правая половина - питающе-разрядный клапан в положении разрядки камеры рабочего хода при обратном ходе ударника.

Погружной гидроударник (фиг.1, 2) состоит из размещенных в корпусе 1 гильзы 2, имеющей напорные пазы 3, окна 4 и командные пазы 5, переходника 6 с напорными каналами 7 и штоком 8, имеющим осевой канал 9 и отверстия 10, ступенчатого ударника 11, имеющего рабочие площади S_пр.x. со стороны камеры 12 прямого хода и S_об.х. со стороны камеры 13 обратного хода, с головкой 14, разделяющей полость гильзы 2 на камеру 12 прямого хода и камеру 13 обратного хода и имеющей торцевой выступ 15, штоком 16 и общим сливным трактом 17. Распределительная система погружного гидроударника представляет собой установленный на штоке 8 питающе-разрядный клапан 18 (далее - клапан 18), имеющий площадь S_закр. верхнего торца на закрытие и образующий периодически с гильзой 2 торцевую питающую щель 19, а со штоком 8 - разрядный канал, включающий продольный канал 20 и торцевую щель 21 и имеющий площадь S_разр.. В головной части корпуса 1 закреплена подвижно по оси наковальня 22, имеющая общий со ступенчатым ударником 11 сливной тракт 17.

Погружной гидроударник работает следующим образом. Рабочая жидкость из магистрали через напорные каналы 7 переходника 6 поступает в полость корпуса 1 и через напорные пазы 3 и окна 4 гильзы 2 в камеру 13 обратного хода. Ударник 11 начинает движение вверх, совершая обратный ход. Скорость ударника 11 на обратном ходу определяется предлагаемыми соотношениями (1, 2) рабочих площадей S_пр.x. и S_об.x. ударника 11 со стороны камер 12 и 13 прямого и обратного хода соответственно, площади S_закр. верхнего торца клапана 18 и площади S_закр. разрядного канала. Если это соотношение не соблюсти, скорость ударника 11 будет высокой, и рабочая жидкость не будет успевать вытесняться из камеры 12 прямого хода, в ней возрастет давление, что может привести к преждевременному открытию клапана 18. В это время камера 12 прямого хода через общий сливной тракт 17 соединена с затрубным пространством. По мере перемещения ударника 11 общий сливной тракт 17 перекрывается нижним торцом штока 8, но камера 12 прямого хода продолжает сообщаться с затрубным пространством через продольный канал 20, торцевую щель 21, отверстия 10 и осевой канал 9. В камере 12 прямого хода возрастает противодавление из-за уменьшения проходного сечения жидкости до S_разр. и возникновения дополнительных местных сопротивлений на пути рабочей жидкости. Это может привести к перекидке клапана 18 вверх в положение «питание» и к прекращению обратного хода из-за несоответствия площадей предлагаемым соотношениям (1, 2) вследствие того, что сила, действующая на нижний торец клапана 18 со стороны камеры 12 прямого хода, превысит силу, удерживающую его в нижнем положении, обусловленную действием магистрального давления рабочей жидкости на площадь S_закр. клапана 18. В конце обратного хода ударник 11 входит своей головкой 14 в зону командных пазов 5 гильзы 2, и рабочая жидкость под магистральным давлением из камеры 13 обратного хода поступает в камеру 12 прямого хода. В это время продольный канал 20 перекрывается торцевым выступом 15 головки 14 ударника 11. Давление в камере 12 прямого хода резко возрастает, что приводит к увеличению результирующей силы, действующей на нижний торец клапана 18 и перекидке его в верхнее положение «питание». При этом образуется торцевая питающая щель 19, через которую рабочая жидкость из магистрали поступает в камеру 12 прямого хода. Ударник 11 резко тормозится до полной остановки и изменяет направление движения с обратного хода на прямой. По мере перемещения ударника 11 его головка 14 перекрывает командные пазы 5 гильзы 2, но питание камеры 12 прямого хода из магистрали продолжается через торцевую питающую щель 19. В конце прямого хода торцевой выступ 15 ударника 11 сойдет с нижнего торца штока 8 и камера 12 прямого хода сообщится с общим сливным трактом 17. Давление в камере 12 прямого хода резко упадет, а клапан 18 под действием высокого давления рабочей жидкости из магистрали переместится в нижнее положение «разрядка», что приведет к прекращению подачи рабочей жидкости в камеру 12 прямого хода. Ударник 11 наносит удар по наковальне 22 и цикл повторяется.

Работа погружного гидроударника при данном соотношении рабочих площадей S_пр.x. и S_об.х. ударника со стороны камер 12 и 13 прямого и обратного хода соответственно, площади S_закр. верхнего торца клапана 18 и площади S_разр. разрядного канала полностью исключает недостатки прототипа и позволяет добиться своевременного срабатывания клапана 18 распределительной системы и, как следствие, устойчивой работы самого погружного гидроударника в более широком диапазоне давлений, что значительно повышает его надежность.

Погружной гидроударник, включающий размещенную в корпусе гильзу, ступенчатый ударник с головкой, разделяющей полость гильзы на камеры прямого и обратного хода, и распределительную систему со ступенчатым питающе-разрядным клапаном, установленным на штоке и образующим с гильзой торцевую питающую щель, а со штоком разрядный канал, отличающийся тем, что рабочие площади S_пр.x. и S_об.x. ударника со стороны камер прямого и обратного хода соответственно, площадь S_закр. верхнего торца указанного клапана и площадь S_разр.разрядного канала удовлетворяют соотношениям

(S_об.х.·S_закр.)/(S_разр.·S_пр.х.)=k,

при этом S_закр./S_разр.=4,0÷5,0,

где k - коэффициент, определяемый из соотношения 1,2<k<1,8.