Двухпоршневой пневмоударник
DOUBLE-PISTON PNEUMATIC HAMMER

Изобретение относится к буровой технике, а именно к устройствам ударного действия с использованием движущегося возвратно-поступательного поршня, приводимого в действие давлением воздуха.
Известен пневмоударник, включающий корпус с каналами и цилиндрической полостью, поршень, расположенный в полости, и клапанный воздухораспределительный узел (см. патент FR 2281194, опубл. 24.03.1978).
Недостатком аналога является низкая надежность и эффективность устройства. Низкая надежность связана с работой клапанного воздухораспределительного узла. То есть в данном устройстве сжатый воздух из общешахтной магистрали поступает внутрь клапанной коробки и заполняет центральную полость и одновременно через зазор между стержнем и центральным отверстием в пластине заполняет центральную полость в верхней части корпуса клапана. Поскольку доминирующего давления или управляющего сигнала с какой-либо стороны пластины в начальный момент пуска воздуха внутрь пневмоударника нет, то она будет находиться в равновесном состоянии, пропуская воздух одновременно и через зазор между пластиной и верхним седлом в нижнюю полость цилиндра под поршень и через зазор между пластиной и нижним седлом через кольцевую проточку в верхнюю полость цилиндра над поршнем. Поскольку сдвигающее усилие, возникающее на верхней поверхности поршня, больше усилия, возникающего на нижней поверхности поршня, за счет разницы в площадях из-за наличия поршневого штока, а давление воздуха с двух сторон поршня одинаковое, то поршень сдвинется в нижнее положение, перекроет своим телом выхлопное отверстие и остановится за счет уравновешивания сил на него воздействующих. В случае нарушения равновесия пластины клапана за счет внешнего воздействия, например, в результате удара вдоль оси пневмоударник, то пластина клапана прижмется к какому-нибудь седлу и пневмоударник сможет работать, по ожидаемому циклу, однако ход поршня, из-за низкого расположения выхлопного отверстия в цилиндре пневмоударника, будет равен его ширине, так как воздух, воздействующий на поршень, снизу будет выходить в атмосферу через выхлопной канал, как только поршень откроет этот канал (холостой ход). Поэтому поршень остановится, а воздействующее давление воздуха сверху поршня (из-за переключения клапана) начнет перемещать поршень вниз (рабочий ход) до открытия им выхлопного отверстия. Это даст сигнал клапану занять противоположное положение и начать подавать воздух под поршень на холостой ход. Далее цикл повторится. Такой маленький ход не способствует получению высокой скорости перемещения поршня и инерционных сил. Отсюда мощность пневмоударника, определяемая произведением массы поршня на его скорость, будет мизерная и недостаточная для разрушения горных пород. Кроме того, наличие одного поршня предполагает низкую частоту ударов поршня по бойку, передающего энергию на коронку в конце штанги.
Известен двухпоршневой пневмоударник, включающий корпус с продольными и радиальными каналами и двумя соосно расположенными цилиндрическими полостями, разделёнными перегородкой с отверстиями, полый и сплошной поршни, расположенные внутри цилиндрических полостей, боек, установленный соосно с поршнями и воздухораспределительный узел (см. описание изобретения к патенту RU 2630325, МПК (2006.01)  E21B4/14, E21B1/24, E21B1/38, E21C37/24, B25D9/14, опубликованный 07.09.2017, Бюл. № 25). В данном пневмоударнике используют золотниковое воздухораспределение. Наличие двух поршней предполагает увеличение числа ударов вдвое по сравнению с одно поршневым пневмоударником, что существенно увеличивает мощность пневмоударника.
Недостатками аналога являются сложность конструкции и изготовления, низкая надежность, повышенная масса и размер устройства. Это связано с наличием развитой и протяженной сети каналов в стенках корпуса, которую очень сложно сформировать. Причем процесс формирования системы каналов требует особой точности, так как важным условием эффективной работы является правильно сформированное расстояние между каналами корпуса и проточками рабочего золотника. В случае даже небольшого сдвига проточек золотника относительно каналов в корпусе приведет к резкому снижению эффективности и надежности, а в случае существенного несоответствия даже к отказу в работе. Кроме того, для обеспечения надежной работы такого устройства требуется еще и дополнительная обработка с притиркой наружной поверхности рабочего золотника и внутренней поверхности цилиндрической полости, в которой он перемещается, а также наружной поверхности штока и внутренней поверхности отверстия в корпусе, в котором перемещается шток. Все это усложняет изготовление и эксплуатацию пневмоударника и снижает его надежность. При этом пневмоударник требует тщательной смазки трущихся поверхностей рабочего золотника и соединения штока с отверстием корпуса. Более того, износ соединения «шток – отверстие в корпусе» приведет к просачиванию воздуха из цилиндрической полости в камеру золотника с перетеканием в надзолотниковую камеру. Это приведет к уравновешиванию рабочего золотника, перемещению его в среднее положение с перекрытием подводящих и отводящих каналов, и, как следствие, остановке поршней и отказу в работе. Кроме того поршни пневмоударника имеют сложную конфигурацию, что также усложняет и удорожает изготовление устройства. Масса и размер данного пневмоударника завышены, так как его конструкция требует существенного увеличения длины корпуса для размещения элементов узла воздухораспределения.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является двухпоршневой пневмоударник, включающий корпус с продольными каналами и двумя соосно расположенными цилиндрическими полостями, разделёнными перегородкой с отверстиями, полый и сплошной поршни, расположенные внутри цилиндрических полостей, боек, установленный соосно с поршнями и воздухораспределительный узел (см. описание изобретения к патенту RU 2630331, МПК (2006.01)  E21B4/14, E21B1/24, E21B1/38, E21C37/24, B25D9/14, опубликованный 07.09.2017, Бюл. № 25).
Прототипу свойственны те же недостатки, что и аналогу, а именно, сложность конструкции и изготовления, низкая надежность, повышенная масса и размер устройства.
Результатом предлагаемого технического решения является упрощение конструкции и изготовления, повышение надёжности работы, снижение массы и размера устройства.
согласно изобретению
Этот технический результат достигается тем, что двухпоршневой пневмоударник, включающий корпус с продольными каналами и двумя соосно расположенными цилиндрическими полостями, разделёнными перегородкой с отверстиями, полый и сплошной поршни, расположенные внутри цилиндрических полостей, боек, установленный соосно с поршнями и воздухораспределительный узел,  воздухораспределительный узел включает клапанную коробку с входным отверстием, седлом и воздушным каналом и клапан, выполненный в виде пластины треугольной или квадратной формы, установленный внутри коробки с зазором, при этом в корпусе пневмоударника выполнены два отверстия, одно выхлопное радиальное в центральной части цилиндрической полости зоны сплошного поршня, а второе осевое между внутренней полостью клапанной коробки и цилиндрической полостью зоны сплошного поршня.
Данное техническое решение позволит упростить конструкцию и изготовление, повысить надёжность работы, снизить массу и размер устройства.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображён пневмоударник в исходном положении всех подвижных конструктивных элементов, на фиг.2 – пневмоударник в рабочем положении поршней и верхнем положении клапана воздухораспределительного узла, на фиг.3 – пневмоударник в рабочем положении поршней и нижнем положении клапана воздухораспределительного узла.
Двухпоршневой пневмоударник включает корпус 1 с продольными каналами 2, 3 и двумя соосно расположенными цилиндрическими полостями 4, 5, разделёнными перегородкой 6 с отверстиями 7, полый 8 и сплошной 9 поршни, боек 10 и воздухораспределительный узел. Воздухораспределительный узел включает клапанную коробку 11 с входным отверстием 12, седлом 13 и воздушным каналом 14 и клапан 15. Клапан 15 выполнен в виде пластины, треугольной или квадратной формы и установлен с зазором внутри клапанной коробки 11. В корпусе 1 пневмоударника выполнены выхлопное радиальное отверстие 16 и осевое отверстие 17. Отверстие 16 выполнено в центральной части цилиндрической полости 5 зоны сплошного поршня 9, а осевое отверстие 17 между внутренней полостью клапанной коробки 11 и цилиндрической полостью 5 зоны сплошного поршня 9. Размеры клапана 15 установлены исходя из его функции. Описанная окружность клапана 15 имеет диаметр несколько меньше диаметра клапанной коробки 11, что обеспечивает его свободное перемещение внутри клапанной коробки 11. Вписанная окружность клапана 15 имеет диаметр несколько больше диаметра седла 13, что обеспечивает перекрытие межседловой полости седла 13 и осевого отверстия 17.
Двухпоршневой пневмоударник работает следующим образом.
В исходном положении все подвижные конструктивные элементы устройства, а именно, поршни 8, 9 и клапан 15 расположены в нижнем положении (см. фиг.1). После включения пневмоударника, то есть подачи сжатого воздуха из общешахтной магистрали (на фиг. не показана) через входное отверстие 12 в клапанную коробку 11 воздух, прижимая клапан 15 к седлу 13, проходит через отверстие 16 в подпоршневую полость 5 поршня 9 и по каналу 2 в надпоршневую полость 4 поршня 8. При этом поршень 8 остается в своем исходном нижнем положении, а поршень 9 перемещается вверх, совершая рабочий ход. В процессе движения поршень 9 закрывает собой выхлопное радиальное отверстие 16, сжимая одновременно воздух, находящийся в надпоршневой полости 5. Воздух по каналам 3 и 14 попадает в межседловое пространство седла 13 клапанной коробки 11, воздействует на клапан 15, который прижимается к осевому отверстию 17, и поршень 9 ударяет по бойку 10, а воздух из подпоршневой полости 5 выходит в атмосферу через радиальное отверстие 16 (см. фиг.2). При положении клапана 15 в верхней позиции воздух из общешахтной магистрали через отверстие 12, каналы 14, 3 и отверстия 7 проходит в подпоршневую полость 4 поршня 8 и  надпоршневую полость 5 поршня 9 (см. фиг.2). При этом поршень 8 совершает рабочий ход, в конце которого ударяет по бойку 10, а поршень 9 совершает холостой ход, в конце которого открывает выхлопное отверстие 16. Одновременно поршень 9 сжимает перед собой воздух, который воздействуя на клапан 15, перемещает его в нижнее положение к седлу 13 (см. фиг.3). Межседловое пространство седла 13 связано с атмосферой через каналы 14, 3, отверстия 7 в перегородке 6 и радиальным отверстием 16. Далее цикл повторяется.
Данная конструкция двухпоршневого пневмоударника по сравнению с прототипом проста как конструктивно, так и при изготовлении, а также надежна, имеет меньшую массу и габариты.