ПОГРУЖНОЙ ПНЕВМОУДАРНИК

Техническое решение относится к горному делу, а именно к погружным пневмоударникам для проходки скважин по породам средней и высокой крепости, и может найти применение в строительстве.
Известен двухкамерный погружной пневмоударник, описанный в книге: Н.Н.Есин. Погружные пневматические машины ударного действия для бурения скважин. - Новосибирск: «Наука», Сибирское отделение, 1976. - стр.34. Он содержит корпус, ударник, имеющий головную и хвостовую части, соединенные шейкой, переднюю и заднюю сменные гильзы, определенное положение которых относительно друг друга фиксировано. Они охватывают соответственно переднюю и заднюю части ударника. Пневмоударник содержит также разрезную втулку, расположенную между гильзами и охватывающую шейку ударника. Имеется торцевая и кольцевая камеры холостого хода и торцевая и кольцевая камеры рабочего хода. В ударнике выполнен центральный выхлопной канал, периодически взаимодействующий с трубкой в инструменте и стержнем в задней части пневмоударника.
В соответствии со схемой воздухораспределения данного пневмоударника в передней гильзе выполнены два типа каналов: питающие каналы, соединенные с торцевой камерой холостого хода, и выхлопные каналы, периодически соединяемые с кольцевой камерой рабочего хода. Для обеспечения необходимых сечений данных каналов стенка передней гильзы должна иметь соответствующее сечение т.е. передняя гильза выполняется толстостенной, что уменьшает рабочие площади ударника, образуемые в передней его части. Необходимость обеспечения определенной ориентации передней и задней гильз относительно друг друга вызывает необходимость создания элементов их фиксации, что усложняет конструкцию, снижая надежность работы устройства.
Наличие центрального канала в ударнике ослабляет его сечение, уменьшая его прочность, что не позволяет увеличивать энергетические параметры машины - ограничивает использование энергоносителя повышенного давления. Кроме того, центральный канал не дает возможность осуществлять центральное соударение ударника с инструментом. Это препятствует более равномерному распределению возникающих при ударе напряжений по сечениям соударяющихся деталей, создавая риск их поломки, что уменьшает надежность конструкции.
Наиболее близким по технической сути и совокупности существенных признаков является погружной пневматический ударный механизм, описанный в патенте РФ №2090730, кл. E21B 4/14, E21C 3/24, опубл. в БИ №26, 1997 г. Он содержит корпус, ударник, имеющий головку и хвостовик, соединенные шейкой и имеющие отсечные кромки, гильзу, охватывающую хвостовик и образующую с его торцом торцевую камеру рабочего хода, разрезную втулку, охватывающую шейку ударника с образованием соответственно между втулкой и хвостовиком и втулкой и головкой ударника кольцевых камер холостого и рабочего хода, последняя из которых посредством канала и окна в гильзе постоянно связана с торцевой камерой рабочего хода, питающий канал. В передней части корпуса установлена буровая коронка с каналами с образованием полости между нею и торцом ударника. В гильзе выполнен канал, постоянно соединяющий кольцевую камеру холостого хода с питающим каналом. Окно в гильзе, посредством которого сообщены торцевая и кольцевая камеры рабочего хода, выполнено с возможностью периодического сообщения между собой указанных камер с кольцевой камерой холостого хода при открытии окна кромкой хвостовика ударника в процессе холостого хода последнего. В стенке корпуса выполнена кольцевая расточка с возможностью периодического размещения в ней отсечной кромки головки ударника и сообщения между собой кольцевой камеры рабочего хода с полостью между ударником и буровой коронкой, причем каналы в ней выполнены открытыми в данную полость и постоянно соединяют ее с атмосферой.
Для осуществления полноценного выхлопа из рабочих камер по данной схеме кольцевая расточка в стенке передней части корпуса должна иметь достаточно большое сечение. Это уменьшает прочность корпуса, для компенсации чего необходимо увеличивать толщину стенки, что утяжеляет конструкцию и уменьшает в тех же наружных габаритах площадь поперечного сечения полости корпуса, необходимой для образования рабочих площадей ударника.
В данной системе выхлопа расточка в корпусе соединяется с кольцевой рабочей камерой при открытии ее отсечной кромкой внутри кармана, выполненного в головке ударника, что необходимо для того, чтобы поверхность головки не выходила из контакта с посадочной поверхностью полости корпуса и головка не западала в расточку. Это увеличивает длину головки, самого ударника и всей машины в целом, а также усложняет конфигурацию головки, увеличивает ее массу и, без наличия протяженного плавного перехода к шейке ударника, уменьшает прочность ударника.
Разрезная втулка соединяется с гильзой при помощи стопоров, что усложняет конструкцию втулки и гильзы.
Техническая задача - повышение надежности за счет упрощения конструкции путем использования более простой конфигурации ударника и других основных деталей, снижающей концентрацию напряжений и позволяющей выдерживать большие ударные нагрузки.
Поставленная задача решается тем, что погружной пневмоударник, содержащий корпус, ударник, имеющий головку и хвостовик, соединенные шейкой и имеющие отсечные кромки, гильзу, охватывающую хвостовик и образующую с его торцом торцевую камеру рабочего хода, разрезную втулку, охватывающую шейку ударника с образованием между ней и хвостовиком, между ней и головкой ударника кольцевых соответственно камер холостого и рабочего хода, последняя из которых посредством канала и окна в гильзе постоянно связана с торцевой камерой рабочего хода, питающий канал, постоянно сообщенный с кольцевой камерой холостого хода, буровую коронку с каналами, установленную в передней части корпуса с образованием между ней и торцом ударника полости, постоянно соединенной с атмосферой каналами в буровой коронке согласно техническому решению в полости корпуса между буровой коронкой и разрезной втулкой установлен направляющий выхлопной патрубок, охватывающий головку ударника, в стенке указанного патрубка выполнены радиальные окна, постоянно открытые в полость между буровой коронкой и торцом ударника и имеющие возможность периодического открытия отсечной кромкой головки ударника в кольцевую камеру рабочего хода.
Введение в конструкцию погружного пневмоударника направляющего выхлопного патрубка позволяет упростить конструкцию его основных деталей за счет организации выхлопа через радиальные окна указанного патрубка и фиксации разрезной втулки.
Корпус машины, кроме резьбы, имеет всего одну внутреннюю поверхность, что упрощает его изготовление и обеспечивает, даже при умеренной толщине стенки, необходимую прочность.
Значительно упрощается форма ударника, представленная в основном телами вращения с минимальной длиной его головки. Это упрощает изготовление ударника и значительно увеличивает его прочностные качества за счет снижения количества концентраторов напряжений, что делает возможным при работе погружного пневмоударника использовать энергоноситель повышенного давления, при котором увеличиваются энергетические параметры.
Направляющий выхлопной патрубок также является и ограничителем осевого перемещения разрезной втулки, расположенной между гильзой и указанным патрубком, что исключает из конструкции какие-либо другие фиксирующие элементы. Это упрощает конструкцию разрезной втулки и гильзы.
Сущность технического решения иллюстрируется примером конкретного исполнения и чертежом, где изображен продольный разрез погружного пневмоударника.
Погружной пневмоударник (далее - пневмоударник) содержит корпус 1, ударник 2, имеющий головку 3 с отсечной кромкой 4 и хвостовик 5 с отсечной кромкой 6. Головка 3 и хвостовик 5 соединены шейкой 7. В корпусе 1 размещена гильза 8, охватывающая хвостовик 5, которая образует с его торца торцевую камеру 9 рабочего хода. Внутри гильзы 8 с упором в передний ее торец устанавлена разрезная втулка 10, охватывающая шейку 7 ударника 2 и образующая между нею и хвостовиком 5 кольцевую камеру 11 холостого хода и между нею и головкой 3 кольцевую камеру 12 рабочего хода. В полости корпуса 1 спереди от разрезной втулки 10 установлен направляющий выхлопной патрубок 13, охватывающий головку 3 и имеющий радиальные окна 14, выполненные с возможностью взаимодействия с отсечной кромкой 4 головки 3. Камеры 9 и 12 соединены выполненным в гильзе 8 каналом 15, связанным с окном 16 в стенке гильзы 8, выполненным с возможностью взаимодействия с отсечной кромкой 6 хвостовика 5. В задней части корпуса 1 имеется питающий канал 17, а канал 18, выполненный в гильзе 8, соединяет этот канал 17 с кольцевой камерой 11 холостого хода. В передней части корпуса 1 установлена букса 19. В гнезде буксы 19 подвижно установлена буровая коронка 20 с каналами 21. Буровая коронка 20 образует с ударником 2 полость 22. Каналы 21 буровой коронки 20 и радиальные окна 14 в направляющем выхлопном патрубке 13 постоянно открыты в полость 22.
Работает пневмоударник следующим образом.
Из става штанг сжатый воздух подается в питающий канал 17 в задней части корпуса 1, откуда через канал 18 в гильзе 8 поступает в кольцевую камеру 11 холостого хода. Воздействуя на рабочую площадь ударника 2 со стороны этой камеры 11, сжатый воздух приводит в движение ударник 2, начинается холостой ход. Сжатый воздух со стороны этой камеры 11 воздействует и на поверхность торца разрезной втулки 10, охватывающей шейку 7 ударника 2, но ее перемещению препятствует направляющий выхлопной патрубок 13. При движении ударника 2 головка 3 с отсечной кромкой 4 отсекает радиальные окна 14 направляющего выхлопного патрубка 13, изолируя кольцевую камеру 12 рабочего хода и связанную с ней торцевую камеру 9 рабочего хода. В дальнейшем отсечная кромка 6 хвостовика 5 открывает окно 16, сообщая его с кольцевой камерой 11 холостого хода. Из кольцевой камеры 11 холостого хода сжатый воздух через окно 16 поступает в торцевую камеру 9 рабочего хода, а через канал 15 и в кольцевую камеру 12 рабочего хода. Ввиду того, что рабочая площадь ударника 2 со стороны камер 9, 12 рабочего хода за счет использования разрезной втулки 10 значительно больше его рабочей площади со стороны камеры 11 холостого хода, ударник 2 под действием сжатого воздуха, воздействующего на рабочие площади со стороны этих камер 9, 12, резко тормозится и переводится на рабочий ход. При движении ударника 2 на рабочем ходу отсечная кромка 6 отсоединяет окно 16 от кольцевой камеры 11 холостого хода, прекращая впуск воздуха в камеры 9 и 12 рабочего хода. В дальнейшем движение ударника 2 осуществляется за счет инерции и за счет расширения сжатого воздуха.
Значительная величина рабочей площади ударника 2 со стороны камер 9 и 12 рабочего хода позволяет осуществлять торможение ударника 2 при более позднем впуске сжатого воздуха в эти камеры 9,12, а это предопределяет, по бесклапанной схеме воздухораспределения, и более раннюю отсечку впуска сжатого воздуха при рабочем ходе, позволяет более полно использовать энергию расширения сжатого воздуха, что повышает экономичность машины. Увеличенная рабочая площадь ударника 2 со стороны камер 9 и 12 рабочего хода позволяет легко преодолевать сопротивление со стороны постоянно находящейся под давлением кольцевой камеры 11 холостого хода.
При дальнейшем движении ударника 2 отсечная кромка 4 головки 3 отрывает радиальные окна 14 в направляющем выхлопном патрубке 13, начинается выхлоп из кольцевой камеры 12 рабочего хода и из соединенной с ней торцевой камеры 9 рабочего хода. При этом воздух поступает через радиальные окна 14 в полость 22, откуда через каналы 21 - на забой скважины. В конце рабочего хода ударник 2 наносит удар по хвостовику буровой коронки 20, имеющей возможность осевого перемещения в гнезде буксы 19. Цикл повторяется.