ПОГРУЖНОЙ ПНЕВМОУДАРНИК
SUBMERSIBLE AIR HAMMER

Техническое решение относится к горному делу и строительству, а именно к буровой технике, и может найти применение при бурении скважин ударно-вращательным способом.
Известен погружной пневмоударник для бурения скважин по а.с. СССР №184195, E21B, E21C, опубл. в БИ №15, 1966 г., включающий цилиндр, поршень и клапанное воздухораспределительное устройство с центральным трубчатым штоком-золотником, входящим в отверстие поршня и осуществляющим подачу энергоносителя в камеру обратного хода через указанное отверстие и сообщающиеся с ним радиальные каналы. В штоке-золотнике выполнен командный канал, поочередно сообщающий заклапанное пространство с рабочими камерами пневмоударника и обеспечивающий работу клапана только для питания камеры прямого хода.
Недостатком этого погружного пневмоударника является то, что командный канал в штоке-золотнике сообщает заклапанное пространство с камерой прямого хода и с камерой обратного хода. Существуют моменты времени, когда связь с заклапанным пространством прерывается, что приводит к нарушению согласованного взаимодействия клапана и поршня и, как следствие, - к снижению надежности машины.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков к предлагаемому техническому решению является устройство для транспортирования твердых и жидких сред в процессе бурения с обратной циркуляцией очистного агента по заявке US 2007/0278010, E21B 10/36, опубл. 06.12.2007, включающее корпус, поршень и клапанное воздухораспределительное устройство с центральным трубчатым штоком-золотником, входящим в отверстие поршня и образующим с ним кольцевой канал, через который осуществляется выхлоп энергоносителя из камеры прямого хода. На шток-золотник посажен клапан в виде стакана с образованием сзади клапана двух площадок, одна из которых постоянно находится под действием магистрального давления энергоносителя, а другая - под действием периодически меняющегося давления в кольцевом заклапанном пространстве. В штоке-золотнике выполнен командный канал, который периодически сообщает кольцевое заклапанное пространство с рабочими камерами устройства и обеспечивает работу клапана только для питания камеры прямого хода.
Недостатком этого устройства является то, что при движении поршня вверх перекрывается командный канал штока-золотника и наступает момент времени, когда заклапанное пространство не связано ни с одной из рабочих камер, что приводит к неконтролируемому изменению давления в нем и нарушению согласованного взаимодействия клапана и поршня. Суммарная сила, действующая на клапан со стороны магистрального давления энергоносителя, увеличивается и происходит преждевременное закрытие клапана для подачи энергоносителя в камеру прямого хода. Этот недостаток приводит к снижению надежности устройства.
Техническая задача предлагаемого решения заключается в повышении надежности погружного пневмоударника за счет обеспечения согласованного взаимодействия клапана и ударника путем постоянной связи клапанного воздухораспределительного устройства с камерой прямого хода.
Поставленная задача решается тем, что в погружном пневмоударнике, включающем корпус, ударник, образующий с корпусом камеры прямого и обратного хода, и клапанное воздухораспределительное устройство, состоящее из седла, клапана и клапанной коробки, согласно техническому решению между седлом, клапаном и клапанной коробкой образована мерная камера, а между седлом и клапаном - кольцевой дроссельный канал, которым мерная камера постоянно соединена с камерой прямого хода.
Указанная совокупность признаков позволяет повысить надежность пневмоударника за счет обеспечения согласованного взаимодействия клапана и ударника путем постоянной связи камеры прямого хода и клапанного воздухораспределительного устройства.
Сущность технического решения поясняется примером конкретного конструктивного исполнения и чертежами фиг.1, 2, где на фиг.1 показан продольный разрез погружного пневмоударника, общий вид в статическом состоянии; на фиг.2 - место А на фиг.1 в увеличенном масштабе, положение клапана «закрыто» - левая часть, положение клапана «открыто» - правая часть.
Погружной пневмоударник (далее - пневмоударник) содержит корпус 1 (фиг.1), в нижней части которого закреплена муфта 2, буксу 3 с буровым долотом 4, имеющие подвижное шлицевое соединение и шпонку 5, ударник 6, трубку 7 с центральным каналом 8, клапанное воздухораспределительное устройство, состоящее из седла 9 (фиг.2), клапана 10 и клапанной коробки 11. Между ними образована мерная камера 12. Ударник 6 образует с корпусом 1 камеру 13 обратного хода и камеру 14 прямого хода. Последняя сообщена через отверстия 15 седла 9 и кольцевой дроссельный канал 16, образованный между седлом 9 и клапаном 10, с мерной камерой 12. Клапан 10 выполнен в виде стакана с наружной стенкой 17 и дном 18. Для выхлопа энергоносителя из камеры 13 (фиг.1) обратного хода в муфте 2 выполнены продольные пазы 19, отверстия 20 и расточка 21. В верхней части корпуса 1 установлен переходник 22, имеющий канал 23 и полость 24 напорного тракта, сообщенную с отверстиями 25 клапанной коробки 11, и обратный клапан 26.
Центральный канал 8 трубки 7 в верхней части сообщен с напорным трактом через радиальные отверстия 27, а в нижней - с камерой 13 обратного хода через отверстия 28. В ударнике 6 выполнены продольные пазы 29, соединенные отверстиями 30 с расточкой 31, и продольные пазы 32, соединенные отверстиями 33 с расточкой 34, и центральный выхлопной канал 35, соединенный с центральным выхлопным каналом 36, связанным с отверстием 37 бурового долота 4.
Пневмоударник работает следующим образом. Энергоноситель из напорного тракта магистрали подается в канал 23 переходника 22 (фиг.1). Обратный клапан 26 открывает полость 24 напорного тракта, сообщенную через радиальные отверстия 27 с центральным каналом 8 трубки 7, и энергоноситель поступает через отверстия 28 трубки 7 в расточку 34, отверстия 33 и продольные пазы 32 ударника 6 в камеру 13 обратного хода, и начинается обратный ход ударника 6. При этом клапан 10, под действием магистрального давления энергоносителя на его наружную стенку 17 и давления энергоносителя со стороны мерной камеры 12, находится в положении «закрыто» (фиг.2, левая часть). При движении ударника 6 расточка 34 уходит из расположения отверстий 28 трубки 7 и подача энергоносителя в камеру 13 обратного хода прекращается. Происходит выхлоп энергоносителя из камеры 13 обратного хода через продольные пазы 19, отверстия 20 и расточку 21 муфты 2, через центральный выхлопной канал 36 и отверстие 37 бурового долота 4. При дальнейшем движении ударника 6 вверх расточка 31 входит в зону расположения отверстий 28 трубки 7 и энергоноситель под магистральным давлением через отверстия 30 и продольные пазы 29 ударника 6 поступает в камеру 14 прямого хода. За счет компрессионного сжатия энергоносителя в камере 14 прямого хода происходит торможение ударника 6. Результирующая сила, действующая на передний торец клапана 10 со стороны камеры 14 прямого хода, увеличивается и клапан 10 перекидывается в положение «открыто» (фиг.2, правая часть). Через образовавшуюся кольцевую щель между передним торцом клапана 10 и торцевой поверхностью седла 9 происходит подача энергоносителя из напорного тракта в камеру 14 прямого хода через отверстия 25 клапанной коробки 11. Движение ударника 6 затормаживается до полной остановки и меняется с обратного хода на прямой.
При прямом ходе клапан 10 находится в положении «открыто» (фиг.2, правая часть) и благодаря большому проходному сечению впускной кольцевой щели между седлом 9 и клапаном 10 давление энергоносителя в камере 14 прямого хода поддерживается высоким. При дальнейшем движении ударника 6 трубка 7 выходит из расположения расточки 31 ударника 6. Открывается центральный выхлопной канал 35 ударника 6 и происходит выхлоп энергоносителя из камеры 14 прямого хода через продольные пазы 29, отверстия 30 в центральный выхлопной канал 35 ударника 6, центральный выхлопной канал 36 и отверстие 37 бурового долота 4. Давление энергоносителя в камере 14 прямого хода падает и клапан 10 под действием результирующей силы магистрального давления энергоносителя на его наружную стенку 17, повышенного давления энергоносителя на дно 18 со стороны мерной камеры 12 перемещается в положение «закрыто». Подача энергоносителя в камеру 14 прямого хода прекращается. Ударник 6 наносит удар по буровому долоту 4 и цикл повторяется.
Ввиду того, что в предлагаемом пневмоударнике между седлом 9, клапаном 10 и клапанной коробкой 11 образована мерная камера 12, а между седлом 9 и клапаном 10 образован кольцевой дроссельный канал 16, постоянно соединяющий мерную камеру 12 с камерой 14 прямого хода, происходит согласованное взаимодействие ударника 6 и клапана 10.
Поскольку мерная камера 12 постоянно связана с камерой 14 прямого хода через кольцевой дроссельный канал 16, для выравнивания давления энергоносителя в этих камерах необходимо время. При обратном ходе ударника 6 давление энергоносителя в мерной камере 12 постепенно нарастает, но в целом меньше среднего давления в камере 14 прямого хода. В это время давление на дно 18 клапана 10 со стороны мерной камеры 12 не препятствует перекидке клапана 10 в положение «открыто» для подачи энергоносителя в камеру 14 прямого хода. И наоборот, на выхлопе при прямом ходе ударника 6 давление энергоносителя в камере 14 прямого хода резко падает, а мерная камера 12 в это время имеет повышенное давление энергоносителя на дно 18 клапана 10, которое вместе с магистральным давлением на наружную стенку 17 клапана 10 перемещает его и удерживает в положении «закрыто».
Наличие мерной камеры 12 и постоянной связи ее с камерой 14 прямого хода через кольцевой дроссельный канал 16 позволяет обеспечить стабильное и согласованное взаимодействие клапана 10 и ударника 6 независимо от износа уплотняющих поверхностей ударника 6, корпуса 1, трубки 7.