Пневматический ударный механизм

Полезная модель относится к горному делу и строительству, а именно к буровой технике, и может найти применение при бурении скважин ударно-вращательным способом.
Известен пневматический ударный механизм по патенту РФ № 2581652, кл. Е21В 4/14, опубл. в Бюл. №11, 2016 г., содержащий корпус, в котором расположены поршень, образующий с его стенками камеры рабочего и холостого хода, переходник, изготовленный с центральным каналом и с боковыми каналами в его стенке, причем по наружной поверхности переходника выполнена кольцевая канавка, в которой установлен с предварительным натягом эластичный клапан в форме тора, образующий с корпусом и переходником надклапанную полость, а со стенками корпуса - канал для впуска энергоносителя в камеру рабочего хода, при этом в центральном канале переходника закреплены шток-золотник с осевым каналом и гильза с магистральным каналом и отверстиями, которыми магистральный канал сообщен с надклапанной полостью через указанные боковые каналы в стенке переходника. Гильза выполнена с дном, которым перекрыт её магистральный канал, а в переходнике, в зоне внутренней опорной поверхности указанного клапана в кольцевой канавке, выполнены отверстия для периодического сообщения надклапанной полости через центральный канал переходника с осевым каналом штока-золотника.
Общими признаками аналога и предлагаемой полезной модели являются: корпус, в котором расположены поршень, образующий с его стенками камеры рабочего и холостого хода, переходник, изготовленный с центральным каналом и боковыми каналами в его стенке, причем по наружной поверхности переходника выполнена кольцевая канавка, в которой установлен с предварительным натягом эластичный клапан в форме тора, образующий с корпусом и переходником надклапанную полость, а со стенками корпуса - канал для впуска энергоносителя в камеру рабочего хода, при этом в переходнике закреплен шток-золотник с осевым каналом, а в кольцевой канавке переходника в зоне внутренней опорной поверхности указанного клапана выполнены отверстия для периодического сообщения надклапанной полости с осевым каналом штока-золотника через центральный канал переходника, в котором образовано дно, перекрывающее центральный канал переходника.
Главным недостатком этого механизма является сложность конструктивного исполнения подвода энергоносителя в камеру холостого хода из осевого канала штока-золотника, который выполнен не со сквозным осевым каналом, а с пробкой. Поэтому для впуска энергоносителя в камеру холостого хода в стенке штока-золотника выполнены радиальные каналы, а в поршне расточка, что вызывает существенные потери напора энергоносителя, снижая эффективность механизма. Кроме того, расточка в поршне уменьшает его прочность при ударных нагрузках, что снижает его эксплуатационную надежность, а значит, и эффективность работы.
Другим недостатком этого механизма является то, что дно, перекрывающее центральный канал переходника, выполнено за одно целое с гильзой, а шток-золотник закреплен в переходнике посредством стопорного кольца, что существенно усложняет конструкцию механизма, создает неудобства при его сборке и разборке, что не эффективно.
Существенным недостатком этого механизма является и то, что в блокировочном режиме работы весь энергоноситель поступает только в камеру рабочего хода через радиальные каналы штока-золотника, которые открываются в камеру рабочего хода при смещении вперед поршня вместе с инструментом. При этом из камеры рабочего хода энергоноситель удаляется в затрубное пространство скважины через выхлопные окна, а в продувочный канал инструмента энергоноситель для очистки забоя и охлаждения буровой коронки не подается, что снижает эксплуатационную надежность механизма и его эффективность.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков к предлагаемому техническому решению является пневматический ударный механизм по патенту РФ № 2713043, кл. Е21В 4/14, опубл. в Бюл. № 4, 2020 г., содержащий корпус с буровой коронкой, в котором расположены поршень, образующий с его стенками камеры рабочего и холостого хода, переходник для соединения с напорной магистралью энергоносителя, имеющий центральный канал и перекрытие в нем, выполненное за одно целое с переходником и разделяющее его центральный канал на заднюю часть, сообщенную с боковыми каналами в стенке переходника, и переднюю часть, сообщенную с отверстиями в дне кольцевой канавки, выполненной по наружной боковой поверхности переходника, в которой установлен с предварительным натягом эластичный клапан в форме тора, образующий с корпусом и переходником надклапанную полость, сообщенную с напорной магистралью энергоносителя через указанные боковые каналы в стенке переходника и заднюю часть его центрального канала, а со стенками корпуса - канал для впуска энергоносителя в камеру рабочего хода, при этом указанный эластичный клапан установлен с возможностью периодического открытия тракта для впуска энергоносителя из указанной надклапанной полости в камеру холостого хода, который включает отверстия в дне упомянутой кольцевой канавки переходника, переднюю часть его центрального канала и осевой канал штока-золотника, установленного в переходнике и в центральном канале поршня. Согласно техническому решению шток-золотник установлен в расточке переходника, выполненной с его переднего торца в передней части его центрального канала, а осевой канал штока-золотника напрямую сообщен с центральным каналом поршня, при этом шток-золотник закреплен в переходнике цилиндрическим стержнем, установленным в сквозном отверстии, выполненном с боковой поверхности переходника и совмещенном со сквозным отверстием, выполненным в штоке-золотнике.
Общими признаками прототипа и предлагаемого технического решения являются: корпус с буровой коронкой, в котором расположены поршень с центральным каналом, образующий с его стенками камеры рабочего и холостого хода, переходник для соединения с напорной магистралью энергоносителя, имеющий центральный канал и перекрытие в нем, выполненное за одно целое с переходником и разделяющее его центральный канал на заднюю часть, сообщенную с боковыми каналами в стенке переходника, и переднюю часть, сообщенную с отверстиями в дне кольцевой канавки, выполненной по наружной боковой поверхности переходника, в которой установлен с предварительным натягом эластичный клапан в форме тора, образующий с корпусом и переходником надклапанную полость, сообщенную с напорной магистралью через указанные боковые каналы в стенке переходника и заднюю часть его центрального канала, а со стенками корпуса - канал для впуска энергоносителя в камеру рабочего хода, при этом указанный эластичный клапан установлен с возможностью периодического открытия тракта для впуска энергоносителя из указанной надклапанной полости в камеру холостого хода, который включает отверстия в дне упомянутой кольцевой канавки переходника, переднюю часть его центрального канала и осевой канал штока-золотника, сообщенный напрямую с центральным каналом поршня, в котором установлен шток-золотник передней частью, а задней частью - в расточке переходника, выполненной с его переднего торца в передней части его центрального канала, при этом шток-золотник закреплен в переходнике цилиндрическим стержнем, установленным в сквозном отверстии, выполненном с боковой поверхности переходника и совмещенном со сквозным отверстием, выполненным в штоке-золотнике.
Недостатком прототипа является то, что цилиндрический стержень 20, расположенный в осевом канале 16 штока-золотника 17, уменьшает проходное сечение осевого канала 16, что ухудшает наполнение энергоносителем камеры 5 холостого хода и, как следствие, снижает эффективность механизма.
Проблема заключается в создании пневматического ударного механизма с повышенной эффективностью работы, которая решается при увеличении проходного сечения канала для впуска энергоносителя в камеру холостого хода.
Проблема решается тем, что в пневматическом ударном механизме, содержащем корпус с буровой коронкой, в котором расположены поршень, образующий с его стенками камеры рабочего и холостого хода, переходник для соединения с напорной магистралью энергоносителя, имеющий центральный канал и перекрытие в нем, выполненное за одно целое с переходником и разделяющее его центральный канал на заднюю часть, сообщенную с боковыми каналами в стенке переходника, и переднюю часть, сообщенную с отверстиями в дне кольцевой канавки, выполненной по наружной боковой поверхности переходника, в которой установлен с предварительным натягом эластичный клапан в форме тора, образующий с корпусом и переходником надклапанную полость, сообщенную с напорной магистралью через указанные боковые каналы в стенке переходника и заднюю часть его центрального канала, а со стенками корпуса - канал для впуска энергоносителя в камеру рабочего хода, при этом указанный эластичный клапан установлен с возможностью периодического открытия тракта для впуска энергоносителя из указанной надклапанной полости в камеру холостого хода, который включает отверстия в дне упомянутой кольцевой канавки переходника, переднюю часть его центрального канала и осевой канал штока-золотника, сообщенный напрямую с центральным каналом поршня, в котором установлен шток-золотник передней частью, а задней частью - в расточке переходника, выполненной с его переднего торца в передней части его центрального канала, при этом шток-золотник закреплен в переходнике цилиндрическим стержнем, установленным в сквозном отверстии, выполненном с цилиндрической боковой поверхности переходника и совмещенном со сквозным отверстием, выполненным в штоке-золотнике, согласно техническому решению в штоке-золотнике выполнена расточка, при этом упомянутый цилиндрический стержень установлен в осевом канале штока-золотника через эту расточку.
Указанная совокупность признаков позволяет, по сравнению с прототипом, повысить эффективность работы механизма за счет увеличения проходного сечения в осевом канале штока-золотника для наполнения энергоносителем камеры холостого хода.
Целесообразно цилиндрический стержень выполнить с коническими концами, расположенными в канале для впуска энергоносителя в камеру рабочего хода, что, по сравнению с прототипом, уменьшает перекрытие указанного канала, увеличивая его проходное сечение и повышая тем самым эффективность механизма. Выполнение цилиндрического стержня с коническими концами не только увеличивает проходное сечение в канале, но позволяет при сборке механизма более точно совмещать коническим концом сквозное отверстие в переходнике со сквозным отверстием в штоке-золотнике, что повышает удобство сборки, снижает время сборки и, как следствие, повышает эффективность работы механизма.
Целесообразно упомянутые совмещенные сквозные отверстия на цилиндрической боковой поверхности переходника и штока-золотника выполнить радиально, что, по сравнению с прототипом, упрощает их выполнение, снижает себестоимость механизма и, как следствие, повышает его эффективность.
Целесообразно в указанном перекрытии переходника выполнить калиброванное отверстие, сообщающее заднюю часть центрального канала переходника с его передней частью, что обеспечивает постоянную продувку забоя через центральный канал буровой коронки, повышая эффективность работы механизма.
Сущность технического решения поясняется примером конструктивного исполнения пневматического ударного механизма и чертежом, где показан общий вид этого механизма в продольном разрезе в статическом состоянии.
Пневматический ударный механизм (далее - механизм) содержит корпус 1 с буровой коронкой 2, в котором расположены поршень 3, образующий с его стенками камеру 4 рабочего хода и камеру 5 холостого хода, переходник 6 для соединения с напорной магистралью энергоносителя, имеющий центральный канал и перекрытие 7 в нем, выполненное за одно целое с переходником 6 и разделяющее его центральный канал на заднюю часть 8, сообщенную с боковыми каналами 9 в стенке переходника 6, и переднюю часть 10, сообщенную с отверстиями 11 в дне кольцевой канавки 12, выполненной по наружной боковой поверхности переходника 6, в которой установлен с предварительным натягом эластичный клапан 13 в форме тора (далее - клапан 13), образующий с корпусом 1 и переходником 6 надклапанную полость 14, сообщенную с напорной магистралью энергоносителя через указанные боковые каналы 9 и заднюю часть 8 его центрального канала, а со стенками корпуса 1 - канал 15 для впуска энергоносителя в камеру 4 рабочего хода (далее - канал 15). Клапан 13 установлен с возможностью периодического открытия тракта для впуска энергоносителя из надклапанной полости 14 в камеру 5 холостого хода, который включает отверстия 11 в дне кольцевой канавки 12 переходника 6, переднюю часть 10 его центрального канала и осевой канал 16 штока-золотника 17, сообщенный напрямую с центральным каналом 18 поршня 3, в котором установлен шток-золотник 17 передней его частью, а задней частью - в расточке 19 переходника 6, выполненной с его переднего торца в передней части 10 его центрального канала. При этом шток-золотник 17 закреплен в переходнике 6 цилиндрическим стержнем 20, установленным в сквозном отверстии 21, выполненном радиально с цилиндрической боковой поверхности переходника 6 и совмещенном со сквозным отверстием 22, выполненном радиально в штоке-золотнике 17. Такое исполнение упрощает совмещение отверстий 21 и 22 при сборке. При этом задняя часть штока-золотника 17, установленная в расточке 19 переходника 6, выполнена с увеличенной толщиной его стенки. Цилиндрический стержень 20 выполнен с коническими концами 23, установленными в канале 15, что увеличивает проходное сечение этого канала 15, а в штоке-золотнике 17 выполнена расточка 24, при этом цилиндрический стержень 20 установлен в осевом канале 16 штока-золотника 17 через эту расточку 24, что увеличивает проходное сечение осевого канала 16 для наполнения энергоносителем камеры 5 холостого хода. В буровой коронке 2 выполнен канал 25. Для ограничения её хода в блокировочном режиме работы в корпусе 1 установлена шпонка 26 и выполнены блокировочные каналы 27. Для выхлопа отработанного энергоносителя из камеры 4 рабочего хода в корпусе 1 выполнены выхлопные окна 28, а для выхлопа из камеры 5 холостого хода - выхлопные окна 29. В перекрытии 7 переходника 6 выполнено калиброванное отверстие 30, сообщающее заднюю часть 8 центрального канала переходника 6 с его передней частью 10. В передней части штока-золотника 17 выполнены радиальные отверстия 31.
Механизм работает следующим образом. При любом исходном положении в статическом состоянии поршня 3 клапан 13 за счет внутренних сил упругости сжат с предварительным натягом в кольцевой канавке 12 переходника 6 и внутренней опорной поверхностью закрывает отверстия 11. При этом клапан 13 образовал своей наружной поверхностью со стенками корпуса 1 канал 15 для впуска энергоносителя из надклапанной полости 14 в камеру 4 рабочего хода. При включении механизма в работу энергоноситель из напорной магистрали через заднюю часть 8 центрального канала и боковые каналы 9 переходника 6 поступает в надклапанную полость 14. Из надклапанной полости 14 энергоноситель проходит по каналу 15 в камеру 4 рабочего хода. Под действием энергоносителя поршень 3 из любого исходного положения перемещается в крайнее переднее положение и открывает выхлопные окна 28. Энергоноситель из камеры 4 рабочего хода удаляется в затрубное пространство скважины и давление энергоносителя в канале 15 снижается. Под действием энергоносителя со стороны надклапанной полости 14 клапан 13 растягивается, перекрывая канал 15, и открывает своей внутренней опорной поверхностью отверстия 11 в кольцевой канавке 12 переходника 6, которые сообщают надклапанную полость 14 с передней частью 10 центрального канала, отделенной перекрытием 7 от задней части 8 центрального канала переходника 6. Далее энергоноситель проходит напрямую через расточку 24 и по осевому каналу 16 в штоке-золотнике 17 в центральный канал 18 поршня 3 и в камеру 5 холостого хода. Начинается холостой ход поршня 3. При этом, по сравнению с прототипом, выполнение в штоке-золотнике 17 расточки 24, через которую в его осевом канале 16 установлен цилиндрический стержень 20, увеличивает проходное сечение в тракте для наполнения камеры 5 холостого хода, что повышает эффективность работы механизма. Выполнение штока-золотника 17 с осевым каналом 16, сообщенным напрямую с центральным каналом 18 поршня 3, обеспечивается тем, что шток-золотник 17 установлен в расточке 19 переходника 6, выполненной с его переднего торца в передней части 10 его центрального канала, при этом шток-золотник 17 закреплен в переходнике 6 цилиндрическим стержнем 20 с коническими концами 23, установленным в сквозном отверстии 21, выполненном радиально с боковой поверхности переходника 6, и в сквозном отверстии 22, выполненном радиально в штоке-золотнике 17. Такое исполнение упрощает конструкцию механизма, упрощает совмещение сквозных отверстий 21 и 22 при сборке механизма, что повышает эффективность его работы. При наполнении камеры 5 холостого хода энергоносителем совершается холостой ход поршня 3, который открывает выхлопные окна 29 для удаления из камеры 5 холостого хода отработанного энергоносителя в затрубное пространство скважины. При холостом ходе поршня 3 в камере 4 рабочего хода образуется буферная подушка повышенного давления, а в осевом канале 16 штока-золотника 17 и в отверстиях 11 давление энергоносителя падает за счет разрядки камеры 5 холостого хода. Под действием энергоносителя, поступающего в надклапанную полость 14, клапан 13 сжимается, перекрывает отверстия 11 и впуск энергоносителя в камеру 5 холостого хода прекращается, при этом открывается впуск энергоносителя в камеру 4 рабочего хода через канал 15. Происходит остановка поршня 3 и начинается рабочий ход. Выполнение цилиндрического стержня 20 с коническими концами 23 увеличивает проходное сечение в канале 15, что повышает эффективность работы механизма. При рабочем ходе поршень 3 открывает выхлопные окна 28 для удаления отработанного энергоносителя из камеры 4 рабочего хода. Давление энергоносителя в камере 4 рабочего хода и в канале 15 снижается. Под действием энергоносителя, поступающего в надклапанную полость 14, клапан 13 растягивается, перекрывая канал 15 для впуска энергоносителя в камеру 4 рабочего хода, и открывает отверстия 11 для впуска энергоносителя в камеру 5 холостого хода. Происходит удар поршнем 3 по буровой коронке 2, после этого циклы повторяются. Буровая коронка 2 разрушает забой скважины, а продукты разрушения удаляются энергоносителем, поступающим через канал 25 на забой, в затрубное пространство скважины.
В указанном перекрытии 7 выполнено калиброванное отверстие 30, сообщающее заднюю часть 8 центрального канала переходника 6 с его передней частью 10, что улучшает очистку забоя скважины за счет постоянной подачи энергоносителя через осевой канал 16 штока-золотника 17 и центральный канал 18 поршня 3 в канал 25 буровой коронки 2. Такое исполнение повышает эффективность работы механизма.
В блокировочном режиме работы при подъёме механизма от забоя буровая коронка 2 смещается до упора в шпонку 26, при этом открываются блокировочные каналы 27 в корпусе 1 для разрядки камеры 5 холостого хода, а поршень 3 также смещается вперед до упора в корпус 1, при этом открываются радиальные отверстия 31 штока-золотника 17 и камера 4 рабочего хода сообщается с камерой 5 холостого хода. Давление энергоносителя в указанных камерах 4, 5 выравнивается, и механизм выключается из работы.