ПОГРУЖНОЙ ПНЕВМОУДАРНИК
DOWNHOLE 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, при этом в штоке-золотнике выполнен командный канал, поочередно сообщающий заклапанное пространство с рабочими камерами пневмоударника и обеспечивающий работу клапана только для питания камеры прямого хода. Клапан выполнен в виде стакана, внутренние цилиндрические поверхности которого посажены на шток-золотник 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 простанстве.
Недостатком этого устройства является то, что командный канал, поочередно сообщающий заклапанное пространство с рабочими камерами пневмоударника, выполнен продольно в стенке центрального трубчатого штока-золотника. Такое исполнение увеличивает наружный диаметр центрального трубчатого штока-золотника, входящего в отверстие поршня, что уменьшает прочность поршня, в котором к тому же выполнены радиальные каналы.
Другим недостатком этого устройства является то, что отработанный энергоноситель из его рабочих камер удаляется через отверстия в цилиндре в окружающее пространство буровой скважины. При таком исполнении шлам из скважины может проникать через отверстия в цилиндре в рабочие камеры, что снижает надежность его работы.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков к предлагаемому техническому решению является погружной пневмоударник по патенту РФ №2034983, кл. E21C 3/24, E21B 4/14, опубл. в БИ №13, 1995 г., включающий корпус с муфтой, распределительную гильзу с наружными пазами, шток с большими и меньшими ступенями и с осевым и радиальными каналами, питающе-разрядный элемент, ступенчатый ударник с центральным выхлопным каналом, разделяющий полость корпуса на камеры сетевого давления и управляемые камеры рабочего и холостого хода. Питающе-разрядный элемент выполнен ступенчатым и установлен на большей ступени штока, образуя с ней внутреннюю полость, а радиальные каналы в штоке выполнены направленно в эту полость, при этом на наружной поверхности штока в зоне размещения меньшей ступени питающе-разрядного элемента выполнена кольцевая проточка. Управляемая камера холостого хода постоянно сообщена с камерой сетевого давления дроссельными каналами, выполненными на большей ступени ударника.
Главным недостатком этого устройства является то, что внутренняя полость, образованная ступенчатым питающе-разрядным элементом и большей ступенью штока, постоянно соединена с атмосферой через радиальные каналы, осевой канал и центральный выхлопной канал ступенчатого ударника. Такое исполнение не позволяет периодически повышать давление энергоносителя в указанной внутренней полости в конце рабочего хода ступенчатого ударника для надежного перекрытия торцевого зазора, образованного питающе-разрядным элементом. Поэтому в конце рабочего хода при открытии штоком центрального выхлопного канала ступенчатого ударника начинается выхлоп из камеры рабочего хода, но в начальный период выхлопа давление энергоносителя в камере рабочего хода имеет большую величину, что воздействует на весь передний торец питающе-разрядного элемента, создает большую силу, которая препятствует другой, меньшей силе, действующей только на одну заднюю ступень питающе-разрядного элемента, закрыть продолжающийся впуск энергоносителя в камеру рабочего хода через торцевой зазор. Такое конструктивное исполнение ведет к увеличению расхода энергоносителя и снижает эксплуатационную надежность работы устройства.
Другим недостатком этого погружного пневмоударника является то, что на наружной поверхности штока, в зоне размещения меньшей ступени питающе-разрядного элемента, выполнена кольцевая проточка. Такое исполнение снижает прочность штока, выполненного к тому же с осевым каналом и с радиальными каналами, что не позволяет сделать кольцевую проточку с достаточно большим проходным сечением для разрядки камеры рабочего хода при холостом ходе ступенчатого ударника. Такое исполнение снижает надежность работы устройства.
Существенным недостатком этого устройства является также то, что управляемая камера холостого хода постоянно сообщена с камерой сетевого давления дроссельными каналами, выполненными сквозными на большей ступени ударника. При таком исполнении управляемая камера холостого хода продолжает наполняться энергоносителем через дроссельные каналы даже при открытии выхлопа из нее через центральный выхлопной канал ступенчатого ударника, что увеличивает непроизводительный расход энергоносителя.
Другим существенным недостатком этого устройства является то, что передний торец штока, выходя из центрального выхлопного канала ступенчатого ударника, может смещаться относительно оси центрального выхлопного канала при значительном износе центрирующих поясков корпуса и ступенчатого ударника, что снижает эксплуатационную надежность работы устройства.
Также недостатком этого устройства является то, что для образования впускного канала в камеру рабочего хода ступенчатый ударник выполнен с проточкой на меньшей его ступени, уплотнительный поясок которой, входя в расточку распределительной гильзы, может смещаться вследствие износа центрирующих поясков ступенчатого ударника и несоосности с распределительной гильзой, что также снижает эксплуатационную надежность работы погружного пневмоударника.
Техническая задача - снижение расхода энергоносителя и повышение эксплуатационной надежности работы за счет улучшения условий работы питающе-разрядного клапана.
Поставленная задача решается тем, что в погружном пневмоударнике, включающем корпус, в котором установлены муфта с магистральным каналом, сообщенным с магистральной полостью корпуса, распределительная гильза с наружными пазами и расточкой, ступенчатый ударник с центральным выхлопным каналом, впускным каналом на его меньшей ступени и дроссельными каналами на его большей ступени, образующий с корпусом камеру сетевого давления и камеру холостого хода, а с распределительной гильзой - камеру рабочего хода, шток с большей и меньшей ступенями, с осевым и радиальными каналами, питающе-разрядный клапан в виде стакана с центральным отверстием в его дне, установленный на большей и меньшей ступенях штока с образованием между ними заклапанной полости, при этом питающе-разрядный клапан имеет снаружи заднюю торцевую площадку, расположенную в магистральной полости корпуса, и внутреннюю торцевую площадку, расположенную на дне стакана в заклапанной полости, которая сообщена через указанные радиальные каналы штока с его осевым каналом, а между меньшей ступенью штока и указанным клапаном выполнен кольцевой канал для периодического сообщения заклапанной полости с камерой рабочего хода при холостом ходе ступенчатого ударника, согласно техническому решению осевой канал штока выполнен глухим с его переднего торца, а в стенке передней части штока выполнены командные каналы для периодического сообщения его осевого канала с камерой рабочего хода до открытия выхлопа из нее ступенчатым ударником при рабочем ходе и для периодического сообщения осевого канала штока с центральным выхлопным каналом ступенчатого ударника через расточку, выполненную в центральном выхлопном канале ступенчатого ударника.
Указанная совокупность признаков позволяет периодически сообщать заклапанную полость с камерой рабочего хода до открытия выхлопа из нее ступенчатым ударником при рабочем ходе и улучшить условия перекидки питающе-разрядного клапана при закрытии впуска энергоносителя через его торцевой зазор в камеру рабочего хода, что снижает расход энергоносителя и повышает эксплуатационную надежность работы устройства.
Целесообразно указанный кольцевой канал образовать путем расточки центрального отверстия питающе-разрядного клапана. Такое исполнение устраняет необходимость подрезки штока проточкой, как в прототипе, что повышает прочность штока, который имеет к тому же осевой канал и радиальные каналы, что не позволяет сделать в прототипе кольцевой канал с достаточно большим проходным сечением для лучшей разрядки камеры рабочего хода при холостом ходе ступенчатого ударника. Такое исполнение повышает эксплуатационную надежность работы устройства.
Целесообразно дроссельные каналы на большей ступени ударника выполнить глухими, а в корпусе сделать расточку для периодического сообщения дроссельных каналов с камерой холостого хода. Такое исполнение устраняет постоянное наполнение энергоносителем камеры холостого хода, делает ее управляемой по наполнению энергоносителем, что снижает расход энергоносителя.
Целесообразно по наружной поверхности штока с его переднего торца до указанных командных каналов выполнить усеченный конус, обращенный меньшим диаметром к центральному выхлопному каналу ступенчатого ударника. Такое исполнение центрирует шток при его вхождении в центральный выхлопной канал ступенчатого ударника, что повышает эксплуатационную надежность работы устройства.
Целесообразно впускной канал на меньшей ступени ударника выполнить в виде пазов для сообщения камеры сетевого давления с расточкой в указанной распределительной гильзе. Такое исполнение устраняет радиальное смещение меньшей ступени ударника при ее вхождении в расточку распределительной гильзы, что повышает эксплуатационную надежность работы устройства.
Сущность технического решения поясняется примером конкретного конструктивного исполнения погружного пневмоударника и чертежом, где показан продольный разрез погружного пневмоударника в статическом состоянии.
Погружной пневмоударник (далее - пневмоударник) включает корпус 1, в котором установлены муфта 2 с магистральным каналом (поз. не обозначен), сообщенным с магистральной полостью 3 корпуса 1, распределительная гильза 4 с наружными пазами 5 и расточкой 6, ступенчатый ударник 7 с центральным выхлопным каналом 8, впускным каналом 9, выполненным в виде пазов на его меньшей ступени 10, и дроссельными каналами 11 на его большей ступени. Ступенчатый ударник 7 образует с корпусом 1 камеру 12 сетевого давления и камеру 13 холостого хода, а с распределительной гильзой 4 - камеру 14 рабочего хода. В корпусе 1 размещены шток 15 с большей и меньшей ступенями, с осевым каналом 16 и радиальными каналами 17, питающе-разрядный клапан 18 в виде стакана с центральным отверстием 19 в его дне, установленный на большей и меньшей ступенях штока 15 с образованием между ними заклапанной полости 20, которая сообщена через радиальные каналы 17 с осевым каналом 16 штока 15. При этом питающе-разрядный клапан 18 имеет снаружи заднюю торцевую площадку 21, расположенную в магистральной полости 3 корпуса 1, и внутреннюю торцевую площадку 22, расположенную на дне стакана в заклапанной полости 20. Между меньшей ступенью штока 15 и указанным клапаном 18 выполнен кольцевой канал 23 путем расточки центрального отверстия 19 питающе-разрядного клапана 18. Осевой канал 16 штока 15 выполнен глухим с его переднего торца, а в стенке передней части штока 15 выполнены командные каналы 24 для периодического сообщения осевого канала 16 штока 15 с камерой 14 рабочего хода до открытия выхлопа из нее ступенчатым ударником 7 при рабочем ходе и с центральным выхлопным каналом 8 ступенчатого ударника 7 через расточку 25, выполненную в этом канале 8. Дроссельные каналы 11 на большей ступени ударника 7 выполнены глухими, а в корпусе 1 сделана расточка 26 для периодического сообщения дроссельных каналов 11 с камерой 13 холостого хода. По наружной поверхности штока 15 с его переднего торца до командных каналов 24 выполнен усеченный конус 27, обращенный меньшим диаметром к центральному выхлопному каналу 8 ступенчатого ударника 7. Камера 12 сетевого давления соединена с магистральной полостью 3 через радиальные окна 28 и пазы 5 распределительной гильзы 4. Камера 14 рабочего хода периодически сообщена с магистральной полостью 3 корпуса 1 через каналы 29, торцевую выборку 30, выполненные в распределительной гильзе 4, и торцевой зазор (поз. не обозначен) между торцом питающе-разрядного клапана 18 и распределительной гильзой 4, образованный ходом указанного клапана 18. На штоке 15 установлен подпружиненный обратный клапан 31 для перекрытия магистрального канала в муфте 2 при неработающем пневмоударнике. В корпусе 1 установлен буровой инструмент 32 с каналом 33, в котором закреплена выхлопная трубка 34, установленная в центральном выхлопном канале 8 ступенчатого ударника 7 для выхлопа из камеры 13 холостого хода.
Пневмоударник работает следующим образом. При подаче энергоносителя в пневмоударник подпружиненный обратный клапан 31 перемещается до упора в шток 15. Энергоноситель через магистральный канал в муфте 2 поступает в магистральную полость 3 корпуса 1. Далее энергоноситель через пазы 5 и радиальные окна 28 распределительной гильзы 4 поступает в камеру 12 сетевого давления и через дроссельные каналы 11 ступенчатого ударника 7, через расточку 26 в корпусе 1 - в камеру 13 холостого хода. Ступенчатый ударник 7 совершает холостой ход. После перемещения ступенчатого ударника 7 дроссельные каналы 11, выполненные глухими, смещаются от расточки 26 и подача энергоносителя в камеру 13 холостого хода прекращается. При этом на некотором пути ступенчатого ударника 7 энергоноситель в камере 13 холостого хода работает с расширением, обеспечивая увеличение скорости движения ступенчатого ударника 7. Энергоноситель из камеры 14 рабочего хода до перекрытия центрального выхлопного канала 8 ступенчатого ударника 7 торцом штока 15 выхлопывается в атмосферу через выхлопную трубку 34 и канал 33 в буровом инструменте 32. Перекрытие центрального выхлопного канала 8 штоком 15 в предложенном устройстве происходит более надежно за счет выполнения с торца штока 15 до командных каналов 24 усеченного конуса 27, меньшим диаметром обращенного к центральному выхлопному каналу 8 ступенчатого ударника 7. Такое исполнение целесообразно при значительном износе центрирующих поясков корпуса 1, ступенчатого ударника 7 и штока 15, что также повышает эксплуатационную надежность работы пневмоударника. При холостом ходе ступенчатого ударника 7 после перекрытия центрального выхлопного канала 8 штоком 15 из камеры 14 рабочего хода начинается дополнительный выхлоп через разрядный тракт, включающий каналы 29 и торцевую выборку 30 в распределительной гильзе 4, кольцевой канал 23, образованный путем расточки центрального отверстия 19 питающе-разрядного клапана 18, что позволяет, в отличие от прототипа, увеличить проходное сечение кольцевого канала 23 для выпуска подушки сжатия из камеры 14 рабочего хода и повысить прочность штока 15. Еще разрядный тракт включает заклапанную полость 20, радиальные каналы 17, осевой канал 16, командные каналы 24, выполненные в стенке передней части штока 15, расточку 25 в центральном выхлопном канале 8 ступенчатого ударника 7, в которую открываются командные каналы 24 при холостом ходе ступенчатого ударника 7. Выхлопная трубка 34 выходит из центрального выхлопного канала 8 ступенчатого ударника 7 и камера 13 холостого хода соединяется с атмосферой через канал 33 бурового инструмента 32. Из камеры 13 холостого хода происходит выхлоп отработанного энергоносителя. При этом, за счет того, что дроссельные каналы 11 выполнены глухими, а в корпусе 1 сделана расточка 26, впуск энергоносителя в камеру 13 холостого хода в этот период цикла не происходит, что ведет к снижению расхода энергоносителя. Ступенчатый ударник 7 продолжает холостой ход за счет набранной кинетической энергии, преодолевая противодавление со стороны камеры 12 сетевого давления. Впускной канал 9 ступенчатого ударника 7 входит в зону расточки 6 распределительной гильзы 4 и камера 14 рабочего хода наполняется энергоносителем. При этом, в отличие от прототипа, впускной канал 9 выполнен на меньшей ступени 10 ударника 7 в виде пазов, а наружная поверхность меньшей ступени 10, входя в расточку 6 распределительной гильзы 4, является центрирующим мостом для меньшей ступени 10 ударника 7, что повышает эксплуатационную надежность работы устройства. Давление энергоносителя, поступающего через впускной канал 9 в камеру 14 рабочего хода, передается через каналы 29 и торцевую выборку 30 на всю площадь переднего торца питающе-разрядного клапана 18. Так как заклапанная полость 20 с внутренней торцевой площадкой 22, расположенной на дне стакана указанного клапана 18, находится в этот период цикла под атмосферным давлением за счет ее сообщения с расточкой 25 в центральном выхлопном канале 8 ступенчатого ударника 7 через радиальные каналы 17, осевой канал 16, командные каналы 24 в штоке 15, то питающе-разрядный клапан 18 перекидывается из положения «разрядки» в положение «питания» камеры 14 рабочего хода из магистральной полости 3 через образуемый торцевой зазор между торцом указанного клапана 18 и распределительной гильзой 4. Поэтому давление в камере 14 рабочего хода возрастает до магистрального значения. Ступенчатый ударник 7 затормаживается и начинается его рабочий ход. При движении ступенчатого ударника 7 относительно штока 15 в конце рабочего хода командные каналы 24 открываются в камеру 14 рабочего хода, которая продолжает питаться указанным клапаном 18 из магистральной полости 3, и заклапанная полость 20 заполняется энергоносителем через осевой канал 16 и радиальные каналы 17. При этом, в отличие от прототипа, заклапанная полость 20 в конце рабочего хода находится под давлением энергоносителя, поступающего из камеры 14 рабочего хода за счет выполнения осевого канала 16 штока 15 глухим и за счет выполнения командных каналов 24 в стенке передней части штока 15. Так как питающе-разрядный клапан 18 имеет снаружи заднюю торцевую площадку 21, расположенную в магистральной полости 3 корпуса 1, и внутреннюю торцевую площадку 22, расположенную на дне стакана в заклапанной полости 20, которая заполнена энергоносителем из камеры 14 рабочего хода, то суммарная результирующая сила, действующая на указанный клапан 18 для его перекидки, существенно возрастает, и до выхлопа из камеры 14 рабочего хода указанный клапан 18 перекидывается из положения «питания» камеры 14 рабочего хода в положение «разрядки». При выходе переднего торца штока 15 из центрального выхлопного канала 8 ступенчатого ударника 7 происходит полный выхлоп отработанного энергоносителя из камеры 14 рабочего хода и заклапанной полости 20 через командные каналы 24, осевой канал 16 и радиальные каналы 17 в штоке 15. Ступенчатый ударник 7 наносит удар по буровому инструменту 32, и цикл повторяется.