ПОГРУЖНОЙ ПНЕВМОУДАРНИК

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 №1488465, Е21С 3/24, E21B 4/14, опубл. в БИ №23, 1989 г., включающий корпус, размещенный в корпусе поршень с центральным каналом, который делит полость корпуса на камеры рабочего и холостого хода, воздухораспределительный механизм с консольно выступающим в камеру рабочего хода выпускным стержнем и выпускную трубку, установленную коаксиально поршню, один конец которой закреплен в центральном выхлопном канале коронки, а другой свободно выступает от ударного торца коронки в камеру холостого хода и установлен с возможностью размещения в центральном канале поршня. Консольно выступающие части выпускного стержня и выпускной трубки имеют длину большую, чем длина габаритного хода поршня. На внешней поверхности стержня выполнены продольные каналы для сообщения камеры рабочего хода с центральным каналом поршня, а в верхней части свободно выступающего конца выпускной трубки по ее периметру выполнены продольные прорези корончатой формы.
Недостатком этого устройства является то, что для выхлопа отработанного энергоносителя из камеры холостого хода установлена выпускная трубка, один конец которой закреплен в центральном выхлопном канале коронки в зоне ее ударного торца. При работе на высоком давлении энергоносителя за счет повышения циклических ударных нагрузок на ударный торец коронки увеличивается деформация материала коронки, что вызывает разрушение выпускной трубки. Такое исполнение устройства снижает его эксплуатационную надежность.
Известен пневмоударник с беззолотниковым распределением (Н.Н. Есин и др. Пневматические машины ударного действия для проходки скважин и шпуров. - Новосибирск: «Наука», 1986, с. 36, схема 1.50), в котором сжатый воздух через переходник 6 поступает в трубку 5, откуда через каналы Ж ударника 4 подается в камеру обратного хода Г. В камеру прямого хода И воздух поступает через полость Д и каналы Е. Передний центральный выхлоп из камеры прямого хода И осуществляется через каналы Е, полость Д, центральный канал Б ударника 4 и канал А инструмента 1. Выхлоп из камеры обратного хода Г происходит через каналы Б в буксе 2. Корпус 3 не имеет продольных и радиальных каналов. При снижении усилия подачи инструмент 1 отходит вперед, работа ударного механизма прекращается и начинается интенсивная продувка забоя скважины сжатым воздухом.
Недостатком этого устройства является то, что для прекращения его работы при снижении усилия подачи на забой скважины разрядка камеры обратного хода Г выполнена за счет каналов Ж, которые при отходе вперед инструмента 1 и ударника 4 сообщают камеру обратного хода Г с полостью Д и с центральным выхлопным каналом Б ударника 4. В систему каналов Ж входят радиальные каналы и расточка в ударнике 4 (на схеме они позициями не обозначены). Выполнение радиальных каналов и расточки в ударнике 4 уменьшают его прочность, что снижает эксплуатационную надежность устройства.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков к предлагаемому техническому решению является погружной пневмоударник по патенту на полезную модель РФ №41484, опубл. 27.10.2004 г., содержащий пустотелый цилиндр, с одной стороны к которому присоединены втулка и букса с продольными каналами под тела качения, закрепленные от выпадения с помощью опорного и стопорного колец, а на другой стороне закреплен переходник под буровые штанги с трубкой и регулировочной гайкой, поршень-ударник, разделяющий внутреннюю полость цилиндра на камеры рабочего и холостого хода и совершающий возвратно-поступательное перемещение внутри цилиндра, его диаметр уменьшен в сторону буксы, при этом в переходнике под регулировочной гайкой дополнительно установлено седло в виде шайбы с кольцевой наклонной полостью, на бурте трубки выполнена кольцевая фаска с углом наклона, равным углу наклона полости седла, а на опорном кольце, со стороны стопорного кольца, выполнено замковое углубление, выполненное по радиусу, равному радиусу стопорного кольца.
Главным недостатком этого устройства является то, что для прекращения его работы при снижении осевого усилия на забой скважины для разрядки камеры холостого хода в поршне-ударнике выполнены радиальные каналы и расточка, которые при отходе вперед буровой коронки и поршня-ударника сообщают камеру холостого хода с центральным выхлопным каналом хвостовика буровой коронки. В этом устройстве такая конструктивная схема разрядки камеры холостого хода в блокировочном режиме не позволяет упростить конструкцию и выполнить поршень-ударник без радиальных каналов и расточек. Выполнение радиальных каналов и расточек в поршне-ударнике уменьшает его прочность. Такое исполнение устройства существенно снижает его эксплуатационную надежность, особенно при повышении ударной мощности устройства.
Другим недостатком этого устройства является то, что в продольных каналах буксы и хвостовика буровой коронки расположены тела качения, закрепленные от выпадения с помощью опорного и стопорного колец, которые перекрывают проходное сечение продольных каналов и препятствуют образованию дополнительного выхлопного тракта по продольным каналам буксы и хвостовика буровой коронки. Размещение тел качения между стенкой буксы и хвостовиком буровой коронки привело к увеличению толщины стенки буксы и соответствующему уменьшению диаметра хвостовика буровой коронки, что снижает эксплуатационную надежность устройства.
Недостатком этого устройства является также сложная конструкция буксы и ненадежное крепление коронки в буксе. Это происходит потому, что передача крутящего момента от буксы к хвостовику буровой коронки происходит при точечном контакте элементов качения в буксе и хвостовике, что вызывает образование канавок за счет деформации материала буксы и хвостовика и увеличивает радиальное биение тел качения. Такое исполнение снижает эксплуатационную надежность устройства.
Техническая задача - повышение эксплуатационной надежности погружного пневмоударника за счет упрощения его конструкции для разрядки камеры холостого хода в блокировочном режиме работы и повышения прочности ступенчатого ударного поршня.
Поставленная задача решается следующим образом. Погружной пневмоударник содержит пустотелый цилиндр, в котором с одной стороны расположены переходник с магистральными каналами, сообщенными с магистральной полостью цилиндра, распределительное устройство с трубкой, ступенчатый ударный поршень с центральным и наружными каналами, образующий с распределительным устройством и его трубкой камеру рабочего хода, а камеру холостого хода - с цилиндром и втулкой, закрепленной в цилиндре с его другой стороны и выполненной с радиальными отверстиями и продольными каналами в ее стенке, сообщенными с камерой холостого хода, которая расположена снаружи передней ступени ударного поршня. С передней стороны втулки закреплена букса, имеющая подвижное соединение с хвостовиком буровой коронки, выполненным с центральным выхлопным каналом. Согласно техническому решению во втулке, в зоне ее радиальных отверстий, выполнена расточка, а на боковой поверхности передней ступени ударного поршня выполнены продольные каналы для сообщения расточки втулки с центральным выхлопным каналом хвостовика через образованный в блокировочном режиме торцевой зазор между передней ступенью ударного поршня и хвостовиком буровой коронки.
Указанная совокупность признаков позволяет упростить конструкцию погружного пневмоударника для разрядки камеры холостого хода в блокировочном режиме и повысить прочность ступенчатого ударного поршня, что повышает эксплуатационную надежность устройства.
Целесообразно подвижное соединение буксы с хвостовиком буровой коронки представить в виде шлицевого соединения, имеющего зазоры между шлицевыми пазами и выступами, а на переднем торце втулки, в зоне ее контакта с указанными зазорами, выполнить кольцевую канавку, сообщенную радиальными каналами с центральным каналом втулки, причем шлицевые пазы на хвостовике буровой коронки выполнить с выходом за передний торец буксы.
Такое исполнение позволяет создать дополнительный выхлопной тракт по зазорам в шлицевом соединении буксы и хвостовика, что улучшает выхлоп отработанного энергоносителя из камер рабочего и холостого хода, и дает возможность уменьшить диаметр центрального выхлопного канала хвостовика буровой коронки для увеличения его прочности, что повышает эксплуатационную надежность устройства.
Сущность технического решения поясняется примером конкретного конструктивного исполнения погружного пневмоударника и чертежами фиг. 1-3, где на фиг. 1 схематически показан продольный разрез предлагаемого устройства, на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1, на фиг. 3 - продольный разрез устройства в блокировочном режиме.
Погружной пневмоударник (далее - пневмоударник) содержит пустотелый цилиндр 1 (фиг. 1) с продольными каналами 2 в его стенке со стороны полости цилиндра 1, в котором с одной стороны полости цилиндра 1 расположены переходник 3 с магистральными каналами 4, сообщенными с магистральной полостью 5 цилиндра 1, распределительное устройство, выполненное в виде гильзы 6 с наружными пазами 7, радиальными отверстиями 8 и расточкой 9 в ее стенке 10 с внутренней стороны гильзы 6, ступенчатый ударный поршень 11 (далее - поршень 11) со средней, большей, ступенью и с центральным каналом 12, с наружными каналами 13, выполненными в виде лысок на его задней ступени 14, входящей в гильзу 6. Камера 15 рабочего хода образована гильзой 6, задней частью поршня 11 и трубкой 16, которая установлена в гильзе 6. Трубка 16 имеет продувочный канал 17 и продольные каналы 18 для сообщения камеры 15 рабочего хода с центральным каналом 12 поршня 11.
Торец гильзы 6 и поршень 11 образуют с цилиндром 1 камеру 19 сетевого давления, а камера 20 холостого хода расположена снаружи передней ступени 21 поршня 11, входящей в центральный канал 22 втулки 23 и ограничена цилиндром 1 и втулкой 23, закрепленной в цилиндре 1 с его другой стороны. Втулка 23 выполнена с радиальными отверстиями 24 и продольными каналами 25 в ее стенке, сообщенными с камерой 20 холостого хода. Во втулке 23 со стороны ее центрального канала 22, в зоне выхода ее радиальных отверстий 24, выполнена расточка 26. С передней стороны втулки 23 закреплена букса 27, имеющая с хвостовиком 28 буровой коронки 29 подвижное соединение, представляющее собой, например, шлицевое соединение (фиг. 2). Хвостовик 28 выполнен с центральным выхлопным каналом 30 и установлен коаксиально втулке 23 посредством опирания его торца на торцевую площадку 31 втулки 23, на которой в зоне ее контакта с зазорами в шлицевых пазах 32 (фиг. 2) хвостовика 28 и в шлицевых пазах 33 буксы 27 выполнена кольцевая канавка 34, сообщенная радиальными каналами 35 с центральным каналом 22 втулки 23. Шлицевые пазы 32 на хвостовике 28 выполнены с выходом 36 за передний торец буксы 27. На боковой поверхности передней ступени 21 поршня 11 выполнены продольные каналы 37 для сообщения расточки 26 втулки 23 с центральным выхлопным каналом 30 хвостовика 28 буровой коронки 29 через образованный в блокировочном режиме торцевой зазор между передней ступенью 21 поршня 11 и хвостовиком 28. Для ограничения перемещения буровой коронки 29 в буксе 27 установлена шпонка 38.
Пневмоударник работает следующим образом.
Энергоноситель поступает через магистральные каналы 4 переходника 3 в магистральную полость 5 цилиндра 1 и через наружные пазы 7 распределительной гильзы 6 в камеру 19 сетевого давления, из которой проходит через продольные каналы 2 цилиндра 1 в камеру 20 холостого хода. Поршень 11 совершает холостой ход. При холостом ходе средняя ступень поршня 11 перекрывает продольные каналы 2 и подача энергоносителя из камеры 19 сетевого давления в камеру 20 холостого хода прекращается. На некотором пути энергоноситель в камере 20 холостого хода работает с расширением, обеспечивая возрастание скорости движения поршня 11, а затем торец передней ступени 21 поршня 11 открывает расточку 26 втулки 23 и через радиальные отверстия 24, продольные каналы 25 происходит выхлоп отработанного энергоносителя из камеры 20 холостого хода через центральный канал 22 втулки 23 и центральный выхлопной канал 30 хвостовика 28 на забой скважины.
При этом выхлоп отработанного энергоносителя из центрального канала 22 втулки 23 происходит одновременно через дополнительный выхлопной тракт, включающий радиальные каналы 35, выполненные на торцевой площадке 31 втулки 23, сообщенные с кольцевой канавкой 34, зазоры в шлицевых пазах 32, 33. Шлицевые пазы 32 на хвостовике 28 имеют выход 36 за передний торец буксы 27. Такое исполнение выхлопного тракта улучшает выхлоп из камер 15 и 20 и позволяет уменьшить диаметр центрального выхлопного канала 30 хвостовика 28 буровой коронки 29, что увеличивает прочность хвостовика 28 и повышает эксплуатационную надежность машины.
При холостом ходе поршня 11 происходит впуск энергоносителя из камеры 19 сетевого давления в камеру 15 рабочего хода через наружные каналы 13, выполненные в виде лысок на задней ступени 14 поршня 11, и через расточку 9 в стенке 10 распределительной гильзы 6. Поршень 11 тормозится и начинается рабочий ход. В конце рабочего хода поршень 11 открывает продольные каналы 18 трубки 16 и из камеры 15 рабочего хода происходит выхлоп отработанного энергоносителя через центральный канал 12 поршня 11, через центральный выхлопной канал 30 хвостовика 28 и через дополнительный выхлопной тракт, включающий радиальные каналы 35, кольцевую канавку 34, зазоры в шлицевых пазах 32, 33 имеющие выход 36 за передний торец буксы 27.
Такое конструктивное исполнение выхлопных трактов улучшает очистку забоя скважины, охлаждает трущиеся поверхности шлицевого соединения, что повышает эксплуатационную надежность устройства. Поршень 11 наносит удар по хвостовику 28 буровой коронки 29 и цикл повторяется.
Хвостовик 28 буровой коронки 29 установлен коаксиально поршню 11 за счет опирания торца хвостовика 28 на торцевую площадку 31 втулки 23, что улучшает передачу энергии удара и повышает эксплуатационную надежность устройства.
В блокировочном режиме при снижении осевого усилия и подъеме буровой коронки 29 от забоя скважины хвостовик 28 смещается до упора в шпонку 38 (фиг. 3), также смещается в крайнее переднее положение поршень 11 с образованием торцевого зазора с хвостовиком 28. При этом продольные каналы 37 на передней ступени 21 поршня 11 выходят из центрального канала 22 втулки 23 в образованный торцевой зазор, который сообщает продольные каналы 37 с указанными выхлопными трактами хвостовика 28 буровой коронки 29, и происходит разрядка камеры 20 холостого хода через расточку 26 втулки 23, радиальные отверстия 24 и продольные каналы 25. При этом пневмоударник автоматически выключается. Одновременно задняя ступень 14 поршня 11 открывает радиальные отверстия 8 гильзы 6 и камера 15 рабочего хода сообщается с магистральной полостью 5 цилиндра 1. Постоянная продувка центрального канала 12 поршня 11 выполняется через продувочный канал 17 трубки 16.
Такое техническое решение устройства, по сравнению с прототипом, упрощает его конструктивное исполнение для разрядки камеры 20 холостого хода в блокировочном режиме работы и позволяет увеличить прочность поршня 11, что повышает эксплуатационную надежность устройства.