ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ УДАРНЫЙ МЕХАНИЗМ
PNEUMATIC IMPACT MECHANISM

Изобретение относится к горному делу и строительству, а именно к буровой технике, и может найти применение при бурении скважин ударно-вращательным способом.
Известен погружной молоток М26 с буферным циклом (П.М. Емельянов и др. Машины для бурения скважин погружными молотками в подземных условиях. - Редакционно-издательский отдел Сибирского отделения АН СССР, Новосибирск, 1965, С.141, рис.79), включающий корпус с каналами и рубашкой, в котором закреплен переходник с упругим кольцом и размещены клапанная коробка верхняя, основной клапан, клапанная коробка нижняя, вспомогательный клапан, крышка, ударник, шпонка и коронка. В молотке М26 образован воздушный буфер. Давление сжатия в верхней полости цилиндра к моменту перемены направления движения ударника достигает 30÷35 атм, т.е. во много раз превышает сетевое давление 5 атм, под которым подводится воздух к машине.
Недостатком молотка М26 является то, что корпус содержит каналы и рубашку. Такое исполнение уменьшает диаметр ударника и, как следствие, снижает энергию удара, а наличие в этой конструкции верхней и нижней клапанных коробок, основного и вспомогательного клапанов и крышки существенно увеличивает длину устройства.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков к предлагаемому техническому решению является пневматический ударный механизм по а.с. СССР №848615, кл. E21C 3/24, опубл. в БИ №27, 1981 г., содержащий корпус, в котором установлен поршень, образующий с его стенками камеры рабочего и холостого хода, кольцевой эластичный клапан, размещенный в седле и образующий с корпусом впускной канал для подвода энергоносителя в камеру рабочего хода, и инструмент, при этом клапан имеет форму тора и установлен в кольцевой канавке, которая выполнена на наружной поверхности клапанного седла. Кроме того, на клапанном седле выполнено несколько кольцевых канавок, имеющих различную глубину.
Главным недостатком этого механизма является то, что за время менее 0,01 секунды кольцевой эластичный клапан должен полностью открыть канал для подвода энергоносителя в камеру рабочего хода только за счет внутренних упругих сил, преодолевая перепад давлений, действующий на него. В зависимости от таких условий работы, как концентрация воды в воздушно-водяной смеси, крепость буримых горных пород, скорость отскока поршня от инструмента и т.д., давление сжатия в камере рабочего хода в конце холостого хода поршня может быть значительно меньше магистрального давления энергоносителя, что увеличивает перепад давления, растягивающего указанный клапан, и внутренние упругие силы последнего не открывают канал для подвода энергоносителя в камеру рабочего хода, что снижает эксплуатационную надежность работы механизма.
Существенным недостатком этого устройства является также то, что кольцевой эластичный клапан в форме тора отделяет камеру рабочего хода от клапанной полости с магистральным давлением энергоносителя своей наружной кромкой в виде окружности, что уменьшает площадь активной контактной поверхности указанного клапана, перекрывающего впускной канал для подвода энергоносителя в камеру рабочего хода, на которую также действует перепад давления при перекидке кольцевого эластичного клапана в форме тора. Такое исполнение нарушает условия перекидки указанного клапана, что ухудшает герметизацию камеры рабочего хода, увеличивает расход энергоносителя, уменьшает ход поршня и, как следствие, энергию удара.
Недостатком этой конструкции является также наличие на клапанном седле нескольких канавок, что увеличивает общую длину ударного механизма.
Техническая задача - повышение эксплуатационной надежности механизма и увеличение энергии удара за счет улучшения условий работы эластичного клапана в форме тора.
Поставленная задача решается посредством того, что в пневматическом ударном механизме, включающем корпус, в котором установлены переходник с магистральным каналом и кольцевой канавкой, поршень с центральным отверстием, образующий с цилиндрической поверхностью корпуса камеры рабочего и холостого хода, эластичный клапан в форме тора, установленный в указанной кольцевой канавке переходника с предварительным натягом и возможностью периодического образования контактной кромкой тора и цилиндрической поверхностью корпуса питающего канала для камеры рабочего хода, шток-золотник с центральным, радиальным и наружными каналами для подвода энергоносителя в камеры рабочего и холостого хода, закрепленный в переходнике и установленный в центральном отверстии поршня, и буровой инструмент, согласно техническому решению тор эластичного клапана по контактной кромке имеет цилиндрическую поверхность, а наружные каналы штока-золотника смещены от торца переходника с образованием уплотнительного пояска, выполненного с возможностью вхождения в центральное отверстие поршня для создания в конце холостого хода воздушной буферной подушки в камере рабочего хода, сообщенной с магистральным каналом переходника через указанный питающий канал.
Указанная совокупность признаков позволяет улучшить условия перекидки эластичного клапана в форме тора за счет увеличения результирующих сил при открытии и закрытии питающего канала, что повышает эксплуатационную надежность механизма и увеличивает энергию удара.
Целесообразно при этом на штоке-золотнике сделать проточку, а указанные наружные каналы выполнить в проточке.
При этом увеличивается суммарное проходное сечение каналов для подвода энергоносителя в камеру рабочего хода, что также повышает энергию удара.
Сущность технического решения поясняется примером конкретного конструктивного исполнения пневматического ударного механизма и чертежом, где показан продольный разрез пневматического ударного механизма в статическом состоянии.
Пневматический ударный механизм (далее пневмоударник) включает корпус 1, в котором установлены переходник 2 с магистральным каналом 3 и кольцевой канавкой 4, поршень 5 с центральным отверстием 6, образующий с цилиндрической поверхностью 7 корпуса 1 камеру 8 рабочего хода и камеру 9 холостого хода, эластичный клапан 10 в форме тора. Эластичный клапан 10 по контактной кромке имеет цилиндрическую поверхность 11, обращенную к цилиндрической поверхности 7 корпуса 1. Эластичный клапан 10 установлен в кольцевой канавке 4 переходника 2 с предварительным натягом и возможностью периодического образования цилиндрической поверхностью 11 тора эластичного клапана 10 и цилиндрической поверхностью 7 корпуса 1 питающего канала 12 для камеры 8 рабочего хода. Шток-золотник 13 с центральным каналом 14, радиальным каналом 15 и наружными каналами 16, выполненными в проточке 17, установлен в отверстии 6 поршня 5 и закреплен стопорным кольцом 18 в переходнике 2. Наружные каналы 16 штока-золотника 13 смещены от торца переходника 2 с образованием уплотнительного пояска 19. В центральном отверстии 6 поршня 5 выполнены расточка 20 и впускное отверстие 21, а снаружи поршня 5 - проточка 22 и лыски 23. В корпусе 1 установлен буровой инструмент 24 и выполнены выхлопные окна 25. Шток-золотник 13 выполнен с пробкой 26 на переднем конце.
Пневмоударник работает следующим образом.
В исходном положении эластичный клапан 10 за счет внутренних сил упругости сжат с предварительным натягом в кольцевой канавке 4 переходника 2 и образует своей цилиндрической поверхностью 11 с цилиндрической поверхностью 7 корпуса 1 питающий канал 12. При включении пневмоударника энергоноситель по магистральному каналу 3 переходника 2 поступает в питающий канал 12 и в камеру 8 рабочего хода, из которой при открытии поршнем 5 выхлопных окон 25 удаляется в окружающее пространство, и давление в питающем канале 12 снижается. Под действием перепада давления со стороны магистрального канала 3 эластичный клапан 10 растягивается, перекрывая питающий канал 12. При этом за счет выполнения большой по площади контакта цилиндрической поверхности 11 тора эластичного клапана 10, увеличивается результирующая сила перепада давления, действующая на эластичный клапан 10, что улучшает условия его работы за счет более четкого срабатывания. Это уменьшает время перекрытия питающего канала 12, надежно герметизирует камеру 8 рабочего хода, сокращает расход энергоносителя и увеличивает энергию удара.
Одновременно при нижнем положении поршня 5 энергоноситель поступает по центральному каналу 14, радиальному каналу 15 штока-золотника 13 и через расточку 20, впускное отверстие 21 поршня 5 в камеру 9 холостого хода, наполняя ее. Поршень 5 совершает холостой ход. После перекрытия пробкой 26 штока золотника 13 впускного отверстия 21 подача энергоносителя в камеру 9 холостого хода прекращается, при этом на некотором пути поршня 5 энергоноситель в камере 9 холостого хода работает с расширением, обеспечивая увеличение скорости движения и кинетической энергии поршня 5, а в дальнейшем при совмещении проточки 22 с выхлопными окнами 25 из камеры 9 холостого хода происходит выхлоп отработанного энергоносителя через лыски 23.
При сообщении расточки 20 поршня 5 с наружными каналами 16 штока-золотника 13, выполненными в проточке 17, энергоноситель наполняет камеру 8 рабочего хода. За счет выполнения наружных каналов 16 в проточке 17 суммарное сечение каналов для подвода энергоносителя в камеру 8 рабочего хода увеличено и давление в ней достигает магистрального давления энергоносителя.
При дальнейшем движении поршня 5 за счет набранной кинетической энергии его центральное отверстие 6 находит на уплотнительный поясок 19 штока-золотника 13 и в конце холостого хода образуется воздушная буферная подушка в камере 8 рабочего хода, сообщенной с магистральным каналом 3 переходника 2 через питающий канал 12. Так как давление в создаваемой воздушной буферной подушке в камере 8 рабочего хода существенно превышает магистральное давление энергоносителя, то перепад давления, действуя в питающем канале 12 на контактную цилиндрическую поверхность 11 эластичного клапана 10, значительно большую по площади, чем у прототипа, увеличивает результирующую силу, действующую на эластичный клапан 10, что помогает внутренним упругим силам эластичного клапана 10 открыть впускной канал 12 при различных условиях работы.
Повышенное давление воздушной буферной подушки в камере 8 рабочего хода уменьшает время торможения поршня 5 и начинается рабочий ход.
При движении поршня 5 его расточка 20 с магистральным давлением энергоносителя снова сообщается с наружными каналами 16, выполненными в проточке 17 штока-золотника 13, увеличивая наполнение энергоносителем камеры 8 рабочего хода, что повышает энергию удара.
При дальнейшем движении поршня 5 дополнительное питание камеры 8 рабочего хода прекращается, но камера 8 рабочего хода продолжает наполняться энергоносителем через питающий канал 12 до открытия выхлопных окон 25 поршнем 5. Давление в камере 8 рабочего хода и над контактной цилиндрической поверхностью 11 падает. Перепадом давления эластичный клапан 10 растягивается до упора его контактной цилиндрической поверхности 11 в цилиндрическую поверхность 7 корпуса 1, надежно герметизируя камеру 8 рабочего хода для осуществления в дальнейшем холостого хода. При нижнем положении поршня 5 пробка 26 штока-золотника 13 выходит из впускного отверстия 21 и камера 9 холостого хода наполняется энергоносителем, поршень 5 наносит удар по буровому инструменту 24, после чего начинается холостой ход и цикл повторяется.