Пневматический ударный механизм
PNEUMATIC IMPACT MECHANISM

Техническое решение 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 предлагаемого технического решения 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 центральном канале переходника 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 4 холостого хода из осевого канала 14 штока-золотника 13, который выполнен не со сквозным осевым каналом, а с пробкой 23. Поэтому для впуска энергоносителя в камеру 4 холостого хода в стенке штока-золотника 13 выполнены радиальные каналы 22, а в поршне 2 расточка 25, что вызывает существенные потери напора энергоносителя, снижая эффективность механизма. Кроме того, расточка 25 в поршне 2 уменьшает его прочность при ударных нагрузках, что снижает его эксплуатационную надежность, а значит, и эффективность работы.
Другим недостатком этого механизма является то, что дно 18, перекрывающее центральный канал 7 переходника 5, выполнено за одно целое с гильзой 15, а шток-золотник 13 закреплен в переходнике 5 посредством стопорного кольца 20, что существенно усложняет конструкцию механизма, создает неудобства при его сборке и разборке, снижая эффективность механизма.
Существенным недостатком этого механизма является и то, что в блокировочном режиме работы весь энергоноситель поступает только в камеру 3 рабочего хода через радиальные каналы 22 штока-золотника 13, которые открываются в камеру 3 рабочего хода при смещении вперед поршня 2 вместе с инструментом 29. При этом из камеры 3 рабочего хода энергоноситель удаляется в затрубное пространство скважины через выхлопные окна 28, а в продувочный канал 30 инструмента 29 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 № 2652518, кл. E21В 4/14, опубл. в Бюл. № 12, 2018г., содержащий корпус, в котором расположены поршень, образующий с его стенками камеры рабочего и холостого хода, переходник для соединения с напорной магистралью, имеющий центральный и боковые каналы в его стенке, причем  по наружной поверхности переходника выполнена кольцевая канавка с отверстиями в её дне, в которой установлен с предварительным натягом эластичный клапан в форме тора, образующий с корпусом и переходником надклапанную полость, сообщенную с напорной магистралью через боковые каналы и центральный канал переходника, а со стенками корпуса – канал для впуска энергоносителя в камеру рабочего хода, при этом указанный клапан установлен с возможностью периодического открытия тракта для впуска энергоносителя в камеру холостого хода, который включает отверстия в дне кольцевой канавки переходника, его центральный канал, осевой и радиальные каналы штока-золотника, установленного в центральных каналах переходника и поршня, буровую коронку с продувочным каналом и перекрытие, образованное в центральном канале переходника и разделяющее переходник с центральным каналом на заднюю часть с боковыми каналами и переднюю часть с отверстиями в дне его кольцевой канавки. Перекрытие выполнено за одно целое с переходником, в передней части которого выполнена расточка, сообщающая отверстия в дне кольцевой канавки переходника с осевым каналом штока-золотника через радиальные пазы, выполненные в стенке штока-золотника, который установлен между перекрытием и буровой коронкой с возможностью осевого перемещения вместе с буровой коронкой.
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, 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, установленного в переходнике и в центральном канале поршня.
Главным недостатком прототипа является то, что тракт для впуска энергоносителя в камеру 4 холостого хода из осевого канала 14 штока-золотника 16 не сообщен напрямую с центральным каналом поршня, а включает радиальные каналы 15 в штоке-золотнике 16, расточку 21 в поршне 2 и продольные каналы 25 в штоке-золотнике 16. Такое исполнение усложняет конструкцию механизма, вызывает существенные потери напора энергоносителя при наполнении камеры 4 холостого хода, что снижает эффективность механизма. Кроме того, расточка 21 в поршне 2 уменьшает его прочность при ударных нагрузках, что снижает эксплуатационную надежность механизма.
Другим недостатком прототипа является то, что при рабочем ходе поршня 2 энергоноситель не поступает в продувочный канал 19 буровой коронки 18 для очистки забоя и охлаждения буровой коронки 18, что увеличивает износ буровой коронки 18 и, как следствие, снижает эффективность механизма.
Проблема заключается в создании пневматического ударного механизма с повышенной эффективностью работы, которая решается за  счет упрощения конструкции, снижения потерь напора энергоносителя при наполнении камеры холостого хода и повышения эксплуатационной надёжности.
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, 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.
Указанная совокупность признаков позволяет, по сравнению с прототипом, повысить эффективность работы механизма за счет сообщения осевого канала штока-золотника напрямую с центральным каналом поршня, что снижает потери напора энергоносителя при наполнении камеры холостого хода, при этом повышается прочность поршня за счет его упрощения путем устранения в нем расточки. Такое исполнение повышает надёжность, что, как следствие, увеличивает эффективность работы механизма.
Целесообразно указанный цилиндрический стержень выполнить с проточкой, расположенной в осевом канале штока-золотника, что увеличивает проходное сечение в этом осевом канале для поступления энергоносителя в камеру холостого хода напрямую через центральный канал поршня. Такое исполнение повышает эффективность работы механизма.
Целесообразно в указанном перекрытии переходника выполнить калиброванное отверстие, сообщающее заднюю часть центрального канала переходника с его передней частью. Такое исполнение обеспечивает                                                  постоянную продувку забоя через центральный канал буровой коронки, что повышает эксплуатационную надёжность 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, при этом 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, установленного в расточке 18, выполненной с переднего торца переходника 6 в передней части 10 его центрального канала, а осевой канал 16 штока-золотника 17 напрямую сообщен с центральным каналом 19 поршня 3. При этом шток-золотник 17 закреплен в переходнике 6 цилиндрическим стержнем 20, установленным в сквозном отверстии 21, выполненном с боковой поверхности переходника 6 и совмещенном со сквозным отверстием 22, выполненным в штоке-золотнике 17. При этом конец штока-золотника 17, установленный в расточке 18, выполнен с увеличенной толщиной стенки, а в передней части штока-золотника 17 выполнены радиальные отверстия 23. В буровой коронке 2 выполнен канал 24. Для ограничения её хода в блокировочном режиме в корпусе 1 установлена шпонка 25 и выполнены блокировочные каналы 26. Для выхлопа отработанного энергоносителя из камеры 4 рабочего хода в корпусе 1 выполнены выхлопные окна 27, а для выхлопа из камеры 5 холостого хода – выхлопные окна 28.
Целесообразно цилиндрический стержень 20 выполнить с проточкой 29, расположенной в осевом канале 16 штока-золотника 17.
Целесообразно в перекрытии 7 переходника 6 выполнить калиброванное отверстие 30, сообщающее заднюю часть 8 центрального канала переходника 6 с его передней частью 10.
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 27. 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, отделенного перекрытием 7 от задней части 8 центрального канала переходника 6. Далее, в отличие от прототипа, энергоноситель проходит напрямую по  осевому каналу 16 штока-золотника 17 в центральный канал 19 поршня 3 и в камеру 5 холостого хода. Начинается холостой ход поршня 3. При этом, по сравнению с прототипом, упрощается конструкция поршня 3 за счет ликвидации в нем расточки, что повышает прочность поршня 3. Выполнение штока-золотника 17 с осевым каналом 16, сообщенным напрямую с центральным каналом 19 поршня 3, стало возможным за счет того, что шток-золотник 17 установлен в расточке 18 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 с боковой поверхности переходника 6 и в сквозном отверстии 22, выполненном в штоке-золотнике 17. Такое исполнение упрощает конструкцию механизма, повышает надёжность, что увеличивает эффективность его работы. Целесообразно цилиндрический стержень 20 выполнить с проточкой 29, расположенной в осевом канале 16 штока-золотника 17, что увеличивает проходное сечение для подачи  энергоносителя, поступающего из осевого канала 16 в камеру 5 холостого хода напрямую через центральный канал 19 поршня 3. Такое исполнение повышает эффективность работы механизма. При наполнении камеры 5 холостого хода энергоносителем совершается холостой ход поршня 3, который открывает выхлопные окна 28 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, при котором поршень 3 открывает выхлопные окна 27 для удаления отработанного энергоносителя из камеры 4 рабочего хода. При этом давление энергоносителя в канале 15 снижается. Под действием энергоносителя, поступающего в надклапанную полость 14, клапан 13 растягивается, перекрывая впускной 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 24, в затрубное пространство скважины.
Целесообразно в указанном перекрытии 7 выполнить 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 19 поршня 3 в канал 24 буровой коронки 2. Такое исполнение повышает эффективность работы механизма. В блокировочном режиме при подъёме механизма от забоя  буровая коронка 2 смещается до упора в шпонку 25, при этом открываются блокировочные каналы 26 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 23 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.