ПОГРУЖНОЙ ПНЕВМОУДАРНИК
DOWNHOLE AIR-DRIVEN 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 пневмоударник с беззолотниковым распределением фирмы «Mission» США (Есин Н.Н. и др. Пневматические машины ударного действия для проходки скважин и шпуров. - Новосибирск: «Наука», Сибирское отделение, 1986, с.30, фиг.1.38), включающий буровое долото с центральным каналом, полый корпус, ударник, разделяющий полость корпуса на камеры прямого и обратного хода, переходник с центральным напорным каналом и расточкой, распределительное седло с напорными каналами и центральным отверстием, в котором закреплена трубка и размещено сменное сопло для дополнительной подачи сжатого воздуха на забой скважины через центральный канал бурового долота. При этом камера прямого хода не имеет выхлопного тракта и постоянно наполнена сжатым воздухом.
Недостатком этого устройства является то, что при использовании в качестве энергоносителя воздушно-водяной смеси вода уменьшает пропускную способность напорных каналов респределительного седла, ухудшает наполнение камеры обратного хода сжатым воздухом, заполняет аккумулирующий объем камеры прямого хода и, как следствие, снижает мощность устройства. Кроме того, при работе в подземных условиях вода для образования воздушно-водяной смеси в основном используется повторно из шахтных отстойников и является активной коррозийной средой, содержащей твердые абразивные частицы, что снижает надежность работы устройства. Недостатком пневмоударника с беззолотниковым распределением также является то, что в его конструкции не предусмотрена сепарация воздушно-водяной смеси на легкую и тяжелую фракции, при которой тяжелую фракцию смеси (воду с твердыми абразивными частицами) подают через сменное сопло, трубку и центральный канал бурового долота прямоточно на забой скважины, а легкую фракцию смеси (сжатый воздух) - через напорные каналы распределительного седла в камеры прямого и обратного хода. Отсутствие сепарации снижает мощность и надежность устройства.
Известен погружной пневмоударник по а.с. СССР №332211, кл. E21c 3/24, опубл. в БИ №10, 1972 г., включающий цилиндр, поршень с радиальными каналами, клапанное устройство, шток-золотник и обратный клапан, при этом в погружном пневмоударнике выполнен канал, проходящий через обратный клапан, клапанную коробку и цилиндр и сообщающий заклапанную полость с атмосферой. Эта конструкция погружного пневмоударника имеет комбинированную систему распределения энергоносителя: питание камеры рабочего хода осуществляется через клапанное устройство из кольцевого объема, расположенного снаружи клапанного устройства, а камеры обратного хода - из верхней части кольцевого объема по центральному каналу в штоке-золотнике и через радиальные каналы в поршне.
Недостатком этого устройства является то, что при работе на воздушно-водяной смеси вода и абразивные частицы, содержащиеся в воде, под действием инерционных сил скоростного потока и сил гравитации концентрируются в нижней части кольцевого объема клапанного устройства и далее через впускной клапанный зазор поступают в камеру рабочего хода, что уменьшает пропускную способность клапанного устройства, ухудшает наполнение камеры рабочего хода сжатым воздухом и, как следствие, существенно снижает мощность и надежность погружного пневмоударника.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков к предлагаемому техническому решению является погружной пневмоударник по патенту РФ №2290488, кл. E21B 4/14, опубл. в ВИ №36, 2006 г. (первый вариант), включающий корпус с разрядными каналами, ударник, разделяющий полость корпуса на камеры рабочего и обратного хода, распределительную систему, содержащую седло с отверстиями, коробку с разрядными каналами и ступенчатый клапан, установленный между седлом и коробкой и образующий своей внутренней поверхностью с коробкой заклапанную полость, сообщенную с одной стороны с атмосферой разрядными каналами, выполненными в коробке и корпусе, а с другой стороны - с камерой рабочего хода через продольный канал, расположенный в зоне размещения меньшей ступени клапана, и радиальный канал, выполненный между седлом и торцевой поверхностью ступенчатого клапана, и отверстия в седле, при этом в погружном пневмоударнике седло выполнено трехступенчатым, а продольный канал - в виде пазов на меньшей ступени клапана с образованием между пазами центрирующих мостов.
Недостатком этого погружного пневмоударника является то, что при работе в подземных условиях с использованием в качестве энергоносителя воздушно-водяной смеси значительное количество тяжелой фракции этой смеси попадает в кольцевой объем снаружи ступенчатого клапана и через впускной зазор, равный ходу ступенчатого клапана - в камеру рабочего хода. Вода и абразивные частицы снижают пропускную способность ступенчатого клапана, что ухудшает наполнение камеры рабочего хода сжатым воздухом и, как следствие, снижает мощность и надежность устройства.
Техническая задача - повышение мощности и надежности работы погружного пневмоударника при использовании в качестве энергоносителя воздушно-водяной смеси за счет увеличения пропускной способности ступенчатого клапана при наполнении камеры рабочего хода и улучшения условий его работы путем сепарации воздушно-водяной смеси на входе в погружной пневмоударник и подачи ее очищенной газообразной фракции в кольцевой объем распределительной системы, а более плотной фракции - на забой скважины для охлаждения бурового долота, пылеподавления и промывки скважины.
Поставленная задача решается тем, что погружной пневмоударник, включающий буровое долото с центральным продувочным каналом, полый корпус с разрядными каналами, ударник, разделяющий полость корпуса на камеры рабочего и обратного хода, переходник с основным напорным трактом и расточкой, закрепленный в полом корпусе, и распределительную систему, содержащую расположенные в верхней части полого корпуса седло с каналами и центральным отверстием, в котором установлена трубка, выполненная с напорными каналами и центральным продувочным отверстием, сообщенным с центральным продувочным каналом бурового долота, коробку с разрядными каналами и питающими отверстиями, установленную на седле, ступенчатый клапан, установленный между седлом и коробкой и образующий своей внутренней поверхностью с коробкой разрядную заклапанную полость, и кольцевой объем, образованный в полости корпуса между коробкой и наружной поверхностью ступенчатого клапана и сообщенный через питающие отверстия коробки с основным напорным трактом переходника, согласно техническому решению снабжен соплом с центральным каналом, суженным по ходу потока энергоносителя, которое установлено в расточке переходника торцом с широким проходным сечением центрального канала, а противоположным торцом - в центральном отверстии седла. В стенке сопла в зоне торца с широким проходным сечением центрального канала выполнены окна, которыми основной напорный тракт переходника сообщен через питающие отверстия коробки с указанным кольцевым объемом распределительной системы.
Указанная совокупность признаков позволяет при работе погружного пневмоударника с использованием в качестве энергоносителя воздушно-водяной смеси выполнить ее сепарацию в основном напорном тракте переходника и за счет увеличения скорости потока в центральном канале сопла, суженном по ходу потока воздушно-водяной смеси, направить более плотную фракцию смеси в напорный канал трубки и далее прямоточно - через центральное продувочное отверстие трубки в центральный продувочный канал бурового долота для промывки скважины и подавления пыли, а легкую фракцию указанной смеси - сжатый воздух - подавать через широкое проходное сечение центрального канала сопла, через окна в стенке сопла, выполненные в зоне торца с широким проходным сечением центрального канала, и питающие отверстия коробки в кольцевой объем распределительной системы для питания камеры рабочего хода, что увеличивает пропускную способность ступенчатого клапана и, как следствие, повышает мощность и надежность погружного пневмоударника.
Целесообразно в основном напорном тракте переходника закрепить питающий патрубок с проточным каналом, часть которого выполнена в виде конфузора, узкое выходное сечение которого расположено в суженном канале сопла.
Такое исполнение позволяет увеличить скорость потока воздушно-водяной смеси и направить ее более плотную фракцию прямоточно через центральное продувочное отверстие трубки в центральный продувочный канал бурового долота, что улучшает качество сепарации воздушно-водяной смеси и, как следствие, повышает мощность и надежность устройства.
Сущность технического решения поясняется примером конкретного конструктивного исполнения и чертежами фиг.1, 2, где на фиг.1 показан общий вид погружного пневмоударника в статическом состоянии, продольный разрез, на фиг.2 - место А на фиг.1 в увеличенном масштабе.
Погружной пневмоударник (далее - пневмоударник) состоит из полого корпуса 1 с выхлопными окнами 2 и разрядными каналами 3 (фиг.1), ударника 4, имеющего центральный канал с расточкой 5, кольцевую проточку 6 и продольные пазы 7, выполненные на его боковой поверхности, разделяющего полость корпуса 1 на камеру 8 рабочего хода и камеру 9 обратного хода. В передней части корпуса 1 закреплена муфта 10 с буровым долотом 11, имеющие подвижное шлицевое соединение 12 и шпонку 13. Буровое долото 11 выполнено с центральным продувочным каналом 14, в расточке которого установлено амортизационное кольцо 15. В верхней части полого корпуса 1 закреплен переходник 16 с основным напорным трактом 17 и расточкой 18. В основном напорном тракте 17 переходника 16 закреплен питающий патрубок 19 с проточным каналом 20. В верхней части полого корпуса 1 расположена распределительная система, включающая коробку 21 (фиг.2) с разрядными каналами 22 и питающими отверстиями 23, установленную на седле 24 с центральным отверстием 25 и каналами 26, ступенчатый клапан 27, установленный меньшей ступенью на седле 24, а большей ступенью - на коробке 21 и образующий с коробкой 21 заклапанную полость 28, сообщенную с одной стороны с атмосферой через разрядные каналы 22 в коробке 21 и разрядные каналы 3 в корпусе 1, а с другой стороны - периодически сообщенную (при нижнем положении ступенчатого клапана 27) с камерой 8 рабочего хода через каналы 26 в седле 24, радиальный канал 29, образованный между седлом 24 и торцевой поверхностью клапана 27, продольный канал 30, образованный между средней ступенью седла 24 и меньшей ступенью клапана 27. В центральном отверстии 25 седла 24 и в центральном канале ударника 4 с расточкой 5 установлена с возможностью осевого перемещения трубка 31 (фиг.1), выполненная с центральным напорным каналом 32, радиальными напорными каналами 33, центральным продувочным отверстием 34 и продольными каналами 35 и 36. В полости корпуса 1 между коробкой 21 и наружной поверхностью ступенчатого клапана 27 (фиг.2) образован кольцевой объем 37, сообщенный через питающие отверстия 23 в коробке 21 с расточкой 18 переходника 16. В центральном отверстии 25 седла 24 установлено сопло 38, которое имеет суженный центральный канал 39 и расположено в расточке 18 переходника 16 торцом с широким проходным сечением канала 39. В стенке сопла 38 в зоне торца с широким проходным сечением центрального канала выполнены окна 40. Часть проточного канала 20 питающего патрубка 19 выполнена в виде конфузора 41, узкое выходное сечение которого установлено в суженном канале 39 сопла 38. В верхней части трубки 31 выполнены отверстия 42.
Пневмоударник работает следующим образом. Энергоноситель - например, воздушно-водяная смесь (далее - смесь) из магистрали подается через проточный канал 20 питающего патрубка 19 и конфузор 41 в основной напорный тракт 17 переходника 16. В конфузоре 41 происходит предварительный разгон смеси за счет преобразования потенциальной энергии давления смеси в кинетическую энергию потока смеси. Суженный канал 39 сопла 38 осуществляет дальнейшее увеличение скорости плотной фракции смеси и направляет ее прямоточно в центральное отверстие 25 седла 24 и по центральному напорному каналу 32 трубки 31 к центральному продувочному отверстию 34, через канал амортизационного кольца 15 в центральный продувочный канал 14 бурового долота 11 для охлаждения бурового долота 11, промывки скважины и подавления пыли непосредственно на забое скважины. Одновременно наиболее легкая фракция смеси - сжатый воздух - поступает из основного напорного тракта 17 через широкое проходное сечение суженного канала 39 сопла 38, окна 40 в расточку 18 переходника 16 и по питающим отверстиям 23 в кольцевой объем 37 (фиг.2). При этом кольцевая площадка большей ступени клапана 27, установленного на посадочной поверхности коробки 21, находится под постоянным магистральным давлением легкой фракции смеси, поэтому при нижнем положении ударника 4 и выхлопе отработанного воздуха из камеры 8 рабочего хода через выхлопные окна 2 (фиг.1) клапан 27 перекидывается перепадом давления в нижнее положение до упора в седло 24. Впуск сжатого воздуха в камеру 8 рабочего хода прекращается, а в камеру 9 обратного хода сжатый воздух поступает через радиальные напорные каналы 33 трубки 31, расточку 5 в центральном канале ударника 4 и продольные каналы 35 трубки 31. Начинается обратный ход. После перекрытия выхлопных окон 2 боковой поверхностью ударника 4 основной выхлоп отработанного воздуха из камеры 8 рабочего хода прекращается, но на всем пути при обратном ходе ударника 4 из камеры 8 рабочего хода при переднем положении клапана 27 (фиг.1, 2) осуществляется дополнительный выхлоп сжимаемого воздуха в атмосферу через отверстия 26 седла 24, радиальный канал 29, продольный канал 30, заклапанную полость 28, разрядные каналы 22 в коробке 21, разрядные каналы 3 в корпусе 1. При движении ударника 4 расточка 5 уходит из зоны расположения продольных каналов 35, и подача сжатого воздуха в камеру 9 обратного хода прекращается. При этом на некотором пути ударника 4 сжатый воздух в камере 9 обратного хода работает с расширением, обеспечивая увеличение скорости движения ударника 4, а в дальнейшем, при открытии ударником 4 выхлопных окон 2 полого корпуса 1, из камеры 9 обратного хода происходит выхлоп через кольцевую проточку 6 и продольные пазы 7.
При дальнейшем движении ударника 4 продольные каналы 36 трубки 31 сообщаются с расточкой 5 ударника 4 и сжатый воздух поступает в камеру 8 рабочего хода. Происходит торможение ударника 4 и увеличивается результирующая сила, действующая на переднюю торцевую поверхность ступенчатого клапана 27, но так как заклапанная полость 28 постоянно сообщена с атмосферой, ступенчатый клапан 27 перекидывается до упора в торцевую поверхность коробки 21. При этом перекрывается сообщение заклапанной полости 28 с продольным каналом 30 и дополнительный выхлоп сжатого воздуха из камеры 8 прямого хода прекращается, а по образовавшемуся зазору между передним торцом ступенчатого клапана 27 и торцевой поверхностью седла 24 происходит подача сжатого воздуха из кольцевого объема 37 в камеру 8 рабочего хода через каналы 26 седла 24. Ударник 4 останавливается и начинается рабочий ход.
При рабочем ходе ударника 4 его расточка 5 уходит из зоны продольных каналов 36 трубки 31 и впуск сжатого воздуха из расточки 5 в камеру 8 рабочего хода прекращается, но клапан 27 продолжает наполнять камеру 8 рабочею хода из кольцевого объема 37 легкой фракцией смеси - сжатым воздухом. Сепарация смеси на входе в пневмоударник и подача сжатого воздуха, очищенного от воды и тяжелых абразивных частиц, в кольцевой объем 37 увеличивает пропускную способность ступенчатого клапана 27 при питании камеры 8 рабочего хода, что улучшает ее наполнение, повышая мощность и надежность устройства. После открытия ударником 4 выхлопных окон 2 корпуса 1 из камеры 8 рабочего хода происходит основной выхлоп, давление под передним торцем ступенчатого клапана 27 падает и под действием давления сжатого воздуха в кольцевом объеме 37 клапан 27 перекидывается в крайнее нижнее положение, подача сжатого воздуха из кольцевого объема 37 в камеру 8 рабочего хода прекращается и открывается дополнительный выхлоп отработанного воздуха из камеры 8 рабочего хода через радиальный канал 29, продольный канал 30, заклапанную полость 28, разрядные каналы 22 в коробке 21 и разрядные каналы 3 в корпусе 1 (фиг.1, 2). Ударник 4 наносит удар по хвостовику бурового долота 11, в камеру 9 обратного хода производится впуск сжатого воздуха и цикл повторяется.
Очистка забоя скважины от частиц разрушенной породы осуществляется прямоточно непрерывной подачей отделяемой от смеси более плотной се фракции через центральный продувочный канал 14 бурового долота 11, что повышает надежность бурового долота 11 за счет лучшего охлаждения его породоразрушающих кромок и снижает запыленность окружающей среды, особенно при забурке скважины.
При подъеме пневмоударника от забоя скважины буровое долото 11 перемещается до упора в шпонку 13. При этом через зазоры шлицевого соединения 12 осуществляется разрядка камеры 9 обратного хода, а в камеру 8 рабочего хода происходит впуск сжатого воздуха через отверстия 42 трубки 31, которые вскрываются в камеру 8 рабочего хода при движении трубки 31 вместе с буровым долотом 11 в сторону забоя скважины. Давление сжатого воздуха в камере 8 рабочего хода увеличивается, ударник 4 останавливается в нижнем положении и пневмоударник выключается из работы.
Согласно техническому решению сепарация смеси на входе в пневмоударник в основном напорном тракте 17 переходника 16 и подача ее очищенной газообразной фракции в кольцевой объем 37 распределительной системы для питания камеры 8 рабочего хода через ступенчатый клапан 27, а более плотной фракции смеси с абразивными частицами - прямоточно через центральное продувочное отверстие 34 трубки 31, центральный продувочный канал 14 бурового долота 11 на забой скважины для охлаждения бурового долота 11, подавления пыли и промывки забоя скважины существенно повышает мощность и надежность устройства за счет увеличения пропускной способности ступенчатого клапана 27 при наполнении камеры 8 рабочего хода и улучшения условий его работы.