МНОГОСЕКЦИОННЫЙ ПНЕВМОУДАРНИК
MULTI-SECTION PNEUMATIC IMPACT TOOL

Изобретение относится к горному делу и строительству, а именно к буровой технике, и может найти применение в погружных и выносных буровых механизмах для пород различной крепости.
Известен многосекционный пневмоударник, состоящий из нескольких последовательно расположенных ударных механизмов с беззолотниковым воздухораспределением, включающих ударник с центральным каналом, цилиндрические корпусы и соединительные буксы между корпусами, ударные механизмы работают не синхронно [1]. По хвостовику бурового инструмента бьет ударник только одного механизма, а ударники следующих механизмов наносят удары по торцам соединительных букс, соединительные буксы передают ударные импульсы цилиндрическим корпусам и далее головной части бурового инструмента.
Основные недостатки этого пневмоударника заключаются в следующем: значительные потери энергии удара и снижение ударной мощности при передаче ударных импульсов на буровой инструмент через соединительные буксы и корпусы механизмов; выхлоп из рабочих камер ударных механизмов производится через радиальные окна в корпусе, что ухудшает очистку забоя скважин и снижает эффективность бурения.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому техническому решению является многокамерный пневмоударник по авторскому свидетельству СССР на изобретение №299648, МПК Е21С 3/24, опубл. в БИ №12, 1971 г., включающий корпус с ввернутыми нижней и верхней буксами. В корпусе расположены цилиндрические гильзы и разъемные промежуточные буксы между ними, в гильзах и буксах перемещается многопоршневой ударник с трубчатым золотником, выполненным на верхнем штоке ударника, гильзы удерживаются от проворачивания относительно букс своими выступами и фиксаторами. В пространство между внутренней поверхностью корпуса и поверхностями гильз и разъемных букс, образующее кольцевую камеру, уложена упругая уплотнительная перегородка, закрепленная в пазах разъемных букс и в специальных выборках верхней буксы, которая делит камеру на подводящие и выхлопные полости, сечение выхлопных полостей возрастает, а подводящих убывает, при этом формируются отдельные полости для подачи энергоносителя в камеры прямого и обратного хода.
Этот многокамерный пневмоударник имеет следующие недостатки:
- увеличенная длина корпуса простой цилиндрической формы снижает его прочность и ресурс пневмоударника;
- упругие перегородки в кольцевой камере между корпусом и гильзами делят камеру на полости сложной конфигурации с предельной разницей давления энергоносителя в смежных подводящих и выхлопных полостях, при этом на незакрепленных контактах перегородок с корпусом и гильзами неизбежны перетоки энергоносителя с большим давлением в полости с меньшим и, соответственно, падение давления энергоносителя на пути движения к камерам прямого и обратного хода, что снижает ударную мощность пневмоударника;
- во все рабочие камеры одного направления хода ударника энергоноситель поступает через 2-е подводящие полости, при этом с увеличением числа рабочих камер длина каждой полости и средняя длина пути движения энергоносителя к впускным окнам камер растет, что повышает аэродинамическое сопротивление подводящих полостей и потери давления в них, ограничивая число рабочих камер и снижая ударную мощность пневмоударника;
- каждая подводящая полость сообщается с магистралью энергоносителя подводящей сетью, которая включает проточку и канал в верхней буксе - для полости обратного хода, окно в золотнике, проточку и канал в верхней буксе - для полости прямого хода, причем площади сечения каналов и окон конструктивно ограничены, что повышает аэродинамическое сопротивление подводящих сетей и потери давления энергоносителя в них, ограничивая число рабочих камер и снижая ударную мощность пневмоударника.
Техническая задача предлагаемого изобретения заключается в значительном росте эффективности работы многокамерного пневмоударника за счет повышения его ударной мощности и ресурса путем увеличения прочности корпуса, уменьшения потерь давления энергоносителя в напорном тракте и увеличения числа рабочих камер (секций).
Поставленная задача решается тем, что в многосекционном пневмоударнике, включающем корпус, ограниченный ввернутыми неразъемными нижней и верхней буксами, размещенные внутри корпуса цилиндрические гильзы и между ними промежуточные буксы, разделяющие внутреннюю полость корпуса на секции, многопоршневой ударник, поршни которого делят секции на камеры прямого и обратного хода, согласно техническому решению внутренняя поверхность корпуса выполнена в виде продольных ребер жесткости, контактирующих плотно с наружной поверхностью цилиндрических гильз, промежуточных букс и нижней буксы в верхней ее половине с возможностью их перемещения в корпусе, между ребрами вдоль корпуса образованы изолированные полости, которые в нижней части корпуса через выхлопные окна в нижней буксе сообщаются с полостями выхлопного тракта, а буксы выполнены с кольцевыми проточками на внутренней поверхности и рядами параллельных каналов, сообщающих проточку с одной из рабочих камер секции, многопоршневой ударник имеет открытую со стороны подачи энергоносителя глухую осевую полость и радиальные каналы, расположенные рядами по длине полости в соответствии с числом букс, имеющих кольцевые проточки на внутренней поверхности. При этом многопоршневой ударник может быть цельной деталью, а промежуточные буксы разъемные - вариант 1, или промежуточные буксы могут быть цельной деталью, а многопоршневой ударник составной и собирается, например путем свинчивания, из отдельных элементов, включающих поршень со штоковой частью - вариант 2.
Кроме того, в обоих вариантах выхлоп отработанного энергоносителя производится на забой скважины через: выхлопные окна в нижней буксе, далее радиальные окна и полость в «наковальне» ударника (нижняя часть многопоршневого ударника, контактирующая с буровым инструментом) и продувочные каналы бурового инструмента, а выходящая в рабочие камеры концевая часть параллельных каналов в буксах имеет форму сопла Лаваля и направлена перпендикулярно поршню ударника.
Объединение двух технических решений в одну заявку связано с тем, что оба варианта предложенной конструкции пневмоударника решают одни и те же задачи - повышение его ударной мощности и ресурса, за счет использования одних и тех же средств: внутренняя поверхность корпуса выполняется в виде продольных ребер жесткости, контактирующих плотно с наружной поверхностью цилиндрических гильз, промежуточных букс и нижней буксы в верхней ее половине с возможностью их перемещения в корпусе, между ребрами вдоль корпуса образуются изолированные полости, которые в нижней части корпуса через выхлопные окна в нижней буксе сообщаются с полостями выхлопного тракта, а буксы выполняются с кольцевыми проточками на внутренней поверхности и рядами параллельных каналов, сообщающих проточку с одной из рабочих камер секции, многопоршневой ударник имеет открытую со стороны подачи энергоносителя глухую осевую полость и радиальные каналы, расположенные рядами по длине полости в соответствии с числом букс, имеющих кольцевые проточки на внутренней поверхности.
Но взаимозависимое конструктивное исполнение многопоршневого ударника и промежуточных букс имеет два альтернативных решения, которые предлагаются - вариант 1 и вариант 2.
Указанная совокупность признаков обеспечивает:
- повышение жесткости и прочности корпуса увеличенной длины и, соответственно, ресурса пневмоударника;
- подачу энергоносителя в каждую камеру прямого и обратного хода каждой секции через отдельную подводящую сеть, включающую 4 и более параллельных каналов, при этом устраняются перетоки энергоносителя с большим давлением в полости с меньшим и максимально уменьшается падение давления энергоносителя в напорном тракте на пути движения к рабочим камерам, что позволяет увеличить число секций пневмоударника и его ударную мощность;
- использование кинетической энергии потоков сжатого воздуха, поступающего в рабочие камеры через параллельные каналы в буксах, для создания дополнительной силы, действующей на поршни пневмоударника, увеличивая его ударную мощность;
- в целом повысить эффективности работы многосекционного пневмоударника.
Сущность технического решения поясняется примером конкретного конструктивного исполнения и чертежами многосекционного пневмоударника в статическом состоянии. На фиг. 1 (по А-А) показан продольный разрез пневмоударника с цельным ударником (вариант 1) в нижнем положении, на фиг. 2 (по Б-Б) - то же, с ударником в верхнем положении. На фиг. 3 (по Б-Б) показан разрез пневмоударника с составным многопоршневым ударником, который собирается путем свинчивания из отдельных элементов, и цельной промежуточной буксой (вариант 2). Разрез на фиг. 4 (по В-В) характеризует конструкцию разъемной промежуточной буксы, а также расположение выхлопных окон в цилиндрической гильзе секции обоих вариантов. На фиг. 5 (по Г-Г) показано расположение одного ряда радиальных каналов в ударнике, а также параллельных каналов в промежуточной буксе, сообщающих кольцевую проточку прямого хода (разрез Г-Г на фиг. 3) с камерами прямого хода, и сечение параллельных каналов обратного хода смежных секций, как в варианте 1, так и в варианте 2, за исключением линий контакта двух частей разъемных букс, которые отсутствуют в варианте 2 на чертеже фиг. 5. На фиг. 6 (по Д-Д) и фиг. 7 (по Е-Е) представлены разрезы, характеризующие выхлопной тракт обоих вариантов, включая взаиморасположение продольных изолированных полостей корпуса и выхлопных окон в нижней буксе, соответственно верхнего и нижнего ряда, а также расположение радиальных окон в «наковальне» ударника. Конструкция внутренней поверхности корпуса приведена на разрезах фиг. 4, 5, 6, 7.
Многосекционный пневмоударник (далее - пневмоударник) содержит корпус 1 (фиг. 1) с ребрами жесткости 2, между которыми вдоль корпуса образуются продольные изолированные полости 3 (фиг. 6). В корпус 1 ввернуты верхняя 4 и нижняя 5 неразъемные буксы. В корпусе размещен многопоршневой ударник, который может представлять цельную деталь 6 (вариант 1), или сборную, состоящую из свинченных элементов 7 (фиг. 3), включающих поршень со штоковой частью (вариант 2).
Многопоршневой ударник перемещается в буксах 4 и 5, в цилиндрических гильзах 8 и промежуточных буксах, которые могут быть цельной (вариант 2) деталью 9 (фиг. 3), или разъемной (вариант 1) деталью 10 (фиг. 1) из двух частей, контактирующих в диаметральной плоскости по линиям 11 (фиг. 4). Торцы гильз 8 упираются в посадочные проточки букс, при этом промежуточные буксы 9 или 10 устанавливаются между гильзами 8 и делят внутреннюю полость корпуса на секции.
В нижней половине буксы 5 закреплено буровое долото 12, имеющее центральный продувочный канал 13, и общее с буксой 5 подвижное соединение, например шлицевое с закладными полукольцами 14, удерживаемые гайкой 15. В верхней половине буксы 5 выполнены выхлопные окна 16 (фиг. 3, 6) верхнего ряда и 17 (фиг. 7) нижнего ряда, а в ее верхней части выбрана кольцевая проточка 18 (фиг. 2), которая параллельными каналами 19 (фиг. 1) сообщается с камерой обратного хода нижней секции пневмоударника. В нижней части буксы 4 выбрана кольцевая проточка 20, которая параллельными каналами 21 сообщается с камерой прямого хода верхней секции пневмоударника.
Многопоршневые ударники вариантов 1 и 2 в рабочем состоянии идентичны по всем параметрам, определяющим их работу в пневмоударнике, поэтому далее в описании упоминается только многопоршневой ударник 6, который соответствует вариантам 1 и 2. Ударник 6 выполнен с открытой со стороны подачи энергоносителя глухой осевой полостью 22 (фиг. 1, 3) и радиальными каналами 23 (фиг. 1, 5), расположенными рядами по длине полости в соответствии с числом букс с кольцевыми проточками. Поршни 24 (фиг. 2) ударника 6 делят секции на камеры прямого 25 и обратного 26 хода, а «наковальня» 27 ударника имеет глухую осевую полость 28 и радиальные окна 29 (фиг. 7), диаметр «наковальни» 27 может превышать наружный диаметр основной части ствола ударника 6.
Промежуточные разъемные буксы 10 (фиг. 1, 2, 4) варианта 1 и буксы 9 (фиг. 3, 5) варианта 2 имеют кольцевые проточки прямого 30 и обратного 31 хода, которые параллельными каналами, соответственно 32 и 33, сообщаются с камерами прямого и обратного хода смежных секций, причем концевая часть параллельных каналов в буксах, выходящая в рабочие камеры, имеет форму сопла Лаваля и направлена перпендикулярно поршню ударника.
Цилиндрические гильзы 8 имеют радиальные выхлопные окна 34 (фиг. 2, 4), сообщающие камеры прямого и обратного хода секций с продольными изолированными полостями 3 корпуса.
Между внутренней поверхностью нижней буксы 5 и внешней боковой поверхностью «наковальни» 27 ударника 6 образована цилиндрическая полость 35 (фиг. 1, 7). Через полость 35 выхлопные окна 16 и 17 буксы 5 сообщаются с радиальными окнами 29 «наковальни» 27 в выхлопном тракте пневмоударника, а также с пустотами соединения, например шлицевого, долота 12 с буксой 5, которые образуют дополнительный путь движения выхлопа к забою скважины, улучшая работу пневмоударника.
Многосекционный пневмоударник работает следующим образом. Энергоноситель из магистрали поступает в глухую осевую полостью 22 многопоршневого ударника 6 и по радиальным каналам 23 в кольцевые проточки прямого 20 и 30 или обратного 18 и 31 хода концевых и промежуточных букс, затем через параллельные каналы 21 и 32, 19 и 33 в камеры, соответственно, прямого 25 или обратного 26 хода, далее из рабочих камер через выхлопные окна 34 цилиндрических гильз 8 в выхлопной тракт пневмоударника, в центральный продувочный канал 13 бурового долота 12 и в атмосферу на забой скважины.
При нижнем положении многопоршневого ударника 6 радиальные каналы 23 совмещаются с кольцевыми проточками 18 и 31 обратного хода, энергоноситель из полости 22 по каналам 23, проточкам 18 и 31, параллельным каналам 19 и 33 (фиг. 1, 2) поступает в камеры 26 обратного хода и под действием давления энергоносителя начинается обратный ход. В это же время из камеры 25 прямого хода отработавший энергоноситель через выхлопные окна 34 поступает в выхлопной тракт, включая продольные изолированные полости 3 в корпусе (фиг. 1, 6), выхлопные окна 16 и 17 в буксе 5, цилиндрическую полость 35, радиальные окна 29 и полость 28 в ударнике 6 (фиг. 2, 7) и далее через продувочный канал 13 бурового долота 12 в атмосферу на забой скважины.
При движении вверх (фиг. 1) ударника 6 поверхности его поршней 24 перекрывают выхлопные окна 34 сверху, выхлоп из камер 25 прямого хода прекращается. Затем каналы 23 уходят за пределы проточек 18 и 31 и перекрываются, подача энергоносителя в камеры 26 обратного хода прекращается, но за счет работы расширения энергоносителя движение ударника 6 продолжается с увеличивающейся на некотором пути скоростью. Далее поршни 24 ударника 6 открывают выхлопные окна 34 снизу, начинается выхлоп из камер 26 обратного хода и отработавший энергоноситель по выхлопному тракту (позиции 3, 16 и 17, 35, 29, 28, 13) поступает в атмосферу. При дальнейшем движении вверх ударника 6 его каналы 23 входят в зону кольцевых проточек 20 и 30 прямого хода, энергоноситель из полости 22 по каналам 23, проточкам 20 и 30, параллельным каналам 21 и 32 (фиг. 1, 2,) поступает в камеры 25 прямого хода, давление энергоносителя в камерах 25 и, соответственно, сила, тормозящая движение ударника 6, растут, ударник 6 останавливается и начинается его движение вниз - прямой ход.
В начале движения вниз многопоршневого ударника 6 продолжается впуск энергоносителя в камеры 25 прямого хода и выхлоп отработавшего энергоносителя из камер 26 обратного хода (фиг. 2). При дальнейшем перемещении ударника вниз его каналы 23 уходят за пределы проточек 20, 30 и перекрываются, подача энергоносителя в камеры 25 прямого хода прекращается, но за счет работы расширения энергоносителя движение ударника 6 продолжается с увеличивающейся скоростью. Далее по ходу движения ударник 6 поверхностями своих поршней 24 перекрывает выхлопные окна 34, выхлоп из камер 26 прекращается. Перемещаясь ниже, ударник 6 своими каналами 23 входит в зону проточек 18 и 31 обратного хода, энергоноситель из полости 22 по каналам 23, проточкам 18 и 31, параллельным каналам 19 и 33 (фиг. 1, 2) поступает в камеры 26 обратного хода. Затем по ходу движения ударника 6 открываются выхлопные окна 34 сверху, сообщая камеры 25 прямого хода с выхлопным трактом (позиции 3, 16 и 17, 35, 29, 28, 13), отработавший энергоноситель уходит в атмосферу на забой скважины. Давление энергоносителя в камерах 26 и, соответственно, сила, тормозящая движение ударника 6, растут, увеличение скорости его движения вниз почти прекращается и в этот момент ударник 6 наносит удар по буровому долоту 12. Происходит отскок ударника 6, начинается его обратный ход и цикл повторяется.
При отсутствии опоры под буровым долотом 12 оно перемещается вниз до упора в полукольца 14. Вместе с буровым долотом 12 вниз перемещается многопоршневой ударник 6, при этом нижний ряд каналов 23 в торце полости 22 ударника уходит ниже кольцевой проточки 18 и оказывается в зоне полости 35 выхлопного тракта, а вышележащие ряды каналов 23 ударника 6 уходят ниже кольцевых проточек 31 и перекрываются, работа пневмоударника блокируется с продолжением продувки скважины.
Предлагаемое устройство целесообразно использовать для работы в широком диапазоне давления энергоносителя.