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 а.с. СССР №848615, кл. Е21С 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 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.
Следующие признаки аналога совпадают с признаками предлагаемого решения: корпус, в котором установлен поршень, образующий с его стенками камеры рабочего и холостого хода, кольцевой эластичный клапан, имеющий форму тора, установлен в кольцевой канавке, которая выполнена на наружной поверхности клапанного седла, изготовленного за одно целое с переходником, при этом указанный клапан образует с корпусом канал для подвода энергоносителя в камеру рабочего хода.
Недостатком этого пневматического ударного механизма является то, что кольцевой эластичный клапан, имеющий форму тора, не используется для наполнения энергоносителем камеры холостого хода. Для этого использована бесклапанная система распределения, осуществленная посредством перемещения поршня с центральным впускным отверстием относительно штока-золотника с каналами и распределительными кромками пальца штока-золотника.
Существенным недостатком такой системы питания камеры холостого хода является то, что путь впуска энергоносителя в камеру холостого хода при движении поршня до удара по инструменту равен пути впуска после удара. Такая система питания создает в камере холостого хода до удара по инструменту буферную подушку, которая уменьшает энергию удара. Для снижения вредного влияния возникающей буферной подушки необходимо увеличивать объем камеры холостого хода за счет ее длины, что повышает расход энергоносителя и увеличивает длину механизма, создавая неудобства при его эксплуатации. Кроме того, наличие на клапанном седле нескольких канавок также увеличивает длину механизма, усложняет его изготовление и эксплуатацию. Такое исполнение снижает эффективность работы механизма.
Недостатком этого механизма является и то, что для сообщения клапанной полости 26 с напорной магистралью переходника 13 установлена гильза 14, угловое положение которой относительно радиальных отверстий 24 клапанного седла 12, выполненного за одно целое с переходником 13, фиксируется стопором 27 для сообщения радиальных отверстий 24 с радиальными отверстиями 25. Такой подвод энергоносителя в клапанную полость 26 из напорной магистрали переходника 13 усложняет конструкцию, а при разрушении стопора 27 ведет к ненадежной работе механизма.
Также недостатком этого механизма является то, что шток-золотник 15 выполнен ступенчатым - это усложняет его изготовление. При бурении скважин в абразивных породах происходит износ его большей ступени, расположенной в камере 3 рабочего хода, за счет попадания шлама через выхлопные окна 5 корпуса 1, что увеличивает радиальное биение штока-золотника 15, а его меньшая ступень (палец 18), выходя из центрального канала 8 поршня 2, может также радиально смещаться относительно центрального канала 8, что снижает эксплуатационную надежность механизма.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков к предлагаемому техническому решению является 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 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 ее 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.
Следующие признаки прототипа совпадают с признаками предлагаемого решения: 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. 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.
Главным недостатком этого механизма является сложность конструктивного исполнения подвода энергоносителя из напорной магистрали в надклапанную полость 11. Для этой цели в переходнике 5 закреплена гильза 15 с дном 18, которое перекрывает ее магистральный канал 16. Дополнительно в стенке гильзы 15 выполнены отверстия 17, которыми магистральный канал 16 сообщен с надклапанной полостью 11 через боковые каналы 8 переходника 5. Такой подвод энергоносителя в надклапанную полость 11 усложняет конструкцию и сборку механизма, снижая его эксплуатационную надежность, а значит, и эффективность работы.
Кроме того, недостатком этого механизма является то, что шток-золотник 13, закрепленный в переходнике 5 посредством стопорного кольца 20, выполнен ступенчатым. Такое исполнение усложняет изготовление штока-золотника и сборку механизма. Кроме того, при бурении скважин в абразивных породах происходит износ его ступени, расположенной в камере 3 рабочего хода за счет попадания шлама через выхлопные окна 28 корпуса 1, что увеличивает радиальное биение штока-золотника 13, а его меньшая ступень (пробка 23), выходя из центрального канала 24 поршня 2, также может радиально смещаться относительно оси центрального канала 24, что снижает эксплуатационную надежность механизма.
Другим недостатком этого механизма является то, что в блокировочном режиме 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 через выхлопные окна 28, а в продувочный канал 30 инструмента 29 энергоноситель для продувки забоя не подается, что снижает эксплуатационную надежность механизма.
Проблема - создание пневматического ударного механизма с повышенной эффективностью работы, которая решается за счет повышения его эксплуатационной надежности путем упрощения конструкции и сборки механизма при уменьшении его длины и снижении стоимости.
Поставленная задача решается тем, что в пневматическом ударном механизме, содержащем 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 ее 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, согласно техническому решению 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.
Указанная совокупность признаков позволяет, по сравнению с прототипом, повысить эффективность работы за счет повышения эксплуатационной надежности механизма путем упрощения конструкции - устранения стопорного кольца и гильзы с отверстиями в ее стенке, угловое положение которой необходимо было фиксировать посредством резьбового соединения гильзы с переходником, что упрощает сборку механизма, позволяет уменьшить его длину, снизить стоимость и обеспечить более прямоточное наполнение энергоносителем надклапанной полости, чем в прототипе, за счет отсутствия гильзы.
Сущность технического решения поясняется примером конструктивного исполнения пневматического ударного механизма и чертежом, где показан общий вид механизма в продольном разрезе в статическом состоянии.
Пневматический ударный механизм содержит корпус 1, в котором расположены поршень 2, образующий с его стенками камеру 3 рабочего хода и камеру 4 холостого хода, переходник 5 с резьбой 6 для соединения с напорной магистралью, имеющий центральный канал 7 с передней частью 7а и боковые каналы 8 в его стенке. По наружной поверхности переходника 5 выполнена кольцевая канавка 9 с отверстиями 10 в ее дне, в которой установлен с предварительным натягом эластичный клапан 11 в форме тора (далее - клапан 11), образующий с корпусом 1 и переходником 5 надклапанную полость 12, соединенную с напорной магистралью через его боковые каналы 8 и центральный канал 7, а со стенками корпуса 1 - канал 13 для впуска энергоносителя в камеру 3 рабочего хода. При этом клапан 11 установлен с возможностью периодического открытия тракта для впуска энергоносителя в камеру 4 холостого хода, который включает отверстия 10 в дне кольцевой канавки 9 переходника 5, переднюю часть 7а центрального канала 7, осевой канал 14 и радиальные каналы 15 штока-золотника 16, установленного в центральном канале 7 переходника 5 и в центральном канале 17 поршня 2. Буровая коронка 18 с продувочным каналом 19 установлена в корпусе 1. В центральном канале 7 переходника 5 образовано перекрытие 20, выполненное за одно целое с переходником 5, разделяющее переходник 5 на заднюю часть с боковыми каналами 8 и переднюю часть с отверстиями 10 в дне кольцевой канавки 9. Такое исполнение улучшает наполнение энергоносителем надклапанной полости 12 за счет более прямоточного соединения с напорной магистралью чем в прототипе, что улучшает эксплуатационную надежность механизма за счет упрощения конструкции, повышая эффективность работы при уменьшении ее длины и снижении стоимости.
Центральный канал 17 поршня 2 имеет расточку 21 для впуска энергоносителя в камеру 4 холостого хода. Для выхлопа отработанного энергоносителя из камер рабочего 3 и холостого 4 хода в корпусе 1 выполнены выхлопные окна 22. В продувочном канале 19 буровой коронки 18 с ее заднего торца выполнена расточка 23, в которой установлено эластичное кольцо 24, а шток-золотник 16 выполнен по наружному размеру одного диаметра, на котором снаружи образованы продольные каналы 25 для сообщения расточки 21 в поршне 2 с камерой 4 холостого хода. Шток-золотник 16 установлен с опорой на эластичное кольцо 24 и возможностью осевого перемещения вместе с буровой коронкой 18, причем осевой канал 14 штока-золотника 16 выполнен сквозным за счет его сообщения дополнительным каналом 26 с продувочным каналом 19 буровой коронки 18. В стенке штока-золотника 16 выполнены радиальные пазы 27 для сообщения его осевого канала 14 с указаными отверстиями 10 в дне кольцевой канавки 9 переходника 5 через расточку 28, выполненную в передней части переходника 5, отделенной от его задней части перекрытием 20.
По наружной поверхности штока-золотника 16 образованы продольные каналы 29 для периодического сообщения расточки 21 в поршне 2 с камерой 3 рабочего хода. Для выхлопа отработанного энергоносителя из камеры 4 холостого хода в поршне 2 выполнены выхлопные каналы 30 и проточка 31, а в корпусе 1 - выхлопные окна 22. Для ограничения хода буровой коронки 18 в блокировочном режиме в корпусе 1 установлен стопор 32.
Механизм работает следующим образом. При любом исходном положении поршня 2 клапан 11 за счет внутренних сил упругости сжат с предварительным натягом в кольцевой канавке 9 переходника 5 и внутренней опорной поверхностью закрывает отверстия 10. При этом клапан 11 образовал наружной поверхностью со стенками корпуса 1 канал 13 для впуска энергоносителя в камеру 3 рабочего хода из надклапанной полости 12. При включении механизма в работу за счет соединения переходника 5 резьбой 6 с напорной магистралью энергоноситель поступает через центральный канал 7, боковые каналы 8 переходника 5 в надклапанную полость 12, из которой проходит по каналу 13 в камеру 3 рабочего хода. При этом, по сравнению с прототипом, впуск энергоносителя из напорной магистрали в надклапанную полость 12 существенно улучшен за счет образования в центральном канале 7 переходника 5 перекрытия 20, выполненного за одно целое с переходником 5 и разделяющего переходник 5 на заднюю часть с боковыми каналами 8 и переднюю часть с отверстиями 10 в дне кольцевой канавки 9. Такое исполнение позволяет повысить эксплуатационную надежность механизма за счет упрощения конструкции прототипа путем отказа от использования стопорного кольца и гильзы с отверстиями в ее стенке, угловое положение которых необходимо было фиксировать посредством резьбового соединения, что повышает эффективность работы механизма. Кроме того, такое исполнение уменьшает длину механизма и снижает его стоимость, что также повышает его эффективность. Под действием энергоносителя в камере 3 рабочего хода поршень 2 из любого исходного положения перемещается в крайнее переднее положение и открывает выхлопные окна 22. Энергоноситель из камеры 3 рабочего хода удаляется в затрубное пространство скважины через выхлопные окна 22 корпуса 1, а давление энергоносителя в канале 13 снижается. Под действием давления энергоносителя со стороны надклапанной полости 12 клапан 11 растягивается, перекрывая канал 13 для впуска энергоносителя в камеру 3 рабочего хода. При этом клапан 11 открывает внутренней опорной поверхностью отверстия 10 в дне кольцевой канавки 9 переходника 5, которые сообщают надклапанную полость 12 через расточку 28 в переходнике 5 с радиальными пазами 27 и осевым каналом 14 штока-золотника 16. В камеру 4 холостого хода энергоноситель поступает из осевого канала 14 штока-золотника 16 по его радиальным каналам 15, через расточку 21 в поршне 2 и продольные каналы 25 штока-золотника 16. При этом, в отличие от прототипа, шток-золотник 16 выполнен по наружному размеру одного диаметра и установлен между перекрытием 20 и буровой коронкой 18 с возможностью осевого перемещения вместе с буровой коронкой 18, что упрощает его изготовление, повышая эксплуатационную надежность за счет устраннения стопорного кольца. Кроме того, для обеспечения питания энергоносителем камеры 4 холостого хода шток-золотник 16 изготовлен с радиальными пазами 27 для сообщения его осевого канала 14 с отверстиями 10 через расточку 28, выполненную в переходнике 5, а по наружной поверхности штока-золотника 16 образованы продольные каналы 25, что, по сравнению с прототипом, повышает эксплуатационную надежность механизма при впуске энергоносителя в камеру 4 холостого хода. Эластичное кольцо 24, установленное в расточке 23 продувочного канала 19 с заднего торца буровой коронки 18, как демпфер, снижает динамические нагрузки на шток-золотник 16, что повышает его эксплуатационную надежность. При этом осевой канал 14 штока-золотника 16 выполнен сквозным за счет его сообщения дополнительным каналом 26 с продувочным каналом 19 буровой коронки 18, что улучшает очистку забоя, повышая эффективность работы механизма.
Наполнение энергоносителем камеры 4 холостого хода прекращается, когда расточка 21 поршня 2 выходит из зоны расположения продольных каналов 25 штока-золотника 16. Дальнейшее движение поршня 2 при холостом ходе происходит за счет работы энергоносителя в камере 4 холостого хода с расширением, обеспечивая увеличение скорости движения и кинетической энергии поршня 2, а при совмещении проточки 31 поршня 2 с выхлопными окнами 22 корпуса 1 из камеры 4 холостого хода происходит выхлоп отработанного энергоносителя через выхлопные каналы 30. В этой фазе цикла работы механизма клапан 11 продолжает обеспечивать впуск энергоносителя из надклапанной полости 12 через отверстия 10 в осевой канал 14, дополнительный канал 26 штока-золотника 16 и через его радиальные каналы 15 в расточку 21 поршня 2. При сообщении расточки 21 с продольными каналами 29 штока-золотника 16 энергоноситель наполняет камеру 3 рабочего хода и давление в ней достигает магистрального значения. При движении поршня 2 за счет набранной кинетической энергии в камере 3 рабочего хода образуется буферная подушка энергоносителя, превышающая по величине его давление в надклапанной полости 12. При этом возникает результирующая сила, действующая на клапан 11, которая помогает внутренним упругим силам клапана 11 открыть канал 13 для впуска энергоносителя в камеру 3 рабочего хода. После этого отверстия 10 перекрываются внутренней опорной поверхностью клапана 11 в дне кольцевой канавке 9 и впуск энергоносителя в осевой канал 14 штока-золотника 16 прекращается. Повышенное давление энергоносителя буферной подушки в камере 3 рабочего хода в конце холостого хода уменьшает время торможения поршня 2 и начинается рабочий ход.
При рабочем ходе поршня 2 его расточка 21 входит в зону расположения продольных каналов 25 и камера 4 холостого хода сообщается с расточкой 21, но наполнение энергоносителем камеры 4 холостого хода не происходит, так как клапан 11 закрывает отверстия 10 в дне кольцевой канавки 9 переходника 5. При открытии выхлопных окон 22 корпуса 1 поршнем 2 давление энергоносителя в камере 3 рабочего хода и в канале 13 существенно падает. Под действием магистрального давления энергоносителя из надклапанной полости 12 клапан 11 растягивается, перекрывая канал 13 для впуска энергоносителя в камеру 3 рабочего хода, и открывает отверстия 10 для впуска энергоносителя из надклапанной полости 12 в расточку 28, радиальные пазы 27, осевой канал 14 штока-золотника 16 и его радиальные каналы 15 в расточку 21 поршня 2 и в продольные каналы 25 для наполнения камеры 4 холостого хода. Поршень 2 наносит удар по буровой коронке 18, после чего начинается холостой ход и фазы цикла повторяются.
В блокировочном режиме при снижении осевого усилия и подъеме механизма от забоя скважины буровая коронка 18 смещается до упора в стопор 32. Также смещается вместе с буровой коронкой 18 шток-золотник 16, радиальные пазы 27 которого открываются в камеру 3 рабочего хода и сообщают ее с камерой 4 холостого хода через осевой канал 14, радиальные каналы 15 и продольные каналы 25 штока-золотника 16. Давление энергоносителя в указанных камерах 3 и 4 выравнивается и механизм автоматически выключается. При этом в блокировочном режиме, в отличие от прототипа, достигнута продувка забоя скважины через дополнительный канал 26 штока-золотника 16 и продувочный канал 19 буровой коронки 18, что повышает эффективность механизма.