Погружной пневмоударник
SUBMERSIBLE PNEUMATIC IMPACT TOOL

Изобретение 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 авт.св. СССР №998740, кл. Е21С 3/24, опубл. в Бюл. №7, 1983 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 кольцевой эластичный клапан имеет форму тора и установлен в кольцевой канавке, которая выполнена на наружной поверхности клапанного седла. В механизме установлен дополнительный эластичный клапан, который выполнен в виде тора и образует с внутренними стенками корпуса канал для выпуска воздуха из камеры рабочего хода.
Общими признаками аналога и предлагаемого изобретения являются: корпус, поршень, камеры рабочего и холостого хода, кольцевой эластичный клапан, который выполнен в виде тора и образует с внутренними стенками корпуса канал для выпуска воздуха из камеры рабочего хода и служит для выпуска воздуха из этой камеры в период холостого хода.
Недостатком этого пневматического ударного механизма является его открытый тип, т.к. выхлоп кольцевым эластичным клапаном энергоносителя происходит через радиальные отверстия корпуса в окружающее пространство, что не позволяет изолировать внутреннюю полость машины от затрубного пространства и создает условия для попадания абразивной пыли внутрь пневматического ударного механизма, что приводит к интенсивному его износу. Это не позволяет использовать и обратный клапан для шламозащиты.
Недостатком данного пневматического ударного механизма является и то, что выхлоп энергоносителя через радиальные отверстия корпуса уменьшает количество энергоносителя, поступающего на забой скважины. Это ухудшает очистку забоя скважины и приводит к переизмельчению шлама и уменьшению скорости бурения.
Данная конструкция пневматического ударного механизма не может быть использована в иной принципиальной схеме воздухораспределения, что приводит к снижению ударной мощности механизма и ограничивает область его применения.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является погружной пневмоударник по патенту на полезную модель РФ №121854, Е21В 4/14, опубл. в Бюл. №31, 2012, содержащий корпус, ударник, имеющий головку и хвостовик, соединенные шейкой и имеющие отсечные кромки, гильзу, охватывающую хвостовик и образующую с его торцом торцевую камеру рабочего хода, разрезную втулку, охватывающую шейку ударника с образованием между ней и хвостовиком, между ней и головкой ударника соответственно кольцевых камер холостого и рабочего хода, последняя из которых посредством канала и окна в гильзе постоянно связана с торцевой камерой рабочего хода, питающий канал, постоянно сообщенный с кольцевой камерой холостого хода, буровую коронку с каналами, установленную в передней части корпуса с образованием между ней и торцом ударника полости, постоянно соединенной с атмосферой каналами в буровой коронке. Кроме того, в полости корпуса между буровой коронкой и разрезной втулкой установлен направляющий выхлопной патрубок, охватывающий головку ударника, в стенке указанного патрубка выполнены радиальные окна, постоянно открытые в полость между буровой коронкой и торцом ударника и имеющие возможность периодического открытия отсечной кромкой головки ударника в кольцевую камеру рабочего хода.
Общими признаками прототипа и предлагаемого изобретения являются: корпус, ударник, имеющий головку и хвостовик, соединенные шейкой, передняя гильза (направляющий выхлопной патрубок), охватывающая головку ударника и имеющая продольные окна, задняя гильза (гильза), охватывающая хвостовик ударника и образующая с его торцом торцевую камеру рабочего хода, разрезная втулка, охватывающая шейку ударника с образованием между ней и хвостовиком, между ней и головкой ударника соответственно кольцевых камер холостого и рабочего хода, последняя из которых посредством канала и окна в задней гильзе постоянно связана с торцевой камерой рабочего хода, питающий канал в задней гильзе, постоянно сообщенный с кольцевой камерой холостого хода, буровая коронка с каналами, установленная в передней части корпуса с образованием между ней и торцом ударника полости, постоянно соединенной с атмосферой каналами в буровой коронке и с продольными окнами в передней гильзе.
Недостатком данного погружного пневмоударника является то, что в данной системе воздухораспределения при увеличенной площади ударника со стороны торцевой и кольцевой рабочих камер площадь ударника со стороны кольцевой камеры холостого хода относительно мала, что ограничивает ход ударника и снижает ударную мощность погружного пневмоударника.
Недостатком данного погружного пневмоударника является и то, что ударник - подвижная деталь и его посадочные поверхности выполнены с зазорами, через которые неизбежно происходит перетечка воздуха. При совершении холостого хода, воздух, попадающий в камеру рабочего хода, из-за существенной разницы в величинах рабочих площадей ударника, создает значительное сопротивление движению ударника, ограничивая при этом величину его хода. Ограничение хода ударника не позволяет существенно увеличить энергию удара, что снижает ударную мощность погружного пневмоударника.
Проблема - повышение ударной мощности погружного пневмоударника за счет увеличения хода ударника под давлением путем уменьшения сопротивления его движению и уменьшения влияния перетечек между торцевой, кольцевой камерами рабочего хода и кольцевой камерой холостого хода.
Решение поставленной проблемы достигается тем, что в погружном пневмоударнике, содержащем корпус, ударник, имеющий головку и хвостовик, соединенные шейкой, переднюю гильзу, охватывающую головку ударника и имеющую продольные окна, заднюю гильзу, охватывающую хвостовик ударника и образующую с его торцом торцевую камеру рабочего хода, разрезную втулку, охватывающую шейку ударника с образованием между ней и хвостовиком, между ней и головкой ударника соответственно кольцевых камер холостого и рабочего хода, последняя из которых посредством канала и окна в задней гильзе постоянно связана с торцевой камерой рабочего хода, питающий канал в задней гильзе, постоянно сообщенный с кольцевой камерой холостого хода, буровую коронку с каналами, установленную в передней части корпуса с образованием между ней и торцом ударника полости, постоянно соединенной с атмосферой каналами в буровой коронке и с продольными окнами в передней гильзе, согласно изобретению во внутренней полости передней гильзы в задней ее части выполнена ступень меньшего диаметра, а снаружи передней гильзы, в зоне этой ступени, выполнена проточка, открытая в кольцевую камеру рабочего хода и соединенная каналами с продольными окнами передней гильзы, при этом в указанной проточке установлено эластичное кольцо, образующее зазор с внутренней стенкой корпуса.
Эластичное кольцо, расположенное в проточке передней гильзы с зазором с внутренней стенкой корпуса, выполняет роль разрядного клапана. При движении ударника на холостом ходу, воздух, сжимаемый в торцевой и кольцевой камерах рабочего хода после отсечки выхлопа, а также воздух перетечки, поступающий в эти камеры через зазоры подвижных посадок ударника, имеет возможность выходить через указанный зазор, каналы в передней гильзе и далее в атмосферу. Поскольку площади ударника со стороны торцевой и кольцевой камер рабочего хода в несколько раз больше площади ударника со стороны кольцевой камеры холостого хода, то сжатый воздух в торцевой и кольцевой камерах рабочего хода существенно тормозит движение ударника на холостом ходу и ограничивает величину его хода. Выпуск воздуха из торцевой и кольцевой камер рабочего хода после отсечки выхлопа через эластичное кольцо позволяет существенно снизить противодавление и, как следствие, уменьшить сопротивление движению ударника, при этом ход ударника на холостом ходу увеличивается. В период рабочего хода ударник находится под давлением сжатого воздуха со стороны торцевой и кольцевой камер рабочего хода на большей величине хода, что увеличивает энергию единичного удара и ударную мощность в целом.
Сущность изобретения поясняется примером конкретного конструктивного исполнения погружного пневмоударника и чертежом, на котором показан продольный разрез погружного пневмоударника, общий вид в статическом состоянии.
Погружной пневмоударник (далее - пневмоударник) содержит корпус 1 (см. чертеж), ударник 2, имеющий головку 3 и хвостовик 4, соединенные шейкой 5. Передняя гильза 6 охватывает головку 3 ударника 2 и имеет продольные окна 7. Задняя гильза 8 охватывает хвостовик 4 ударника 2 и образует с его торцом торцевую камеру 9 рабочего хода. Разрезная втулка 10 охватывает шейку 5 ударника 2 с образованием между ней и хвостовиком 4, между ней и головкой 3 ударника 2 соответственно кольцевой камеры 11 холостого хода и кольцевой камеры 12 рабочего хода. Кольцевая камера 12 рабочего хода посредством канала 13 и окна 14 задней гильзы 8 постоянно связана с торцевой камерой 9 рабочего хода. Питающий канал 15 задней гильзы 8 постоянно сообщен с кольцевой камерой 11 холостого хода. Буровая коронка 16 с каналами 17 установлена в передней части корпуса 1 с образованием между ней и торцом ударника 2 полости 18, постоянно соединенной с атмосферой каналами 17 буровой коронки 16 и с продольными окнами 7 передней гильзы 6. Во внутренней полости передней гильзы 6 в задней ее части выполнена ступень 19 меньшего диаметра. Снаружи передней гильзы 6, в зоне этой ступени 19, выполнена проточка 20, открытая в кольцевую камеру 12 рабочего хода и соединенная каналами 21 с продольными окнами 7 передней гильзы 6. В проточке 20 передней гильзы 6 установлено эластичное кольцо 22 с образованием зазора 23 с внутренней стенкой корпуса 1. В задней части пневмоударника установлен переходник 24.
Машина работает следующим образом.
В исходном (нижнем по чертежу) положении ударник 2 расположен на буровой коронке 16. Сжатый воздух через став штанг, канал переходника 24 поступает в питающий канал 15 задней гильзы 8 и далее в кольцевую камеру 11 холостого хода, воздействуя при этом на рабочую площадь хвостовика 4 ударника 2. Начинается холостой ход ударника 2. В это время продольные окна 7 передней гильзы 6 сообщены с кольцевой камерой 12 рабочего хода, а через канал 13 задней гильзы 8 - с торцевой камерой 9 рабочего хода. Через продольные окна 7 передней гильзы 6, полость 18 и каналы 17 буровой коронки 16 торцевая камера 9 рабочего хода и связанная с ней через канал 13 задней гильзы 8 кольцевая камера 12 рабочего хода соединены с атмосферой. Это позволяет удалять имеющийся в торцевой камере 9 рабочего хода и кольцевой камере 12 рабочего хода сжатый воздух и совершать ударнику 2 холостой ход. При дальнейшем движении ударника 2 его головка 3 перекрывает продольные окна 7, при этом сообщение торцевой камеры 9 рабочего хода и кольцевой камеры 12 рабочего хода с атмосферой сохраняется через зазор 23 между эластичным кольцом 22 и внутренней стенкой корпуса 1. Это позволяет осуществлять выпуск воздуха из торцевой камеры 9 рабочего хода и кольцевой камеры 12 рабочего хода на протяжении холостого хода ударника 2 до момента впуска сжатого воздуха в них. Выпускаемый воздух - это сжимаемый воздух, оставшийся в торцевой камере 9 рабочего хода и кольцевой камере 12 рабочего хода, и воздух, перетекающий в торцевую камеру рабочего хода 9, кольцевую камеру 12 рабочего хода через зазоры подвижных посадок ударника 2 между его шейкой 5 и разрезной втулкой 10, хвостовиком 4 и задней гильзой 8. Уменьшение сопротивления движению ударника 2 на холостом ходу позволяет увеличить величину его хода. При дальнейшем движении ударника 2 хвостовик 4 открывает окна 14 задней гильзы 8, которые сообщаются с кольцевой камерой 11 холостого хода, а через нее с питающим каналом 15 задней гильзы 8. Начинается впуск сжатого воздуха через окна 14 задней гильзы 8 в торцевую камеру 9 рабочего хода и через окна 14 задней гильзы 8, канал 13 - в кольцевую камеру 12 рабочего хода. При впуске в торцевую камеру 9 рабочего хода и в кольцевую камеру 12 рабочего хода сжатый воздух воздействует на эластичное кольцо 22. При этом образуется перепад давления со стороны кольцевой камеры 12 рабочего хода и полостью проточки 20 передней гильзы 6 впереди зазора 23. Под действием перепада давления эластичное кольцо 22 растягивается и перекрывает зазор 23, при этом торцевая камера 9 рабочего хода и кольцевая камера 12 рабочего хода изолируются от атмосферы. Поскольку площадь ударника 2 со стороны торцевой камеры 9 рабочего хода и кольцевой камеры 12 рабочего хода значительно больше площади ударника 2 со стороны кольцевой камеры 11 холостого хода, равнодействующая сил, действующих на ударник 2, меняет свое направление. Ударник 2 тормозится, останавливается и переводится на рабочий ход. На рабочем ходу ударника 2 действует давление сжатого воздуха, поступающего из питающего канала 15 задней гильзы 8, близкое к магистральному. При дальнейшем движении ударника 2 хвостовик 4 отсекает впуск сжатого воздуха в торцевую камеру 9 рабочего хода и кольцевую камеру 12 рабочего хода. Воздействие сжатого воздуха на ударник 2 осуществляется за счет своего расширения. В дальнейшем головка 3 ударника 2 открывает продольные окна 7 передней гильзы 6 и начинается выхлоп сжатого воздуха из кольцевой камеры 12 рабочего хода, а через канал 13 задней гильзы 8 - из торцевой камеры 9 рабочего хода. При выхлопе давление сжатого воздуха в полостях над и под (поз. не обозначены) эластичным кольцом 22 выравнивается и под действием собственных упругих сил эластичное кольцо 22 сжимается, образуя зазор 23 с внутренней стенкой корпуса 1. Торцевая камера 9 рабочего хода и кольцевая камера 12 рабочего хода через зазор 23, канал 21, продольные окна 7 передней гильзы 6, полость 18, каналы 17 буровой коронки 16 соединяются с атмосферой. На большой протяженности рабочего хода за счет энергии сжатого воздуха ударник 2 набирает значительную кинетическую энергию. В конце рабочего цикла ударник 2 наносит удар по хвостовику коронки 16. Цикл повторяется.