ПОГРУЖНОЙ ПНЕВМОУДАРНИК
IMMERSED PNEUMATIC PERCUSSION TOOL

Техническое решение относится к горному делу и строительству, а именно к буровой технике, и может найти применение при бурении скважин ударно-вращательным способом.
Известен погружной пневмоударник по патенту РФ №2124107, кл. Е21В 4/14, Е21С 3/24, опубл. в БИ №36, 1998 г., включающий корпус, переходник с полостью, сообщенной с магистральным трубопроводом, буровую коронку с центральным выхлопным каналом, ударный поршень с центральным каналом, камеры рабочего и холостого хода, воздухораспределительное устройство с выхлопным патрубком, выполненным в виде стакана с радиальными каналами и глухим торцем. Стакан выполнен ступенчатым, и в центральном канале ударного поршня выполнена расточка, образующая с меньшей ступенью стакана промежуточную выхлопную камеру, сообщенную с внутренней полостью стакана радиальными каналами, выполненными в меньшей ступени стакана и расположенными равномерно по длине промежуточной выхлопной камеры, а на большей ступени стакана выполнены продольные каналы, сообщающие промежуточную выхлопную камеру с камерой рабочего хода.
Недостатком известного погружного пневмоударника является то, что воздухораспределительное устройство выполнено в виде гильзы, в которой установлен ударный поршень, что существенно уменьшает площадь поперечного сечения ударного поршня, снижает результирующие силы, действующие на ударный поршень при рабочем и холостом ходе, уменьшая ударную мощность и, как следствие, эффективность работы машины.
Известен погружной пневмоударник фирмы «Mission» США (см. Н.Н.Есин. Погружные пневматические машины ударного действия для бурения скважин, изд-во «Наука», Сибирское отделение, Новосибирск, 1976 г. с.49), включающий корпус, буровой инструмент с выхлопными каналами, ступенчатый ударник с расточкой в его сквозной центральной полости, в которой установлен распределительный стержень с напорными и выхлопными каналами, закрепленный в верхней части корпуса посредством демпфирующей буксы и переходника с напорным каналом и обратным клапаном.
Недостатком этого пневмоударника является то, что для обеспечения оптимальных проходных сечений напорных и выхлопных каналов требуется существенное увеличение диаметра распределительного стержня, что также уменьшает эффективные площади ступенчатого ударника со стороны рабочих камер, приводит к снижению ударной мощности и, как следствие, эффективности работы машины.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков к предлагаемому техническому решению является ударное буровое устройство по патенту США №3,229,776, кл. 173-17, приоритет от 11.03.1963 г., включающее цилиндрический корпус с буксой, размещенной в его верхней части и имеющей продольные каналы, ступенчатый ударный поршень с расточкой в его сквозной центральной полости, буровое долото с центральным выхлопным каналом и распределительный шток с напорными и выхлопными каналами, состоящий из двух коаксиально установленных труб, размещенный в буксе и в ступенчатом ударном поршне, образующем в корпусе рабочие камеры прямого и обратного хода.
Конструктивным недостатком этого ударного бурового устройства является то, что центральный канал во внутренней трубе распределительного штока соединен с напорным трактом для подачи энергоносителя в расточку ступенчатого ударного поршня, а между внутренней и наружной трубой образованы продольные выхлопные и напорные каналы, проходные сечения которых недостаточны для выхлопа и наполнения рабочих камер прямого и обратного хода, поэтому для образования эффективных проходных сечений этих продольных каналов требуется существенное увеличение диаметра наружной трубы, что уменьшает площади ступенчатого ударного поршня со стороны рабочих камер и приводит к снижению ударной мощности. Кроме того, радиальные окна для выхлопа отработанного энергоносителя из рабочих камер прямого и обратного хода в наружной трубе размещены на небольших ее участках по длине трубы, что не способствует дроблению выхлопных струй и снижению уровня шума. Особенно высокий уровень звукового давления генерирует такое ударное буровое устройство при забурке скважины на повышенном давлении энергоносителя. Эти недостатки снижают эффективность ударного бурового устройства.
Техническая задача предлагаемого решения заключается в повышении эффективности работы машины за счет увеличения ударной мощности и снижении уровня шума выхлопных газов за счет дробления струй выхлопного потока.
Поставленная задача решается тем, что в погружном пневмоударнике, включающем корпус с буксой, размещенной в его верхней части и имеющей продольные каналы, сообщенные с напорным трактом, ступенчатый ударник с расточкой в его сквозной центральной полости, буровое долото с центральным выхлопным каналом и распределительный шток с напорными и выхлопными каналами, состоящий из двух коаксиально установленных труб, размещенный в буксе и в ступенчатом ударнике, образующем в корпусе рабочие камеры прямого и обратного хода, согласно предлагаемому решению между наружной поверхностью буксы и внутренней поверхностью корпуса образована кольцевая выхлопная камера, которая соединена с выхлопными каналами распределительного штока через радиальные отверстия, выполненные в верхней части буксы, и периодически сообщена с камерой прямого хода через радиальные отверстия, выполненные в нижней части буксы.
Указанная совокупность признаков позволяет повысить эффективность погружного пневмоударника за счет улучшения выхлопа отработанного энергоносителя из камеры прямого хода посредством образования существенного аккумулирующего объема кольцевой выхлопной камеры, что снижает противодавление в камере прямого хода при обратном ходе ступенчатого ударника, увеличивает его ход и, как следствие, увеличивает ударную мощность, а также снижает уровень шума за счет дробления струй выхлопного потока посредством выполнения в буксе радиальных отверстий.
Целесообразно трубы распределительного штока установить с образованием между ними кольцевого канала, сообщенного с напорным трактом через радиальные окна в верхней части наружной трубы и с расточкой в ступенчатом ударнике, а внутреннюю трубу выполнить с центральным выхлопным каналом и установить ее в центральном выхлопном канале бурового долота.
Такое исполнение позволяет увеличить проходные сечения напорных и выхлопных каналов распределительного штока, что повышает эффективность работы машины.
Целесообразно в нижней части внутренней трубы выполнить наружные продольные каналы и радиальные окна, через которые камеру обратного хода сообщить попеременно с расточкой в ступенчатом ударнике и с центральным выхлопным каналом внутренней трубы.
Такое исполнение улучшает наполнение энергоносителем камеры обратного хода и очистку ее от отработанных газов, что повышает ударную мощность и, как следствие, эффективность работы машины.
Сущность технического решения поясняется примером конкретного конструктивного исполнения и чертежами, где на фиг.1 показан продольный разрез погружного пневмоударника, общий вид в статическом состоянии; на фиг.2 - узел А на фиг.1 в увеличенном масштабе; на фиг.3 - узел Б на фиг.1 в увеличенном масштабе.
Погружной пневмоударник (далее - пневмоударник) содержит (фиг.1) корпус 1, в нижней части которого закреплена муфта 2 с буровым долотом 3, имеющие совместное подвижное шлицевое соединение и шпонку 4, ступенчатый ударник 5 с расточкой 6 и площадкой 7 в его сквозной центральной полости. В верхней части корпуса 1 размещена букса 8. Ступенчатый ударник 5 меньшей ступенью установлен в буксе 8 и разделяет полость корпуса 1 на камеру 9 обратного хода и камеры 10 и 11 прямого хода. Последние сообщены между собой продольными пазами 12 в буксе 8. В верхней части корпуса 1 установлен переходник 13 с каналом 14 напорного тракта, обратный клапан 15 с напорными каналами 16, сообщенными с продольными каналами 17 буксы 8.
Распределительный шток с напорными и выхлопными каналами состоит из наружной трубы 18 и внутренней трубы 19 (фиг.2), установленных коаксиально с образованием между ними кольцевого канала 20, сообщенного с одной стороны с расточкой 6 в сквозной центральной полости ступенчатого ударника 5, а с другой стороны - с напорным трактом через радиальные окна 21 в верхней части наружной трубы 18 и через продольные каналы 17 буксы 8. Внутренняя труба 19 выполнена с центральным выхлопным каналом 22 и установлена в центральном выхлопном канале 23 бурового долота 3. В нижней части внутренней трубы 19 выполнены продольные каналы 24 и радиальные окна 25 (фиг.3). Для впуска энергоносителя в камеры 10 и 11 прямого хода в наружной трубе 18 выполнены продольные каналы 26 и отверстия 27, а для выхлопа энергоносителя между наружной поверхностью буксы 8 и внутренней поверхностью корпуса 1 образована кольцевая выхлопная камера 28, которая соединена с одной стороны через радиальные отверстия 29, выполненные в верхней части буксы 8, через радиальные пазы 30 с центральным выхлопным каналом 22 внутренней трубы 19, а с другой стороны периодически сообщена с камерами 10 и 11 прямого хода через радиальные отверстия 31, выполненные в нижней части буксы 8.
Пневмоударник работает следующим образом. Энергоноситель из напорного тракта магистрали подается в канал 14 переходника 13 (фиг.1), и обратный клапан 15 открывает напорные каналы 16, сообщенные с продольными каналами 17 буксы 8, а через радиальные окна 21, кольцевой канал 20 поступает в расточку 6 ступенчатого ударника 5. При работе пневмоударника расточка 6 постоянно сообщена с напорным трактом, и в зависимости от положения ступенчатого ударника 5 относительно наружной трубы 18 и внутренней трубы 19 происходит подача энергоносителя или в камеру 9 обратного хода через продольные каналы 24 или в камеры 10 и 11 прямого хода через продольные каналы 26 (фиг.2, 3).
При нижнем положении ступенчатого ударника 5 энергоноситель из расточки 6 поступает через продольные каналы 24 (фиг.3) в камеру 9 обратного хода и начинается обратный ход. При движении ступенчатого ударника 5 расточка 6 с площадкой 7 уходит из зоны расположения продольных каналов 24, и подача энергоносителя в камеру 9 обратного хода прекращается. При этом на некотором пути движения ступенчатого ударника 5 энергоноситель в камере 9 обратного хода работает с расширением, обеспечивая увеличение скорости движения, а в дальнейшем, при открытии ступенчатым ударником 5 радиальных окон 25, из камеры 9 обратного хода происходит выхлоп через центральный выхлопной канал 23 бурового долота 3. Кроме того, центральный выхлопной канал 22 внутренней трубы 19 сообщен через радиальные пазы 30 и радиальные отверстия 29, выполненные в верхней части буксы 8, с кольцевой выхлопной камерой 28, которая при выхлопе из камеры 9 обратного хода является аккумулирующим объемом для улучшения выхлопа и глушения шума. При дальнейшем движении ступенчатого ударника 5 продольные каналы 26, выполненные в наружной трубе 18, сообщаются с расточкой 6, и энергоноситель поступает в камеры 10 и 11 прямого хода, которые соединены между собой продольными пазами 12 в буксе 8.
Ступенчатый ударник 5 останавливается и начинается прямой ход. При этом результирующая сила, действующая на ступенчатый ударник 5, слагается от действия энергоносителя в камерах 10 и 11 прямого хода, а также от его воздействия на площадку 7 расточки 6, что увеличивает эффективную площадь ступенчатого ударника 5 при прямом ходе по сравнению с прототипом и повышает мощность. При прямом ходе ступенчатого ударника 5 его расточка 6 уходит из зоны расположения продольных каналов 26 и впуск энергоносителя в камеры 10 и 11 прямого хода прекращается, а после открытия ступенчатым ударником 5 радиальных отверстий 31, выполненных в буксе 8, из камер 10 и 11 прямого хода происходит выхлоп через кольцевую выхлопную камеру 28, радиальные отверстия 29, радиальные пазы 30 и центральный выхлопной канал 22 внутренней трубы 19. При этом площадь проходных сечений выхлопного тракта существенно увеличена по сравнению с прототипом, а наличие большого числа радиальных отверстий 29 и 31, а также кольцевой выхлопной камеры 28 способствует снижению уровня шума. Ступенчатый ударник 5 наносит удар по буровому долоту 3 и цикл повторяется.
При подъеме пневмоударника от забоя скважины буровое долото 3 перемещается до упора в шпонку 4, и вместе с буровым долотом 3 перемещается ступенчатый ударник 5. При этом расточка 6 сообщается с радиальными окнами 25 и осуществляется продувка забоя энергоносителем, а в камеры 10 и 11 прямого хода происходит впуск энергоносителя через отверстия 27, и пневмоударник выключается из работы.
Ввиду того что в предлагаемом пневмоударнике между наружной поверхностью буксы 8 и внутренней поверхностью корпуса 1 образована кольцевая выхлопная камера 28, которая соединена с выхлопными каналами распределительного штока через радиальные отверстия 29, выполненные в верхней части буксы 8, и периодически сообщена с камерами 10 и 11 прямого хода через радиальные отверстия 31, выполненные в нижней части буксы 8, улучшается выхлоп отработанного энергоносителя из камер 10 и 11 прямого и камеры 9 обратного хода, что увеличивает результирующие силы, действующие на ступенчатый ударник 5 при прямом и обратном ходе, повышает ударную мощность и снижает уровень шума за счет дробления струй выхлопных потоков посредством выполнения в буксе 8 большого числа радиальных отверстий 29 и 31.
Коаксиальная установка наружной трубы 18 и внутренней трубы 19 распределительного штока с образованием между ними кольцевого канала 20, сообщенного с напорным трактом через радиальные окна 21 в верхней части наружной трубы 18 и с расточкой 6 в ступенчатом ударнике 5, а также выполнение внутренней трубы 19 с центральным выхлопным каналом 22 и установка ее в центральном выхлопном канале 23 бурового долота 3 увеличивает проходные сечения напорных и выхлопных каналов, позволяет образовать в расточке 6 площадку 7, которая при работе находится под постоянным давлением, что увеличивает эффективную площадь ступенчатого ударника 5 при прямом ходе и повышает мощность.
Выполнение в нижней части внутренней трубы 19 наружных продольных каналов 24 и радиальных окон 25 улучшает наполнение камеры 9 обратного хода энергоносителем и его выхлоп через центральный выхлопной канал 22, который соединен с одной стороны с центральным выхлопным каналом 23 бурового долота 3, а с другой стороны - с кольцевой выхлопной камерой 28, которая является при этом аккумулирующим объемом при выхлопе из камеры 9 обратного хода, что также повышает ударную мощность и, как следствие, эффективность работы пневмоударника и снижает уровень шума.
Предлагаемое устройство целесообразно использовать для работы на повышенном давлении энергоносителя.