Погружной пневмоударник
SUBMERSIBLE PNEUMATIC 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 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 технического решения являются: корпус, поршень, камеры рабочего и холостого хода, кольцевой эластичный клапан, который выполнен в виде тора и образует с поверхностью большего диаметра канал для выпуска воздуха из камеры рабочего хода 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 ограничению ударной мощности механизма и, как следствие, ограничению области его применения.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является погружной пневматический ударный механизм по патенту РФ №2090730, Е21В 4/14, Е21С 3/24, опубл. в Бюл. №26, 1997, 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 соответственно между втулкой и хвостовиком, втулкой и головкой ударника кольцевых камер холостого и рабочего хода, последняя из которых посредством канала и окна в гильзе постоянно связана с торцевой камерой рабочего хода, питающий канал, буровую коронку с каналами, установленную в гнезде корпуса с образованием полости между коронкой и торцом ударника. Кроме того, в гильзе выполнен канал, постоянно соединяющий кольцевую камеру холостого хода с питающим каналом, а окно в гильзе, посредством которого сообщаются торцевая и кольцевая камеры рабочего хода, выполнено с возможностью периодического сообщения между собой указанных камер с кольцевой камерой холостого хода при открытии окна кромкой хвостовика ударника в процессе холостого хода последнего, при этом в стенке корпуса выполнена кольцевая расточка с возможностью периодического размещения в ней отсечной кромки головки ударника и сообщения между собой кольцевой камеры рабочего хода с полостью между ударником и коронкой, причем каналы в коронке выполнены открытыми в данную полость и постоянно соединяют ее с атмосферой.
Общими признаками прототипа и предлагаемого технического решения являются: корпус, ударник, имеющий головку и хвостовик, соединенные шейкой, 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 гильзе постоянно связана с торцевой камерой рабочего хода, питающий канал в 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.
Недостатком данного погружного пневматического ударного механизма 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, как следствие, снижает ударную мощность машины.
Одним из недостатков известной машины является 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 камеры 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 пневматического ударного механизма.
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 с расточкой в передней части, ударник, имеющий головку и хвостовик, соединенные шейкой, 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 гильзе постоянно связана с торцевой камерой рабочего хода, питающий канал в 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, согласно техническому решению в головке ударника образована кольцевая канавка, соединенная с кольцевой камерой рабочего хода и имеющая продольные поверхности меньшего и большего диаметров, соединенные поверхностью с коническим переходом с продольной поверхностью меньшего диаметра, а с торца ударника выполнены каналы с выходом на указанную поверхность с коническим переходом, при этом на продольную поверхность меньшего диаметра с натягом установлено эластичное кольцо, образующее зазор с продольной поверхностью большего диаметра.
Эластичное кольцо, расположенное в кольцевой канавке на головке ударника с зазором с продольной ее поверхностью большего диаметра, исполняет 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 с торца ударника 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.
Конфигурация канавки, наличие продольной поверхности большего диаметра, позволяет осуществить периодический выпуск воздуха из камер рабочего хода с использование только двух деталей - ударника и эластичного кольца, без участия других элементов конструкции, что делает эту систему автономной.
Сущность технического решения 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. Гильза 6 охватывает хвостовик 4 ударника 2 и образует с его торцом торцевую камеру 7 рабочего хода. Разрезная втулка 8 охватывает шейку 5 ударника 2 с образованием между ней и хвостовиком 4, между ней и головкой 3 ударника 2 соответственно кольцевой камеры 9 холостого хода и кольцевой камеры 10 рабочего хода. Кольцевая камера 10 рабочего хода посредством канала 11 и окна 12 гильзы 6 постоянно связана с торцевой камерой 7 рабочего хода. Питающий канал 13 гильзы 6 постоянно сообщен с кольцевой камерой 9 холостого хода. Буровая коронка 14 с каналами 15 установлена в передней части корпуса 1 с образованием между ней и торцом ударника 2 полости 16, постоянно соединенной с атмосферой каналами 15 буровой коронки 14 и сообщенной с расточкой 17 в корпусе 1. В головке 3 ударника 2 выполнена кольцевая канавка 18, соединенная через продольные пазы 19 в передней части ударника 1 с кольцевой камерой 10 рабочего хода. Кольцевая канавка 18 имеет продольную поверхность 20 меньшего диаметра и продольную поверхность 21 большего диаметра, а также соединяющую их поверхность 22 с коническим переходом 23, примыкающей к продольной поверхности 20. С торца в ударнике 2 выполнены каналы 24, выходящие на поверхность 22 кольцевой канавки 18. На продольной поверхности 20 с натягом установлено эластичное кольцо 25, образующее с продольной поверхностью 21 зазор 26. В задней части корпуса 1 установлен переходник 27.
Машина работает следующим образом. В исходном (нижнем) положении ударник 2 расположен на буровой коронке 14. Сжатый воздух через став штанг, канал переходника 27 поступает в питающий канал 13 гильзы 6 и далее в кольцевую камеру 9 холостого хода, воздействуя при этом на рабочую площадь хвостовика 4 ударника 2. Начинается холостой ход ударника 2. В это время расточка 17 через продольные пазы 19 сообщена с кольцевой камерой 10 рабочего хода, а через канал 11 гильзы 6 - с торцевой камерой 7 рабочего хода. Через расточку 17, полость 16 и каналы 15 буровой коронки 14 торцевая камера 7 рабочего хода и связанная с ней через канал 11 гильзы 6 кольцевая камера 10 рабочего хода соединены с атмосферой. Это позволяет удалять имеющийся в торцевой камере 7 рабочего хода и кольцевой камере 10 рабочего хода сжатый воздух и совершать ударнику 2 холостой ход. При дальнейшем движении ударника 2 его головка 3 перекрывает вход в расточку 17, при этом сообщение торцевой камеры 7 рабочего хода и кольцевой камеры 10 рабочего хода с атмосферой сохраняется через зазор 26 между эластичным кольцом 25 и продольной поверхностью 21 большего диаметра в кольцевой канавке 18. Это позволяет осуществлять выпуск воздуха из торцевой камеры 7 рабочего хода и кольцевой камеры 10 рабочего хода на протяжении холостого хода ударника 2 до момента впуска сжатого воздуха в них. Выпускаемый воздух - это сжимаемый воздух, оставшийся в торцевой камере 7 рабочего хода и кольцевой камере 10 рабочего хода, и воздух, перетекаемый в эти рабочие камеры 7, 10 через зазоры подвижных посадок ударника 2 между его шейкой 5 и разрезной втулкой 8, хвостовиком 4 и гильзой 6. Удаление воздуха уменьшает сопротивление движению ударника 2 на холостом ходу, позволяет увеличить величину его хода. При дальнейшем движении ударника 2 хвостовик 4 открывает окна 12 гильзы 6, которые сообщаются с кольцевой камерой 9 холостого хода, а через нее с питающим каналом 13 гильзы 6. Начинается впуск сжатого воздуха через окна 12 гильзы 6 в торцевую камеру 7 рабочего хода и через окна 12 гильзы 6, канал 11 - в кольцевую камеру 10 рабочего хода. При впуске в торцевую камеру 7 рабочего хода и в кольцевую камеру 10 рабочего хода сжатый воздух через продольные пазы 19 ударника 2 воздействует на эластичное кольцо 25. При этом образуется перепад давления со стороны кольцевой камеры 10 рабочего хода и кольцевой канавки 18 со стороны боковой поверхности 22, соединенной каналами 24 с полостью 16 и с атмосферой. Под действием перепада давления эластичное кольцо 25 набегает на конический переход 23 поверхности 22, растягивается и перекрывает зазор 26, при этом торцевая камера 7 рабочего хода и кольцевая камера 10 рабочего хода изолируются от атмосферы. Поскольку площадь ударника 2 со стороны торцевой камеры 7 рабочего хода и кольцевой камеры 10 рабочего хода значительно больше площади ударника 2 со стороны кольцевой камеры 9 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 13 гильзы 6, близкое к магистральному. При дальнейшем движении ударника 2 хвостовик 4 отсекает впуск сжатого воздуха в торцевую камеру 7 рабочего хода и кольцевую камеру 10 рабочего хода. Воздействие сжатого воздуха на ударник 2 осуществляется за счет своего расширения. В дальнейшем головка 3 ударника 2 открывает вход в расточку 17 и начинается выхлоп сжатого воздуха через продольные пазы 19 из кольцевой камеры 10 рабочего хода, а через канал 11 задней гильзы 6 - из торцевой камеры 7 рабочего хода. При выхлопе давления сжатого воздуха в полостях над и под (поз. не обозначены) эластичным кольцом 25 выравниваются и под действием собственных упругих сил эластичное кольцо 25 сжимается и садится на продольную поверхность 20 меньшего диаметра в кольцевой канавке 18, образуя зазор 26 с продольной поверхностью 21 большего диаметра. Торцевая камера 7 рабочего хода и кольцевая камера 10 рабочего хода через продольные пазы 19, зазор 26, каналы 24, полость 16, каналы 15 буровой коронки 14 соединяются с атмосферой. На большой протяженности рабочего хода за счет энергии сжатого воздуха ударник 2 набирает значительную кинетическую энергию. В конце рабочего хода ударник 2 наносит удар по хвостовику коронки 14. Цикл повторяется.