ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ УДАРНЫЙ МЕХАНИЗМ
PNEUMATIC HAMMER 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 погружной молоток М26 с буферным циклом (П.М. Емельянов и др. Машины для бурения скважин погружными молотками в подземных условиях. - Редакционно-издательский отдел Сибирского отделения АН СССР, Новосибирск, 1965, С. 141, рис. 79), включающий корпус с каналами и рубашкой, в котором закреплен переходник с упругим кольцом и размещены клапанная коробка верхняя, основной клапан, клапанная коробка нижняя, вспомогательный клапан, крышка, ударник, шпонка и коронка. В этом устройстве в верхнем положении ударника к моменту перемены направления его движения в камере рабочего хода происходит образование воздушного буфера, давление сжатия которого достигает 30÷35 атм., т.е. во много раз превышает сетевое давление 5 атм., под которым подводится воздух к машине.
Недостатком молотка М26 является то, что его корпус содержит каналы и рубашку. Такое исполнение уменьшает диаметр ударника и, как следствие, снижает энергию удара, что снижает эффективность работы механизма. Наличие в конструкции верхней и нижней клапанных коробок, основного и вспомогательного клапанов и крышки существенно увеличивает длину устройства, что создает неудобства при эксплуатации механизма на буровых станках типа НКР-100М при бурении нисходящих скважин.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков к предлагаемому техническому решению является пневматический ударный механизм по а.с. СССР №848615, кл. E21C 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.
Главным недостатком этого механизма является то, что эластичный клапан, имеющий форму тора, не используется для наполнения энергоносителем камеры холостого хода. Для этого использована бесклапанная система распределения, осуществляемая посредством перемещения поршня с центральным впускным отверстием относительно штока-золотника с каналами и распределительными кромками пальца штока-золотника. Существенным недостатком такой системы распределения энергоносителя является то, что путь впуска в камеру холостого хода при движении поршня до удара по инструменту равен пути впуска после удара. Для увеличения энергии холостого хода с целью увеличения хода поршня и повышения энергии удара необходимо наполнять камеру холостого хода энергоносителем на большем пути поршня, что 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. Такое исполнение снижает эффективность работы механизма. Недостатком этой конструкции является также наличие на клапанном седле нескольких канавок, что также увеличивает общую длину механизма и, как следствие, снижает эффективность его работы при бурении нисходящих скважин на буровых станках типа НКР-100М.
Техническая задача - повышение эффективности работы механизма за счет увеличения энергии удара и обеспечения удобства эксплуатации путем уменьшения его длины.
Поставленная задача решается посредством того, что в пневматическом ударном механизме, содержащем корпус, в котором расположены поршень, образующий с его стенками камеры рабочего и холостого хода, переходник, изготовленный с центральным каналом и с 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, согласно техническому решению 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.
Указанная совокупность признаков позволяет уменьшить наполнение энергоносителем камеры холостого хода до удара поршня по инструменту при прямом ходе поршня посредством использования для впуска энергоносителя в камеру холостого хода эластичного клапана в форме тора, который при выхлопе из рабочей камеры перекрывает впуск энергоносителя в рабочую камеру и только после этого начинается впуск энергоносителя в камеру холостого хода, что позволяет снизить давление буферной подушки в камере холостого хода перед ударом в конце рабочего хода поршня, что повышает энергию удара. Это позволяет уменьшить длину камеры холостого хода и при этом осуществить ее наполнение на большем участке пути поршня при его холостом ходе. Такое исполнение повышает эффективность работы механизма за счет увеличения энергии удара и обеспечения удобства эксплуатации путем уменьшения его длины.
Сущность технического решения поясняется примером конкретного конструктивного исполнения пневматического ударного механизма и чертежом, где показан продольный разрез пневматического ударного механизма в статическом состоянии.
Пневматический ударный механизм (далее - механизм) содержит корпус 1, в котором расположены поршень 2, образующий с его стенками камеру 3 рабочего хода и камеру 4 холостого хода, переходник 5, закрепленный в корпусе 1 соединением 6 и изготовленный с центральным каналом 7 и с боковыми каналами 8. По наружной поверхности переходника 5 выполнена кольцевая канавка 9, в которой установлен с предварительным натягом эластичный клапан 10 в форме тора (далее - клапан 10), образующий с корпусом 1 и переходником 5 надклапанную полость 11, а со стенками корпуса 1 - канал 12 для впуска энергоносителя в камеру 3 рабочего хода. В центральном канале 7 переходника 5 закреплены шток-золотник 13 с осевым каналом 14 и гильза 15 с магистральным каналом 16 и отверстиями 17, которыми магистральный канал 16 сообщен с надклапанной полостью 11 через боковые каналы 8 в переходнике 5. Гильза 15 выполнена с дном 18, которым перекрыт ее магистральный канал 16. В переходнике 5, в зоне внутренней опорной поверхности клапана 10 в кольцевой канавке 9, выполнены отверстия 19, которыми надклапанная полость 11 сообщена через центральный канал 7 переходника 5 с осевым каналом 14 штока-золотника 13, который закреплен в переходнике 5 посредством стопорного кольца 20. Шток-золотник 13 выполнен с наружными каналами 21, радиальными каналами 22 и пробкой 23 для периодического перекрытия центрального канала 24 поршня 2, который выполнен с расточкой 25, проточкой 26 и лыской 27. В корпусе 1 выполнены выхлопные окна 28 и установлен инструмент 29 с продувочным каналом 30.
Механизм работает следующим образом. При любом исходном положении поршня 2 клапан 10 за счет внутренних сил упругости сжат с предварительным натягом в кольцевой канавке 9 переходника 5 и внутренней опорной поверхностью закрывает отверстия 19. При этом клапан 10 образовал наружной поверхностью со стенками корпуса 1 канал 12 для впуска энергоносителя в камеру 3 рабочего хода. При включении механизма в работу энергоноситель поступает по магистральному каналу 16 гильзы 15 с дном 18 через отверстия 17 и боковые каналы 8 в надклапанную полость 11, из которой проходит по каналу 12 в камеру 3 рабочего хода. Под действием энергоносителя поршень 2 из любого исходного положения перемещается в переднее положение и открывает выхлопные окна 28. Энергоноситель из камеры 3 прямого хода удаляется в окружающее пространство, а давление энергоносителя в камере 3 прямого хода и в канале 12 снижается. Под действием перепада давления энергоносителя со стороны надклапанной полости 11 клапан 10 растягивается, перекрывая канал 12 для впуска энергоносителя в камеру 3 рабочего хода. При этом клапан 10 открывает внутренней опорной поверхностью отверстия 19 в переходнике 5, которые сообщают надклапанную полость 11 через центральный канал 7 переходника 5 с осевым каналом 14 штока-золотника 13. В камеру 4 холостого хода энергоноситель поступает по радиальным каналам 22, по расточке 25 поршня 2 и по центральному его каналу 24. Поршень 2 совершает холостой ход. При этом из камеры 4 холостого хода происходит отбор энергоносителя через продувочный канал 30 инструмента 29 на продувку забоя скважины.
После перекрытия пробкой 23 центрального канала 24 поршня 2 подача энергоносителя в камеру 4 холостого хода прекращается бесклапанным способом. При этом, по сравнению с прототипом, впуск энергоносителя в камеру 4 холостого хода выполнен на большем пути при холостом ходе поршня 2, что позволяет увеличить энергию холостого хода и ход поршня 2, и как следствие, энергию удара. 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 26 с выхлопными окнами 28 из камеры 4 холостого хода происходит выхлоп отработанного энергоносителя через лыску 27. В этой фазе цикла клапан 10 продолжает обеспечивать впуск энергоносителя из надклапанной полости 11 через отверстия 19 в расточку 25 поршня 2.
При сообщении расточки 25 поршня 2 с наружными каналами 21 штока-золотника 13 энергоноситель наполняет камеру 3 рабочего хода и давление в ней достигает магистрального значения. При движении поршня 2 за счет набранной кинетической энергии в конце холостого хода образуется буферная подушка в камере 3 рабочего хода, превышающая по величине давление энергоносителя в надклапанной полости 11. При этом образована результирующая сила, действующая на клапан 10, которая помогает внутренним упругим силам клапана 10 открыть канал 12 для впуска энергоносителя в камеру 3 рабочего хода. После этого отверстия 19 переходника 5 перекрываются внутренней опорной поверхностью клапана 10 в канавке 9 и впуск энергоносителя в осевой канал 14 штока-золотника 13 прекращается.
Повышенное давление буферной подушки энергоносителя в камере 3 рабочего хода в конце холостого хода уменьшает время торможения поршня 2, и начинается рабочий ход. В начальный период рабочего хода поршня 2 камера 3 рабочего хода сообщена через наружные каналы 21 штока-золотника 13 с расточкой 25 поршня 2, наполняя ее энергоносителем, но при рабочем ходе поршня 2 на некотором пути сообщение наружных каналов 21 с расточкой 25 прекращается, после этого энергоноситель в расточке 25 работает с расширением.
При рабочем ходе поршня 2 пробка 23 штока-золотника 13 выходит из центрального канала 24 поршня 2, и расточка 25 сообщается с камерой 4 холостого хода, но, в отличие от прототипа, наполнение энергоносителем камеры 4 холостого хода не происходит, так как клапан 10 закрывает впуск энергоносителя в камеру 4 холостого хода посредством перекрытия отверстий 19. Такое исполнение снижает давление буферной подушки энергоносителя в камере 4 холостого хода в конце рабочего хода поршня 2 до удара по инструменту 29, что повышает энергию удара механизма. При открытии поршнем 2 выхлопных окон 28 давление энергоносителя в камере 3 рабочего хода и в канале 12 существенно падает. Под действием магистрального давления энергоносителя в надклапанной полости 11 клапан 10 растягивается, перекрывая канал 12 для впуска энергоносителя в камеру 3 рабочего хода, и открывает отверстия 19 в переходнике 5 для впуска энергоносителя в камеру 4 холостого хода. Поршень 2 наносит удар по инструменту 29, после чего начинается холостой ход и фазы цикла повторяются.