гидравлический бесклапанный ударный механизм

Формула изобретения

ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ БЕСКЛАПАННЫЙ УДАРНЫЙ МЕХАНИЗМ, содержащий корпус, размещенный в корпусе боек, распределительную гильзу с каналами, которая образует с бойком полость холостого хода, ресивер низкого давления, гидроаккумулятор, камеру слива, камеру рабочего хода, которая выполнена с возможностью периодического сообщения с напорной и сливной магистралями, гидравлический распределитель, выполненный в виде дифференциального плунжера, отличающийся тем, что гидравлический распределитель имеет подпружиненный рабочий орган для перекрытия канала, сообщающего камеру рабочего хода с камерой слива, и выполнен с возможностью периодического сообщения с напорной магистралью большей ступени дифференциального плунжера, меньшая ступень которого выполнена в виде толкателя для взаимодействия с указанным рабочим органом, при этом дифференциальный плунжер со стороны толкателя для ограничения хода выполнен с дополнительной ступенью, имеющей дроссельные отверстия для регулирования количества жидкости, перетекающей из камеры рабочего хода в камеру слива, выход из которой сообщен с ресивером низкого давления.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горной, горнорудной, строительной отраслям промышленности и используется в качестве импульсного навесного оборудования для бурения шпуров и скважин в крепких породах применительно к гидрофицированным мобильным установкам, а также к стационарным агрегатам, имеющим гидравлический привод.

Условия работы характеризуются широким диапазоном изменения крепости буримых пород, температуры окружающей среды, использованием масел с различными свойствами, технологии добычи ископаемого.

Известны гидравлические ударные механизмы, включающие корпус, боек, гидравлические стабилизаторы, устройства управления, распределительную гильзу с отверстиями, при помощи которых камеры рабочего хода соединяется с напорной или сливной магистралями.

Недостатками указанных механизмов являются сложность конструкции устройства управления, наличие механической или электрической энергии для перемещения рабочего органа, отсутствие стабильности в работе при больших вибрационных нагрузках.

Наиболее близким к предлагаемому является гидравлический ударный механизм, содержащий корпус, размещенный в корпусе боек, распределительную гильзу, которая образует с бойком полость холостого хода, ресивер низкого давления, гидроаккумулятор, камеру слива, камеру рабочего хода и гидравлический распределитель.

Недостатками гидравлического ударного механизма являются сложность конструкции ввиду использования электрического двухходового распределителя, для управления которого требуется дополнительный источник энергии, а также низкая надежность в работе соленоида для перемещения золотника, особенно в условиях повышенной вибрационной нагрузки. Кроме того, в процессе эксплуатации отсутствует контроль за количеством жидкости, перетекаемой из камеры рабочего хода в сливную магистраль, что ухудшает процесс запуска и снижает объемный КПД.

Техническая сущность изобретения заключается в том, что в гидравлическом бесклапанном ударном механизме, содержащем корпус, размещенный в корпусе боек, распределительную гильзу с каналами, которая образует с бойком полость холостого хода, ресивер низкого давления, гидроаккумулятор, камеру слива, камеру рабочего хода, которая выполнена с возможностью периодического сообщения с напорной и сливной магистралями, и гидравлический распределитель, выполненный в виде дифференциального плунжера, указанный распределитель имеет подпружиненный рабочий орган для перекрытия канала, сообщающего камеру рабочего хода с камерой слива, и выполнен с возможностью периодического сообщения с напорной магистралью большой ступени дифференциального плунжера, меньшая ступень которого выполнена в виде толкателя для взаимодействия с указанным рабочим органом, при этом дифференциальный плунжер со стороны толкателя для ограничения хода выполнен с дополнительной ступенью, имеющей дроссельные отверстия для регулирования количества жидкости, перетекающей из камеры рабочего хода в камеру слива, выход из которых сообщен с ресивером низкого давления.

Анализ известных технических решений в исследуемой области позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с существенными отличительными признаками в заявляемом гидравлическом бесклапанном механизме.

Величина энергии и частота ударов (энергетические показатели) зависят от полноты реализации саккумулированной потенциальной энергии в рабочей камере в кинетическую энергию при рабочем ходе бойка.

Принцип работы гидравлического бесклапанного механизма основан на процессах сжатия и расширения жидкости. Условия эксплуатации характеризуются широким интервалом изменения температуры окружающей среды и свойствами рабочей жидкости, а также необходимостью регулировать энергию удара при забуривании заклинивании инструмента. Для устойчивости запуска механизма в указанных условиях необходим распределитель, который управляет количеством жидкости, перетекаемой из камеры рабочего хода в камеру слива и далее в ресивер низкого давления. В качестве основного рабочего органа используется двухступенчатый плунжер с дополнительной ступенью, где имеются дроссельные отверстия. Диаметр отверстий определяет количество перетекаемой жидкости, а следовательно, диапазон регулирования энергии и устойчивость запуска в различных условиях.

Расход жидкости через дроссельские отверстия определяют по формуле

Q= , где - коэффициент расхода, 0,64-0,7; Р - перепад давления; - плотность используемой жидкости; - суммарная площадь дроссельных отверстий.

Результаты опытной апробации гидравлического бесклапанного механизма с гидравлическим распределителем на базе серийных установок "КАМАЗ-4310", ЭО-2621А В подтвердили правильность расчета по выбору радионального диаметра отверстий.

При эксплуатации используется один вид энергии (гидравлическая), упрощается конструкция распределителя, увеличивается ресурс работ, длительность которого не связана с вибрационной нагрузкой. В этом заключается преимущество предлагаемого технического решения по сравнению с прототипом, где отсутствие дифференциального плунжера с дополнительной ступенью и дроссельными отверстиями исключает устойчивый запуск при изменении свойств энергоносителя и температуры окружающей среды, а исключение электрической энергии для управления упрощает конструкцию распределителя и повышает его надежность в работе.

Новая совокупность признаков заявляемого технического решения обеспечивает упрощение конструкции механизма и повышения его эксплуатационной надежности при изменяющихся внешних факторах.

Таким образом, заявляемое техническое решение отвечает требованию "изобретательский уровень".

На чертеже представлен гидравлический бесклапанный механизм.

Гидравлический бесклапанный механизм состоит из корпуса 1, бойка 2, совершающего возвратно-поступательное движение в распределительной гильзе 3. Полость 4 холостого хода через радиальный канал 5 в гильзе и гидроаккумулятор 6 соединяется с напорной магистралью 7. Периодическое соединение камеры 8 рабочего хода с полостью 4 холостого хода производится через магистральный канал 9 и впускной канал 10, выполненные в гильзе 3. В конце рабочего хода камера 8 через ресивер 11 низкого давления транспортный канал 12 соединяется со сливной магистралью 13. Сливной канал 14 соединяет камеру 15 слива с транспортным каналом 12 и ресивером 11 низкого давления. Рабочий орган 16 прижат к посадочному месту пружиной 17, жесткость которой регулируется пробкой 18. Периодическое соединение камеры 8 рабочего хода с камерой 15 слива производится через напорный канал 19, который перекрывается рабочим органом 16.

Гидравлический распределитель 20 выполнен в виде ступенчатого дифференциального плунжера, большая ступень 21 которого выполнена с возможностью периодического сообщения с напорной магистралью посредством золотника 22 и магистрали 23 управления. Меньшая ступень дифференциального плунжера выполнена в виде толкателя 24 для взаимодействия с рабочим органом 16.

Дифференциальный плунжер со стороны толкателя 24 имеет дополнительную ступень 25 с дроссельными отверстиями 26 для регулирования количества жидкости, перетекающей из камеры 8 рабочего хода в камеру 15 слива, выход которой сообщен с ресивером 11 низкого давления.

Механизм работает следующим образом.

Под действием постоянной силы давления жидкости, постоянно действующей на боек 2 со стороны полости 4 и гидроаккумулятора 6, боек начинает холостой ход. Первоначально движение бойка происходит при сообщении камеры 8 рабочего хода с ресивером 11 низкого давления и транспортным каналом 12. В процессе движения боек большей ступенью перекрывают ресивер 11 и жидкость в камере 8 начинает сминаться, поглощая при этом часть кинетической энергии бойка. Однако этой энергии недостаточно, чтобы боек совершил полный ход до открытия большей ступенью впускного канала 10. Происходит остановка в промежуточном положении, отсутствует запуск. На запуск влияют свойства рабочей жидкости и температура окружающей среды, которые сказываются на энергии единичного удара. Поэтому в начальный момент запуска необходимо снижение жесткости камеры рабочего хода. Оператор с помощью золотника 22 соединяет напор с магистралью 23 управления. Гидравлическая энергия воздействует на большую ступень 21 дифферециального плунжера, который, перемещаясь, меньшей ступенью отодвигает рабочий орган 16, одновременно сжимая пружину 17. Ход плунжера органа от посадочного места происходит соединение камеры 8 рабочего хода через напорный канал 19 с камерой 15 слива. Из последней жидкость через дроссельные отверстия 26, сливной канал 14, ресивер 11 низкого давления и транспортный канал 12 перетекает в сливную магистраль 13. Упругость жидкости в камере 8 снижается и боек под действием постоянной силы со стороны полости 4 продолжает холостой ход от открытия впускного канала 10. Камера 8 рабочего хода через магистральный канал 9, впускной канал 10 и полость 4 соединяется с напорной магистралью 7. Давление в камере 8 повышается до магистрального и происходит торможение бойка. После торможения равновесие сил, действующих на боек 2, нарушается из-за разности площадей бойка со стороны камеры рабочего и полости холостого хода при одинаковом действующем на них магистральном давлении. Начинается рабочий ход. В момент рабочего хода бойка отпадает необходимость в снижении упругости жидкости в камере 8. Оператор переключает золотник 22, соединяя магистраль управления со сливом. Под действием пружины 17 рабочий орган прижимается к посадочному месту, перемещая одновременно плунжер в исходное положение. При этом происходит разъединение камеры 8 рабочего хода и камеры 15 слива.

Сначала боек 2 ускоренно движется к инструменту под действием магистрального давления. Когда боек 2 перекроет большей ступенью впускной канал 10, поступление жидкости через магистральный канал 9 происходит за счет расширения жидкости в камере 8. Во время рабочего хода саккумулированная в камере 8 потенциальная энергия жидкости переходит при расширении в кинетическую энергию бойка. Так как кинетическая энергия бойка 2 во время рабочего хода больше энергии, противодействующей его движению, боек в конце рабочего хода наносит удар по инструменту и соединяет ресивер 11 низкого давления с камерой 8. Происходит слив жидкости из камеры 8 через транспортный канал в сливную магистраль 13. Давление в камере 8 понижается до сливного и боек 2 под действием постоянной силы, приложенной к меньшей ступени со стороны полости 4, открывается от инструмента и начинает холостой ход. При ударе по инструменту не вся энергия реализуется буровому ставу, часть ее возвращается бойку в виде энергии отскока. Запасы этой энергии в сумме с постоянно действующей силой на меньшую ступень бойка 2 хватает, чтобы преодолеть силу упругости жидкости в камере 8, искусственно не снижая ее жесткости. Поэтому боек 2 совершает самостоятельно полный холостой ход до открытия впускного канала 10 и далее цикл повторяется.

Гидравлический распределитель 20 в виде дифференциального плунжера используется только в начальный момент запуска, когда отсутствует энергия отскока. В момент забуривания или заклинивания бурового става необходимо снижать энергию единственного удара. Для этого оператор с помощью золотника 22 соединяет магистраль управления с напором, плунжер смещает рабочий орган 16 и камера 8 постоянно на протяжении всего цикла соединяется с камерой 15 слива. Так как в процессе рабочего хода бойка часть саккумулированной потенциальной энергии в камере 8 сбрасывается в камеру 15, кинетическая энергия снижается, а следовательно, уменьшается и энергия единичного удара.

После забурирования или расклинивания бурового става оператор переключает золотнике 22 на слив, плунжер возвращается в исходное положение и гидравлический бесклапанный механизм переходит в номинальный режим работы. Диаметр дроссельных отверстий 26 позволяет ступенчато регулировать энергию удара. При большом диаметре увеличивается количество перетекаемой жидкости из камеры 8 в сливную магистраль 13 и, следовательно, снижается энергия удара. При малом диаметре дроссельных отверстий 26 энергия удара увеличивается.

Таким образом, использование гидравлического распределителя упрощает конструкцию, обеспечивает переход на один вид энергии (гидравлическую), а использование дифференциального плунжера с дополнительной ступенью, где имеются дроссельные отверстия, обеспечивает высокую эксплуатационную надежность при большой вибрационной нагрузке, а также путем подбора диаметра отверстий - ступенчатое регулирование энергии единичного удара и устойчивый запуск механизма при изменяющихся температурах окружающей среды и свойствах рабочей жидкости.