пневмоударник

Формула изобретения

Пневмоударник, содержащий цилиндр, соединенный с одной стороны с переходником, имеющим центральное отверстие, с другой стороны - с головкой с закрепленным в ней долотом, расположенный внутри цилиндра, имеющего щелевые отверстия, поршень с образованием полостей, одна из которых - подпоршневая обращена к головке, а другая - надпоршневая обращена к переходнику, поршень выполнен с утолщением в средней части, имеет центральный канал и ударную часть, выполненную с возможностью вхождения в осевой канал головки, в утолщенной части поршня в центральном канале размещены трубчатый золотник, рабочая пружина, установленная между переходником и торцом поршня для прижатия его к хвостовику долота, при этом поршень снабжен хвостовиком, установленным с возможностью вхождения в центральное отверстие переходника, а в центральном канале поршня выполнены расточки, расположенные в три яруса, причем ближняя к переходнику расточка и дальняя расточка F-образными каналами соединены между собой и с подпоршневой полостью цилиндра, средняя расточка L-образными каналами соединена с надпоршневой полостью цилиндра, при этом трубчатый золотник имеет внутри сплошную перегородку и боковые окна по обе стороны от перегородки, причем ближние к переходнику окна до перегородки совмещены с ближней к переходнику расточкой, а окна за перегородкой совмещены со средней расточкой, дальняя расточка перекрыта цилиндрической поверхностью золотника, причем трубчатый золотник подпружинен установленной в центральном канале поршня пружиной, расположенной между трубчатым золотником и внутренним уступом, образованным в месте уменьшения диаметра центрального канала, отличающийся тем, что для ограничения перемещения трубчатого золотника в центральном канале поршня установлены упоры, а в ударной части поршня с образованием полости, соединенной радиальными отверстиями с подпоршневой полостью цилиндра, внутри пружины трубчатого золотника расположена втулка с фланцем, упирающимся в обращенный к головке торец трубчатого золотника, при этом втулка установлена с возможностью вхождения ее шейки в центральный канал ударной части поршня и осевой канал долота.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к ударным механизмам, используемым в качестве буровых устройств для проходки скважин в горной промышленности при подземной и открытой разработке месторождений полезных ископаемых.

При проходке таких скважин ударный механизм располагают непосредственно у забоя скважины и по ставу бурильных труб к механизму подводят сжатый воздух.

Известна конструкция пневмоударника, разработанного по авт. свид. СССР №184761 МПК Е 21 С от 07.04.1964 г., опубликованному в БИ №16, 1966 г.

Он содержит цилиндр без радиальных и продольных каналов в его теле, поршень, воздухораспределительное устройство с центральным трубчатым штоком-золотником, выполненным с радиальными каналами для подвода-энергоносителя, входящим в отверстие поршня и осуществляющим распределение энергоносителя через радиальные каналы в поршне и продольные вырезы на его наружной поверхности и инструмент с центральным каналом для выхлопа отработанного энергоносителя.

Для автоматического выключения пневмоударника с продолжением продувки скважины при отсутствии контакта инструмента конец штока-золотника выполнен меньшего диаметра, а тело цилиндра имеет кольцевую проточку, являющуюся частью камеры обратного хода.

В этом и заключается главный недостаток аналога, так как примерно 40% энергоносителя выходит в забой не только при выключении пневмоударника и продолжения продувки скважины, но и в периоды обратного и рабочего хода поршня, не производя полезного воздействия на поршень.

Указанный недостаток устранен в пневмоударнике по заявке №2002111893/0,3 (012474) от 06.05.2002 г., по которой имеется положительное решение о выдаче патента на изобретение.

Этот пневмоударник является наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам к данному изобретению и принят нами в качестве прототипа.

Он содержит цилиндр, соединенный с одной стороны с переходником, имеющим центральное отверстие, с другой стороны - с головкой с закрепленным в ней долотом, расположенный внутри цилиндра с образованием полостей, одна из которых обращена к головке, а другая - к переходнику, поршень с центральным каналом, который выполнен с утолщением и имеет ударную часть, выполненную с возможностью вхождения в осевой канал головки, а в утолщенной части поршня в его центральном канале выполнены расточки и размещен золотник, пружину, установленную между переходником и торцом поршня для прижатия его к хвостовику долота, при этом поршень снабжен хвостовиком, установленным с возможностью вхождения в центральное отверстие переходника, а в центральном канале поршня выполнены расточки, расположенные в три яруса, причем ближняя и дальняя расточки F-образными каналами соединены между собой и с полостью цилиндра, обращенной к головке, средняя расточка L-образными каналами соединена с полостью цилиндра, обращенной к переходнику, при этом золотник выполнен трубчатым и имеет внутри сплошную перегородку и боковые окна по обе стороны от перегородки, причем ближние к переходнику окна до перегородки совмещены с ближней к переходнику расточкой, а окна за перегородкой совмещены со средней расточкой, дальняя расточка перекрыта цилиндрической поверхностью золотника, при этом над ближними к переходнику окнами на наружной поверхности золотника образован кольцевой буртик, который разделяет ближнюю к переходнику расточку на две полости, одна из которых, обращенная к торцу хвостовика поршня, сообщена с выточкой поршня, а другая полость сообщена с F-образными каналами, причем буртик золотника прижат к торцу хвостовика поршня пружиной, расположенной между трубчатым золотником и внутренним уступом, образованным в месте уменьшения диаметра центрального канала поршня.

Основным недостатком прототипа является недостаточная надежность работы узла распределения энергоносителя, обусловленная тем, что поршень и хвостовик, обращенный к переходнику, выполнены составным и они соединены между собой резьбою. В ударном режиме работы при частоте ударов 1500-2000 ударов в минуту очень трудно обеспечить надежность резьбового соединения, так как в процессе вибрации резьбовые соединения ослабляются и развинчиваются, при ослаблении и ударах резьба деформируется и выходит из строя, не может обеспечить требуемую соосность соединения и надежную работу трубчатого золотника.

Задачей изобретения является усовершенствование узла распределения энергоносителя, обеспечение надежности его работы при сохранении основного принципа работы - подачи в забой скважины почти всего отработанного энергоносителя и при рабочем, и при обратном ходе поршня без дополнительного расхода.

Это достигается тем, что в пневмоударнике, содержащем цилиндр, соединенный с одной стороны с переходником, имеющим центральное отверстие, с другой стороны - с головкой с закрепленным в ней долотом, расположенный внутри цилиндра с образованием полостей, одна из которых подпоршневая, обращена к головке, а другая - надпоршневая, обращена к переходнику, поршень, который выполнен с утолщением в средней части, имеет центральный канал и ударную часть, выполненную с возможностью вхождения в осевой канал головки, в утолщенной части поршня в центральном канале размещен трубчатый золотник, рабочая пружина, установленная между переходником и торцем поршня для прижатия его к хвостовику долота, при этом поршень снабжен хвостовиком, установленным с возможностью вхождения в центральное отверстие переходника, а в центральном канале поршня выполнены расточки, расположенные в три яруса, причем ближняя к переходнику и дальняя расточки F-образными каналами соединены между собой и с подпоршневой полостью цилиндра, обращенной к головке, средняя расточка L-образными каналами соединена с полостью цилиндра, обращенной к переходнику, при этом золотник выполнен трубчатым и имеет внутри сплошную перегородку и боковые окна по обе стороны от перегородки, причем ближние к переходнику окна до перегородки совмещены с ближней к переходнику расточкой, а окна за перегородкой совмещены со средней расточкой, дальняя расточка перекрыта цилиндрической поверхностью золотника, причем трубчатый золотник прижат к упорам, установленным в центральном канале поршня, пружиной, расположенной между трубчатым золотником и внутренним уступом, образованным в месте уменьшения диаметра центрального канала поршня, внутри пружины трубчатого золотника расположена втулка с фланцем, упирающимся в торец золотника, обращенного к головке, установленная с возможностью вхождения шейки ее в центральный канал ударной части поршня и осевой канал долота, полость расположения пружины радиальными отверстиями соединена с подпоршневой полостью цилиндра пневмоударника.

Для нормальной работы пневмоударника в цилиндре предусмотрены щелевые отверстия, ограничивающие рабочий и холостой ход поршня, а также наклонные каналы в головке для подачи в забой скважины отработанного энергоносителя на удаление продуктов разрушения.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором показан вертикальный разрез пневмоударника для бурения скважин.

Пневмоударник, содержащий цилиндр 1, соединенный с одной стороны с переходником 2, имеющим центральное отверстие 3, с другой стороны - с головкой 4 с закрепленным в ней долотом 5, расположенный внутри цилиндра 1, имеющего щелевые отверстия, поршень 6 с образованием полостей, одна из которых - подпоршневая, 7 обращена к головке 4, а другая - надпоршневая 8 обращена к переходнику 2, поршень 6 выполнен с утолщением в средней части, имеет центральный канал 9 и ударную часть 10, выполненную с возможностью вхождения в осевой канал 11 головки 4, а в утолщенной части поршня 6 в центральном канале 9 размещен трубчатый золотник 12, рабочая пружина 13, установленная между переходником 2 и торцем поршня 6 для прижатия его к хвостовику 14 долота 5, при этом поршень снабжен хвостовиком 15, установленным с возможностью вхождения в центральное отверстие 3, а в центральном канале 9 поршня выполнены расточки в три яруса, причем ближняя к переходнику 2 расточка 16 и дальняя 17 F-образными каналами соединены между собой и с подпоршневой полостью 7, средняя расточка 18 L-образными каналами соединена с надпоршневой полостью 8 цилиндра 1, при этом трубчатый золотник 12 имеет внутри сплошную перегородку 19 и боковые окна по обе стороны от перегородки, причем ближние к переходнику 2 окна 20 до перегородки 19 совмещены с ближней к переходнику 2 расточкой 16, а окна 21 за перегородкой 19 совмещены со средней расточкой 18, дальняя расточка 17 перекрыта цилиндрической поверхностью золотника 12, причем трубчатый золотник 12 подпружинен установленной в центральном канале 9 поршня 6 пружиной 23, расположенной между трубчатым золотником 12 и внутренним уступом 24, образованным в месте уменьшения диаметра центрального канала 9 поршня 6 пружиной 23. Для ограничения перемещения трубчатого золотника 12 в центральном канале 9 поршня 6 установлены упоры 22, а в ударной части 10 поршня 6 с образованием полости 30, соединенной радиальными отверстиями 31 с подпоршневой полостью 7 цилиндра 1, внутри пружины 23 трубчатого золотника 12 расположена втулка 26 с фланцем, упирающимся в обращенный к головке 4 торец трубчатого золотника 12, при этом втулка 26 установлена с возможностью вхождения ее шейки 25 в центральный канал 9 ударной части 10 поршня 6 и осевой канал 29 долота 6.

Предлагаемый пневмоударник работает следующим образом. Для проходки скважины переходник 2 соединяют с буровым ставом станка, который вращает трубы и прижимает долото 5 к буримой породе. Внутрь труб подают энергоноситель (сжатый воздух или воздушно-водяную смесь, далее PA - рабочий агент).

Из центрального отверстия 3 переходника 2 PA под давлением поступает в центральный канал 9 поршня 6, затем попадает внутрь трубчатого золотника 12, далее через боковые окна 20, расточку 16 и F-образные каналы РА попадает в подпоршневую полость 7 под поршень 6 и одновременно через радиальные отверстия 31 поступает в полость 30 расположения пружины 23 золотника 12. Жесткость пружины 23, ее предварительная затяжка и размеры полости 30 подобраны так, что в сумме их усилие, направленное к переходнику 2, больше, чем усилие РА, действующее на трубчатый золотник 12 сверху, поэтому при подаче РА под давлением в подпоршневую полость 7 под поршень 6 взаимное расположение деталей будет таким же, как показано на чертеже, и поршень 6 под действием силы, создаваемой РА на кольцевую площадь поршня 6 подпоршневой полости 7, ускоряясь, пойдет в направлении к переходнику 2 (холостой ход), а из полости 8 РА будет вытесняться по L-образным каналам, расточке 18, окнам 21, трубчатой части золотника 12, ниже перегородки 19 в центральный канал втулки 25, осевой канал 29 долота 5 и наклонные каналы 34 головки 4 на забой скважины.

Рабочая пружина 13 при этом будет сжиматься, замедляя движение поршня 6, и при расчетной деформации остановит его движение. К этому моменту торец поршня 6, обращенный к головке 4, откроет щелевое отверстие 33, давление РА в подпоршневой полости 7 и в полости 30 резко упадет, а давление на трубчатый золотник 12 со стороны переходника 2 будет больше. Это усилие сожмет пружину 23, трубчатый золотник 12 сместится к головке 4 до совмещения окон 20 с проточкой 18 и L-образными каналами, в надпоршневую полость 8 над поршнем 6 станет поступать РА под давлением, поршень 6 начнет рабочий ход в направлении к долоту 5, а из-под поршня 6 из нодпоршневой полости 7 отработавший РА будет вытесняться в забой скважины через F-образные каналы, проточку 17, окна 21, трубчатый золотник 12 ниже перегородки 19, центральный канал втулки 25, осевой канал 29 долота 5 и наклонные каналы 34 головки 4. Набрав максимальную скорость, ударная часть 10 поршня 6 нанесет удар по хвостовику 14 долота 5. К этому моменту верхний торец поршня 6 откроет щелевое отверстие 32, давление РА в надпоршневой полости 8 и в полости трубчатого золотника 12 над перегородкой 19 резко упадет, поэтому максимально деформированная рабочая пружина 23 перебросит трубчатый золотник 12 в положение до упора 22.

Все детали займут положение, показанное на чертеже, и при продолжении подачи РА начнется холостой ход пневмоударника, описанный ранее.

Как следует из описания чертеже, принципа работы, технологичности деталей, предлагаемый пневмоударник по сравнению с прототипом имеет усовершенствованную конструкцию узла распределения энергоносителя, обеспечивающего надежную и долговечную работу.