Занурювальний гідропневмоударник і спосіб регулювання його роботи

1. Занурювальний гідропневмоударник, що містить корпус, установлені в ньому ковадло, бойок, клапан, розташований в підпорі з хвостовиком у вигляді штока, розташованого у випускному каналі підпора, який відрізняється тим, що має: прискорювач, розміщений в корпусі ударника між бойком і клапаном, який займає всю площу поперечного перерізу всередині корпусу ударника, має прохідний канал та виконаний з можливістю руху по внутрішній поверхні корпусу ударника як в напрямній з можливістю стикуватись з бойком і клапаном та перекривати подачу енергоносія в камеру зворотного ходу, щоб забезпечити робочий хід бойка; C2 2 (19) 1 3 Найбільш істотними недоліками відомих погружних гідро- або пневмоударників є гальмування бойка перед ударом по ковадлу або буровому інструменту, енергоносієм, що залишився в камері зворотного ходу завдяки передчасному закриттю випускних отворів з цієї камери, та неможливість регулювання роботи ударника, тобто частоти та енергії ударів при постійних значеннях тиску та витрати енергоносія. Найбільш близьким аналогом ударника, що заявляється, вибраним як прототип, є гідроударник, що містить: корпус з розташованою в його нижній частині ковадла, поршень-ударник розташований в напрямних поверхнях корпусу, вихлопний клапан, розташований в осьовому каналі поршня-ударника з можливістю пересування в ньому по напрямним поверхням, диференціальний клапан, розташований у верхній частині корпусу, який відокремлює своїм штоком камеру високого тиску в корпусі ударника від камери низького тиску, яка сполучена з атмосферою випускним отвором. [А.С. СРСР №1273486 Е21В4/14; 30.11.1986 БИ №44]. Загальними суттєвими ознаками відомого гідроударника та ударника, що заявляється є корпус, поршень-ударник (бойок), ковадло, диференційний клапан (клапан), який відокремлює своїм штоком (хвостовиком) камеру високого тиску в корпусі ударника від камери (каналу) низького тиску, що з'єднаний з атмосферою випускним отвором. Загальними суттєвими ознаками регулювання роботи відомого гідроударника та ударника, що заявляється, є можливість регулювати їх роботу, тобто, змінювати частоту та енергію удару, шляхом зміни тиску або витрати енергоносія, що подається в ударник. В конструкції та роботі відомого гідроударника присутні наступні недоліки: - мала кількість відпрацьованого енергоносія, яка спрямовується в зону руйнування породи буровим долотом (через дросельний канал), що не може забезпечити потрібної швидкості виносу продуктів руйнування і обумовить заштибування та заклинювання бурового долота або необхідність малої швидкості буріння; - відносно великий гідравлічний опір під час робочого ходу поршня-ударника, тому що вода що виштовхується з під нього, рухається йому на зустріч і через канали в поршні-ударнику виходить в камеру низького тиску зменшуючи таким чином енергію удару поршня-ударника; - значний гідравлічний опір під час зворотнього ходу поршня-ударника, коли вода проходить в щілину між диференціальним клапаном і корпусом гідроударника, розміри якої визначаються рівновагою між силою тиску води на нижню поверхню клапану і силою динамічного тиску води, що надходить в ударник з верхньої сторони клапану, при цьому розміри щілини будуть коливатись завдяки початковій швидкості диференційного клапану, що також зумовить втрати на гідравлічний опір; - запізнення відкриття вихлопних каналів в поршні - ударнику (в наслідок інертності вихлопного клапану), яке відбувається вже після його стикування з диференційним клапаном і внаслідок цьо 86964 4 го розгін поршня-ударника спочатку відбувається зі значним гідроопором його руху тому, що вода, яку він виштовхує, виходить тільки через дросельний канал в ковадло; - значні гідравлічні втрати через складність конструкції гідроударника, великої кількості довгих каналів з малим прохідним зрізом і поворотами 90°. Регулювання роботи відомого гідроударника, тобто зміна частоти та енергії ударів, при постійних значеннях тиску та витрати води неможливе. Всі вказані недоліки значно зменшують к.к.д. відомого гідроударника та обмежують його використання. В основу винаходу встановлені такі задачі вдосконалення занурювальних ударників: 1) більш ефективне використання енергоносія та створення ударника який може однаково ефективно працювати як на газі так і на рідині; 2) регулювання роботи занурювального ударника по частоті та енергії удару при постійному тиску та витраті енергоносія. Виконання поставлених задач досягається наступними новими технічними рішеннями:1. Більш ефективне використання енергоносія досягається: - за рахунок введення в конструкцію ударника - в камеру високого тиску А корпусу 1 ударника нового елементу (деталі) - прискорювача 2 (Фіг.16), який розташований між бойком 3 і клапаном 4 та необхідний для збільшення сили, що розганяє бойок, до максимально можливої, тому що площа прискорювача 2 на яку діє тиск енергоносія є максимально можливою, тому що займає весь поперечний переріз ударника за винятком площі поперечного перерізу його корпусу. Це дозволяє отримати максимальне прискорення бойка та короткий шлях його розгону для одержання необхідної швидкості і енергії удару, а також зменшує втрати на опір; - за рахунок вільного виходу енергоносія з камери зворотного ходу Б через випускні отвори 5 до моменту удару бойка 3 по ковадлу 6 (Фіг.3-4) та відсутності гальмування бойка енергоносієм, що не стискається в камері Б. Це досягається розміщенням на боковій поверхні ковадла 6 нового елемента (деталі) - засувної втулки 7, яка закриває випускні отвори 5 з камери зворотного ходу Б тільки після удару бойка 3 по ковадлу 6 (Фіг.4). Створення ударника, який однаково ефективно працює як на рідині, так і на газі досягається за рахунок вільного виходу енергоносія з камери Б зворотного ходу до моменту удару бойка 3 по ковадлу 6 (Фіг.3-4). 2. Регулювання роботи ударника по частоті і енергії удару при постійному тиску та витраті енергоносія досягається за рахунок створення опору руху клапана 4 під час його зворотнього ходу, визначаючи, таким чином, його швидкість, місце знаходження у момент зустрічі з прискорювачем 2 та бойком 3, що рухаються разом, а далі їх спільне гальмування до зупинки, та розгін з встановленою величиною робочого ходу. Опір руху клапана створюється за рахунок наступних технічних рішень: 5 - виготовлення хвостовика 8 клапана 4 та каналу 9 підпори 10 у якому він рухається з величиною зазору між ними необхідним для проходження такої кількості енергоносія, який при найбільшій (потрібній) частоті роботи ударника встигатиме заповнювати випускний канал 9 та випускний отвір 11 підпора 10 по осі якого рухається регулюючий гвинт 12; - регулювання величини площі прохідного перерізу одного з випускних отворів 11 шляхом переміщення в ньому регулюючого гвинта 12, що призводить до зміни тиску енергоносія на торцеву поверхню хвостовика 8 клапана 4 та зміни швидкості руху клапана 4 (Фіг.1, 2). Таким чином, нові технічні рішення ударника, що заявляється, забезпечують наступний технічний результат, що покращує роботу ударника: 1. Введення в конструкцію ударника нового елементу (деталі) прискорювача 2, який після стикування з бойком 3 і клапаном 4 перекриває весь поперечний переріз корпусу 1 ударника, забезпечує тиск енергоносія на більшу поверхню та збільшення сили, що розганяє бойок і відповідно зменшує шлях розгону і втрати на подолання різних видів опору руху бойка. Крім цього, дане технічне рішення збільшує потужність ударника, зменшує його розміри, спрощує конструкцію і дозволяє більш ефективно використовувати енергоносій (Фіг.1-6). Введення в конструкцію ударника нового елементу (деталі) засувної втулки 7, розташованої на ковадлі 6 та закриття нею випускних отворів 5 з камери зворотного ходу Б тільки після удару бойка 3 по ковадлу 6, максимально зберігає швидкість бойка та енергію його удару, тому що енергоносій з камери Б виштовхується бойком через відкриті випускні отвори 5 до моменту удару, враховуючи і сам удар, що мають таку ж площу прохідного перерізу як і канали подачі енергоносія. Завдяки цьому бойок зазнає мінімального гальмування під час всього робочого ходу, а ударник може працювати як на рідині так і на газі, що дозволяє використовувати його без змін в конструкції для буріння як в'язких порід (наприклад глинисті сланці) де потрібна продувка, так і твердих порід (наприклад піщаники), де для подавлення пилу краще використовувати промивку свердловини, що буриться (Фіг.3-4). 2. Подача енергоносія в випускний канал 9 підпора 10 у кількості, необхідній для заповнення цього каналу та отвору 11, що з цього виходить, за час розгону бойка 3, а також регулювання площі прохідного перерізу випускного отвору 11 за допомогою переміщення регулюючого гвинта 12, забезпечує зміну сили тиску в каналі 9 і торець хвостовика 8 клапана 4 і відповідно змінює його швидкість руху зворотного ходу, що визначає місце його зустрічі з прискорювачем 2 та бойком 3 на його зворотному ході і відповідно довжину гальмування і далі робочого ходу. Таке регулювання робочого ходу бойка дозволяє змінювати частоту і енергію удару ударника при постійному тиску і подачі енергоносія, що подається на вхід в ударник, та бурити породи різної міцності не змінюючи установки подачі енергоносія чи не зазнаючи 86964 6 втрат енергії при регулюванні таких установок (Фіг.1, 2). Суть винаходу, що заявляється, пояснюється кресленням ударника на різних циклах його роботи (Фіг.1-6). На Фіг.3-5 зображений загальний вигляд ударника у розрізі по центральній осі симетрії. На Фіг.1, 2 зображений розріз ударника по центральній осі симетрії під кутом 90° до площини загального виду ударника на Фіг.3-5. На Фіг.6 зображений вид Е з розрізом корпусу ударника. Ударник складається з корпусу 1, прискорювача 2, бойка 3 з прохідним каналом 13 та прорізами 14, 15, клапана 4, ковадла 6 з прохідним каналом 16, випускними отворами 5 і 17 та прорізами 18, засувної втулки 7, підпора 10 з випускним каналом 9, випускними отворами 11, вхідними отворами 19 і прорізами 20, заслінки 21, штока 22, пружини 23, тяги 24 (Фіг.16). Бойок 3 з'єднаний з засувною втулкою 7 через прорізи 15 бойка та виступи 25 засувної втулки 7 (Фіг.6). На Фіг.1, 2 схематично зображене бурове долото 26. Підпор 10 з'єднаний з корпусом ударника за допомогою різьби та зафіксований стопорним гвинтом 27 (Фіг.1, 2) В підпорі 10 є: циліндрична розточка в якій рухається циліндрична частина штоку клапана 4; розточка в якій рухається регулюючий гвинт 12, випускний канал 9 в якому рухається хвостовик 8 клапану 4 (Фіг.1, 2), прорізи 20, вхідні отвори 19 і випускні отвори 11. В перегородці корпуса 1 виконана розточка в якій, як в напрямній, рухається верхня частина бойка. Нижня частина бойка (більшого діаметру) рухається по поверхні ковадла 6 також як по напрямній. В крайніх положеннях бойок 3 залишається в цих напрямних, тобто в корпусі 1 і на ковадлі 6 одночасно Фіг.1-6. Ковадло 6 рухається в нижній розточці корпусу, як в напрямній і з'єднана з корпусом тягою 24. В прохідному каналі 16 ковадла 6 проти вихідних отворів 5 розташована заслінка 21 (Фіг.1, 2), яка підтримується пружиною 23 та з'єднана зі штоком 22 шорстко. Через отвір в штоку 22, проріз 18 в ковадлі 6 та отвори в корпусі 1 ударнику проходить тяга 24, яка з'єднана зі стінками корпуса 1 шорстко (Фіг.1, 2). Ударник працює таким чином: будучи у вихідному положенні (Фіг.1, 2) в ударник подається енергоносій через вхідні отвори 19. Внаслідок того, що заслінка 21 перекриває випускні отвори 5 тиск енергоносія впродовж надходження енергоносія в ударник в камерах А, Б, В зростає. Так, як на торець хвостовика 8 клапана 4 діє атмосферний тиск, а на останню його поверхню тиск енергоносія в камері А, то сила, яка визначається як різниця цих тисків перемножена на площу торця хвостовика 8, переміщує клапан 4 в напрямку випускних отворів 11 підпора 10. Різниця тисків в камерах Б і Г (атмосферний) обумовлює силу, що розганяє бойок 3 в напрямку клапану 4. Так, як прискорення руху клапана 4 значно більше прискорення руху бойка 3 (завдяки більшому співвідношенню сил діючих на кожен з них до маси кожного), то клапан 4 зупиниться в підпорі 10 раніше, ніж його наздожене бойок 3 з прискорювачем 2, в якому б початковому положенні вони не знаходились (Фіг.1). Продовжуючи рухатись бойок 3 з при 7 скорювачем 2 стикуються з клапаном 4 після чого подача енергоносія в камери Б і В припиняється і клапан 4 разом з прискорювачем 2 і бойком 3 під дією тиску енергоносія, що надходить в камеру А починає рухатись в напрямку ковадла 6, поступово виштовхуючи зоставшийся там енергоносій через зазори між бойком 3 і корпусом 1, а також бойком 3 і ковадлом 6 в камеру Г низького тиску, звідкіля енергоносій через випускні отвори 17 і отвори в буровому долоті 26 виходить в атмосферу (Фіг.2). В цей час відбувається запуск ударника шляхом переміщення буровим станком бурового ставу в осьовому напрямку разом з ударником та буровим долотом 26. Бурове долото 26 закріплене на ковадлі 6 зупиняється разом з нею на поверхні забою, тоді як корпус 1 ударника рухається по поверхні ковадла 6 як по напрямній до підпора 28 у вигляді виступу на ковадлі 6, передаючи через нього після стикування осьове зусилля та подачу від бурового станка до ковадла 6 і бурового долота 26 (Фіг.2, 3). Разом з корпусом 1 ударника в прорізах 18 ковадла 6 переміщується тяга 24, яка тягне з собою шток 22 і заслінку 21, стискаючи пружину 23. Тяга 24 також передає обертаючий момент від бурового станку і корпусу 1 ударника до ковадла 6 і бурового долота 26 (Фіг.1, 2). Як тільки заслінка 21 відкриє випускні отвори 5, сполученні з камерою Г, малого (атмосферного) тиску, енергоносій з камери Б спрямовується через них в камеру Г і далі через випускні отвори 17 й бурове долото 26 в атмосферу. Тиск енергоносія в камері Б при цьому різко знижується і бойок 3 з прискорювачем 2 клапаном 4 і засувною втулкою 7 під дією сили тиску енергоносія в камері А починає прискорений рух у напрямку ковадла 6. Засувна втулка 7, що рухається разом з бойком 3 притиснута до нього силою інерції (Фіг.3). Енергоносій, що знаходиться в камері В виштовхується прискорювачем 2 через прорізи 14 і прохідний канал 13 бойка 3, в камеру Б звідкіля далі разом з енергоносієм камери Б через випускні отвори 5, камеру Г, випускні отвори 17 і отвори бурового долота 26 в атмосферу. Після того, як бойок 3 з прискорювачем 2, засувною втулкою 7 і клапаном 4 пройдуть більшу частину шляху та отримають кінетичну енергію необхідну для удару і буріння породи заданої міцності (з урахуванням невеликих втрат енергії на шляху руху за інерцією), клапан 4 зупиняється за рахунок різкого гальмування енергоносієм що стискається клапаном 4 у замкнутому об'ємі 29 підпора 10 внаслідок закінчення прорізів 20 (Фіг.4). Прискорювач 2 також стрімко зменшує швидкість через опір енергоносія в камері В. В цей час бойок 3 з засувною втулкою 7 продовжує рухатись у напрямку ковадло 6 за інерцією, а енергоносій через вхідні отвори 19, камеру А канал 13 камеру Б канал 16, випускні отвори 5, 17 і отвори бурового долота 26 попадає на поверхню забою де в подальшому використовується для видалення продуктів руйнування породи з буримої свердловини. Рухаючись залишок шляху за інерцією, бойок 3 вдаряє по ковадлу 6 закінчуючи робочий хід, при цьому засувна втулка 7, яка рухається разом з бойком 3 в момент удару бойка 3 по ковадлу 6 знаходиться перед випускними отворами 5 86964 8 залишаючи їх відкритими, що дозволяє енергоносію, що виштовхується з камери Б через прохідний канал 16 випускні отвори 5, 17 і отвори бурового долота 26 вільно вийти в атмосферу не створюючи значного опору для руху бойка 3 (Фіг.4). Після удару бойка 3 по ковадлу 6 засувна втулка 7, яка рухається за інерцією по боковій поверхні ковадла 6, перекриває випускні отвори 5 і зупиняється, зіштовхнувшись своїми виступами 25 з виступами прорізів 15 бойка 3 (Фіг.6). Енергоносій, що надходить в ударник, не маючи з нього виходу, збільшує свій тиск в камерах А, Б, В і за рахунок різниці тисків в камерах Б й Г - в якій тиск енергоносія близький до атмосферного, починає рухати бойок 3 в напрямку клапану 4 (Фіг.5). Так починається зворотний хід бойка. В цей час підвищення тиску енергоносія в камері А призводить до того, що клапан 4 починає рухатись в напрямку підпора 10. Прискорення клапану залежить від діючої на нього результуючої сили, яка визначається як різниця тисків енергоносія в камері А та випускному каналі 9 підпора 10. Тиск енергоносія в випускному каналі 9 задається шляхом зміни опору руху енергоносія через цей канал і випускний отвір 11 за допомогою регулюючого гвинта 12, який змінює площу прохідного перерізу отвору 11 (Фіг.2, 5). Бойок, який рухається під дією сили тиску енергоносія, тягне за собою засувну втулку 7, зачіпляючись виступами прорізів 15 за виступи 25 засувної втулки 7 і штовхає перед собою прискорювач 2, при цьому довжина засувної втулки є такою, що вона закриває випускні отвори 5 до того часу поки бойок 3 з прискорювачем 2 не наберуть необхідну швидкість зворотного ходу. Надалі засувна втулка 7, яка рухається разом з бойком 3, відкриває випускні отвори 5 і тиск енергоносія в камері Б різко знижується тому, що енергоносій через випускні отвори 5, камеру низького тиску Г випускні отвори 17 і отвори в буровому долоті виходить в атмосферу. При цьому енергоносій, що надходить в ударник, проходить через нього і бурове долото і виносить продукти руйнування породи з буримої свердловини. Бойок 3, який рухається по інерції разом з прискорювачем 2, та засувною втулкою 7, наздоганяє клапан 4 на визначеній відстані від підпори 10 та стискується з ним, перекриваючи рух енергоносія в камеру Б (Фіг.3). Після цього підвищується тиск енергоносія прибуваючого в камеру А і починається різке гальмування бойка 3 з прискорювачем 2 і клапаном 4 до їх повної зупинки на визначеній відстані від підпора 10 (Фіг.3). Засувна втулка 7, яку тягне за собою бойок 3, пройшовши по інерції вільну частину прорізу 15 бойка З після його зупинки, зупиняється зіткнувшись з торцевою поверхнею бойка (Фіг.3, 5). На цьому закінчується етап зворотного ходу бойка, та починається його розгін (робочий хід) і повторення циклу (Фіг.3). Засувна втулка 7 під час розгону бойка 3 та його руху по інерції (робочий хід) залишається притиснутою до торцевої поверхні бойка 3 за рахунок сил інерції, опору енергоносія та тертя, що дозволяє випускним отворам 5 залишатись відкритими під час всього робочого ходу бойка 3, а також в момент його удару по ковадлу 6. Сила, що розганяє бойок, визна 9 86964 чається як різниця тисків енергоносія в камерах А (куди подається насосом або компресором) і Б, В, Г (що на етапі робочого ходу зв'язані з атмосферою і тому тиск енергоносія там вважаємо атмосферним) перемножена на різницю площ поперечного перерізу прискорювача 2 і торця хвостовика 8 клапану 4. Зупинка ударника відбувається у разі припинення подачі енергоносія в камеру А ударника або у разі відходу його від поверхні забою на відстань довжини прорізу 18 у ковадлі 6. В цьому випадку корпус 1 ударника перемістившись у напрямку бурового станка на відстань не меншу ніж довжина Комп’ютерна верстка Н. Лиcенко 10 прорізу 18 в ковадлі 6 перемістить з собою тягу 24 та зв'язаний з нею шток 22 і заслінку 21 яка закриє випускні отвори 5. В цей час пружина 23 буде утримувати ковадло 6 з буровим долотом 26, в попередньому положенні тобто на поверхні забою (Фіг.1-2). Закритий вихід енергоносія з ударника не дозволяє бойку виконати робочий хід, тому робота ударника припиниться. Конструкція ударника однаково працездатна при роботі на рідині чи на газі, а також при роботі у вертикальному горизонтальному чи довільному проміжному положенні. Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601