UA123192C2 - Занурювальний гідроударник - Google Patents

Abstract

Занурювальний гідроударник містить корпус, бурову коронку, бойок, прискорювач, верхній клапан, розташований в порожнині прискорювача, нижній клапан у вигляді засувної втулки, розташований в порожнині бойка і бурової коронки. Камера низького тиску знаходиться в корпусі між торцевою поверхнею бойка та прискорювача. Корпус має підпір між бойком та прискорювачем, який обмежує рух робочого ходу прискорювача, і підпір, закріплений жорстко всередині корпуса, який знаходиться на вході робочої рідини в гідроударник та обмежує довжину переміщення хвостовика верхнього клапана в зворотному напрямку. Хвостовик бойка має підпір у вигляді циліндричного виступу, яким штовхає прискорювач на завершальному відрізку зворотного ходу бойка та сприймає дію прискорювача на етапі робочого ходу і дії гідроудару.

Description

Винахід належить до гірничої промисловості, зокрема стосується механізмів ударного та ударно-обертального буріння, і може бути використаний для буріння свердловин різного діаметра в гірничій промисловості, будівництві, транспорті та інших галузях промисловості.

Як відомо, для буріння свердловини використовують занурювальні гідроударники різних конструкцій |11.

Відомі занурювальні гідроударники прямої дії, зворотної дії та подвійної дії (11). Відомі занурювальні гідроударники прямої дії складаються з корпусу, бойка, ковадла, пружини і верхнього клапана і працюють наступним чином. Під тиском робочої рідини бойок разом з клапаном рухаються у напрямку ковадла, стискаючи пружину. Після завершення стискання пружини клапан зупиняється, а бойок продовжує рухатись за інерцією до удару по ковадлу.

Робоча рідина після зупинки клапана рухається через бойок, ковадло і бурова коронка - на поверхню забою. Після удару бойка по ковадлу пружина відштовхує бойок у зворотному напряму до стиковки з клапаном після чого перекривається потік робочої рідини через гідроударник і в області верхнього клапана виникає гідроудар (підвищений тиск рідини), який і виконує робочий хід бойка. Недоліком гідроударників прямої дії є те, що робочий хід бойка здійснюється за умови стискання пружини, яка потім виконує зворотний хід бойка. Це значно зменшує енергію удару бойка та обмежує діапазон робочих параметрів гідроударника технічними можливостями пружини як по частоті, так і по енергії ударів. Крім того, робота пружини в умовах високої частоти циклів її роботи зменшує її термін дії та надійність. Відомі занурювальні гідроударники зворотної дії |1|, які виконують робочий хід бойка дією пружини, ще більше обмежені по енергії та частоті ударів, і тому не використовуються. Відомі занурювальні гідроударники подвійної дії, в переважній більшості, складаються з корпуса, бойка, ковадла, верхнього та нижнього клапанів. Робочий хід бойка виконується дією гідроудару робочої рідини після закриття бойком верхнього клапана. Зворотний хід бойка виконують дією робочої рідини, яка подається в ударник, після закриття нижнього клапана. Складність відомих конструкцій занурювальних гідроударників подвійної дії та необхідність розміщення їх механізму в умовах об'єму, обмеженого діаметром свердловини, призвели до того, що конструкція занурювального гідроударника подвійної дії, яка задовольняє поставлені вимоги, дотепер не створена (1, 2, ЗІ.

Недоліками занурювальних гідроударників подвійної дії є недостатня енергія удару та

Зо складність конструкції, тому замість них отримали розповсюдження виносні гідроударники двійної дії, тобто такі, що працюють поза свердловиною.

Найбільш близьким аналогом занурювального гідроударника, що заявляється, вибраним як прототип, є занурювальний гідропневмоударник і спосіб регулювання його роботи |З), що містить: корпус (з розташованими у ньому) ковадло, бойок, підпір, верхній клапан, розташований в підпорі, нижній клапан, у вигляді засувної втулки, розташований на боковій поверхні ковадла, та прискорювач, розташований в корпусі ударника між бойком і верхнім клапаном.

Загальними суттєвими ознаками відомого занурювального гідропневмоударника та занурювального гідроударника, що заявляється, є корпус, ковадло (бурова коронка), бойок, верхній клапан, прискорювач та нижній клапан у вигляді засувної втулки.

Недоліками відомого занурювального гідропневмоударника |З| є те, що в камері В, яка знаходиться на шляху робочого ходу прискорювача, знаходиться робоча рідина, яку необхідно виштовхнути через отвори 14, що знаходяться в хвостовику бойка 3. Це гальмує рух прискорювача і бойка після гідроудару і разом з гідроопором від виштовхування робочої рідини з камери Б через отвори 5 і 17 в ковадлі, зменшує частоту і енергію ударів до неприйнятних значень (фіг. 1-5) ЗІ.

В основу винаходу поставлена задача підвищення коефіцієнта корисної дії занурювального гідроударника і відшукання такої його конструкції, яка більш повно використовує енергію гідроудару, що збільшить продуктивність роботи занурювального гідроударника і зменшить вартість бурових робіт. Поставлена задача вирішується тим, що в занурювальному гідроударнику, що містить корпус, бурову коронку, бойок, прискорювач, верхній клапан, розташований в порожнині прискорювача, нижній клапан у вигляді засувної втулки, розташований в порожнині бойка і бурової коронки, згідно із винаходом, камера низького тиску знаходиться в корпусі між торцевою поверхнею бойка та прискорювача, корпус має підпір між бойком та прискорювачем, який обмежує рух робочого ходу прискорювача, і підпір, закріплений жорстко всередині корпуса, який знаходиться на вході робочої рідини в гідроударник та обмежує довжину переміщення хвостовика верхнього клапана в зворотному напрямку, хвостовик бойка має підпір у вигляді циліндричного виступу, яким штовхає прискорювач на завершальному відрізку зворотного ходу бойка та сприймає дію прискорювача на етапі 60 робочого ходу і дії гідроудару.

Розташування камери низького тиску в корпусі гідроударника між торцевою поверхнею бойка та прискорювача дозволяє здійснювати розгін бойка з прискорювачем з меншим гідроопором, тому що камера низького тиску сполучена з атмосферою отворами в корпусі і в ній не має робочої рідини, яка перешкоджає руху прискорювача.

Наявність на корпусі підпору між бойком та прискорювачем, який обмежує рух робочого ходу прискорювача, забезпечує своєчасну зупинку прискорювача після завершення дії гідроудару (тобто зменшення тиску робочої рідини до значень статичного тиску в магістралі) і використати всю енергію гідроудару на розгін бойка. Разом з цим своєчасна зупинка прискорювача дозволяє: з одного боку уникнути процесу кавітації у разі, коли швидкість бойка з прискорювачем після гідроудару більша швидкості заповнення робочою рідиною з магістралі камери високого тиску в гідроударнику, а з другого боку продовжити прискорення бойка з клапаном статичним тиском робочої рідини в магістралі шляхом витіснення хвостовика клапана з прискорювача.

Подальший розгін бойка за рахунок статичного тиску робочої рідини в магістралі, який штовхає хвостовик клапана і таким чином прискорює бойок з клапаном, дозволяє остаточно завершити розгін бойка до необхідної швидкості, не зважаючи на гідроопір руху деталей гідроударника під час робочого ходу, і витіснення робочої рідини з його порожнин і камер.

Оскільки площа поперечного перерізу хвостовика клапана значно менша площі поперечного перерізу прискорювача або хвостовика бойка (прискорювач після першого етапу зупиняється) "відрив" робочої рідини від бойка не відбувається, навіть при малих витратах рідини, а прискорення бойка постійно продовжується. Такий спосіб остаточного розгону бойка дозволяє прискорити його до значних швидкостей і отримати енергію, необхідну для руйнування міцних порід. Наявність у хвостовика бойка виступу, яким він штовхає прискорювач на завершальному відрізку зворотного ходу бойка, а прискорювач спираючись на виступ штовхає і розганяє бойок на етапі дії гідроудару і робочого ходу бойка, дозволяє виконати попередній розгін бойка на етапі робочого ходу і повернути прискорювач у вихідне положення на етапі зворотного ходу бойка.

Наявність підпору, закріпленого жорстко всередині корпуса, який знаходиться на вході

Зо робочої рідини в гідроударник, та обмежує довжину переміщення хвостовика верхнього клапана в зворотному напрямку, дозволяє перекрити подачу робочої рідини в гідроударник після того, як прискорювач повернеться у вихідне положення для початку робочого ходу. Дійсно після того, як клапан в порожнині прискорювача повернеться у вихідне положення, він буде рухатись на етапі зворотного ходу разом з бойком та прискорювачем, при цьому для виконання зворотного ходу подача робочої рідини в гідроударник повинна продовжуватись, але після завершення зворотного ходу подачу робочої рідини в гідроударник необхідно припинити. Для цього потрібний підпор клапана, який в необхідному місці зупинить клапан, а бойок (рухаючись разом з прискорювачем), пройшовши необхідну відстань вхідним отвором на торці хвостовика стикується з клапаном, що приведе до перекриття подачі робочої рідини в гідроударник гідроудару і початку робочого ходу бойка. Така конструкція верхньої частини гідроударника (тобто камери низького тиску, прискорювача з клапаном і підпору клапана) дозволяє з меншими втратами енергії виконати робочий хід бойка та прискорювача тому, що перед прискорювачем знаходиться камера низького тиску, яка заповнена повітрям і сполучена розвантажуючими отворами з атмосферою. З іншого боку наявність підпору клапана дозволяє повернути прискорювач у вихідне положення ще до перекриття подачі робочої рідини в ударник тобто гідроудару, залишати відкритим осьовий канал бойка і подавати робочу рідину в камеру зворотного ходу і рухати в зворотному напрямку бойок з прискорювачем, не зважаючи на те, що з нижнього торця прискорювача знаходиться камера низького тиску, а з протилежного камера високого тиску. Після повернення прискорювача у вихідне положення, коли його швидкість (разом з бойком) значно зменшилась, торець хвостовика бойка стикується з клапаном (який завдяки підпору не рухається разом з прискорювачем, а залишається в потрібному місці), перекривається осьовий канал бойка і подача через нього робочої рідини, після чого відбувається гідроудар і починається робочий хід бойка.

Таким чином сукупність суттєвих відмінних ознак в конструкції занурювального гідроударника подвійної дії забезпечує його роботу з повним використанням енергії гідроудару і енергії рідини від насосної установки, що збільшує його коефіцієнт корисної дії і продуктивніть роботи.

Суть винаходу, що заявляється, пояснюється кресленнями занурювального гідроударника на різних циклах його роботи (фіг. 1, 2).

На фіг. 1 зображений загальний вигляд занурювального гідроударника у подовжньому розрізі по центральній осі симетрії у крайньому верхньому положенні.

На фіг. 2 зображений загальний вигляд занурювального гідроударника у повздовжньому розрізі по центральній осі симетрії у вихідному положенні.

На фігурах 1, 2 наведені такі позначення: 1 - корпус, 2 - бойок, З - прискорювач, 4 - бурова коронка, 5 - засувна втулка, 6 - клапан, 7 - підпір корпуса, 8, 9 - розвантажуючі отвори корпуса, 10 - хвостовик бойка, 11 - осьовий канал бойка, 12 - вхідні канали прискорювача, 13 - розвантажуючий канал прискорювача, 14 - осьовий канал бурової коронки, 15 - кільцевий виступ засувної втулки, 16 - вхідні отвори засувної втулки, 17 - випускні отвори засувної втулки, 18 - хвостовик клапана, 19 - підпір хвостовика клапана, 20 - підпір клапана, 21 - підпір хвостовика бойка, 22 - камера високого тиску, 23 - камера зворотного ходу, 24 - камера низького тиску, 25 - порожнина прискорювача; 26 - порожнина бойка, 27, 28 - камери низького тиску.

Занурювальний гідроударник працює наступним чином.

У вихідному положенні бойок 2 стикується з буровою коронкою 4, а засувна втулка 5 з виступом в порожнині 26 бойка 2. Інші деталі гідроударника можуть бути у довільному положенні (фіг. 2). Робоча рідина, яку подають в гідроударник, з камери 22 високого тиску проходить через вхідні канали 12 прискорювача, порожнину 25 прискорювача, осьовий канал 11 бойка, порожнину 26 бойка, вхідні отвори 16 засувної втулки і попадає в камеру 23 зворотного ходу. Так як засувна втулка 5 у крайньому нижньому положенні перекриває власні вихідні отвори 17, робоча рідина не маючи виходу з камери 23 зворотного ходу, і прибуваючи в цю камеру, створює в ній тиск робочої рідини на нижній торець бойка 2. Верхній торець бойка 2 знаходиться в камері 24 низького тиску, яка постійно сполучена з атмосферою розвантажуючими отворами 8 корпуса 1. Завдяки різниці тисків в цих камерах бойок 2 починає рухатись вверх у напрямку прискорювача 3.

В цей же час, завдяки камерам 27 і 28 низького тиску, які постійно сполучені з атмосферою розвантажуючим каналом 13 прискорювача і розвантажуючим отвором 9 корпусу, а також більшій площі торцевої поверхні клапана 6 в порожнині 25, ніж в камері 22, на клапан 6, з боку порожнини 25 діє вверх неурівноважена сила високого тиску рідини, завдяки якій клапан 6

Зо повертається у крайнє верхнє положення в прискорювачі З (фіг. 1). Це забезпечує постійно (до кінця зворотного ходу) залишати відкритим канал в прискорювачі 3, де знаходиться хвостовик 10 бойка 2, і проходити через нього робочій рідині. Від початку зворотного ходу бойок 2 нижнім торцем порожнини 26 тягне з собою засувну втулку 5. Після того, як бойок 2 досягне необхідної швидкості, він стикується своїм підпором 21 хвостовика бойка у вигляді циліндричного виступу з прискорювачем 3, після чого продовжує рух разом з прискорювачем З і клапаном 6. Перед завершенням зворотного ходу, маючи необхідну швидкість, бойок 2, тягнучи засувну втулку 5, відкриває випускні отвори 17 засувної втулки. Тиск робочої рідини в камері 24 зворотного ходу різко зменшується і рідина проходить через гідроударник на поверхню забою, видаляючи продукти руйнування. Далі бойок 2 з прискорювачем 3 та клапаном 6 рухаються за інерцією вверх, а хвостовик 18 клапана, стикуючись з підпором 20, зупиняє клапан 6. Пройшовши ще деяку відстань хвостовик 10 бойка своїм верхнім торцем стикується з клапаном 6 і перекриває потік робочої рідини в камеру зворотного ходу 23 (фіг. 1). Зустрічний потік рідини гальмує і зупиняє бойок 2 з прискорювачем 3, створюючи її високий тиск (значно більший, ніж звичайний при даних витратах насосної установки) в камері 22, тобто гідроудар. Рідина, стиснута в камері 22 і трубопроводі внаслідок різниці тисків в камерах 22 (де тиск гідроудару) і 23 (де тиск атмосферний), штовхає і прискорює бойок 2 з прискорювачем 3 і клапаном 6 вниз в напрямку бурової коронки 4. Після попереднього прискорення гідроударом бойка 2 з прискорювачем З і клапаном 6 і після того як тиск робочої рідини зменшиться до номінального (для даної насосної установки з даними витратами робочої рідини), прискорювач З зупиняється підпором 7 корпуса у вигляді циліндричного виступу на корпусі 1, а бойок 2 разом з клапаном 6 продовжують прискорення за рахунок тиску робочої рідини в камері 22, яка виштовхує хвостовик клапана 18.

Після того як бойок 2 отримає необхідну швидкість і енергію удару, клапан б зупиняється, зіткнувшись з прискорювачем З підпором 19 клапана на хвостовику 18 клапана, і бойок 2 продовжує рух за інерцією. Робоча рідина, яка знаходиться в камері 23, виштовхується бойком 2 через випускні отвори 17 засувної втулки і осьовий канал 14 бурової коронки на поверхню забою. За 2-3 мм до удару бойка 2 по буровій коронці 4 бойок 2 верхньою стінкою порожнини 26 штовхає засувну втулку 5, яка рухаючись в осьовому каналі бурової коронки 4, як у напрямній, перекриває випускні отвори 17 засувної втулки одразу після удару бойка 2 по буровій коронці 4.

Після удару бойка 2 по буровій коронці 4 і перекриття випускних отворів 17 засувної втулки, тиск робочої рідини в камері 23 зворотного ходу і порожнині 25 прискорювача починає зростати і цикл роботи гідроударника повторюється.

Конструкція даного занурювального гідроударника однаково працездатна у вертикальному, горизонтальному чи іншому довільному положенні.

Джерела інформації: 1. Ясов В.Г. Теория и расчет робочих процессов гидроударньіїх буровьіїх машин. - Москва:

Недра, 1977. - С. 9-27, 133-140. 2. Патент РФ Мо 2300618 МПК Е21В 4/14 опубл. 10.06.2007 Бюл. Мо 16 Погружной гидроударник. Автор Тимонин Владимир Владимирович. 3. Патент ОА Мо 86964 МПК Е218 4/00 від 10.06.2009 р. Занурювальний гідропневмоударник і спосіб регулювання його роботи. Автор Антончик Володимир Євгенійович.

Claims (1)

1. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ Занурювальний гідроударник, що містить корпус, бурову коронку, бойок, прискорювач, верхній клапан, розташований в порожнині прискорювача, нижній клапан у вигляді засувної втулки, розташований в порожнині бойка і бурової коронки, який відрізняється тим, що камера низького тиску знаходиться в корпусі між торцевою поверхнею бойка та прискорювача, корпус має підпір між бойком та прискорювачем, який обмежує рух робочого ходу прискорювача, і підпір, закріплений жорстко всередині корпуса, який знаходиться на вході робочої рідини в гідроударник та обмежує довжину переміщення хвостовика верхнього клапана в зворотному напрямку, хвостовик бойка має підпір у вигляді циліндричного виступу, яким штовхає прискорювач на завершальному відрізку зворотного ходу бойка та сприймає дію прискорювача на етапі робочого ходу і дії гідроудару.