2.2. Гидравлические перфораторы

Последнее десятилетие в области бурения характеризуется широ­кими исследованиями и внедрением гидравлических перфораторов взамен пневматических. Это вызвано невозможностью дальней­шего повышения мощности пневматических перфораторов. При этом быстро возрастают размеры и масса перфораторов, увели­чиваются диаметры пневматических цилиндров, резко снижается стойкость бурового инструмента.

Гидравлический перфоратор при равных размерах и массе с пневматическим позволяет подвести к буровому инструменту в 2—3 раза большую мощность и повысить производительность бурения в 1,5—2 раза. Благодаря формированию гидроударником более эффективных импульсов напряжения, стойкость бурового инструмента возрастает. К достоинствам гидроперфораторов отно­сятся также потребление вместо пневматической более дешевой электрической энергии, уменьшение шума (на 5—15 дБ) и отсут­ствие масляного тумана в забое выработки.

До 1960 г. гидравлическая энергия использовалась только для вращательного способа бурения шпуров и скважин. Одновременно велись исследовательские работы по применению гидроударников в горном деле. Первые работоспособные гидравлические головки ударного действия появились в 1970 г.. К 1980 г. были созданы надежные конструкции гидроударников с плавным регулирова­нием частоты ударов. Одновременно совершенствовались вращатели к ним, податчики и манипуляторы.

Гидравлические бурильные головки сейчас изготовляют более 20 фирм. Известно более 50 моделей головок. Большинство бурильных головок снабжено газовыми аккумуляторами, которые периодически заполняют инертным газом (азотом). Головки поз­воляют бурить шпуры и скважины диаметром 32—102 мм. Энер­гия удара 180—500 Дж, частота ударов 30—150 Гц, частота вра­щения бурового инструмента 0—5 с^-1, крутящий момент 200— 500 Нм, давление воды для промывки 0,5—1 МПа, расход воды 30—60 л/мин.

Ударный механизм гидроперфораторов работает обычно на давлении 14—16 МПа, механизмы вращения—на давлении 5— 10 МПа, податчик—на давлении 4—8 МПа. Расход жидкости ударным механизмом 60—100 л/мин, механизмом вращения 20—60 и податчиком — 5—20 л/мин.

Для снабжения гидроперфораторов энергоносителем выпускают электрогидравлические силовые блоки. Такие блоки состоят из двигателя и трех насосов, каждый из которых снабжает энергоно­сителем ударник, вращатель и приводит в движение податчик. В настоящее время появилась тенденция к установке одного на­соса, питающего три потребителя. Мощность электродвигателя на­сосов 30—60 кВт. Известны два основных типа гидравлических перфораторов — золотниковые и беззолотниковые. У золотниковых перфораторов переключение потоков энергоносителя осуществля­ется золотником, движение которого гидравлически связано с движением поршня-ударника. Известны также перфораторы с вращающимся золотником, который приводится в движение двигателем вращателя. У беззолотниковых перфораторов пере­ключение потока энергоносителя осуществляется непосредственно поршнем-ударником.

Кузнецким машиностроительным заводом совместно с Караган­динским политехническим институтом разработаны гидравличе­ские перфораторы ГП-1, ГП-2, ГП-3. Первые два типоразмера предназначены для бурения шпуров, третий—для бурения сква­жин.

Прошли производственные испытания гидроперфораторы ГБГ-180-250, ГБГ-230-300, ГП-2-01; проектируется гидроперфора­тор ГБГЗОО-500.

Эти гидроперфораторы имеют золотниковое гидрораспределе­ние рабочей жидкости, аккумуляторы высокого и низкого давления и встроенный гидравлический вращатель. Они имеют поршни дли­ной 408 и 425 мм при общей длине бурильной головки 900 мм.

Финская фирма «Тамрок» выпускает гидроперфораторы НЕ425, HL4-32, HL438. Гидроперфоратор HL850 позволяет бурить сква­жины диаметром до 152 мм, а гидроперфораторы HL4000—до 200 мм. Его ударная мощность достигает 70 кВт.

На рис. 2.2.1. показана схема устройства ударного узла буриль­ной головки гидроперфоратора HL438.

Рис. 2.2.1. Схема ударного узла гидроперфоратора HL438

Поршень 2 после нанесения удара по хвостовику 1 движется под действием напорного давления в камере 4 слева направо, со­вершая обратный ход. В этот момент камеры 4 и 6 через канал 11 соединены с напорной магистралью, а камера 8 через отверстие 14 в золотнике 7, отверстие 15 и канал 12 в корпусе 3 — со сливной магистралью. Золотник находится в крайнем правом положении. Одновременно происходит заполнение рабочей жидкостью напор­ного аккумулятора 10. Из камеры 8 жидкость вытесняется в слив­ную магистраль и частично в сливной аккумулятор 13. Когда бурт 18 поршня перекроет отверстие 14 в золотнике, камера 8 окажется отсеченной от сливной магистрали и через канал 9 будет соеди­нена с напорной магистралью, в результате чего давление в ка­мере 8 возрастет. Поршень будет продолжать двигаться направо под действием силы инерции, пока не остановится. Бурт 18 закроет канал 14 в золотнике, откроет каналы 17, 16 и 12, соединится со сливной магистралью. В то же время камера 6 отсекается от на­порной магистрали буртом 19, находящимся на поршне. При этом левый торец золотника высвобождается от сил напорного давления жидкости, а правый торец находится под давлением, что заставит золотник переместиться влево. Перемещаясь, золотник закроет ка­налы 14 и 17, в камерах 4 и 8 установится давление, близкое к давлению в напорной магистрали.

Под действием разности сил, возникающих из-за неодинаковой площади сечения камер 4 и 8, поршень будет двигаться налево, совершая рабочий ход. В этот момент жидкость в камеру 8 будет поступать как из напорной магистрали, так и из аккумулятора 10, а аккумулятор 13 разрядится в сливную магистраль. При рабо­чем ходе поршня бурт 19 соединяет камеру 6 с напорной маги­стралью через каналы 5 и 11. Давление жидкости становится одинаковым в камерах 6 и 8. Под действием разности сил, возникаю­щих из-за неодинаковой площади золотника, последний переме­стится вправо, после чего камера 8 через каналы 14 и 15 соеди­нится со сливной магистралью и давление в ней упадет. Поршень будет двигаться по инерции и нанесет удар по хвостовику. Далее следует повторение цикла.

На рис. 2.2.2. показана схема устройства гидроперфоратора HL438.

Французские фирмы «Монтаберт» и «Секома» раньше других стали выпускать гидравлические бурильные головки вращатель­ного и вращательно-ударного действия. Первая фирма выпускает модели Н45, Н70, НЮО. Последняя модель создает энергию удара 500 Дж и крутящий момент на буре 1200 Нм при частоте вра­щения 1,5 с^-1.

Фирма «Секома» выпускает наиболее отработанную бурильную головку вращательного действия RPH40 и бурильные головки вра­щательно-ударного действия RPH35, RPH200, РРН400. Последняя головка имеет энергию удара до 300 Дж, частоту ударов до 83 Гц, крутящий момент до 250 Нм при частоте вращения от 0 до 5 с^-1.

Рис. 2.2.2. Схема гидроперфоратора HL438:

1- буродержатель; 2- шпиндель; 3 - промывочная трубка; 4 -

грязесъемная манжета; 5 - уплотнения; 6 - поршень; 7 - цилиндр;

8 - корпус распределительного устройства; 9 - золотник; 10 - корпус ударного механизма; 11 - цилиндр; 12 - гидродвигатель: 13 - подшипник скольжения; 14 - вал-шестерня

Остановимся на схеме устройства ударного узла и распредели­тельного устройства бурильной головки RPH400 (рис. 2.2.3.).

Рис. 2.2.3. Схема ударного узла и распределительного устройства бурильной го­ловки RPH400

В корпусе 20 поршнем 1 образуются три рабочие камеры 19, 13, 12. Площадь поперечного сечения камеры 19 меньше площади по­перечного сечения камеры 12. Камера 19 постоянно находится под давлением от напора рабочей жидкости. Камера 13 постоянно свя­зана со сливной магистралью 10. Камера 12 находится под дав­лением во время рабочего хода поршня и соединяется со сливной магистралью во время обратного хода поршня.

На рис. 3.2.3. поршень показан в положении нанесения удара по хвостовику бура. Запуск бурильной головки в работу производят подачей рабочей жидкости в напорную магистраль 9. По достиже­нии определенного давления жидкость перемещает золотник 7, при этом открываются каналы 6 и 5, рабочая жидкость начинает поступать в аккумулятор 4, распределительный клапан и рабочую камеру 19. Золотник 3 распределительного клапана ставится в такое положение, при котором камера 12 оказывается соединенной со сливной магистралью 2. Под действием напорного давления в камере 19 поршень начинает перемещаться слева направо, совер­шая обратный ход. Одновременно продолжает заполняться жид­костью аккумулятор 4. Когда бурт поршня пройдет канал 18, ра­бочая жидкость из камеры 19 под давлением начинает поступать к распределительному клапану и перемещает золотник 3 в поло­жение, при котором камера 12 соединяется с напорной маги­стралью 10.

Давление в камере 12 возрастает, но поршень продолжает дви­жение слева направо под действием сил инерции и достигает крайнего правого положения. Когда поршень займет крайнее пра­вое положение, давление жидкости в камерах 19 и 12 будет равно давлению напорной магистрали. Так как активная площадь ка­меры 12 больше активной площади камеры 19, поршень начнет двигаться влево, совершая рабочий ход, аккумулятор 4 при этом отдает накопленную жидкость. Жидкость из камеры 19 вытесня­ется и переливается в камеру 12. Когда бурт поршня пройдет ка­нал 14 и канал 11, он через канал 14 и камеру 13 соединяется со сливной магистралью. Золотник 3 распределительного клапана возвращается в исходное положение, при котором камера 12 со­единяется со сливной магистралью 2, в результате чего давление в камере 12 падает. Однако поршень, продолжая двигаться по инерции, наносит удар по хвостовику. Если оператор прекращает подачу жидкости в систему, то золотник 7 под действием пружины 8 закрывает каналы 6 и 5. Регулировку частоты и энергии ударов поршня осуществляют с помощью каналов 18, 17, 16, 15, 14, в ко­торые ввертывают специальные винты различной длины.

Шведская фирма «Атлас Копко» выпускает гидроперфораторы СОР-1022, СОР-1032, СОР-1238.

Устройство гидравлического перфоратора среднего типа СОР-1032 показано на рис. 2.2.4. Поршень-ударник 11 совершает возвратно-поступательные движения, нанося при прямом ходе удары по хвостовику 1, имеющему внутреннюю резьбу для соединения с буровой штангой. Уплотнения 8 предохраняют от утечек масла из ударного механизма. Переключение потока рабочей жид­кости на прямой или обратный ход поршня-ударника осуществля­ется золотником 12. Ход поршня-ударника, энергию и частоту уда­ров регулируют пробкой 9, при повороте которой открывают один из трех каналов 10, подводящих масло из рабочего цилиндра к ка­мере переключения золотника 12. Сглаживание пульсации давле­ния рабочей жидкости производится на напорной магистрали диафрагмовым аккумулятором 18, одна из полостей которого за­полнена азотом под давлением 11 МПа. Вращение на хвостовик пе­редается от гидродвигателя 14 через муфту 15 и зубчатые колеса 16 и 4 на патрон 3, внутри которого размещен хвостовик. Перфора­тор оснащен гидравлическим амортизатором, предназначенным для защиты механизмов бурильной установки от вибрации, вызы­ваемой отскоком бурового снаряда. Отраженные удары через упорную втулку 5 передаются на поршень амортизатора 6, сжи­мающий масло в полости 7, соединенной с аккумулятором 13. Для защиты ударного механизма от загрязнения и для его охлаждения в камеру соударения поршня-ударника с хвостовиком подают на­сыщенный маслом сжатый воздух под давлением 0,2 МПа, кото­рый выходит в атмосферу через дренажное отверстие 17. Для уда­ления из шпура буровой мелочи в хвостовик через муфту боковой промывки 2 подают воду под давлением 0,6 МПа.

Рис. 2.2.4. Схема гидравлического перфоратора СОР 1032 фирмы «Атлас Копко» (Швеция)

Схема работы гидравлического перфоратора показана на рис. 2.2.5., на котором каналы, находящиеся под напорным давле­нием, затушеваны.

На рис. 2.2.5., а поршень-ударник 10 изображен в момент на­чала рабочего хода в крайнем заднем положении. Золотник 2 на­ходится в правом положении, в котором он удерживается давле­нием масла, поступающего по каналу 3 и воздействующего на кольцевую поверхность буртика золотника. Масло из напорной магистрали по каналу 11 поступает в заднюю камеру цилиндра и двигает поршень-ударник вперед. Когда поршень откроет канал 12, по нему поступит мгновенный импульс давления в камеру 4, ко­торый ввиду неравенства сечений площадей камеры и кольцевого буртика золотника перемещает золотник в левое положение (рис. 2.2.5,б). Масло из напорной магистрали по каналу 6 начи­нает поступать в переднюю камеру цилиндра, вызывая обратный ход поршня. После открытия отверстия масло из камеры 4 по ка­налам 9 и 5 уходит на слив и дальнейшее удерживание золотника в левом положении осуществляется давлением масла, поступаю­щего по каналу 3 и воздействующего на кольцевую поверхность правого буртика золотника. При дальнейшем обратном ходе пор­шня-ударника открывается один из трех каналов 7 (в зависимости от положения регулирующей пробки 8), масло поступает в ле­вую камеру 4 и золотник снова передвигается в правое положение. Удар по хвостовику производится в момент перевода золотника из правого положения в левое. Аккумулятор 1 работает на напорной линии. При рабочем ходе поршня-ударника он отдает в магистраль избыток масла, накопленный в моменты реверсирования поршня.

Рис. 2.2.5. Схема работы гидравлического перфоратора СОР-1032