книги из ГПНТБ / Техника бурения при разработке месторождений полезных ископаемых

3. Воздухораспределительные устройства с откидным клапаном совершающим угловые перемещения, — мотылек (рис. 37). Досто­ инством воздухораспределительного устройства с откидным клапапом является надежность в работе. К недостаткам следует отнести

большой расход воздуха.

Анализ индикаторных диаграмм и перекидки клапана, записанных одно­ временно, показывает, что перемеще­ ние клапана начинается при равенстве давлений в рабочих камерах пневмати­ ческого цилиндра. Так как усилия, действующие на клапан, изменяются сравнительно медленно, то перекидка клапана происходит нечетко и с за­ позданием.

Таким образом, для обеспечения стабильной перекидки к клапану

необходимо приложить дополнительный импульс. В воздухораспре­ делительных устройствах II класса этот импульс создается в камере управления, питание которой осуществляется через дросселирующий зазор или дросселирующее отверстие (перфораторы фирмы «Медон»). Когда клапан находится в положении впуска воздуха на рабочий ход, камера управления 1 (рис. 38) заполняется сжатым воздухом. Термодинамические параметры в этой камере описываются уравне­ ниями, характеризующими заполнение глухой камеры. При рабочем ходе поршня-ударника, вследствие увеличения объема рабочей камеры 2, давление в ней понижается, что приводит к понижению давления и в воздухоприемной камере 3. Радиальный дросселиру­

«0

ющий зазор 4, который выполняет роль дросселя, должен быть выб­ ран таким, чтобы скорость падения давления в камере управления 1 была ниже, чем скорость падения давления в воздухоприемной камере 3. Термодинамические процессы периода истечения воздуха из камеры управления подчиняются адиабатическому закону.

Таким образом, в воздухораспределительных устройствах дан­

взаимодействующую с этой полостью площадку клапана. Как сказано выше, одновременно создается перепад давлений в камере управле­ ния 14 благодаря дросселирующему зазору 15. Двигаясь дальше, поршень-ударник открывает выхлопное окно 10, давление в камере рабочего хода 9 падает и вследствие разности давлений клапан переместится в положение на впуск воздуха в камеру обратного хода 11 (нижняя часть). Теперь сжатый воздух поступает в камеру обратного хода, однако поршень-ударник по инерции двигается вниз и наносит удар по буру 16. Совершив удар, поршень-ударник отскакивает от бура и, подхватываемый сжатым воздухом, начинает совершать обратный ход, поворачивая при этом буровую штангу.

61

Ход клапана обычно составляет 0,6—1,0 мы. Продолжительность перекпдкп клапана не превышает 0,004 с.

III. К третьему классу клапанных воздухораспределительны устройств относятся схемы воздухораспределения, у которых упра­ вление клапаном осуществляется давлением сжатого воздуха рабо­ чих камер и давлением сжатого воздуха на дополнительные площадки клапана, поступающего по системе каналов из воздухоприемиой

уменьшается. Одновременно увеличивается давление и на площадку

/3, камера которой заполняется сжатым воздухом.

Кмоменту нанесения удара клапан за счет повышенного давления на площадки / х и / 2 перекинется к седлу 3. При обратном ходе пор- пшя-ударника после того, как последний закроет выхлопное окно 6, будут возрастать давления на площадки клапана / 2 и /4. В момент открытия выхлопа из камеры обратного хода происходит перекидка клапана снова на рабочий ход, и цикл повторяется.

Введение камер управления, сжатый воздух которых действует на площадки / 3 и /4, дает возможность дополнительно влиять на перекидку клапана и увеличить сечение радиального зазора 4,

62

не нарушая стабильной работы воздухораспределения. С этой целью в клапанной коробке 7 и седле 5 сделаны отверстия 8 ж9, сообща­ ющие камеры площадок / 3 и /4 с воздухоподводящей камерой 10. Сечение отверстий 8 и 9 выбирается таким образом, чтобы к моменту перекидки клапана суммарное давление на площадки f 1 и / 3 было несколько выше давления на площадки / 2 и /4 в конце рабочего хода и, наоборот, ниже в конце обратного хода поршня-ударника. Ка­ меры площадок / 3 и /4 спсобствуют торможению клапана при по­ садке на клапанную коробку и седло, предохраняя пластмассовый клапан от разрушения.

Рассмотренная схема позволяет избежать непроизводительных потерь сжатого воздуха на прямое продувание, так как дополни­ тельные площадки /3 и /4 позволяют управлять перекидкой клапана.

В табл. 14 приведена продолжительность перекидки клапана, изготовленного из различных материалов.

Т а б л и ц а 14

Продолжительность

Как видно из данных табл. 14, время перекидки алюминиевого клапана в 1,5 раза меньше времени перекидки стального клапана. Сокращение времени перекидки клапана позволяет улучшить термо­ динамический цикл перфоратора и снизить расход воздуха. Оче­ видно, что время перекидки капролонового клапана еще меньше, так как его масса в шесть раз меньше массы стального клапана.

IV. К четвертому классу относятся воздухораспределительны устройства, у которых управление регулирующим органом осуще­ ствляется давлением сжатого воздуха рабочих камер и давлением сжатого воздуха на дополнительные площадки фланца, поступаю­ щего по системе каналов из полостей рабочих камер.

Данный класс воздухораспределительных устройств относится к золотниковым воздухораспределениям. Он применяется в перфо­ раторах ПРЗО завода «Пневматика», в перфораторах фирмы «Ингерсол Ранд» (США) и перфораторах фирмы «Фурукава» (Япония). Схема золотникового воздухораспределения показана на рис. 41.

Золотник 1 имеет обычно трубчатую форму и выполнен по схеме принудительного управления, в связи с чем его конструктивные параметры имеют свои особенности. Золотник снабжен фланцем F, площадь которого значительно превышает площадь опорных торцов /,

63

находящихся во взаимодействии со сжатым воздухом в полостях, рабочего цилиндра. Благодаря этому для перекидки золотника требуется сравнительно небольшое давление сжатого воздуха, воз­ действующего на фланец F.

Трубчатый золотник 1 помещен в золотниковую коробку, кото­ рая состоит из корпуса 2, втулки 3 и седла 4. Из воздухоприемной камеры 5 по зазору между золотником, седлом и отверстиями 6 сжатый воздух поступает в камеру рабочего хода 7. Одновременно часть воздуха через отверстие 8 поступает в камеру фланца F и сме­ щает золотник влево (при запуске перфоратора). Поршень-удар- ипк 9 перемещается вправо, совершая рабочий ход. После перекрытия

Рис. 41. Схема золотникового воздухораспределения

выхлопного окна 10 в камере обратного хода происходит сжатие воздуха, который по каналам 11 поступает к золотнику, однако давление сжатого воздуха не передается на золотник, так как про­ точка 12 смещена от опорного торца корпуса 2 на 2—2,5 мм. Здесь имеет место так называемая «отсечка» сжатого воздуха. В первый период рабочего хода камеры фланца F сообщаются с атмосферой через отверстия 13 и 14, и золотник прижат к корпусу только уси­ лием, действующим на открытый торец.

После того как поршень-ударник откроет устье канала 15, сжа­ тый воздух поступит в левую камеру фланца F и переместит золотник вправо до упора в седло. Прежде чем сжатый воздух поступит в ка­ меру обратного хода 16, золотник проходит путь в 2—2,5 мм, на­ бирая при этом скорость для быстрого открытия щели. Это усовер­ шенствование введено для снижения непроизводительных утечек сжатого воздуха через выхлоп, так как в период перекидки сжатый воздух поступает одновременно в обе рабочие камеры, одна из кото­ рых соединена с атмосферой.

Для уменьшения времени перекидки золотника при заданном ходе h необходимо по возможности уменьшить массу золотника, увеличить силовой импульс на фланец F и снизить противодавление. Все же масса управляемого трубчатого золотника примерно в 2 раза

64

превышает массу пластинчатого клапана, в связи с чем начальная скорость его движения меньше, чем у более легких клапанов. Щель для впуска воздуха в камору рабочего хода также смещена от опор­ ного торца на 1—1,5 мм, чем обеспечивает открытие впускных щелей при более высоких скоростях движения золотника. Данное усовершенствование позволяет, кроме того, начать впуск сжатого воздуха в камеру управления с более высоким давлением. Снижение времени открытия впускных щелей позволяет увеличить их сечение.

в камеру обратного хода, однако поршень-ударник продолжает свое движение вправо и открывает выхлопное отверстие со стороны камеры рабочего хода. Сжатый воздух из камеры рабочего хода выходит в атмосферу, давление быстро падает и действие силового импульса на левый торец фланца заканчивается. Отработанный сжатый воздух из-под фланца вытекает по отверстию 13 в атмосферу, и золотник удерживается в прижатом к седлу положении только действием сжатого воздуха на левый торец. Следует отметить, что сечения отверстий 15 и 13 равны 4 мм2, что обусловливает кратко­ временность действующего на фланец золотника импульса при перекидке на впуск воздуха в камеру обратного хода.

После удара по буру 17 и отскока поршень-ударник подхваты­ вается сжатым воздухом и движется влево, совершая обратный ход, поворачивая при этом буровую штангу. Когда поршень-ударник открывает канал 18, сжатый воздух устремляется по нему в правую камеру' фланца F. Так как площадь фланца F значительно больше торца /, на который действует противодавление, то, несмотря на сравнительно малое давление в полости фланца F из-за потерь напора при движении воздуха по каналу 18 и одновременному выте­ канию по отверстию 14, золотник переместится влево на впуск воз­ духа в камеру рабочего хода.

Проведенное осциллографирование показало, что давление в ка­ мерах управления золотником не превышает 1,7 кгс/см2 при давлении в воздухоприемной камере 4 кгс/см2. Из этих условий и выбирается площадь фланца F. Как следует из приведенного описания, основ­

ника должно заканчиваться или совпадать с моментом открытия выхлопного окна рабочей камеры.

Задача сводится к определению времени подачи силового им­ пульса на фланец F. Очевидно, что решающее значение имеет место­ положение устьев каналов управления, сообщающих камеры управ­ ления золотника с рабочими камерами, относительно выхлопного окна. Необходимо выбрать конструктивные параметры таким образом,5

чтобы время движения поршия-ударинка от устья каналов упра­ вления до выхлопного окна было равно времени перекидки зо­ лотника.

Управляемый трубчатый золотник усовершенствованной кон­ струкции позволяет снизить отдачу перфоратора. Отдача или отход перфоратора от бурта буровой штанги обусловлена импульсом сил, создающихся в камере рабочего хода при торможении поршня-удар- иика. Если в схемах воздухораспределения с фланцевым клапаном повышенное противодавление необходимо для перекидки клапана, то в схеме воздухораспределения с управляемым трубчатым золотни­ ком перекида клапана производится импульсом сил камер управле­ ния, где давление воздушной подушки при обратном ходе поршняударника может быть снижено. Его величина определяется только условиями торможения поршня-ударника для предотвращения уда­ ров по золотниковой коробке. Уменьшение отдачи позволяет сни­ зить величину оптимального усилия подачи, что обеспечивает повы­ шенную скорость бурения при работе перфоратора на пневматиче­ ской поддержке.

Рассмотренную схему золотникового воздухораспределения можно считать наиболее совершенной. Ее осуществление на заводе «Пневматика» позволило повысить скорость бурения перфоратора ПРЗО на 15%. Недостатком данной схемы является сложность изго­ товления. Если клапан обычно имеет только одну подвижную по­ садку, то золотник имеет три подвижные посадки по наружному и две по внутреннему диаметру, причем посадки должны быть вы­ полнены по второму классу точности.

Золотниковая схема воздухораспределения позволяет осущест­ вить дальнейшее повышение мощности и снижение отдачи путем частичного выпуска сжатого воздуха из камер противодавления через золотник. Это усовершенствование осуществлено в некоторых пер­ фораторах фирмы «Холман» (Англия). В таких перфораторах для снятия противодавления при рабочем ходе поршня-ударника сжатый воздух по системе каналов и выточке на золотнике вытекает из ка­ меры обратного хода в атмосферу, что повышает энергию удара.

В рассмотренном выше золотниковом воздухораспределении с трубчатым золотником можно осуществить выпуск воздуха как при рабочем, так и при обратном ходе поршня-ударника. Однако данное усовершенствование приводит к повышенному расходу сжатого воздуха.

Воздухораспределительные устройства с золотником на поршне (бесклапанное воздухораспределение) появились сравнительно не­ давно и встречаются у перфораторов с большим числом ударов. На рис. 42, а показано воздухораспределение перфоратора L750 фирмы «Тамрок». Поршень этого перфоратора имеет два штока: передний и задний. Задний шток имеет выточку, с помощью которой и производится воздухораспределение.

На рис. 42, б показано воздухораспределение, осуществляемое с помощью простой выточки на головке поршня, которое разработали

66

Реверсивное вращение бура от геликоидальной пары

К конструктивным особенностям мощных колонковых перфора­ торов следует отнести наличие реверсивного вращения, осуществля­ емого геликоидальной парой. К таким машинам относятся колонко­ вые шведской фирмы «Атлас Копко» типа BBC54RFL и английской фирмы «Хольман» SL160.

Устройство одного из таких колонковых перфораторов показано на рис. 43. Диаметр поршня перфоратора 120 мм, ход поршня 65 мм, число ударов 2200 в минуту, расход воздуха 9,9 м3/мин. Для воздухораспределения применяется мотыльковый дисковый клапан. Ге­ ликоидальная пара позволяет осуществлять реверсивное вращение бура. Для этого имеются две системы храповых стопоров: одна из них работает при правом вращении, другая при левом. Включение в работу храповиков производится специальным диском, который приводится в движение цилиндром с рейкой. На диске имеются вырезы, которые при повороте включают одну систему стопоров п выключают другую. Поворотная букса молотка составная. Проход­ ные сечения каналов обратного хода увеличены.

Детали перфораторов имеют высокую степень точности изготов­ ления и особенно геликоидальной пары, которая шлифуется и поли­ руется. Установлено, что погрешности изготовления деталей этого механизма по третьему классу точности способны понизить к. п. д. механизма до нуля. Геликоидальная пара при высокой точности изготовления способна обеспечить надежное вращение бура при бурении до 25—30 м. Однако при этом скорость вращения бура снижается с 220 до 80 об/мин. В силу этого представляют интерес перфораторы с независимым вращением бура.

Перфораторы с независимым вращением бура

Первые промышленные партии перфораторов с независимым вращением бура были изготовлены фирмой «Гарден Денвер» в 1931 г. Они имели в качестве вращателя пневматический шестеренчатый двигатель и червячную передачу. Однако производство этих перфо­ раторов вскоре было прекращено пз-за большой массы этих машин. К тому же механизм вращения геликоидальной парой быстро совер­ шенствовался и прочно вошел в практику перфораторостроения.

Производство перфораторов с независимым вращением бура было возобновлено в СССР. В 1947 г. на руднике им. Дзержинского в Кривом Роге были начаты испытания перфоратора с независи­

с коэффициентом крепости 12—15. Скорость бурения этим перфора­ тором была выше, чем колонковым перфоратором обычного типа, в два-три раза [19].

Остановимся на конструкции таких механизмов. Институтом Гипромашобогащение изготовлена машина БУ-70 (рис. 45), которая

68