4. Тема: «Бурильные машины ударного и ударно-поворотного действия»

Назначение, классификация и принцип действия[3]

К машинам ударно-поворотного действия относятся пневма­тические переносные и телескопные бурильные молотки, имену­емые перфораторами. Поворот буровой штанги в них производит­ся за счет энергии движущего поршня-ударника. Они предназна­чены для бурения шпуров диаметром 30-55 мм, глубиной до 5 м, а также скважин диаметром 40-85 мм и глубиной до 20 м в породах крепостью 6-20 по шкале М.М. Протодьяконова.

Колонковые перфораторы и буровые станки с погружными пневмоударниками относятся к машинам ударно-вращательного действия. В этих машинах непрерывное вращение буровой штан­ги обеспечено от отдельного двигателя. Параметры бурения: диаметр 40-160 мм, глубина — до 50 м.

Машины данного типа классифицируются по виду потребля­емой энергии — на пневматические, гидравлические, электричес­кие и работающие на тепловой энергии с двигателями внутренне­го сгорания (бензо-перфораторы); по способу поворота буровой штанги — с зависимым и независимым поворотом; по типу воздухораспределительного устройства — с клапанным, золотни­ковым, бесклапанным, у которых воздухораспределение осущес­твляется движущимся поршнем; по частоте ударов — обычного типа и высокочастотные (более 2000 ударов в минуту); по способу удаления буровой мелочи — с промывкой, продувкой и отсасыва­нием продуктов разрушения; по способу установки при работе — на переносные, колонковые и телескопные. Кроме этого, различа­ют машины, располагаемые вне шпура или скважины, и находя­щиеся непосредственно в скважине (погруженные пневмоударники).

В зависимости от горно-геологических условий работы перфораторы выпускаются различных типов. Однако все они имеют принципиально одинаковое устройство и выполнены по молотковой схеме, в которой в качестве молотка используется поршень-ударник. Поршень преобразует энергию сжатого возду­ха в энергию механического возвратно-поступательного движения, которая в виде кратковременных импульсов передается непосредственно буровому инструменту.

Перфоратор состоит из корпуса и смонтированных в нем ударно-поворотного механизма, воздухораспределительного ус­тройства, механизма управления и устройства для удаления буровой мелочи от забоя.

Рис. 10. Схема конструкции и принцип работы перфоратора

Принцип работы перфоратора заключается в следующем (рис. 10). Сжатый воздух через пусковой кран 1 поступает в воздухораспределительное устройство 3. Воздухораспределитель­ное устройство предназначено для попеременной подачи воздуха в поршневую или штоковую полости цилиндра 4, что обеспечива­ет возвратно-поступательное движение поршня-ударника 5. В конце рабочего хода поршень наносит удар по буровому инстру­менту 6, а при обратном (холостом) ходе поворачивается на некоторый угол вокруг геликоидального стержня 9. Поворот поршня-ударника происходит при помощи поворотного устройст­ва 2. Буровая штанга поворачивается посредством поворотной буксы 7, находящейся в зацеплении со шлицами поршня-ударни­ка. Сквозь корпус крана, геликоидальный стержень и поршень-ударник проходит трубка промывочного устройства, по которому вода через центральное отверстие в буровой штанге поступает к забою скважины. Отработанный воздух выходит через отверстия 8 в атмосферу.

Ударно-поворотный механизм предназначен для нанесения поршнем ударов по буровому инструменту и его поворота после каждого удара на некоторый угол (5-15°). Поршень-ударник в конце рабочего хода передает энергию удара непосредственно штанге, на которой закреплена буровая коронка, в результате чего происходит разрушение горной породы на забое шпура. При обратном ходе поршень работает как привод механизма поворота бурового инструмента.

По отношению к ходу поршня-ударника различают поворот­ные механизмы зависимого и независимого действия. Зависимый поворот обеспечен усилием поршня-ударника, независимый — специальным приводом.

Рис. 11. Схема поворотного механизма зависимого действия

Поворотный механизм зависимого действия с задним пово­ротом (рис. 11) состоит их храповой буксы 1, расположенной в задней части цилиндра, геликоидального стержня 2, поршня-ударника 3 с геликоидальной гайкой 4, поворотной буксы 5, которая соединена кулачками с гранбуксой 6. Шток поршня-ударника с помощью прямолинейных шлицов находится в подвиж­ном соединении со шлицами поворотной буксы 5, а гайка поршня 4 — в зацеплении со спиральными шлицами стержня 2. В гнездах головки геликоидального стержня находятся собачки 8, прижима­ющиеся пружинами 9 к зубьям храповой буксы. Гранбукса 6 имеет шестигранное отверстие, в которое помещен хвостовик буровой штанги 7.

При рабочем ходе поршня-ударника собачки проскальзыва­ют по зубьям храповой буксы и не препятствуют повороту геликоидального стержня, вследствие чего поршень двигается, не поворачиваясь. При холостом ходе собачки стопорят геликоидаль­ный стержень, что приводит к повороту поршня по спиральным шлицам стержня вместе с поворотной буксой и буровой штангой. Поворотный механизм с геликоидальным стержнем отличается надежностью в работе и позволяет легко менять угол поворота путем замены геликоидальной пары.

Поворотный механизм зависимого действия наиболее рас­пространен в переносных и телескопных перфораторах.

С целью увеличения крутящего момента и более эффектив­ного использования ударной мощности выпускаются колонковые перфораторы с поворотным механизмом независимого действия. Поворот бурового инструмента в них осуществляется от отдель­ного вращателя со специальным пневмодвигателем, что позволяет увеличить крутящий момент в 7-10 раз, плавно регулировать частоту вращения и за счет этого повысить глубину бурения скважины до 50 м.

Воздухораспределительные устройства перфораторов пред­назначены для автоматической подачи сжатого воздуха попере­менно в правую или левую полости цилиндра, что обеспечивает рабочий и холостой ход поршню-ударнику молотка. Воздухорас­пределительные устройства современных перфораторов можно разделить на две группы: клапанные и золотниковые.

В клапанных устройствах исполнительным органом являет­ся клапан, который перемещается нормально к основным отсека­ющим поверхностям (седлам). Ход клапана в клапанной коробке составляет 0.4-1 мм. Время переброса клапана 0.004-0.03 с.

По конструктивному исполнению клапаны различают пластинчатые, шариковые, кольцевые, дисковые, фланцевые, мотыльковые (с откидным клапаном). В пневматических переносных перфора­торах применяется плоский кольцевой или фланцевый клапан (ПП36, ПП54 и ПП63). Клапан может быть в виде плоской шайбы, выполненной из стали или титана (ПП50В1, МР8 фирмы «Медон», Франция). Мотыльковый клапан (рис.12) применяется в перфораторах средней массы с повышенной частотой ударов (ПК60, ПК75).

Рис. 12. Схема движения воздуха в перфораторах с мотыльковым клапаном:

а– при рабочем ходе поршня; б– при обратном ходе поршня

Принцип работы мотыльковой клапанной системы следую­щий. При открытом пробковом кране воздух попадает в клапан­ную коробку 1, обтекает нижнюю часть клапана 2 и направляется в рабочую полость цилиндра 5, воздействуя на поршень 3. Поршень начинает перемещаться (рабочий цикл (рис. 12 а)), первоначально воздух из правой части цилиндра через отверстие 6 выбрасывается в атмосферу. После перекрытия отверстия 6 корпусом поршня воздух в правой части цилиндра начинает сжиматься, образуя так называемую воздушную подушку. Сжи­маемый воздух через радиальные отверстия и продольные проточ­ки 4 в корпусе цилиндра воздействует на поверхность верхней части мотылькового клапана, но этого усилия недостаточно для его перебрасывания в новое положение, поскольку нижняя часть клапана находится под более высоким давлением сжатого возду­ха. По мере движения поршня-ударника открывается отверстие 6 и сжатый воздух выбрасывается в атмосферу. Давление на нижнюю часть клапана падает, и клапан перебрасывается в новое положение (рис. 12 б).

Сжатый воздух, обтекая верхнюю часть клапана, по каналу 4 попадает в штоковую полость цилиндра 5, воздействует на поршень 3. Поршень совершает обратный ход и вытесняет воздух из цилиндра через отверстие 6. По мере продвижения поршня воздух в левой части начинает сжиматься и через отверстие 7 воздействует на нижнюю часть клапана, и после открытия корпусом поршня отверстия 6 произойдет перекидка клапана 2 в исходное положение.

Мотыльковый клапан имеет больший КПД из-за меньших потерь давления воздуха на дросселирование и не испытывает потерь на трение, так как он качается на ребре седла клапанной коробки. Клапанные воздухораспределительные устройства отли­чаются простотой конструкции, малыми движущимися массами и поверхностями трения, а так же малой чувствительностью к засорению, что обеспечивает их надежность в эксплуатации.

Особенность клапанного устройства заключается в том, что клапан, перекрывающий рабочие каналы, перемещается за счет разности давления в передней и задней плоскостях цилиндра.

Основным недостатком клапанного воздухораспределителя является повышенный расход сжатого воздуха.

Рис. 13. Схема золотникового воздухораспределения:

а– при рабочем ходе поршня; б– при холостом ходе поршня

Золотниковые воздухораспределительные устройства (рис. 13) состоят из золотника 2, посаженного на втулку 1, золотниковой коробки 10 и крышки 3. В начале рабочего хода золотник и поршень-ударник 4 находятся в крайнем левом положении. Сжатый воздух поступает по каналам золотника и отверстиям крышки в поршневую полость 9. Поршень начинает перемещаться вправо, совершая рабочий Ход. При дальнейшем движении поршень открывает канал управления 8, по которому сжатый воздух поступает в левую кольцевую полость золотнико­вой коробки, воздействует на заплечико и передвигает золотник вправо. Подача сжатого воздуха в камеру рабочего хода прекра­щается. При дальнейшем движении поршня по инерции открыва­ется выхлопное отверстие 7 и поршень наносит удар по хвосто­вику буровой штанги. Сжатый воздух из поршневой полости выходит в атмосферу через выхлопное отверстие. Одновременно сжатый воздух поступает по каналу 5 в штоковую полость 6 и поршень совершает обратный ход.

Двигаясь влево, поршень открывает канал управления 13, и золотник под действием давления на фланец перекинется влево. Поршень откроет выхлопное отверстие 7 и воздух из штоковой полости выходит наружу. Далее цикл повторяется. Для уменьше­ния противодавления движению золотника каналы управления через дренажные отверстия 11 и 12 сообщаются с атмосферой.

Золотниковое воздухораспределение обеспечивает значи­тельно меньший расход сжатого воздуха, чем клапанное, но имеет большие поверхности трения, в связи, с чем более требовательно в эксплуатации. Перемещение золотника принудительное под действием сжатого воздуха, специально направляемого из основ­ного воздухопровода по дополнительным каналам управления. При золотниковом устройстве поршень-ударник работает без противодавления и нет необходимости открывать выхлопное отверстие раньше, чем будет прекращено поступление сжатого воздуха в полость цилиндра, что дает минимальный удельный расход воздуха. Золотниковое воздухораспределение позволяет повысить энергию удара за счет снятия противодавления при рабочем ходе поршня путем частичного выпуска сжатого воздуха из камер противодавления через золотник.

Недостатком золотникового воздухораспределительного ус­тройства является сложность изготовления золотника. В отличие от клапана, который имеет одну подвижную посадку, золотник имеет три подвижных посадки, выполняемые по второму классу точности. При данной схеме воздухораспределения трудно полу­чить повышенную частоту ударов из-за больших масс и повер­хностей трения золотника.

Золотниковое воздухораспределение применяется в наибо­лее мощных перфораторах с относительно небольшой частотой ударов. Различают воздухораспределительные устройства со сплош­ными и трубчатыми золотниками. Наибольшее распространение получил трубчатый, который применен в перфораторе ПП63СВП.

Для защиты темы необходимо ответить на контрольные вопросы:

1. Назначение конструкционных частей буровой машины ударного действия малой массы;

2. Область применения и принцип работы «мотылькового» клапана;

3. Принцип работы золотникового воздухораспределителя;

4. В чем заключается конструктивная особенность поворотного механизма зависимого действия;

5. В чем заключается основное назначение геликоидального стержня.