Пневматический перфоратор
Изобретение относится к области машиностроения, а именно к пневматическим перфораторам. Перфоратор содержит корпус с входным отверстием для подвода воздуха, цилиндр, соединенный с указанным входным отверстием для подвода воздуха посредством соответствующей системы воздушных каналов, поршень ударного действия, по меньшей мере, одна из частей которого имеет соответствующую границу раздела с указанным цилиндром, средства управления воздушным потоком и входное отверстие для подвода воды. При этом перфоратор содержит, по меньшей мере, одну пару соответствующих контактных поверхностей, по которым соответствующие части, движущиеся одна относительно другой, соприкасаются между собой. Поршень ударного действия выполнен с возможностью совершать возвратно-поступательное движение внутри указанного цилиндра. Перфоратор выполнен с каналами для пропускания воды, подсоединенными к указанному входному отверстию для подвода воды, для подачи воды или воздуха, насыщенного водой в процессе работы перфоратора, по меньшей мере, к указанной границе раздела между поршнем ударного действия и цилиндром для осуществления смачивания с обеспечением смазывания упомянутых контактных поверхностей, в результате чего обеспечивается работа перфоратора без применения смазочных масел. 2 н. и 26 з.п. ф-лы, 8 ил.
Настоящее изобретение относится к пневматическому перфоратору возвратно-поступательного действия.
Пневматические ударные перфораторы хорошо известны. Такие машины в типичных случаях включают соответствующий двигатель ударного действия, содержащий поршень, который совершает возвратно-поступательное движение внутри корпуса этого двигателя и выполнен таким образом, чтобы в процессе своей работы наносить повторные удары по концу соответствующего бурильного инструмента. Кроме того, пневматические перфораторы обычно оборудуются также соответствующими ротационными средствами, предназначенными для привода указанного бурильного инструмента во вращение. Такие ротационные средства могут быть выполнены либо в виде отдельного пневматического роторного двигателя, либо в виде соответствующего механического соединения с указанным двигателем ударного действия, к примеру, в виде хорошо известного механизма со спиральным стержнем.
Пневматические ударные перфораторы оборудуются также жесткой трубкой малого диаметра, проходящей от задней части машины и немного не доходящей до торца бурильного инструмента, по которому наносятся удары. Эта трубка проходит сквозь отверстие, выполненное по центру поршня, и располагается более или менее концентрично по отношению к отверстию, ведущему вниз и находящемуся в центре бурильного инструмента. В задней части машины эта трубка оканчивается ниппелем под наружный шланг. Во время бурения на этот ниппель надевается шланг, по которому подается вода под сравнительно низким давлением, и, направляясь далее по указанной жесткой трубке вниз, вода поступает в отверстие бурильного инструмента. Выходя из бурильного инструмента в непосредственной близости от точки, в которой осуществляется разрушение горной породы во время бурения, вода смачивает пыль, поднимающуюся здесь в воздух, и вымывает образующиеся осколки горной породы из пробуриваемой скважины. Впрыскивание воды представляет собой неотъемлемую часть процесса бурения как с функциональной точки зрения, так и по причинам, связанным с охраной здоровья рабочих и требованиями техники безопасности, и поэтому большинство участков проведения подземных буровых работ с применением пневматического бурильного инструмента оборудуется как источником сжатого воздуха, так и источником воды, находящейся под сравнительно низким давлением.
Для смазывания этих перфораторов обычно к подаваемому сжатому воздуху подмешивают смазочное масло, для чего в типичных случаях предусматривается применение соответствующего смазочного приспособления типа Вентури. Смазочное масло, поступающее в небольших количествах вместе со сжатым воздухом в перфоратор, осаждается на внутренних его поверхностях, обеспечивая достаточное их смазывание. Этот способ хорошо известен и называется смазыванием посредством масляного тумана. Помимо соответствующих воздушных основных каналов, ведущих внутрь двигателя ударного действия и роторного двигателя, а также оттуда выполнены еще различные второстепенные каналы или же неплотности, через которые воздух, а следовательно, вместе с ним и смазочное масло проходят или же просачиваются во все остальные места внутри перфоратора, которые требуется смазывать. Это смазочное масло выполняет также и вторичную функцию, которая заключается в предотвращении коррозии различных деталей перфоратора.
Значительная доля от общего количества смазочного масла, поступающего внутрь перфоратора данного типа, выходит из этой машины наружу вместе с воздухом в виде мельчайших капелек, находящихся в выходящем воздухе во взвешенном состоянии. Это обстоятельство связано с возникновением серьезной угрозы для здоровья людей, находящихся поблизости от данной машины. Дополнительными недостатками, связанными с пропусканием смазочного масла через перфоратор в обильных количествах, являются сравнительно большие затраты на смазочное масло и - в определенных условиях разработки месторождений - загрязнение добываемой при этом руды.
В настоящее время известны самые разнообразные конструкции, разработанные с целью уменьшения общего количества смазочного масла, пропускаемого через пневматический перфоратор. В описании изобретения к патенту США №3983788 раскрыт двигатель ударного действия, который имеет два отдельных контура для подвода к нему сжатого воздуха, в одном из которых к сжатому воздуху подмешивается смазочное масло, а в другом оно не подмешивается. Увеличенная центральная головка поршня в этом двигателе ударного действия выполнена таким образом, что существует достаточно заметный кольцевой зазор относительно отверстия цилиндра в его центральной зоне, тогда как удлиненные концы этого поршня направляются при его движении соответствующими, плотно пригнанными втулками. В результате наличия такого кольцевого зазора поршень получает возможность приводиться в колебательное движение за счет подачи сжатого воздуха, не содержащего примеси смазочного масла, в то время как направляющие втулки и прочие вспомогательные детали двигателя смазываются посредством подачи к ним сжатого воздуха с подмешиваемым к нему смазочным маслом по второму контуру для подвода сжатого воздуха. Подавляющее количество сжатого воздуха, потребляемого пневматическим перфоратором, используется для того, чтобы сообщить возвратно-поступательное движение поршню двигателя ударного действия, и поэтому при подаче к этой детали данной машины соответственно сжатого воздуха, не содержащего смазочного масла, удается обеспечить значительное уменьшение общего количества смазочного масла, выбрасываемого из перфоратора наружу в виде масляного тумана. Недостатком этого способа является сложность конструкции, обусловленная применением сдвоенных контуров для подвода сжатого воздуха к перфоратору.
В описании изобретения к патенту США №4333538 раскрыто применение масляного сепаратора, расположенного в контуре подвода сжатого воздуха непосредственно перед пневматическим двигателем ударного действия. При этом обеспечивается удаление значительной доли смазочного масла, содержащегося в сжатом воздухе, поступающем внутрь пневматического двигателя ударного действия, и только лишь минимальное количество смазочного масла, требующегося для смазывания пневматического двигателя ударного действия, допускается к прохождению через этот двигатель. Все остальное смазочное масло и небольшое количество сжатого воздуха направляется по соответствующему каналу непосредственно к вспомогательным деталям перфоратора, к примеру, к таким как втулка зажимного устройства и храповой механизм. Хотя это и не заявлено прямо как цель указанного изобретения, тем не менее, в результате более эффективного распределения смазочного масла, обеспечиваемого при реализации этого изобретения, следует ожидать сокращения общего количества расходуемого при этом смазочного масла, и, следовательно, соответствующего уменьшения количества выбрасываемого наружу масляного тумана.
Кроме того, хорошо известны в настоящее время также и водно-гидравлические ударные перфораторы, применяемые в горнодобывающей промышленности при проведении буровых работ по породе. В этих машинах в качестве рабочей жидкости вместо минерального масла, применяемого в традиционных гидравлических машинах такого типа, используется вода, находящаяся под высоким давлением. Частично эта вода, которая при применении этих машин нагнетается вниз через отверстие в центре бурильного инструмента, обеспечивает смачивание возникающей здесь пыли, а также промывает пробуриваемую скважину. Разработаны были также различные приемы проектирования этих перфораторов, а также подбора для них соответствующих конструкционных материалов, позволившие создать перфораторы, показавшие достаточно высокую работоспособность без применения каких-либо смазочных масел или же консистентных смазочных материалов. Единственным смазочным материалом, необходимым для этих машин, является только лишь сама рабочая жидкость - в данном случае - это простая вода, а применение в них соответствующих конструкционных материалов обеспечивает теперь возможность считать предотвращение коррозии не столь уже существенной проблемой. Как следствие, водно-гидравлические перфораторы совершенно свободны от упомянутых здесь ранее недостатков, которыми страдают пневматические перфораторы, смазываемые масляным туманом.
Недостатком водно-гидравлических ударных перфораторов является то, что для них требуется создать другую инфраструктуру по сравнению с той, которая обеспечивает работу пневматических перфораторов.
Таким образом, целью настоящего изобретения является создание такого пневматического перфоратора, в конструкции которого были бы устранены отмеченные здесь выше недостатки, либо который представлял бы собой вполне приемлемую альтернативу по отношению к существующим в настоящее время пневматическим перфораторам.
В соответствии с первой особенностью настоящего изобретения предлагается пневматический перфоратор, содержащий корпус с входным отверстием для подвода воздуха, через которое внутрь него поступает сжатый воздух, и цилиндр, соединенный с указанным входным отверстием для подвода воздуха посредством соответствующей системы воздушных каналов; поршень ударного действия, по меньшей мере, одна из частей которого имеет соответствующую границу раздела с указанным цилиндром, выполненный с возможностью совершать возвратно-поступательное движение внутри указанного цилиндра; и средства управления воздушным потоком, предназначенные для регулирования подачи сжатого воздуха от указанного входного отверстия для подвода воздуха в указанный цилиндр; входное отверстие для подвода воды, обеспечивающее подвод воды к бурильному инструменту для промывания пробуриваемой скважины; причем указанный перфоратор содержит, по меньшей мере, одну пару соответствующих контактных поверхностей, по которым соответствующие части, движущиеся одна относительно другой, соприкасаются между собой, который выполнен с каналами для пропускания воды или воздуха, насыщенного водой, подсоединенными к указанному входному отверстию для подвода воды, для подачи воды или воздуха, насыщенного водой в процессе работы перфоратора, по меньшей мере, к указанной границе раздела между поршнем и цилиндром для осуществления смачивания с обеспечением смазывания упомянутых контактных поверхностей.
Указанные контактные поверхности могут находиться на границе раздела между указанным поршнем ударного действия и указанным цилиндром. При этом может предусматриваться наличие одного или более опорных элементов на одной из указанных следующих деталей: на цилиндре или на поршне ударного действия; причем указанные контактные поверхности находятся на указанном опорном элементе и на другой из указанных следующих деталей: на цилиндре или на поршне ударного действия.
Указанный цилиндр может содержать приводную полость и возвратную полость. Указанный поршень ударного действия может содержать первую секцию и вторую секцию, причем указанная первая секция имеет больший диаметр, чем указанная вторая секция, и она совершает возвратно-поступательное движение внутри указанного цилиндра. Указанная первая секция поршня ударного действия может разделять собой указанный цилиндр на указанную приводную полость и возвратную полость.
Указанные средства управления воздушным потоком могут быть выполнены таким образом, чтобы обеспечивалась возможность регулирования потока сжатого воздуха, проходящего через указанное входное отверстие для подвода воздуха, с осуществлением при этом прерывистого поступления сжатого воздуха, по меньшей мере, в одну из указанных следующих полостей: приводную полость и возвратную полость. Предпочтительно указанные средства управления воздушным потоком выполнены с возможностью регулирования подачи сжатого воздуха, проходящего через указанное входное отверстие для подвода воздуха, с осуществлением при этом попеременного поступления сжатого воздуха в указанную приводную полость и в указанную возвратную полость.
Указанные средства управления воздушным потоком могут быть выполнены в виде соответствующего клапана.
Указанные каналы для пропускания потока воды могут быть выполнены таким образом, чтобы предусматривалось наличие первичного канала для пропускания потока воды, по которому в процессе работы перфоратора обеспечивается подача воды к указанному бурильному инструменту, а также, по меньшей мере, одного вторичного канала для пропускания потока воды, по которому в процессе работы перфоратора обеспечивается подача воды для смачивания упомянутых контактных поверхностей.
При этом, по меньшей мере, один из указанных вторичных каналов для пропускания воды может сообщаться с указанным цилиндром. Предпочтительно, чтобы указанный(-ые) вторичный(-ые) канал(ы) для пропускания воды сообщался (сообщались) как с указанной приводной полостью, так и с указанной возвратной полостью.
В процессе работы перфоратора вода поступает внутрь указанного цилиндра в результате наличия перепада давлений, существующего между давлением воды, поступающей через указанное входное отверстие для подвода воды, и давлением воздуха, находящегося в указанном цилиндре. В результате наличия упомянутого выше перепада давлений вода может поступать в приводную полость или же в возвратную полость в зависимости от того, какая из этих двух полостей является на текущий момент отсасывающей полостью.
В одном из вариантов выполнения настоящего изобретения перфоратор может оборудоваться трубкой Вентури, устанавливаемой в воздушном канале вблизи от указанного входного отверстия для подвода воздуха, причем в состав системы каналов для пропускания воды может входить также и соответствующий канал, сообщающийся с указанной трубкой Вентури, в результате чего в процессе работы перфоратора происходит увлечение воды сжатым воздухом, поступающим в указанный цилиндр, и смачивание упомянутых контактных поверхностей.
Указанная первая секция поршня ударного действия может располагаться в пределах ближайшей зоны указанного поршня ударного действия, а указанный цилиндр может оснащаться соответствующими направляющими для поршня, которые расположены у его концов, ориентированных в продольном направлении, и в пределах которых обеспечивается соответствующая опора для указанного поршня ударного действия. При этом указанный цилиндр и указанная первая секция указанного поршня ударного действия могут иметь размеры, обеспечивающие наличие небольшого кольцевого зазора между указанным цилиндром и указанной первой секцией указанного поршня ударного действия. Указанные направляющие для поршня предпочтительно снабжены соответствующими уплотнительными средствами, а указанные каналы для пропускания воды выполнены с возможностью смачивания контактных поверхностей на поршне ударного действия в непосредственной близости от уплотнительных средств и из условия обеспечения всасывания воды поперек контактных поверхностей уплотнительных средств при возвратно-поступательном движении поршня ударного действия для обеспечения смазывания указанных контактных поверхностей.
Перфоратор может быть оснащен ротационными средствами, предназначенными для того, чтобы обеспечивать в процессе работы перфоратора вращение бурильного инструмента.
Указанные ротационные средства могут предусматривать наличие в них, по меньшей мере, одной пары соответствующих контактных поверхностей, причем указанные каналы для пропускания воды выполнены таким образом, чтобы обеспечивалась подача воды для смачивания указанных соответствующих контактных поверхностей указанных ротационных средств.
Указанные ротационные средства могут предусматривать также и наличие в них соответствующего сцепного средства. Указанное сцепное средство может располагаться в соответствующем отделении, которое сообщается с указанной системой каналов для пропускания воды, благодаря чему в процессе работы перфоратора указанное отделение заполняется водой.
В предпочтительном варианте своего исполнения указанное сцепное средство расположено в соответствующем отделении, которое сообщается с контуром подачи сжатого воздуха, содержащего увлекаемую им воду.
Указанное сцепное средство может быть выполнено в виде сцепного механизма с навитой пружиной.
В предпочтительном варианте выполнения указанное сцепное средство может быть выполнено в виде храпового механизма, состоящего из храпового колеса и собачек.
Указанные ротационные средства могут быть выполнены в виде соответствующего средства, совершающего поступательное движение и предназначенного для преобразования возвратно-поступательного движения указанного поршня ударного действия во вращательное движение. Указанные средства, совершающие поступательное движение, могут быть выполнены в виде соответствующего механизма со стержнем, имеющим спиральные нарезы.
В альтернативном варианте своего исполнения указанные ротационные средства могут быть выполнены в виде соответствующего пневматического роторного двигателя.
В перфораторе может предусматриваться также наличие, по меньшей мере, одного канала, обеспечивающего подвод увлажненного воздуха, выходящего из указанного цилиндра, к дополнительным контактным поверхностям с тем, чтобы обеспечивать смачивание вышеупомянутых контактных поверхностей. Кроме того, в перфораторе может предусматриваться также наличие соответствующего зажимного устройства, предназначенного для сообщения вращательного движения бурильному инструменту, и соответствующего канала, обеспечивающего подвод воды к соответствующим контактным поверхностям, находящимся на границе раздела между указанным зажимным устройством и указанным корпусом. Помимо этого, может предусматриваться также наличие одного или нескольких опорных элементов, расположенных на любом из следующих узлов: либо на указанном зажимном устройстве, либо на указанном корпусе; при этом указанные контактные поверхности расположены на соответствующих границах раздела между указанными опорными элементами и на другом из вышеупомянутых узлов соответственно, либо на указанном корпусе, либо на указанном зажимном устройстве.
Указанное зажимное устройство, естественно, может представлять собой лишь один элемент или же быть выполнено в виде узла, собранного из нескольких элементов, и предназначено для сообщения вращательного движения от указанного поршня ударного действия к бурильному инструменту.
Кроме того, может предусматриваться также наличие соответствующего канала, обеспечивающего подвод воды к контактным поверхностям, находящимся на границе раздела между указанным поршнем ударного действия и указанным зажимным устройством.
В соответствии с другим вариантом выполнения изобретения предлагается способ эксплуатации пневматического перфоратора, содержащего бурильный инструмент, цилиндр, поршень ударного действия, выполненный с возможностью возвратно-поступательного движения внутри цилиндра, и имеющий, по меньшей мере, одну пару контактных поверхностей между частями, движущимися одна относительно другой, и границу раздела между ними, включающий подачу в перфоратор сжатого воздуха для возвратно-поступательного движения поршня ударного действия, подачу воды и ее выбрасывание через бурильный инструмент в пробуриваемую скважину с обеспечением смачивания упомянутых контактных поверхностей водой, в котором при смачивании упомянутых контактных поверхностей обеспечивают их смазывание путем подвода воды или воздуха, насыщенного водой, по меньшей мере, к границе раздела между поршнем ударного действия и цилиндром.
Сущность настоящего изобретения далее поясняется при рассмотрении следующих ниже примеров его выполнения, не накладывающих каких-либо ограничений на объем изобретения, подробно описываемого со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых представлены:
фиг.1 - продольный разрез перфоратора согласно первому варианту выполнения настоящего изобретения;
фиг.2 - поперечный разрез по линии А-А, показанной на фиг.1;
фиг.3 - в увеличенном масштабе продольный разрез клапанной зоны перфоратора согласно фиг.1;
фиг.4 - продольный разрез перфоратора в соответствии со вторым предпочтительным вариантом выполнения настоящего изобретения;
фиг.5 - продольный разрез перфоратора согласно третьему предпочтительному варианту выполнения настоящего изобретения;
фиг.6 - в увеличенном масштабе продольный разрез клапанной зоны перфоратора согласно фиг.5;
фиг.7 - поперечный разрез по линии В-В согласно фиг.5;
фиг.8 - поперечный разрез по линии С-С согласно фиг.5.
Перфоратор 99, выполненный в соответствии с первым вариантом выполнения настоящего изобретения и показанный на фиг.1-3, имеет общий корпус, содержащий торцевую крышку 1, корпус 2 цилиндра и корпус 3 ротора, предпочтительно все эти детали изготавливаются из коррозионно-стойкой или нержавеющей стали. В корпусе 2 выполнен цилиндр 50, внутри которого совершает возвратно-поступательное движение поршень 14 ударного действия.
Зажимное устройство 4 свободно вращается вокруг продольной оси в опорных элементах 5, 6 и 7 зажимного устройства. При этом смещение зажимного устройства 4 в осевом направлении предотвращается посредством опорных элементов 5 и 6 зажимного устройства. Зажимное устройство 4 предпочтительно изготавливается из мартенситной нержавеющей стали сквозной прокаливаемости. Опорные элементы 5, 6, 7 предпочтительно изготавливаются из технической пластмассы, к примеру, такой как полиэфиропласт или ацеталопласт, и запрессовываются в соответствующие отверстия корпуса 3 ротора. Шестигранная вставка 8, жестко крепящаяся к зажимному устройству 4, предназначена для передачи вращательного движения от зажимного устройства 4 к стальному бурильному инструменту 9, что хорошо известно. Храповое кольцо 10 свободно вращается вокруг продольной оси на опорных элементах 5, 6 и 7 зажимного устройства. При этом смещение храпового кольца 10 предотвращается с помощью опорных элементов 5 и 6 зажимного устройства, как показано на фиг.1. Храповое кольцо 10 предпочтительно изготавливается из мартенситной нержавеющей стали сквозной прокаливаемости. Зажимное устройство 4 приспособлено к установке на нем целого ряда подпружиненных собачек 11 (пружины собачек на чертежах не показаны), выполненных с возможностью введения в зацепление с храповым кольцом 10, что хорошо известно. Собачки 11 предпочтительно изготавливаются из науглероживаемой стали или же из стали сквозной прокаливаемости. Храповое кольцо 10 приводится во вращательное движение попеременно в противоположных направлениях при помощи двух плунжеров 12 периодической круговой подачи и одного плунжера 13 возврата в исходное положение, что хорошо известно. Плунжеры 12, 13 оборудованы уплотнительными опорными элементами 32. Плунжеры 12, 13 предпочтительно изготавливаются из ацеталопласта, а уплотнительные опорные элементы 32 - из полиэтилена, имеющего сверхвысокий молекулярный вес, как, впрочем, и все остальные уплотнительные опорные элементы, расположенные в перфораторе. Такой механизм, применяемый в гидравлическом перфораторе, раскрыт в описании изобретения к патенту ЮАР №92/4302.
Поршень 14 опирается при совершении им поступательного движения на уплотнительные опорные элементы 15 и 16. Уплотнительные опорные элементы 15 и 16 предпочтительно поджимаются уплотнительными кольцами круглого сечения. Поршень 14 имеет увеличенную секцию 17, которая фактически разделяет собой цилиндр 50 на приводную полость 50.1 и возвратную полость 50.2. Увеличенная секция 17 поршня 14 имеет немного меньший диаметр, чем диаметр цилиндра 50. Отверстие 18 проходит прямо через центр поршня 14. Поршень 14 предпочтительно изготавливается из мартенситной нержавеющей стали сквозной прокаливаемости.
В задней части корпуса 2 цилиндра расположен узел клапана в сборе, состоящий из клапана 19, переднего клапанного диска 20, клапанной коробки 21 и направляющей 22 клапана, что хорошо известно. Однако в отличие от известных перфораторов клапан 19 немного удлинен и опирается на пару уплотнительных опорных элементов 23, смонтированных в соответствующих выемках направляющей 22 клапана. При этом, по меньшей мере, одно отверстие 24 проходит насквозь через направляющую 22 клапана между двумя уплотнительными опорными элементами 23. Клапан 19 предпочтительно изготавливается из ацеталопласта, а остальные детали 20, 21 и 22 клапана предпочтительно изготавливаются из мартенситной нержавеющей стали сквозной прокаливаемости. В предпочтительном варианте выполнения данного узла клапана уплотнительные опорные элементы 23 и соответствующие выемки под них на направляющей 22 клапана могут отсутствовать, а собственно клапан 19 - надет на направляющую 22 клапана с обеспечением при этом соответствующей скользящей посадки, имеющей малый зазор.
В корпусе 2 цилиндра и деталях 20, 21, 22 клапана соответствующие каналы выполнены таким образом, что при поступлении сжатого воздуха к входному отверстию 25 обеспечивается синхронное перемещение поршня 14 и клапана 19 с осуществлением при этом попеременной подачи сжатого воздуха в приводную полость 50.1 и в возвратную полость 50.2, что, в свою очередь, приводит к возникновению возвратно-поступательного движения поршня 14, который при этом все время наносил бы повторные удары один за другим по торцу стального бурильного инструмента 9, что хорошо известно. Каналы, соединяющие отверстия под плунжеры 12 и 13 с входным отверстием для подвода воздуха, на чертежах не показаны. Возможное расположение этих каналов очевидно для специалиста в данной области техники, а способ осуществления периодической круговой подачи стального бурильного инструмента при помощи плунжеров 12 и 13 в процессе возвратно-поступательного движения поршня 14 хорошо известен.
Отработавший воздух выбрасывается из перфоратора через выпускное отверстие 30, что хорошо известно.
Сжатый воздух, поступающий в перфоратор, не содержит никаких добавок масла и воды, примешиваемых к нему.
При пользовании перфоратором к входному отверстию 26, выполненному в корпусе 3 ротора, подсоединяется шланг от системы водоснабжения, которой оборудуется разрабатываемое месторождение. Вода, поступающая в корпус 3 ротора, проходит через отверстия 27, выполненные в опорных элементах 5 и 6 зажимного устройства, поступая при этом в зону 28, расположенную внутри зажимного устройства 4, откуда проходит дальше через отверстие 18, выполненное в поршне 14, поступая при этом в зону 29, находящуюся в торцевой крышке 1. Далее из зоны 29 вода проходит через отверстия 24 и смачивает внутренние поверхности клапана 19, находящиеся в промежутке между уплотнительными опорными элементами 23. Колебательные движения деталей ротора и возвратно-поступательное движение поршня 14 обеспечивают равномерное распределение и тщательное перемешивание воды, находящейся в корпусе 3 ротора, а также в зонах 28 и 29. Отверстие 31, проходящее через центр стального бурильного инструмента 9, представляет собой, по существу, единственный путь для дальнейшего продвижения воды, которая поступает к бурильному инструменту от входного отверстия 26. Возможно также наличие и второстепенных путей для выхода воды в виде протечек через неплотности в соединениях, но на прилагаемых чертежах это не показано. В конечном итоге вода, поступающая через входное отверстие 26, проходит вниз через отверстие, выполненное в стальном бурильном инструменте, и вытекает оттуда в пробуриваемую скважину, обеспечивая, таким образом, промывание скважины и смывая пыль, образующуюся при бурении. Вся эта процедура в целом аналогична той процедуре, которая применяется для промывания скважины, пробуриваемой с помощью водно-гидравлических перфораторов, находящихся в настоящее время в эксплуатации, и согласно которой предусматривается сбрасывание отработавшей воды в соответствующую зону, имеющуюся в таких перфораторах внутри корпуса ротора.
При внимательном рассмотрении прилагаемых чертежей видно, что уплотнительные опорные элементы 15, 16, 23, 32 предназначены для того, чтобы отделить «сухую» воздушную зону от соответствующих зон внутри перфоратора, которые смачиваются взбалтываемой водой. Все отверстия и шейки, взаимодействующие с соответствующими уплотнительными опорными элементами, будут непрерывно смачиваться с «удаленной от воздушной зоны» стороны, а механические детали роторного механизма будут обильно поливаться водой. В результате правильного подбора конструкционных материалов и обеспечения при этом обильной подачи воды следует ожидать получения удовлетворительных показателей износостойкости для соответствующих деталей.
Увеличенная секция 17 поршня 14 не контактирует со стенками отверстия цилиндра 50 вследствие упоминавшейся ранее разности их диаметров. При этом радиальный зазор между ними достаточно мал, благодаря чему лишь незначительное количество сжатого воздуха проникает через этот зазор в зону, находящуюся позади увеличенной секции 17, тогда как отсутствие непосредственного контакта означает, что на данной границе раздела, которая находится в пределах сухой воздушной зоны, смазка не требуется. Такое техническое решение раскрывается также в описании изобретения к патенту США №3983788.
Однако при этом крайне важно, чтобы уплотнительные опорные элементы 15, 16, 23, 24 обеспечивали идеальное уплотнение. Тем не менее, проникновение воды через эти уплотнения в небольших количествах и унос ее воздушным потоком не будут оказывать какого-либо неблагоприятного влияния на работу перфоратора.
Очевидно, что для получения того же самого результата могут быть также внесены существенные изменения в конструкцию различных каналов, предназначенных для пропускания воды, которые показаны на прилагаемых чертежах. Например, входное отверстие 26 для подвода воды могло бы быть выполнено в торцевой крышке 1, обеспечивая подачу воды в зону 29.
Перфоратор 100, выполненный в соответствии со вторым предпочтительным вариантом выполнения настоящего изобретения, как показано на фиг.4, во многих отношениях аналогичен известным перфораторам. Его отличия от известных перфораторов заключаются в замене углеродистых сталей на коррозионно-стойкие стали, а различных сортов бронзы соответственно на различные виды технической пластмассы, а также в дополнительном применении нескольких пластмассовых деталей с тем, чтобы отделить друг от друга взаимодействующие между собой стальные детали. Фундаментальное различие между предложенным перфоратором и известными перфораторами состоит в том, что в нем предусматривается наличие небольшого канала, соединяющего между собой систему подачи воды и систему подвода сжатого воздуха. При этом за счет использования хорошо известного принципа действия трубки Вентури обеспечивается унос сравнительно небольшого количества воды, увлекаемой потоком сжатого воздуха, с последующим распределением ее по всему перфоратору с целью смачивания соответствующих контактных поверхностей. Предполагается, что при таком смачивании обеспечивается как смазывание, так и охлаждение этих контактных поверхностей.
Перфоратор 100 имеет общий корпус, содержащий торцевую крышку 101, корпус 102 цилиндра и переднюю головку 103, причем все эти детали предпочтительно изготавливаются из коррозионно-стойкой или нержавеющей стали. В корпусе 102 выполнен цилиндр 150, внутри которого совершает возвратно-поступательное движение поршень 111 ударного действия.
Зажимное устройство 104 свободно вращается вокруг продольной оси в опорных элементах 105 и 106 зажимного устройства. При этом смещение зажимного устройства 104 в осевом направлении предотвращается с помощью опорных элементов 105 и 106 зажимного устройства. Зажимное устройство 104 предпочтительно изготавливается из мартенситной нержавеющей стали сквозной прокаливаемости. Опорные элементы 105, 106 предпочтительно изготавливаются из технической пластмассы, к примеру, такой как полиэфиропласт или ацеталопласт, и запрессовываются в соответствующие отверстия корпуса 103 ротора. Шестигранная вставка 108, жестко прикрепленная к зажимному устройству 104, предназначена для передачи вращательного движения от зажимного устройства 104 к стальному бурильному инструменту 131, что хорошо известно.
Передняя направляющая 109 поршня, предпочтительно изготавливаемая из полиэтилена, имеющего сверхвысокий молекулярный вес, или же из другой технической пластмассы, запрессована в соответствующую выемку, выполненную впереди цилиндра 150. Предусматривается наличие целого ряда уплотнительных опорных элементов 110, предпочтительно изготавливаемых из полиэтилена, имеющего сверхвысокий молекулярный вес, которые монтируются в соответствующих выемках, выполненных в цилиндре 150. Поршень 111 опирается при совершении им поступательного движения на уплотнительные опорные элементы 110 и переднюю направляющую 109 поршня. Поршень имеет головку 112 увеличенного диаметра и шток 113 меньшего диаметра. Головка 112 фактически разделяет собой цилиндр 150 на приводную полость 150.1 и возвратную полость 150.2. Отверстие 114 имеет малый диаметр и проходит прямо через поршень 111. Кроме того, предусматривается также наличие целого ряда прямых наружных шлицев 115, выполненных на переднем конце штока 113 поршня. Уплотнительные опорные элементы 110 последовательно входят в контакт с головкой 112 поршня и выходят из контакта с ней по мере совершения поршнем 111 возвратно-поступательного движения внутри цилиндра 150. Размеры уплотнительных опорных элементов 110, цилиндра 150 и головки 112 поршня подбираются таким образом, чтобы головка 112 поршня все время находилась в контакте, по меньшей мере, с одним уплотнительным опорным элементом 110. Уплотнительные опорные элементы 110 обладают способностью к самоподжиманию благодаря присущей им упругости, а также наличию перепада давления по обе стороны от каждого из них. Особенности функционирования и практического использования таких уплотнительных опорных элементов раскрыты применительно к гидравлическим перфораторам, приводимым в действие водой, в описании изобретения к патенту ЮАР №97/9994. В данном варианте выполнения настоящего изобретения не предусматривается применять такие уплотнительные опорные элементы для уплотнения штока 113 в цилиндре 150, поскольку наличие шлицев 115, по всей вероятности, делает такие уплотнительные опорные элементы практически неприемлемыми в рассматриваемом случае.
Гайка 116 зажимного устройства, предпочтительно выполненная из ацеталопласта или аналогичной технической пластмассы, жестко соединена с зажимным устройством 104. Ряд прямых внутренних шлицев 117 выполнен в гайке 116 зажимного устройства, при этом внутренние шлицы 117 сочетаются с наружными шлицами 115 поршня. В результате при этом осуществляется соответствующее соединение поршня 111 с зажимным устройством 104, обеспечивающее возможность проворачивания поршня, что хорошо известно.
Кроме того, предусматривается наличие соответствующей гайки 118 со спиральными нарезами, предпочтительно изготовленной из ацеталопласта или аналогичной технической пластмассы, которая жестко устанавливается в соответствующей выемке, выполненной в головке 112 поршня. При этом в гайке 118 со спиральными нарезами имеется целый ряд спиральных внутренних шлицев 119.
Стержень 120 со спиральными нарезами, предпочтительно изготавливаемый из мартенситной нержавеющей стали сквозной прокаливаемости, свободно проворачивается в опорном элементе 122, запрессованном внутрь направляющей 129 клапана. Кроме того, смещение стержня 120 со спиральными нарезами в осевом направлении ограничивается опорными элементами 121, 122. При этом опорные элементы 121, 122 предпочтительно изготовлены из ацеталопласта или аналогичной технической пластмассы. Кроме того, предусмотрен ряд наружных спиральных шлицев 123, выполненных на стержне 120 со спиральными нарезами, и которые сочетаются с соответствующими внутренними шлицами 119 гайки со спиральными нарезами. На имеющем увеличенный диаметр заднем конце 124 стержня 120 со спиральными нарезами предусматривается наличие целого ряда подпружиненных собачек (не показанных на фиг.4). Эти собачки предпочтительно изготавливаются из науглероживаемой стали или же из стали сквозной прокаливаемости.
Храповое кольцо 125, предпочтительно изготавливаемое из стали сквозной прокаливаемости, жестко монтируется в задней части корпуса 102. Храповое кольцо 125, стержень 120 со спиральными нарезами, собачки, гайка 116 зажимного устройства и гайка 118 со спиральными нарезами в совокупности друг с другом обеспечивают ступенчатую передачу вращательного движения на зажимное устройство 104 по мере того, как поршень 111 совершает возвратно-поступательное движение, что хорошо известно.
В задней части корпуса 102 цилиндра расположен узел клапана в сборе, состоящий из клапана 126 и переднего клапанного диска 127, а также из клапанной коробки 128 и направляющей 129 клапана, что хорошо известно. Клапан 126 предпочтительно изготовлен из ацеталопласта или аналогичной технической пластмассы, а остальные детали клапана предпочтительно изготовлены из мартенситной нержавеющей стали сквозной прокаливаемости.
В торцевой крышке 101, корпусе 102 цилиндра, деталях 127, 128, 129 клапана и храповом кольце 125 выполнены соответствующие каналы и пути прохождения потоков, которые при поступлении сжатого воздуха к входному отверстию 130 обеспечивают синхронное перемещение поршня 111 и клапана 126 с осуществлением при этом попеременной подачи сжатого воздуха в приводную полость 150.1 и в возвратную полость 150.2, что приводит к возникновению возвратно-поступательного движения поршня 111, который при этом все время наносит повторные удары один за другим по торцу стального бурильного инструмента 131, что хорошо известно. Отработавший воздух выбрасывается из перфоратора 100 через выпускное отверстие 132, что хорошо известно.
Жесткая трубка 133, предназначенная для подачи воды, пропущена от задней части перфоратора 100 через отверстия в поршне 111 и в стержне 120 со спиральными нарезами и оканчивается, немного не доходя до стального бурильного инструмента 131, что хорошо известно. Для большей ясности изображения трубка 133, предназначенная для подачи воды, в пределах того участка, где она проходит сквозь стержень 120 со спиральными нарезами, на фиг.4 не показана. При пользовании перфоратором к ниппелю, находящемуся на конце трубки 133, предназначенной для подачи воды, подсоединен шланг от системы водоснабжения, которой оборудуется разрабатываемое месторождение.
Сопло 134 сформировано во входном отверстии 130, а сравнительно небольшое отверстие 135 соединяет участок 136 несколько увеличенного диаметра, имеющийся на трубке 133, предназначенной для подачи воды, с горловиной сопла 134. С учетом типичных значений давления, под которым подаются вода и сжатый воздух, и при условии тщательного подбора соответствующих размеров горловины сопла 134, отверстия 135 и участка 136 трубки для подачи воды обеспечивают увлечение относительно небольшой доли от общего количества поступающей промывной воды и унос ее сжатым воздухом, проходящим через входное отверстие 130. Сжатый воздух, насыщенный водяным туманом, позволяет при этом обеспечить достаточно хорошее смазывание соответствующих деталей перфоратора точно так же, как это происходит в известных перфораторах, где сжатый воздух насыщается масляным туманом.
Промывание пробуриваемой скважины осуществляется за счет только той относительной доли от общего количества воды, поступающей в перфоратор, которая не увлекается потоком подаваемого в него сжатого воздуха. Эта вода выбрасывается из конца трубки 133, предназначенной для подачи воды, со сравнительно высокой скоростью в виде струи, которая направлена непосредственно вниз по отверстию, выполненному в центре стального бурильного инструмента 131, что хорошо известно.
На фиг.4 не показан комбинированный пусковой клапан, посредством которого одновременно перекрывается и открывается подача воды и сжатого воздуха.
Кроме того, на этом же чертеже не показаны также и соответствующие дополнительные каналы, по которым сжатый воздух, насыщенный влагой, направляется к опорным элементам 105 и 106 зажимного устройства, и которые хорошо известны в данной области техники.
Таким образом, в приведенном здесь описании раскрыт смазываемый водяным туманом перфоратор, который имеет сопло в магистрали подвода к нему сжатого воздуха и соответствующий канал, соединяющий систему подачи промывной воды и горловину этого сопла между собой. При этом в горловине сопла создается более низкое давление сжатого воздуха, чем то давление, под которым осуществляется подача промывной воды в перфоратор, вследствие чего и происходит всасывание воды в сравнительно небольшом количестве, которое поступает в поток сжатого воздуха. Затем эта вода используется для смазывания соответствующих контактных поверхностей перфоратора.
В типичных условиях, характерных для разрабатываемых месторождений, обычно в системах снабжения их водой и сжатым воздухом поддерживается одинаковое давление (номинальное значение которого составляет примерно 500 кПа), причем вполне можно ожидать, что это значение давления будет до некоторой степени варьироваться от одного разрабатываемого месторождения к другому, а также для разных местоположений в пределах любого определенного разрабатываемого месторождения. Таким образом, нельзя считать не типичными такие значения давления, поддерживаемого в системах снабжения разрабатываемых месторождений водой и сжатым воздухом, которые находятся в пределах от 400 кПа до 600 кПа.
Существует нижний допустимый предел, до которого может упасть давление в сопле, прежде чем далее по потоку за горловиной сопла начнет ощущаться недостаточно полное восстановление первоначального давления, вследствие чего начинают уже наблюдаться неприемлемые потери мощности, развиваемой перфоратором. Практический опыт показал, что при соответствующем подборе размеров сопла, при которых обеспечивается приемлемая рабочая характеристика перфоратора, перепад давления в его горловине был бы весьма небольшим - порядка всего лишь 100 кПа при давлении в системе подачи сжатого воздуха, равном 500 кПа. Перепад давлений, имеющий такую величину, кажется недостаточным при сопоставлении его с возможными изменениями давления в системах снабжения разрабатываемых месторождений водой и сжатым воздухом, а количество воды, впрыскиваемой при этом в поток сжатого воздуха, могло бы варьироваться в данном случае в пределах от нуля (когда в водяной контур уже начинает поступать воздух) до такого ее количества, которое намного превышает необходимое количество воды.
Таким образом, в тех случаях, когда наблюдаются существенные изменения давления в системах снабжения разрабатываемых месторождений водой и сжатым воздухом, третий вариант выполнения настоящего изобретения, рассматриваемый здесь далее в следующем ниже описании, является предпочтительным по отношению к только что рассмотренному здесь второму варианту выполнения настоящего изобретения.
Перфоратор 200, выполненный в соответствии с третьим, предпочтительным вариантом выполнения настоящего изобретения, показан на фиг.5-8.
Во многом этот перфоратор 200 очень похож на известные перфораторы. Его отличия от известных перфораторов заключаются в замене углеродистых сталей на коррозионно-стойкие стали, а различных сортов бронзы соответственно на различные виды технической пластмассы, а также в дополнительном применении нескольких пластмассовых деталей с тем, чтобы отделить друг от друга взаимодействующие между собой стальные детали.
Перфоратор 200 имеет общий корпус, содержащий торцевую крышку 201, корпус 202 цилиндра и переднюю головку 203, причем все эти детали предпочтительно изготовлены из коррозионно-стойкой или нержавеющей стали. В корпусе 202 выполнен цилиндр 290, внутри которого совершает возвратно-поступательное движение поршень 211 ударного действия.
Зажимное устройство 204 выполнено с возможностью свободного вращения вокруг продольной оси в опорных элементах 205 и 206 зажимного устройства. При этом смещение зажимного устройства 204 в осевом направлении предотвращается с помощью опорных элементов 205 и 206 зажимного устройства. Зажимное устройство 204 предпочтительно изготавливается из мартенситной нержавеющей стали сквозной прокаливаемости. Опорные элементы 205, 206 предпочтительно изготовлены из технической пластмассы, к примеру, такой как полиэфиропласт или ацеталопласт, и запрессованы в соответствующие отверстия передней головки 203. Шестигранная вставка 208, жестко прикрепленная к зажимному устройству 204, предназначена для передачи вращательного движения от зажимного устройства 204 к стальному бурильному инструменту 207, что хорошо известно.
Передняя направляющая 209 поршня, предпочтительно изготовленная из полиэтилена, имеющего сверхвысокий молекулярный вес, ацеталопласта или же из другой технической пластмассы, запрессована в соответствующую выемку, выполненную в передней части цилиндра 290. Ряд уплотнительных опорных элементов 210, предпочтительно изготовленных из полиэтилена, имеющего сверхвысокий молекулярный вес, смонтирован в соответствующих выемках, выполненных в цилиндре 290. Поршень 211 опирается при совершении им поступательного движения на уплотнительные опорные элементы 210 и переднюю направляющую 209 поршня. Поршень имеет головку 212 увеличенного диаметра и шток 213 меньшего диаметра. Головка 212 разделяет собой цилиндр на приводную полость 230 и возвратную полость 231. Диаметр штока 213 поршня немного меньше, чем внутренний диаметр передней направляющей 209 поршня. Отверстие 214 малого диаметра проходит прямо через поршень 211. На переднем конце штока 213 поршня выполнен ряд прямых наружных шлицев 215. Уплотнительные опорные элементы 210 последовательно входят в контакт с головкой 212 поршня и выходят из контакта с ней по мере совершения поршнем 211 возвратно-поступательного движения внутри цилиндра 290. Размеры уплотнительных опорных элементов 210, цилиндра 290 и головки 212 поршня подобраны таким образом, чтобы головка 212 поршня все время находилась в контакте, по меньшей мере, с одним уплотнительным опорным элементом 210. Уплотнительные опорные элементы 210 обладают способностью к самоподжиманию благодаря присущей им упругости, а также наличию перепада давления по обе стороны от каждого из них. Особенности функционирования и практического использования таких уплотнительных опорных элементов применительно к гидравлическим перфораторам раскрыты в описании изобретения к патенту ЮАР №97/9994.
Гайка 216 зажимного устройства, предпочтительно выполняемая из ацеталопласта или аналогичной технической пластмассы, жестко соединена с зажимным устройством 204. Кроме того, в гайке 216 зажимного устройства выполнен ряд прямых внутренних шлицев 217, которые сочетаются с наружными шлицами 215 поршня. В результате при этом осуществляется соответствующее соединение поршня 211 с зажимным устройством 204, обеспечивающее возможность проворачивания поршня, что хорошо известно.
Кроме того, гайка 218 со спиральными нарезами, предпочтительно изготовленная из ацеталопласта или аналогичной технической пластмассы, жестко установлена в соответствующей выемке, выполненной в головке 212 поршня. При этом в гайке 218 со спиральными нарезами выполнен ряд спиральных внутренних шлицев 219. (Следует отметить, что изображение на фиг.5 и 6 представлено не совсем правильно в том отношении, что шлицы 219 показаны на этих чертежах прямыми из соображений удобства.) Ряд сквозных отверстий 260, выполненных с равными радиальными промежутками друг относительно друга в гайке 218, имеющей спиральные нарезы, предназначен для того, чтобы предотвратить задерживание и сжатие воздуха в полости 261 по мере совершения поршнем 211 возвратно-поступательного движения. В дополнение к этому указанные отверстия 260 позволяют также решить проблему скопления чрезмерного количества тепла, что могло бы, в конечном итоге, привести к выходу гайки 218 со спиральными нарезами из строя.
Стержень 220 со спиральными нарезами, предпочтительно изготавливаемый из мартенситной нержавеющей стали сквозной прокаливаемости, выполнен с возможностью проворачивания на опорных элементах 221 и 222, запрессованных соответственно внутрь торцевой крышки 201 и направляющей 229 клапана. Кроме того, смещение стержня 220 со спиральными нарезами в осевом направлении ограничивается опорными элементами 221, 222. При этом опорные элементы 221, 222 предпочтительно изготовлены из ацеталопласта или аналогичной технической пластмассы. На стержне 220 со спиральными нарезами выполнен ряд наружных спиральных шлицев 223 (следует отметить, что изображение на фиг.5 и 6 представлено не совсем правильно в том отношении, что шлицы 223 показаны на этих чертежах прямыми из соображений удобства), которые сочетаются с соответствующими внутренними шлицами 219 гайки со спиральными нарезами. На имеющем увеличенный диаметр заднем конце 224 стержня 220 со спиральными нарезами выполнен ряд подпружиненных собачек 207 (на чертеже показан всего лишь только один комплект пружин). Эти собачки предпочтительно изготовлены из науглероживаемой стали или же из стали сквозной прокаливаемости.
Храповое кольцо 225, предпочтительно изготавливаемое из мартенситной нержавеющей стали сквозной прокаливаемости, жестко монтируется в задней части корпуса 202. Храповое кольцо 225, стержень 220 со спиральными нарезами, собачки 207, гайка 216 зажимного устройства и гайка 218 со спиральными нарезами в совокупности друг с другом обеспечивают ступенчатую передачу вращательного движения на зажимное устройство 204 по мере того, как поршень 211 совершает возвратно-поступательное движение, что хорошо известно.
В задней части корпуса 202 цилиндра расположен узел клапана в сборе, состоящий из собственно клапана 226 и переднего клапанного диска 227, а также из клапанной коробки 228 и направляющей 229 клапана, что хорошо известно. Клапан 226 предпочтительно изготовлен из полиэтилена, имеющего сверхвысокий молекулярный вес, ацеталопласта или аналогичной технической пластмассы, а остальные детали клапана предпочтительно изготовлены из мартенситной нержавеющей стали сквозной прокаливаемости.
Узел 233 двухпозиционного клапана в сборе смонтирован в поперечном отверстии, выполненном над клапанной коробкой 228, и, когда этот клапан находится в положении включения, обеспечивает поступление сжатого воздуха через входное отверстие 234 в кольцевую полость 235, образованную вокруг наружной поверхности клапанной коробки 228. Кроме того, имеется также соответствующий ряд вырезов 236, расположенных с равными радиальными промежутками друг относительно друга вокруг клапанной коробки 228, что позволяет сжатому воздуху проходить из кольцевой полости 235 к клапану 226. Клапан 226 служит для того, чтобы обеспечивать поступление сжатого воздуха либо в приводную полость 230, либо - через кольцевую зону 250 и перепускное окно (или перепускные окна) 232 - в возвратную полость 231 в зависимости от положения клапана 226, что хорошо известно. Поршень 211 и клапан 226 выполнены с возможностью перемещения синхронно друг с другом, что приводит к возникновению возвратно-поступательного движения поршня 211, который при этом все время наносит повторные удары один за другим по торцу стального бурильного инструмента 270, что хорошо известно.
Узел 233 двухпозиционного клапана в сборе содержит качающуюся опору 237, предпочтительно изготовленную из мартенситной нержавеющей стали сквозной прокаливаемости и поддерживаемую парой опорных элементов 238, предпочтительно изготовленных из ацеталопласта или аналогичной технической пластмассы. Качающаяся опора поворачивается из положения включения в положение выключения и обратно при помощи ручного рычага 239. За исключением соответствующего подбора материалов и наличия опорных элементов 238 компоновка двухпозиционного клапана хорошо известна. Сжатый воздух подается в перфоратор по воздушной магистрали (не показана), подключенной к шарнирному соединению 240, что хорошо известно.
Предусматривается наличие ниппеля 241, смонтированного на торцевой крышке 201, предпочтительно устанавливать его на центральной линии перфоратора, но это не обязательно. При пользовании перфоратором к ниппелю 241 подсоединяется водяной шланг 241. Соответствующее отверстие 242 выполнено в центре стержня 220 со спиральными нарезами. Кроме того, жесткая или полужесткая трубка 243 неподвижно соединена с тем концом отверстия 242, который является ближайшим к стальному бурильному инструменту 270. Трубка 243 предпочтительно выполнена из нейлона или аналогичной технической пластмассы. Трубка 243 проходит через отверстие 214, выполненное в центре поршня 211, и оканчивается в непосредственной близости от ударной торцевой поверхности стального бурильного инструмента 270. Таким образом, при пользовании перфоратором обеспечивается возможность для прохождения воды сквозь стержень 220 со спиральными нарезами и по трубке 243 внутрь отверстия, ведущего вниз и находящегося в центре стального бурильного инструмента 270, благодаря чему обеспечивается выполнение хорошо известных функций, заключающихся в промывании пробуриваемой скважины и смывании пыли, образующейся при бурении.
Предусмотрен ряд отверстий 244 (которые видны только на фиг.8), расположенных с равными радиальными промежутками друг относительно друга вокруг части 224 стержня 220 со спиральными нарезами, имеющей увеличенный диаметр. Эти отверстия 244 обеспечивают возможность для прохождения воды из отверстия 242 в зону, занятую собачками 207 и храповым кольцом 225. Таким образом, при пользовании перфоратором собачки постоянно погружены в воду.
Кроме того, предусмотрен ряд отверстий 245, расположенных с равными радиальными промежутками друг относительно друга и проходящих насквозь через стержень 220 со спиральными нарезами, причем эти отверстия соединяют отверстие 242 с кольцевой полостью 246, образованной между стержнем 220 со спиральными нарезами и опорным элементом 222 указанного стержня со спиральными нарезами. Помимо этого, в опорном элементе 222 указанного стержня со спиральными нарезами выполнен ряд отверстий 247, расположенных с равными радиальными промежутками друг относительно друга, причем эти отверстия соединяют кольцевую полость 246 с кольцевой полостью 248, образованной между опорным элементом 222 указанного стержня со спиральными нарезами и направляющей 229 клапана. В дополнение к этому выполнен ряд отверстий 249, расположенных с равными радиальными промежутками друг относительно друга, и которые соединяют кольцевую полость 248 с кольцевой полостью 250, образованной между направляющей 229 клапана и клапанной коробкой 228. При этом кольцевая полость 250 соединена через перепускное отверстие (перепускные отверстия) 232 с возвратной полостью 231 поршня. Таким образом, возвратная полость 231 поршня все время сообщается с отверстием 242. Суммарная площадь проходных сечений отверстий 249 намного меньше, чем суммарная площадь проходных сечений отверстий 245, суммарная площадь проходных сечений отверстий 246 и площади кольцевых полостей 246 и 248. Таким образом, величина потока (либо воды, либо сжатого воздуха в зависимости от соответствующих значений давления, под которым они находятся), возникающего между отверстием 242 и возвратной полостью 231, определяется размером и количеством отверстий 249.
Дополнительно имеется также еще один ряд отверстий 251, расположенных с равными радиальными промежутками друг относительно друга и выполненных в указанном стержне 220 со спиральными нарезами, причем эти отверстия все время соединяют отверстие 242 непосредственно с приводной полостью 230 поршня. Суммарная площадь проходных сечений отверстий 251 аналогична суммарной площади проходных сечений отверстий 249. Уплотнительное кольцо круглого поперечного сечения (или аналогичная уплотнительная деталь) 252 установлено стержнем 220 со спиральными нарезами и опорным элементом 222 указанного стержня со спиральными нарезами в непосредственной близости от кольцевой полости 246 и предназначена для предотвращения возникновения потока, направленного из кольцевой полости 246 в приводную полость 230.
Отверстия 251 и 249 расположены с радиальным промежутком друг относительно друга и соединяют систему подачи промывной воды соответственно с приводной полостью поршня и возвратной полостью.
Выпускной канал 253, начинающийся, в основном, в центре цилиндра 250, что хорошо известно. Выпускной канал 253 разветвляется, образуя промежуточный выход 254 в атмосферу, а продолжающаяся его часть 255 выходит внутрь передней головки 203. Продолжающаяся часть 255 выпускного канала сообщается с кольцевой полостью 256, которая окружает собой зажимное устройство 204. Выполнено отверстие (отверстия) 257, предназначенное для соединения кольцевой полости 256 с атмосферой. В опорных элементах 205 и 206 зажимного устройства выполнен ряд канавок 258, расположенных с равными радиальными промежутками друг относительно друга, которые обеспечивают прохождение воздуха, насыщенного влагой, и соответственно смачивание целиком всей контактной поверхности опорных элементов 205 и 206 зажимного устройства, а также поверхностей контакта между гайкой 216 зажимного устройства и поршнем 211.
Описанный третий предпочтительный вариант выполнения настоящего изобретения позволяет преодолеть недостатки рассмотренного выше второго предпочтительного варианта выполнения изобретения благодаря обеспечению поступления воды в количестве, необходимом для смазывания и охлаждения трущихся деталей, в соответствующие зоны внутри перфоратора, которые, по меньшей мере, в течение некоторой части всего времени наполнены воздухом, находящимся под значительно меньшим и более постоянным давлением, чем давление, создаваемое в системе подачи воды.
В процессе циклической работы перфоратора 200 давление внутри приводной полости 230 цилиндра и возвратной полости 231 периодически изменяется, становясь поочередно то «высоким», т.е. соответствующим по своей величине давлению, создаваемому в системе подачи сжатого воздуха (которое аналогично давлению, создаваемому в системе подачи воды), то «низким», т.е. соответствующим по своей величине атмосферному давлению (которое значительно ниже, чем давление, создаваемое в системе подачи воды) в зависимости от положения клапана 226 и поршня 211. При этом независимо от величины давления, создаваемого в системе подачи сжатого воздуха, «низкое» давление более или менее постоянно.
Два отверстия (или две группы отверстий), которые имеют соответствующие размеры и рассмотрены в приведенном здесь выше описании как отверстия 251 и 249, соединяют систему подачи промывной воды соответственно с приводной камерой 230 поршня и возвратной камерой 231 поршня либо непосредственно, либо косвенным образом в зависимости от расположения этих отверстий (или групп отверстий). Указанные два отверстия (или две группы отверстий) расположены по обе стороны от клапана 226 в непосредственной близости от него, но такое их расположение не обязательно.
Когда какая-то конкретная полость (приводная или возвратная) находится под «высоким» давлением, обеспечивается создание номинального потока воды или воздуха через соответствующее отверстие (или соответствующую группу отверстий) в зависимости от разности между давлением, существующим в системе подачи воды, и этим «высоким» давлением. Если значение этого «высокого» давления будет выше, чем значение давления, создаваемого в системе подачи воды, то тогда воздух начнет в небольших количествах подмешиваться к потоку промывной воды, что, впрочем, не имеет сколь-либо существенного значения. Если же значение этого «высокого» давления будет ниже, чем значение давления, создаваемого в системе подачи воды, то тогда вода начнет в небольших количествах поступать в соответствующую полость, способствуя смазыванию и охлаждению контактирующих поверхностей.
Когда какая-то конкретная полость (приводная или возвратная) находится под «низким» давлением, обеспечивается поступление сравнительно большого объема воды через соответствующее отверстие (или соответствующую группу отверстий) в эту конкретную полость и обеспечивается, в основном, удовлетворение всех соответствующих требований, предъявляемых в отношении смазывания и охлаждения контактирующих поверхностей. При этом впрыскивается достаточное количество воды для того, чтобы обеспечить сохранение увлажненного состояния контактирующих поверхностей во время очередной фазы «высокого» давления, когда вода впрыскивается внутрь в минимальном количестве или же не впрыскивается совсем. Поскольку «низкое» давление имеет более или менее постоянную величину, поток воды, образующийся в результате, остается в большей или меньшей степени независимым от величины давления в системе подачи сжатого воздуха. Кроме того, в связи с тем, что разность между номинальным давлением, создаваемым в системе подачи воды, и «низким» давлением довольно велика по сравнению с типичными изменениями давления в системе подачи воды, сколь-либо существенного влияния на этот поток воды такие изменения давления в системе подачи воды практически не оказывают.
Как указано выше, некоторая часть отработавшего воздуха, насыщенного влагой, или же весь этот воздух направляется по продолжающейся части 255 выпускного канала и кольцевой полости 256, обеспечивая смачивание опорных элементов 205 и 206 зажимного устройства водой, прежде чем будет выпущен в атмосферу.
Таким образом, обеспечивая подвод воды уже после того, как поток пройдет через клапан, в отличие от подвода воды перед клапаном, как это рассматривалось во втором предпочтительном варианте выполнения настоящего изобретения, обеспечивается преимущество, которое заключается в том, что давление воздуха имеет значительно более постоянное значение, а общая разность давлений, воздействующих на воду и воздух, получается в данном случае гораздо большей, чем та разность этих давлений, которой можно добиться, применяя сопло Вентури.
Очевидно, что отличительные особенности только что рассмотренного, третьего предпочтительного варианта выполнения настоящего изобретения могли бы быть в равной степени и с таким же успехом реализованы применительно также и к конструкции перфоратора с оппозитным ротором, приводимым в действие посредством плунжера согласно первому варианту выполнения настоящего изобретения, который рассмотрен в приведенном здесь выше описании изобретения, где такой ротор обеспечивает вращательное движение вместо стержня со спиральными нарезами, как это предусмотрено в только что рассмотренном здесь выше варианте выполнения настоящего изобретения.
Таким образом, каждый из вариантов выполнения настоящего изобретения, которые рассмотрены в приведенном здесь выше подробном описании изобретения, представляет собой перфоратор, смазываемый водой без применения в этих целях какого-либо смазочного масла.
Несмотря на то что во всех вариантах выполнения настоящего изобретения, которые рассмотрены в приведенном здесь выше подробном описании изобретения, предусматривается применение храпового сцепного механизма, состоящего из храпового колеса и собачек, тем не менее, в этих же целях мог бы быть в равной степени применен соответствующий сцепной механизм с навитой пружиной, к примеру, такой механизм этого типа, который раскрыт в описании изобретения к патенту ЮАР №92/2561.
Кроме того, следует также отметить, что хотя во всех вариантах выполнения настоящего изобретения, которые рассмотрены в приведенном здесь выше подробном описании изобретения, и предусматривается применение соответствующего клапанного элемента, отличающегося по своему виду от поршня, тем не менее, настоящее изобретение могло бы быть в равной степени использовано также и применительно к перфораторам, имеющим другие системы переключения подачи сжатого воздуха, к примеру, к таким как «бесклапанные» перфораторы.
1. Пневматический перфоратор, содержащий корпус с входным отверстием для подвода воздуха, через которое внутрь него поступает сжатый воздух, и цилиндр, соединенный с указанным входным отверстием для подвода воздуха посредством соответствующей системы воздушных каналов, поршень ударного действия, по меньшей мере, одна из частей которого имеет соответствующую границу раздела с указанным цилиндром, выполненный с возможностью возвратно-поступательного движения внутри указанного цилиндра, и средства управления воздушным потоком, предназначенные для регулирования подачи сжатого воздуха от указанного входного отверстия для подвода воздуха в указанный цилиндр, входное отверстие для подвода воды, обеспечивающее подвод воды к бурильному инструменту для промывания пробуриваемой скважины, причем указанный перфоратор содержит по меньшей мере одну пару соответствующих контактных поверхностей, по которым соответствующие части, движущиеся одна относительно другой, соприкасаются между собой, отличающийся тем, что он выполнен с каналами для пропускания воды или воздуха, насыщенного водой, подсоединенными к указанному входному отверстию для подвода воды, для подачи воды или воздуха, насыщенного водой в процессе работы перфоратора, по меньшей мере, к указанной границе раздела между поршнем ударного действия и цилиндром для осуществления смачивания с обеспечением смазывания упомянутых контактных поверхностей.
2. Перфоратор по п.1, отличающийся тем, что он имеет опорный элемент, расположенный на цилиндре или на поршне ударного действия, причем контактные поверхности находятся на указанном опорном элементе и на цилиндре или на поршне ударного действия.
3. Перфоратор по п.1, отличающийся тем, что поршень ударного действия имеет первую секцию и вторую секцию, причем первая секция имеет больший диаметр, чем вторая секция.
4. Перфоратор по п.3, отличающийся тем, что цилиндр содержит приводную полость и возвратную полость, средства управления воздушным потоком для регулирования потока сжатого воздуха, проходящего через входное отверстие для подвода воздуха, с осуществлением при этом прерывистого поступления сжатого воздуха, по меньшей мере, в приводную полость или возвратную полость, при этом средства управления воздушным потоком выполнены в виде клапана.
5. Перфоратор по п.1, отличающийся тем, что каналы для пропускания воды выполнены в виде первичного канала для пропускания потока воды, предназначенного для подачи воды к бурильному инструменту, а также, по меньшей мере, одного вторичного канала для пропускания потока воды, предназначенного для смачивания указанных контактных поверхностей.
6. Перфоратор по п.5, отличающийся тем, что по меньшей мере один вторичный канал для пропускания воды сообщен с цилиндром.
7. Перфоратор по п.6, отличающийся тем, что цилиндр имеет приводную и возвратную полости, по меньшей мере один вторичный канал для пропускания воды сообщен с приводной полостью и с возвратной полостью.
8. Перфоратор по п.5, отличающийся тем, что в процессе работы перфоратора вода поступает внутрь цилиндра посредством перепада давлений, существующего между давлением воды, поступающей через входное отверстие для подвода воды, и давлением воздуха, находящегося в цилиндре.
9. Перфоратор по п.8, отличающийся тем, что цилиндр имеет приводную полость и возвратную полость, выполненные с возможностью введения в них воды в зависимости от того, какая из этих двух полостей на текущий момент является отсасывающей в результате наличия перепада давлений, существующего между давлением поступающей воды и давлением воздуха.
10. Перфоратор по п.1, отличающийся тем, что он содержит трубку Вентури, установленную в воздушном канале вблизи от входного отверстия для подвода воздуха, причем в состав системы каналов для пропускания воды входит также и соответствующий канал, сообщающийся с указанной трубкой Вентури, предназначенный для увлечения воды сжатым воздухом, поступающим в указанный цилиндр, и смачивания контактных поверхностей.
11. Перфоратор по п.4, отличающийся тем, что первая секция поршня ударного действия расположена в пределах ближайшей зоны поршня ударного действия, а цилиндр имеет соответствующие направляющие для поршня, которые расположены у его концов, ориентированных в продольном направлении, и в пределах которых обеспечивается соответствующая опора для поршня ударного действия.
12. Перфоратор по п.11, отличающийся тем, что цилиндр и первая секция поршня ударного действия имеют размеры, обеспечивающие небольшой кольцевой зазор между цилиндром и первой секцией поршня ударного действия.
13. Перфоратор по п.11, отличающийся тем, что направляющие для поршня ударного действия снабжены уплотнительными средствами.
14. Перфоратор по п.13, отличающийся тем, что каналы для пропускания воды выполнены с возможностью смачивания контактных поверхностей, находящихся на поршне ударного действия в непосредственной близости от уплотнительных средств, и из условия обеспечения всасывания воды поперек контактных поверхностей, находящихся на уплотнительных средствах, при возвратно-поступательном движении поршня ударного действия для обеспечения смазывания указанных контактных поверхностей.
15. Перфоратор по п.1, отличающийся тем, что снабжен ротационными средствами, обеспечивающими в процессе работы перфоратора вращение бурильного инструмента.
16. Перфоратор по п.15, отличающийся тем, что ротационные средства имеют, по меньшей мере, одну пару соответствующих контактных поверхностей, причем каналы для пропускания воды выполнены с возможностью подачи воды для смачивания соответствующих контактных поверхностей указанных ротационных средств.
17. Перфоратор по п.16, отличающийся тем, что ротационные средства содержат сцепное средство.
18. Перфоратор по п.17, отличающийся тем, что сцепное средство расположено в соответствующем отделении, которое сообщено с системой каналов для пропускания воды, причем указанное отделение выполнено с возможностью заполнения водой.
19. Перфоратор по п.17, отличающийся тем, что сцепное средство расположено в отделении, которое сообщено с контуром подачи сжатого воздуха, содержащего увлекаемую им воду.
20. Перфоратор по п.17, отличающийся тем, что сцепное средство выполнено в виде сцепного механизма с навитой пружиной.
21. Перфоратор по п.17, отличающийся тем, что сцепное средство выполнено в виде храпового механизма, состоящего из храпового колеса и собачек.
22. Перфоратор по п.15, отличающийся тем, что ротационные средства выполнены в виде соответствующего средства, совершающего поступательное движение и предназначенного для преобразования возвратно-поступательного движения поршня ударного действия во вращательное движение.
23. Перфоратор по п.22, отличающийся тем, что средства, совершающие поступательное движение, выполнены в виде соответствующего механизма со стержнем, имеющим спиральные нарезы.
24. Перфоратор по п.15, отличающийся тем, что ротационные средства выполнены в виде пневматического роторного двигателя.
25. Перфоратор по п.6, отличающийся тем, что в нем выполнен, по меньшей мере, один канал, обеспечивающий подвод увлажненного воздуха, выходящего из цилиндра, или воды к дополнительным контактным поверхностям для их смачивания.
26. Перфоратор по п.25, отличающийся тем, что содержит зажимное устройство, предназначенное для передачи вращательного движения бурильному инструменту, при этом указанный канал выполнен с возможностью подвода воды к соответствующим контактным поверхностям, расположенным на границе раздела между зажимным устройством и корпусом.
27. Перфоратор по п.25, отличающийся тем, что содержит зажимное устройство, предназначенное для передачи вращательного движения бурильному инструменту, при этом указанный канал выполнен с возможностью подвода воды к соответствующим контактным поверхностям, расположенным на границе раздела между поршнем ударного действия и зажимным устройством.
28. Способ эксплуатации пневматического перфоратора, содержащего бурильный инструмент, цилиндр, поршень ударного действия, выполненный с возможностью возвратно-поступательного движения внутри цилиндра, и имеющий, по меньшей мере, одну пару контактных поверхностей между частями, движущимися одна относительно другой, и границу раздела между ними, включающий подачу в перфоратор сжатого воздуха для возвратно-поступательного движения поршня ударного действия, подачу воды и ее выбрасывание через бурильный инструмент в пробуриваемую скважину с обеспечением смачивания упомянутых контактных поверхностей водой, отличающийся тем, что при смачивании упомянутых контактных поверхностей обеспечивают их смазывание путем подвода воды или воздуха, насыщенного водой, по меньшей мере, к границе раздела между поршнем ударного действия и цилиндром.
