Способ возврата рабочих элементов клапанных ударных машин

(51) 21 4/00 (2009.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ Технический результат изобретения - повышение долговечности и коэффициента полезного действия клапанных ударных машин. Для этого в клапанной ударной машине,включающей осуществление рабочими элементами прямого хода под действием энергии перекрытого клапаном прямого потока текучей среды, отсечку клапана с последующим восстановлением прямого потока текучей среды и возврат в исходное положение рабочих элементов, прямой поток текучей среды преобразуют обратный поток и направляют этот поток на оппозитно расположенные этому потоку парусные участки рабочих элементов.(56) Эпштейн Е.Ф., Ясов В.Г., Бурение скважин гидроударниками и пневмоударниками.М. Недра,1967, рис. 28(54) СПОСОБ ВОЗВРАТА РАБОЧИХ ЭЛЕМЕНТОВ КЛАПАННЫХ УДАРНЫХ МАШИН 23024 Изобретение относится к области горных машин,в частности к гидроударным машинам,используемым для ударно-вращательного бурения. Известен способ возврата рабочих элементов клапанной ударной машины (Эпштейн Е.Ф., Ясов В.Г. Бурение скважин гидроударниками и пневмоударниками.-М.Недра,1967,рис.5),включающий осуществление рабочими элементами прямого хода под действием энергии перекрытого клапаном прямого потока текучей среды, отсечку клапана с последующим восстановлением прямого потока текучей среды и возврат в исходное положение рабочих элементов за счет энергии пружин, сжатых при прямом ходе. Основным недостатком известного способа возврата рабочих элементов клапанных ударных машин является то, что срок службы пружин мал. Кроме того, часть гидравлической энергии тратится на взведение пружины, что служит причиной снижения коэффициента полезного действия ударной машины. Известен способ возврата рабочих элементов клапанной ударной машины (Эпштейн Е.Ф., Ясов В.Г. Бурение скважин гидроударниками и пневмоударниками.-М. Недра, 1967,рис. 28),включающий осуществление рабочими элементами прямого хода под действием энергии перекрытого клапаном прямого потока текучей среды, отсечку клапана с последующим восстановлением прямого потока текучей среды и возврат в исходное положение рабочих элементов за счет избыточного давления текучей среды на дифференциальные поршни рабочих элементов. Основным недостатком известного способа возврата рабочих элементов клапанной ударной машины является малая долговечность клапанного поршня, так как избыточная площадь его соединена с затрубным пространством, откуда при возвратнопоступательных перемещениях клапана поступает текучая среда, обогащенная буровым шламом,истирающим трущиеся поверхности. Кроме того,резкое повышение давления в текучей среде после отсечки клапана вызывает торможение ударника,что служит причиной снижения коэффициента полезного действия ударной машины. Задачей изобретения является разработка способа возврата рабочих элементов клапанных ударных машин,позволяющего повысить долговечность и коэффициент полезного действия клапанных ударных машин. Для этого при возврате рабочих элементов ударной машины прямой поток текучей среды преобразуют на обратный поток и направляют этот поток на оппозитно расположенные этому потоку парусные участки рабочих элементов. В частных случаях исполнения из тупиковых рабочих полостей ударных машин эжектируют текучую среду и суммируют е с прямым потоком текучей среды. Реализация предлагаемого способа возврата рабочих элементов ударных машин показана на рабочих элементах, представленных ниже схем рабочих элементов, где на фиг.1 представлена схема 2 тарельчатого клапана на фиг. 2-схема трубчатого клапан - поршня на фиг. 3 - схема ударника на фиг.4 - схема ударник- поршня. Схема тарельчатого клапана клапанной ударной машины (фиг. 1) содержит корпус 1, внутри которого имеется ограничитель 2 хода клапана 3 с шипами 4. Клапан 3 расположен в направляющей гильзе 5, оканчивающейся юбкой 6 и имеющей соединительные каналы 7, а также опоры 8 клапана 3. Юбка 6 располагается над клапанным преобразователем потока 9, представляющим собой расположенные в корпусе отражательные гнзда,имеющие в поперечном сечении форму полуокружности, в пределы которой вписаны сечения каналов прямого и отраженного потоков. Между нижним торцом 10 клапана 3 и верхним торцом поршневой части 11 ударник - поршня имеется зазор 12 (называемый свободным ходом) при нижнем положении рабочих элементов после завершения обоими рабочими элементами прямого хода. Корпус 1 имеет канал 13 подачи текучей среды в полость, имеющую расположенные аксиально сопла 14, под которыми расположены смесительные камеры 15 с диффузорами 16,состыкованными с отражательными гнздами клапанного преобразователя потока 9. В корпусе имеется тупиковая рабочая полость 17 (в дальнейшем - полость 17), сообщающаяся со смесительными камерами 15 посредством каналов 7. Схема трубчатого клапан - поршня клапанной ударной машины (фиг. 2) содержит корпус 1, внутри которого расположен трубчатый клапан-поршень 18 с верхним торцом 19, над которым при нижнем положении рабочих элементов на конструктивном расстоянии расположено седло 20 ударника 21. Под цилиндровой частью корпуса располагается полость 17, которая связана соединительными каналами 7 со смесительной камерой 15, соединенной, в свою очередь, с диффузорм 16. Между хвостовиком ударника 21 и каналом трубчатого клапан - поршня 18 имеется кольцевой канал 22. В нижнем положении трубчатый клапан-поршень 18 своим нижним торцом 10 состыкован с верхним торцом наковальни 23, имеющей преобразователь потока 24, представляющий собой кольцевую канавку,имеющую в поперечном сечении форму полукруга. Между наружной поверхностью наковальни и корпусом имеется кольцевой канал 25 для прохода прямого потока в сторону забоя скважины после отражения от нижнего торца клапан - поршня. Схема ударника клапанной ударной машины(фиг. 3) включает корпус 26, внутри которого расположен ударник 27 ступенчатой конструкции,состоящий из головки 28, зауженного участка 29 и расширенного участка, имеющего снизу парусный участок 30. В сборе вокруг ударника 27 образуется продольный кольцевой канал 31 (в дальнейшем канал 31) ступенчатой конструкции в зависимости от формы оппозитных поверхностей ударника 27 и корпуса 26. Головка 28 находится в полости 17,сообщающейся посредством соединительных каналов 7 со смесительным камерами 15,имеющими сверху сопла 14, а снизу - диффузоры 23024 16, состыкованные с отражательными гнздами клапанного преобразователя потока 9, оппозитно которым расположен парусный участок 30. В случае использования более тяжлого ударника в корпусе дополнительно монтируется корпусный преобразователь потока, представляющий собой выступ корпуса 32, в котором имеются аксиально расположенные трубчатые преобразователи направления потока 33, выходные отверстия которых повернуты в сторону новых парусных участков 30. Остальные элементы, указанные на фиг. 3 идентичны приведнным выше. Схема ударник - поршня клапанной ударной машины (фиг.4) включает расположенный в корпусе ударник-поршень 34, вокруг поршневой части 11 которого под цилиндром корпуса имеется полость 17, сообщающаяся соединительными каналами 7 со смесительной камерой 15, образованной под нижним торцом канала поршневой части 11 ударник- поршня. Под смесительной камерой расположен диффузор 16, выходной канал которого расположен над бассейном 35 поперечного преобразователя 36 прямого потока в обратный через выходные каналы 37, против которых имеются парусные участки 30. Поперечный преобразователь 36 закреплен на корпусе и пропущен через поперечный паз 38 ударниковой части ударник - поршня 34. В случае использования более тяжелых ударник - поршней ниже поперечного паза 38 могут быть расположены один или более того корпусных преобразователей потока, описанного выше. Остальные элементы,указанные на фиг.4 идентичны приведнным выше. На представленных схемах латинской буквойобозначен свободный ход рабочего элемента,буквой У - величина рабочего хода рабочего элемента на фигурах 1 - 3 с левой стороны показано верхнее положение рабочих элементов, а с правой стороны нижнее положение рабочих элементов стрелками показано направление движения текучей среды. Реализация способа возврата тарельчатого клапана (в дальнейшем клапана) клапанной ударной машины (фиг. 1) происходит следующим образом. По мере посадки шипов 4 клапана 3 на опоры 8 и образования зазора 12 (см. правую сторону фиг. 1) на величинумежду нижним торцом 10 клапана 3 и верхним торцом поршневой части 11 ударник поршня(не показанного на фигуре) восстанавливается прямой поток текучей среды,который поступает из канала 13 в сопла 14 и далее в смесительные камеры 15. Прямой поток текучей среды в смесительной камере взаимодействует с текучей средой, находящейся в ней и переносит е далее в диффузор 16, а унеснное количество текучей среды из смесительной камеры 15 восполняется за счет эжектирования текучей среды из полости 17 через соединительные каналы 7. Суммарный прямой поток текучей среды через диффузоры поступает в отражательные гнезда клапанного преобразователя 9, в котором происходит преобразование прямого потока в обратный и воздействует на оппозитно расположенный нижний торец 10 клапана 3, вследствие чего тарельчатый клапан 3 возвращается в исходное положение и ожидает возврата в верхнее положение ударник - поршня (см. левую сторону фиг. 1). При этом клапан 3 упирается в ограничительный выступ 2. Таким образом, при возврате на клапан 3 снизу действует динамический напор обратного потока текучей среды и подъмная сила, возникающая за счет того, что давление в тупиковой рабочей камере 17 снижается по сравнению с таковым в подклапанной зоне за счет эжектирования текучей среды из полости 17. При прямом ходе рабочих элементов ввиду перекрытия канала поршневой части 11 отсутствует прямой поток текучей среды ниже смесительных камер 15,поэтому текучая среда поступает в полость 17 через соединительные каналы 7 и рабочие элементы совершают рабочий ход до момента отсечки клапана по мере перемещения на величину хода клапана У. В дальнейшем цикл повторяется. Реализация способа возврата трубчатого клапан поршня 18 клапанной ударной машины описана ниже. По мере завершения прямого хода рабочих элементов за счт энергии перекрытого клапаном прямого потока текучей среды с образованием зазора 12 (см. правую сторону фиг. 2), вследствие чего восстанавливается прямой поток текучей среды в кольцевом канале 22. Этот поток, поступая в смесительную камеру 15,осуществляет эжектирование через соединительные каналы 7 текучую среду из полости 17, создавая в ней пониженное давление. Следуя далее в диффузор 16 суммарный прямой поток поступает в кольцевую канавку преобразователя потока 24 наковальни 23 и,отражаясь создает обратный поток, динамически воздействующий на нижний торец клапан - поршня 18, являющийся по сути парусным участком,расположенным оппозитно кольцевой канавке преобразователя потока 24. Под воздействием динамического напора обратного потока и подъмной силы, возникающей за счет того, что давление в полости 17 ниже, чем в подклапанной полости, клапан 18 поднимается в исходное положение до момента взаимодействия с седлом 20 ударника 21 (см. левую сторону фиг. 2), то есть рабочие элементы займут верхнее исходное положение и рабочий цикл ударной машины повторится. Обычно при такой конструкции клапана ударник 21 занимает верхнее положение раньше, так как путь клапана превосходит путь ударника на 2 Х(внизи вверх ), кроме совместного хода равного У. Реализация способа возврата ударника (фиг. 3) ударной машины описана ниже. После осуществления прямого хода известным способом рабочие элементы занимают положения, показанные на правой стороне фиг. 3, то есть между седлом 20 ударника 27 и торцом 19 клапан - поршня 18 образуется зазор, равный величине , поэтому восстанавливается прямой поток текучей среды в сторону забоя скважины через кольцевой канал 22 и канал 31. Вследствие этого прямой поток текучей среды, поступая через расположенные вокруг полости 17 сопла 14 в смесительные камеры 15,3 23024 осуществляет эжектирование текучей среды из полости 17 через соединительные каналы 7. Суммарный поток текучей среды поступает в диффузор 16 и далее в клапанный преобразователь потока 9, из которого обратный поток воздействует на оппозитно расположенный парусный участок 30 головки 28 ударника 27 и перемещает последний в направлении исходного положения,представленного на левой стороне фиг. 3. Кроме динамического воздействия обратного потока текучей среды на головку 28 действует и подъемная сила избыточного давления текучей среды в кольцевом зазоре 31 по сравнению с таковым в полости 17,из которой осуществляется эжектирование текучей среды. В тех случаях, когда установлены корпусные преобразователи потока ниже головки 28 с образованием новых зауженных участков 29 и новых парусных участков 30 на ударнике, прямой поток текучей среды, следующий по каналу 31 поступает в трубчатые преобразователи направления потока 33,расположенные аксиально в выступе корпуса 32, в которых изменяется направление потока. Отраженный поток воздействует на парусные участки 30 и создает дополнительную подъемную силу, воздействующую на ударник 27. Под воздействием упомянутых выше сил ударник 27 возвращается в исходное верхнее положение до момента взаимодействия с ограничителем 2 и ожидает возврата клапан поршня 18,перекрывающего кольцевой канал 22, вследствие чего рабочий цикл ударника 27 повторяется. Реализация способа возврата ударник - поршня клапанной ударной машины в исходное положение(фиг. 4) происходит следующим образом. После осуществления прямого хода ударник-поршень 34 занимает положение, показанное на фиг.4, то есть между нижним торцом 10 клапана 3 и верхним торцом поршневой части 11 ударник - поршня образуется зазор, равный величине(свободному ходу). Благодаря этому восстанавливается прямой поток текучей среды через канал поршневой части 11, являющийся соплом 14, из сопловой части которого прямой поток текучей среды поступает в смесительную камеру 15, соединенную каналами 7 с полостью 17,из которой осуществляется эжектирование текучей среды. Вследствие этого в этой полости происходит снижение давления по сравнению с давлением в смесительной камере 15,что является причиной возникновения дифференциальной подъемной силы, направленной вверх. Прямой поток текучей среды суммируется с эжектируемым потоком и по диффузору 16 поступает в бассейн 35 поперечного преобразователя потока 36, из которого через выходные каналы 37, направленные вверх,обратный поток воздействует на парусные участки 30, отражаясь от которых текучая среда, обтекая ударниковую часть ударник - поршня 34, по каналу 31 следует в сторону забоя в виде прямого потока. При движении вверх ударник-поршень 34,благодаря наличию паза 38, перемещается вверх относительно поперечного преобразователя потока 36, закрепленного на корпусе. В случае использования тяжелых ударник - поршней идентично описанному выше может быть дополнительно установлен корпусной преобразователь потока (один или более). Таким образом под воздействием динамических и дифференциальных подъемных сил ударникпоршень вернется в верхнее исходное положение до момента смыкания с нижним торцом 10 клапана 3,возвращающегося в исходное положение раньше ударник - поршня, имеющего большую длину хода по сравнению с таковым клапана, ввиду необходимости дважды совершать свободный ход. В дальнейшем рабочий цикл ударной машины повторится. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ возврата рабочих элементов клапанных ударных машин,включающий осуществление рабочими элементами прямого хода под действием энергии перекрытого клапаном прямого потока текучей среды, отсечку клапана с последующим восстановлением прямого потока текучей среды и возврат в исходное положение за счет энергии потока текучей среды, отличающийся тем, что при возврате рабочих элементов ударной машины прямой поток текучей среды преобразуют на обратный поток и направляют этот поток на оппозитно расположенные этому потоку парусные участки рабочих элементов. 2 Способ возврата рабочих элементов клапанных ударных машин по п. 1, отличающийся тем, что из тупиковых полостей ударных машин эжектируют текучую среду и смешивают е с прямым потоком текучей среды.