CC BY
30
УДК 622. 233. 53
ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ПОГРУЖНОГО ПНЕВМОУДАРНИКА С ТРЕХСТУПЕНЧАТЫМ УДАРНИКОМ
Сергей Евгеньевич Алексеев
Институт горного дела им. Н.А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, старший научный сотрудник, тел. (383)217-09-63, e-mail: Alex@misd.nsc.ru
Даньяр Иванович Кокоулин
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)217-01-13, e-mail: konstruktor430@yandex.ru
Описаны особенности погружных пневмоударников для бурения скважин в породах средней и высокой крепости. Рассмотрены некоторые конструктивные элементы этих машин. Показаны возможности повышения надежности пневмоударников в различных условиях эксплуатации. Приведены примеры конкретных конструкций машин и некоторые результаты их исследований.
Ключевые слова: скважина, энергия удара, мощность, надежность, энергоноситель, рабочая площадь, воздухораспределение, ударник, схема.
IMPROVEMENT OF RELIABILITY OF DOWNHOLE AIR HAMMER WITH THREESTEP STRIKING PART
Sergei E. Alekseev
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Senior Researcher, tel. (383)217-09-63, e-mail: Alex@misd.nsc.ru
Dan'yar I. Kokoulin
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Candidate of Engineering Sciences, Senior Researcher, tel. (383)217-01-13, e-mail: konstruktor430@yandex.ru
The authors describe features of downhole air hammers for medium and hard rock drilling. Some structural elements of the machines are examined. It is shown how to improve reliability of air hammers in different operating conditions. Examples are given of specific designs of the machines, and some testing results are reported.
Key words: hole, blow energy, capacity, reliability, energy-carrier, effective area, airrdistri-bution, striking part, scheme.
В различных отраслях промышленности и, особенно, в горном деле широко применяются машины ударного действия, которые способны создавать в контакте инструмента с обрабатываемой породой силы в сотни раз превышающие усилия в опорных устройствах машин. Это достигается преобразованием энергии, подводимой к машине в дискретную последовательность ударных импульсов. Такие машины принято считать силовыми импульсными системами.
Наибольшее распространение при добыче полезных ископаемых, как в нашей стране, так и за рубежом получили импульсные системы ударного действия, работающие на текучем энергоносителе - сжатом воздухе, жидкости под давлением или их смеси. Они используются при бурении скважин в прочных породах на подземных и открытых горных работах (погружные пневмо-, гидроударники и расширители скважин), для селективного отделения полезного ископаемого от массива (экскаваторные ковши активного действия), для разрушения негабаритов и проведения специальных строительных и демонтажных работ (пневмо- и гидромолоты), а также во многих других.
В России до настоящего времени на большинстве горнодобывающих предприятиях рабочим давлением сжатого воздуха остается давление 0,4 - 0,6 МПа. Развитие буровой техники, в частности пневмоударников, осуществляется в основном за счет совершенствования их конструкции. Не смотря на большое количество разработок в этой области, конструктивные резервы существенного повышения мощности остаются. Для повышения мощности погружных пнев-моударников большое значение имеет величина рабочей площади ударника для осуществления как холостого, так и рабочего хода. Поскольку диаметр буримой скважины жестко лимитирует величину диаметра корпуса пневмоударника, увеличение рабочей площади ударника не простая задача. В этой связи представляется важным, насколько полно используется площадь поперечного сечения полости корпуса для образования рабочих площадей ударника при осуществлении холостого и рабочего ходов. В большинстве конструкций это использование отнюдь не полное и составляет 50 ... 90 %.
Для более полного использования пространства скважины для создания рабочих площадей ударника нужно чтобы ударник хотя бы в одном своем сечении имел площадь равную площади поперечного сечения полости корпуса. Однако в пневмоударнике необходимо образование камер холостого и рабочего хода, системы подвода и выхлопа воздуха. Конструктивно это может быть выполнено с созданием ударника ступенчатой формы.
Ударник это наиболее ответственная деталь пневмоударника. Он находится под давлением сжатого воздуха со стороны рабочих камер и должен иметь хорошую подвижность при достаточно высоких скоростях движения (9- 11 м/с). Поэтому в конструкции посадочные поверхности ударника и ответных деталей должны быть выполнены с возможность достаточной герметизации рабочих камер и обеспечения надежной подвижности при работе в трудных загрязненных условиях. При увеличении числа ступеней ударника предъявляются повышенные требования к несоосности их поверхностей и, как следствие, повышение требований к точности изготовления, что влечет к существенному удорожанию изготовления. При наличии у ударника трех ступеней и более эти проблемы стоят более остро.
В ИГД СО РАН разработана принципиальная схема, обеспечивающая 100 %-е использование площади поперечного сечения полости корпуса для создания рабочих площадей ударника, как на холостом, так и на рабочем ходу, что является основой повышения мощности погружного пневмоударника (рис. 1)
[1, 2]. Это схема беззолотниковой машины закрытого типа, обладающей наилучшей износостойкостью и имеющий выхлоп всего отработанного воздуха на забой скважины. Закрытый беззолотниковый тип пневмоударника, как показала мировая практика, в настоящее время наиболее востребован.
12 3 4 5 6 7
Рис. 1. Схема пневмоударника П150:
1 - букса; 2 - камера холостого хода; 3 - уплотнительные кольца;
4 - гильза; 5 - гильза; 6 - корпус; 7 - стакан.
По данной схеме спроектирован погружной пневмоударник П150, серийно выпускаемый АО «Серовский механический завод». Ударник машины имеет три ступени с посадочными поверхностями.
Для повышения надежности пневмоударника в конструкцию введена гильза 4, охватывающая переднюю ступень ударника 5 и имеющая в этом месте подвижную, но достаточно плотную посадку Н8/е7. Наружная поверхность гильзы 4, контактирующая с поверхностью буксы 1, выполнена по посадке Н9/с8 с гораздо большим зазором, обеспечивающим возможность некоторого перемещения гильзы 4 в радиальном направлении при движении ударника 5. Гильза 4 имеет люфт и в осевом направлении. Это позволяет избежать образование задиров на поверхности ударника, обеспечить более надежную его работу, а также снизить требования к точности выполнения к точности выполнения посадочных поверхностей ударника 5, корпуса 6, стакана 7. Для герметизации камеры холостого хода 2 гильза 4 снабжена уплотнительными кольцами 3.
В ИГД СО РАН также разработана принципиальная схема погружного пневмоударника, с полной площадью ударника для осуществления рабочего хода. Ударник машины также имеет три ступени с посадочными поверхностями (рис. 2) [3,4,5]. Это схема закрытого беззолотникового пневмоударника с выхлопом всего отработанного воздуха на забой скважины. Беззолотниковый тип воздухораспределения позволяет рационально использовать энергию расширения сжатого воздуха. Система адаптирована к использованию повышенного рабочего давления энергоносителя до 1,8 МПа. Увеличение производительности пневмоударников повышенного давления происходит за счет увеличения ударной мощности. Увеличивается как энергия единичного удара, так и частота ударов. При увеличении энергии удара увеличиваются и напряжения в ударни-
ке, поэтому важно, чтобы ударник имел достаточно простую форму с минимальным количеством перфораций. В предложенной схеме у ударника нет, каких либо внутренних каналов, что обеспечивает большую его надежность [6].
1 2 3456789 10 11 12
Рис. 2. Схема пневмоударника П165:
1 - буровая коронка; 2 - расточка; 3 - ударник; 4 - корпус; 5 - кольцевая полость камеры рабочего хода; 6 - разрезная втулка; 7 - уплотнительное кольцо; 8 - стопор; 9 - камера холостого хода постоянного давления; 10 - воздухораспределительная гильза; 11 - торцевая полость камеры рабочего хода; 12 - переходник
По данной схеме разработан малогабаритный пневмоударник АШ43 [7] и пневмоударник П165, нашедший применение при геологоразведочном бурении у условиях ООО «Комплексная геология и бурение».
Во время работы сжатый воздух через каналы в переходнике 12 и воздухораспределительной гильзе 10 поступает в камеру холостого хода постоянного давления 9. В зависимости от положения ударника 3 происходит периодический впуск в полости камеры рабочего хода (полости 5 и 11) через камеру холостого хода 9 и периодический выхлоп из них через расточку 2 в корпусе 4 и далее через канал в буровой коронке 1 на забой скважины. Во время опорожнения камеры рабочего хода, сила, действующая на ударник 3 со стороны камеры холостого хода 9, становится преобладающей, за счет чего осуществляется холостой ход. Совершая возвратно-поступательное движение, ударник 3 в конце каждого рабочего цикла наносит удар по торцу буровой коронки 1. Разрезная втулка 6 охватывает среднюю меньшую ступень ударника 3 по достаточно плотной, но подвижной посадке Н8/е7. Контакт разрезной втулки 6 с поверхностью воздухораспределительной гильзы 10 осуществляется по посадке Н9/с8 с гораздо большим зазором, обеспечивающим возможность некоторого перемещения разрезной втулки 6 в радиальном направлении при движении ударника 3. Избежать перетекание сжатого воздуха из камеры холостого хода 9 в полость 5 позволяет уплотнительное кольцо 7. От выдавливания разрезной втулки 6 в полость 5 предотвращает стопор 8. Такое устройство обеспечивает надежную работу пневмоударника.
Рис. 3. Исследование пневмоударника П165 на вертикальном стенде ГД251 Опытный образец пневмоударника П165 прошел исследования в лабораторных условиях. Исследования осуществлялось на вертикальном стенде (рис. 3) путем записи осциллограмм давлений в полостях камеры рабочего хода и в камере холостого хода постоянного давления. Использовался также удароотметчик
При обработке диаграмм по известной методике [8]. были определены основные энергетические параметры пневмоударника, которые составили: диаметр буримой скважины - 165 мм, диаметр корпуса - 140 мм, длина без коронки - 740 мм, масса без коронки - 53 кг, масса ударника - 16 кг, рабочее давление - 0,6 ... 1,2 Мпа, энергия удара (при 0,6 Мпа) - 250 Дж, частота ударов (при 0,6 Мпа) - 20 с-1, ударная мощность (при 0,6 Мпа) - 5 кВт, расход воздуха (при 0,6 Мпа) - 10 м3/мин.
После доводки пневмоударник П165 передан ООО «Комплексная геология и бурение» для эксплуатации. В декабре 2015 г. набурено 1312 пог. метров скважин с сохранение работоспособности. Отмечались хороший запуск и устойчивая работа пневмоударника.
Таким образом, создание в одной из посадок трехступенчатого ударника возможности радиального перемещения в период его движения позволяет обеспечить надежную работу пневмоударника.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. А.с. № 977756 СССР, МКИ Е21С 3/24. Погружной пневмоударник / С.Е. Алексее, В.Д. Петухов и др.// Бюл. № 44, 1982.
2. П.м. № 16376 РФ, МКИ Е21В 1/30. Погружной пневмоударник / С.Е. Алексеев, ГА. Пятнин и др.// Бюл. № 36, 2000.
3. Патент. РФ № 2090730. Погружной пневматический ударный механизм / С.Е. Алексеев // Опубл. в БИ - 1997.- № 26.
4. Патент. РФ № 2343266. Погружной пневмоударник / А.А. Репин, С.Е. Алексеев, Г.А. Пятнин //Опубл. В БИ - 2009. - № 1.
5. П.м. № 121854 РФ. Погружной пневмоударник. / А.А. Репин, С.Е. Алексеев, В.Н. Карпов // Опубл. БИ - 2012. - № 31.
6. Repin A.A., Alekseev S.E., Timonin V.V., Karpov V. N.Analysis of the compressed air distribution in down-the-hole. Reports of the XXIIIintemational scientificsymposium «MINER'S WEEK - 2015», 26-30 January, 2015, рр.475-482.
7. Алексеев С.Е., Тимонин В.В., Кокоулин Д.И., Шахторин И.О., Кубанычбек Б. Создание малогабаритного погружного пневмоударника для проходки исследовательских скважин // Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук. - 2015. - № 2.
8. Есин Н.Н. Методика исследования и доводки пневматических молотков. Новосибирск. Редакционно-издательский отдел Сибирского отделения АН СССР. 1965.
© С. Е. Алексеев, Д. И. Кокоулин, 2016
