Результат интеллектуальной деятельности: ПЕРФОРАТОР

Изобретение относится к горной и строительной промышленности и может быть использовано для бурения шпуров и скважин в любых многоструктурных породах с твердыми включениями, например, апатитонефелиновой руды.

Известно гидропневматическое устройство ударного действия (авторское свидетельство СССР №713969, опубл. 05.02.1980 г.), включающее корпус, боек с наконечником, рабочий и тормозной поршни, подпружиненный золотник, переливные и управляющие каналы.

Недостатком устройства является то, что данное устройство способно работать только в режиме отбойного молотка и не может быть использовано для бурения.

Известен двухпоршневой перфоратор (авторское свидетельство СССР №1460228, опубл. 23.02.1989 г.), включающий корпус, два поршня, кулачковую муфту, гранбуксу, воздухораспределительное устройство и уплотнительное кольцо.

Недостаток этого устройства состоит в том, что двухмассовый ударник, которым снабжен перфоратор, снижает вибрации, передаваемые на корпус, но не способно решать задачи по повышению кпд удара и интенсификации режимов бурения многоструктурных пород, состоящих из твердых и мягких компонентов.

Известен телескопический перфоратор (Васильев В.М. Перфораторы. М.: Недра, 1989, с. 48, 49) с промежуточным бойком, включающий породоразрушаюший инструмент, расположенный на штанге, корпус, воздухораспределительную систему, поршень-ударник, промежуточный боек, поворотный механизм, поворотную и концевую буксы.

Недостатком данного перфоратора является то, что неуправляемое перемещение промежуточного бойка снижает коэффициент полезного действия удара и усложняет конструкцию ствола корпуса перфоратора.

Известен перфоратор (патент РФ №2223378, опубл. 10.02.2004 г.), содержащий породоразрушающий инструмент, корпус, с размещенным в нем поворотным механизмом и сдвоенным поршнем-ударником, включающим основной и вспомогательный бойки, воздухораспределительную систему, поворотную и концевую буксы.

Недостатком устройства является нестабильность процесса нанесения «двойного» удара, т.к. после нанесения основного удара происходит заклинивание вспомогательного бойка в буксе, что нарушает стабильную работу перфоратора.

Известен перфоратор (патент РФ №2444602, опубл. 10.03.2012 г.), принятый за прототип, содержащий породоразрушающий инструмент, корпус, с размещенным в нем поворотным механизмом и сдвоенным ударником, включающим основной и вспомогательный бойки, воздухораспределительную систему, поворотную и концевую буксы, при этом вспомогательный боек имеет внутреннюю полость с упругим элементом, выполненную в виде сужающейся и расширяющейся частей, минимальный диаметр полости D принимают больше диаметра правой концевой части воздухопроводной трубки, а максимальный диаметр D₁ полости со стороны штанги выбирают из соотношения где S₁ - площадь контакта вспомогательного бойка со штангой; S₂ - площадь торцевого сечения штанги.

Недостатками данного устройства являются: изнашивание соприкасающихся поверхностей, в результате чего нарушается центрирование и возникает перекос вспомогательного бойка относительно поверхности буксы, что ведет к внецентренному «косому» удару последнего по штанге, с возможностью заклинивания вспомогательного бойка в буксе, что нарушает процесс «дребезга» и стабильную работу перфоратора; использование энергии сжатого воздуха для движения основного бойка, в результате чего в полости соударения вспомогательного и основного бойков создается высокое давление, что ведет к неконтролируемому движению вспомогательного бойка внутри этой полости.

Техническим результатом изобретения является обеспечение надежного процесса «дребезга» вспомогательного бойка между основным бойком и хвостовиком, а также предотвращение «залипания» вспомогательного бойка, между основным бойком и хвостовиком, путем контролируемого возвращения его в начальное положение для обеспечения необходимого зазора.

Технический результат достигается тем, что содержит хвостовик, установленный одним концом на подшипниках скольжения в корпусе, а выходным концом соединенный посредством составного из штанг бурового става с буровой коронкой, при этом поворотный механизм выполнен с приводом вращения, включающим гидродвигатель и редуктор, вспомогательный боек установлен в отверстии концевой буксы с возможностью перемещения вдоль своей продольной оси в нем, а концевая букса выполнена с установленным в ней постоянным магнитом, при этом концевая букса и вспомогательный боек выполнены из ферромагнетиков, а хвостовик и основной боек - из неферромагнетиков.

Устройство перфоратора поясняется следующими фигурами: фиг. 1 - перфоратор в момент начала рабочего хода основного бойка; фиг. 2 - вспомогательный боек для первого предложенного варианта; фиг. 3 - вспомогательные бойки в соединении с концевой буксой (буксой хвостовика), где:

1 - хвостовик;

2 - основной боек;

3 - вспомогательный боек;

4 - корпус;

5 - подшипники скольжения;

6 - выходной конец;

7 - выходной вал;

8 - редуцирующая шестерня;

9 - втулка вращения;

10 - муфта;

11 - система промывки бурового става;

12 - отверстие;

13 - осевое отверстие основного бойка;

14 - постоянный магнит;

15 - концевая букса;

16 - зона соударения;

17 - рабочая полость;

18 - уплотнение.

Перфоратор (фиг. 1) содержит породоразрушающий инструмент, состоящий из набора навинчиваемых штанг (наращиваемого бурового става) и коронки, навинчиваемые на хвостовик 1, по которому совершается удар сдвоенным ударником, состоящим из основного бойка 2 и вспомогательного бойка 3. Хвостовик установлен и центрируется шлицевым концом в корпусе 4 перфоратора на подшипниках скольжения 5, а выходной конец 6 имеет круглую резьбу, для навинчивания на него составного бурового става с коронкой. Поворотный механизм имеет собственный привод, вращение которого от выходного вала 7 гидродвигателя (геротора) передается через редуцирующую шестерню 8, втулку вращения 9 и муфту 10 к шлицевому концу хвостовика, чем обеспечивает независимое вращение всего породоразрушающего инструмента. Система промывки бурового става 11 осуществляется боковой подачей воды через отверстие 12.

Вспомогательный боек 3 (фиг. 2) имеет осевое отверстие основного бойка 13 для его облегчения и изготовлен из мартенситной стали для повышения его магнитных свойств, а также осуществления более точного и быстрого позиционирования в области «дребезга». Позиционирование вспомогательного бойка осуществляется постоянным магнитом 14 (фиг. 3), установленным внутри концевой буксы 15 (буксы хвостовика), которая демпфирует вибрации от забоя, причем высокое давление не создается в ее полости, чем и обеспечивает благоприятные условия для осуществления «дребезга» вспомогательного бойка. Для предотвращения попадания высокого давления в зону соударения 16 основного бока 2 и вспомогательного бойка 3 из рабочей полости 17 (фиг. 1) в буксу устанавливается уплотнение 18 (фиг. 3). Букса выполнена также из магнитной мартенситной стали (как и вспомогательный боек). Магнитные силы центрируют вспомогательный боек 3 таким образом, чтобы перед началом рабочего хода основного бойка обеспечивался зазор между хвостовиком и вспомогательным бойком от 3 до 5 мм, при этом штанга и основной боек должны быть изготовлены из немагнитной аустенитной стали.

Работа перфоратора осуществляется следующим образом. Рабочая жидкость из маслостанции гидравлической системы, под высоким давлением, поступает в рабочую полость 17 перфоратора, давит на торцевые выступы основного бойка 2, заставляя его двигаться слева навстречу вспомогательному бойку 3 и хвостовику 1. При этом высокое давление создается только в рабочей полости перфоратора, а в области соударения 16 и последующего «дребезга» избыточное давление отсутствует, тем самым создаются управляемые условия для нормальной работы ударной системы. Движение вспомогательного бойка 3 осуществляется в отверстии концевой буксы (буксы хвостовика) 15. При этом основной боек 2 наносит удар по вспомогательному бойку 3 и сообщает ему ударную энергию. Отскакивая от основного бойка 2, вспомогательный боек 3 наносит удар в торец хвостовика 1, и, отскакивая от него, соударяется опять со сближающимся основным бойком 2, далее повторяет свое движение к торцу хвостовика 1 уже с большей скоростью, благодаря сокращению длины хода вспомогательного бойка 3, тем самым производя серию повторяющихся высокочастотных кратковременных импульсных ударов - возникает эффект «дребезга». Рабочий ход основного бойка 2 заканчивается соединением (слипанием) всей ударной системы: основной боек - вспомогательный боек - хвостовик. Основной боек 2 отводится обратно в начальное положение, а вспомогательный боек 3 устанавливается в концевой буксе в положение 3-5 мм от хвостовика 1, тем самым заканчивая холостой ход ударной системы. Причем основной боек 2 не выходит за пределы отверстия концевой буксы 15, не прерывая тем самым контакт с уплотнением 18, которое исключает попадание избыточного давления в зону соударения 16 основного и вспомогательных бойков.

Для установки вспомогательного бойка 3 в начальное положение, в конце каждого холостого хода, он изготавливается из сплавов ферромагнетиков и с осевым отверстием 13 для облегчения. Поскольку вспомогательный боек 3 перемещается строго вдоль своей продольной оси и надежно центрируется в отверстии концевой буксы 15, а во время холостого хода устанавливается в начальное положение магнитными силами, создаваемыми постоянным магнитом 14, то исключаются такие неблагоприятные для «дребезга» явления, как «слипания» после соединения ударной системы (в конце рабочего хода) и перекоса во время серии высокочастотных импульсных ударов (во время рабочего хода), тем самым обеспечиваются центрированные удары и, как следствие, повышается коэффициент полезного действия перфоратора, а также снижается вибрация бурильной установки.

Помимо передачи ударного импульса, во время работы перфоратор осуществляет вращение породоразрушающего инструмента, передаваемое от гидродвигателя через выходной вал 7, редуцирующую шестерню 8, втулку вращения 9 с внешней зубчатой нарезкой и запрессованной в нее муфтой 10 с внутренней шлицевой нарезкой, соединяемой со шлицевым концом хвостовика, который передает крутящий момент закрепленному на выходном конце 6 с круглой резьбой породоразрушающему инструменту. Центрирование хвостовика и вращение его в неподвижном корпусе 4 осуществляется на подшипниках скольжения 5.

Очистка скважины от буровой мелочи осуществляется через систему промывки, путем подачи воды на буровой став (породоразрушающий инструмент) через отверстие 12 в гнезде промывки и отверстие 11 в хвостовике перфоратора.