CS552590A3 - Air-operated submersible drilling machine - Google Patents

Description

J3"23“-3o2> - 1 -

Vynález; se týká vysoce výkonného pneumatického ponornéhovrtacího nářadí. U ponorných vrtacích nářadí je tak jako u všeho pneumatic-kého úderného nářadí velikost instalovaného výkonu určena sou-činem energie úderu úderného pístu a jeho frekvence. Ty jsoudány především velikostí přívodního tlaku vzduchu, velikostíčinných ploch úderného pístu, na něž v horním a dolním pracov-ním prostoru pracovního válce střídavě působí stlačený vzduch,hmotností a zdvihem úderného pístu, použitým systémem plněnía vyfukování pracovních prostorů pracovního válce a detailnímtvarovým řešením jednotlivých dílů ponorného nářadí· dané velikosti přívodního tlaku vzduchu nelze velikost činných plochúderného pístu zvyšovat n_árůstem průměru pracovního válce, cožje obvyklé u jiných druhů pneumatického úderného nářadí. Prů-měrové omezení je zde dáno průměrem vrtu, nezbytně nutnou veli-kostí mezikruží mezi stěnou vrtu a vnějším průměrem ponornéhonářadí, potřebnou pro dokonalé vynášení vrtné drti výfukovýmvzduchem a nezbytně nutnou tlouštkou stěny pracovního válce.Prakticky jedinou známou a reálnou možností, jak výrazně zvý-šit činné plochy úderného pístu, je za těchto okolností tzv.tandemové uspořádání úderného pístu, které spočívá ve vytvořenízdvojených pracovních prostorů pracovního válce, přilehlých kedvěma a_xiálně za sebou vytvořeným hlavám pístu. Řešení je sicez hlediska instalovaného výkonu efektivní, ale velmi technolo-gicky a cenově náročné.. V důsledku opakovaných výrazných prů-řezových změn v podélné ose tandemového pístu však při rázovémnamáhání dochází v určitých místech pístu ke koncentraci napětí. z Úměrně úderná rychlosti pístu roste i velikost napětí v jehokritickém místě natolik, že při určité velikosti úderné rych-losti přesáhne velikost napětí únavovou pevnost materiálu pístua dochází k únavovým lomům. Pro vyšší přívodní tlaky vzduchua tomix odpovídající vysoké úderné, rychlosti je tedy tandemovéuspořádání úderného pístu již nepoužitelné.

Další omezení možnosti zvýšení instalovaného výkonu ponor- ných nářadí jsou dány systémem rozvodu stlačeného vzduchu? tedy použitým rozváděcím ústrojím a uspořádáním plnících a výfuko- vých kanálů, přivádějících stlačený vzduch do pracovních pro- storů válce. Běžně v praxi využívaných rozváděčích ústrojí je celá řada, např. rozvody destičkové, kroužkové, šoupátkové aklapkové. Jsou známa rovněž různá uspořádání bez samostatnéhorozvádecího orgánu, kde je stlačený vzduch do pracovních pro-stor válce rozváděn povrchem nebo vrtáním pístu. Plnící, vý-fukové a přepouštěcí kanály jsou zhotoveny ve stěnách válcenebo v jeho vložce, v pístu a čepu pístem procházejícím, pří-padně kombinací předchozích případů® Na plnění a výfuku se po-dílí i tvarové řešení vrtací korunky a součástí s korunkou spo-jených nebo na korunku navazujících. Každé z uvedených řešenímá své výhody i nedostatky, projevující se v technických para-metrech, technologii, konstrukci, ceně, živostnosti a dalšíchoblastech. Účelem všech těchto řešení je snaha o optimalizacipracovního cyklu pístu: vykonat zpětný zdvih v potřebné veli-kosti, zastavit píst bez rázu v horní úvrati a při následují-cím úderném zdvihu mu udělit požadovanou údernou rychlost, tovše v co nejkratším časovém intervalu a při minimální možnéspotřebě vzduchu. Zpětný zdvih pístu nekoná vnější práci,energie do něho vložená v rozběhové fázi zdvihu je v doběhovéčásti zmařena protitlakem. Z hlediska zvýšení výkonu je žá-doucí časový interval zpětného zdvihu co mošno zkrátit a tímzvýšit frekvenci pístu. To je možné docílit intenzívním brzdě-ním pístu v horní úvrati, např. kompresí. Vysoké kompresivnítlaky v prostoru úvrati po uzavření plnících kanálů hlavou pí-stu nejen zkrátí časový interval ubrzdění pístu, ale zároveňudělí pístu vysoké zrychlení při jeho rozběhu do úderného zdvi-hu. Kompresní prostor vytvořený v horní úvrati tedy umožní udě-lit pístu při zpětném zdvihu vyšší kinetickou energii, tu aku-mulovat a předat zdvihu údernému. Tímto způsobem je teoretickymožné při růstu frekvence úderů zároveň zvyšovat energii úderupístu, tedy zvýšit instalovaný výkon nářadí. Prakticky ovšemznačná část energie zpětného zdvihu akumulované v kompresnímprostoru uniká netěsnostmi pístu ve válci a odvodem tepla. Přirozběhu pístu do úderného zdvihu komprimovaný tlak expanduje a v okamžiku otevření kompresního prostoru se již v důsledkuztrát nevrací na původní hodnotu ze začátku komprese, ale kle-sá na hodnotu značně nižší. Po otevření kompresního prostorupři úderném zdvihu má píst v důsledku vysokého zrychlení jižznačnou rychlost a dochází tady k rychlé objemové změně horníhopracovního prostoru válce. Omezenými průtokovými průřezy plní-cích kanálů přitékající stlačený vzduch za těchto okolností

HHB SR

SB - 3 - nestačí doplňovat horní pracovní prostor válce a v celé zbývají-cí části úderného zdvihu je horní pracovní prostor válce plněnstlačeným vzduchem již méně hodnotně» To se negativně projevujenedostatečným růstem posuvové rychlosti pístu během zbývajícíčásti zdvihu a tedy i nedostatečnou údernou rychlostí a nedosta-tečnou energií úderu. Výsledný efekt akumulace energie zpětnéhozdvihu v kompresním, prostoru se vytrácí a účinnost přenosu ener-gie ze zpětného zdvihu do zdvihu úderného klesá. Výše uvedené nedostatky odstraňuje provedení pneumatickéhoponorného vrtacího nářadí podle vynálezu, sestávající z pracov-ního válce, úderného pistu, horního víka a držáku vrtací korun-ky. Podstata vynálezu spočívá v tom, že přední boční kanál vestěně horního pracovního prostoru pracovního válce, propojenýhorním plnícím kanálem a zadním bočním kanálem se zásobním pro-storem, vytvořeným v horním víku, a přední přepouštěcí kanál,propojený osovým kanálem osového čepu a zadním přepouštěcím ka-nálem s týmž zásobním prostorem, axiálně vymezují v horním pra-covním prostoru pracovního válce kompresní prostor, ohraničenývnitřní stěnou pracovního válce, předním čelem horního víka avnějším povrchem osového čepu. Při tom je výhodné, když hornívíko s osovým čepem a zabudovaným zásobním prostorem tvoří jedenmontážní celek, v němž je zabudován vodní ventil, sestávajícíz ventilová pružiny, ventilové koule a ventilového sedla vsaze-ného do zápichu ve vstupním kanálu, jehož průměr je větší nežprůměr ventilové koule.

Provedením pneumatického ponorného nářadí podle vynálezuje umožněno část kinetické energie zpětného zdvihu úderného pí-stu akumulovat v kompresním prostoru a účinně ji předat úder-nému pístu v jeho rozběhové fázi na začátku úderného zdvihu bezvýrazného poklesu tlaku vzduchu v horním pracovním prostoru pra-covního válce během pokračujícího úderného zdvihu. Potenciálnípokles tlaku vzduchu v horním pracovním prostoru pracovního vál-ce jako důsledek netěsnosti kompresního prostoru, odvodu teplaa nedostatečného průřezu horního plnícího kaoálu je kompenzovándoplňováním tlakového vzduchu ze zásobníku vzduchu pomocí pře-pouštěcích kanálů a dutiny osového čepu, zatím co stlačený vzduchz přívodního kanálu je do horního pracovního prostoru pracovníhoválce i zásobního prostoru přiváděn obvyklým způsobem hornímplnícím kanálem, časový interval zastavení a rozběhu pístu v dů-sledku vysokých kompresních tlaků je velmi krátký, což spolu splnohodnotným plněním horního pracovního prostoru během pokra- - 4 - dujícího úderného zdvihu znamená nárůst frekvence údernéhopístu při současném nárůstu jeho úderná rychlosti a tedy iúderná energie® Řešení dle vynálezu tak umožňuje výrazně zvý-šit instalovaný výkon ponorného nářadí® Řešení podle vynálezuje kompaktní, jednoduché, výrobně i cenově nenáročné a necitli-vé na provozní podmínky, obsluhu a údržbu® Lze použít pro vše-chny v úvahu přicházející přívodní tlaky vzduchu® Z hlediskamontáže a údržby je výhodné, když celé horní víko od připojo-vacího závitu nářadí až po osový čep tvoří jedinou celistvousoučást® Tato skutečnost umožňuje mimo jiná i bohatá dimenzo-váni horní závitové části pracovního válce, protože vzájemnápoloha horního víka a pracovního válce je axiálně vymezenavnějším čelem pracovního válce bez nutnosti dalšího vnitřníhoosazování a vytváření jakékoliv druhé vnitřní čelní plochypotřebné jinak v případě, že by bylo axiálně za sebou zabudo-váno částí několik. Příznivým důsledkem tohoto řešení je tedyi výrazné zvýšení životnosti jinak co do únavová pevnosti kri-tického místa a tím i celého ponorného nářadí® Řešení podle vy-nálezu tak zvyšuje instalovaný výkon ponorného nářadí při sou-časném zvýšení jeho životnosti® Do takto provedeného horníhovíka lze výhodně instalovat vodní ventil, zamezující vstupuvody do nářadí ve zvodnělých vrtech. Ventil je jednoduché kon-strukce, navíc je lehce demontovatelný pro vrtání v případě,že zaplavení nářadí vodou nehrozí, a to bez demontáže nářadí®

Na připojeném výkrese je znázorněn příklad provedení vrta-cího pneumatického ponorného nářadí podle vynálezu, a to v čás-tečném řezu jeho podélnou osou® V pracovním válci 1 je suvně uložen úderný píst 2_® Pra-covní vále€ 1^ je v horní části pomocí vnitřního závitu uzav-řen horním víkem 4, v dolní části je pracovní válec 1 uzavřenneznázorněným dolním víkem, ve kterém je upevněna neznázorněnávrtací korunka. Horní část horního víka £ opatřena připojo-vgcí m závitem 2 pro připevnění ponorného nářadí k neznázorněnévrtací trubce. Ve vstupním kanálu 6_ horního víka 4 je v zápichuuloženo elastické ventilové sedlo 7 tvořící dosed pro ventilo-vou kouli 8, kterou do ventilového sedla 7 přitlačuje ventilovápružina 9. Prostor, v němž je zabudována ventilová koule 8 aventilová pružina £, je propojen šikmými kanály 10, převáděcímzápichem 11 a přívodním kanálem 12 s rozvádecím zápichem lj - 5 - úderného pístu 2_. V ose úderného pístu 2. je zhotoven axiálnívýfukový otvor 14. Ve stěně pracovního válce 1 je zhotoven dol-ní plnící kanál 15 propojený do neznázorněného dolního pracov-ního prostoru pracovního válce 1,. Ve stěně pracovního válce 1je rovněž zhotoven horní, plnící kanál 16, propojený přednímbočním kanálem 17 s horním pracovním prostorem 18 pracovníhoválce 1, a zadním bočním kanálem 19 s radiálním kanálem 20 azásobním prostorem 21 horního víka 4. Zásobní prostor 21 jevytvořen v horním víku 4 jako dutina, obklopující osový čep 22¾upevněný v horním víku 4. V osovém čepu 22 je zhotoven osovýkanál 23. propojený předním přepouštěcím kanálem 24 s hornímpracovním prostorem 18 pracovního válce 1_, a zadním přepouště-cím kanálem 25 se zásobním prostorem 21. Přední čelo 26 horníhovíka 4 uzavírá horní pracovní prostor 18 pracovního válce 1. V horní části horního pracovního prostoru 18 je vytvořen kom-presní prostor, ohraničený předním čelem 26 horního víka 4,vnitřní stěnou pracovního válce 1 a vnějším povrchem osovéhočepu 22. Axiálně je kompresní prostor ve směru od zadního čela2J_ úderného pístu 2_ omezen horními hranami předního bočního ka-nálu 17 a předního přepouštěcího kanálu 24.. Při pohybu údernéhopístu 2 směrem vzad k přednímu čelu 26 je kompresní prostor pozakrytí předního bočního kanálu 17 a předního přepouštěcíhokanálu 24 uzavírán zadním čelem 27 úderného pístu 2,. Přivedením stlačeného vzduchu do ponorného nářadí otevřeventilová koule 8 průtok stlačeného vzduchu do šokmých kanálů10, převáděcího zápichu 11, přívodního kanálu 12 a rozváděcíhozápichu 13. Z rozváděcího zápichu 13 je podle okamžité polohyúderného pístu 2 stlačený vzduch veden bu<3 dolním plnícím kaná-lem 15 do neznázorněného dolního pracovního prostoru pracov-ního válce 1 a nebo dle znázornění polohy úderného pístu 2 hor-ním plnicím kanálem 16 do horního pracovního prostoru 18 pra-covního válce 1. Úderný píst 2 je tak obvyklým způsobem urych-lován vpřed a vzad. Po úderu na neznázorněnou vrtací korunkuv dolní úvrati svého pracovního zdvihu je úderný píst 2_ urych-lován tlakem v ne znázorněném dolním pracovním prostoru pracov-ního válce 1 směrem vzad k přednímu čelu 26 horního víka 4. Při určité velikosti zpětného zdvihu rozváděči zápich 13 úder-ného pístu 2 uzavře přívod stlačeného vzduchu do neznázorně-néhodolního pracovního prostoru pracovního válce 1, Při pokračují- - 6 - cím zpětném zdvihu po uzavření výfukového otvoru 14 osovým če-pem 22 úderný píst 2 svým rozváděcím zápichem 13 otevře průtokstlačeného vzduchu do horního plnícího kanálu 16 a odtud před-ními bočními kanály 17 do horního pracovního prostoru 18 pracov-ního válce 1. Zároveň je stlačený vzduch horním plnícím kanálem16, zadním bočním kanálem 19 a radiálním kanálem 20 přiváděni do zásobního prostoru 21» Tlak vzduchu v horním pracovním pro-storu 18 a zásobním prostoru 21 je vyrovnáván pomocí předníhopřepouštěcího kanálu 24, osového kanálu 23 a zadního přepouště-cího kanálu 25. Úderný píst 2 je při zpětném zdvihu ubrzňovánpůsobením stlačeného vzduchu v horním pracovním prostoru 18na své zadní čelo 27. V určitá fázi zpětného zdvihu otevře ne-znázornená dolní část úderného pístu 2 obvyklým způsobem ne-znázorněný výfukový kanál z neznázorněnáho dolního pracovníhoprostoru válce. Úderný píst 2 setrvačností pokračuje ve zpět-ném brzděném zdvihu, až poblíž horní úvrati vnější povrch úder-ného pístu 2_ uzavře přední boční kanál 17 a zároveň přední pře-pouštěcí kanál 24. V další fázi zpětného zdvihu je úderný píst 2_ubržcíován kompresí v kompresním prostoru, vytvořeném přednímČelem 26 horního víka 4, vnitřním povrchem horního pracovníhoprostoru 18 pracovního válce 1,vnějším povrchem osového čepu 22a zadním čelem 27 úderného pístu 2_. V kompresním prostoru stoupátlak tak dlouho, až dojde k úplnému zastavení úderného pístu 2.v horní úvrati poblíž předního čela 26. V důsledku kompresníhotlaku je od tohoto okamžiku úderný píst 2 urychlován směrem vpředdo úderného zdvihu. Během celé této fáze pohybu úderného pístu 2.je horním plnícím kanálem 16, zadním bočním kanálem 19 a radi-álním kanálem 20 stlačený vzduch přiváděn do zásobního prostoru21 včetně prostorů zadního přepouštěcího kanálu 25,osového ka-nálu 23 a předního přepouštěcího kanálu 24. Tlak vzduchu v kom-presním prostoru udělí údernému pístu 2_ vysoké zrychlení, takžev okamžiku otevření předního bočního kanálu 17 a předního pře-pouštěcího kanálu 24 má úderný píst 2. již značnou posuvovou ry-chlost. Během pohybu úderného pístu 2_ v rozsahu kompresníhoprostoru dochází vlivem netěsností vnějšího průměru údernéhopístu 2_ ve vnitřním povrchu pracovního válce 1 a netěsností vý-fukového otvoru 14 na vnějším povrchu osového čepu 22 k únikůmurčitého množství komprimovaného vzduchu z kompresního prostoru. - 7 -

Spolu s odvodem tepla povrchem kompresního prostoru má únik ne-těsnostmi za následek určitý pokles tlaku vzduchu v kompresnímprostoru, takže hodnota tlaku vzduchu v kompresním prostoru jena konci komprese výrazně nižší, než byla hodnota tlaku vzduchuv kompresním prostoru na začátku komprese» Tato skutečnost, spoluse značnou posuvovou rychlostí úderného pístu 2 v okamžiku otev-ření kompresního prostoru a tím způsobenou rychlou objemovouzměnou horního pracovního prostoru 18., by při neexistujícímzásobním prostoru 21 vedla k nedokonalému plnění horního pra-covního prostoru 18 v celé zbývající etapě úderného zdvihu» Při řešení dle vynálezu je však stlačený vzduch ze zásobníhoprostoru 21 plnohodnotně naplněného během trvání kompresníhozdvihu dosazfiván zadním přepouštěcím kanálem 25« osovým kanálem23 a předním přepouštěcím kanálem 24 do horního pracovního pro-storu 18, kde spolu se stlačeným vzduchem přiváděným do horníhopracovního prostoru 18 horním plnícím kanálem 16 a předním boč-ním kanálem 17 postačí dokonale horní pracovní prostor 18 napl-nit. Během pokračujícího úderného zdvihu je tedy horní pracovníprostor 18 plně_n dostatečně a údernému pístu 2. lze tak udělitpožadované zrychlení, rychlost a energii úderu» V důsledku vy-sokých kompresních tlaků je interval zastavení a rozběhu úder-ného pístu 2. v horní úvrati velmi krátký, což zvyšuje frekvenciúderů. Doplňováním tlaku ze zásobního prostoru 21 lze dosáhnoutvysoké úderné energie úderného pístu 2. a tak výrazně zvýšitinstalovaný výkon ponorného nářadí. Způsobem dle vynálezu lzetedy úmyslně udělit pístu při zpětném zdvihu vyšší energii, nežu dosud známých řešení, tu akumulovat v kompresním prostoru aúčinně ji předat údernému pístu 2. při úderném zdvihu.

Claims (3)

- 8 - PATENTOVE i 3L tj í ~ * > °o < oro χκ Jz >? ϊ>m >'D-< n i .. . rJ I NÁROKY _o X kO o 7>^ST2r-j ZS1oo0Π , rx

1. Pneumatické ponorné vrtací nářadí, sestávající z pracovníhoválce, úderného pístu, horního víka a držáku vrtací korunky,vyznačené tím, že přední boční kanál (17) ve stěně horníhopracovního prostoru (18) pracovního válce (1), propojenýhorním plnícím kanálem (16) a zadním bočním kanálem (19)se zásobním prostorem(2}), vytvořeným v horním víku (4),a přední přepouštěcí kanál (24), propojený osovým kanálem(23) osového čepu (22) a zadním přepcustěcím kanálem (25)s týmž zásobním prostorem (21), axiálně vymezují v hornímpracovním prostoru (18) pracovního válce (1) kompresní pro-stor, ohraničený vnitřní stěnou pracovního válce (1), před-ním čelem (26) horního víka (4) a vnějším povrchem osovéhočepu (22)o

2· Pneumatické ponorná vrtací nářadí podle bodu 1, vyznačenétím, že horní víko (4) s osovým čepem (2^) a zabudovanýmzásobním prostorem (21) tvoří jeden montážní celek»

3. Pneumatická ponorné vrtací nářadí podle bodu 1, vyznačenétím, že v horním víku (4) je zabudován vodní ventil, sestá-vající z ventilové pružiny (9), ventilové koule (8) aventilového sedla (7) vsazeného do zápichu ve vstupním ka-nálu (6), jehož průměr je větší než průměr ventilové kou-le (8). za I

Seznam vztahových značek: 1 - pracovní válec 2 - úderný píst 3 - vnitřní závit 4 - horní víko 5 - připojovací závit 6 - vstupní kanál 7 - ventilové sedlo 8 - ventilová koule 9 - ventilová pružina 10 - šikmé kanály 11 - převáděcí zápich 12 - přívodní kanál 13 - rozváděči zápich 14 - výfukový otvor 15 - dolní plnící kanál 16 - horní plnící kanál 17 - přední boční kanál 18 - horní pracovní prostor 19 - zadní boční kanál• 20 -radiální kanál 21.- zásobní prostor 22 - osový čep 23 - osový kanál 24 - přední přepouštěcí kanál 25 - zadní přepouštěcí kanál 26 - přední čelo 27 - zadní čelo λΛ3Γ80ν i H,dZ31VNAA O'ddovsn OS íx b 0 8SJ S 0 fj ti 8 δ d « I.’ il