PL166941B1 - Zanurzalny pneumatyczny zespól wiertniczy PL - Google Patents

Abstract

1 . ZANURZALNY PNEUMATYCZNY ZESPÓL WIERTNI- CZY, ZAWIERAJACY ROBOCZY CYLINDER, UDERZAJACY TLOK, GÓRNE WIEKO I OPRAWE KORONKI WIERTLA, ZNAMIENNY TYM, ZE PRZEDNI BOCZNY KANAL (17) W SCIANIE GÓRNEJ PRZESTRZENI ROBOCZEJ (18) ROBO- CZEGO CYLINDRA (1), LACZACEGO SIE POPRZEZ GÓRNY DOPROWADZAJACY KANAL (16) I TYLNY BOCZNY KA- NAL (19) Z MAGAZYNOWA PRZESTRZENIA (21), UTWO- RZONA W GÓRNYM WIEKU (4) I PRZEDNI OBEJSCIOWY KANAL (24), LACZACY SIE POPRZEZ OSIOWY KA- NAL (22) I TYLNY OBEJSCIOWY KANAL (25) DO WSPO- MNIANEJ MAGAZYNOWEJ PRZESTRZENI (21) OSIOWO WYKRESLAJA WE WSPOMNIANEJ GÓRNEJ ROBOCZEJ PRZESTRZENI (18) ROBOCZEGO CYLINDRA (1) PRZE- STRZEN SPREZANIA, OGRANICZONA WEWNETRZNA SCIANA WSPOMNIANEGO ROBOCZEGO CYLINDRA (1), PRZEDNIA CZOLOWA POWIERZCHNIA (26) WE WSPOMNIANYM GÓRNYM WIEKU (4) I ZEWNETRZNA POWIERZCHNIA WSPOMNIANEGO OSIOWEGO KOLKA (22). PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest zanurzalny pneumatyczny zawór wiertniczy, przeznaczony do pracy w ciężkich warunkach roboczych.

W przypadku zanurzalnych zespołów wiertniczych i wszystkich odmian pneumatycznych urządzeń udarowych, wartość mocy zainstalowanej określa się iloczynem udarowej energii tłoka i częstości ruchów tłoka. Parametry takie określa się przede wszystkim wartością ciśnienia powietrza doprowadzanego, rozmiarem czynnych powierzchni tłoka, naprzemiennie podlegających działaniu powietrza sprężonego w górnej i dolnej przestrzeni cylindra roboczego, ciężarem i skokiem uderzającego tłoka, zastosowanym układem napełniania i opróżniania przestrzeni tłoka roboczego i wreszcie konstrukcją szczegółowych kształtów poszczególnych części urządzenia. Przy danej wartości dostarczanego ciśnienia powietrza, rozmiar czynnych powierzchni tłoka nie może być zwiększony przez powiększenie średnicy cylindra roboczego, tak jak zwykle ma to w innych odmianach pneumatycznych urządzeń udarowych. Ograniczenie występuje tutaj z powodu średnicy otworu wierconego, a zewnętrzna średnica zespołu wiertniczego również nakłada to ograniczenie, bo między ścianą a zespołem trzeba zachować pierścieniową przestrzeń dla urobku wiertniczego, unoszonego powietrzem odlotowym. W tych warunkach praktycznie jedynym, znanym i możliwym sposobem znacznego zwiększenia czynnych powierzchni udarowego tłoka jest stosowanie ustawienia posobnego tłoka, polegającego na tym, że robocze cylindrowe powierzchnie, obok dwóch osiowo ustawionych głowic tłokowych, podwaja się. Przy mocy zainstalowanej uwzględnionej odpowiednio, układ taki jest efektywny, lecz jest raczej technologicznie skomplikowany i kosztowny. Dzięki wielu zmianom przekroju poprzecznego wzdłuż osi tłoka posobnego, występuje zwiększenie naprężeń, które skupiają się w niektórych miejscach tłoka, gdy jest on wystawiony na działanie udaru. Proporcjonalnie do udarowej prędkości tłoka, rośnie także naprężenie w jego miejscach krytycznych i osiąga taką wartość, że przy konkretnej prędkości udarowej, naprężenie może przekroczyć wytrzymałość na zmęczenie materiału tłoka, przy czym występuje pęknięcie zmęczeniowe. Jest to powodem, że przy stosunkowo dużych wartościach ciśnienia powietrza sprężonego i wynikających z tego dużych prędkościach udaru, posobny układ tłokowy nie może być stosowany.

Innymi ograniczeniami mocy zainstalowanej urządzeń zanurzalnych są układy rozdziału powietrza sprężonego, tj. układ napełniania i usuwania, aby odpowiednio kanałami doprowa166 941 dzać sprężone powietrze do przestrzeni roboczych cylindra i usuwać je z nich. Praktycznie, stosuje się wiele układów rozdziału. takich jak rozdzielacze płytowe. pierścieniowe. suwakowe i klapowe. Ponadto są znane układy bez jakichkolwiek osobnych układów rozdzielczych. przy czym robocze przestrzenie zasila się sprężonym powietrzem wzdłuż lub poprzez otwór tłoka. Ściana ma w cylindrze odpowiednio kanał wlotowy, wylotowy i obejściowy. albo w jego wykładzinie. w tłoku lub w kołku skośnie przesuniętym. albo stosuje się łącznie oba te sposoby. Zasilająca i odlotowa funkcja jest częściowo realizowana koronką wiertniczą lub częściami z nią połączonymi lub współpracującymi z nią. przy czym wspomniane części mają specjalne kształty. przystosowane do tego celu. Powyższe przykłady wykonania mają swoje wady i zalety. co wyraża się parametrami technicznymi. technologią. konstrukcją. ceną. trwałością. etc. Celem tych propozycji jest optymalizacja cyklu skokowego tłoka. co oznacza otrzymywanie skoku powrotnego w potrzebnym zakresie. aby zatrzymać tłok w górnym punkcie zwrotnym bez uderzenia oraz nadać mu konieczną prędkość udarową dla następnego skoku udarowego. przy czym wszystko to w małym przedziale czasu. tak małym jak to możliwe oraz przy minimalnym zapotrzebowaniu powietrza. Podczas tego suwu powrotnego. tłok nie wykonuje pracy. a energia jaką otrzymał na starcie marnuje się w końcowej fazie z powodu przeciwciśnienia. Aby zwiększyć wydajność zespołu. zaleca się skracać przedział czasu suwu skoku powrotnego możliwie maksymalnie. przy czym odpowiednio zwiększa się częstość tłoka. Można to uzyskiwać. gdy silnie hamuje się tłok w jego górnym punkcie zwrotnym. na przykład za pomocą sprężania. Duże wartości sprężania powietrza. występujące w obszarze punktu zwrotnego po zamknięciu wlotowych kanałów głowicą tłoka. nie tylko skracają okres hamowania tłoka. lecz też nadają tłokowi jednocześnie duże przyspieszenie. gdy rozpoczyna się ruch udarowy tłoka. Przestrzeń sprężania. tworzona w górnym punkcie zwrotnym. umożliwia to. że tłok otrzymuje większą energię kinetyczną skoku powrotnego i gromadzi ją oraz wykorzystuje przy starcie skoku udarowego. Można tym sposobem teoretycznie. razem z częstotliwością udarową tłoka. także zwiększać jego energię. przez co rośnie moc zainstalowana zespołu. Jednak w , praktyce. znaczna część energii skoku powrotnego. zgromadzona w przestrzeni sprężania. rozprasza się z powodu przecieku między tłokiem a cylindrem oraz z powodu usuwania ciepła. Gdy tłok zaczyna swój skok udarowy. sprężone powietrze rozpręża się. a w chwili otwarcia przestrzeni sprężania. ciśnienie nie zostaje przywrócone z powodu takich strat oraz jego pierwotna wartość z początku sprężania spada do wartości zasadniczo mniejszej. Po otwarciu przestrzeni sprężania podczas skoku udarowego. dzięki dużemu przyspieszeniu. tłok osiągnął już dużą prędkość. wobec czego występuje stosunkowo szybka zmiana objętości górnej roboczej przestrzeni w cylindrze. W tych warunkach. sprężone powietrze. doprowadzane przez blokowane profile kanałów doprowadzających nie wystarcza. aby ponownie napełnić górną roboczą przestrzeń cylindra. tak że podczas pozostałej fazy skoku udarowego przestrzeń ta jest niezupełnie zasilana sprężonym powietrzem. Pogarsza to prędkość tłoka przy jej wzrastaniu podczas pozostałej fazy skoku i ujemnie działa na energię i prędkość udarową. Końcowy wynik gromadzenia energii podczas skoku powrotnego traci się. a sprawność przekazu energii od powrotnego skoku do skoku udarowego spada.

Zanurzalny pneumatyczny zespół wiertniczy. który ma roboczy cylinder. uderzający tłok. górne wieko oraz oprawkę koronki wiertła. według wynalazku. polega na tym. że przedni boczny kanał w ścianie górnej roboczej przestrzeni cylindra roboczego. połączonego poprzez górny doprowadzający kanał i tylny boczny kanał z przestrzenią magazynową utworzoną w górnym wieku oraz przedni obejściowy kanał połączony poprzez osiowy kanał w osiowym kołku i tylny obejściowy kanał do wspomnianej magazynowej przestrzeni. określają osiowo przestrzeń sprężania we wspomnianej górnej przestrzeni roboczej. ograniczoną wewnętrzną powierzchnią ściany roboczego cylindra. przednią powierzchnią górnego wieka i przez zewnętrzną powierzchnię wspomnianego osiowego kołka. Górne wieko razem z osiowym kołkiem i wbudowana magazynowa przestrzeń dla montażowej grupy. w której umieszcza się zawór wodny. zawierają sprężynę zaworu. kulkę zaworu i gniazdo zaworu. wkładane do wnęki we wlotowym kanale. którego średnica jest większa niż średnica kulki zaworu.

166 941

Zespół według wynalazku umożliwia, że część energii kinetycznej powrotnego skoku tłoka, może być gromadzona we wspomnianej przestrzeni sprężania i jest skutecznie przekazywana do tłoka przy początku skoku udarowego bez jakiegokolwiek wyraźnego spadku ciśnienia powietrza we wspomnianej górnej powierzchni roboczej, gdy wykonuje się nadal skok udarowy. Potencjalny spadek ciśnienia powietrza w górnej roboczej przestrzeni, powodowany nieszczelnością przestrzeni sprężania, usuwaniem ciepła i niewystarczającym profilem górnego doprowadzającego kanału, kompensuje · się dodaniem sprężonego powietrza od przestrzeni magazynowej poprzez kanały obejściowe i wnękę kołka osiowego. Natomiast sprężone powietrze od zasilającego kanału przekazuje się do wspomnianej górnej roboczej przestrzeni i magazynowej przestrzeni zwykłym sposobem, górnym doprowadzającym kanałem. Ze względu na duże sprężenia, przedział czasu odpowiednio zatrzymywania i uruchomienia tłoka jest bardzo krótki, co razem z właściwym napełnieniem górnej roboczej przestrzeni podczas skoku udarowego oznacza przyrost częstotliwości tłoka oraz większą prędkość udarową i moc. W ten sposób rozwiązanie według wynalazku umożliwia istotne zwiększenie mocy zainstalowanej zanurzalnego pneumatycznego zespołu wiertniczego. Zespół ma budowę zwartą, prostą i jest tani w produkcji oraz nie podlega działaniu warunków roboczych, jak również nie wymaga czynności obsługowych w celu konserwacji. Ponadto, zespół może pracować przy dowolnych dostępnych rodzajach zasilania pneumatycznego. Odnośnie do montażu i konserwacji jest korzystne, aby całe górne wieko, od połączeniowego gwintu do kołka osiowego, było integralne z korpusem zespołu. Przede wszystkim umożliwia to nadanie różnych wymiarów gwintowanej górnej części cylindra roboczego, bo względne położenie wspomnianego górnego wieka i roboczego cylindra jest osiowo określone zewnętrzną powierzchnią, roboczego cylindra bez konieczności dodatkowego połączenia wzmacniającego i tworzenia innej wewnętrznej powierzchni czołowej, która w wypadku montowania kilku części, osiowo jednej za drugą, byłaby nieodzowna.

Korzystną cechę zespołu stanowi również to, że zespół ma zwiększoną trwałość, zwłaszcza dzięki większej wytrzymałości na zmęczenie części krytycznej, a odpowiednio do tego zespołu, jako całości. Można wobec tego twierdzić, że rozwiązanie według wynalazku umożliwia jednoczesne zwiększanie zainstalowanej mocy zanurzalnego zespołu wiertniczego pneumatycznego oraz jego trwałości.

Korzystnie, do górnego wieka zespołu można zainstalować zawór wodny, aby zapobiegać przenikaniu wody do wnętrza zespołu, gdy zespół działa w pokładach wodonośnych. Zawór taki ma prostą budowę i można go łatwo usuwać w wypadkach, gdy zespół nie ma zagrożenia infiitracją wodną. W tych przypadkach, zespół nie musi być demontowany.

Rozwiązanie według wynalazku zostanie bliżej objaśnione w przykładzie wykonania na rysunku, na którym jest przedstawiony zanurzalny pneumatyczny zespół wiertniczy, w przekroju osiowym.

Jak przedstawiono na rysunku, uderzający tłok 2 jest założony tak, aby wykonywał ruch postępowo-zwrotny wewnątrz roboczego cylindra 1. Jego górna część jest zamknięta wiekiem górnym 4 za pomocą gwintu wewnętrznego 3, a jego dolna część jest zamknięta dolnym wiekiem (nie pokazanym), w którym przytrzymuje się koronkę wiertła (nie pokazaną). Górna część wspomnianego górnego wieka 4 mą połączeniowy gwint 5, aby sprzęgać zespół z rurą okładzinową (nie pokazaną). We wlotowym· kanale 6 górnego wieka 4 jest zagłębienie, w którym zakłada się elastyczne gniazdo zaworowe 7, tworzące podporę dla zaworowej kulki 8, popychanej zaworową sprężyną 9 do wspomnianego · zaworowego gniazda 7. Przestrzeń, która mieści zaworową kulkę 8 i sprężyna zaworowa· 9 łączą się poprzez skośne kanały 10, zasilające wnękę 11 i zasilający kanał l2 z rozdzielczą wnęką 13 w uderzającym tłoku 2. W osi uderzającego tłoka 2 jest osiowy wylotowy otwór. Ściana roboczego cylindra 1 ma dolny zasilający kanał 15, który łączy się z górną roboczą przestrzenią 18 cylindra roboczego poprzez przedni boczny kanał 17 oraz poprzez tylny boczny kanał 19 do promieniowego kanału 20 i magazynowej przestrzeni 21, która jest w dolnym· wieku 4. Magazynowa przestrzeń 21 obejmuje osiowy kołek 22, umocowany w górnym wieku 4. Kołek 22 ma osiowy kanał 23, który

166 941 łączy się poprzez przedni obejściowy kanał 24 z górną roboczą przestrzenią 18 roboczego cylindra 1 oraz poprzez tylny obejściowy kanał 25 z magazynową przestrzenią 21. Przednia czołowa powierzchnia 26 górnego wieka 4 zamyka górną roboczą przestrzeń 18 roboczego cylindra 1. W górnej części górnej roboczej przestrzeni 18 jest sprężeniowa przestrzeń, ograniczona przednią czołową powierzchnią 26 górnego wieka 4, wewnętrzną ścianą roboczego cylindra 1 i zewnętrzną powierzchnią osiowego kołka 22. W kierunku przeciwnym do tylnej powierzchni 27 uderzającego tłoka 2, sprężeniowa przestrzeń jest określona górnymi brzegami przedniego bocznego kanału 17 i przedniego obejściowego kanału 24. Podczas ruchu uderzającego tłoka w tył, przednia powierzchnia czołowa 26, potem jak pokryte zostały przedni boczny kanał 17 i przedni obejściowy kanał 24, zostaje zamknięta tylną powierzchnią czołową 27 uderzającego tłoka 2.

Po doprowadzeniu sprężonego powietrza do zespołu, kulka zaworowa 8 pozwala na doprowadzenie tego powietrza do skośnych kanałów 10, zasilającej wnęki 11, zasilającego kanału 12 i rozdzielczej wnęki 13. Zależnie od chwilowego położenia uderzającego tłoka 2, sprężone powietrze płynie od rozdzielczej wnęki 13 albo przez dolny doprowadzający kanał 15 do dolnej roboczej przestrzeni roboczego cylindra 1 (nie pokazanej), albo odpowiednio do położenia tłoka, pokazanego na rysunku, do górnej roboczej przestrzeni 18 roboczego cylindra 1 poprzez górny doprowadzający kanał 16.. W ten sposób ruch prostoliniowy postępowo-zwrotny uderzającego tłoka 2 zostaje przyspieszony. Po uderzeniu koronki wiertła (nie pokazanej) w dolnym punkcie zwrotnym jego skoku, uderzający tłok 2 jest przyspieszany ciśnieniem w nie pokazanej dolnej roboczej przestrzeni roboczego cylindra 1 w jego powrotnym ruchu do przedniej powierzchni czołowej 26 górnego wieka 4. W określonej długości skoku powrotnego, rozdzielcza wnęka 13 uderzającego tłoka 2 odcina zasilanie sprężonego powietrza do nie pokazanej dolnej roboczej przestrzeni roboczego cylindra 1. Gdy powrotny skok trwa nadal po zamknięciu wylotowego otworu 14 osiowym kołkiem 22, uderzający tłok 2 zezwala na przepływ sprężonego powietrza w górnym doprowadzającym kanale 16 za pomocą swojej rozdzielczej wnęki 13 oraz od niego przednimi bocznymi kanałami 17 do górnej roboczej przestrzeni 18 roboczego cylindra 1. Jednocześnie sprężone powietrze doprowadza się górnym doprowadzającym kanałem 16, tylnym bocznym kanałem 19 i promieniowym kanałem także do magazynowej przestrzeni 21. Ciśnienie powietrza w górnej roboczej przestrzeni 18 i magazynowej przestrzeni 21 kompensuje się za pomocą przedniego obejściowego kanału 24 promieniowego kanału 23 i tylnego obejściowego kanału 25. Podczas swojego powrotnego skoku, uderzający tłok 2 jest hamowany sprężonym powietrzem, działającym na jego tylną powierzchnię 27 w górnej roboczej przestrzeni 18. W określonej fazie powrotnego skoku, nie pokazana dolna część uderzającego tłoka 2 otwiera w zwykły sposób, nie pokazany, wylotowy otwór, który znajduje się w nie pokazanej dolnej roboczej przestrzeni cylindra. Dzięki bezwładności, uderzający tłok 2 wykonuje nadal swój hamowany powrotny skok dopóty, dopóki nie zamknie przedniego bocznego kanału 17, obok górnego punktu zwrotnego, jak również przedniego obejściowego kanału 24. Podczas następnej fazy powrotnego skoku, uderzający tłok 2 jest hamowany sprężaniem powietrza w przestrzeni, określonej przednią czołową powierzchnią 26 górnego wieka 4, wewnętrzną powierzchnią górnej roboczej przestrzeni 18 roboczego cylindra 1, zewnętrzną powierzchnią osiowego kołka 22 i tylną czołową powierzchnią 27 uderzającego tłoka 2. W tej sprężeniowej przestrzeni, ciśnienie rośnie dopóty, dopóki uderzający tłok 2 nie stanie w górnym punkcie zwrotnym, obok przedniej powierzchni czołowej 26. Dzięki sprężeniu, uderzający tłok 2 przyspiesza od tej chwili w ruchu do przodu, tj. w górę do uderzenia. W tej fazie ruchu tłoka dostarcza się sprężone powietrze górnym doprowadzającym kanałem 16, tylnym bocznym kanałem 19 oraz promieniowym kanałem 20 do magazynowej przestrzeni 21, obejmującej przestrzenie tylnego obejściowego kanału 25, promieniowy kanał 23 oraz przedni obejściowy kanał 24. Ciśnienie powietrza przestrzeni sprężeniowej nadaje uderzeniowemu tłokowi 2 duże przyspieszenie, tak aby w chwili otwarcia przedniego bocznego kanału 17 i przedniego obejściowego kanału 24, uderzający tłok 2 miał znaczną prędkość. Podczas ruchu uderzającego tłoka 2 występuje ujście pewnej objętości sprężonego powietrza z przestrzeni sprężania z powodu nieszczelności, powstającej przez luz

166 941 między zewnętrzną ścianą tłoka 2 a wewnętrzną ścianą roboczego cylindra 1, jak również z powodu przecieku wylotowego otworu 14 w osiowym kołku 22.

Oprócz usuwania ciepła poprzez powierzchnię przestrzeni sprężania, takie ujście powietrza powoduje spadek ciśnienia w tej przestrzeni, tak że wartość ciśnienia powietrza w niej jest zasadniczo mniejsza przy końcu sprężania niż na jego początku. Fakt ten razem z poprzednio wspomnianą dużą prędkością uderzającego tłoka 2 w · chwili otwarcia przestrzeni sprężania i nagłą zmianą pojemności górnej roboczej przestrzeni 21 do niedokładnego napełniania górnej roboczej przestrzeni 18, która z tego wynika, prowadziłby przy braku magazynowej przestrzeni do niedokładnego napełniania górnej roboczej przestrzeni 18 w całej pozostałej fazie skoku udarowego. Jednak dzięki rozwiązaniu według wynalazku, sprężone powietrze zostaje wycofane z magazynowej przestrzeni 21, napełnionej podczas sprężeniowego skoku i dostarczanego tylnym obejściowym kanałem 25, osiowym kanałem 23 i przednim obejściowym kanałem 24 do górnej roboczej przestrzeni 18, gdzie razem ze sprężonym powietrzem, doprowadzanym do górnej roboczej .przestrzeni 18 poprzez górny doprowadzający kanał 16 i boczny kanał 17, wystarcza dla całkowitego napełnienia górnej roboczej przestrzeni 18. Gdy nadal trwa skok udarowy, górna robocza przestrzeń 18 wystarczająco napełnia się, tak że uderzający tłok 2 otrzymuje potrzebne przyspieszenie, prędkość i energię udarową. Dzięki stosunkowo dużej wartości sprężania, okresy zatrzymania i uruchomienia uderzającego tłoka 2 w górnym punkcie zwrotnym są bardzo krótkie, przez co częstość uderzeń rośnie. Przez dodanie ciśnienia za pomocą wycofania sprężonego powietrza z magazynowej przestrzeni 21 można wytworzyć stosunkowo dużą energię uderzającego tłoka 2, przez co zainstalowana moc zanurzalnego· zespołu jest zasadniczo zwiększana. W rozwiązaniu według wynalazku, tłok pozostaje umyślnie pod działaniem większej energii podczas jego ruchu powrotnego niż to zwykle występuje w znanych zespołach tego rodzaju, przy czym zgromadzona energia w przestrzeni sprężania zostaje doprowadzona do uderzającego tłoka podczas jego skoku udarowego.

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 1,00 zl.

Claims (3)

Zastrzeżenia patentowe

1. Zanurzalny pneumatyczny zespół wiertniczy, zawierający roboczy cylinder, uderzający tłok, górne wieko i oprawę koronki wiertła, znamienny tym, że przedni boczny kanał (17) w ścianie górnej przestrzeni roboczej (18) roboczego cylindra (1), łączącego się poprzez górny doprowadzający kanał (16) i tylny boczny kanał (19) z magazynową przestrzenią (21), utworzoną w górnym wieku (4) i przedni obejściowy kanał (24), łączący się poprzez osiowy kanał (23) w osiowym kołku (22) i tylny obejściowy kanał (25) do wspomnianej magazynowej przestrzeni (21) osiowo określają we wspomnianej górnej roboczej przestrzeni (18) roboczego cylindra (1) przestrzeń sprężania, ograniczoną wewnętrzną ścianą wspomnianego roboczego cylindra (1), przednią czołową powierzchnią (26) we wspomnianym górnym wieku (4) i zewnętrzną powierzchnią wspomnianego osiowego kołka (22).

2. Zespół według zastrz. 1, znamienny tym, że górne wieko (4) razem z osiowym kołkiem (22) i wbudowaną magazynową przestrzenią (21) tworzą grupę montażową.

3. Zespół według zastrz. 1, znamienny tym, że górne wieko (4) zawiera zawór wodny, który ma sprężynę zaworu (9), kulkę zaworu (8) i gniazdo zaworu (7), włożone do wnęki we wlotowym kanale (6), którego średnica jest większa niż średnica wspomnianej kulki zaworu (8).