RU2109906C1

RU2109906C1 - Immersible percussive machine

Info

Publication number: RU2109906C1
Application number: RU96114098A
Authority: RU
Inventors: А.А. Липин; И.В. Мезенцев; В.И. Марус; С.А. Зима
Original assignee: Институт горного дела СО РАН
Priority date: 1996-07-04
Filing date: 1996-07-04
Publication date: 1998-04-27

Abstract

FIELD: bore-hole drilling machinery and equipment. SUBSTANCE: this relates to devices intended for percussive-rotary drilling of bore-holes and it can be used in geological prospecting, hydrogeology, and in mining industry. Percussive machine is versatile with respect to energy carrier and it reliably operates on gas-liquid mixture such as aerated liquid, water, sandy mud of high density, and this widens its operating potentialities. Machine has body with sleeve, adapter with rod, union with anvil, striker which divides body space into direct stroke chamber and return stroke chamber. Also provided is system for distributing energy carrier among chambers having stepped feed-discharge valve with sealing member in the form of resilient-flexible ring which is secured on rod and is resting on valve end. Fluid flow lines are of feed, return, discharge, and control functions. Valve is provided with guide ribs made on outer surface which are resting on inner surface of body. EFFECT: higher efficiency. 2 dwg

Description

Предлагаемая ударная машина относится к буровой технике, а именно к погружным устройствам для ударно-вращательного бурения скважин и может найти применение в геологоразведке, бурения на воду, в горном деле. The proposed percussion machine relates to drilling equipment, namely to submersible devices for rotational shock drilling of wells and can find application in geological exploration, water drilling, and mining.

Известна погружная ударная машина для бурения скважин (а.с. N 1654564), содержащая корпус с гильзой, ударник, разделяющий полость корпуса на камеры прямого и обратного хода, систему распределения энергоносителя по рабочим камерам, содержащую кольцевой питающе-разрядный клапан, шток с разрядными каналами, гильзу с питающим и командным трактом и сливной канал в ударнике и наковальне. A well-known submersible percussion machine for drilling wells (a.s. N 1654564), comprising a body with a sleeve, a drummer dividing the body cavity into forward and reverse cameras, an energy distribution system for working chambers containing an annular feed-discharge valve, a rod with discharge channels, a sleeve with a supply and command path and a drain channel in the drummer and anvil.

Наличие в распределительной системе машины питающе-разрядного клапана предполагает снижение противодавления в камере при движении ударника на всем пути обратного хода. Это обуславливает повышение ударной мощности и коэффициента полезного действия машины. Однако ей присущи такие недостатки, как низкая надежность работы клапана при наличии инородных твердых частиц в виде пыли, песка, например, в энергоносителе, так как разделение полостей высокого и низкого давления осуществляется сопряжением двух цилиндрических поверхностей (клапана и гильзы). Кроме того, отсчета потока энергоносителя в камеру рабочего хода клапаном осуществляется наружной поверхностью последнего, путем перекрытия отверстий в гильзе, что обуславливает большой ход клапана и повышенный расход энергоносителя. The presence in the distribution system of the machine of a feed-discharge valve implies a decrease in back pressure in the chamber when the striker moves along the entire return path. This leads to an increase in shock power and efficiency of the machine. However, it has such disadvantages as low reliability of the valve in the presence of foreign solid particles in the form of dust, sand, for example, in the energy carrier, since the separation of the cavities of high and low pressure is carried out by interfacing two cylindrical surfaces (valve and sleeve). In addition, the countdown of the flow of energy into the chamber of the stroke by the valve is carried out by the outer surface of the latter, by blocking the holes in the sleeve, which leads to a large stroke of the valve and increased consumption of energy.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является погружная ударная машина по патенту N 2034983, включающая корпус, гильзу с наружными пазами, окнами и расточкой, муфту, наковальню с центральным сливным отверстием, переходник, шток с разрядными каналами, ступенчатый питающе-разрядный клапан, установленный на штоке, ударник с центральным сливным каналом, разделяющий полость корпуса на камеры прямого и обратного хода. Недостатком этой машины является низкая надежность ее работы вследствие заклинивания клапана при попадании частиц пыли мелкого песка в уплотняющее сопряжение цилиндрической поверхности клапана и штока, разделяющее полости высокого и низкого давления. Исключить попадание инородных частиц в напорную магистраль практически невозможно, особенно при работе машины на воздушно-водяной смеси. Эта машина надежно работает только на сжатом воздухе, что ограничивает ее технологические возможности: бурение не глубоких и не обводненных скважин. The closest in technical essence to the proposed one is a submersible impact machine according to patent N 2034983, including a housing, a sleeve with external grooves, windows and a bore, a sleeve, an anvil with a central drain hole, an adapter, a rod with discharge channels, a stepped feed-discharge valve installed on the rod, a firing pin with a central drain channel dividing the body cavity into forward and reverse cameras. The disadvantage of this machine is the low reliability of its operation due to jamming of the valve when dust particles of fine sand get into the sealing pair of the cylindrical surface of the valve and the stem, separating the cavity of high and low pressure. It is practically impossible to exclude the ingress of foreign particles into the pressure line, especially when the machine is running on an air-water mixture. This machine reliably works only on compressed air, which limits its technological capabilities: drilling of not deep and not flooded wells.

Техническая задача, решаемая в предполагаемом изобретении, заключается в расширении технологических возможностей за счет применения различных энергоносителей (сжатый воздух, воздушно-водяная смесь, вода, глинистый раствор) в качестве рабочего тела ударной машины и очистного агента, при повышении надежности работы за счет исключения заклинивания распределительного клапана в местах сопряжения его с другими деталями устройства. The technical problem to be solved in the proposed invention is to expand technological capabilities through the use of various energy carriers (compressed air, air-water mixture, water, clay solution) as the working fluid of the percussion machine and cleaning agent, while increasing reliability by eliminating jamming distribution valve in the places of its interfacing with other parts of the device.

Достигается это тем, что предлагаемая машина включает корпус с гильзой, муфту с наковальней, переходник со штоком, ударник, разделяющий полость корпуса на камеры прямого и обратного хода, распределительную систему, содержащую питающий, сливной, разрядный и командный тракты и ступенчатый питающе-разрядный клапан, который снабжен направляющими ребрами, выполненными на его наружной поверхности, опирающимися на внутреннюю поверхность корпуса. При этом на штоке, со стороны сетевого давления, установлен и закреплен упруго-эластичный элемент в виде плоского кольца, опирающегося в торец клапана. This is achieved by the fact that the proposed machine includes a housing with a sleeve, a clutch with an anvil, an adapter with a rod, a drummer dividing the cavity of the housing into forward and reverse cameras, a distribution system containing a supply, drain, discharge and command paths and a step supply-discharge valve , which is equipped with guide ribs made on its outer surface, resting on the inner surface of the housing. At the same time, on the stem, from the network pressure side, an elastic-elastic element in the form of a flat ring resting on the end face of the valve is installed and fixed.

Перенос уплотняющей поверхности, разделяющей камеры сетевого и разрядного давлений, на торец клапана за счет упруго-эластичного кольца, обеспечивает надежную работу машины не только на воздушно-водяной смеси, но и на глинистом растворе высокой плотности. Это расширяет технологические возможности машины. Становится возможным бурение скважины с креплением ее стенок глинистым раствором. Такими возможностями на обладают известные устройства. The transfer of the sealing surface separating the main and discharge pressure chambers to the valve end due to the elastic-elastic ring ensures reliable operation of the machine not only on the air-water mixture, but also on high-density clay solution. This extends the technological capabilities of the machine. It becomes possible to drill a well with fixing its walls with clay mud. Such capabilities are possessed by known devices.

На фиг. 1 показан продольный разрез устройства в положении ударника на инструменте (момент удара), на фиг. 2 - местный вид; ударник - в крайнем верхнем положении (начало прямого хода), распределительный клапан - в положении питания камеры прямого хода. In FIG. 1 shows a longitudinal section of the device in the position of the hammer on the instrument (moment of impact), FIG. 2 - local view; the hammer is in the highest position (the beginning of the forward stroke), the control valve is in the feed position of the forward stroke chamber.

Погружная ударная машина состоит из корпуса 1 с гильзой 2, переходника 3 со штоком 4, муфты 5 с наковальней 6, имеющей центральный канал 7. Внутри корпуса 1 размещен ступенчатый ударник 8 с центральным каналом 9, разделяющий полость корпуса на камеры прямого 10 и обратного 11 хода. Между переходником 3 и гильзой 2 размещен ступенчатый питающе-разрядный клапан 12 с направляющими наружными ребрами 13. На штоке 4 установлено и закреплено плоское упруго-эластичное кольцо 14, опирающееся в клапан 12 в любом из него положений. Между кольцом 14 и переходником 3 образована камера 15 магистрального давления энергоносителя. Шток 4 снабжен осевым 16 и радиальными 17 разрядными каналами. Гильза 2 имеет продольные пазы 18 и радиальные окна 19, соединяющие камеру 11 обратного хода с магистральной камерой 15, а также блокировочные окна 20 и командную расточку 21. Питающий тракт камеры 10 прямого хода представлен торцевым зазором 22 (фиг. 2), образующимся между клапаном 13 и гильзой 2 при всех положениях клапана, кроме крайнего нижнего. Разрядный тракт состоит из кольцевого зазора 23 (см. фиг. 1), образующемся между клапаном и штоком 4, при всех положениях клапана, кроме крайнего верхнего, осевого 16 и радиальных 17 каналов в штоке 4. Сливной тракт отработанного энергоносителя состоит из канала 9 в ударнике и канала 7 в наковальне. Submersible impact machine consists of a housing 1 with a sleeve 2, an adapter 3 with a rod 4, a coupling 5 with an anvil 6 having a central channel 7. Inside the housing 1 there is a step drummer 8 with a central channel 9, dividing the body cavity into cameras 10 direct and 11 reverse move. Between the adapter 3 and the sleeve 2 there is a stepped feed-discharge valve 12 with guide outer ribs 13. A flat elastic-elastic ring 14 is mounted and fixed on the stem 4, resting on the valve 12 in any of its positions. Between the ring 14 and the adapter 3 is formed chamber 15 of the main pressure of the energy carrier. The rod 4 is equipped with axial 16 and radial 17 discharge channels. The sleeve 2 has longitudinal grooves 18 and radial windows 19 connecting the reverse chamber 11 with the main chamber 15, as well as the lock windows 20 and the command bore 21. The feed path of the forward chamber 10 is represented by an end gap 22 (Fig. 2) formed between the valve 13 and sleeve 2 at all positions of the valve, except for the lowermost one. The discharge path consists of an annular gap 23 (see Fig. 1), formed between the valve and the stem 4, at all valve positions, except for the extreme upper, axial 16 and radial 17 channels in the stem 4. The drain path of the spent energy consists of channel 9 into drummer and channel 7 in the anvil.

Погружная ударная машина работает следующим образом. Запуск машины в положении "вертикально вниз", фиг. 1. Энергоноситель (вода, глинистый раствор) поступает в камеру 15 и далее по каналам между ребрами 13 на клапане, пазам 18 и окнам 19 в гильзе 2 в камеру 11 обратного хода. При этом камера 10 прямого хода соединена со сливом. Давление в камере 11 нарастает и ударник 8 перемещается вверх, совершая обратный ход. По мере перемещения ударника сливной канал 9 в нем перекрывается штоком 4, но камера 10 остается сообщенной со сливным трактом через кольцевой зазор 23 между клапаном 12 и штоком, радиальные 17 и осевой 16 каналы, образующие разрядный тракт, в результате чего ударник испытывает минимальное противодавление со стороны камеры 10. Далее ударник 8 своей головкой входит в зону командной расточки 21 гильзы 2. Через образовавшийся зазор между головкой ударника и гильзой энергоноситель из камеры 11 обратного хода поступает в камеру 10 прямого хода, и давление в ней начинает расти, так как пропускная способность разрядного канала 23 ограничена. Под действием нарастающего давления в камере 10 на нижнюю площадку клапана 12 (фиг. 1) он перекидывается в верхнее положение (фиг. 2). Образуется торцевой зазор 22 питающего тракта. При этом разрядный канал 23 перекрывается клапаном. Энергоноситель из камеры 15 магистрального давления поступает в камеру 10 через зазор 22. Submersible impact machine operates as follows. Starting the machine in the vertical down position, FIG. 1. The energy carrier (water, clay solution) enters the chamber 15 and then through the channels between the ribs 13 on the valve, the grooves 18 and the windows 19 in the sleeve 2 into the reverse chamber 11. In this case, the forward-running chamber 10 is connected to a drain. The pressure in the chamber 11 rises and the hammer 8 moves upward, making a reverse stroke. As the hammer moves, the drain channel 9 in it is blocked by the stem 4, but the chamber 10 remains in communication with the drain path through the annular gap 23 between the valve 12 and the stem, radial 17 and axial 16 channels forming the discharge path, as a result of which the hammer experiences minimal back pressure sides of the chamber 10. Next, the drummer 8 with its head enters the zone of the command bore 21 of the sleeve 2. Through the resulting gap between the head of the drummer and the sleeve, the energy carrier from the reverse chamber 11 enters the forward chamber 10, and the pressure it begins to grow, since the throughput of the discharge channel 23 is limited. Under the action of increasing pressure in the chamber 10 on the lower platform of the valve 12 (Fig. 1), it is thrown to the upper position (Fig. 2). An end gap 22 of the supply path is formed. In this case, the discharge channel 23 is blocked by the valve. The energy carrier from the main pressure chamber 15 enters the chamber 10 through the gap 22.

Давление в камерах 11, 10, 15 выравнивается, достигает магистрального значения и даже выше, вследствие проявления гидроудара в момент перекидки клапана 12. Ударник 8 интенсивно тормозится, так как его рабочая площадь со стороны камеры 10 много больше площади со стороны камеры 11. Происходит остановка ударника 8 и смена направления движения - с обратного на прямой, в сторону наковальни 6. В начале движения ударника 8 энергоноситель из камеры 11 вытесняется в камеру 10 через командную расточку 21 в гильзе 2. После перекрытия командного тракта 21, энергоноситель из камеры 11 продолжает вытесняться ударником 8 в камеру 10 через окна 19, пазы 18 в гильзе и питающий тракт 22 между гильзой и клапаном 12. Компенсируется увеличивающийся расход энергоносителя из магистрали и поддерживается высокое давление в камере 10 прямого хода. В момент схода ударника со штоком 4 открывается сливной тракт (фиг. 1), давление в камере 10 резко падает. Под действием разницы сил со стороны магистральной камеры 15 и камеры 10, обусловленной как разницей давлений, так и упругой силой кольца 14, клапан 12 перекинется в нижнее положение. Произойдет отсечка питания камеры 10 и соединение ее с разрядным трактом: каналы 23, 17, 16. Ударник 8 наносит удар по наковальне 6. Закрытие клапана 12 приводит к резкому перекрытию потока жидкости, вследствие чего возникает гидроудар в магистральной камере 15 и камере 11 обратного хода. Совместное действие гидростатического и гидроударного давлений в камере 11 обратного хода способствует быстрому забросу ударника 8 на заданную величину. The pressure in the chambers 11, 10, 15 is equalized, reaches the main value and even higher, due to the manifestation of a water hammer at the time of the valve 12. The hammer 8 is intensively braked, since its working area from the side of the chamber 10 is much larger than the area from the side of the chamber 11. There is a stop of the drummer 8 and the change of direction — from the opposite to the straight line, towards the anvil 6. At the beginning of the movement of the drummer 8, the energy carrier from chamber 11 is forced out into the chamber 10 through the command bore 21 in the sleeve 2. After blocking the command path 21, the energy carrier The starter from the chamber 11 continues to be displaced by the hammer 8 into the chamber 10 through the windows 19, the grooves 18 in the sleeve and the supply path 22 between the sleeve and the valve 12. The increasing energy consumption from the line is compensated and the high pressure in the forward chamber 10 is maintained. At the moment of the descent of the hammer with the rod 4, the drain path opens (Fig. 1), the pressure in the chamber 10 drops sharply. Under the action of the difference in forces from the side of the main chamber 15 and the chamber 10, due to both the pressure difference and the elastic force of the ring 14, the valve 12 will be thrown to the lower position. The power supply to the chamber 10 is cut off and connected to the discharge path: channels 23, 17, 16. The drummer 8 strikes the anvil 6. Closing the valve 12 leads to a sharp shutoff of the fluid flow, resulting in a water hammer in the main chamber 15 and the return chamber 11 . The combined action of hydrostatic and hydroshock pressures in the chamber 11 of the reverse stroke contributes to the rapid casting of the hammer 8 by a predetermined value.

Введение в распределительный механизм уплотняющего элемента в виде упруго-эластичного кольца, опирающегося на торец клапана и перенос базирования клапана со штока на корпус посредством наружных направляющих ребер устраняет заклинивание клапана при подаче в машину запесоченного энергоносителя, так как обеспечивается практически беззазорное уплотнение поверхности, разделяющей камеры магистрального и сливного давлений и исключается попадание песка и других инородных частиц в уплотняющую поверхность. Предлагаемая конструкция машины существенно повышает надежность ее работы на различных энергоносителях и расширяет технологические возможности. The introduction into the distribution mechanism of the sealing element in the form of an elastic ring resting on the end face of the valve and the transfer of the valve base from the stem to the housing by means of external guide ribs eliminates valve jamming when a sandy energy source is fed into the machine, since almost gap-free sealing of the surface separating the main chamber is ensured and drainage pressure and excludes the ingress of sand and other foreign particles into the sealing surface. The proposed design of the machine significantly increases the reliability of its operation on various energy carriers and expands technological capabilities.

Claims

Submersible impact machine, including a case with a sleeve, a clutch with an anvil, an adapter with a rod, a drummer dividing the body cavity into forward and reverse chambers, a system of energy distributor for the chambers containing a stepped feed-discharge valve, supplying, discharge, discharge and command paths characterized in that the supply-discharge valve is equipped with guide ribs made on its outer surface, resting on the inner surface of the housing, and installed on the stem from the network pressure side an elastic-elastic element in the form of a flat ring is supported, resting on the end face of the valve.