RU2013541C1 - Hydraulic valveless impact device - Google Patents

Abstract

FIELD: mining industry. SUBSTANCE: hydraulic valveless mechanism has a body, a hammer, a hydraulic accumulator, a hydraulic distributor, a bushing having openings to connect a work chamber to a pressure and a drain lines. The hydraulic distributor has a push member made in the form of a differential plunger having its smaller stage interacting with a spring-actuated work member and its bigger stage periodically connected to the pressure line. The plunger is provided with an additional stage to limit its stroke, said stage having orifice hole to control the volume of fluid flowing from the work stroke chamber to the drain chamber. The drain chamber outlet is connected to a low pressure receiver. EFFECT: enlarged operating capabilities. 1 dwg

Description

Изобретение относится к горной, горнорудной, строительной отраслям промышленности и используется в качестве импульсного навесного оборудования для бурения шпуров и скважин в крепких породах применительно к гидрофицированным мобильным установкам, а также к стационарным агрегатам, имеющим гидравлический привод. The invention relates to the mining, mining, construction industries and is used as a pulse attachment for drilling holes and wells in hard rocks as applied to hydroficated mobile units, as well as to stationary units having a hydraulic drive.

Условия работы характеризуются широким диапазоном изменения крепости буримых пород, температуры окружающей среды, использованием масел с различными свойствами, технологии добычи ископаемого. Working conditions are characterized by a wide range of changes in the strength of drill rocks, ambient temperature, the use of oils with various properties, and mining technology.

Известны гидравлические ударные механизмы, включающие корпус, боек, гидравлические стабилизаторы, устройства управления, распределительную гильзу с отверстиями, при помощи которых камеры рабочего хода соединяется с напорной или сливной магистралями. Hydraulic percussion mechanisms are known, including a housing, a striker, hydraulic stabilizers, control devices, a distribution sleeve with holes, by means of which the working chamber is connected to the pressure or drain lines.

Недостатками указанных механизмов являются сложность конструкции устройства управления, наличие механической или электрической энергии для перемещения рабочего органа, отсутствие стабильности в работе при больших вибрационных нагрузках. The disadvantages of these mechanisms are the complexity of the design of the control device, the presence of mechanical or electrical energy to move the working body, the lack of stability in operation at high vibration loads.

Наиболее близким к предлагаемому является гидравлический ударный механизм, содержащий корпус, размещенный в корпусе боек, распределительную гильзу, которая образует с бойком полость холостого хода, ресивер низкого давления, гидроаккумулятор, камеру слива, камеру рабочего хода и гидравлический распределитель. Closest to the proposed is a hydraulic percussion mechanism, comprising a housing located in the body of the strikers, a distribution sleeve that forms an idle cavity, a low pressure receiver, a hydraulic accumulator, a discharge chamber, a stroke chamber and a hydraulic distributor.

Недостатками гидравлического ударного механизма являются сложность конструкции ввиду использования электрического двухходового распределителя, для управления которого требуется дополнительный источник энергии, а также низкая надежность в работе соленоида для перемещения золотника, особенно в условиях повышенной вибрационной нагрузки. Кроме того, в процессе эксплуатации отсутствует контроль за количеством жидкости, перетекаемой из камеры рабочего хода в сливную магистраль, что ухудшает процесс запуска и снижает объемный КПД. The disadvantages of the hydraulic shock mechanism are the design complexity due to the use of an electric two-way distributor, which requires an additional energy source to control, as well as low reliability of the solenoid to move the spool, especially under conditions of increased vibration load. In addition, during operation, there is no control over the amount of fluid flowing from the flow chamber to the drain line, which worsens the startup process and reduces volumetric efficiency.

Техническая сущность изобретения заключается в том, что в гидравлическом бесклапанном ударном механизме, содержащем корпус, размещенный в корпусе боек, распределительную гильзу с каналами, которая образует с бойком полость холостого хода, ресивер низкого давления, гидроаккумулятор, камеру слива, камеру рабочего хода, которая выполнена с возможностью периодического сообщения с напорной и сливной магистралями, и гидравлический распределитель, выполненный в виде дифференциального плунжера, указанный распределитель имеет подпружиненный рабочий орган для перекрытия канала, сообщающего камеру рабочего хода с камерой слива, и выполнен с возможностью периодического сообщения с напорной магистралью большой ступени дифференциального плунжера, меньшая ступень которого выполнена в виде толкателя для взаимодействия с указанным рабочим органом, при этом дифференциальный плунжер со стороны толкателя для ограничения хода выполнен с дополнительной ступенью, имеющей дроссельные отверстия для регулирования количества жидкости, перетекающей из камеры рабочего хода в камеру слива, выход из которых сообщен с ресивером низкого давления. The technical essence of the invention lies in the fact that in a hydraulic valve-free percussion mechanism containing a housing located in the body of the firing pin, a distribution sleeve with channels, which forms an idle cavity with a striker, a low pressure receiver, a hydraulic accumulator, a discharge chamber, and a stroke chamber, which is made with the possibility of periodic communication with pressure and drain lines, and a hydraulic distributor, made in the form of a differential plunger, the specified distributor has spring-loaded a working body for blocking the channel communicating the working chamber with the drain chamber, and is configured to periodically communicate with the pressure manifold of a large stage of the differential plunger, the lower stage of which is made in the form of a pusher for interaction with the specified working body, while the differential plunger on the side of the pusher for travel limits are made with an additional stage having throttle openings for regulating the amount of fluid flowing from the chamber of the stroke to the chamber wa, the output of which is communicated with a low pressure receiver.

Анализ известных технических решений в исследуемой области позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с существенными отличительными признаками в заявляемом гидравлическом бесклапанном механизме. An analysis of the known technical solutions in the studied area allows us to conclude that there are no signs in them that are similar to the essential distinguishing features in the inventive hydraulic valveless mechanism.

Величина энергии и частота ударов (энергетические показатели) зависят от полноты реализации саккумулированной потенциальной энергии в рабочей камере в кинетическую энергию при рабочем ходе бойка. The magnitude of the energy and frequency of impacts (energy indicators) depend on the completeness of the realization of the accumulated potential energy in the working chamber into kinetic energy during the working stroke of the striker.

Принцип работы гидравлического бесклапанного механизма основан на процессах сжатия и расширения жидкости. Условия эксплуатации характеризуются широким интервалом изменения температуры окружающей среды и свойствами рабочей жидкости, а также необходимостью регулировать энергию удара при забуривании заклинивании инструмента. Для устойчивости запуска механизма в указанных условиях необходим распределитель, который управляет количеством жидкости, перетекаемой из камеры рабочего хода в камеру слива и далее в ресивер низкого давления. В качестве основного рабочего органа используется двухступенчатый плунжер с дополнительной ступенью, где имеются дроссельные отверстия. Диаметр отверстий определяет количество перетекаемой жидкости, а следовательно, диапазон регулирования энергии и устойчивость запуска в различных условиях. The principle of operation of the hydraulic valveless mechanism is based on the processes of compression and expansion of the fluid. The operating conditions are characterized by a wide range of changes in ambient temperature and the properties of the working fluid, as well as the need to regulate the energy of the impact when drilling while jamming the tool. For stability in starting the mechanism under these conditions, a distributor is needed that controls the amount of fluid flowing from the working chamber to the drain chamber and then to the low pressure receiver. As the main working body, a two-stage plunger with an additional stage, where there are throttle openings, is used. The diameter of the holes determines the amount of fluid flowing, and therefore the range of energy regulation and the stability of the launch in various conditions.

Расход жидкости через дроссельские отверстия определяют по формуле
Q= μ·ω

, где μ - коэффициент расхода, 0,64-0,7; Δ Р - перепад давления; ρ - плотность используемой жидкости; ω - суммарная площадь дроссельных отверстий.The flow rate through the orifice is determined by the formula
Q = μ

where μ is the flow coefficient, 0.64-0.7; Δ P is the pressure drop; ρ is the density of the fluid used; ω is the total area of the throttle holes.

Результаты опытной апробации гидравлического бесклапанного механизма с гидравлическим распределителем на базе серийных установок "КАМАЗ-4310", ЭО-2621А В подтвердили правильность расчета по выбору радионального диаметра отверстий. The results of the pilot testing of a hydraulic valveless mechanism with a hydraulic distributor based on the KAMAZ-4310, EO-2621A B serial units confirmed the correctness of the calculation for choosing the radial diameter of the holes.

При эксплуатации используется один вид энергии (гидравлическая), упрощается конструкция распределителя, увеличивается ресурс работ, длительность которого не связана с вибрационной нагрузкой. В этом заключается преимущество предлагаемого технического решения по сравнению с прототипом, где отсутствие дифференциального плунжера с дополнительной ступенью и дроссельными отверстиями исключает устойчивый запуск при изменении свойств энергоносителя и температуры окружающей среды, а исключение электрической энергии для управления упрощает конструкцию распределителя и повышает его надежность в работе. During operation, one type of energy (hydraulic) is used, the design of the distributor is simplified, the service life is increased, the duration of which is not related to the vibration load. This is the advantage of the proposed technical solution compared to the prototype, where the absence of a differential plunger with an additional stage and throttle openings precludes a stable start when the properties of the energy carrier and ambient temperature change, and the exclusion of electrical energy for control simplifies the design of the distributor and increases its reliability.

Новая совокупность признаков заявляемого технического решения обеспечивает упрощение конструкции механизма и повышения его эксплуатационной надежности при изменяющихся внешних факторах. A new set of features of the claimed technical solution provides a simplification of the design of the mechanism and increase its operational reliability with changing external factors.

Таким образом, заявляемое техническое решение отвечает требованию "изобретательский уровень". Thus, the claimed technical solution meets the requirement of "inventive step".

На чертеже представлен гидравлический бесклапанный механизм. The drawing shows a hydraulic valveless mechanism.

Гидравлический бесклапанный механизм состоит из корпуса 1, бойка 2, совершающего возвратно-поступательное движение в распределительной гильзе 3. Полость 4 холостого хода через радиальный канал 5 в гильзе и гидроаккумулятор 6 соединяется с напорной магистралью 7. Периодическое соединение камеры 8 рабочего хода с полостью 4 холостого хода производится через магистральный канал 9 и впускной канал 10, выполненные в гильзе 3. В конце рабочего хода камера 8 через ресивер 11 низкого давления транспортный канал 12 соединяется со сливной магистралью 13. Сливной канал 14 соединяет камеру 15 слива с транспортным каналом 12 и ресивером 11 низкого давления. Рабочий орган 16 прижат к посадочному месту пружиной 17, жесткость которой регулируется пробкой 18. Периодическое соединение камеры 8 рабочего хода с камерой 15 слива производится через напорный канал 19, который перекрывается рабочим органом 16. The hydraulic valveless mechanism consists of a housing 1, a striker 2, reciprocating in the distribution sleeve 3. The idle cavity 4 through the radial channel 5 in the sleeve and the hydraulic accumulator 6 is connected to the pressure line 7. Periodic connection of the working chamber 8 to the idle cavity 4 the course is made through the main channel 9 and the inlet channel 10, made in the sleeve 3. At the end of the stroke, the chamber 8 through the receiver 11 low pressure transport channel 12 is connected to the drain line 13. With ivnoy passage 14 connects the discharge chamber 15 to the transport path 12 and the low pressure receiver 11. The working body 16 is pressed against the seat by a spring 17, the stiffness of which is regulated by the plug 18. The periodic connection of the working chamber 8 to the drain chamber 15 is made through the pressure channel 19, which is blocked by the working body 16.

Гидравлический распределитель 20 выполнен в виде ступенчатого дифференциального плунжера, большая ступень 21 которого выполнена с возможностью периодического сообщения с напорной магистралью посредством золотника 22 и магистрали 23 управления. Меньшая ступень дифференциального плунжера выполнена в виде толкателя 24 для взаимодействия с рабочим органом 16. The hydraulic distributor 20 is made in the form of a stepped differential plunger, the large stage 21 of which is made with the possibility of periodic communication with the pressure line through the spool 22 and control line 23. The smaller stage of the differential plunger is made in the form of a pusher 24 for interaction with the working body 16.

Дифференциальный плунжер со стороны толкателя 24 имеет дополнительную ступень 25 с дроссельными отверстиями 26 для регулирования количества жидкости, перетекающей из камеры 8 рабочего хода в камеру 15 слива, выход которой сообщен с ресивером 11 низкого давления. The differential plunger on the side of the pusher 24 has an additional stage 25 with throttle openings 26 for controlling the amount of fluid flowing from the chamber 8 of the stroke to the chamber 15 drain, the output of which is communicated with the receiver 11 low pressure.

Механизм работает следующим образом. The mechanism works as follows.

Под действием постоянной силы давления жидкости, постоянно действующей на боек 2 со стороны полости 4 и гидроаккумулятора 6, боек начинает холостой ход. Первоначально движение бойка происходит при сообщении камеры 8 рабочего хода с ресивером 11 низкого давления и транспортным каналом 12. В процессе движения боек большей ступенью перекрывают ресивер 11 и жидкость в камере 8 начинает сминаться, поглощая при этом часть кинетической энергии бойка. Однако этой энергии недостаточно, чтобы боек совершил полный ход до открытия большей ступенью впускного канала 10. Происходит остановка в промежуточном положении, отсутствует запуск. На запуск влияют свойства рабочей жидкости и температура окружающей среды, которые сказываются на энергии единичного удара. Поэтому в начальный момент запуска необходимо снижение жесткости камеры рабочего хода. Оператор с помощью золотника 22 соединяет напор с магистралью 23 управления. Гидравлическая энергия воздействует на большую ступень 21 дифферециального плунжера, который, перемещаясь, меньшей ступенью отодвигает рабочий орган 16, одновременно сжимая пружину 17. Ход плунжера органа от посадочного места происходит соединение камеры 8 рабочего хода через напорный канал 19 с камерой 15 слива. Из последней жидкость через дроссельные отверстия 26, сливной канал 14, ресивер 11 низкого давления и транспортный канал 12 перетекает в сливную магистраль 13. Упругость жидкости в камере 8 снижается и боек под действием постоянной силы со стороны полости 4 продолжает холостой ход от открытия впускного канала 10. Камера 8 рабочего хода через магистральный канал 9, впускной канал 10 и полость 4 соединяется с напорной магистралью 7. Давление в камере 8 повышается до магистрального и происходит торможение бойка. После торможения равновесие сил, действующих на боек 2, нарушается из-за разности площадей бойка со стороны камеры рабочего и полости холостого хода при одинаковом действующем на них магистральном давлении. Начинается рабочий ход. В момент рабочего хода бойка отпадает необходимость в снижении упругости жидкости в камере 8. Оператор переключает золотник 22, соединяя магистраль управления со сливом. Под действием пружины 17 рабочий орган прижимается к посадочному месту, перемещая одновременно плунжер в исходное положение. При этом происходит разъединение камеры 8 рабочего хода и камеры 15 слива. Under the action of a constant force of fluid pressure, constantly acting on the firing pin 2 from the side of the cavity 4 and the accumulator 6, the firing pin starts idling. Initially, the striker movement occurs when the working chamber chamber 8 communicates with the low pressure receiver 11 and the transport channel 12. During the striker movement, the receiver 11 is blocked by a larger step and the liquid in the chamber 8 begins to crumple, absorbing part of the striker kinetic energy. However, this energy is not enough for the striker to make a full stroke before opening the inlet channel 10 with a larger step. There is a stop in the intermediate position, there is no start. The launch is affected by the properties of the working fluid and the ambient temperature, which affect the energy of a single impact. Therefore, at the initial moment of launch, it is necessary to reduce the stiffness of the working chamber. The operator using the valve 22 connects the pressure head to the control line 23. Hydraulic energy acts on a large stage 21 of the differential plunger, which, moving, moves the working body 16 away at a lower stage, while compressing the spring 17. The organ plunger moves from the seat and the working chamber 8 is connected through the pressure channel 19 to the drain chamber 15. From the latter, the liquid through the throttle openings 26, the drain channel 14, the low pressure receiver 11 and the transport channel 12 flows into the drain line 13. The elasticity of the liquid in the chamber 8 decreases and the striker under idle force from the side of the cavity 4 continues idling from the opening of the inlet channel 10 The chamber 8 of the working stroke through the main channel 9, the inlet channel 10 and the cavity 4 is connected to the pressure line 7. The pressure in the chamber 8 rises to the main line and the striker is braked. After braking, the balance of forces acting on the firing pin 2 is disturbed due to the difference in the area of the firing pin from the side of the working chamber and the idle cavity with the same main pressure acting on them. The working course begins. At the time of the stroke of the striker, there is no need to reduce the elasticity of the liquid in the chamber 8. The operator switches the spool 22, connecting the control line to the drain. Under the action of the spring 17, the working body is pressed against the seat, moving the plunger at the same time to its original position. When this occurs, the separation of the chamber 8 of the stroke and the chamber 15 drain.

Сначала боек 2 ускоренно движется к инструменту под действием магистрального давления. Когда боек 2 перекроет большей ступенью впускной канал 10, поступление жидкости через магистральный канал 9 происходит за счет расширения жидкости в камере 8. Во время рабочего хода саккумулированная в камере 8 потенциальная энергия жидкости переходит при расширении в кинетическую энергию бойка. Так как кинетическая энергия бойка 2 во время рабочего хода больше энергии, противодействующей его движению, боек в конце рабочего хода наносит удар по инструменту и соединяет ресивер 11 низкого давления с камерой 8. Происходит слив жидкости из камеры 8 через транспортный канал в сливную магистраль 13. Давление в камере 8 понижается до сливного и боек 2 под действием постоянной силы, приложенной к меньшей ступени со стороны полости 4, открывается от инструмента и начинает холостой ход. При ударе по инструменту не вся энергия реализуется буровому ставу, часть ее возвращается бойку в виде энергии отскока. Запасы этой энергии в сумме с постоянно действующей силой на меньшую ступень бойка 2 хватает, чтобы преодолеть силу упругости жидкости в камере 8, искусственно не снижая ее жесткости. Поэтому боек 2 совершает самостоятельно полный холостой ход до открытия впускного канала 10 и далее цикл повторяется. First, the hammer 2 accelerates toward the tool under the influence of the main pressure. When the striker 2 overlaps the inlet channel 10 with a larger step, the liquid flows through the main channel 9 due to the expansion of the liquid in the chamber 8. During the working stroke, the potential energy of the liquid accumulated in the chamber 8 passes into the kinetic energy of the striker when it is expanded. Since the kinetic energy of the striker 2 during the stroke is more energy that counteracts its movement, the striker at the end of the stroke strikes the tool and connects the low pressure receiver 11 to the chamber 8. The fluid is drained from the chamber 8 through the transport channel to the drain line 13. The pressure in the chamber 8 is reduced to the drain and the firing pin 2 under the action of a constant force applied to the lower stage from the side of the cavity 4, opens from the tool and starts idling. When a tool is struck, not all of the energy is sold to the drill stand, part of it returns to the striker in the form of rebound energy. The reserves of this energy in total with the constantly acting force at a lower stage of the striker 2 are enough to overcome the force of elasticity of the liquid in the chamber 8, without artificially reducing its rigidity. Therefore, the firing pin 2 independently makes full idle until the opening of the inlet channel 10 and then the cycle repeats.

Гидравлический распределитель 20 в виде дифференциального плунжера используется только в начальный момент запуска, когда отсутствует энергия отскока. В момент забуривания или заклинивания бурового става необходимо снижать энергию единственного удара. Для этого оператор с помощью золотника 22 соединяет магистраль управления с напором, плунжер смещает рабочий орган 16 и камера 8 постоянно на протяжении всего цикла соединяется с камерой 15 слива. Так как в процессе рабочего хода бойка часть саккумулированной потенциальной энергии в камере 8 сбрасывается в камеру 15, кинетическая энергия снижается, а следовательно, уменьшается и энергия единичного удара. The hydraulic distributor 20 in the form of a differential plunger is used only at the initial moment of start-up, when there is no rebound energy. At the time of drilling or jamming of the drill stand, it is necessary to reduce the energy of a single blow. For this, the operator, using the spool 22, connects the control line to the pressure, the plunger displaces the working body 16 and the chamber 8 is constantly connected throughout the entire cycle to the drain chamber 15. Since during the striking stroke, part of the accumulated potential energy in the chamber 8 is discharged into the chamber 15, the kinetic energy decreases, and consequently, the energy of a single impact decreases.

После забурирования или расклинивания бурового става оператор переключает золотнике 22 на слив, плунжер возвращается в исходное положение и гидравлический бесклапанный механизм переходит в номинальный режим работы. Диаметр дроссельных отверстий 26 позволяет ступенчато регулировать энергию удара. При большом диаметре увеличивается количество перетекаемой жидкости из камеры 8 в сливную магистраль 13 и, следовательно, снижается энергия удара. При малом диаметре дроссельных отверстий 26 энергия удара увеличивается. After drilling or wedging the drill string, the operator switches the spool 22 to drain, the plunger returns to its original position and the hydraulic valveless mechanism goes into the nominal operating mode. The diameter of the throttle holes 26 allows stepwise control of the impact energy. With a large diameter, the amount of fluid flowing from the chamber 8 to the drain line 13 increases and, therefore, the impact energy is reduced. With a small diameter of the throttle holes 26, the impact energy increases.

Таким образом, использование гидравлического распределителя упрощает конструкцию, обеспечивает переход на один вид энергии (гидравлическую), а использование дифференциального плунжера с дополнительной ступенью, где имеются дроссельные отверстия, обеспечивает высокую эксплуатационную надежность при большой вибрационной нагрузке, а также путем подбора диаметра отверстий - ступенчатое регулирование энергии единичного удара и устойчивый запуск механизма при изменяющихся температурах окружающей среды и свойствах рабочей жидкости. Thus, the use of a hydraulic distributor simplifies the design, provides a transition to one type of energy (hydraulic), and the use of a differential plunger with an additional stage, where there are throttle openings, provides high operational reliability with a large vibration load, and also by selecting the diameter of the holes - step regulation energy of a single blow and a steady start-up of the mechanism with changing ambient temperatures and properties of the working fluid.

Claims (1)

ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ БЕСКЛАПАННЫЙ УДАРНЫЙ МЕХАНИЗМ, содержащий корпус, размещенный в корпусе боек, распределительную гильзу с каналами, которая образует с бойком полость холостого хода, ресивер низкого давления, гидроаккумулятор, камеру слива, камеру рабочего хода, которая выполнена с возможностью периодического сообщения с напорной и сливной магистралями, гидравлический распределитель, выполненный в виде дифференциального плунжера, отличающийся тем, что гидравлический распределитель имеет подпружиненный рабочий орган для перекрытия канала, сообщающего камеру рабочего хода с камерой слива, и выполнен с возможностью периодического сообщения с напорной магистралью большей ступени дифференциального плунжера, меньшая ступень которого выполнена в виде толкателя для взаимодействия с указанным рабочим органом, при этом дифференциальный плунжер со стороны толкателя для ограничения хода выполнен с дополнительной ступенью, имеющей дроссельные отверстия для регулирования количества жидкости, перетекающей из камеры рабочего хода в камеру слива, выход из которой сообщен с ресивером низкого давления. A HYDRAULIC VALVE-FREE SHOCK MECHANISM, comprising a housing located in the body of the strikers, a distribution sleeve with channels, which forms an idle cavity with a striker, a low-pressure receiver, a hydraulic accumulator, a discharge chamber, and a stroke chamber, which is configured to periodically communicate with the pressure and drain lines , a hydraulic distributor, made in the form of a differential plunger, characterized in that the hydraulic distributor has a spring-loaded working body for closing the channel ala, which communicates the working chamber with the drain chamber, and is configured to periodically communicate with the pressure line a larger stage of the differential plunger, the lower stage of which is made in the form of a pusher for interaction with the specified working body, while the differential plunger on the side of the pusher for limiting the stroke is made with an additional stage having throttle openings for regulating the amount of liquid flowing from the working chamber to the drain chamber, the output of which is communicated with Verom low pressure.

Images