Машины ударно-поворотного действия

Машины ударно-поворотного действия

Назначение, классификация и принцип действия

К машинам ударно-поворотного действия относятся пневматические переносные и телескопные бурильные молотки, именуемые перфораторами. Поворот буровой штанги в них производится за счет энергии движущего поршня-ударника. Они предназначены для бурения шпуров диаметром 30-55 мм, глубиной до 3 м, а также скважин диаметром 40 – 85 мм и глубиной до 20 м в породах крепостью 6 – 20 по шкале .

Колонковые перфораторы и буровые станки с погружными пневмоударниками относятся к машинам ударно-вращательного действия. В этих машинах непрерывное вращение буровой штанги обеспечено от отдельного двигателя. Параметры бурения: диаметр 40-160 мм, глубина – до 50 м.

Машины данного типа классифицируются по виду потребляемой энергии – на пневматические, гидравлические, электрические и работающие на тепловой энергии с двигателями внутреннего сгорания (бензо-перфораторы); по способу поворота буровой штанги – с зависимым и независимым поворотом; по типу воздухораспределительного устройства – с клапанным, золотниковым, бесклапанным, у которых воздухораспределение осуществляется движущимся поршнем; по частоте ударов – обычного типа и высокочастотные (более 2000 ударов в минуту); по способу удаления буровой мелочи – с промывкой, продувкой и отсасыванием продуктов разрушения; по способу установки при работе – на переносные, колонковые и телескопные. Кроме этого, различают машины, располагаемые вне шпура или скважины, и находящиеся непосредственно в скважине (погруженные пневмоударники).

В зависимости от горно-геологических условий работы перфораторы выпускаются различных типов. Однако все они имеют принципиально одинаковое устройство и выполнены по молотковой схеме, в которой в качестве молотка используется поршень-ударник. Поршень преобразует энергию сжатого воздуха в энергию механического возвратно-поступательного движения, которая в виде кратковременных импульсов передается непосредственно буровому инструменту.

Перфоратор состоит из корпуса и смонтированных в нем ударно-поворотного механизма, воздухораспределительного устройства, механизма управления и устройства для удаления буровой мелочи от забоя.

Принцип работы перфоратора заключается в следующем (рис.2.20). Сжатый воздух через пусковой кран 1 поступает в воздухораспределительное устройство 3. Воздухораспределительное устройство предназначено для попеременной подачи воздуха в поршневую или штоковую полости цилиндра 4, что обеспечивает возвратно-поступательное движение поршня-ударника 5. В конце рабочего хода поршень наносит удар по буровому инструменту 6, а при обратном (холостом) ходе поворачивается на некоторый угол вокруг геликоидального стержня 9. Поворот поршня-ударника происходит при помощи поворотного устройства 2. Буровая штанга поворачивается посредством поворотной буксы 7, находящейся в зацеплении со шлицами поршня-ударника. Сквозь корпус крана, геликоидальный стержень и поршень-ударник проходит трубка промывочного устройства, по которому вода через центральное отверстие в буровой штанге поступает к забою скважины. Отработанный воздух выходит через отверстия 8 в атмосферу.

Рис. 2.20. Схема конструкции и принцип работы перфоратора

Ударно-поворотный механизм предназначен для нанесения поршнем ударов по буровому инструменту и его поворота после каждого удара на некоторый угол (5-15°). Поршень-ударник в конце рабочего хода передает энергию удара непосредственно штанге на которой закреплена буровая коронка, в результате чего происходит разрушение горной породы на забое шпура. При обратном ходе поршень работает как привод механизма поворота бурового инструмента.

По отношению к ходу поршня-ударника различают поворотные механизмы зависимого и независимого действия. Зависимый поворот обеспечен усилием поршня-ударника, независимый – специальным приводом.

Рис. 2.21. Схема работы поворотного механизма зависимого действия

Поворотный механизм зависимого действия с задним поворотом (рис.2.21) состоит их храповой буксы 1, расположенной в задней части цилиндра, геликоидального стержня 2, поршня-ударника 3 с геликоидальной гайкой 4, поворотной буксы 5, которая соединена кулачками с гранбуксой 6. Шток поршня-ударника с помощью прямолинейных шлицов находится в подвижном соединении со шлицами поворотной буксы 5, а гайка поршня 4 – в зацеплении со спиральными шлицами стержня 2. В гнездах головки геликоидального стержня находятся собачки 8, прижимающиеся пружинами 9 к зубьям храповой буксы. Гранбукса 6 имеет шестигранное отверстие, в которое помещен хвостовик буровой штанги 7.

При рабочем ходе поршня-ударника собачки проскальзывают по зубьям храповой буксы и не препятствуют повороту геликоидального стержня, вследствие чего поршень двигается, не поворачиваясь. При холостом ходе собачки стопорят геликоидальный стержень, что приводит к повороту поршня по спиральным шлицам стержня вместе с поворотной буксой и буровой штангой. Поворотный механизм с геликоидальным стержнем отличается надежностью в работе и позволяет легко менять угол поворота путем замены геликоидальной пары.

Поворотный механизм зависимого действия наиболее распространен в переносных и телескопных перфораторах.

С целью увеличения крутящего момента и более эффективного использования ударной мощности выпускаются колонковые перфораторы с поворотным механизмом независимого действия. Поворот бурового инструмента в них осуществляется от отдельного вращателя со специальным пневмодвигателем, что позволяет увеличить крутящий момент в 7-10 раз, плавно регулировать частоту вращения и за счет этого повысить глубину бурения скважины до 50 м.

Воздухораспределительные устройства перфораторов предназначены для автоматической подачи сжатого воздуха попеременно в правую или левую полости цилиндра, что обеспечивает рабочий и холостой ход поршню-ударнику молотка. Воздухораспределительные устройства современных перфораторов можно разделить на две группы: клапанные и золотниковые.

В клапанных устройствах исполнительным органом является клапан, который перемещается нормально к основным отсекающим поверхностям (седлам).Ход клапана в клапанной коробке составляет 0.4-1 мм. Время переброса клапана 0.004-0.03 с. По конструктивному исполнению клапаны различают пластинчатые, шариковые, кольцевые, дисковые, фланцевые, мотыльковые (с откидным клапаном). В пневматических переносных перфораторах применяется плоский кольцевой или фланцевый клапан (ПП36, ПП54 и ПП63). Клапан может быть в виде плоской шайбы, выполненной из стали или титана (ПП50В1, МР8 фирмы «Медон»,Франция). Мотыльковый клапан (рис.2.22) применяется в перфораторах средней массы с повышенной частотой ударов (ПК60, ПК75).

Рис. 2.22. Схема движения воздуха в перфораторах с мотыльковым клапаном: а – при рабочем ходе поршня; б – при. обратном ходе поршня

Принцип работы мотыльковой клапанной системы следующий. При открытом пробковом кране воздух попадает в клапанную коробку 1, обтекает нижнюю часть клапана 2 и направляется в рабочую полость цилиндра 5, воздействуя на поршень 3. Поршень начинает перемешаться (рабочий цикл (рис.2;22а)), первоначально воздух из правой части цилиндра через отверстие 6 выбрасывается в атмосферу. После перекрытия отверстия 6 корпусом поршня воздух в правой части цилиндра начинает сжиматься, образуя так называемую воздушную подушку. Сжимаемый воздух через радиальные отверстия и продольные проточки 4 в корпусе цилиндра воздействует на поверхность верхней части мотылькового клапана, но этого усилия недостаточно для его перебрасывания в новое положение, поскольку нижняя часть клапана находится под более высоким давлением сжатого воздуха. По мере движения поршня-ударника открывается отверстие 6 и сжатый воздух выбрасывается в атмосферу. Давление на нижнюю часть клапана падает и клапан перебрасывается в новое положение (рис.2.22б).

Сжатый воздух, обтекая верхнюю часть клапана, по каналу 4 попадает в штоковую полость цилиндра 5, воздействует на поршень 3. Поршень совершает обратный ход и вытесняет воздух из цилиндра через отверстие 6. По мере продвижения поршня воздух в левой части начинает сжиматься и через отверстие 7 воздействует на нижнюю часть клапана, и после открытия корпусом поршня отверстия 6 произойдет переброс клапана 2 в исходное положение.

Мотыльковый клапан имеет больший КПД из-за меньших потерь давления воздуха на дросселирование и не испытывает потерь на трение, так как он качается на ребре седла клапанной коробки. Клапанные воздухораспределительные устройства отличаются простотой конструкции, малыми движущимися массами и поверхностями трения, а так же малой чувствительностью к засорению, что обеспечивает их надежность в эксплуатации.

Особенность клапанного устройства заключается в том, что клапан, перекрывающий рабочие каналы, перемещается за счет разности давления в передней и задней плоскостях цилиндра.

Основным недостатком клапанного воздухораспределителя является повышенный расход сжатого воздуха и потеря мощности на образование воздушной подушки.

Рис. 2.23. Схема золотникового воздухораспределения: а – при рабочем ходе поршня; б – при холостом ходе поршня

Золотниковые воздухораспределительные устройства (рис.2.23) состоят из золотника 2, посаженного на втулку 1, золотниковой коробки 10 и крышки 3. В начале рабочего хода золотник и поршень-ударник 4 находятся  в крайнем левом положении. Сжатый воздух поступает по каналам золотника и отверстиям крышки в поршневую полость 9. Поршень начинает перемещаться вправо, совершая рабочий ход. При дальнейшем движении поршень открывает канал управления 8, по которому сжатый воздух поступает в левую кольцевую полость золотниковой коробки, воздействует на заплечико и передвигает золотник вправо. Подача сжатого воздуха в камеру рабочего хода прекращается. При дальнейшем движении поршня по инерции открывается выхлопное отверстие 7 и поршень наносит удар по хвостовику буровой штанги. Сжатый воздух из поршневой полости выходит в атмосферу через выхлопное отверстие. Одновременно сжатый воздух поступает по каналу 5 в штоковую полость 6 и поршень совершает обратный ход.

Двигаясь влево, поршень открывает канал управления 13, и золотник под действием давления на фланец перекинется влево. Поршень откроет выхлопное отверстие 7 и воздух из штоковой полости выходит наружу. Далее цикл повторяется. Для уменьше­ния противодавления движению золотника каналы управления через дренажные отверстия 11 и 12 сообщаются с атмосферой. Золотниковое воздухораспределение обеспечивает значи­тельно меньший расход сжатого воздуха, чем клапанное, но имеет большие поверхности трения, в связи с чем, более требовательно в эксплуатации. Перемещение золотника принудительное под действием сжатого воздуха, специально направляемого из основ­ного воздухопровода по дополнительным каналам управления. При золотниковом устройстве поршень-ударник работает без противодавления и нет необходимости открывать выхлопное отверстие раньше, чем будет прекращено поступление сжатого воздуха в полость цилиндра, что дает минимальный удельный расход воздуха. Золотниковое воздухораспределение позволяет повысить энергию удара за счет снятия противодавления при рабочем ходе поршня путем частичного выпуска сжатого воздуха из камер через золотник.

Недостатком золотникового воздухораспределительного устройства является сложность изготовления золотника. В отличии от клапана, который имеет одну подвижную посадку, золотник имеет три подвижных посадки, выполняемые по второму классу точности. При данной схеме воздухораспределения трудно получить повышенную частоту ударов из-за больших масс и поверхностей трения золотника.

Золотниковое воздухораспределение применяется в наиболее мощных перфораторах с относительно небольшой частотой ударов. Различают воздухораспределительные устройства со сплошными и трубчатыми золотниками. Наибольшее распространение получил трубчатый, который применен в перфораторе ПП63СВП.

Переносные, колонковые и телескопные перфораторы

Изготовление перфораторов регламентируют государственные стандарты. В зависимости от условий применения, массы и конструкции пневматические перфораторы подразделяются на три группы: переносные, колонковые и телескопные. Существующая система стандартизации устанавливает для каждого из них свои типоразмеры.

Пневматические переносные перфораторы предназначены для бурения шпуров с пневматических поддержек или с рук при проведении горизонтальных и слабонаклонных горных выработок, а также при проходке стволов шахт. Параметры бурения: диаметр – 32 - 46 мм; глубина бурения до 5 м, коэффициент крепости пород – 6 - 20.

В соответствии с ГОСТом 10750-80 предусматривается выпуск четырех типов переносных перфораторов: ПП36, ПП50, ПП54, ПП63.

Рис. 2.24. Пневматический переносной перфоратор: 1 - кран управления; 2 - храповая букса; 3 - воздухораспределительное устройство; 4 - клапан; 5 – цилиндр; 6 - геликоидалный стержень; 7 - поршень-ударник; 8, 9 –поворотные буксы; 10 – буровая штанга; 11 – буродержатель; 12 - виброгасящая каретка

В условном обозначении перфоратора последовательно указывается: П – перфоратор; П – переносной; цифры – энергия удара, Дж; В – пылеподавление водой (центральная подача); Б – с боковой промывкой; С – с усиленной продувкой; цифровые обозначения – модернизация.

В табл. 2.5 приведены технические характеристики отечественных переносных перфораторов. В качестве основного параметра принята энергия удара поршня-ударника, в Дж.

Переносные перфораторы различаются по мощности, массе, конструктивным особенностям и принципу действия. На рис.2.24 показано устройство переносного перфоратора. Перфоратор состоит из ударно-поворотного механизма, пускового, воздухораспределительного и промывочного устройств, собранных в одном корпусе. В переносных перфораторах применяется поворотный механизм зависимого действия с геликоидальным стержнем. Воздухораспределительное устройство клапанного типа. Перфораторы типа ПП36, ПП54 и ПП63 имеют фланцевый клапан, а ПП50В1 – клапан в виде плоской шайбы. Для предотвращения самопроизвольного выпадания буровой штанги из шестигранного гнезда поворотной буксы, перфораторы имеют буродержатель. Для защиты от вибрации и шума перфораторы снабжены виброгасящим устройством и глушителем шума.

Ведущими заводами-изготовителями пневматических переносных перфораторов являются: «Пневматик» (г. С.-Петербург) и Криворожский завод горного оборудования «Коммунист».

США, Швеция, Япония, Финляндия, Великобритания, Франция выпускают более 300 типов перфораторов. Так фирма «Атлас Копко» (Швеция) выпускает перфораторы типа BBD12TW, BBC24W, BBD44WK. В США перфораторы выпускают фирмы: «Ингерсолл Рэнд» (130А, 150А, ДЗООА, JR300A), «Джой» (L37, L47, LB57), «Дрессер» (SD30, SD50).

Рис. 2.25. Колонковый перфоратор ПК60

Финская фирма «Тампелла» («Тамрок») выпускает перфораторы: К56, К90, КВ90, Т10С. Французская фирма «Медок» специализируется на выпуске переносных перфораторов типа МР, PS, PB. В Японии перфораторы (D312, D317, D322, D77L) выпускает фирма «Фурукава».

Колонковые перфораторы предназначены для бурения шпуров и скважин любого направления в крепких породах. Это машины повышенной мощности, использование их по назначению возможно лишь с распорных колонок, либо манипуляторов. Подача перфоратора на забой обеспечивается механическим способом посредством специального устройства. Параметры буримых шпуров и скважин: диаметр – до 85 мм; глубина – до 50 м; коэффициент крепости пород – до 20.

В соответствии с ГОСТом 18092-79 принято шесть типоразмеров колонковых перфораторов, техническая характеристика которых приведена в табл. 2.6. В качестве основного параметра принята масса перфоратора.

Колонковые перфораторы относятся к группе машин с независимым вращением бурового инструмента, и состоят из двух основных узлов – ударного механизма и вращателя. Вращение буровой штанги осуществляется отдельным тихоходным планетарным пневмомотором, выполняющим также функции редуктора. В перфораторах принято клапанное воздухораспределительное устройство, обеспечивающее запуск перфоратора в любом положении и автоматический режим его работы. Сжатый воздух в ударный механизм и во вращатель подается автономно, что позволяет оперативно регулировать параметры удара и частоту вращения независимо друг от друга. Для обеспечения развинчивания бурового става вращатель выполнен реверсивным. Направление подачи зависит от подачи воздуха к передней или задней полости вращателя.

Таблица 2.6

Параметры	Тип перфораторов
ПК50	ПК60	ПК75	ПК120	ПК150	ПК175
Масса, кг	50	60	75	120	150	175
Энергия удара, Дж	88.26	90	157	88.26	196.15	245.17
Частота ударов, с-1	33.48	41.7	33.4	41.7	33.3	33.3
Крутящий момент, Нм	49	156.9	215.7	343	343	343
Диаметр бурения, мм	40-65	40-65	46-85	40-52	65-85	65-85
Глубина бурения, м	до 12	до 25	15-50	5	до 50	до 50
Номинальное давление воздуха, МПа	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5

Перфораторы с независимым вращением имеют большую производительность, так как ударный механизм работает без отбора мощности на вращение, благодаря чему вся энергия поршня расходуется только на удар, поэтому скорость бурения с глубиной падает не так резко, как у машин с зависимым поворотом. Кроме того, независимый механизм вращения обеспечивает постоянный поворот бурового инструмента, за счет чего достигается более эффективное разрушение забоя.

Конструкций колонкового перфоратора ПК60 представлена на рис. 2.25. Он состоит из двух основных узлов – ударного механизма и вращателя. Поршень-ударник 5 перемещается внутри цилиндра 3, регулирование направления подачи воздуха производится мотыльковым клапаном 1.

Вращатель представляет собой гидроциклоидный пневматический двигатель, состоящий из трех основных частей: статора 8, плавающего сателлита  (ротора) 9 и шпинделя 12. Сателлит 9 свободно располагается в зазоре между статором и ротором, суммарный осевой зазор 0,03 – 0,05 мм. С ротором связан золотник 11, на внешнем диаметре которого являются винтовые канавки для подачи воздуха, начало и конец которых смещены на 90°. Число спиральных канавок равно числу впадин, образованных зубьями сателлита. Концы спиральных канавок золотника соединены радиальными отверстиями с вкладышами статора. Статор 8 представляет собой шестерню с внутренними зубьями, в виде вращающихся роликов 10. Ротор 9 свободно «плавает» в статоре 8. На внутренней поверхности ротора имеются шлицы, входящие в сопряжение с зубьями шпинделя 12.

Сжатый воздух к ударному и вращательному механизмам подводится раздельно, что позволяет оперативно регулировать их мощность. От патрубка вращателя воздух поступает в кольцевую камеру крышки вращателя, периодически сообщаясь с винтовыми канавками золотника 11. Пройдя винтовые канавки воздух поступает в рабочую камеру, образованную зубьями статора и ротора, отжимая последний в крайнее радиальное положение. Благодаря эксцентричному расположению ротора 9 и связанного с ним золотника 11, а также относительному смещению входных и выходных отверстий винтовых канавок золотника рабочие полости одной половины вращателя наполнятся сжатым воздухом, а противоположной половины – сообщаются с атмосферой. Число зубьев ротора 9 на единицу меньше числа зубьев статора, поэтому обкатываясь по статору сателлит совершает планетарное движение за каждый цикл обкатки поворачивается вокруг своей оси лишь на один зуб. Направление вращения зависит от направленности спиральных канавок золотника. Реверсирование вращателя происходит вследствие изменения направления подвода воздуха. Регулирование частоты вращения производится путем дросселирования сжатого воздуха.

Рис. 2.26. Телескопический перфоратор ПТ-48А: 1 – шток податчика; 2 – цилиндр податчика; 3 – пусковой кран; 4 – храповая букса; 5 – клапан; 6 – геликоидальный стержень; 7 – поршень-ударник; 8 – цилиндр; 9 – поворотная букса; 10 – продувочная трубка; 11 – водяная трубка; 12 – гранбукса; 13 – боек; 14 – ствол; 15 – глушитель шума

Ведущими зарубежными фирмами по выпуску колонковых перфораторов являются: шведская фирма «Атлас Копко», американская фирма «Ингерсолл Рэнд», финская фирма «Тамрок», фирма «Холман» (Великобритания) и др.

Телескопные перфораторы предназначены для бурения восстающих шпуров и скважин (с отклонением от вертикали до 45°) в породах любой крепости на очистных и проходческих работах. Для проходки восстающих выработок телескопными перфораторами используют проходческие комплексы типа КПВ или КПРС.

В соответствии с ГОСТом 18093-79 выпускаются два типа телескопных перфораторов, техническая характеристика которых приведена в табл.2.7. Они представляют собой (рис.2.26) перфоратор и расположенный соосно с ним телескопический податчик. Основным параметром перфоратора является его масса. В самой бурильной машине применяются основные узлы переносных перфораторов. Конструкция телескопных перфораторов основана на ударно-поворотном принципе действия с зависимым поворотом буровой штанги. Применяется клапанная система воздухо-распределения с плоским кольцевым клапаном.

Особенностью конструкции телескопного перфоратора явля­ется отсутствие буродержателя и наличие бойка, который ограни­чивает перемещение буровой штанги внутрь машины. Штанга выполнена без заплечиков или буртика. Для предотвращения попадания бурового шлама внутрь перфоратора предусмотрена постоянная продувка как при бурении, так и при выключении перфоратора. Сжатый воздух подается к хвостовику штанги через трубку, которая проходит по оси перфоратора.

В качестве подающего устройства используется телескопический раздвигающийся поршневой податчик, состоящий из цилиндра и поршня со штоком. Для устранения вращения перфора­тора во время поворота бура на штоке податчика предусмотрены лыски, а упор выполнен раздвоенным. Регулирование усилия подачи производится рукояткой управления телескопа. Для экстренного сброса давления и опускания перфоратора вниз служит разгрузочная кнопка, расположенная на рукоятке.

Таблица 2.7

Параметры	Типы перфораторов
ПТ-38	ПТ-48А
Масса, кг	38	48
Энергия удара, Дж	44.13	78.45
Частота ударов, с-1	38.4	38.4
Крутящий момент, Нм	19.6	32.3
Диаметр бурения, мм	36-40	52-85
Глубина бурения, м	до 4	до 15
Величина хода податчика, мм	650±10	650±10
Расход воздуха, м/мин	3.2	5.8
Коэффициент крепости пород f	до 17	до 20
Номинальное давление воздуха, МПа	0.5	0.5

Пусковой кран имеет четыре фиксированных положения: «Выключено» - кран закрыт и включена постоянная продувка; «Подъем телескопа» - перфоратор не работает, но телескоп включен; «Забуривание» - кран открыт для забуривания; «Полная работа» - кран открыт полностью для работы перфоратора и телескопа с полной нагрузкой.

Телескопные перфораторы разделяют на одностоечные (ПТ38, ПТ48) и двухстоечные (УБ2Т-С). В двухстоечных перфораторах податчик выполнен в виде двух параллельных телескопов. Перфоратор УБ2Т-С работает с пылеотсосом через штуцер в головке перфоратора.

Шведская фирма «Атлас Копко» выпускает перфораторы BBD46WS – 6/8 и BBC34WS-6/8 с частотой ударов, соответственно, 50 с-1 и 38 с-1. Фирма «Ингерсолл Рэнд» (США) производат перфораторы R300A и R300M с одноступенчатым или двухступенчатым податчиком.

Гидравлические перфораторы

В настоящее время из-за невозможности дальнейшего повышения мощности пневматических перфораторов получают развитие гидравлические перфораторы. Гидравлические перфораторы позволяют экономить энергию за счет замены пневматической более дешевой гидравлической энергией. Гидравлический перфоратор, при равных размерах и массе с пневматическим, позволяет подвести к буровому инструменту в 2 - 3 раза большую мощность и повысить механическую скорость бурения в 1.5-2 раза. При работе гидравлическими перфораторами отсутствует масляный туман в забое и на 5-15 дБ уменьшается уровень шума. Отпадает необходимость в больших компрессорах на поверхности и сложных пневматических сетях.

Гидравлические перфораторы по способу установки и под­держанию при работе подразделяются на переносные и колонковые. Переносные гидравлические перфораторы предназначены для бурения горизонтальных шпуров с пневмоподдержки и нисхо­дящих шпуров с рук. Для создания осевого усилия и уменьшения вибрации при бурении нисходящих шпуров используются утяжелители, устанавливаемые на корпус перфоратора. Переносные гидравлические перфораторы могут иметь независимое вращение буровой штанги (от специального вращателя) или зависимое (с помощью винтового храпового механизма, сблокированного с поршнем-ударником).

Колонковые гидравлические перфораторы (гидравлические бурильные головки) предназначены для бурения шпуров и сква­жин с податчиков и манипуляторов, установленных на каретках. Головки позволяют бурить шпуры и скважины диаметром 32-102 мм. Энергия удара 180-500 Дж, частота ударов 30-50 Гц, частота вращения бурового става 0-5 с-1, крутящий момент 200-500 Нм.

По принципу действия гидравлические перфораторы подразделяются на ударно-врашательные и вращательно-ударные.

Вращательно-ударные перфораторы (рис.2.27) имеют ударный механизм, функционально зависимый от вращателя, обеспечивающий автоматическое снижение мощности и полное отключение ударного механизма при снижении частоты вращения и остановке (заклинивании) буровой штанги. Распределительный механизм рабочей жидкости работает в режиме принудительного управления.

Крутящий момент от гидродвигачерез зубчатую передачу 18 и 19 передается буровой штанге 1. Вращение колеса 19 передается через колесо 2, вал 3 и колесо 6 на зубчатое колесо 16, соединенное с вращающим золотником 9, в котором имеются напорные 15 и сливные 12 окна, смещенные относительно друг друга на половину шага. При совмещении напорных окон 15 золотника с соответствующими окнами в корпусе золотниковой коробки 10 жидкость из линии питания 8 поступает в камеру 11, и поршень-ударник 5 совершает рабочий ход. По мере вращения золотника 9 окно 15 закрывается и открывается окно 12, совместившись с соответствующим окном в корпусе золотниковой коробки 10. Начинается слив жидкости из камеры 11, а в цилиндр 4 поступает под давлением жидкость и поршень-ударник совершает обратный ход. Таким образом, ударный механизм непосред­ственно зависит от частоты вращения инструмента при заранее настроенном числе ударов на один оборот буровой штанги. При рабочем ходе поршня-ударника жидкость из камеры вытесняется в напорную магистраль, так как его площадь со стороны цилиндра 4 меньше площади камеры 11.

Рис. 2.27 Гидросхема перфоратора с принудительным управлением работой

ударного механизма от вращателя

Для снижения пульсации давления жидкости в напорной магистрали установлен гидропневмоаккумулятор 7, а в сливной магистрали 13 – гидроаккумулятор 14. В перфораторах данного типа принятая схема работы обеспечивает надежную автоматизацию режима работы и автоматическое отключение ударного механизма при заклинивании буровой штанги.

Перфораторы ударно-вращательного действия имеют автономный ударный и вращательный механизмы, не связанные функциональной зависимостью.

По принципу действия и конструкции распределительных механизмов рабочей жидкости гидроперфораторы данного типа могут быть подразделены на машины с распределителями, работающими в режимах: 1 – автоколебательном с регулируемой длиной хода поршня-ударника; 2 – то же, с постоянной длиной хода поршня-ударника; 3 – то же, с жесткой связью золотника с поршнем-ударником (бесклапанный механизм управления).

Все ударно-вращательные гидравлические перфораторы данного типа оснащаются специальным устройством для предохранения от заклинивания буровой штанги. Это устройство включает в себя систему обратной подачи, которая понижает усилие подачи или реверсирует подачу, а также уменьшает удар в половину мощности, если сопротивление вращению буровой штанги достигает момента заклинивания. Эта операция осуществляется мгновенно и автоматически.

Разработаны гидроперфораторы, которые имеют возможность бурения шпуров ударно-поворотным или вращательным способом (ПРГ32), ударно-вращательным и микроударно-режущим способами (серия 200ГП).

Технические характеристики гидроперфораторов серии 100ГП и 200ГП приведены в табл. 2.8.

Таблица 2.8

Параметры	101ГП	102ГП	201ГП	202ГП	203ГП	204ГП	205ГП	206ГП
Энергия удара, Дж	150	150	225	280	340	225	280	340
Частота удара, Гц	125	125	60	50	40	60	50	40
Крутящий момент, Нм	354	170	250	250	250	350	350	350
Частота вращения, мин	350	350	400	400	400	330	330	330
Давление жидкости, МПа	16	16	16	16	16	16	16	16
Масса, кг	70	68	134	135	139	135	136	140

Гидроперфораторы 101ГП с более мощным вращателем используются для бурения шпуров диаметром 36-46 мм вращательно-ударным способом, микроударно-режущим способом в горных породах с коэффициентом крепости по -нову 6 - 12. Гидроперфоратор 102ГП используется для бурения шпуров ударно-вращательным способом в крепких и крепчайших породах. Модернизация гидроперфоратора создается использованием гидромотора МНР-50 (102ГП), МПР-100 (101ГП).

Перфораторы серии 200ГП используют для бурения шпуров диаметром 46-65 мм ударно-вращательным и микроударно-режущим способом в породах с f = 6-20 и бурения скважин диаметром до 85 мм в породах любой крепости. Модификация гидроперфоратора создается комбинированием различных гидромоторов и поршней бойка.

Выпуск гидравлических перфораторов освоен Финляндией, Швецией, США, Швейцарией, Францией. Около 20 зарубежных фирм изготовляют более 50 моделей перфораторов.

Серийные образцы гидроперфораторов различных фирм имеют много сходных принципиальных конструктивных решений. В качестве двигателя вращателя в них используются высокомоментные гидродвигатели, передающие вращение на инструмент через одноступенчатый редуктор. Большинство фирм применяют также гидропневматические аккумуляторы с мембраной чашечной формы. Широкому применению гидравлических экскаваторов способствовал переход на самоходное буровое оборудование, при котором возможен замкнутый цикл использования рабочей жидкости, поскольку работа перфораторов требует расхода жидкости до 100 л/мин.

Рис. 2.28. Схема гидравлического перфоратора с регулируемой

длиной хода ударника фирмы «Линден Алимак» (Швеция)

Схема гидравлического перфоратора одной из шведских фирм приведена на рис. 2.28. Вращение штанги 1 обеспечено гидродвигателем 3. При этом давление в линии 4 зависит от момента сопротивления вращению буровой штанги. Поршень-ударник 6 перфоратора перемещается в цилиндре 7. В перфораторе имеется распределительное устройство (золотник) 23, регулятор 26 и гидропневмоаккумуляторы 19 и 22. В зависимости от положения золотника 23 по линии 21 жидкость поступает в камеры 8 мили 9 цилиндра 7. В положении, показанном на рисунке, жидкость поступает в камеру 8, при этом поршень совершает обратный ход. Жидкость из камеры 9 вытесняется в сливную магистраль 20. По мере продвижения поршня открываются клапаны 10 – 13, выходные отверстия которых перекрыты золотником 15 регулятора 26. Положение сливных отверстий 10 – 13 может регулироваться золотником 15. При этом жидкость по одной 11 – 13 проходит в канал 24 и перебрасывает золотник 18 вправо, меняя направление потока жидкости. Жидкость поступает в камеру 9, тормозит поршень-ударник и меняет направление его движения. По мере разгона поршень открывает входное отверстие канала 16, и жидкость поступает через канал 17 под поршень 18 золотника. Последний перебрасывается влево, открывая доступ жидкости в камеру 8. Совершив удар по хвостовику штанги поршень подхватывается жидкостью и совершает обратный ход. Таким образом, момент переключения жидкости не постоянный, а зависит от положения золотника 15 регулятора 26, которое в свою очередь зависит от давления жидкости в канале 5 и усилия регулировочной пружины 12. При увеличении нагрузки на гидродвигатель 3 величина хода поршня ударника уменьшается и снижается энергия удара поршня, а частота ударов возрастает. Тем самым происходит саморегулирование технических параметров перфоратора в зависимости от крепости буримых пород.

Буровой инструмент перфораторов

В качестве бурового инструмента при работе перфораторов применяются буровые штанги с головками или чаще со съемными коронками. Буровые штанги бывают цельные или составные. Цельные буровые штанги могут иметь закаленную головку и головку, армированную пластиной твердого сплава. Применение цельных буровых штанг увеличивает скорость бурения на 20 – 30 %. Цельные штанги выпускаются шестигранного профиля длиной 800 – 3 200 мм, диаметр головки 31 – 34 мм.

Наибольшее распространение получили составные буровые штанги. Они состоят из отдельных штанг, соединяемых между собой муфтами. Коронка соединяется со штангой с помощью резьбы или гладкого конуса (7°).

Буровая штанга представляет собой стержень, изготовленный из пустотелой буровой стали, обычно круглого сечения диаметром 22 – 32 мм, реже – шестигранного. Осевой канал штанги с отверстиями в головке или коронке имеет диаметр 7 - 9 мм при бурении с промывкой или продувкой. При бурении с пылеотсосом диаметр осевого канала – 12 мм. Хвостовик буровой штанги подвергают закалке на длине 50 – 60 мм от торца. Буровые штанги изготовляют из легированных сталей марок: 95ХМА, ЗОХГСФА, ЗОХМА, 12ХНЗА, 28ХГНЗМ, 40Х2АЮФ. Наибольшее распространение получили буровые штанги из стали 55С2 (ГОСТ 14959-83). Для мощных пневматических и гидравлических перфораторов применяют съемные хвостовики, соединяемые с буровой штангой с помощью внутренней и наружной резьб. Хвостовики могут быть с осевым и боковым каналом для промывки диаметром, соответственно, 8 – 19, 8 – 10 мм. Хвостовики изготовляют из тех же марок стали и по той же технологии, что и буровые штанги.

Буровые коронки для перфораторного бурения (рис.2.29) изготовляют четырех типов: КДП – долотчатые пластинчатые; ККП – крестовые пластинчатые; КТШ – трехперые штыревые; КНШ – неперетачиваемые штыревые (ГОСТ 17196-79). Долотчатые коронки с пластинками твердого сплава (ВК15, ВК8 и ВК6В) применяют для бурения крепких и вязких пород, крестовые пластинчатые – для крепких трещиноватых пород. Штыревые коронки применяют для бурения шпуров в трещиноватых породах средней крепости. Коронки, армированные штырями сферической формы, — самоза­тачивающиеся, остальные подлежат заточке после затупления.

В целях снижения энергоемкости процесса разрушения, повторного переизмельчения пород и, как следствие, пылеобразования в забое при выборе диаметра коронок следует исходить из следующих рекомендаций:

Диаметр шпура (скважины), мм	Энергия единичного удара, Дж	Тип перфоратора
< 43	до 63	ПП36; ПП63
43 - 65	90	ПТ48; ПК60; ПК75
> 65	150	ПК150; ПК175

Рис. 2.29. Буровые коронки: а – с конусным отверстием; б - с резьбовым отверстием;

в - вид с торца типов КДП, КНШ, КДШ, КТШ