Бурильные головки - Перфораторы

Колонковые перфораторы, поскольку предназначались не только для бурения шпуров, но и небольших скважин, были более мощными и тяжелыми машинами, чем переносные перфораторы. Они требовали значительных усилий подачи, и бурение ими с рук было невозможно, поэтому их устанавливали на специальные салазки автоподатчиков, которые в свою очередь устанавливались на специальных винтовых распорных колонках, что и определило первоначальное название данного класса перфораторов.

Широкое применение на шахтах самоходной техники привело к тому, что колонковые перфораторы получили распространение на шахтных буровых установках и стали называться "бурильная головка". Отличительной особенностью буровых головок является наличие независимого вращения бура.

Принципиальная схема вращательно-ударной бурильной головки приведена на рис. 3.20. Сжатый воздух от крана управления через штуцер 17, трубку 2, полость 15, каналы задней буксы 4 и продольные каналы цилиндра 6 поступает в расточку 11 передней буксы 7, откуда через проточку на штоке ударника подается в камеру обратного хода 12. В камеру прямого хода 14 воздух проходит через каналы задней буксы 4 и проточку 5 на хвостовике поршня - ударника. Выхлоп сжатого воздуха производится через выхлопное отверстие 13. Ударный механизм закрыт кожухом, который снижает уровень шума. При увеличении усилия подачи амортизатор 3 сжимается, и выпускной клапан 16 открывается полностью.

Вращатель состоит из пневматического шестереночного двигателя 1, трех пар зубчатых колес, передающих через шпиндель 8 крутящий момент хвостовику 10. Мощность пневмодвигателя 1,2 кВт. Вода в бур подается через сальниковую муфту 9.

В настоящее время широкое применение находят гидравлические бурильные головки (гидравлические перфораторы). Это практически новый класс машин для вращательноударного и ударно-вращательного бурения шпуров и скважин в крепких породах. Серийное производство гидравлических бурильных головок начинается с 1970 г. В России разработка конструкций гидравлических бурильных головок велась Кузнецким машиностроительным заводом совместно с Карагандинским политехническим институтом. Серийное изготовление гидравлических бурильных головок требует значительно более высокого технического уровня производственной базы и, следовательно, больших капитальных затрат. Отсутствие производственной базы и финансирования сдерживает организацию серийного производства гидроперфораторов в России. Зарубежные фирмы, производящие буровую технику, почти все уже несколько десятилетий серийно изготавливают гидроперфораторы.

Конструктивная схема гидравлической бурильной головки приведена на рис. 3.21. В корпусе бурильной головки совершает возвратно-поступательное движение поршень-ударник 11, который при рабочем ходе наносит удар по хвостовику 1, имеющему внутреннюю резьбу для соединения с буровой штангой. Уплотнения 8 предотвращают утечку масла из ударного механизма. Управление потоком рабочей жидкости осуществляется золотником 12. Регулировка длины хода поршня-ударника осуществляется поворотом пробки 9, которая открывает один из трех каналов 10, подводящих рабочую жидкость из цилиндра к камере переключения золотника 12. Вращение бура осуществляет гидродвигатель 14 через муфту 15, зубчатые колеса 16,4 И патрон 3. Бурильная головка оснащена гидравлическим амортизатором, защищающим механизмы перфоратора от воздействия возвращающихся по буровой штанге ударных волн. Отраженные ударные импульсы воздействуют на упорную втулку 5 и подпятник 6, вытесняя рабочую жидкость из полости 7 в аккумулятор 13. Аккумулятор 13, заполненный азотом под давлением 11 МПа, сглаживает пульсации рабочей жидкости в напорной магистрали. Для защиты ударного механизма от загрязнения и для его охлаждения в переднюю часть бурильной головки подается насыщенный маслом сжатый воздух под давлением 0,2 МПа, который выходит в атмосферу через отверстие 17. Для удаления из шпура буровой мелочи в хвостовик через муфту боковой промывки 2 подают воду под давлением 0,6 Мпа

Гидроперфораторы имеют целый ряд преимуществ перед пневматическими перфораторами: повышается в 1,5-2 раза скорость бурения за счет увеличения энергии удара (при равных габаритных размерах и массе давление энергоносителя современного гидроперфоратора 15-25 MПa); уменьшаются в 3-5 раз удельные энергозатраты;

Увеличивается стойкость бурового инструмента за счет формирования гидроударником более рационального ударного импульса;

Повышается в 3-4 раза КПД передачи энергии (системы насос - гидроударник по сравнению с системой компрессор - пневмоударник);

Уменьшается уровень шума в забое на 5-15 % за счет отсутствия выхлопа отработанного воздуха;

Появляется возможность автоматического обеспечения оптимальных режимов бурения в горных породах с различными физико-механическими свойствами за счет регулирования энергии удара, частоты ударов, частоты вращения и усилия подачи буровой штанги; отсутствие масляного аэрозоля в забое выработки, что улучшает санитарно - гигиенические условия и видимость в забое.

Внедрение на рудниках гидравлического бурового оборудования влечет за собой значительное увеличение первоначальных затрат, но они довольно быстро окупятся за счет высокой производительности бурения и экономии энергии.

Большинство современных гидравлических бурильных головок вращательно-ударного и ударно-вращательного бурения имеют кинематически не связанные ударный и вращательный механизмы. Учитывая современную тенденцию к модульному проектированию машин, функциональные узлы гидравлических бурильных головок (ударный и вращательный) изготовляются с различными режимными и силовыми параметрами, но с идентичными присоединительными размерами. Это положение, в свою очередь, дает возможность сократить число выпускаемых моделей, но за счет комбинаций функциональных узлов с различными параметрами получить широкий ряд модификаций гидроперфораторов, пригодных для бурения шпуров и скважин в породах с различными физико-механическими свойствами.

Таким образом, на сегодняшний день деление гидравлических бурильных головок на машины ударно-вращательные, вращательно-ударные и вращательные достаточно условное, так как соотношение между мощностью ударного механизма и вращателя можно изменять в достаточно широком диапазоне в зависимости от свойств буримых пород.

Для питания гидравлических бурильных головок рабочей жидкостью изготавливаются электрогидравлические силовые блоки, состоящие из двигателя и трех насосов для каждого функционального узла: ударника, вращателя и податчика. Для сглаживания пульсаций жидкости в напорной и сливной магистралях и предохранения шлангов от ударных нагрузок обычно устанавливают гидропневмоаккумуляторы, заполняемые инертным газом (азотом).

Распределительные механизмы гидроударников выполнены в виде золотников, различных по конструкции и принципу действия. Все их можно подразделить на две группы - с золотником, управляемым принудительно, и с золотником, гидравлически связанным с движением поршня-ударника и работающим в автоматическом режиме. Последние можно подразделить на три группы: с полым цилиндрическим золотником, соосно расположенным с поршенем-ударником; с вынесенным золотником; с золотником, жестко связанным с поршнем-ударником (бесклапанное распределение). Регулирование длины хода поршня-ударника может быть осуществлено при распределении потока жидкости с помощью вынесенного золотника.

Гидравлическая схема бурильной головки с принудительным управлением золотника приведена на рис. 3.22, Буровая штанга 1 вращается гидродвигателем 17 через зубчатые колеса 18 и 19. Золотник 9 кинематически связан с зубчатым колесом 19 колесами 2, 6,16 и валом 3 и, следовательно, вращается совместно с буровой штангой. Вращающийся золотник 9 имеет напорные 15 и сливные 12 окна, смещенные относительно друг друга на половину шага. При совмещении напорных окон 15 с соответствующими окнами в корпусе золотниковой коробки 10 Жидкость из линии питания 8 поступает в камеру 11, и поршень-ударник 5 совершает рабочий ход, в конце которого наносит удар по хвостовику буровой штанги 1.

Рис. 3.22. Гидросхема перфоратора с принудительным управлением работой ударного механизма (фирма "СИГ" Швейцария)

Пo 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 в сливную магистраль 13, а в камеру 4 из напорной магистрали поступает жидкость, и поршень-ударник совершает обратный ход, возвращаясь в исходное положение. При рабочем ходе поршня-ударника жидкость из камеры 4 выдавливается в напорную магистраль, так как его площадь со стороны камеры 4 меньше площади со стороны камеры 11. Для сглаживания пульсаций в напорной 8 и сливной 13 магистралях установлены гидропневмоаккумуляторы 7 и 14.

У гидроперфораторов такого типа число ударов на один оборот буровой штанги определяется передаточным отношением механизма вращения золотника и остается постоянным при изменении частоты вращения буровой штанги. Эта особенность таких гидравлических бурильных головок негативно сказывается на их производительности и стойкости бурового инструмента при бурении, так как для каждого типа пород существует оптимальный угол поворота буровой коронки между ударами. Однако эта схема обеспечивает автоматическое отключение ударного механизма при стопорении буровой штанги. Недостатки этой схемы ограничивают область применения таких машин.

Финская фирма "Тамрок" выпускает гидроперфораторы с постоянной длиной хода поршня и полым цилиндрическим золотником, соосно расположенным с поршнем-ударником.

Па рис. 3.23 показана схема ударного механизма такого конструктивного исполнения. На рис. 3.23 поршень-ударник показан в момент нанесения удара по хвостовику буровой штанги. В этот момент камеры 4 и 6 через канал 11 соединены с напорной магистралью, а камера 8 Через отверстие 14 в золотнике 7, отверстие 15 и канал 12 в корпусе 3 соединены со сливной магистралью. Золотник в этот момент находится в крайнем правом положении. Одновременно происходит заполнение рабочей жидкостью напорного аккумулятора 10. Из камеры 8 жидкость вытесняется в сливную магистраль и сливной аккумулятор 13. Когда буртик 18 поршня - ударника перекроет отверстие 14 в золотнике, камера 8 окажется отсеченной от сливной магистрали и через канал 9 будет соединена с напорной магистралью, в результате чего давление в камере 8 возрастет. Поршень будет продолжать двигаться направо под действием сил инерции, пока не остановится. Буртик 18 закроет канал 14 в золотнике, откроет каналы 17, 16 и 12, соединится со сливной магистралью.

Рис. 3.23. Схема ударного узла гидроперфоратора с полым цилиндрическим золотником, соосно расположенным с поршнем-ударником

В это же время камера 6 отсекается от напорной магистрали буртиком 19, находящимся на поршне-ударнике. В этот момент левый торец золотника освобождается от сил напорного давления жидкости, а правый торец находится под давлением, что заставит золотник переместиться влево. Перемещаясь, золотник закроет каналы 14 и 17, а в камерах 4 и 8 установится давление напорной магистрали. Под действием разности сил, возникающих из-за разности площадей сечений поршня-ударника в камерах 4 и 8, поршень начнет двигаться налево, совершая рабочий ход. В этот момент жидкость в камеру 8 будет поступать из напорной магистрали и из аккумулятора 10, а аккумулятор 13 разрядится в сливную магистраль. При рабочем ходе поршня - ударника буртик 19 соединяет камеру 6 с напорной магистралью через каналы 5 и 11. Давление жидкости в камерах 6 и 8 становится одинаковым. Под действием разности сил, возникающих из-за разности площадей слева и справа золотника, он перемещается вправо, после чего камера 8 через каналы 14 и 15 соединится со сливной магистралью и давление в ней упадет. Поршень будет продолжать двигаться по инерции и нанесет удар по хвостовику бура. Далее циклы повторяются.

Гидроперфораторы данной конструкции отличаются простотой конструкции и простотой в эксплуатации, но технологические возможности их несколько сужены, так как энергию удара можно регулировать только за счет изменения расхода рабочей жидкости. Технические характеристики гидроперфораторов фирмы "Тамрок" приведены в табл. 3.5.

Таблица 3.5

Характеристика бурильных головок (гидравлических перфораторов) фирмы TAMROCK

Показатели	Обозначение перфоратора
ГЛЗООС	ГЛ500С	ГЛ600С	ГЛ1000С	ГЛ550СУПЕР
Ударная мощность, КВт	8	16	16,5	25	21
Крутящий момент, Нм	175	400	625/470	1300	400
Диаметр бурения, мм	32-43	43-51	48-89	89-115	45-51
Максимальное рабочее давление: Удара, МПа	16,0	17,5	17,0	15,0	25,0
Вращения, МПа	16,5	17,5	17,5	17,5	17,5
Масса, кг	92	130	180	290/300	130
Длина, мм	750	1000	1031	1140/1165	1000
Высота от оси штанги, мм	72	76	-	-	76

Шведская фирма "Атлас Колко" выпускает гидроперфораторы серии СОР с вынесенным золотником, схема распределительного устройства которого приведена на рис. 3.24.

Поршень-ударник 10 (см. рис. 3.24, А) показан в начале рабочего хода в крайнем правом положении. Золотник 2 находится также в крайнем правом положении, в котором удерживается давлением рабочей жидкости, поступающей по каналу 3 и воздействующей на левую поверхность буртика золотника. Рабочая жидкость из напорной магистрали по каналу 11 поступает в правую камеру цилиндра и перемещает поршень-ударник влево, совершая рабочий ход. Когда поршень-ударник правой поверхностью буртика откроет канал 12, по нему поступает импульс давления в правую камеру 4, который из-за неравенства площадей сечений камеры 4 и кольцевого буртика золотника перемещает золотник в левое положение (см. рис. 3.24, Б). Рабочая жидкость из напорной магистрали по каналу 6 начинает поступать в левую камеру цилиндра, и начинается обратный ход поршня. Когда поршень-ударник своим левым торцом буртика откроет отверстие канала 9, рабочая жидкость из правой камеры 4 по каналам 9 и 5 пойдет на слив, а удержание золотника в левом положении будет осуществляться давлением рабочей жидкости, поступающей но каналу 3 и воздействующей на кольцевую поверхность правого буртика золотника. При дальнейшем движении вправо поршня-ударника открывается один из трех каналов 7, по которым рабочая жидкость из цилиндра поступает в левую камеру 4 и золотник перемещается в правое крайнее положение. Далее циклы повторяются. В момент переброски золотника из правого положения в левое поршень наносит удар по хвостовику буровой штанги. Пневмоаккумулятор 1 установлен в напорной магистрали. Величина хода поршня - ударника, энергия и частота ударов регулируются пробкой 8, при повороте которой открывается один из трех каналов 7. Технические характеристики гидроперфораторов фирмы "Атлас Копко" приведены в табл. 3.6.

Таблица 3.6

Характеристика бурильных головок (гидравлических перфораторов) фирмы "Атлас Копко" (Atlas Copco)

Обозначение	Перфоратора
Показатели	СОР 1022	СОР 1025 СОР 1028	COP1032LE СОРЮ32НВ	СОР1238МЕ
Масса, кг	51	52 54	112	151
Ударная мощность, кВт	4	5,5	6,5 8	15
Частота ударов, с'1	50	50	50	40-60
Частота вращения, мин-1	0-300	0-300	0-120 0-240	0-200
Крутящий момент, Н м	120	120	125 200	700
Рабочее давление, МПа	14	18,5	20 21	25
Диаметр буримого шпура (скважины), мм	27-40	35-38 38-51	35-64	64 115

Показатели	Обозначение перфоратора
COP1238ME-R38H	COP1238LP	СОР1550
Масса, кг	153	150	160
Ударная мощность, кВт	15	12-18	18
Частота ударов, с"1	40-60	48-80	35-48
Частота вращения, мин'1	0-100	0-300 0-200	-
Крутящий момент, Н м	1000	500-700	-
Рабочее давление, МПа	250	12-24	23
Диаметр буримого шпура (скважины), мм	72-76	48-89	76-127

Бурильные головки - Перфораторы

Похожие статьи