2.1.1. Конструктивные особенности современных перфораторов

При ударе о хвостовик бурового става поршень перфоратора ге­нерирует силовой импульс, который затем передается через штанги буровой коронке. Форма силового импульса определяется ампли­тудой напряжения во времени и зависит от длины, площади се­чения и скорости приложения силовой нагрузки. В современном перфораторостроении форме поршня не всегда уделяется долж­ное внимание, что приводит к ряду нежелательных явлений.

Два поршня—короткий и длинный—с одной и той же мас­сой создают разные по форме силовые импульсы. Длинный пор­шень равной со штангой площадью сечения создает силовой им­пульс почти прямоугольной формы с относительно небольшой амплитудой напряжения. Короткий поршень диаметром, превосхо­дящим диаметр штанги, имеет импульс с амплитудой, увеличен­ной в начале и пониженной в конце.

Длинные поршни с сечением, близким к сечению штанги, хо­рошо вписываются в гидроударники. В пневматических перфораторах длинные поршни трудно применять по конструктивным со­ображениям: увеличивается длина перфоратора, возрастает его масса, нет места для размещения поворотной гайки, недостаточна контактная прочность, малая масса поршня.

В свою очередь, короткие и толстые поршни создают высокие импульсы напряжений в штангах. Это приводит к частым поломкам инструмента и уменьшению количества энергии, передаваемой породе, т. е. снижению коэффициента полезного действия удара.

Наиболее длинный пробег силового импульса при короткой геометрической длине поршня имеет место у поршня, представляю­щего собой сочетание штока и цилиндра, которые соеди­нены диафрагмой.

Форма поршня и соотношение его кон­структивных элементов старых перфораторов носят случайный характер. И только у но­вых перфораторов поршни имеют более совершенные геометри­ческие соотношения. Поршень перфоратора ПК75, например, имеет длину 255 мм, а диаметр штока 50 мм. Он удлинен по сравнению с другими поршнями, у него нет резких изменений в сечениях, переход от штока к цилиндрической части выполнен в виде конуса, что уменьшает число отражений при проходе силового импульса. Масса поршня 5,225 кг. Серия новых переносных перфораторов, таких как ПР25В (рис. 2.1.1.1.), имеет наиболее высокое отношение длины поршня к диаметру штока. Геликоидальные скосы распо­ложены на штоке поршня. Расположение механизма вращения в передней части поршня позволяет придать поршню рациональ­ное сечение.

Связь между энергоемкостью разрушения горной породы и формой силового импульса была установлена как при единичных ударах, так и в серии опытных перфораторов. Это дало возможность рекомендовать промышленности рациональные формы поршней.

Рис. 2.1.1.1. Устройство перфоратора ПР25В:

1 — цилиндр; 2 — патрон, 3 — поворотная букса; 4 — поршень, 5 — глушитель шума, 6 — клапан, 7 — виброгасящая каретка

Можно сделать следующие выводы для расчета коэффици­ента передачи энергии от ударника в породу для различных порш­ней-ударников:

1. Для любой формы поршня можно найти соотношения, при которых коэффициент передачи энергии от бура в породу  бу­дет наибольшим.

2. Поршень равного со штангой сечения имеет =81 %, создает в штанге наименьшие напряжения и имеет наименьшую массу.

3. Трехступенчатый поршень создает =84%, у него длины первой и второй ступени равны, а длина третьей ступени равна половине длины первой ступени, сечения ступеней относятся как 1 : 1, 2: 1,6.

4. Увеличение площади сечения штанг вызывает удлинение поршня.

5. Чрезмерная длина поршня вызывает понижение передачи энергии в породу.

6. Для бурения крепких пород поршень нужен короткий, для слабых — длинный.

При создании бурильных машин следует иметь в виду, что к перфораторам с самостоятельным геликоидальным винтом (заднее вращение) трудно создать поршень рациональной формы для генерации эффективного импульса напряжений. В этом отно­шении в более благоприятных условиях находятся перфораторы с геликоидальными скосами на самом поршне (переднее вращение) и перфораторы с независимым вращением бура.

Переносные перфораторы имеют далеко не лучшую форму поршней, что отрицательно сказывается на производительности ма­шин, прочности бурового инструмента, прочности тела поршня и контактной прочности соударяющейся с буром плоскости.