2.1.3. Перфораторы с независимым вращением бура

Первые промышленные партии перфораторов с независимым вра­щением бура были изготовлены фирмой «Гарднер Денвер» в 1931 г. Они имели в качестве вращателя пневматический шесте­реночный двигатель и червячный редуктор. Однако производство этих перфораторов вскоре было прекращено из-за их большой массы. Механизм вращения с геликоидальной парой был быстро усовершенствован и прочно вошел в практику перфораторостроения.

Производство перфораторов с независимым вращением бура было возобновлено в СССР. В 1947 г. на руднике им. Дзержин­ского в Кривом Роге были начаты испытания перфоратора с неза­висимым вращением бура типа ЗИГ конструкции Н. П. Заблотного и М. К. Гречухи.

Современная промышленность освоила выпуск перфораторов с независимым вращением бура. К ним относятся перфораторы завода «Коммунист» ПК60А, ПК75 и ПК75А. Конструкция перфораторов ПК60 и ПК75 разработана во ВНИПИрудмаше и имеет аналогичное устройство. Ударная часть перфоратора ПК75 (рис. 2.1.3.1.) состоит из цилиндра 4, поршня 7, клапана 2, гнезда клапана 3 и крышки 20. Ударник работает сле­дующим образом: поршень 7 под действием сжатого воздуха, по­ступающего попеременно в переднюю и заднюю камеры сжатия, совершает возвратно-поступательные движения. В конце рабочего хода поршень наносит удар по хвостовику 14. Управление подачей воздуха в рабочие камеры сжатия производится клапаном мотылько­вого типа. Сжатый воздух из под­водящего штуцера через мотылько­вый клапан поступает в рабочую камеру прямого хода 19, вызывая рабочий ход поршня. Воздух из ка­меры обратного хода 17 при этом сначала выходит через выхлопное отверстие 6, а после его перекры­тия поршнем сжимается в камере. Когда движущийся поршень открывает выхлопное отверстие, давление в камере 19 падает и клапан 2 перекрывает дальнейшее поступление в нее сжатого воз­духа, открывая поступление воздуха в камеру 17, вследствие чего начинается обратный ход поршня. После перекрытия поршнем вы­хлопного отверстия давление в камере 19 начинает расти, в ре­зультате чего происходит торможение поршня. После того, как поршень при обратном ходе откроет выхлопное отверстие, давле­ние в камере 17 падает и под действием давления в камере 19 клапан открывается для впуска в нее сжатого воздуха.

Недостатком описанной системы воздухораспределения явля­ется то, что в некоторые моменты цикла напорная магистраль не­посредственно соединяется с выхлопом, что вызывает повышенный расход сжатого воздуха.

Вращатель перфоратора состоит из статора 22, ротора 23 с впрессованным в него золотником 11, шпинделя 13, передней 12 и задней 8 крышек. Статор представляет собой зубчатое колесо внутреннего зацепления, роль зубьев у которого играют свобод­но заложенные в круглые пазы статора цилиндрические ролики 10. Ротор выполнен в виде шестерни с наружными круговыми зубьями. Он свободно помещен в статоре, зубья которого явля­ются опорой ротора.

Рис. 2.1.3.1. Схема перфоратора ПК75

Сжатый воздух по каналу задней крышки попадает в кольце­вую полость 16 и далее по кольцевой проточке поступает в распре­делительное устройство, представляющее собой золотник с вин­товыми каналами 11. Входные отверстия каналов 11 периодически по мере обкатывания ротором статора сообщаются с кольцевой проточкой 9. Выходные отверстия каналов золотника 11 через от­верстия 15 между зубьями ротора соединяются с рабочими поло­стями двигателя, образованными зубьями ротора и статора. Вход­ные отверстия каналов золотника 11 смещены на 90° относительно выходных отверстий.

Благодаря эксцентричному расположению ротора и связанного с ним золотника, а также относительному смещению входных и выходных отверстий каналов золотника, рабочие полости одной по­ловины вращателя будут наполнены сжатым воздухом, а рабочие полости другой половины вращателя будут соединены с атмосфе­рой. Отработанный воздух сбрасывается через те же каналы в зо­лотник, в обратном порядке во внутреннюю полость вращателя и далее через отверстие в передней крышке 12 по патрубку перед­ней крышки в атмосферу. Сжатый воздух, находясь в рабочих полостях одной половины вращателя, воздействует на ротор 23 и поворачивает его. Так как золотник впрессован в ротор и пере­мещается вместе с ним, последующие циклы повторяются и ротор 23 обкатывается по внутренней поверхности статора 22. Число зубьев ротора на единицу меньше числа зубьев статора, поэтому за полное обкатывание ротора по внутренней поверхности статора последний сместится вокруг своей оси только на расстояние между соседними зубьями. В этом проявляются редукционные свойства вращателя, т. е. за полное обкатывание ротора происходит его не­большое угловое смещение.

С тем чтобы планетарное перемещение ротора преобразовать во вращательное движение шпинделя 13 относительно оси перфо­ратора, последний имеет круглые зубья, свободно входящие в кру­говые впадины на внутренней поверхности ротора, так что ротор и шпиндель имеют возможность взаимного радиального перемеще­ния при обкатывании ротора по статору. Чтобы уменьшить трение в момент проскальзывания зубьев ротора относительно зубьев статора, последние имеют полукруглую форму.

Для облегчения развинчивания бурового става вращатель вы­полнен реверсивным. Направление вращения зависит от подачи воздуха к передней или задней полости. Регулирование частоты вращения производят путем дросселирования сжатого воздуха. На перфораторе установлен глушитель 5, позволяющий снизить общий уровень шума до 113—115 дБ. Подача сжатого воздуха в ударную часть производится через штуцер /. Хвостовик 14 выполняется с внутренней или наружной резьбой. Соответственно буровая штанга непосредственно ввинчивается в хвостовик или соединя­ется с ним посредством муфты.

Перфоратор ПК75 имеет центральную промывку. Промывочная жидкость подается через штуцер 21 и водяную трубку 18 в хво­стовик и далее через полую штангу на забой. Для предотвраще­ния попадания воды в перфоратор в хвостовик 14 вставляется манжета. Для надежной эксплуатации перфоратора давление в во­дяной системе должно быть ниже давления сжатого воздуха на 0,1 МПа.

Недостатком системы воздухораспределения перфораторов ПК75 является то, что в некоторые моменты времени цикла напор­ная магистраль непосредственно соединяется с выхлопом, что вы­зывает повышенный расход сжатого воздуха.

С целью увеличения ударной мощности произведена модерни­зация перфоратора ПК75 и разработана его новая модификация ПК75А. Здесь диаметр цилиндра увеличен до 125 мм, применена бесклапанная система воздухораспределения по схеме «золотник на поршне» (рис. 2.1.3.2.). Ударная мощность перфоратора увеличена на 1,6 кВт и составляет 10,1 кВт.

Рис. 2.1.3.2. Схема перфоратора ПК75А:

1—насадок; 2—соединительная муфта: 3— статор; 4— ротор; 5 — передняя крышка; 6— шпиндель; 7 — ролик; 8 — задняя крышка; 9— поршень; 10 — цилиндр; 11 — головка; 12 — водо-промывная трубка

Бурильные головки БГА-1М также имеют независимое враще­ние бура.

Рис. 2.1.3.3. Схема бурильной головки БГА-1М

Они выпускаются Старооскольским механическим заво­дом. Этой головкой оснащают бурильные установки БУР-2Б, 1СБУ-2К и СБУ-2МН. Головка БГА-1М (рис. 3.1.3.3., конструктор А. А. Моржаретто) состоит из шестереночного двигателя 1 с редук­тором и ударного узла. Ударник работает следующим образом: сжатый воздух от пульта 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 и проточку 5 на хвостовике ударника. Торец хвостовика постоянно находится под давлением сжатого воздуха. Выхлоп сжатого воз­духа производится через выхлопное окно 13. При увеличении уси­лия подачи амортизатор 3 сжимается и выпускной клапан 16 открывается полностью. Ударный механизм закрыт кожухом, кото­рый снижает уровень шума. Вращатель состоит из пневматиче­ского шестереночного двигателя и трех пар зубчатых колес, пере­дающих крутящий момент хвостовику 10 через шпиндель 8. Общее передаточное число редуктора равно 34,4. Мощность шестереноч­ного двигателя 1,2 кВт. Вода в штуцер подается через муфту боко­вой промывки 9. Схема БГА-1М оказалась настолько эффективно, что фирма «Гарднер-Денвер» (США) использует ее для своих пер­фораторов PR 1000 и PR2000. Финская фирма «Тамрок» выпускает серию перфораторов для шахтных установок. Они имеют воздухораспределение по схеме «золотник на поршне».

Перфоратор L400 (рис. 2.1.3.4.) имеет независимое вращение от шестереночного пневмодвигателя. Одна шестерня двигателя со­вмещена с осью перфоратора, а вторая вынесена в отдельный при­лив.

Рис. 2.1.3.4. Схема перфоратора L400:

/ — водопромывная трубка; 2 — поворотная букса; 3 — поршень;

4 — направляющая втулка; 5 — цилиндр; 6— пускатель;

7 — пневмодвигатель; 8 — редуктор

Крутящий момент через трехступенчатый редуктор передается шпинделю и через него бурильному инструменту. Шестерни редуктора цилиндрические. Поршень имеет удлиненную конструкцию. Золотник расположен на заднем штоке поршня. Промывка цен­тральная.

Достоинством перфоратора является его высокая надежность, что обеспечивается простотой конструктивных решений. Система воздухораспределения с пусковым клапаном, построенная по прин­ципу «золотник на поршне», позволяет использовать энергию рас­ширения сжатого воздуха, что повышает коэффициент полезного действия ударного узла до 0,82. Надежность обеспечивается тем, что в ударном механизме имеется одна двигающаяся де­таль—поршень. Независимое вращение повышает надежность за счет отсутствия в механизме таких деталей, как стопоры, пружины, храповики, что присуще механизму вращения с гелико­идальным стержнем.

Частота вращения бурильного инструмента составляет 3,3 с^-1, при передаточном числе оборотов от двигателя к шпинделю, рав­ном 10.

Шведская фирма «Атлас Копко» позже других перешла к при­менению перфораторов с независимым вращением бура. Она вы­пускает серию таких перфораторов: СОР89Д, СОР91ЕД, СОР125Д и СОР126ЕД.

В перфораторе СОР91ЕД для вращения шпинделя применен ротационный реверсивный двигатель, который в одном корпусе совмещен с ударным механизмом. Двигатель развивает высокую мощность при относительно малых размерах. Вместе с тем он имеет низкий удельный расход сжатого воздуха. Перфоратор СОР126ЕД имеет шестереночный двигатель, который размещен сзади ударного механизма. Такое расположение двигателя удобно для ремонта и замены в случае необходимости. Ударный механизм имеет длинный ударник, специально сконструированный для буре­ния глубоких взрывных скважин. Шум глушится в две стадии: пу­тем соответствующих конструктивных устройств внутри перфора­тора и с помощью внешнего глушителя. Вместе с тем перфоратор имеет малые внешние размеры, что позволяет бурить шпуры почти параллельно стенкам выработки. Наклон оси шпура составляет 3°. Перфоратор имеет муфту боковой промывки, что позволяет применять воду под высоким давлением.

Фирма также выпускает перфоратор типа СОР150ЕВ с диамет­ром поршня 150 мм, предназначенный для бурения скважин диа­метром 64—115 мм. При этом применяются буровые штанги диа­метром 38 или 45 мм. Машина работает при давлении сжатого воздуха в сети 0,6—0,8 МПа.

Последней новинкой фирмы является серия перфораторов СОР925, СОР928, СОР932М. Они имеют бесклапанное воздухораспределение и независимое вращение инструмента. Смазка удар­ного механизма осуществляется с помощью воздуха, смешанного с маслом, который проходит по отдельным масляным магистралям. Длина хода поршня меняется от 38 до 60 мм, в связи с чем меня­ется и частота ударов. Управление ходом поршня производится автоматически в зависимости от крепости породы. Уровень шума составляет 103 дБ на расстоянии 1 м от механизма.

В США для шахтных бурильных установок фирма «Гарднер Денвер» выпускает серию перфораторов PR 123, PR55, PR66, PR80 с диаметром поршня соответственно 114, 139, 168 и 203 мм. У этих перфораторов вращение поворотной буксы осуществляется за счет шестереночного пневматического двигателя.

Выпущен новый перфоратор PR2000 с диаметром поршня 137 мм. Конструктивной особенностью этого перфоратора является воздухораспределение по схеме «два золотника на поршне» (рис. 2.1.3.5.). Аналогичное воздухораспределение имеет бурильная головка БГА-1, выпускаемая Старооскольским механическим за­водом. Причем она была выпущена на 10 лет раньше зарубежных. Вращение осуществляется от шестереночного двигателя, располо­женного в задней части перфоратора.

Общий к. п. д. бурильной головки по сравнению с аналогич­ными машинами выше на 30 % при выходной мощности 10— 15 кВт. Выходящий из перфоратора воздух направляется через глушитель шума в узер держателя хвостовика и далее на поверх­ность трения податчика. Поскольку отработанный воздух содержит масло, происходят обильная смазка наиболее нагруженных поверхностей трения и очистка их от грязи.

Рис. 2.1.3.5. Схема перфоратора PR2000:

/—хвостовик; 2—поворотная втулка; 3 — корпус; 4— глушитель шума; 5 — поршень- 6— двигатель вращателя; 7 — водяной патрубок