УСТРОЙСТВО УДАРНОГО ДЕЙСТВИЯ Российский патент 1994 года по МПК E21C3/20 

Изобретение касается высокоэнергетического пневмогидравлического молота метательного типа, предназначенного для раскалывания, дробления, отбойки горных пород породоподобных материалов, железобетона, отходов металлургического производства, ферросплавов и др. материалов высокой прочности. Преимущественная область применения - горные карьеры, молот как сменный рабочий инструмент, закрепленный посредством демпферного механизма на стреле экскаватора соответствующего типоразмера.

Известны гидравлические устройства ударного действия, у которых разгон ударника осуществляется при перетекании рабочей жидкости из полости взвода в полость рабочего хода, например гидромолот финской фирмы "Rammer" типа S1600НД (патент СССР N 1422988), включающий корпус с подвижно расположенным в нем ударником, золотниковый гидрораспределитель, напорный клапан и гидроаккумулятор.

Основным недостатком этого гидромолота является низкий КПД в силу того, что в нем перелив отработавшей жидкости из полости взвода в сливной бак происходит через полость рабочего хода, которая постоянно сообщена с газовой полостью через эластичную мембрану. В данном устройстве для накопления энергии при взводе ударника необходимо, чтобы слив отработавшей жидкости из полости рабочего хода происходил через гидравлическое сопротивление, создающее перепад давления, превосходящий по величине перепад давления сжатого газа в газовой полости. Для этого на линии слива установлен напорный клапан.

Известно устройство ударного действия (авт. св. N 1493778), содержащее корпус, образующий с поршнем-ударником камеру холостого хода и камеру рабочего хода, сообщаемую попеременно с напорной или сливной магистралью через золотниковый распределитель и нормально открытый клапан с камерой управления. Это устройство обладает более высоким КПД, так как в нем камера рабочего хода, через которую происходит слив отработавшей жидкости в бак, в начале холостого хода ударника открыта на слив и жидкость поступает на слив при малом перепаде давления.

Для описанных устройств характерен общий недостаток: управление работой ударного устройства с помощью трех элементов - золотникового распределителя, напорного или управляющего клапана, расточек и каналов на ударнике и в корпусе устройства. Для нормальной работы устройств, в которых ударник используется для распределения потоков рабочей жидкости, необходимо, чтобы диаметральные зазоры между направляющими поверхностями корпуса и ударника были не более 0,03-0,06 мм. Все это усложняет конструкцию устройства и технологию изготовления основных деталей, кроме того, при сравнительно небольших, износах направляющих поверхностей основных деталей нарушается работа устройства.

По авт. св. N 1273535 известно устройство ударного действия, включающее корпус, образующий с ударником, имеющим шток с проточкой и поршень, взводящую, переливную и аккумулирующую камеры, и ступенчатый клапан с расточкой в нижней части, установленный на штоке с возможностью осевого перемещения.

Управление работой ударника в этом устройстве осуществляется посредством одного ступенчатого клапана, обеспечивающего периодическое сообщение между собой взводящей и переливной полостей. Проходные каналы при открытом клапане имеют большие сечения, что обеспечивает переток рабочей жидкости из полости взвода в рабочую полость ударника с минимальными потерями энергии.

Однако в этом устройстве управление ступенчатым клапаном в переднем положении ударника обеспечивается проточкой на штоке ударника. Это приводит к нарушению диаметральных зазоров по направляющим поверхностям и утечке газа через эластичные уплотнения, что отрицательно сказывается на производительности устройства и его надежности.

Цель изобретения - улучшить эксплуатационные характеристики ударного устройства, управляемого одним ступенчатым клапаном, расположенным в корпусе коаксиально ударнику, исключить дозаправку газовой полости в полевых условиях работы устройства, уменьшить пульсацию рабочей жидкости в напорной магистрали при перетоке ее из взводящей полости в рабочую во время рабочего хода ударника, т. е. повысить частоту ударов устройства за счет увеличения объемного КПД, повысить его эффективность.

Для этого в устройстве, включающем корпус, в расточке которого установлены коаксиально ударник с поршневым выступом и ступенчатый управляющий клапан, образующий с расточками корпуса аккумуляторную полость, полости взвода и рабочего хода, напорную полость, постоянно сообщенную с источником давления и полостью взвода и периодически с полостью рабочего хода, сливную магистраль, гидроаккумулятор давления с эластичной мембраной, гидравлическая камера гидроаккумулятора постоянно сообщена с полостью рабочего хода, а корпус устройства со стороны гидроаккумулятора имеет шток, размещенный в его аккумуляторной полости, в штоке ударника, входящем в аккумуляторную полость, образована сливная камера с возможностью размещения в последней штока корпуса, при этом сливная камера посредством центрального осевого канала, выполненного в штоке корпуса, канала и расточек в корпусе устройства и кольцевой проточки ступенчатого клапана имеет возможность периодического сообщения с гидравлической камерой гидроаккумулятора либо со сливной магистралью.

Указанные конструктивные признаки позволили достичь объемный КПД устройства, близкий к 100% , и высокую частоту ударов (400-600 уд/мин).

На фиг. 1 дана принципиальная схема устройства ударного действия; на фиг. 2 - узел I на фиг. 1.

Устройство ударного действия состоит из корпуса 1, в направляющих 2 и 3 которого подвижно установлен ударник 4 с закрепленным в его нижней части инструментом 5. В средней части ударника 4 имеется поршневой выступ со ступенью 6 диаметром D₃ и ступенью 7 диаметром D₄. Нижняя часть 8 ударника 4 имеет диаметр D₁. Диаметр D₂ верхней части 9 ударника 4 меньше диаметра D₁ его нижней части 8.

В корпусе 1 со стороны гидроаккумулятора 10 имеется шток 11 с осевым каналом 12, размещенный в аккумуляторной полости 13 корпуса 1. Шток 11 сопряжен с направляющей 14 сливной камеры 15, выполненной в штоке ударника 4. Указанная сливная камера 15 изолирована от аккумуляторной полости 13 посредством мягкого уплотнения.

Поршневой выступ ударника 4 ступенью 6 постоянно контактирует с внутренней поверхностью гильзы 16, расположенной в корпусе 1. Внутренняя полость гильзы 16 посредством поршневого выступа ударника 4 разделена на полость 17 взвода и полость 18 рабочего хода. Полость 17 взвода посредством отверстий 19 сообщена с кольцевым каналом 20, образованном расточкой корпуса 1 и наружной поверхностью гильзы 16. В цилиндрической расточке корпуса 1 с возможностью продольного перемещения установлен ступенчатый клапан 21. Рабочая кромка 22 (см. фиг. 2) клапана 21 контактирует с конической поверхностью 23 гильзы 16. При этом диаметр D₅рабочей кромки 22 клапана 21 больше, чем диаметр D₆ (см. фиг. 1) хвостовой части клапана 21. Клапан 21 (см. фиг. 2) ниже (по чертежу) своей рабочей кромки 22 имеет цилиндрический поясок 24, который наружной поверхностью сопряжен с поверхностью расточки 25 корпуса 1. Источник давления 26 через напорную магистраль 27, канал 28 и отверстия 29 (см. фиг. 2), выполненные в теле клапана 21, кольцевую щель 30 между клапаном 21 и гильзой 16 и кольцевой канал 20 в корпусе 1 и отверстия 19 сообщается с полостью 17 взвода, а при открытии управляющего ступенчатого клапана 21 через кольцевой зазор между рабочими кромками клапана 21 и гильзы 16 - с полостью 18 рабочего хода. Полость 18 рабочего хода посредством канала 31 постоянно соединена с камерой 32 под эластичной диафрагмой 33 гидроаккумулятора 10.

Сливная камера 15 в штоке ударника 4 через осевой канал 12 в штоке 11 корпуса 1, канал 35 в корпусе 1, кольцевую проточку 36 на управляющем ступенчатом клапане 21, расточку 37 и канал 38 в корпусе попеременно сообщается со сливной магистралью 39 либо через кольцевую проточку 36 в клапане 21, расточку 40 в корпусе 1, каналы 41 и 31 - с полостью 18 рабочего хода и гидравлической полостью камерой 32 гидроаккумулятора 10.

Аккумуляторная полость 13 устройства может быть сообщена с атмосферой либо заполнена сжатым газом.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии ударник 4 находится в крайнем нижнем положении, опираясь инструментом 5 в обрабатываемый материал 34 или ступенью 6 в нижнюю торцевую стенку полости 17 взвода.

Управляющий клапан 21 своей рабочей кромкой 22 контактирует с конической поверхностью 23 гильзы 16. При этом полость 17 взвода через отверстия 19, кольцевой канал 20, отверстия 29, напорную магистраль 27 соединена с источником давления 26. Полость 18 рабочего хода посредством канала 31 постоянно сообщена с гидравлической камерой 32 под диафрагмой 33 гидроаккумулятора 10. Сливная камера 15 посредством канала 35 в корпусе 1, проточки 36 на управляющем ступенчатом клапане 21, канала 38 подсоединена к сливной магистрали 39.

При подаче рабочей жидкости от источника давления 26 в полости 17 взвода повышается давление. При достижении давления жидкости, равного
P_взв= P_р.х· , где Р_взв. - давление жидкости в полости взвода 17;
Р_р.х. - давление жидкости в полости 18 рабочего хода.

Ударник 4 начинает двигаться вверх, совершая холостой ход и вытесняя жидкость из полости 18 рабочего хода по каналу 31 в камеру 32 под диафрагмой 33 гидроаккумулятора 10. Находящаяся в сливной камере 15 жидкость по каналу 35, проточке 36 и каналу 38 поступает в сливную магистраль 39.

При этом управляющий клапан 21 своей рабочей кромкой 22 прижат к конической поверхности 23 гильзы 16 силой, равной
Р= Р_взв.· (D₅²-D₆²).

Таким образом, чем больше давление жидкости в полости 17 взвода, тем больше сила, с которой клапан 21 прижимается к конической поверхности 23 гильзы 16.

В конце холостого хода выступ ступени 7 диаметром D₄ ударника 4 входит во внутреннюю расточку с диаметром D₉. Это движение продолжается до тех пор, пока верхний торец ступени 6, соприкоснувшись с торцом клапана 21, не приподнимает его, оторвав его рабочую кромку 22 от конической поверхности 23 гильзы 16. Между кромкой 22 и конической поверхностью 23 образуется щель, через которую происходит сообщение между собой полостей 17 и 18. Давление в обеих полостях становится примерно одинаковым. При этом на ударник 4 со стороны полости 18 рабочего хода действует сила давления жидкости, равная
Р= Р (D₁²-D₂²), где Р_ак - давление жидкости в газовой камере 32 гидроаккумулятора 10.

Под действием этой силы ударник 4 совершает ускоренное движение вниз. Рабочая жидкость из полости 17 взвода через отверстия 19, кольцевой канал 20, щель 30 между клапаном 21 и гильзой 16 поступает в полость 18 рабочего хода. За счет сопротивления указанной щели между полостями 17 и 18 создается перепад давления. За счет этого перепада давления на нижний торец цилиндрического пояска 24 клапана 21 действует сила, равная
Р₁= Δ Р₁˙S, Δ Р₁= К₁˙V_y², где Р₁ - перепад давления между полостями 17 и 18;
S - площадь торца кольцевого пояска 24 клапана 21;
V_y - скорость ударника 4;
К₁ - коэффициент пропорциональности.

В этот момент под действием жидкости, поступающей от источника давления 26, из полости 17 взвода клапан 21 перемещается вверх до тех пор, пока ступень 7 ударника 4 не выйдет из внутренней расточки клапана 21.

Между напорной полостью А и полостью 18 рабочего хода устанавливается перепад давления Р₂ за счет сопротивления течению жидкости через отверстия 29, равный
Р₂= К₂˙V_ж²= К₃˙Q²_насоса, где V_ж - скорость жидкости в отверстиях 29;
Q_насоса - подача жидкости от источника давления 26;
К₂ и К₃ - коэффициенты пропорциональности.

В первый момент после разгона ударника 4, пока скорость движения его мала, перепад давления Δ Р₁ мал, а величина перепада давления Δ Р₂, определяемого производительностью насоса, постоянна и превосходит величину Δ Р₁. Поэтому на клапан 21 действует сила, направленная вниз и стремящаяся уменьшить щель между рабочей кромкой 22 клапана 21 и конической поверхностью 23 гильзы 16.

По мере разгона ударника 4 величина перепада давления Δ Р₁возрастает пропорционально квадрату скорости ударника 4 и при некоторой его скорости действующие на клапан 21 силы снизу и сверху уравновешиваются. Клапан 21 останавливается, в дальнейшем он перемещается вверх, увеличивая щель между рабочей кромкой 22 клапана 21 и поверхностью 23 гильзы 16. Это состояние сохраняется до тех пор, пока ударник 4 не совершит ускоренное движение вниз. При открытом клапане 21 замкнутая сливная камера 15 через канал 35, проточку 36, расточку 40 и канал 41 сообщается с полостью 18 рабочего хода и через канал 31 с гидравлической камерой 32 гидроаккумулятора 10. Сила, действующая на ударник 4 в момент его разгона, определяется уравнением
Р_уд= Р [(D₁²-D₂²)+D₁20

В конце своего рабочего хода боек ударника 4 наносит удар по обрабатываемому материалу, происходит резкое торможение и остановка ударника.

В случае отсутствия преграды (обрабатываемого материала) поршневой выступ (ступень 6) ударника 4 своей наружной цилиндрической поверхностью перекрывает отверстия 19 и жидкость из замкнутой полости вытесняется через узкую щель между внутренней поверхностью гильзы 16 и наружной поверхностью ступени 6. В результате в этой замкнутой полости возникает высокое давление, которое действует на нижний торец ступени 6, вызывая торможение ударника 4 и его остановку.

В момент остановки ударника 4 прекращается поток жидкости через цель 30, соответственно исчезает и перепад давления Δ Р₁ между полостями 17 и 18. В результате клапан 21 за счет перепада Δ Р₂перемещается вниз до соприкосновения его рабочей кромки 22 с поверхностью 23 гильзы 16. Давление в полости 17 взвода повышается и ударник 4 совершает повторный ход взвода. Далее цикл повторяется.

Таким образом, введение замкнутой сливной камеры 15 в ударник 4, разделение газовой полости гидроаккумулятора 10 герметичной разделительной диафрагмой 33, выполнение проточки 36 на управляющем ступенчатом клапане 21 позволило с одной стороны достичь объемного КПД, близкого к 100% , а следовательно, и максимальной частоты ударов.

С другой стороны повысить надежность ударного устройства за счет исключения утечек газа из газовой полости гидроаккумулятора 10 благодаря разделительной диафрагме 33.

Использование: для разрушения скальных пород, рыхления мерзлого грунта, дробления отходов металлургического производства, разрушения футеровки и фундаментов при ремонте, пирометаллургического и промышленного оборудования, дробления хрупких материалов любой твердости до кусков кондиционного размера ударными импульсами с энергией 1 - 100 кДж. Сущность изобретения: устройство оснащают дополнительной сливной полостью, которая посредством ступенчатого клапана попеременно сообщается либо с полостью взвода и полостью рабочего хода во время рабочего хода, либо со сливной магистралью - во время холостого хода ударника. Под эластичной диафрагмой устройства выполнена полость, которая каналами в корпусе постоянно соединена с полостью рабочего хода. 2 ил.

УСТРОЙСТВО УДАРНОГО ДЕЙСТВИЯ, включающее корпус, в расточке которого установлены коаксиально ударник с поршневым выступом, диаметр штока которого под поршневым выступом превышает его диаметр над поршневым выступом, и управляющий ступенчатый клапан с кольцевой расточкой, ударник и управляющий клапан образуют с расточкой корпуса аккумуляторную полость, полость взвода и рабочего хода ударника, напорную полость, постоянно сообщенную с источником давления и полостью взвода и периодически с полостью рабочего хода, сливную магистраль, гидроаккумулятор давления с эластичной мембраной, делящей его полость на газовую и гидравлическую камеры, отличающееся тем, что гидравлическая камера гидроаккумулятора давления постоянно соединена с полостью рабочего хода ударника, при этом корпус со стороны гидроаккумулятора имеет шток, размещенный в аккумуляторной полости, а в штоке ударника над поршневым выступом образована сливная камера с возможностью размещения в последней штока корпуса, при этом указанная камера посредством центрального осевого канала, выполненного в штоке корпуса, канала и расточек, выполненных в корпусе устройства, и кольцевой проточки управляющего ступенчатого клапана имеет возможность периодического сообщения с гидравлической камерой гидроаккумулятора, либо со сливной магистралью.