УСТРОЙСТВО УДАРНОГО ДЕЙСТВИЯ Российский патент 1995 года по МПК E21C3/20 

Изобретение относится к устройствам для разрушения скальных пород и искусственных материалов, рыхления мерзлого и уплотнения насыпного грунта. Изобретение может быть использовано в горной промышленности, металлургии и строительстве.

Кроме того предлагаемое изобретение может быть использовано при создании сваебойных и штамповочных молотов.

Известны гидравлические устройства ударного действия, сходные с заявляемым решением по технической сущности и достигаемому результату, у которых разгон ударника осуществляется при перетекании рабочей жидкости из полости взвода в переливную полость. Например, устройство ударного действия финской фирмы "Раммер", типа "S1600 HД", включающее в себя корпус с подвижно расположенным в нем ударником, золотниковый гидрораспределитель, напорный клапан и гидропневматический аккумулятор с разделительной мембраной. Основным недостатком указанного устройства является низкий КПД в силу того, что слив отработавшей в молоте жидкости из полости рабочего хода осуществляется через напорный клапан, настроенный на давление 2,5-3,0 МПа при давлении в напорной магистрали 12-14 МПа. Таким образом прямые потери энергии, заложенные в гидравлической схеме, составляют
100%20%
Кроме того в момент разгона ударника жидкость из полости взвода с большой скоростью перетекает в полость рабочего хода через узкие и протяженные выточки и каналы, на что также затрачивается энергия.

С учетом всех потерь КПД устройства не превосходит 60%
Известно также устройство ударного действия [1] включающее в себя корпус, образующий с поршнем-ударником камеру холостого хода, постоянно сообщенную с источником давления и гидроаккумулятором, и камеру рабочего хода, сообщаемую попеременно с камерой холостого хода или со сливной магистралью.

Это устройство обладает более высоким КПД, чем предыдущее, но и оно не лишено недостатков.

Наличие отдельного золотникового распределителя и аккумуляторов, расположенных снаружи корпуса, требует многочисленных протяженных каналов для их сообщения. Все это усложняет конструкцию и технологию изготовления деталей устройства. Перетекание больших объемов жидкости через указанные каналы связано со значительными потерями.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство [2] содержащее корпус, образующий с бойком, имеющим поршень и шток с проточкой, взводящую, переливную и газовую полости и управляющий ступенчатый клапан, имеющий расточку в нижней части, установленный в корпусе коаксиально штоку бойка с возможностью осевого перемещения и образующий своей ступенью с корпусом клапанную полость, сообщенную со сливной магистралью, а в корпусе выполнен дополнительный канал для периодического сообщения переливной полости через проточку штока со сливной магистралью.

Устройство имеет простую конструкцию и очень короткий тракт для перетекания жидкости из взводящей в переливную полость.

К недостаткам устройства следует отнести необходимость подпора жидкости на входе в переливную полость для переключения клапана в конце рабочего хода. Это обстоятельство связано с существенными потерями энергии и не обеспечивает надежного переключения клапана при подключении к устройству источника давления с малым расходом.

Уплотнение газовой полости по штоку бойка осуществляется посредством мягких уплотнительных элементов (манжет), имеющих ограниченный срок службы и не обеспечивающих абсолютной герметизации по газу. Эксплуатация такого устройства связана с периодической проверкой и дозаправкой (практически ежедневной) газовой полости, а также частыми разборками для замены уплотнений. Все это усложняет эксплуатацию устройства, ведет к простоям оборудования, снижению срока его службы в случаях, когда обслуживание устройства производится малоквалифицированным персоналом и в необорудованных для этих целей мастерских.

Кроме того, в связи с тем, что во время рабочего хода полости взвода и слива сообщаются между собой, давление в напорной полости практически падает до нуля и поступающая от насоса жидкость не участвует в разгоне бойка.

Это обстоятельство с одной стороны приводит к большой пульсации давления в напорной магистрали, что отрицательно сказывается на работе насоса, сроке службы трубопроводов и арматуры.

С другой стороны, если учесть, что время рабочего хода составляет до 25% времени цикла, фактическая частота ударов устройства будет меньше на 25%
Целью изобретения является повышение рабочей частоты и эксплуатационной надежности устройства.

Цель достигается тем, что в устройстве ударного действия управляющий ступенчатый клапан в средней части имеет выступ с дроссельным отверстием. Клапан вместе с корпусом образует две камеры. Камера, расположенная со стороны полости взвода, постоянно сообщена со сливной магистралью, а камера со стороны аккумуляторной полости через указанные отверстия в указанном поршневом выступе постоянно сообщена с первой камерой, а через кольцевую проточку на ударнике (во время рабочего хода) периодически сообщена с полостью рабочего хода, при этом в клапане диаметр ступени над поршневым выступом меньше диаметра ступени под поршневым выступом, а внутренняя кольцевая расточка в бурте клапана со стороны полости взвода в момент начала открытия клапаном сливных окон корпуса сопряжена с седлом корпуса.

Предложенное конструктивное усовершенствование позволяет обеспечить более высокую частоту ударов (≈на 25%), уменьшить пульсацию давления в напорном и сливном трубопроводах, обеспечить четкую работу управляющего клапана и повысить эффективность и надежность устройства ударного действия по сравнению с прототипом.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема устройства ударного действия, продольный разрез; на фиг.2 то же, взвод ударника; на фиг.3 то же, начало открытия управляющего ступенчатого клапана; на фиг.4 то же, промежуточное движение управляющего ступенчатого клапана; на фиг.5 то же, начало закрытия управляющего ступенчатого клапана; на фиг.6 то же, конечная стадия закрытия управляющего ступенчатого клапана.

Устройство ударного действия состоит из корпуса 1, в направляющих 2 и 3 которого с возможностью продольного перемещения установлен ударник 4. В средней части ударника 4 имеется ступенчатый поршень со ступенями 5 и 6. При этом диаметр D₃ ступени 5 больше диаметра D₄ ступени 6.

Нижняя часть 7 ударника 4 имеет диаметр D₁ больше диаметра D₂ его верхней части 8. Цилиндрическая поверхность ступени 5 поршня контактирует с внутренней поверхностью гильзы 9 корпуса 1, при этом указанная внутренняя полость гильзы 9 посредством ударника 4 с поршнем разделена на полость 10 взвода и полость 11 рабочего хода ударника 4. Полость 10 посредством отверстий 12 сообщена с кольцевой промежуточной полостью 13, образованной внутренней поверхностью корпуса 1 и наружной поверхностью гильзы 9.

Промежуточная полость 13 через отверстие 14 постоянно сообщена с источником 15 давления и гидроаккумулятором 16, а в момент открытия управляющего ступенчатого клапана 17 периодически сообщается с полостью 11 рабочего хода. Ступенчатый клапан 17, расположенный в цилиндрической расточке корпуса 1 с возможностью продольного перемещения, в средней части имеет поршневой выступ 18 со сквозным дроссельным отверстием 19.

На нижнем торце клапана 17 выполнен кольцевой выступ 20. В цилиндрической боковой стенке клапана 17 выполнены сливные отверстия 21, посредством которых полость 11 рабочего хода ударника 4 через отверстия 22 сообщается со сливной магистралью 23 и гидроаккумулятором 24.

Клапан 17 с поршневым выступом 18 совместно с расточкой корпуса 1 образуют две камеры 25 и 26. Камера 25 посредством канала 27 постоянно сообщена со сливной магистралью 23 и гидроаккумулятором 24, а посредством дроссельного отверстия 19 с камерой 26. Камера 26 посредством канала 28 и кольцевой проточки 29 на ударнике 4 периодически в конце рабочего хода ударника 4 сообщается с полостью 11 рабочего хода.

Внутренняя цилиндрическая поверхность управляющего ступенчатого клапана 17 имеет три расточки 30,31,32 различных диаметров. Диаметр расточки 30 равен наружному диаметру верхнего торца гильзы 9. Диаметр расточек 31 и 32 несколько больше соответствующих диаметров ступеней 5 и 6 поpшня ударника 4.

При этом диаметр D₈ внутренней расточки 30 больше диаметра D₇нижней посадочной поверхности 33 клапана 17, который в свою очередь больше диаметра D₆ хвостовой части 34 клапана 17. В верхней части корпуса 1 образована замкнутая полость 35, сообщенная с атмосферой либо заполненная газом под давлением, в которую входит верхняя часть 8 ударника 4.

Устройство работает следующим образом.

Перед началом работы газовые полости гидроаккумуляторов 16 и 24 заполняются газом под давлением. Давление газа в полости гидроаккумулятора 16 равно примерно половине давления жидкости, развиваемого источником 15 давления, а давление газа в гидроаккумуляторе 24 примерно 0,2-0,4 МПа.

Полость 35 либо сообщена с атмосферой, либо (при необходимости) заполнена газом при сравнительно малом давлении (≈0,05_жидк^max).

В исходном состоянии ударник 4 находится в крайнем нижнем положении, опираясь в обрабатываемый материал или поршневым выступом (ступенью 5) в торцевую стенку полости 10 взвода.

Управляющий клапан 17 внутренней расточкой 30 сопряжен с наружной поверхностью верхнего конца гильзы 9. При этом полость 10 взвода ударника 4 через отверстия 12, промежуточную полость 13 и отверстие 14 сообщена с источником 15 давления и гидроаккумулятором 16. Полость 11 рабочего хода через сливные отверстия 21, отверстие 22 сообщена со сливной магистралью 23 и гидроаккумулятором 24. Камера 25 через канал 27 сообщена со сливной магистралью 23, а камера 26 посредством дроссельного отверстия 19 сообщена с камерой 25 и сливной магистралью 23.

Рабочая жидкость от источника 15 давления через отверстие 14, промежуточную полость 13, отверстия 12 поступает в полость 10 взвода ударника 4 и гидроаккумулятор 16.

Под действием давления жидкости, определяемого давлением газа в гидроаккумуляторе 16, на нижний торец поршневого выступа (ступени 5) происходит ускоренное движение ударника 4 вверх. Жидкость из рабочей полости 11 через сливные отверстия 21 и отверстие 22 вытесняется в гидроаккумулятор 24 и сливную магистраль 23. При этом за счет разницы площадей ступеней 30 и 33 на клапан 17 действует сила, направленная вниз, удерживающая последний в закрытом состоянии и обеспечивая разобщение полости 10 взвода от полости 11 рабочего хода ударника 4.

В полости 35 в этот момент происходит дополнительное сжатие газа (если полость изолирована от атмосферы и заполнена газом).

Ускоренное движение ударника 4 вверх продолжается до тех пор, пока ступени 5 и 6 поршня ударника 4 не войдут в соответствующие расточки 31 и 32 клапана 17.

При этом между поверхностями расточки 31, ступени 6 и подвижным торцом ступени 5 образуется полость A (фиг.4), заполненная жидкостью. При движении ударника 4 из полости A происходит вытеснение жидкости через узкую кольцевую щель S₂, образованную поверхностями расточки 32 и ступени 6 в полость 11 рабочего хода.

В результате в полости A создается высокое давление, под действием которого клапан 17 перемещается вверх с образованием кольцевой щели М между выступом 20 клапана 17 и торцом гильзы 9. Жидкость из камеры 26 через дроссельное отверстие 19 вытесняется в камеру 25, сообщенную со сливной магистралью 23.

При дальнейшем движении клапана 17 вверх происходит перекрытие сливных отверстий 21 и разобщение полости 11 рабочего хода ударника 4 от сливной магистрали 23.

С этого момента полость 11 рабочего хода через щель S₂ между поверхностями расточки 32 и ступени 6, щель S₁ между поверхностями расточки 31 и ступени 5, щель М между выступом 20 клапана 17 и торцом гильзы 9 сообщается через промежуточную полость 13 с полостью 10 взвода, источником 15 давления и гидроаккумулятором 16. Таким образом давление жидкости в полости 11 рабочего хода и полости 10 холостого хода становится примерно одинаковым и равным давлению в гидроаккумуляторе 16.

За счет разности площадей нижней 7 и верхней 8 частей ударника 4 на последний действует сила со стороны полости 11 рабочего хода, направленная вниз, а также сила давления газа со стороны полости 35, которые вызывают сначала торможение ударника 4, а затем ускоренное движение последнего вниз в сторону обрабатываемого материала. Совершается рабочий ход ударника 4.

Незадолго до удара (крайнее нижнее положение ударника 4) камера 26 через канал 28 и проточку 29 на ударнике 4 сообщается с полостью 11. Ввиду того, что площадь сечения канала 28 и проточки 29 значительно больше, чем сечение отверстия 19, в камере 26 устанавливается давление, равное давлению в полости 11 рабочего хода, а в камере 25 сохраняется давление, равное давлению жидкости в сливной магистрали 23. В результате со стороны камеры 26 будет действовать сила, под действием которой клапан 17 будет перемещаться вниз, перекрывая щель М между выступом 20 и торцом гильзы 9.

Однако эта сила будет действовать до тех пор, пока не произойдет открытия сливных отверстий 21 (фиг.6) и сообщения полости 11 рабочего хода со сливной магистралью 23. Длина и положение кольцевой расточки 30 рассчитаны таким образом, чтобы к моменту открытия сливных отверстий 29 корпуса 1 торец расточки 30 клапана 17 был бы уже сопряжен с торцом (седлом) гильзы 9 (фиг. 6). При открытии сливных отверстий 21 на клапан 17 будет действовать сила, определяемая давлением в гидроаккумуляторе 16 на разность площадей расточки 30 и поверхности 33 клапана 17. Под действием этой силы происходит перемещение клапана 17 вниз и удержание его в момент последующего взвода ударника 4.

На фиг.2-6 представлен цикл работы управляющего ступенчатого клапана.

Взвод ударника (фиг.2). Силы, удерживающие клапан в закрытом состоянии
Р_кл. Р₁˙ F, где Р₁ давление жидкости в полости взвода
F D28

-D>0.

Начало открытия клапана (фиг.3). Ступени 5 и 6 поршневого выступа ударника, движущегося с ускорением в сторону полости рабочего хода, входят в соответствующие кольцевые расточки клапана 17. Полость 11 рабочего хода через сливные отверстия 21 в клапане сообщена со сливным отверстием 22 в корпусе 1 и сливной магистралью 23, но еще изолирована от полости 10 взвода.

Силы, действующие на клапан 17 и стремящиеся его открыть, т.е. переместить в направлении движения ударника 4, определяются уравнением:
P_кл=PD23

-D-PD28-D ≫ 0, где Р₂ давление в полости, образованной поверхностями расточки клапана 17 и ступеней 5 и 6 ударника.

Р₂ определяется скоростью движения ударника 4 и величиной зазоров S₁ и S₂ между расточками клапана 17 и наружными поверхностями ступеней 5 и 6.

Клапан открыт (фиг. 4) и продолжает перемещаться в том же направлении. Между торцами клапана и гильзой 9 корпуса 1 образована щель, через которую расточка 30 клапана сообщается с полостью взвода.

Сливные окна в корпусе перекрыты клапаном. Таким образом полость рабочего хода изолирована от слива, а через зазоры и щель между клапаном и гильзой 9 сообщена с полостью взвода.

Силы, действующие на клапан, определяются выражением
P_кл= PD27

-D+P₁+ΔPD23-D-P₂+ΔPD26-D-ΔPD29-D;
Значения Δ Р₁, Δ Р₂, Δ Р₃ определяются величиной скорости движения клапана, при некотором ее значении устанавливается равновесие сил и клапан движется с постоянной скоростью.

Начало закрытия клапана (фиг.5). Полости 10,11 рабочего хода и взвода сообщены между собой и с источником 15 давления и гидроаккумулятором 16, но разобщены от сливной магистрали 23.

Управляющая камера клапана 17 через кольцевую проточку 29 на ударнике 4 сообщена с полостью 11 рабочего хода.

Сила, действующая на клапан 17, направлена на его закрытие, в направлении полости 10 взвода определяется из выражения:
P_кл=PD29

-D Под действием этой силы клапан движется ускоренно.

Последняя стадия закрытия клапана (фиг.6). Полости 10,11 взвода и рабочего хода разобщены. Управляющая камера 26 клапана 17 и полость 11 рабочего хода сообщены между собой и со сливной магистралью 23. На клапан 17 действует сила, направленная на его закрытие и равная по величине
P_кл=PD28

-D Далее цикл повторяется.

Использование: устройство ударного действия гидравлический молот предназначен для дробления негабаритов в карьерах, проходки тоннелей в горных массивах, первичного дробления сырья на предприятиях горной и металлургической отраслях промышленности. Управляющий ступенчатый клапан установлен в корпусе коаксиально ударнику и является единственным элементом для управления работой молота. Управляющий ступенчатый клапан выполнен с поршневым выступом в средней части, в выступе имеется дроссельное отверстие для перетока рабочей жидкости из камеры над поршневым выступом в камеру под поршневым выступом. Ступенчатый клапан выполнен кольцевым с многоступенчатой расточкой, открытой в полость взвода, диаметр ступени над поршневым выступом меньше диаметра под поршневым выступом, а внутренняя кольцевая расточка в бурте клапана со стороны полости взвода в момент начала открытия клапаном сливных отверстий корпуса сопряжена с седлом корпуса. 6 ил.

УСТРОЙСТВО УДАРНОГО ДЕЙСТВИЯ, включающее в себя корпус с аккумуляторной полостью, в расточке которого с возможностью продольного перемещения установлены коаксиально ударник с поршневым выступом и кольцевой проточкой в его средней части и управляющий ступенчатый клапан с буртом и кольцевой проточкой, совместно образующие полость взвода, постоянно сообщенную с источником давления, и полость рабочего хода, периодически сообщаемую с полостью взвода либо со сливной магистралью, отличающееся тем, что управляющий ступенчатый клапан в средней части имеет поршневой выступ с дроссельным отверстием, который совместно с расточкой в корпусе образует две камеры, первая из которых, расположенная со стороны полости взвода, постоянно сообщена со сливной магистралью, а вторая, со стороны аккумуляторной полости, через дроссельное отверстие в поршневом выступе постоянно сообщена с первой камерой и через кольцевую проточку на ударнике в период рабочего хода последнего периодически сообщена с полостью рабочего хода, при этом диаметр ступени клапана под поршневым выступом превышает диаметр ступени над поршневым выступом, а в бурте клапана со стороны полости взвода выполнена внутренняя кольцевая расточка, сопряженная с седлом корпуса в момент открытия клапаном сливных отверстий корпуса.