ПНЕВМАТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО УДАРНОГО ДЕЙСТВИЯ ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ СКВАЖИН В ГРУНТЕ Российский патент 1997 года по МПК E02F5/18 

Предлагаемое устройство относится к области строительной техники и может быть применено для образования скважин в грунте, например, при бестраншейной прокладке подземных коммуникаций, забивания в грунт металлических труб, шпунта и т.п.

В настоящее время известно пневматическое устройство ударного действия для образования скважин в грунте, например, по а.с. N 301098. Это устройство содержит полый цилиндрический корпус, заостренный спереди по ходу образования скважины, в котором размещен с возможностью возвратно-поступательного движения под действием сжатого воздуха и нанесения ударов по корпусу ударник, имеющий в торце своей хвостовой части внутреннюю цилиндрическую полость. В этой полости размещена взаимодействующая с ударником гильза, жестко установленная на патрубке. Патрубок, в свою очередь, смонтирован в хвостовой гайке, закрывающей полость корпуса, и соединен с магистралью сжатого воздуха.

Недостатком известного устройства является низкая энергия удара, обусловленная тем, что при разгоне ударника в направлении удара участвует только часть рабочей площади ударника, на которую воздействует магистральное давление сжатого воздуха. Кроме того, жесткое соединение гильзы и патрубка обуславливает необходимость увеличения зазора в паре ударник-гильза для исключения заклинивания ударника. Повышенный зазор приводит к непроизводительным потерям сжатого воздуха, что еще более снижает энергию удара.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является пневматическое устройство ударного действия для проходки скважин в грунте по а.с. N 599018. Оно включает в себя корпус, полый ударник с радиальными каналами в юбке, заднюю гайку с воздухораспределительным ступенчатым штоком с магистральным воздухоподводящим каналом, разделяющие полость корпуса и ударника на камеру холостого хода, выхлопную камеру и камеру рабочего хода магистрального давления. Конструкция воздухораспределительного штока обеспечивает подвижность его большей ступени относительно стебля и самоустановку ее в ударнике при его движении. Поэтому без опасности заклинивания ударника зазор в паре ударник большая ступень воздухораспределительного штока можно снизить, уменьшить, тем самым, непроизводительные утечки воздуха и повысить энергию удара за счет увеличения среднего давления по пути ударника.

Тем не менее, и этому устройству присущи коренные недостатки беззолотниковых механизмов, снижающие их энергетические показатели. Так при движении ударника в направлении передней части корпуса задолго до нанесения удара для обеспечения нормального заполнения камеры холостого хода сжатым воздухом открываются впускные окна ударника и создается противодавление, снижающее скорость ударника перед ударом, а следовательно, и энергию удара. Во время обратного хода впускные каналы быстро закрываются, камера холостого хода отсекается от магистрали и дальнейшее движение ударника осуществляется за счет энергии расширяющегося воздуха. Из-за короткого времени сообщения камеры холостого хода с магистралью импульс давления воздуха в ней не может обеспечить большой ход ударника и энергию удара. Рост энергии удара можно осуществить за счет некоторого увеличения объема камеры холостого хода. Но это ведет к увеличению размеров устройства и расхода воздуха.

Предполагаемое изобретение решает задачу увеличения энергии удара без изменения размеров устройства.

Это достигается за счет того, что пневматическое устройство ударного действия для образования скважин в грунте, включающее корпус, полый ударник с радиальными окнами, воздухораспределительный ступенчатый шток с магистральным каналом, разделяющие полость корпуса и ударника на камеру холостого хода, выхлопную камеру и камеру рабочего хода магистрального давления, снабжено средством управления давлением в камере холостого хода, размещенным в ступенчатом воздухораспределительном штоке.

Снабжение пневматического устройства ударного действия средством управления давлением в камере холостого хода позволяет изменять давление в камере холостого хода таким образом, чтобы оно было минимальным на протяжении рабочего хода и близким к магистральному на большей части холостого хода, что даст возможность увеличить энергию удара устройства без изменения его размеров.

Целесообразно средство управления давлением в камере холостого хода выполнить в виде ступенчатого клапана, установленного в большей ступени воздухораспределительного штока и образующего с ним клапанную камеру, питающий и разрядный тракты, причем клапан необходимо установить с возможностью периодического сообщения клапанной камеры и камеры холостого хода с камерами рабочего хода и выхлопной.

При таком выполнении устройства ступенчатый клапан обеспечивает на большей части рабочего хода ударника, вплоть до нанесения им удара по корпусу, сообщение камеры холостого хода с атмосферой, что позволяет снизить практически до нуля импульс противодавления в этой камере, тормозящий ударник при его разгоне. После нанесения удара значительную часть холостого хода ударник движется под давлением, близким к магистральному, что увеличивает его ход и энергию удара. Таким образом, предполагаемое изобретение дает возможность увеличить энергию удара устройства при неизменных габаритах.

Известно, что золотниковые воздухораспределительные системы более экономичны, чем клапанные. Поэтому для достижения отмеченных выше преимуществ, но при более низком расходе воздуха, целесообразно средство управления давлением в камере холостого хода выполнить в виде ступенчатого золотника, установленного в большей ступени воздухораспределительного штока и образующего с ним золотниковую камеру и питающую камеру, постоянно сообщенную с магистралью сжатого воздуха, питающий, разрядный и командный тракты, причем ступенчатый золотник необходимо установить с возможностью сообщения камеры холостого хода с камерами рабочего хода и выхлопной, и золотниковой камеры с камерами холостого и рабочего хода.

Сущность предлагаемого технического решения иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показан в продольном разрезе общий вид устройства, в котором средство управления давлением в камере холостого хода выполнено в виде ступенчатого клапана, на фиг. 2 то же устройство в положении ступенчатого клапана, соответствующем открытому питающему тракту, а на фиг. 3 в продольном разрезе общий вид устройства со средством управления давлением в камере холостого хода, выполненным в виде ступенчатого золотника.

Пневматическое устройство ударного действия, изображенное на фиг. 1 и 2, состоит из корпуса 1, ударника 2 с полостью 3 и радиальными окнами 4. В полость 3 входит воздухораспределительный ступенчатый шток, состоящий из большей ступени 5 и стебля 6 с магистральным каналом 7. Воздухораспределительный шток установлен неподвижно при помощи амортизатора 8 в гайке 9, ввинченной в хвостовую часть корпуса 1. Передняя часть стебля 6 воздухораспределительного штока выполнена в виде двух цилиндрических ступеней, на большей из которых с возможностью осевого перемещения установлен ступенчатый клапан 10. В большей ступени 5 воздухораспределительного штока со стороны носовой части корпуса 1 (на фиг. 1 слева) выполнена расточка, которая охватывает переднюю часть стебля 6 и смонтированный на ней ступенчатый клапан 10 и образует с клапаном 10 и стеблем 6 кольцевую щель 11 и клапанную камеру 12. В большей ступени 5 воздухораспределительного штока образован разрядный канал 13 и питающе-разрядный тракт, состоящий из проточки 14 на наружной поверхности большей ступени 5 воздухораспределительного штока, выходящих в нее и клапанную камеру 12 радиальных отверстий 15 и кольцевой щели 11. В устройстве образованы также камера холостого хода 16, камера рабочего хода 17 (магистрального давления), с которой сообщаются магистральный канал 7 воздухораспределительного штока и кольцевая щель 11, и выхлопная камера 18, постоянно сообщенная с атмосферой через каналы 19 в амортизаторе 8. Эластичный клапан 20 предотвращает попадание в устройство частиц грунта. К хвостовой части стебля 6 воздухораспределительного штока присоединен шланг 21, являющийся магистралью сжатого воздуха.

Пневматическое устройство ударного действия работает следующим образом.

В положении ударника 2, показанном на верхней половине фиг. 1, его радиальные окна 4 выходят за переднюю кромку большой ступени 5 воздухораспределительного штока и сжатый воздух заполняет камеру холостого хода 16. Т.к. площадь ударника 2 со стороны камеры холостого хода 16 больше его площади со стороны камеры рабочего хода 17, то ударник 2 начинает совершать холостой ход вправо (направлении гайки 9). После того как окна 4 ударника 2 попадают в проточку 14 питающего тракта, камера холостого хода через эту проточку 14 и отверстия 15 соединится с клапанной камерой 12 и с выхлопной камерой 18 через разрядный канал 13, который в этот момент открыт. За счет того, что интенсивность притока воздуха из камеры холостого хода 16 в клапанную камеру 12 выше пропускной способности разрядного канала 13, то в клапанной камере 12 начинает возрастать давление. Под действием этого давления ступенчатый клапан 10 перемещается до упора в направлении носовой части устройства и закрывает разрядный канал 13, занимая положение, показанное на фиг. 2. В этом положении ступенчатого клапана 10 питание камеры холостого хода 16 сжатым воздухом осуществляется из магистрали через кольцевую щель 11, отверстия 15, проточку 14 и радиальные окна ударника 2. Пока окно 4 ударника 2 сообщено с проточкой 14 давление в камере холостого хода 16 поддерживается на уровне магистрального. В дальнейшем окна 4 ударника 2 перекрываются наружной поверхностью большей ступени 5 воздухораспределительного штока и камера холостого хода 16 отсекается от магистрали. После того, как окна 4 ударника 2 откроются в выхлопную камеру 18, из камеры холостого хода происходит выхлоп воздуха в атмосферу. Магистральным давлением воздуха со стороны камеры рабочего хода 16 ударник 2 останавливается и начинает совершать рабочий ход. По мере движения ударника 2 в сторону носовой части корпуса 1 его окна 4 выходят в проточку 14 и соединяют камеру холостого хода 16 с клапанной камерой и через кольцевую щель 11 с камерой рабочего хода 17 и магистралью. Ввиду того, что объем клапанной камеры 12 существенно меньше объема камеры холостого хода 16, то давление воздуха в клапанной камере 12 резко падает. Поэтому под действием магистрального давления воздуха со стороны камеры рабочего хода 17 на меньшую ступень клапана 10, которая обращена в камеру рабочего хода 17, он перемещается в сторону хвостовой части устройства, открывая разрядный канал 13 (нижняя половина фиг. 1). Камера холостого хода 16 при этом вновь сообщится с выхлопной камерой 18 и атмосферой. Дальнейшее движение ударника 2 практически до удара будет происходить без сопротивления со стороны камеры холостого хода 16, т.к. в ней не будет сжиматься воздух и формироваться импульс противодавления. После удара ударника 2 о корпус 1 цикл работы устройства повторится.

Пневматическое устройство ударного действия, изображенное на фиг. 3 состоит из корпуса 1, ударника 2 с полостью 3 и радиальными окнами 4. В полость 3 входит воздухораспределительный ступенчатый шток, состоящий из большей ступени 5 и стебля 6 с магистральным каналом 7. Воздухораспределительный шток установлен неподвижно при помощи амортизатора 8 в гайке 9, ввинченной в хвостовую часть корпуса 1. Большая ступень 5 воздухораспределительного штока выполнена с внутренней полостью, в которую с возможностью осевого перемещения установлен ступенчатый золотник 10, образующий с ее внутренней поверхностью золотниковую 11 и питающую 12 камеры. Питающий тракт образован отверстиями 13 в стебле 6 радиальными каналами 14 в ступенчатом золотнике 10, проточкой 15 на наружной поверхности большей ступени 5 воздухораспределительного штока и отверстиями 16. Разрядный тракт образован проточкой 15, отверстиями 16 и каналом 17 в золотнике 10. Командный тракт состоит из отверстий 18 и 19 в большей ступени 5 воздухораспределительного штока и канала 20 в теле ступенчатого золотника 10. В устройстве также камеры холостого хода 21, рабочего хода 22 магистральногодавления и выхлопная 23, постоянно сообщенная с атмосферой через каналы 24 в амортизаторе 8. Эластичный клапан 25 предотвращает попадание в устройство частиц грунта. К хвостовой части стебля 6 воздухораспределительного штока присоединен шланг 26, являющийся магистралью сжатого воздуха.

Пневматическое устройство ударного действия работает следующим образом.

В положении ударника, показанном на верхней половине фиг. 3, его радиальные окна 4 выходят за переднюю кромку большей ступени 5 воздухораспределительного штока и одновременно охватывают отверстия 19. Сжатый воздух наполняет камеру холостого хода 21 и золотниковую камеру 11. Ударник 2 начинает совершать холостой ход. Одновременно с этим, из-за того, что площадь ступенчатого золотника 10 со стороны камеры 11 больше его площади со стороны камеры 12 и обе эти камеры находятся под магистральным давлением сжатого воздуха, золотник 10 перебрасывается в крайне правое положение, показанное на нижней половине фиг. 3. В этом положении канал 14 (показан пунктирной линией) золотника 10 соединяет через отверстия 13 в стебле 6 и отверстия 16 проточку 15 с магистралью сжатого воздуха. Канал 20 золотника 10 в этом положении связывает золотниковую камеру 11 с отверстием 20. Поскольку при холостом ходе ударника его окна 4 сообщаются с проточкой 15, то значительная часть холостого хода совершается под действием магистрального давления воздуха. В конце холостого хода ударника 2 окна 4 перекрываются наружной поверхностью большей ступени 5, а затем открываются в выхлопную камеру 23. Происходит выхлоп воздуха из камеры холостого хода 21 в атмосферу, магистральным давлением воздуха в камере рабочего хода 22 ударник 2 останавливается, а затем начинает совершать рабочий ход.

При движении ударника в направлении передней части корпуса 1 его окна 4 совмещаются с отверстиями 18, происходит совмещение камеры холостого хода 21 с золотниковой камерой 11 и резкий сброс давления в ней из-за того, что объем камеры холостого хода 21 во много раз превышает объем золотниковой камеры 11. Магистральным давлением воздуха в камере 12 золотник 10 перебрасывается в крайне левое положение, показанное на на верхней половине фиг. 3. Камера холостого хода 21 через окно 4 ударника 2, проточку 15, окно 16 и канал 17 сообщена с атмосферой практически до окончания рабочего хода ударника 2, т. е. до удара. Поэтому ударник 2 совершает рабочий ход, не встречая сопротивления со стороны камеры холостого хода 21, т.к. в ней не формируется импульс противодавления. После удара ударника 2 о корпус 1 цикл работы устройства повторяется.

Изобретение относится к области строительной техники и может быть применено для образования скважин в грунте, например, при бестраншейной прокладке подземных коммуникаций, забивания в грунт металлических труб, шпунта и т.п. Техническая задача - повышение энергии удара пневматического устройства ударного действия. Ее решение достигается путем увеличения среднего давления в рабочих камерах по пути ударника. Для повышения среднего давления по пути устройство снабжается средством управления давлением в камере холостого хода. Это средство соединяет камеру холостого хода ударника с атмосферой при его движении в направлении удара или с магистралью сжатого воздуха на большей части холостого хода. В результате перед ударом в камере холостого хода не создается воздушная подушка, снижающая скорость ударника, а при холостом ходе увеличивается его заброс. Таким образом, без увеличения габаритных размеров устройства возрастает энергия удара, являющаяся основной характеристикой, определяющей производительность устройства. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Пневматическое устройство ударного действия для образования скважин в грунте, включающее корпус, полый ударник с радиальными окнами, воздухораспределительный ступенчатый шток с магистральным каналом, разделяющие полость корпуса и ударника на камеру холостого, выхлопную камеру и камеру рабочего хода магистрального давления, отличающееся тем, что оно снабжено средством управления давлением в камере холостого хода, размещенным в ступенчатом воздухораспределительном штоке. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средство управления давлением в камере холостого хода выполнено в виде ступенчатого клапана, установленного в большей ступени воздухораспределительного штока и образующего с ним клапанную камеру, питающий и разрядный тракты, причем ступенчатый клапан установлен с возможностью периодического сообщения клапанной камеры и камеры холостого хода с камерами рабочего хода и выхлопной. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средство управления давлением в камере холостого хода выполнено в виде ступенчатого золотника, установленного в большей ступени воздухораспределительного штока и образующего с ним золотниковую камеру и питаюшую камеру, постоянно сообщенную с магистралью сжатого воздуха, питающий, разрядный и командный тракты, причем золотник установлен с возможностью периодического сообщения камеры холостого хода с камерами рабочего хода и выхлопной и золотниковой камеры с камерами холостого и рабочего хода.