УСТРОЙСТВО УДАРНОГО ДЕЙСТВИЯ Российский патент 1997 года по МПК E21C3/20 E02D7/10 

Изобретение относится к устройствам для разрушения скальных пород и искусственных материалов, рыхления мерзлого и уплотнения насыпного грунтов и может быть использовано в горной промышленности, металлургии и строительстве, а также при создании сваебойных и штамповочных молотов.

Известно 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, сообщенную попеременно с камерой холостого хода или со сливной магистралью.

Это устройство обладает существенно более высоким КПД и частотой ударов, но поршень-ударник, помимо основной функции, выполняет роль золотника, управляющего потоком жидкости внутри устройства. Для нормальной работы устройства зазоры между внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью поршня-ударника должны находиться в пределах 0,03-0,06 мм, тогда как для ударника при прямом его назначении допускаются зазоры 0,1-0,2 мм, то есть в три раза больше. Поэтому даже небольшой износ поршня-ударника и направляющих корпуса может привести к нарушению работы устройства, тогда как по прямому назначению поршень-ударник мог бы работать еще очень долго.

Кроме того, для подвода жидкости от распределителя к рабочим камерам в корпусе выполнены протяженные каналы малого сечения, что, с одной стороны, усложняет технологию изготовления, а с другой снижает КПД устройства из-за гидравлических потерь в этих каналах. И, наконец, в связи с тем, что соударение с инструментом в данном устройстве происходит после переключения золотникового распределителя, то в течение времени от момента переключения золотникового распределителя до удара на поршень-ударник будет действовать сила, направленная против его движения, уменьшая скорость его движения.

Известно наиболее близкое по технической сущности к предлагаемому изобретению устройство /2/, включающее корпус, в осевом ступенчатом отверстии которого подвижно вдоль его оси коаксиально размещены поршень-ударник и охватывающий его кольцевой ступенчатый клапан с осевой ступенчатой расточкой, диаметр ступени которой равен диаметру поршневого выступа поршня-ударника, совместно образующие заполненную сжатым газом аккумуляторную камеру, сообщенную со сливной линией переливную камеру, сообщенную с насосом напорную камеру и сообщенную с последней взводящую камеру.

Однако оно недостаточно надежно, имеет пониженную частоту ударов и КПД вследствие неполного использования энергии рабочей жидкости, поступающей от насоса во время рабочего хода ударника.

Цель изобретения повышение надежности, частоты ударов и КПД устройства.

Сущность изобретения состоит в том, что в отличие от известного технического решения согласно изобретению переливная камера каналом в корпусе через обратный клапан сообщена с взводящей камерой, включающей гидроаккумулятор, а кольцевой клапан на наружной боковой поверхности имеет четыре цилиндрические ступени, из которых первая со стороны взводящей камеры имеет наименьший диаметр, диаметр второй ступени, имеющий на своем торце уплотнительный выступ меньше диаметра третьей ступени, но больше диаметра четвертой ступени, сопряженная с боковой цилиндрической поверхностью ступенчатого отверстия корпуса, причем в корпусе напротив первой и второй ступеней кольцевого клапана выполнена ступенчатая цилиндрическая расточка, диаметр большей ступени которой равен диаметру второй ступени кольцевого клапана, а диаметр меньшей ступени упомянутой расточки несколько больше диаметра первой ступени кольцевого клапана, причем длина большей ступени этой расточки меньше длины как первой, так и второй ступеней кольцевого клапана и упомянутой расточки корпуса определяется соотношением
l₁ l₂ < l₃ l₄ l₅ < l₃
где l₁ расстояние от торцевой поверхности, отделяющей первую и вторую ступени расточки корпуса, до плоскости, разделяющей взводящую и напорную камеры, м;
l₂ суммарная длина второй и третьей ступени клапана, м;
l₃ длина первой ступени ступенчатой расточки корпуса, м;
l₄ расстояние от торцевой поверхности, отделяющей первую и вторую ступени расточки корпуса до наиболее удаленной со стороны взводящей камеры торцевой поверхности канавки корпуса, сообщенной со сливной линией, м;
l₅ расстояние от торца второй ступени клапана до ближайшей со стороны взводящей камеры кромки радиальных каналов в теле клапана, сообщающих переливную камеру с упомянутой канавкой корпуса, м.

Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, состоит в повышении надежности, частоты ударов и КПД устройства.

На фиг. 1 дана принципиальная схема устройства; на фиг. 2 укрупненное изображение клапана.

Устройство ударного действия состоит из корпуса 1, в направляющих 2 и 3 которого подвижно вдоль его оси установлен поршень-ударник 4 с поршневым выступом 5. Нижний (по чертежу) шток 6 имеет диаметр D₁ больше диаметра D₂ его верхнего штока 7. Поршневой выступ 5 своей цилиндрической поверхностью диаметром D₃ сопряжен с поверхностью ступенчатой расточки корпуса 1, при этом полость, образованная внутренней расточкой корпуса 1 и наружной поверхностью поршня-ударника 4, разделена на две камеры: взводящую 8 и передвижную 9, которые сообщаются между собой при открытом положении кольцевого клапана 10. Взводящая камера 8 посредством каналов 11, 12 и 13 сообщена с гидроаккумулятором 14 и напорной камерой 15, сообщенной через канал 16, напорную линию 17 с источником давления 18. Переливная камера 9 через каналы 19 и 20, обратный клапан 21, каналы 22 и 23 сообщена с гидроаккумулятором 14, а через каналы 12 и 11 с взводящей камерой 8. Кроме того, переливная камера 9 через каналы 23 в теле клапана 10, кольцевую канавку 24, канал 25 сообщена со сливной линией 26. В верхней части корпуса 1 расположена аккумуляторная камера 27, заполненная сжатым газом, в которую входит задний шток 7 ударника 4. Наружная поверхность кольцевого клапана 10 имеет четыре цилиндрических ступени. Диаметр D₄ первой ступени 28 меньше диаметра D₅ второй ступени 29, на торце которой расположен уплотнительный выступ 30. Диаметр D₅ второй ступени 29 меньше диаметра D₆ третьей ступени 31, но больше диаметра D₇ четвертой ступени 32, которая сопряжена с боковой поверхностью ступенчатой расточки 33 корпуса 1. Диаметр D₆ третьей ступени 31 несколько меньше диаметра D₈ напорной камеры 15. В корпусе 1 со стороны взводящей камеры 8 выполнена кольцевая ступенчатая расточка, имеющая две ступени, первая из них 24 имеет диаметр, равный диаметру второй ступени 29 кольцевого клапана 10, а вторая ступень 35 расточки имеет диаметр D₉ несколько больше диаметра D₄ первой ступени 28 клапана 10. При этом длина ступени 34 кольцевой расточки меньше длины как первой 28, так и второй 29 ступени кольцевого клапана 10. длины ступеней клапана 10 и кольцевой расточкой корпуса 1 связаны соотношениями
l₁ l₂ < l₃ и l₄ l₅ < l₃,
где l₁ расстояние от торцевой поверхности, отделяющей первую 34 и вторую 35 ступени расточки корпуса до плоскости, разделяющей входящую 8 и напорную 9 камеры;
l₂ суммарная длина второй 29 и третьей 31 ступени клапана 10;
l₃ длина первой ступени 34 расточки корпуса 1;
l₄ расстояние от торцевой поверхности, отделяющей первую 34 и вторую 35 ступени расточки корпуса до верхней (по чертежу) торцевой поверхности канавки 24 корпуса 1;
l₅ расстояние от торцевой поверхности, отделяющей первую 34 и вторую 35 ступени расточки корпуса 1 до нижней (по чертежу) кромки радиальных каналов 23 в теле клапана 10.

Для исключения утечек жидкости наружу и перетоков ее между камерами установлены мягкие уплотнения 36, 37, 38, 39 и 40.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии ударник 4 и клапан 10 находятся в крайнем нижнем (по чертежу) положении. Аккумуляторная камера 27 заполнена сжатым газом. Взводящая 8 и напорная 15 камера сообщены между собой широкой круговой щелью, ширина которой В равна В l₂ l₁. Переливная 9 камера через радиальные каналы 23, канавку 24, канал 25 сообщена со сливной линией 26.

Жидкость от источника давления 18 по напорной линии 17 канала 16 поступает в напорную камеру 15, откуда через щель шириной В, канал 11 во взводящую камеру 8, в которой повышается давления жидкости. Под действием этого давления на кольцевую площадь Г поршня 5, равную

где D₁ и D₂ диаметры штока 6 и поршня 5 ударника.

Ударник 4 перемещается вверх (по чертежу). Жидкость из переливной камеры 9 через пазы 23, кольцевую канавку 24, канал 25, сливную линию 26 поступает в сливной бак. Давление газа в аккумуляторной камере 27 будет повышаться за счет уменьшения объема газа при входе в нее штока 7.

В этот момент взводящая камера 8 изолирована от переливной камеры 9 клапаном 10. Боковая поверхность ступени 29 клапана 10 сопряжена с поверхностью ступени 34 ступенчатой расточки корпуса 1, а уплотнительный выступ 30 клапана 10 контактирует с торцевой поверхностью ступенчатой расточки корпуса 1. На клапан 10 со стороны напорной камеры 15 действует осевая сила P_кл1, равная

где P_ж давление жидкости в напорной 15 и взводящей 6 камерах;
D₅, D₇ диаметры ступеней 29 и 32 клапана 10 соответственно.

В конце своего движения вверх ударник 4, поршнем 5 войдя в кольцевую расточку клапана 10 и соприкоснувшись своим торцом с торцом упомянутой расточки, увлекает клапан 10 за собой непосредственно перед тем, как уплотнительный выступ 30 ступени 29 клапана 10 выйдет из ступени 34 ступенчатой расточки корпуса 1. Произойдет перекрытие радиальных каналов 23 поверхностью 33 расточки корпуса 1, и ступень 31 своим верхним торцом войдет в напорную камеру 15. С этого момента переливная камера 9 будет изолирована от сливной линии, а взводящая 8 и напорная 15 камеры будут сообщены между собой посредством щели, образованной боковыми поверхностями напорной 15 камеры и ступени 31 клапана 10.

Ширина этой щели B₁ равна
B₁ 1/2 (D₈ D₆),
где D₆ диаметр третьей ступени клапана;
D₈ диаметр напорной камеры.

Эта щель для потока жидкости между упомянутыми камерами представляет значительное сопротивление, которое выражается перепадом давления Δp₁ жидкости между этими камерами. Под действием этого перепада давления на клапан 10 со стороны напорной камеры 15 будет действовать сила, определяемая выражением

где Δp₁ перепад давления жидкости между напорной 15 и взводящей 8 камерами;
D₆ диаметр ступени 31 клапана 10;
D₇ диаметр ступени 32 клапана 10.

При дальнейшем движении ударника 4 совместно с клапаном 10 вверх, когда каналы 23, связывающие переливную камеру 9 со сливной линией, перекрыты, жидкость из этой камеры по каналам 19 и 20, обратный клапан 21, каналам 22 и 13 будет поступать гидроаккумулятор 14.

После выхода уплотнительного выступа 30 ступени 29 клапана 10 из ступени 34 расточки корпуса 1 давление жидкости в переливной 9 и взводящей 8 камерах становится примерно одинаковым, и равновесие сил, действующих на ударник 4, нарушается, а равнодействующая сил, действующих на ударник 4, будет направлена вниз, т.е. против его движения, и величина ее P_уд будет равна

где P₀ давление газа в газовой камере 27;
P_ж давление жидкости в переливной камере 9;
D₁, D₂ диаметры нижнего 6 и верхнего штоков 4 ударника.

Под действием этой силы ударник 4 сначала затормаживается, а затем ускоренно движется вниз на удар, совершая рабочий ход.

Во время этого торможения ударника 4 его кинетическая энергия преобразуется в потенциальную энергию сжатия газа в гидроаккумуляторе 14, которая во время последующего рабочего хода вновь преобразуется в кинетическую энергию ударника. Клапан 10 до остановки ударника 4 в крайнем верхнем положении движется совместно с последним, а с началом движения ударника 4 вниз клапан 10 продолжает двигаться вверх до момента, пока поршневой выступ 5 ударника 4 не выйдет из кольцевой расточки клапана 10. После того как произойдет разделение поршневого выступа 5 и расточки клапана 10, между нижним торцом клапана 10 и верхним торцом ступени 34 кольцевой расточки корпуса 1 образуется широкая щель, через которую жидкость из взводящей 8 и напорной 15 камер, а также из гидроаккумулятора 14 будет поступать в освобождающуюся полость за верхней частью поршня 5 ударника 4 переливную камеру 9.

С момента перекрытия сливных каналов 23 во взводящей 8 и переливной 9 камерах устанавливается давление жидкости, определяемое гидроаккумулятором 14, которое больше, чем максимальное давление жидкости при взводе ударника 4, поэтому на ударник 4 при разгоне, помимо силы со стороны газовой камеры 27, будет действовать в том же направлении сила давления жидкости P_ж, равная по величине

где P_ж давление жидкости в гидравлической полости.

Клапан 10 после разделения с ударником 4 под действием силы P_кл2 со стороны напорной камеры 15 начнет перемещаться вниз на закрытие. Величина этой силы P_кл2 приведена выше.

Это перемещение вниз клапана 10 будет происходить до того момента, пока между торцом ступени 28 клапана 10 и торцом, определяющим ступени 34 и 35 расточки корпуса 1, не образуется такая кольцевая щель, при которой перепад давления жидкости Δp₂ между взводящей 8 и переливной 9 камерами не уравновесит силу, действующую на клапан 8 со стороны напорной 15 камеры. Это условие можно выразить уравнением

По мере увеличения скорости ударника 4 переток жидкости между упомянутыми полостями увеличивается, поэтому ширина упомянутой щели будет возрастать до конца рабочего хода ударника 4.

Перепады давления Δp₁ и Δp₂ составляют не более 3 от величины давления жидкости в напорной 15 и взводящей 8 камерах и, учитывая, что эти перепады давления существуют только во время рабочего хода ударника 4, потери энергии незначительны, т.е. коэффициент полезного действия устройства высокий.

В начале рабочего хода, пока скорость ударника 4 мала, рабочая жидкость от источника давления 18 большей частью будет поступать в гидроаккумулятор 14, а в конце рабочего хода, кроме жидкости от источника давления, в переливную камеру 9 поступает и практически вся жидкость, запасенная в начале хода в гидроаккумулятор 14.

После удара ударника 4 в преграду обрабатываемый материал происходит его остановка, прекращается поток подачи жидкости в переливную камеру 9, так как объем ее становится постоянным, перепад давления Δp₂ между камерами 8 и 9 исчезает. Перепад же Δp₁. между напорной 15 и взводящей 8 камерами остается, так как поток жидкости между этими камерами остается постоянным. Жидкость при неподвижном ударнике 4 поступает в гидроаккумулятор 14. На клапан 10 в это время будет действовать только одна сила сила давления жидкости со стороны напорной камеры 15, определяемая перепадом давления Δp₁ Под действием этой силы клапан 10 перемещается вниз; сначала уплотнительный выступ 30 ступени 29 входит в цилиндрическую ступень 34 расточки корпуса, тем самым разобщая взводящую 8 и переливную 9 камеры, а затем начинается открытие каналов 23, сообщая переливную камеру 11 со сливной линией 26, и одновременно образуется щель между верхним торцом ступени 31 клапана 10 и торцом, разделяющим взводящую 8 и напорную 15 камеры. В связи с тем что к концу рабочего хода в гидравлической полости гидроаккумулятора 14 остается некоторый небольшой запас рабочей жидкости, давление жидкости во взводящей 8 и напорной 15 камерах будет близко к максимальному значению.

Под действием этого давления на передний торец поршня 5 начинается движение ударника 4 вверх холостой ход.

В первый момент, пока скорость мала, часть жидкости от источника давления 18 будет поступать в гидроаккумулятор 14 и после того, когда скорость ударника V_уд. достигнет величины, равной

где Q_нас производительность гидронасоса источника давления 18, аккумулятор 14 начнет разряжаться.

Так как скорость взвода ударника мала, а ускорение разгона велико, объем жидкости, поступившей в аккумулятор, мал, поэтому разрядка аккумулятора происходит уже в самом начале пути разгона, и до конца холостого хода ударника 4 аккумулятор будет оставаться разряженным. Далее цикл работы устройства повторяется.

Таким образом, в камерах взвода 8 и напорной 15 в течение всего рабочего цикла будет поддерживаться давление жидкости, близкое к максимальному, что обеспечивает максимальную мощность устройства при минимальной мощности привода и размерах устройства. При этом гидронасос источника давления 18 работает практически при постоянном давлении, что благоприятно сказывается на работе как самого насоса, так и пускорегулирующей гидроаппаратуры и трубопроводов, особенно рукавов.

Устройство обеспечивает использование кинетической энергии ударника, запасенной им при холостом ходе для последующего разгона ударника при рабочем ходе.

И наконец, благодаря большим проходным сечениям, по которым жидкость перетекает между камерами, как во время холостого, так и во время рабочего ходов потери энергии за счет сопротивлений незначительны, поэтому коэффициент полезного действия устройства высокий.

Использование: изобретение относится к устройствам ударного действия для разрушения скальных пород и искусственных материалов, рыхления мерзлого и уплотнения насыпного грунтов и может быть использовано в горной промышленности, металлургии и строительстве, а также при создании сваебойных и штамповочных молотов. Сущность: молот конструктивно прост, компактен и технологичен; обладает высокой надежностью за счет того, что в нем переливная камера каналом в корпусе через обратный клапан соединена с взводящей камерой, включающей гидроаккумулятор, а наружная поверхность кольцевого клапана выполнена в виде четырехступенчатого цилиндра, первая ближайшая со стороны взводящей камеры ступень которого имеет наименьший диаметр; вторая по очереди ступень снабжена уплотнительным выступом и имеет диаметр меньше диаметра третьей ступени, но больше диаметра четвертой ступени, сопряженной по боковой поверхности ступенчатого отверстия корпуса. 2 ил.

Устройство ударного действия, включающее корпус, в осевом ступенчатом отверстии которого подвижно вдоль его оси коаксиально размещены поршень-ударник и охватывающий его кольцевой ступенчатый клапан с осевой ступенчатой расточкой, диаметр наибольшей ступени которой равен диаметру поршневого выступа поршня-ударника, совместно образующие заполненную сжатым газом аккумуляторную, сообщенную со сливной линией переливную, сообщенную с насосом напорную и сообщенную с последней взводящую камеры, отличающееся тем, что переливная камера каналом в корпусе через обратный клапан соединена с взводящей камерой, включающей гидроаккумулятор, а наружная боковая поверхность кольцевого клапана выполнена в виде четырехступенчатого цилиндра, первая ближайшая со стороны взводящей камеры, ступень которого имеет наименьший диаметр, вторая по очереди ступень клапана на обращенном в сторону взводящей камеры торце снабжена уплотнительным выступом и имеет диаметр меньше диаметра третьей ступени, но больше диаметра четвертой ступени, сопряженной по боковой поверхности ступенчатого отверстия корпуса, причем в корпусе напротив первой и второй ступеней кольцевого клапана выполнена ступенчатая цилиндрическая расточка, диаметр большей ступени которой равен диаметру второй ступени кольцевого клапана, а диаметр меньшей ступени упомянутой расточки несколько больше диаметра первой ступени кольцевого клапана, при этом длина большей ступени этой расточки меньше длины как первой, так и второй ступеней кольцевого клапана, а соотношение длин ступеней кольцевого клапана и упомянутой расточки определяется следующим выражением
l₁-l₂<l₃, l₄-l₅<l₃,
где l₁ расстояние от торцевой поверхности, отделяющей большую и меньшую ступени расточки корпуса, до плоскости, разделяющей взводящую и напорную камеры, м;
l₂ суммарная длина второй и третьей ступеней клапана;
l₃ длина большей ступени расточки корпуса, м;
l₄ расстояние от торцевой поверхности, отделяющей большую и меньшую ступени расточки корпуса до наиболее удаленной со стороны взводящей камеры торцевой поверхности канавки корпуса, сообщенной со сливной линией, м;
l₅ расстояние от торца второй ступени клапана до ближайшей со стороны взводящей камеры кромки радиальных каналов в стенке четвертой ступени клапана, сообщающих переливную камеру с упомянутой канавкой корпуса, м.