ПНЕВМАТИЧЕСКОЕ УДАРНОЕ УСТРОЙСТВО (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2000 года по МПК E02D7/10 E02F5/18 

Изобретение относится к области горного дела и строительства и касается пневматических устройств ударного действия для ударного погружения в грунт труб и других стержневых элементов.

Известно пневматическое ударное устройство для проходки шпуров, описанное в патенте ФРГ N 1175184 - "Реферат, журнал, 43. Горные машины (отдельный выпуск)", 1966, N 12, с.19-20 (ВИНИТИ). Оно содержит корпус, в котором размещены двухмассовый ударный узел и вращатель. К корпусу присоединена золотниковая коробка с золотником, управляющим движением двух ударников и вращателем. Пустотелый золотник, используемый в данной конструкции, рационально совмещает многообразные функции. Он позволяет согласовать движение двух ударников между собой, что является само по себе сложной задачей, да еще и с вращателем. Такая система позволяет увеличить мощность машины за счет увеличения частоты ударов с обеспечением необходимого поворота бура между ударами. Для возможности функционирования золотник имеет обратную связь с ударным узлом, для чего выполнены различные каналы в корпусе.

К недостаткам конструкции следует отнести усложнение дорогостоящего ударного узла за счет необходимости выполнения каналов обратной связи в его корпусе, а также ограниченность использования конструкции, поскольку золотник имеет заданные размеры и соотношения всех его элементов и не может быть перенастроен в период эксплуатации, тем самым не может обеспечить параметры, необходимые для осуществления других работ. Кроме того, параметры устройства, в том числе и такие важные как энергия единичного удара, в значительной мере зависят от давления сжатого воздуха в питающей магистрали.

Наиболее близким по технической сути и достигаемому результату является пневматическое ударное буровое устройство, описанное в патенте ФРГ N 1132067, М. кл. E 21 b, опубл. 28.06.62 г. Оно представляет собой ударный узел, имеющий корпус, ударник, размещенный внутри корпуса и делящий его полость на камеры рабочего и холостого хода, отстоящий от ударного узла командный воздухораспределитель, имеющий свой корпус, золотник, питающую и выхлопную магистрали и соединенный с ударным узлом воздухоподводящими рукавами. Командный золотниковый воздухораспределитель находится на значительном расстоянии от ударного узла и имеет независимое от него срабатывание. Такая система позволяет максимально упростить конструкцию ударного узла, удешевить его производство. Вынесенный золотник позволяет во время проведения технологической операции менять параметры ударного узла, что бывает необходимо в некоторых условиях, и обеспечивает его дополнительными свойствами, такими как, например, реверс. Один и тот же командный воздухораспределитель может эксплуатироваться с ударными узлами различного диаметра и конструкции, что позволяет значительно унифицировать узлы этой системы.

Золотник воздухораспределителя имеет ступенчатую форму. На рабочие площади ступеней золотника, в зависимости от его положения, действует то магистральное, то атмосферное давление, что обеспечивает его перекидку. Золотник имеет два крайних положения. Время перекидки из одного положения в другое определяется периодом колебания маятника, с которым связан золотник. Масса и длина маятника регулируются, что позволяет изменять в некоторых пределах периоды впуска и выхлопа сжатого воздуха в ударном узле, что несколько изменяет его параметры, а также обеспечивает реверсирование.

Однако период колебания маятника при ограниченных габаритах воздухораспределителя не может изменяться в широком диапазоне. Невозможно осуществить длительный выстой золотника в каком-то положении без введения в конструкцию дополнительного механизма, что существенно усложнило бы конструкцию и уменьшило бы ее надежность. Поэтому не представляется возможным значительно изменять рабочий цикл ударного узла, а следовательно, и его параметры, что ограничивает область его применения. Например, от такого параметра как частота ударов в единицу времени сильно зависит абсолютный расход воздуха ударного устройства, поэтому без возможности изменения этого параметра в значительном диапазоне будет проявляться жесткая зависимость от производительности источника питания.

Уменьшение величины давления сжатого воздуха в питающей магистрали для данного устройства приведет к уменьшению хода ударника и к снижению энергии удара, в чем проявится чувствительность данной системы к изменению рабочего давления, что также ограничивает область ее применения.

Технической задачей, решаемой данным изобретением, является расширение области применения устройства за счет создания новых режимов его работы и, как следствие, расширение диапазона изменения параметров.

Данная техническая задача решается тем, что в пневматическом ударном устройстве, состоящем из ударного узла, имеющего корпус с размещенным в нем ударником, делящим его полость на камеры холостого и рабочего хода, вынесенного за пределы ударного узла командного воздухораспределителя, имеющего корпус с размещенным в нем золотником, питающую и выхлопную магистрали и соединенного с ударным узлом по меньшей мере одним коммуникационным каналом, согласно изобретению золотник командного воздухораспределителя содержит поршень, образующий с корпусом полость над поршнем, изолированную от камер ударного узла и от связанных с ними коммуникационных каналов, а также в командном воздухораспределителе выполнены первый канал, периодически соединяющий данную полость с питающей магистралью, и второй канал, сообщающий указанную полость с атмосферой.

Момент перекидка золотника определяется временем заполнения и опорожнения полости над поршнем золотника, зависит от ее объема и от сечений первого и второго каналов.

Такая конструкция позволяет иметь задержки золотника воздухораспределителя в крайних положениях очень различными одна от другой и длительность по меньшей мере одной из задержек может быть очень значительной, практически неограниченной. Это позволяет осуществлять рабочие циклы ударного узла с самыми различными соотношениями периодов впуска и выхлопа в камерах рабочего и холостого хода, реализовать рабочие циклы большой длительности. Можно легко увеличивать ход ударника, повышая тем самым энергию единичного удара, или использовать ударник большой массы, что улучшает передачу энергии удара - в том и другом случае требуется обеспечение длительного рабочего цикла. Возможность длительной задержки золотника в начале цикла позволяет уменьшить число циклов в единицу времени и сократить общий расход воздуха, не уменьшая при этом энергии единичного удара. Например, забивка тяжелой трубы может осуществляться тяжелым ударным механизмом с высокой энергией удара при использовании имеющегося компрессора очень небольшой производительности, что при традиционных конструкциях было бы невозможно, потребовался бы другой компрессор.

Один и тот же воздухораспределитель может просто перенастраиваться для осуществления различных рабочих циклов. Может осуществляться реверсирование ударного узла.

Возможность задержки золотника в начале цикла позволяет обеспечивать выстой ударника в переднем крайнем положении, что при осуществлении нового рабочего цикла позволяет избежать влияния предыдущего цикла в виде, например, отскока ударника, и обеспечивает заданный ход ударника, что важно для системы воздухораспределения без обратной связи с ударным узлом.

Возможности конструкции позволяют еще больше унифицировать ее элементы. Воздухораспределитель, имеющий возможность настройки в широком диапазоне, способен работать с самыми различными ударными узлами.

В результате устройство может использоваться там, где без названных качеств оно не могло бы эксплуатироваться.

Например, возможно увеличение диаметра забиваемых труб без увеличения диаметра ударного узла, так как увеличение необходимой энергии удара в данном случае возможно осуществить за счет значительного увеличения хода ударника.

Целесообразно командный воздухораспределитель снабдить регулятором для изменения проходного сечения первого канала.

Такой регулятор позволяет оперативно вмешиваться в работу устройства непосредственно в момент его эксплуатации. Изменение сечения данного канала позволяет изменять время холостого хода и, как следствие, величину хода ударника и энергию удара.

Целесообразно также командный воздухораспределитель снабдить регулятором для изменения проходного сечения второго канала.

Этот регулятор позволяет оперативно изменять частоту ударов в единицу времени за счет изменения продолжительности выстоя ударника в конце рабочего цикла.

Во втором варианте исполнения в пневматическом ударном устройстве, состоящем из ударного узла, имеющего корпус с размещенным в нем ударником, делящим его полость на камеры холостого и рабочего хода, вынесенного за пределы ударного узла командного воздухораспределителя, имеющего корпус с размещенным в нем золотником, питающую и выхлопную магистрали и соединенного с ударным узлом по меньшей мере одним коммуникационным каналом, согласно изобретению золотник командного воздухораспределителя содержит поршень, образующий с корпусом полость над поршнем, изолированную от камер ударного узла и от связанных с ними коммуникационных каналов, а также в командном воздухораспределителе выполнены первый канал, периодически соединяющий данную полость с питающей магистралью, и второй канал, сообщающий указанную полость с атмосферой, при этом командный воздухораспределитель снабжен корректором для изменения объема полости над поршнем золотника в зависимости от давления сжатого воздуха в питающей магистрали.

Используемый в этом варианте корректор для изменения объема полости над поршнем золотника в зависимости от давления сжатого воздуха в питающей магистрали позволяет при изменении давления поддерживать величину хода ударника на заданном уровне за счет корректировки времени впуска и выхлопа в камерах ударного узла. Это делает систему менее чувствительной к колебаниям давления в питающей магистрали, позволяет использовать источник питания с давлением, значительно отличным от номинального без больших потерь по энергии единичного удара, что расширяет область применения устройства.

Целесообразно корректор, изменяющий объем полости над поршнем золотника, выполнить в виде подпружиненного поршня, примыкающего к указанной полости и образующего с корпусом командного воздухораспределителя дополнительную полость, постоянно связанную с питающей магистралью, а названную пружину расположить в полости над поршнем золотника.

Выполнение корректора в виде подпружиненного поршня, расположенного в данном месте, представляется наиболее простым и надежным его исполнением.

Целесообразно командный воздухораспределитель снабдить регулятором для изменения проходного сечения первого канала.

Целесообразно командный воздухораспределитель снабдить регулятором для изменения проходного сечения второго канала.

Эти регуляторы аналогичны по своему значению регуляторам первого варианта.

Изобретение иллюстрируется примером конкретного исполнения и чертежом, на котором на фиг. 1 изображен продольный разрез пневматического ударного устройства по первому варианту, на фиг. 2 представлен командный воздухораспределитель устройства, выполненного по второму варианту.

Устройство по п.1 формулы (фиг. 1) состоит из ударного узла 1, имеющего корпус 2 с наковальней 3 в передней части, ударник 4, размещенный в корпусе 2 и разделяющий полость корпуса 2 на камеру 5 холостого хода и камеру 6 рабочего хода. В центральный канал ударника 4 входит воздухораспределительная трубка 7. Устройство содержит также отстоящий от ударного узла 1 командный воздухораспределитель 8, имеющий корпус 9, размещенный в нем ступенчатый золотник 10, питающую магистраль 11 и выхлопную магистраль, образованную каналами 12 и 13. Золотник 10 имеет проточки 14, 15, 16, паз 17, канал 18 и снабжен поршнем 19, торец которого образует с корпусом 9 полость 20, а внутренний торец поршня 19, обращенный к золотнику, образует с корпусом 9 полость 21. В корпусе 9 выполнены каналы 22, 23, 24 (первый канал в формуле), 25 (второй канал) и расточка 26. Командный воздухораспределитель 8 снабжен регулятором 27 для изменения проходного сечения канала 24 и регулятором 28 для изменения проходного сечения канала 25. В корпусе 9 выполнены также каналы 29 и 30. Командный воздухораспределитель 8 соединен с ударным узлом 1 коммуникационными каналами в виде рукавов 31 и 32.

Работа устройства по п. 1 формулы осуществляется следующим образом.

Сжатый воздух из питающей магистрали 11 через канал 22, проточку 15, канал 30 командного воздухораспределителя 8, через полость рукава 32 поступает в камеру 6 рабочего хода ударного узла 1. В это время камера 5 холостого хода соединена с атмосферой, поэтому никакого движения нет, ударник 4 прижимается к наковальне 3. В дальнейшем сжатый воздух, поступающий через канал 23 в корпусе 9 командного воздухораспределителя 8, воздействует на торец золотника 10 и осуществляет перекидку золотника 10 в другое крайнее положение, поскольку противоположный его торец находится под атмосферным давлением. В процессе перекидки канал 18 открывается в полость 21, а продольный паз 17 отсоединяет эту полость от расточки 26, сжатый воздух поступает в полость 21. Воздействуя на поршень 19 со стороны полости 21, сжатый воздух увеличивает силу, воздействующую на золотник 10, и увеличивает резкость и надежность перекидки. При этом положении золотника 10 сжатый воздух через канал 22, проточку 15, канал 29, полость рукава 31, полость воздухораспределительной трубки 7 поступает в камеру 5 холостого хода. Камера 6 рабочего хода в этот момент через полость рукава 32, канал 30, проточку 16, канал 13 соединяется с атмосферой. Воздействуя на ударник 4 со стороны камеры 5 холостого хода, сжатый воздух приводит его в движение, происходит холостой ход. В то же время при положении золотника 10, обеспечивающем холостой ход, сжатый воздух из полости 21 через канал 24 поступает в полость 20. Время нахождения золотника 10 в этом крайнем положении и, следовательно, время осуществления холостого хода определяется временем заполнения до нужного давления полости 20. Это время зависит от величины объема полости 20 и от величины проходного сечения первого канала 24, которая регулируется регулятором 27. Эти параметры выбраны такими, чтобы время нахождения золотника 10 в этом крайнем положении было достаточным для перемещения ударника 4 на заданную величину, но не более того, иначе удары могут наносится по задней части корпуса 2 ударного узла 1. Попав в полость 20, сжатый воздух начинает воздействовать на рабочую площадь поршня 19. Величина этой площади больше площади, находящейся под давлением с противоположной стороны, поэтому на золотник 10 действует сила, осуществляющая его перекидку в другое крайнее положение. Во время этой перекидки канал 18 рассоединяется с полостью 21, а паз 17 соединяет ее с расточкой 26 и через нее и канал 12 - с атмосферой. Разница действующих на золотник 10 сил еще больше увеличивается и золотник 10 резко занимает свое новое положение. При этом поршень 19 перекрывает первый канал 24 и открывает второй канал 25. В этот момент сжатый воздух не поступает в полость 20, а напротив постепенно выхлапывается через второй канал 25, проходное сечение которого регулируется регулятором 28. Момент перекидки золотника 10 определяет окончание холостого хода ударника 4 и начало его рабочего хода. При этом положении золотника 10 сжатый воздух через канал 22, проточку 15, канал 30, полость рукава 32 поступает в камеру 6 рабочего хода, а камера 5 холостого хода через полость воздухораспределительной трубки 7, полость рукава 31, канал 29, проточку 14, расточку 26, канал 12 соединяется с атмосферой, начинается выхлоп из камеры 5 холостого хода. По мере выхлопа сила, действующая на ударник 4 со стороны камеры 6 рабочего хода, становится преобладающей, она останавливает ударник 4 и переводит его на рабочий ход. На протяжении всего рабочего хода в камеру 6 рабочего хода поступает сжатый воздух, а камера 5 холостого хода соединена с атмосферой, что определяет высокое среднее давление по ходу на рабочем ходу и определяет высокие энергетические показатели ударного узла 1. В конце рабочего хода ударник 4 наносит удар по наковальне 3. Ударник 4 некоторое время удерживается в крайнем переднем положении, осуществляется его выстой, время которого определяется задержкой золотника 10 в положении, определяющем рабочий ход. Эта задержка определяется величиной объема полости 20 и величиной проходного сечения канала 25 и задается, исходя из требуемой частоты ударов. По мере опорожнения полости 20 сила, действующая на золотник 10 с противоположного торца, становится преобладающей и золотник 10 перекидывается в другое крайнее положение. Цикл повторяется.

Пневматическое ударное устройство по п. 4 формулы устроено аналогично устройству по п. 1, но в нем в командном воздухораспределителе 8 в полости 20 над поршнем 19 золотника 10 размещен корректор 33 для изменения ее объема в зависимости от давления сжатого воздуха в питающей магистрали 11. (фиг. 2) Он выполнен в виде поршня 34, примыкающего к полости 20 и подпружиненного пружиной 35, расположенной в полости 20. Поршень 34 образует с корпусом 9 дополнительную полость 36, постоянно связанную каналом 37 с питающей магистралью 11. Полость 20 периодически сообщается каналом 24 с питающей магистралью 11 и каналом 25 с атмосферой. Каналы 24 и 25 имеют регуляторы 27 и 28 для изменения их проходных сечений.

Работает устройство по пп. 4-7 аналогично указанному выше, причем при изменении давления сжатого воздуха в питающей магистрали 11 вступает в действие корректор 33. Давление в полости 36 изменяется так же, как и в магистрали, так как они соединены каналом 37. При этом сила, действующая на поршень 34 со стороны полости 36, также изменяется. Эта сила уравновешивается усилием пружины 35, при растяжении и сжатии которой поршень 34 занимает новое положение, определяющее объем полости 20 над поршнем 19. Усилие пружины 35 и проходные сечения каналов 24, 25, корректируемые регуляторами 27, 28, выбираются такими, чтобы время нахождения золотника 10 в том или ином положении обеспечивало заданный ход ударника 4 (фиг. 1) вне зависимости от изменения давления в питающей магистрали 11. Например, при уменьшении давления поршень 34 переместится дальше в направлении от золотника 10, увеличатся объем полости 20 и время ее заполнения при соответствующей позиции золотника 10, что обеспечит большее время обратного хода и, в свою очередь, компенсирует уменьшение действующей на ударник 4 силы (из-за уменьшения давления) и обеспечит необходимый ход.

Изобретение относится к горному делу и строительству и касается пневматических устройств ударного действия для ударного погружения в грунт труб и других стержневых элементов. Задача изобретения - расширение области применения устройства за счет создания новых режимов его работы, и, как следствие, расширение диапазона изменения параметров. Данная задача решается тем, что в пневматическом ударном устройстве, состоящем из ударного узла, имеющего корпус с размещенным в нем ударником, делящим его полость на камеры холостого и рабочего хода, вынесенного за пределы ударного узла командного воздухораспределителя, имеющего корпус с размещенным в нем золотником, питающую и выхлопную магистрали и соединенного с ударным узлом по меньшей мере одним коммуникационным каналом, согласно изобретению золотник командного воздухораспределителя содержит поршень, образующий с корпусом полость над поршнем, изолированную от камер ударного узла и от связанных с ними коммуникационных каналов, а также в командном воздухораспределителе выполнены первый канал, периодически соединяющий данную полость с питающей магистралью, и второй канал, сообщающий указанную полость с атмосферой. Во втором варианте выполнения устройства командный воздухораспределитель снабжен корректором для изменения объема полости над поршнем золотника в зависимости от давления сжатого воздуха в питающей магистрали. 2 с. и 5 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Пневматическое ударное устройство, состоящее из ударного узла, имеющего корпус с размещенным в нем ударником, делящим его полость на камеры холостого и рабочего хода, вынесенного за пределы ударного узла командного воздухораспределителя, имеющего корпус с размещенным в нем золотником, питающую и выхлопную магистрали и соединенного с ударным узлом по меньшей мере одним коммуникационным каналом, отличающееся тем, что золотник командного воздухораспределителя содержит поршень, образующий с корпусом полость над поршнем, изолированную от камер ударного узла и от связанных с ними коммуникационных каналов, а также в командном воздухораспределителе выполнены первый канал, периодически соединяющий данную полость с питающей магистралью, и второй канал, сообщающий указанную полость с атмосферой. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что командный воздухораспределитель снабжен регулятором для изменения проходного сечения первого канала. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что командный воздухораспределитель снабжен регулятором для изменения проходного сечения второго канала. 4. Пневматическое ударное устройство, состоящее из ударного узла, имеющего корпус с размещенным в нем ударником, делящим его полость на камеры холостого и рабочего хода, вынесенного за пределы ударного узла командного воздухораспределителя, имеющего корпус с размещенным в нем золотником, питающую и выхлопную магистрали и соединенного с ударным узлом по меньшей мере одним коммуникационным каналом, отличающееся тем, что золотник командного воздухораспределителя содержит поршень, образующий с корпусом полость над поршнем, изолированную от камер ударного узла и от связанных с ними коммуникационных каналов, а также в командном воздухораспределителе выполнены первый канал, периодически соединяющий данную полость с питающей магистралью, и второй канал, сообщающий указанную полость с атмосферой, при этом командный воздухораспределитель снабжен корректором для изменения объема полости над поршнем золотника в зависимости от давления сжатого воздуха в питающей магистрали. 5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что корректор для изменения объема полости над поршнем золотника выполнен в виде подпружиненного поршня, примыкающего к указанной полости и образующего с корпусом командного воздухораспределителя дополнительную полость, постоянно связанную с питающей магистралью, при этом пружина расположена в полости над поршнем золотника. 6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что командный воздухораспределитель снабжен регулятором для изменения проходного сечения первого канала. 7. Устройство по п.4, отличающееся тем, что командный воздухораспределитель снабжен регулятором для изменения проходного сечения второго канала.