МОЛОТ Российский патент 2002 года по МПК E02D7/08 

Изобретение предназначено для использования в строительстве для забивания в грунт свай, шпунта, металлических труб и других строительных элементов в вертикальном направлении.

Известен буровой снаряд (см. Барсов И.П. Строительные машины и оборудование. М., "Стройиздат". 1986), состоящий из долота, ударной штанги и канатного замка, подвешенного на канате, переброшенном через головной канатный блок мачты станка. Канат огибает снизу оттяжной канатный блок, расположенный на балансире станка и, проходя через вспомогательный блок, наматывается на инструментальный барабан. При вращении ударного вала с кривошипом шатун сообщает колебательное движение балансиру и блоку. При нижнем положении оттяжного блока буровой снаряд поднимается над забоем, при достижении верхнего положения он быстро падает в скважину и разрушает горную породу. По мере углубления скважины канат с инструментального барабана свивают на необходимую величину. Поворот долота происходит в канатном замке. Достоинством бурового снаряда является отсутствие высоких динамических нагрузок на канат при работе снаряда ввиду плавности нарастания скорости подъема долота над забоем. Недостатком являются сложность и громоздкость конструкции, а также ограниченная высота подъема долота, определяемая размерами кривошипа. С увеличением высоты подъема долота увеличивается и длина кривошипа. На практике высота подъема долота не превосходит одного метра.

Известен механический молот (см. Косоруков И.И. Свайные работы. М., "Высшая школа", 1974), включающий ударник, который двигается по направляющим копровой мачты и силовой привод, состоящий из двигателей внутреннего сгорания и фрикционной лебедки, размещенных на платформе базовой машины. Ударник с помощью троса фрикционной лебедки поднимается на необходимую высоту. Затем выключается барабан фрикционной лебедки. Ударник падает и наносит удар по погружаемому элементу. Холостые и рабочие хода чередуются последовательными включениями и выключениями барабана лебедки, выполняемыми машинистом копра. Механический молот конструктивно прост и долговечен в работе. Трос молота при работе не испытывает значительных динамических нагрузок, так как скорость подъема ударника регулируется машинистом копра. Величина хода ударника может составлять три метра и более. Недостатком механического молота является низкая производительность ввиду ручного управления молотом. Также недостатком является то, что механический молот неработоспособен без базовой машины - трактора и мачты копра.

Наиболее близким к заявляемому устройству по технической сущности и по достигаемому результату аналогом (прототипом) является молот по патенту РФ 2123090. Молот включает корпус, в котором движется ударник, шабот с наголовником и привод, соединенный гибким элементом с ударником и установленный на фланце корпуса. Привод представляет собой электрическую лебедку, работающую в автоматическом режиме. Вследствие этого частота ударов по сравнению с механическим молотом увеличена в несколько раз, а значит в такой же степени увеличена эффективность и производительность погружения строительных инструментов в грунт. Высота подъема ударника в этом молоте ограничена только прочностью забиваемого элемента и достигает трех метров. Молот в конструктивном отношении прост, компактен, имеет высокий КПД, достигающий 85-90%. Для его работы не нужен трактор, как это имеет место при работе с механическим молотом. Молот может работать в безкопровом режиме. Недостатком этого молота является наличие высокой динамической нагрузки на привод и на гибкий элемент в начале подъема ударника, обусловленная значительной инерционной массой, что снижает долговечность молота.

Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением - увеличение долговечности молота.

Поставленная задача решается за счет того, что в ударнике выполнено гнездо, в которое вставлена подвижная тяга и охватывающий ее силовой элемент, находящийся в напряженном состоянии при помощи фланца, закрепленного на верхнем торце ударника, причем сила, с которой предварительно сжат силовой элемент, равна весу ударника.

Такая конструкция молота обеспечивает значительное снижение динамических нагрузок на привод и гибкий элемент, так как ударные нагрузки преобразуются в потенциальную энергию сжатия силового элемента, а затем в кинетическую энергию движения ударника.

Сущность предлагаемого технического решения иллюстрируется схематическим изображением общего вида молота в разрезе.

Конструкцию предлагаемого устройства проиллюстрируем на примере его конкретного исполнения.

Молот состоит из корпуса 1, ударника 2, привода 3, в качестве которого используется электрическая лебедка, работающая в автоматическом режиме. В нижней части корпуса 1 установлен шабот 4. Гибкий элемент 5 соединяет привод 3 с ударником 2 при помощи тяги 6, которая установлена в гнезде 7, закрытом сверху фланцем 8. Тягу 6 охватывает силовой элемент 9, набранный в данном случае из резиновых дисков. Как видно из чертежа, диаметр силового элемента 9 меньше диаметра гнезда 7. В качестве силового элемента могут быть использованы не только резиновые диски, но и металлические пружины, пневмокамера и т.д. В данной конструкции силовой элемент находится в напряженном сжатом состоянии от взаимодействия фланца 8 и стяжных болтов 10, которые заранее при сборке ударника и затяжке болтов 10 сжимают силовой элемент 9 силой, равной весу ударника 2. В углубление шабота 4 вставлена погружаемая свая 11.

Молот работает следующим образом. Ударник 2 с помощью гибкого элемента (каната) 5 электрической лебедки 3, работающей в автоматическом режиме, поднимается на необходимую, заранее заданную высоту для нанесения удара. Затем барабан электрической лебедки автоматически растормаживается. Ударник падает, увлекая за собой канат 5, свободно сматывающийся с расторможенного барабана, и в конце рабочего хода наносит удар по шаботу 4, который передает удар погружаемой свае 11. Холостые и рабочие хода чередуются последовательными включениями и выключениями барабана лебедки, которые выполняются в автоматическом режиме.

Самым неблагоприятным в процессе работы молота является момент начала подъема ударника. Это происходит потому, что скорость наматывания каната на барабан электрической лебедки на всем протяжении подъема ударника постоянна или изменяется незначительно ввиду жесткой механической характеристики асинхронных электродвигателей, применяемых в электрических лебедках. Скольжение у такого типа электродвигателей не превышает 2-5%. Поэтому в момент начала подъема ударника происходит резкий рывок, сравнимый с ударной нагрузкой. Расчеты показывают, что при ударнике массой 4 тонны и при скорости наматывания каната на барабан 0,25 м/с, сила натяжения каната в момент отрыва ударника от шабота может достигать 40-50 тонн. Такая ударная нагрузка может вывести из строя механизм электрической лебедки и разорвать канат. Чтобы этого не произошло в предлагаемом молоте, процесс подъема ударника имеет свои особенности и происходит следующим образом.

Включается автоматическая электрическая лебедка. Канат начинает наматываться на барабан с постоянной скоростью 0,25 м/с. После того, как выбирается слабина каната, он резко натягивается и, когда сила натяжения каната станет равной весу ударника, ударник, находящийся до этого в покое неподвижно, начинает постепенно разгоняться. То есть ударник, имеющий в первый момент подъема нулевую скорость, не сразу приобретает скорость, равную скорости наматывания каната (0,25 м/с), а постепенно. Ударник разгоняется с заданным ускорением "а", и чем меньше будет ускорение "а", с которым поднимается ударник, тем меньше будет натяжение каната в первоначальный момент подъема. Но скорость наматывания каната на барабан постоянна и равна в данном случае 0,25 м/с, а скорость ударника в первоначальный момент подъема ввиду его большой инерционности много меньше скорости каната, поэтому чтобы компенсировать эту разницу скоростей, силовой элемент 9 начинает сжиматься в гнезде 7. Здесь необходимо учесть то, что силовой элемент 9 при сборке молота уже был сжат силой, равной весу ударника 2, и теперь он будет сжиматься, только если сила натяжения каната 5 превысит силу веса ударника, что и происходит в данном случае. Так как сила натяжения каната "F" равна:
F=m•а+m•g,
где m - масса ударника;
g - ускорение свободного падения;
а - ускорение, с которым поднимается ударник.

Из этой формулы следует, что сила натяжения каната больше силы веса ударника на величину "m•а". Отсюда также следует то, что чем меньше ускорение, с которым поднимается ударник "а", тем будет меньше сила натяжения каната "F". Поэтому необходимо стремиться уменьшить величину "а", что и происходит в данной конструкции молота.

Силовой элемент 9, сжимаясь при начале подъема ударника, накапливает в себе потенциальную энергию сжатия. Отставание ударника 2 от точки закрепления каната на тяге 6 будет в процессе подъема сначала увеличиваться. Это означает то, что силовой элемент будет претерпевать процесс все большего сжатия, т.е. уменьшения его высоты, и одновременно увеличиваться в диаметре, занимая при этом свободное пространство в гнезде. Как видно из чертежа, гнездо 7 выполнено диаметром большим диаметра силового элемента 9. Затем вследствие того, что ударник 2 совершает движение вверх с ускорением "а", т. е. его скорость все время увеличивается, наступит момент, когда скорость наматывания каната на барабан лебедки и скорость ударника сравняются. Это означает то, что сжатие силового элемента 9 прекратится. В этот момент высота силового элемента 9 будет наименьшая. Затем ввиду того, что скорость подъема ударника все время растет, ударник начнет подниматься вверх со скоростью большей, чем скорость наматывания каната на барабан лебедки, а это означает то, что силовой элемент 9 начнет разжиматься, т.е. увеличиваться по высоте. Накопленная в силовом элементе потенциальная энергия сжатия начнет переходить в кинетическую энергию движения ударника, тем самым увеличивая еще более скорость ударника. С помощью расчетов: скорость наматывания каната на барабан лебедки, масса ударника, упругость силового элемента, его высота и диаметр подобраны так, что в момент окончания подъема ударника силовой элемент 9 разожмется, и тяга 6 упрется в дно гнезда. Силовой элемент 9 разожмется до первоначальной величины, которую он занимал, когда канат был в расслабленном, ненатянутом состоянии. Вследствие этого вся потенциальная энергия, накопленная в силовом элементе в процессе его сжатия, преобразуется в кинетическую энергию движения ударника за минусом небольших потерь, происходящих при этом преобразовании.

Как видно из описания процесса подъема ударника, в результате того, что ударник при начале подъема не сразу приобретает скорость, равную скорости наматывания каната на барабан лебедки, а постепенно, и его разгон растянут во времени и заканчивается практически только в конце его подъема, удалось свести к минимуму ударные нагрузки, которые разрушают электрическую лебедку и разрывают канат.

Таким образом, предложенное техническое решение обеспечивает решение поставленной задачи - увеличение долговечности молота.

Устройство относится к строительству и другим областям промышленности, где необходимо забивание в грунт в вертикальном направлении свай, металлических труб, шпунта и других строительных элементов. Молот для погружения в грунт строительных элементов включает корпус с установленным в нем с возможностью перемещения ударником, шабот и привод, соединенный гибким элементом с ударником, причем в ударнике выполнено гнездо, в котором вставлена подвижная тяга и охватывающий ее силовой элемент, находящийся в напряженном состоянии при помощи фланца, закрепленного на верхнем торце ударника, при этом сила, с которой предварительно сжат силовой элемент, равна весу ударника. Предложенное техническое решение обеспечивает увеличение долговечности молота. 1 ил.

Молот для погружения в грунт строительных элементов, включающий корпус с установленным в нем с возможностью перемещения ударником, шабот и привод, соединенный гибким элементом с ударником, отличающийся тем, что в ударнике выполнено гнездо, в которое вставлена подвижная тяга и охватывающий ее силовой элемент, находящийся в напряженном состоянии при помощи фланца, закрепленного на верхнем торце ударника, причем сила, с которой предварительно сжат силовой элемент, равна весу ударника.