СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЭНЕРГИИ УДАРА ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ УДАРНОЙ МАШИНЫ И РЕГУЛИРУЕМАЯ ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ УДАРНАЯ МАШИНА Российский патент 2005 года по МПК E02D7/10 E02F5/18 

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к гидравлическим ударным машинам с регулируемыми параметрами удара, которые могут быть использованы, например, для забивки металлических труб при безтраншейной прокладке инженерных коммуникаций.

Известны способ регулирования энергии удара гидравлической ударной машины путем изменения величины обратного хода ударника и регулируемая гидравлическая ударная машина (бурильная головка RPH 400 фирмы Sekoma), описанные в книге А.П.Архипенко, А.И.Федулов, “Гидравлические ударные машины”, Новосибирск, 1991 г., с.26, рис.12. Регулирование величины обратного хода ударника осуществляют дискретно при помощи четырех каналов, выполненных в корпусе устройства и соединяющих напорную магистраль с управляемой камерой золотника, который осуществляет переключение ударника с обратного хода на прямой. Значение величины обратного хода ударника зависит от того, какой из четырех каналов, открываемых поочередно кромкой ударника при его обратном ходе, оставлен соединенным с управляемой камерой золотника (остальные три заглушают путем ввертывания специальных винтов). Момент переключения ударника с обратного хода на прямой, а следовательно, и величина обратного хода, зависит от расположения канала, который не заглушен.

Вышеописанный способ регулирования энергии удара дискретен (ступенчат), он позволяет устанавливать только четыре дискретных (по числу каналов) значения величины обратного хода в заданном интервале регулирования и не позволяет изменять граничные значения интервала регулирования, что в конечном итоге ограничивает область применения способа и функциональные возможности гидравлической машины, в которой реализован этот способ. Отсутствие возможности дистанционного регулирования величины обратного хода также приводит к ограничению области применения способа и функциональных возможностей гидравлической ударной машины. Кроме того, для реализации такого способа требуется сложная конструкция гидравлической ударной машины, что снижает удобство регулирования, так как для изменения величины энергии удара требуется остановка ударного узла и перестановка специальных винтов (заглушек).

Известны выбранные в качестве ближайшего аналога способ регулирования энергии удара гидравлической ударной машины путем изменения величины обратного хода ударника и регулируемая гидравлическая ударная машина согласно патенту РФ №2184847.

В известном способе регулирования энергии удара гидравлической ударной машины изменяют в заданном интервале регулирования величину обратного хода ударника, взаимодействующего с рабочим упругим элементом и рабочей жидкостью, и плавно изменяют значения давления рабочей жидкости, при котором происходит переключение хода ударника с обратного на прямой, путем изменения усилия предварительного сжатия взаимодействующего с клапаном задающего упругого элемента, жесткость которого намного меньше жесткости рабочего упругого элемента. Пределы интервала регулирования величины обратного хода ударника могут смещаться в сторону меньших или больших значений путем соответственного увеличения или уменьшения прилагаемого к ударнику усилия предварительного сжатия рабочего упругого элемента, а значение давления рабочей жидкости, при котором происходит переключение хода ударника с обратного на прямой, может изменяться дистанционно.

Регулируемая гидравлическая ударная машина согласно патенту РФ №2184847, содержит ударный узел и средство управления энергией удара, причем ударный узел включает корпус, в котором расположена первая рабочая камера, ударник и рабочий упругий элемент, а средство управления энергией удара выполнено в виде корпуса с расположенными в нем второй рабочей камерой и клапаном, взаимодействующим со штоком и задающим упругим элементом с устройством для изменения усилия его предварительного сжатия, при этом первая и вторая рабочие камеры гидравлически связаны.

Наиболее близкие к предлагаемому способ и устройство, его реализующее, позволяют плавно (бесступенчато) регулировать энергию удара в широком диапазоне значений, при котором величина обратного хода может плавно регулироваться во всем заданном интервале регулирования, однако при этом обладают важным недостатком, который препятствует надежной работе устройства. Недостаток заключается в том, что скорость обратного хода клапана не регулируется, вследствие чего время закрывания клапана может быть менее времени прямого хода ударника. При сжатии задающего упругого элемента давление во второй рабочей камере и в первой рабочей камере ударного узла увеличивается. Соответственно повышается сжатие рабочего упругого элемента и возрастает величина обратного хода ударника. Вследствие того, что возросла величина обратного хода ударника, возрастает величина рабочего хода ударника и количество рабочей жидкости в первой рабочей камере, а значит возрастает время рабочего хода ударника, что соответственно требует большего времени для слива рабочей жидкости из первой рабочей камеры. Слив рабочей жидкости из первой рабочей камеры выполняется только при открытом клапане. Однако увеличение силы сжатия задающего упругого элемента приводит к сокращению времени прямого хода клапана, который закрывается раньше, чем успеет удалиться рабочая жидкость из первой рабочей камеры, что необходимо для завершения рабочего хода ударника. Удара не происходит. Таким образом, ограничивается диапазон регулирования энергии гидравлической ударной машины и снижается надежность ее работы.

Изобретение направлено на решение задачи расширения диапазона регулирования энергии удара гидравлической ударной машины и повышения надежности ее работы.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе регулирования энергии удара гидравлической ударной машины, включающем изменение в заданном интервале регулирования величины обратного хода ударника, взаимодействующего с рабочим упругим элементом и рабочей жидкостью, и плавное изменение значения давления рабочей жидкости, при котором происходит переключение хода ударника с обратного на прямой, путем изменения усилия предварительного сжатия взаимодействующего с клапаном задающего упругого элемента, жесткость которого намного меньше жесткости рабочего упругого элемента, предлагается дополнительно регулировать скорость прямого хода клапана так, чтобы время закрывания клапана было не менее времени прямого хода ударника. При этом пределы интервала регулирования величины обратного хода ударника могут смещаться в сторону меньших или больших значений путем соответственного увеличения или уменьшения прилагаемого к ударнику усилия предварительного сжатия рабочего упругого элемента.

Сущность изобретения заключается также в том, что в регулируемой гидравлической ударной машине, содержащей ударный узел и средство управления энергией удара, причем ударный узел включает корпус, в котором расположена первая рабочая камера, ударник и рабочий упругий элемент, а средство управления энергией удара выполнено в виде корпуса с расположенными в нем второй рабочей камерой и клапаном, взаимодействующим со штоком и задающим упругим элементом с устройством для изменения усилия его предварительного сжатия, при этом первая и вторая рабочие камеры гидравлически связаны, предлагается средство управления энергией удара дополнительно снабдить регулятором скорости прямого хода клапана, включающим гидравлически автономную амортизационную камеру с амортизационной жидкостью, разделенную на верхнюю и нижнюю части кольцевым амортизационным поршнем, расположенным на клапане, при этом верхняя и нижняя части амортизационной камеры связаны между собой посредством каналов через запорный клапан и дроссель.

В предлагаемом изобретении введение регулировки скорости прямого хода клапана так, чтобы время закрывания клапана было не менее времени прямого хода ударника, позволяет расширить диапазон регулирования энергии удара гидравлической ударной машины и повысить надежность ее работы за счет того, что обеспечивается учет зависимости величины энергии удара, обусловленной величиной давления рабочей жидкости и длительностью цикла работы ударника, от величины времени прямого хода клапана. Смещение пределов интервала регулирования в сторону меньших или больших граничных значений обеспечивает расширение диапазона регулирования энергии удара.

Введение в средство управления энергией удара регулятора скорости прямого хода клапана, включающего гидравлически автономную амортизационную камеру, разделенную кольцевым амортизационным поршнем, расположенным на клапане, на верхнюю и нижнюю части, связанные между собой через запорный клапан и дроссель посредством каналов, позволяет регулировать с помощью дросселя давление амортизационной жидкости в нижней части амортизационной камеры, а следовательно, и скорость перетекания амортизационной жидкости из нижней части в верхнюю, что и позволяет регулировать время прямого хода клапана.

На чертеже приведена схема гидравлической ударной машины, энергия удара которой регулируется предлагаемым способом.

Гидравлическая ударная машина содержит ударный узел с аккумулятором энергии и средство управления энергией удара. Ударный узел содержит корпус 1, в котором размещен ступенчатый ударник 2 с рабочим упругим элементом (аккумулятором энергии) в виде рабочей пружины 3. Рабочая пружина 3 в исходном состоянии прижимает ударник 2 к наковальне 4 с усилием, равным усилию ее предварительного сжатия. Между внутренними стенками корпуса 1 и ударником 2 расположена первая рабочая камера 5. Усилие предварительного сжатия рабочей пружины 3 (силой трения пренебрегаем) устанавливается регулятором усилия предварительного сжатия, выполненного в виде винта 6. В качестве варианта вместо рабочей пружины 3 может использоваться газовый аккумулятор, в этом случае усилие предварительного сжатия регулируют начальным давлением газа в аккумуляторе. Для циркуляции воздуха во время работы машины в корпусе 1 имеются отверстия 7. Средство управления энергией удара включает в себя корпус 8, внутри которого размещен гидрозахват, содержащий клапан 9, прижимаемый к седлу 10 задающей пружиной 11. Регулировочный винт 12 служит для изменения усилия предварительного сжатия задающей пружины 11. В штоке 13 выполнены аксиальный канал 14 и радиальные каналы 15. На штоке 13 выполнена кольцевая проточка 16, в которую выходят радиальные каналы 15. Клапан 9, шток 13 и корпус 8 образуют вторую рабочую камеру 17, соединенную с напорной магистралью 18, и сливную полость 19, соединенную со сливной магистралью 20. Между седлом 10 и клапаном 9 имеется полость 21. Шток 13, в неработающем состоянии постоянно опирается на резиновый амортизатор 22. Рабочая камера 5 ударного узла соединена трубопроводом 23 с рабочей камерой 17 средства управления. Длина трубопровода 23 зависит от варианта выполнения машины - с дистанционным или непосредственным регулированием величины рабочего хода. Для циркуляции воздуха во время работы машины в корпусе 8 выполнены окна 24. Во избежание значительных потерь энергии в средстве управления аккумулирующая способность задающей пружины 11 во много раз, например в 5-10 раз, меньше аккумулирующей способности рабочей пружины 3. Жесткость задающей пружины 11 во много (например, в 10 и более) раз меньше жесткости рабочей пружины 3. Средство управления энергией удара снабжено регулятором скорости прямого хода клапана, включающим гидравлически автономную амортизационную камеру 25 с амортизационной жидкостью, разделенную расположенным на клапане кольцевым амортизационным поршнем 26 на нижнюю и верхнюю части, связанные между собой посредством каналов 27 и 28 через запорный клапан 29 и дроссель 30. Запорный клапан 29 пропускает амортизационную жидкость только в одну сторону. Дроссель 30 может, например, представлять собой втулку, внутренний диаметр которой регулируется с помощью регулировочного элемента, тем самым регулируя диаметр условного прохода между нижним каналом 27 и верхним каналом 28.

Машина работает следующим образом.

Рабочая жидкость из напорной магистрали 18 поступает одновременно в рабочие камеры 17 и 5 средства управления и ударного узла. Под действием давления поступающей жидкости гидрозахват, образованный клапаном 9 и седлом 10, и ударник 2 совершают обратный ход, т.е. поднимаются вверх, сжимая задающую и рабочую пружины 11 и 3.

В процессе обратного хода кольцевая проточка 16 на штоке 13 с радиальными каналами 15 перемещается из сливной полости 19, отсекая аксиальный канал 14 от сливной магистрали 20. Обратный ход штока 13, а следовательно, и ударника 2 продолжается до момента выхода верхней кромки кольцевой проточки 16 в рабочую камеру 17, в результате чего давление рабочей жидкости в полости 21 станет равным давлению в рабочей камере 17, которое задается с помощью регулировки усилия предварительного сжатия задающей пружины 11. Сила давления рабочей жидкости, действующая на полные поперечные сечения штока 13 и клапана 9, размыкает клапан 9 с седлом 10. Седло 10 со штоком 13 устремляются вниз, давление в рабочих камерах 17 и 5 снижается, и ударник начинает прямой ход. Давление в рабочей камере 17 удерживается на некотором уровне, так как его падение в результате перемещения штока 13 вниз компенсируется в определенной степени поступлением рабочей жидкости из напорной магистрали 18 и рабочей жидкости, вытесняемой из рабочей камеры 5 рабочей пружиной 3 при прямом ходе ударника 2. В конце прямого хода штока 13 радиальные каналы 15 полностью выходят в сливную полость 19, и рабочие камеры 17 и 5 оказываются сообщенными со сливной магистралью 20. Однако давление в рабочей камере 17 становится минимальным лишь в момент нанесения удара по наковальне 4 и остановки ударника 2. После этого клапан 9 под действием усилия задающей пружины 11 опускается на седло 10 и цикл повторяется.

Регулятор скорости прямого хода клапана 9 работает следующим образом. При обратном ходе клапана 9 амортизационная жидкость из верхней части полости 25 кольцевым поршнем 26 выдавливается и перетекает в нижнюю часть камеры 25 по каналу 28 через запорный клапан 29 и частично через дроссель 30 и по каналу 27. При прямом ходе клапана 9 амортизационная жидкость из нижней части камеры 25 выдавливается амортизационным поршнем 26 и перетекает по каналу 27 только через дроссель 30 в верхнюю часть камеры 25, т.к. запорный клапан 29 закрыт. Скорость перетекания амортизационной жидкости из канала 27 в канал 28 регулируется дросселем 30. Таким образом, можно задавать время до посадки клапана 9 на седло 10, необходимое для полного слива рабочей жидкости из рабочей камеры 5 ударного узла через трубопровод 23 и сливную магистраль 20.

Выбор конкретного значения энергии удара производится перед началом работы машины (предварительный этап работы) и зависит от размера погружаемой трубы и грунтовых условий. Выбранное значение энергии удара устанавливают, например, используя две регулировочные шкалы. Первая шкала, расположенная на корпусе узла управления, соответствует линейной величине сжатия задающей пружины, с помощью которой регулируют энергию удара внутри интервала. Вторая шкала, расположенная на корпусе ударного узла, соответствует линейной величине предварительного сжатия рабочей пружины, с помощью которой регулируют положение максимального и минимального значений интервала. Шкалы разбиты на деления, обозначенные цифрами.

При вращении регулировочного винта 12 и винта 6 указатели шкал, механически связанные соответственно с регулировочным винтом 12 и винтом 6, перемещаются вдоль первой или второй шкалы.

Чтобы установить заданное значение энергии удара пользуются одним из известных способов (табличный, номограммы и т.п.) установления соответствия между энергией удара и величиной предварительного сжатия пружин. Рассмотрим, как устанавливается линейное сжатие пружин по заданному значению энергии удара, например, с помощью нижеприведенной таблицы.

В таблице в первой строке приведены порядковые номера делений первой шкалы, а в первом столбце - порядковые номера делений второй шкалы (номера интервалов). Энергия удара выражена в Джоулях и рассчитана по формулам (1) или (2).

Допустим, необходимо установить энергию удара 350 Дж. Ей соответствует третье деление на первой шкале и первое деление на второй шкале. Если в таблице отсутствует нужная энергия удара, то используют метод интерполяции по первой шкале.

На предварительном этапе работы машины также устанавливается, например методом подбора, необходимая скорость прямого хода клапана 9. Для этого первоначально регулирующий элемент дросселя 30 устанавливают в крайнее положение, при котором площадь сечения условного прохода между каналами 27 и 28 максимальна, после чего приводят машину в рабочее состояние. Если во время работы машины не происходит удара из-за преждевременной посадки клапана 9 на седло 10 и рабочая жидкость из рабочей камеры 5 не успевает удалиться, то регулирующий элемент дросселя 30 поворачивают на один оборот в сторону уменьшения площади сечения условного прохода между каналами 27 и 28. Приводят машину рабочее состояние и проверяют, происходит ли удар. Процесс повторяют до тех пор, пока не будет достигнута бесперебойная работа машины. После чего предварительный этап выбора необходимой скорости прямого хода клапана 9 заканчивается. Скорость движения клапана 9 должна быть такой, чтобы временной промежуток, в течение которого осуществляется посадка клапана 9 на седло 10, был достаточным для полного слива рабочей жидкости из полости 5 ударного устройства в сливную магистраль 20. Исходя из этого условия устанавливается величина площади сечения условного прохода между каналами 28 и 27 дросселем 30.

Таким образом, в предлагаемом изобретении обеспечивается регулировка скорости прямого хода клапана так, чтобы время закрывания клапана было не менее времени прямого хода ударника, что позволяет расширить диапазон регулирования энергии удара гидравлической ударной машины и повысить надежность ее работы.

Использование: в гидравлических ударных машинах, применяемых, например, для забивки металлических труб. Решаемая задача: расширение области применения способа регулирования энергии удара гидравлической ударной машины и повышение надежности ее работы. Сущность изобретения: в способе регулирования энергии удара гидравлической ударной машины, включающем изменение величины обратного хода ударника, взаимодействующего с рабочим упругим элементом и рабочей жидкостью, и плавное изменение значения давления рабочей жидкости, при котором происходит переключение хода ударника с обратного на прямой, путем изменения усилия предварительного сжатия взаимодействующего с клапаном задающего упругого элемента, предлагается дополнительно регулировать скорость прямого хода клапана так, чтобы время закрывания клапана было не менее времени прямого хода ударника. В регулируемой гидравлической ударной машине, содержащей ударный узел и средство управления энергией удара, причем ударный узел включает корпус, в котором расположена первая рабочая камера, ударник и рабочий упругий элемент, а средство управления энергией удара выполнено в виде корпуса с расположенными в нем второй рабочей камерой и клапаном, взаимодействующим с задающим упругим элементом, при этом первая и вторая рабочие камеры гидравлически связаны, предлагается средство управления энергией удара дополнительно снабдить регулятором скорости прямого хода клапана, включающим гидравлически автономную амортизационную камеру с амортизационной жидкостью, разделенную на верхнюю и нижнюю части кольцевым амортизационным поршнем, расположенным на клапане, при этом верхняя и нижняя части амортизационной камеры связаны между собой посредством каналов через запорный клапан и дроссель. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Способ регулирования энергии удара гидравлической ударной машины, включающий изменение в заданном интервале регулирования величины обратного хода ударника, взаимодействующего с рабочим упругим элементом и рабочей жидкостью, и плавное изменение значения давления рабочей жидкости, при котором происходит переключение хода ударника с обратного на прямой, путем изменения усилия предварительного сжатия взаимодействующего с клапаном задающего упругого элемента, жесткость которого намного меньше жесткости рабочего упругого элемента, отличающийся тем, что дополнительно регулируют скорость прямого хода клапана так, чтобы время закрывания клапана было не менее времени прямого хода ударника.2. Способ регулирования энергии удара гидравлической ударной машины по п.1, отличающийся тем, что пределы интервала регулирования величины обратного хода ударника смещают в сторону меньших или больших значений путем соответственного увеличения или уменьшения прилагаемого к ударнику усилия предварительного сжатия рабочего упругого элемента.3. Регулируемая гидравлическая ударная машина, содержащая ударный узел и средство управления энергией удара, причем ударный узел включает корпус, в котором расположена первая рабочая камера, ударник и рабочий упругий элемент, а средство управления энергией удара выполнено в виде корпуса с расположенными в нем второй рабочей камерой и клапаном, взаимодействующим со штоком и задающим упругим элементом с устройством для изменения усилия его предварительного сжатия, при этом первая и вторая рабочие камеры гидравлически связаны, отличающаяся тем, что средство управления энергией удара дополнительно снабжено регулятором скорости прямого хода клапана, включающим гидравлически автономную амортизационную камеру с амортизационной жидкостью, разделенную на верхнюю и нижнюю части кольцевым амортизационным поршнем, расположенным на клапане, при этом верхняя и нижняя части амортизационной камеры связаны между собой посредством каналов через запорный клапан и дроссель.