ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ УДАРНАЯ МАШИНА Российский патент 2007 года по МПК E21C37/00 E02D7/10 

Техническое решение относится к гидравлическим устройствам ударного действия и может найти применение в горном деле и строительстве при ударном погружении в грунт стержневых элементов, при дроблении негабаритов, при разрушении старых конструкций зданий, фундаментов, бетонных конструкций.

Известно устройство, реализованное в конструкции гидромолота финской фирмы Rammer (А.П.Архипенко, А.И.Федулов. Гидравлические ударные машины. Новосибирск, ИГД СО АН СССР, 1991, стр.12), содержащее корпус, ударник, камеру прямого хода и камеру обратного хода, образованные между корпусом и ударником, канал управления в корпусе, соединенный с камерой обратного хода в конце обратного хода ударника, гидрораспределительное устройство, с помощью которого камера прямого хода соединена с источником расхода жидкости, аккумулятором и камерой обратного хода в конце обратного хода ударника, а после задержки ударника перед началом обратного хода и достижения в системе заранее установленной величины Р₃ давления соединена со сливом в бак.

Недостатком этого устройства является разобщенность работы клапана давления и гидрораспределителя, которые входят в состав гидрораспределительного устройства. Это приводит к тому, что в конце прямого хода ударника, когда гидрораспределителем соединяют камеру прямого хода со сливным каналом, перекрытым клапаном давления, камера прямого хода оказывается замкнутой, и еще двигающийся ударник создает в ней разряжение, что приводит к возникновению кавитации. После удара по инструменту ударник под действием возрастающего давления жидкости в камере обратного хода совершает колебания на кавитирующей жидкости в камере прямого хода, вызывая в этой камере и связанных с ней аппаратуре и трубопроводах гидравлические удары и сбои в системе управления. При этом часть энергии гидравлической ударной машины (ГУМ) теряется, что приводит к снижению ее мощности и коэффициента полезного действия. Необходимость переключения гидрораспределителя в конце прямого хода и соединения камеры прямого хода со сливным каналом приводит к тому, что ударник разгоняется только на части прямого хода, на оставшейся же части прямого хода ударник не разгоняется, а тормозится усилием от давления жидкости в камере обратного хода. Это приводит к уменьшению энергии удара ГУМ.

Наиболее близкой по технической сущности и совокупности существенных признаков является ГУМ по второму варианту по патенту РФ №2230189, кл. Е21С 37/00, Е02D 7/10, опубл. в БИ №16, 2004 г., содержащая корпус, ударник, камеру прямого хода и камеру обратного хода, образованные между корпусом и ударником, канал управления в корпусе, гидрораспределительное устройство, с помощью которого камера прямого хода соединена с источником расхода жидкости, аккумулятором и камерой обратного хода в конце обратного хода ударника, а после задержки ударника перед началом обратного хода и достижения в системе заранее установленной величины P₃ давления - со сливом в бак. Гидрораспределительное устройство представляет собой гидрораспределитель, а между ударником и корпусом образована дополнительная камера, соединенная постоянно через канал управления в корпусе с первой камерой управления гидрораспределителя, вторая камера управления которого поджата пружиной с усилием, равным усилию в первой камере управления, при давлении рабочей жидкости в системе, равном величине Р₃. Дополнительная камера в конце обратного хода ударника соединена со сливом в бак, а в конце прямого хода ударника при давлении рабочей жидкости в системе, меньшем величины Р₃, - с источником расхода жидкости, аккумулятором и камерой обратного хода.

Недостатком известной ГУМ является то, что гидрораспределитель переключается на обратный ход, преодолевая усилие пружины, медленнее, чем на прямом ходе. Скорость переключения его напрямую зависит от производительности насосной станции. Переключение на прямой ход происходит тем быстрее, чем больше усилие пружины. Кроме того, в крайнем верхнем положении, после обратного хода, в камере прямого хода возникают резкие колебания давления жидкости, так как при подключении камеры прямого хода к аккумулятору и источнику расхода жидкости ударник по инерции продолжает некоторое движение вверх, что может привести к гидроудару в камере прямого хода, сбоям в системе и потере части энергии ГУМ. Вторым существенным недостатком являются неизбежные потери энергии на обратном ходе ударника. Действительно, при поступлении на гидрораспределитель сигнала управления он не может мгновенно соединиться с источником расхода жидкости и аккумулятором. Вначале частично перекроется сечение канала на слив, что вызовет снижение скорости обратного хода ударника, затем слив закроется полностью, что вызовет замыкание камеры прямого хода, гидроудар в ней и резкое торможение ударника. Затем камера прямого хода окажется соединенной с источником расхода жидкости и аккумулятором, причем не сразу на полное сечение, что опять-таки вызовет потери энергии на дросселирование потока жидкости. Только при полном подсоединении напорной магистрали к камере прямого хода начнется полноценный прямой ход.

Таким образом, для минимизации коммутационных потерь энергии гидрораспределитель должен переключаться на прямой ход максимально быстро, что с помощью одной обычной пружины достигнуть непросто.

Технической задачей предлагаемого устройства является повышение производительности за счет увеличения частоты и энергии ударов и надежности ГУМ за счет минимизации потерь энергии на переключение гидрораспределителя на прямой и обратный ход ГУМ.

Задача решается тем, что в гидравлической ударной машине, содержащей корпус, ударник, камеру прямого хода, камеру обратного хода и дополнительную камеру, образованные между корпусом и ударником, канал управления в корпусе, гидрораспределитель, с помощью которого камера прямого хода соединена с источником расхода жидкости, аккумулятором и камерой обратного хода в конце обратного хода ударника, а после задержки ударника перед началом обратного хода и достижения в системе заранее установленной величины Р₃ давления - со сливом в бак, вторая камера управления гидрораспределителя поджата пружиной с усилием, рассчитанным в соответствии с величиной Р₃ давления в системе, при этом дополнительная камера в конце обратного хода ударника соединена со сливом в бак, а в конце прямого хода ударника - с источником расхода жидкости, аккумулятором и камерой обратного хода, согласно техническому решению гидрораспределитель выполнен в виде золотника и жестко соединенного с ним через шток поршня управляющего гидроцилиндра двойного действия. Камерами управления гидрораспределителя являются камеры упомянутого гидроцилиндра, первая камера которого, с меньшей рабочей площадью, постоянно соединена с камерой прямого хода и через дроссель и золотник - с источником расхода жидкости, аккумулятором и камерой обратного хода, а вторая, с большей рабочей площадью, через канал управления в корпусе - с дополнительной камерой и поджата указанной пружиной через золотник. Ударником перекрыт канал, соединяющий камеру прямого хода со сливом в бак, при соединении дополнительной камеры со сливом в бак в конце обратного хода ударника.

Такое исполнение ГУМ, в отличие от прототипа, в исходном состоянии, когда ударник прижат к инструменту, а источник расхода жидкости соединен с аккумулятором, камерами прямого и обратного хода, с дополнительной камерой, образованной ударником и корпусом ГУМ, и давление в системе растет, за счет разницы рабочих площадей первой и второй камер управляющего гидроцилиндра происходит смещение золотника влево по чертежу. Как только гидрораспределитель начинает приоткрываться на слив, давление в камере прямого хода и в первой камере управляющего гидроцилиндра резко падает, что приводит к очень быстрой переброске золотника в крайнее левое по чертежу положение и переключению гидрораспределителя на слив. Таким образом, положительная обратная связь (ПОС) по давлению способствует более быстрому переключению гидрораспределителя в положение, соответствующее обратному ходу ударника ГУМ. Для быстрого и надежного переключения гидрораспределителя на прямой ход используется резкое увеличение давления в камере прямого хода при перекрытии ударником канала гидрораспределителя на слив при подходе его к крайнему верхнему положению. Повышение давления в верхней части камеры прямого хода приводит в предлагаемой машине к повышению давления во второй камере управляющего гидроцилиндра в то время, когда первая его камера в верхнем положении ударника соединена со сливом. Переключение гидрораспределителя на прямой ход существенно ускоряется и становится более надежным за счет суммирования усилия пружины и действия нарастающего давления в камере прямого хода.

Таким образом, введение ПОС по давлению позволит существенно ускорить процесс переключения ГУМ на обратный и прямой ход и, как следствие, увеличить частоту ударов ударника ГУМ. Кроме того, использование ПОС позволит минимизировать потери энергии на переключение гидрораспределителя на прямой и обратный ход ГУМ.

Целесообразно снабдить ГУМ дополнительным аккумулятором, который постоянно соединен с камерой прямого хода, что позволит рекуперировать часть энергии обратного хода ударника и добавить ее к энергии последующего прямого хода, а также избежать резких скачков энергии в системе.

Совокупность указанных существенных признаков позволит:

- повысить производительность за счет увеличения частоты в результате действия ПОС и энергии ударов в результате действия дополнительного аккумулятора;

- повысить надежность в результате действия ПОС и дополнительного аккумулятора.

Сущность технического решения поясняется примером конкретного исполнения и чертежом.

ГУМ содержит корпус 1, ударник 2 с кромками 3 и 4, камеру 5 прямого хода, камеру 6 обратного хода и дополнительную камеру 7, образованные между корпусом 1 и ударником 2, гидрораспределитель 8 с первой камерой 9 и второй камерой 10 управления, который соединяет камеру 5 прямого хода попеременно через канал 11 в одном положении с источником 12 расхода жидкости, аккумулятором 13 и камерой 6 обратного хода, а в другом положении - со сливом в бак 14. Вторая камера 10 управления гидрораспределителя 8 поджата пружиной 15 с усилием, рассчитанным в соответствии с величиной Р₃ давления в системе. Ударник 2 при движении вверх по чертежу совершает обратный ход, при движении вниз - прямой ход, в конце которого наносит удар по инструменту 16. Дополнительная камера 7 через канал 17 имеет постоянную связь со второй камерой 10 управления гидрораспределителя 8. При этом она в конце обратного хода ударника 2 соединена со сливом в бак 14, а в конце прямого хода - с источником 12 расхода жидкости, аккумулятором 13 и камерой 6 обратного хода. Гидрораспределитель 8 выполнен в виде золотника 18 и жестко соединенного с ним через шток 19 поршня управляющего гидроцилиндра 20 двойного действия (далее гидроцилиндр 20), причем камерами 9, 10 управления гидрораспределителя 8 являются камеры упомянутого гидроцилиндра 20. Первая камера 9, с меньшей рабочей площадью, через канал 21 в корпусе 1 постоянно соединена с камерой 5 прямого хода и через дроссель 22 и золотник 18 - с источником 12 расхода жидкости, аккумулятором 13 и камерой 6 обратного хода, а вторая камера 10, с большей рабочей площадью, через канал 17 в корпусе 1 - с дополнительной камерой 7 и поджата пружиной 15 через золотник 18. Геометрия ударника 2 выбрана таким образом, что при соединении дополнительной камеры 7 со сливом в бак 14 в конце обратного хода ударник 2 перекрывает канал 11, соединяющий камеру 5 прямого хода через золотник 18 со сливом в бак 14. Камера 5 прямого хода может быть постоянно соединена с дополнительным аккумулятором 23.

ГУМ работает следующим образом. После включения источника 12 расхода жидкости, пока давление в системе ниже заранее установленной величины Р₃ давления в системе, гидрораспределителем 8 соединяют камеру 5 прямого хода с источником 12 расхода жидкости, аккумулятором 13 и камерой 6 обратного хода. Так как площадь ударника 2 со стороны камеры 5 прямого хода больше его площади со стороны камеры 6 обратного хода, то ударник 2 будет прижат усилием от давления жидкости к инструменту 16. Давление жидкости в системе увеличивается. Как только гидрораспределителем 8 через золотник 18 начнется соединение камеры 5 прямого хода со сливом в бак 14, при достижении в системе давлением заранее установленной величины Р₃, в первой камере 9 гидроцилиндра 20 резко упадет давление, и гидрораспределитель 8, сжимая пружину 15, переключит камеру 5 прямого хода на слив в бак 14 значительно быстрее и надежнее, чем в прототипе. Начинается обратный ход ударника 2. При этом камера 5 прямого хода и первая камера 9 гидроцилиндра 20 соединены со сливом в бак 14. При достижении кромкой 4 ударника 2 канала 11 последний перекрывается. Камера 5 прямого хода отсекается от слива в бак 14. Одновременно кромка 3 ударника 2 соединяет дополнительную камеру 7 со сливом в бак 14. Давление в дополнительной камере 7 и, соответственно, во второй камере 10 гидроцилиндра 20 падает. Ударник 2, перекрыв канал 11, по инерции движется вверх и резко повышает давление в верхней части камеры 5 прямого хода, при этом аккумулятор 23 рекуперирует часть энергии обратного хода ударника 2. В первой камере 9 гидрораспределителя 8 повышается давление и, помогая пружине 15, гидроцилиндр 20 через шток 19 поршня резко переключает золотник 18 на прямой ход ударника 2. Часть рекуперированной энергии обратного хода ударника 2 в аккумуляторе 23, а также давление жидкости от источника 12 расхода жидкости, поступающей через золотник 18 и дроссель 22 в верхнюю часть камеры 5 прямого хода, позволяют быстро сместить ударник 2 вниз по чертежу до открытия кромкой 4 канала 11. Камера 5 прямого хода через золотник 18 соединяется с источником 12 расхода жидкости, камерой 6 обратного хода и аккумулятором 13. Начинается прямой ход ударника 2. Рекуперированная часть энергии обратного хода ударника 2 позволяет увеличить его разгон. Ударник 2 продолжает разгоняться и в конце прямого хода наносит удар по инструменту 16. После некоторого отскока ударник 2 прижимается к инструменту 16, после чего происходит его задержка на инструменте 16, пока давление жидкости в системе не достигает величины P₃. В результате гидрораспределитель 8 переключается и начинается новый цикл.

Изобретение относится к гидравлическим устройствам ударного действия. Применяется в горном деле и строительстве при ударном погружении в грунт стержневых элементов, при дроблении негабаритов и т.п. Техническая задача - повышение производительности за счет увеличения частоты и энергии ударов и надежности за счет минимизации потерь энергии на переключение гидрораспределителя на прямой и обратный ход машины. Машина содержит корпус, ударник, образованные между ними камеры прямого, обратного хода и дополнительную, канал управления в корпусе, гидрораспределитель, с помощью которого камера прямого хода соединена с источником расхода жидкости, аккумулятором и камерой обратного хода в конце обратного хода ударника, а после задержки его перед началом обратного хода и достижения в системе заранее установленной величины Р₃ давления - со сливом в бак, вторая камера управления гидрораспределителя поджата пружиной с усилием, рассчитанным в соответствии с величиной Р₃, при этом дополнительная камера в конце обратного хода ударника соединена со сливом в бак, а в конце прямого хода - с источником расхода жидкости, аккумулятором, камерой обратного хода. Гидрораспределитель выполнен в виде золотника и жестко соединенного с ним через шток поршня гидроцилиндра двойного действия. Камерами управления гидрораспределителя являются камеры упомянутого гидроцилиндра, первая камера которого, с меньшей рабочей площадью, постоянно соединена с камерой прямого хода и через дроссель и золотник - с источником расхода жидкости, аккумулятором и камерой обратного хода, а вторая, с большей рабочей площадью, через канал управления в корпусе - с дополнительной камерой и поджата указанной пружиной через золотник. Ударником перекрыт канал, соединяющий камеру прямого хода со сливом в бак, при соединении дополнительной камеры со сливом в бак в конце обратного хода. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Гидравлическая ударная машина, содержащая корпус, ударник, камеру прямого хода, камеру обратного хода и дополнительную камеру, образованные между корпусом и ударником, канал управления в корпусе, гидрораспределитель, с помощью которого камера прямого хода соединена с источником расхода жидкости, аккумулятором и камерой обратного хода в конце обратного хода ударника, а после задержки ударника перед началом обратного хода и достижения в системе заранее установленной величины Р₃ давления - со сливом в бак, вторая камера управления гидрораспределителя поджата пружиной с усилием, рассчитанным в соответствии с величиной Р₃ давления в системе, при этом дополнительная камера в конце обратного хода ударника соединена со сливом в бак, а в конце прямого хода ударника - с источником расхода жидкости, аккумулятором и камерой обратного хода, отличающаяся тем, что гидрораспределитель выполнен в виде золотника и жестко соединенного с ним через шток поршня управляющего гидроцилиндра двойного действия, причем камерами управления гидрораспределителя являются камеры упомянутого гидроцилиндра, первая камера которого с меньшей рабочей площадью постоянно соединена с камерой прямого хода и через дроссель и золотник - с источником расхода жидкости, аккумулятором и камерой обратного хода, а вторая с большей рабочей площадью через канал управления в корпусе - с дополнительной камерой и поджата указанной пружиной через золотник, при этом ударником перекрыт канал, соединяющий камеру прямого хода со сливом в бак, при соединении дополнительной камеры со сливом в бак в конце обратного хода ударника.2. Гидравлическая ударная машина по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена дополнительным аккумулятором, который постоянно соединен с камерой прямого хода.