УСТРОЙСТВО УДАРНОГО ДЕЙСТВИЯ Российский патент 2008 года по МПК E21C37/00 E02F5/30 

Изобретение относится к горной промышленности, строительству и металлургии, а именно к устройствам ударного действия для разрушения горных пород, бетона, рыхления мерзлого и уплотнения насыпного грунта, и может быть использовано, например, в горной, металлургической промышленности и в строительстве.

Известны различные устройства аналогичного предназначения, например устройство по а.с. SU 1476066 А1, включающее корпус с рабочей и сливной камерами, боек с поршнем и штоком, на котором установлен с возможностью осевого перемещения коаксиальный ступенчатый клапан. Недостатком указанного устройства является несовершенство конструкции ступенчатого клапана с системой дроссельных отверстий, вызывающих значительные гидравлические потери, что снижает КПД устройства.

Известно также устройство патент RU 2083764, содержащее корпус с каналами напора, слива, взвода, разгрузки и управления, боек с поршнем, верхним и нижним штоками и проточкой на верхнем штоке, дифференциальный коаксиальный клапан с большей и меньшей ступенями, образующими камеры взвода, рабочего хода, слива и управления.

Недостатком данного устройства, во-первых, является то, что для управления работой устройства на бойке выполнена проточка, которая снижает прочность такой тяжело нагруженной детали, как боек, и, во-вторых, боек в данном случае выполняет не свойственную для него функцию золотника, поэтому даже небольшой износ поверхностей бойка и направляющей приводит к сбоям в работе устройства. В то же время такой износ нисколько не сказывается на работе собственно самого бойка.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство по патенту RU 2011817 (Е21С 3/20), которое выбрано в качестве прототипа. Известное устройство ударного действия содержит корпус, в расточке которого установлены коаксиально ступенчатый клапан и ударник с поршнем, образующие аккумулирующую, переливную полости, сообщенную со сливной магистралью сливную полость, напорную и взводящую полости, сообщенные с напорной магистралью. В корпусе выполнена кольцевая расточка, диаметр которой равен наружному диаметру хвостовика ступенчатого клапана для периодического размещения последнего в указанной расточке; при этом в стенке хвостовика ступенчатого клапана выполнено дроссельное отверстие для постоянного сообщения между собой переливной и сливной полостей, а диаметр стержня ударника со стороны взводящей полости превышает диаметр стержня ударника со стороны аккумулирующей полости и указанные диаметры находятся в отношении

где D₁ - диаметр передней части ударника, м;

D₂ - диаметр задней части ударника, м;

Q_нас - производительность насоса, м³/с;

Е - энергия удара, Дж;

m - масса ударника, кг.

К недостаткам известного устройства относится низкий объемный КПД, особенно при высокой рабочей частоте.

Объясняется это тем, что во время рабочего хода посредством клапана со сливной магистралью сообщается не только взводящая полость, но и источник рабочей жидкости. В результате более 30% жидкости поступает в сливной бак, не выполняя полезной работы.

Другой недостаток устройства состоит в дополнительных непроизводительных затратах энергии вследствие повышенного гидравлического сопротивления клапана, необходимого лишь в момент переключения клапана по окончанию рабочего хода. В период же холостого хода ударника, наиболее продолжительного по времени, это сопротивление вызывает лишь дополнительные затраты энергии.

Кроме того, на работу устройства влияет изменение подачи источника давления, точность выполнения дроссельных отверстий.

Таким образом, недостатками известного устройства являются низкий КПД и недостаточная надежность.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в повышении КПД и повышении надежности работы устройства.

Сущность заявляемого изобретения состоит в том, что в отличие от известного устройства ударного действия, содержащего корпус с расположенной внутри него коаксиальной цилиндрической гильзой, нижним концом жестко закрепленной на нижней торцевой стенке корпуса, в осевой расточке которого подвижно вдоль его оси установлены совместно с корпусом образующие взводящую, переливную, сливную и газовую полости, ударник с поршневым выступом в средней части, постоянно сопряженным с внутренней боковой поверхностью гильзы, и охватывающий ударник и гильзу, коаксиально кольцевой ступенчатый клапан, ступени которого по диаметру уменьшаются снизу вверх от рабочего конца ударника к его хвостовику, согласно изобретению упомянутый клапан имеет четыре ступени на наружной и три ступени на внутренней боковых поверхностях, при этом клапан по боковой поверхности наименьшей верхней ступени постоянно сопряжен с корпусом и снабжен кольцевой канавкой, расположенной между двумя верхними наружными ступенями и совместно с корпусом образующей кольцевой канал, сообщающий взводящую полость с напорной линией в крайнем нижнем положении клапана, в котором последний нижним торцом наименьшей по размеру ступени внутренней поверхности контактирует со свободным торцом гильзы, сопряжен с нею по боковой поверхности средней по размеру внутренней ступени, при этом наибольшая по размеру внутренняя ступень клапана совместно с гильзой образует заданного размера кольцевую щель, которая взводящую полость устройства сообщает с изолированной полостью, образованной между гильзой и клапаном и соединенной с упомянутым кольцевым каналом радиальными отверстиями в боковой стенке наибольшей ступени клапана.

Кроме того, в своем крайнем верхнем положении клапан верхним торцом наименьшей верхней ступени контактирует с корпусом, а его вторая верхняя и наибольшая нижняя ступени наружной поверхности сопряжены с корпусом, закрывая таким образом кольцевой канал и тем самым изолируя взводящую полость от напорной линии. При этом между поверхностями гильзы и клапана образуется сливной кольцевой канал, соединяющий взводящую полость с переливной и сливной полостями устройства.

Вместе с тем на торце гильзы, контактирующем с клапаном, выполнен узкий уплотнительный поясок, притертый к поверхности клапана.

Кроме того, в газовой полости устройства установлен поршневой гидроаккумулятор, газовая полость которого сообщена с газовой полостью устройства, а жидкостная - с напорной линией.

Кроме того, устройство снабжено вторым гидроаккумулятором, поршневая полость которого сообщена каналом с возводящей полостью, а его штоковая полость - с напорной линией, при этом

где Fп - площадь поршневой полости;

Fш - площадь штоковой полости.

Технический результат, который может быть получен в результате использования изобретения, заключается в повышении КПД и надежности устройства.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена принципиальная схема устройства. На фиг.2 - положение клапана во время холостого хода. На фиг.3 - положение клапана во время рабочего хода.

Устройство ударного действия содержит корпус 1, в направляющих 2 и 3 которого подвижно установлен ударник 4 с поршнем 5 (в виде выступа) в средней части. Поршень 5 своей цилиндрической поверхностью контактирует с внутренней поверхностью цилиндрической гильзы 6, расположенной коаксиально внутри корпуса 1. Внутренняя полость гильзы 6 посредством поршня 5 в виде выступа разделена на нижнюю (по чертежу), взводящую 7, и верхнюю, переливную 8, полости.

Взводящая полость 7 посредством радиальных отверстий 9 в стенке гильзы 6 сообщается с промежуточной полостью 10, образованной внутренней поверхностью корпуса 1 и наружной поверхностью гильзы 6.

В верхней части корпуса 1 расположена газовая полость 11, заполненная сжатым газом.

В цилиндрической расточке корпуса 1 между гильзой 6 и газовой полостью 11 с возможностью продольного перемещения установлен кольцевой ступенчатый клапан 12.

Клапан 12 снаружи имеет две ступени 13 и 14, между которыми выполнена кольцевая канавка 15. Диаметр ступени 14 несколько больше диаметра ступени 13. Нижний конец клапана 12 оснащен кольцевым выступом 16 с проточкой 17 и пазами 18. На внутренней поверхности клапана снизу имеются две ступени 19 и 20 для сопряжения со ступенями 21 и 22 гильзы 6 (фиг.3). Диаметры ступеней 19, 21 клапана 12 гильзы 6, по существу, равны, а диаметр ступени 20 клапана несколько больше диаметра ступени 22 гильзы 6. При этом на верхнем торце ступени 21 гильзы расположен уплотнительный поясок 23, диаметр которого на 1-2 мм больше диаметра направляющей ступени 14 клапана 12. В боковой стенке клапана выполнены радиальные отверстия 24, сообщающие проточку 17 с внутренней расточкой клапана.

Между внутренней поверхностью клапана 12 и поверхностью ударника 4 имеется кольцевая щель 25, посредством которой переливная полость 8 сообщается с расточкой 26 корпуса 1, которая сливной линией 27 сообщена со сливным баком 28. Кроме того, в корпусе 1 напротив кольцевой канавки 15 клапана 12 имеется расточка 29, которая каналами 30 и 31 сообщена с источником давления 32 и гидравлической полостью аккумулятора 33, имеющего ступенчатый поршень 34. Поршневая полость 35 гидроаккумулятора сообщена с газовой полостью 11 устройства. При этом отношение площадей жидкостной полости к газовой гидроаккумулятора в 2-3 раза меньше отношения площади поршня 5 ударника 2 к площади сечения его верхнего конца, входящего в газовую полость 11.

Помимо этого, промежуточная полость 10 каналом 36 сообщена с поршневой полостью 35 гидроаккумулятора 37, при этом его штоковая полость 38 каналом 39 сообщена с источником давления 32. Площадь поршневой полости 35 аккумулятора 37 в 10-12 раз больше площади его штоковой полости 38.

Устройство ударного действия работает следующим образом.

Перед началом работы газовая полость 11 заполняется сжатым газом под давлением, соответствующим заданной энергии удара. В исходном состоянии ударник 4 находится в крайнем нижнем (по чертежу) положении, опираясь нижним концом в инструмент (на чертеже не показан) или поршнем 5 в нижнюю торцевую стенку взводящей 7 полости. Клапан 12 также находится в нижнем положении, как показано на фиг.2.

При включении устройства в работу рабочая жидкость от источника давления по каналу 30, расточке 29, по щели между внутренней поверхностью корпуса 1 и кольцевой канавкой 15, пазам 18, через кольцевую проточку 17 и щель между внутренней поверхностью корпуса 1 и кольцевым выступом 16 поступает в промежуточную 10, а через радиальные отверстия 9 и во взводящую 7 полость.

Из взводящей полости по каналу 36 жидкость поступает в поршневую полость 35 гидроаккумулятора 37. В первую очередь происходит заполнение поршневой полости 35, и поршень аккумулятора 37 перемещается в крайнее верхнее положение.

При повышении давления во взводящей полости 7 ударник 4 начинает перемещаться вверх (по чертежу), преодолевая силу сопротивления, равную произведению давления газа в полости 11 на площадь сечения конца ударника, входящего в газовую полость 11.

В первый момент ударник 4 движется равноускоренно. Его скорость возрастает от «0» до некоторой величины.

Когда скорость ударника меньше величины ,

где Q_нас - подача от источника давления 32,

F_п - рабочая площадь 5 ударника,

часть жидкости от источника давления, помимо взводящей полости 7, через канал 31 будет поступать в штоковую полость 33 гидроаккумулятора, подзаряжая его.

При достижении ударником скорости происходит разрядка аккумулятора. Жидкость во взводящую полость 7 будет поступать как от источника давления 32, так и из гидроаккумулятора.

После разрядки аккумулятора скорость движения ударника будет постоянной и равной .

На клапан 12 в этот момент действует сила, направленная вниз (в сторону инструмента) и равная

Р_кл=Р_ж-(D₅ ²-D₃ ²),

где Р_ж - давление жидкости в напорной магистрали;

D₅ - диаметр ступени 19;

D₃ - диаметр ступени 13.

С этой силой клапан 12 прижимается к уплотнительному пояску 23, обеспечивая изоляцию взводящей 7 полости от переливной 8 и от сливной линии 27.

В конце своего движения вверх поршень 5 ударника 4, соприкоснувшись с торцом клапана 12, увлекает его вверх. При этом происходит перекрытие щелей А и Б и одновременно образуется щель Д (фиг.3). В результате, промежуточная 10 и сообщенная с ней взводящая 7 полости разобщаются от напорной магистрали, а через щель Д и В присоединяются к переливной полости 8 и сливной линии 27.

В указанных полостях устанавливается давление слива, близкое к нулю. В этот момент на ударник 4 действует только давление газа со стороны полости 11. Под действием силы давления газа ударник 4 затормаживается, пройдя путь 2-3 мм, а затем начинает ускоренно двигаться вниз в сторону инструмента, совершая рабочий ход.

При рабочем ходе ударника рабочая жидкость из взводящей полости 7 через радиальные отверстия 9 поступает в промежуточную 10, далее через щели В и Д - в переливную полость 8. Клапан 12 после перекрытия щелей А и Б совместно с ударником 4 переместится в сторону газовой полости на 2-3 мм.

После открытия щели Д на клапан 12 будут действовать две противоположно направленные силы: одна - со стороны газовой полости - равная произведению давления рабочей жидкости в напорной линии на разность площадей ступеней 14 и 13 клапана 12, а другая - со стороны инструмента - равная произведению перепада давления жидкости на щели В на площадь торца клапана 12.

Перепад давления на щели В пропорционален квадрату скорости жидкости в щели, которая в свою очередь определяется расходом жидкости через щель. Расход жидкости через щель определяется как произведение скорости ударника 4 на площадь поршня 5.

В первый момент рабочего хода ударника 4 его скорость мала, поэтому и перепад давления мал и недостаточен для удержания клапана 12 в заднем положении. Введение гидроаккумулятора 37 позволяет устранить этот недостаток, ибо сразу после открытия клапана 12, т.е. после образования щели Д, происходит разрядка гидроаккумулятора 37 и перед щелью В поддерживается необходимый перепад давления жидкости для удержания или даже перемещения клапана 12 вверх - в сторону газовой полости 11.

При увеличении скорости ударника 4 пропорционально увеличивается и расход жидкости через щель В, а следовательно, и перепад давления перед щелью, под действием которого клапан 12 перемещается вверх, образуя щель Г. Так как сила, действующая на клапан со стороны газовой полости, равная произведению давления жидкости в напорной линии на разность площадей ступеней 14 и 13, остается практически постоянной, то и перепад давления жидкости перед клапаном со стороны инструмента будет поддерживаться постоянным за счет автоматического регулирования ширины щели Г. Чем больше скорость ударника 4, тем больше ширина щели.

Во время рабочего хода ударника 4 вся рабочая жидкость от источника давления 32 поступает по каналам 30 и 31 в полость 33 гидроаккумулятора. При этом поршень 34 гидроаккумулятора перемещается внутрь газовой полости 11, уменьшая ее объем. Это уменьшение объема в некоторой степени компенсирует увеличение объема полости 11 за счет выхода конца ударника 4 из газовой полости во время рабочего хода.

В результате объем газовой полости меняется значительно меньше, чем в случае, когда газовая полость гидроаккумулятора была бы изолирована от газовой полости 11. Давление газа и давление жидкости в этом случае в течение всего цикла будет изменяться в значительно меньших пределах, что благоприятно сказывается на работе привода и надежности устройства.

В конце рабочего хода либо ударник 4 наносит удар по инструменту, либо поршень 5 входит в тормозную камеру. В результате происходит торможение ударника и его остановка.

При остановке ударника 4 прекращается поток жидкости через щель Г, поэтому исчезает перепад давления на щели. Таким образом, на клапан 12 будет действовать только одна сила, направленная вниз - в сторону инструмента, под действием которой клапан перемещается вниз до упора в уплотнительный поясок 23. При этом перекрываются щели Д и Г (фиг.2) и открываются щели А и Б. Таким образом, происходит переключение клапана 12, при котором промежуточная 10 и взводящая 7 полости снова сообщаются с напорной магистралью, в которой включены источник давления 32 и гидроаккумулятор.

Начинается холостой ход. При этом во взводящую полость 7 будет поступать рабочая жидкость не только от источника давления, но и запасенная в гидроаккумуляторе во время рабочего хода.

Давление жидкости во взводящей полости будет определяться гидроаккумулятором. До момента разрядки гидроаккумулятора ударник 4 будет двигаться ускоренно, а достигнув максимальной скорости взвода, его скорость будет постоянной и равной ,

т.е. будет определяться подачей от источника давления.

Далее цикл работы устройства повторяется.

Таким образом, благодаря настоящему изобретению, частота ударов увеличивается до максимальной, КПД возрастает не менее чем до 80%, а благодаря введению небольшого гидроаккумулятора во взводящей полости существенно увеличивается надежность переключения золотника и, в целом, повышается надежность устройства.

Изобретение относится к горной промышленности, строительству и металлургии, а именно к устройствам ударного действия для разрушения горных пород, бетона, рыхления мерзлого и уплотнения насыпного грунта. Технический результат - повышение КПД и надежность устройства. Устройство ударного действия включает корпус 1 с расположенной внутри его коаксиальной цилиндрической гильзой 6, нижним концом жестко закрепленной на нижней торцевой стенке корпуса 1, в осевой расточке 26 которого подвижно вдоль его оси установлены совместно с корпусом 1 образующие взводящую 7, переливную 8, сливную и газовую полости 11, ударник 4 с поршневым выступом 5 в средней части, постоянно сопряженным с внутренней боковой поверхностью гильзы 6, и охватывающий ударник 4 и гильзу 6, коаксиально кольцевой ступенчатый клапан 12. Упомянутый клапан 12 имеет четыре ступени на наружной и три ступени на внутренней боковых поверхностях. Клапан 12 по боковой поверхности наименьшей верхней ступени постоянно сопряжен с корпусом 1 и снабжен кольцевой канавкой 15. Кольцевая канавка 15 расположена между двумя верхними наружными 13, 14 ступенями и совместно с корпусом 1 образует кольцевой канал, сообщающий взводящую 7 полость с напорной линией в крайнем нижнем положении клапана 12, в котором последний нижним торцом наименьшей по размеру ступени внутренней поверхности контактирует со свободным торцом гильзы 6, сопряжен с нею по боковой поверхности средней по размеру внутренней ступени. Наибольшая по размеру внутренняя ступень клапана 12 совместно с гильзой 6 образует заданного размера кольцевую щель 25, которая взводящую 7 полость устройства сообщает с изолированной полостью, образованной между гильзой 6 и клапаном 12 и соединенной с упомянутым кольцевым каналом радиальными отверстиями 9 в боковой стенке наибольшей ступени клапана 12. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство ударного действия, включающее корпус с расположенной внутри его коаксиальной цилиндрической гильзой, нижним концом жестко закрепленной на нижней торцевой стенке корпуса, в осевой расточке которого подвижно вдоль его оси установлены совместно с корпусом образующие взводящую, переливную, сливную и газовую полости, ударник с поршневым выступом в средней части, постоянно сопряженным с внутренней боковой поверхностью гильзы, и охватывающий ударник и гильзу, коаксиально кольцевой ступенчатый клапан, ступени которого по диаметру уменьшаются снизу вверх от рабочего конца ударника к его хвостовику, отличающееся тем, что упомянутый клапан имеет четыре ступени на наружной и три ступени на внутренней боковых поверхностях, при этом клапан по боковой поверхности наименьшей верхней ступени постоянно сопряжен с корпусом и снабжен кольцевой канавкой, расположенной между двумя верхними наружными ступенями и совместно с корпусом образующей кольцевой канал, сообщающий взводящую полость с напорной линией в крайнем нижнем положении клапана, в котором последний нижним торцом наименьшей по размеру ступени внутренней поверхности контактирует со свободным торцом гильзы, сопряжен с нею по боковой поверхности средней по размеру внутренней ступени, при этом наибольшая по размеру внутренняя ступень клапана совместно с гильзой образует заданного размера кольцевую щель, которая взводящую полость устройства сообщает с изолированной полостью, образованной между гильзой и клапаном и соединенной с упомянутым кольцевым каналом радиальными отверстиями в боковой стенке наибольшей ступени клапана.2. Устройство ударного действия по п.1, отличающееся тем, что в своем крайнем верхнем положении клапан верхним торцом наименьшей верхней ступени контактирует с корпусом, а его вторая верхняя и наибольшая нижняя ступени наружной поверхности сопряжены с корпусом, закрывая таким образом кольцевой канал и тем самым изолируя взводящую полость от напорной линии, при этом между поверхностями гильзы и клапана образуется сливной кольцевой канал, соединяющий взводящую полость с переливной и сливной полостями устройства.3. Устройство ударного действия по п.1 или 2, отличающееся тем, что на торце гильзы, контактирующем с клапаном, выполнен узкий уплотнительный поясок, притертый к поверхности клапана.4. Устройство ударного действия по п.1, отличающееся тем, что в газовой полости устройства установлен поршневой гидроаккумулятор, газовая полость которого сообщена с газовой полостью устройства, а жидкостная - с напорной линией.5. Устройство ударного действия по п.4, отличающееся тем, что устройство снабжено вторым гидроаккумулятором, поршневая полость которого сообщена каналом с возводящей полостью, а его штоковая полость с напорной линией, при этом

где Fп - площадь поршневой полости;

Fш - площадь штоковой полости.