ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНОЕ УДАРНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2008 года по МПК E21C37/18 

Изобретение относится к области обработки или разрушения материалов с использованием энергии электрического разряда в конденсированных средах и касается, в частности, разрушения горных пород, выполнения отверстий в стенных панелях, перфорации металлических изделий и т.д. На сегодняшний день известны различные ударные устройства, в частности №1786878, кл. Е21С 3/20, опубл. 18.06.97, №96124469, кл. Е21С 3/20, опубл. 10.07.99, №2162383, кл. B21J 9/06, F15B 21/12, опубл. 27.01.2001. Рассматриваемые устройства требуют больших энергетических затрат, они обладают большой металлоемкостью, громоздки, сложны в техническом исполнении и ограничены в технологических возможностях.

Также известны ударные устройства, в которых в качестве активного элемента используются взрывчатые вещества. Применение таких устройств во многих случаях не желательно, вследствие повышенных требований к технике безопасности при их эксплуатации, они дорогостоящие и ограничены в использовании.

Наиболее близким из известных технических решений является ударное устройство - электроразрядный пистолет, состоящее из направляющего цилиндра с рукоятками управления манипулирования, внутри которого размещен с возможностью поступательно-возвратного движения закрытый баллон, внутри которого установлен с возможностью свободного скольжения поршень с разрядником, соединенным с источником электропитания посредством формирователя разрядов в виде электрода в цепи управления тиристорной схемы электропитания, между поршнем и торцевой стенкой баллона полость заполнена электролитом, причем полость выполнена закрытой, на поршне, свободно скользящем, размещены электроразрядник с формирователем разрядов, баллон расположен в направляющем цилиндре (Заявка на изобретение №92006414 А, Е21С 37/18, опубликована 27.02.1995).

Эффективная работоспособность данного устройства вызывает сомнение, технические возможности при решении ряда задач ограничены, при работе устройства возникают большие энергетические потери, что отрицательно сказывается на КПД и, соответственно, на конкурентной составляющей использования данного устройства. Вследствие того что ударные волны, генерируемые электрическим разрядом в конденсированной среде предлагаемой геометрии, являются цилиндрически-симметричными, основное воздействие оказывается на боковые стенки баллона и направляющего цилиндра, а не на ударный элемент, что вызывает потерю энергии воздействия, неоправданные механические нагрузки на элементы устройства. Использование в качестве рабочей среды агрессивного электролита всегда сопровождается повышенными требованиями к технике безопасности, вызывает интенсивную коррозию металла, что приводит к недолговечности работы, к неудобству и ограничению применения устройства.

Техническим результатом изобретения является создание электроразрядного ударного устройства, которое позволит наиболее эффективно и целенаправленно использовать энергию электрического разряда в конденсированной среде, повысить значение КПД и расширить технические возможности применения.

Поставленный технический результат достигается тем, что в предлагаемом устройстве, содержащем направляющий цилиндр с рукоятками управления манипулирования, внутри которого размещен с возможностью поступательно-возвратного движения баллон, а также поршень с разрядником, соединенным с источником электропитания посредством формирователя разрядов, при этом баллон состоит из выполненных за одно целое цилиндрического поршня и стержневого ударника, имеющих участок в виде усеченного конуса, поверхность которого описывается функцией экспоненциального вида, в поршне имеется заполненная жидкостью полость, профиль которой определяется телом вращения функции вида , на торце цилиндрического поршня выполнено сквозное отверстие, в котором соосно с зазором расположен электрод, представляющий собой металлический стержень, установленный в механически прочных диэлектрических втулках и закрепленный на торцевой стенке направляющего цилиндра, на противоположной стороне в полости имеется электрод в виде конуса, при этом длина разрядного промежутка меньше, чем величина аргумента x, соответствующего максимуму функции у(x), определяющей профиль полости, кроме того, поршень снабжен компрессионными и гидроизоляционными кольцами.

Изготовление баллона, состоящего из выполненных за одно целое цилиндрического поршня и стержневого ударника, имеющих участок в виде усеченного конуса, поверхность которого описывается функцией экспоненциального вида, позволяет обеспечить при работе устройства равномерное распределение ударной нагрузки отдачи по поперечному сечению вдоль всей его длины. С увеличением площади поперечного сечения уменьшается величина механического напряжения, тем самым осуществляется ограничение избыточных разрушающих напряжений как в теле стержневого ударника, так и в теле усеченного конуса и цилиндрического поршня, что и увеличивает ресурс работы ударного устройства. Возможность использования разнообразных сменных рабочих насадок на ударнике расширяет технологическую область его применения, увеличивает продолжительность работы всего элемента, что приводит к экономии материальных, технических и энергетических ресурсов.

Выполнение поршня в виде цилиндра определяется условием оптимальности формы элемента, технологическим исполнением и обеспечивает заданное движение в направляющем цилиндре. Наличие компрессионных и гидроизоляционных колец, выполнение поршня и направляющего цилиндра с прецизионной точностью, обработка поверхностей хонингованием определяют высокое значение коэффициента компрессии и позволяют минимизировать энергетические потери при движении поршня.

Наличие полости в поршне является необходимым условием возможности размещения электродной системы и конденсированной рабочей среды, а также определяет область генерирования электрического разряда и возбуждения ударных волн. Профиль полости предлагается выполнить в виде функции, описывающей тело вращения , где а=3, b=3, d=2, c=5, n=2 - некоторые коэффициенты. Использование профиля подобной конфигурации обеспечивает эффективное перераспределение направления распространения и воздействия ударной волны электрического разряда минимальными энергетическими потерями при отражении от внутренней поверхности полости. Падающая ударная волна, воздействуя на донный участок поверхности профиля полости, обеспечивает поступательное движение поршня с ударным элементом в заданном направлении. Отраженная ударная волна трансформируется и направляется в зону сквозного отверстия за счет плавности линии профиля полости, где, отражаясь от торцевой стенки направляющего цилиндра, вновь воздействует на донный участок полости. Кроме того, возникающий через сквозное отверстие полости гидропоток обеспечивает возникновение реактивного движения. Перечисленные обстоятельства приводят к приобретению поршнем высокой скорости и, соответственно, способности производить эффективное ударное воздействие большой мощности на обрабатываемый объект. При этом целенаправленно и с наибольшей эффективностью используется энергия электрического разряда в конденсированной среде, повышается значение КПД, расширяются технические возможности применения ударного устройства.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена конструкция ударного устройства, на фиг.2 представлен баллон, состоящий из выполненных за одно целое цилиндрического поршня и стержневого ударника, имеющих участок в виде усеченного конуса, на фиг.3 показан профиль полости, который определяется телом вращения функции вида , на фиг.4 пояснение механизма процесса возникновения, трансформации и распространения ударной волны и гидропотока в полости поршня, на фиг.5 представлен усеченный конус с функцией f(x)=е^-αx.

Электроразрядное ударное устройство (фиг.1) содержит направляющий цилиндр 1 с рукоятками управления манипулирования. Внутри направляющего цилиндра 1 размещен с возможностью поступательно-возвратного движения баллон, состоящий из выполненных за одно целое цилиндрического поршня 2 и стержневого ударника 3, имеющих участок в виде усеченного конуса 4, поверхность которого описывается функцией экспоненциального вида (фиг.2). В поршне 2 имеется незамкнутая полость 5, профиль которой определяется телом вращения функции вида (фиг.3). На торце поршня 2 выполнено сквозное отверстие 6, на противоположной стороне полости расположен электрод 7 в виде остроконечного конуса. Второй электрод 8 представляет собой металлический стержень, который располагается соосно в сквозном отверстии 6 поршня 2 с зазором. Длина разрядного промежутка заведомо меньше, чем значение аргумента максимума функции y(x), (отрезок dc). Электрод 8 покрыт диэлектрическим материалом, устанавливается и закрепляется на торцевой стенке направляющего цилиндра 1, причем стержень размещен в механически прочных диэлектрических втулках 9 посредством крепежного устройства. Поршень 2 имеет компрессионные и гидроизоляционные кольца 10. Незамкнутая полость 5 поршня 2 заполнена жидкостью 11, в частности водой. Возвратное движение поршня осуществляется посредством пружины 12. В направляющей втулке 13 размещается стержневой ударник 3, имеющий сменную рабочую насадку 14.

Устройство работает следующим образом: при подаче высокого напряжения на электроды 7 и 8 в разрядном промежутке происходит электрический пробой конденсированной среды и возникает импульсный электрический разряд. Кроме того, в качестве инициатора электрического разряда возможно использование тонкого металлического проводника, который подается через внутреннее соосное сквозное отверстие в стержневом электроде 8. Интенсивно расширяющееся за счет внутренней энергии плазменное образование электрического разряда генерирует в окружающем пространстве ударную волну, распространяющуюся в радиальном направлении.

Волновой фронт генерируемой ударной волны не является строго цилиндрическим и представляется некоторой плавной кривой, в первом приближении волновой фронт можно рассматривать как расширяющийся эллипсоид. В силу того что разрядный промежуток несколько меньше, чем величина аргумента x (отрезок dc), то основная часть ударной волны падает на донную поверхность полости поршня (участок АВ). Ударное воздействие волны на участок АВ вследствие возникновения осевой составляющей импульса давления обеспечивает перемещение поршня с высокой скоростью вдоль оси направляющего цилиндра. Отраженная от донной части поверхности волна имеет направление (волновой вектор) в сторону сквозного отверстия полости, т.е. преимущественно вдоль оси x, благодаря предлагаемой функции тела вращения , т.е. за счет того, что касательные в произвольных точках кривой донного участка располагаются в пределах значений угла . Кроме того, отраженная волна от остальной внутренней поверхности полости за счет плавности линии претерпевает изменение геометрии волнового фронта. Происходит перераспределение переносимой энергии и направление распространения волны в зону сквозного отверстия полости. Причем отраженная волна от донной поверхности (участок АВ) распространяется по среде, находящейся в состоянии с более высокой плотностью вследствие прошедшей ударной волны, следовательно, имеет более высокую скорость. В зоне сквозного отверстия поршня происходит наложение и взаимодействие отраженной и трансформированной ударных волн и возникает увеличение амплитуды давления более чем в два раза вследствие нелинейности взаимодействия (Исакович М.А. Общая акустика. - М.: Наука, 1973. - 496 с). В области отверстия полости поршня и торца направляющего цилиндра возникает импульс давления по величине большой амплитуды, благодаря чему поршень приобретает высокую кинетическую энергию. Кроме того, в полости возникает избыточное давление вследствие интенсивного расширения плазменного образования электрического разряда, обуславливает мощное высокоскоростное движение ударного элемента в заданном направлении, способное оказывать, в частности, разрушающее воздействие на обрабатываемый объект.

Изобретение относится к области обработки или разрушения материалов с использованием энергии электрического разряда в конденсированных средах, в частности, для разрушения горных пород, выполнения отверстий в стенных панелях, перфорации металлических изделий и т.д. Электроразрядное ударное устройство содержит направляющий цилиндр с рукоятками управления манипулирования, внутри которого размещен с возможностью поступательно-возвратного движения баллон и поршень с разрядником. Разрядник соединен с источником электропитания. Баллон состоит из выполненных за одно целое цилиндрического поршня и стержневого ударника, имеющих участок в виде усеченного конуса. Поверхность конуса описывается функцией экспоненциального вида. В поршне выполнена полость, профиль которой определяется телом вращения функции y(x)=хе^-(x+a)/b(dcos²((x-c)/c)+n), где a, b, d, с, n - коэффициенты, которая заполнена жидкостью. На торце цилиндрического поршня выполнено сквозное отверстие, в котором соосно с зазором расположен электрод в виде стержня. На противоположной стороне в полости имеется электрод в виде конуса, при этом длина разрядного промежутка меньше, чем величина аргумента x, соответствующего максимуму функции y(x). Изобретение позволяет наиболее эффективно и целенаправленно использовать энергию электрического разряда в конденсированной среде, повысить значение КПД и расширить технические возможности применения. 5 ил.

Электроразрядное ударное устройство, содержащее направляющий цилиндр с рукоятками управления манипулирования, внутри которого размещен с возможностью поступательно-возвратного движения баллон, поршень с разрядником, соединенным с источником электропитания посредством формирователя разрядов, отличающееся тем, что баллон состоит из выполненных за одно целое цилиндрического поршня и стержневого ударника, имеющих участок в виде усеченного конуса, поверхность которого описывается функцией экспоненциального вида, в цилиндрическом поршне имеется заполненная жидкостью незамкнутая полость, профиль которой определяется телом вращения функции вида:

,

где a, b, d, с, n - коэффициенты,

на торце цилиндрического поршня выполнено сквозное отверстие, в котором соосно с зазором расположен электрод, представляющий собой металлический стержень, установленный в механически прочных диэлектрических втулках и закрепленный на торцевой стенке направляющего цилиндра, на противоположной стороне в полости имеется электрод в виде конуса, при этом длина разрядного промежутка меньше, чем величина аргумента x, соответствующего максимуму функции y(x), определяющей профиль полости, кроме того, цилиндрический поршень снабжен компрессионными и гидроизоляционными кольцами.