УСТРОЙСТВО УДАРНОГО ДЕЙСТВИЯ Российский патент 2012 года по МПК E21B1/38 

Техническое решение относится к горной и строительной технике, а именно к пневматическим устройствам ударного действия, и может быть использовано для разрушения горных пород, забивания стержневых элементов в грунт, уплотнения грунта и т.д.

Известен пневматический ударный механизм для нанесения одиночных ударов к малогабаритным ручным машинам ударного действия по авторскому свидетельству №395251, кл. В25d 17/00, опубл. в БИ №35, 1973 г., содержащий цилиндр с дифференциальным поршнем-ударником, надпоршневое пространство, подпоршневое пространство, калиброванное отверстие в поршне-ударнике, соединяющее над- и подпоршневое пространства, подпружиненный в осевом направлении рабочий наконечник, головка которого выполнена в виде клапана, перекрывающего связь подпоршневого пространства с атмосферой.

Недостатками известного устройства являются: медленное и с различной скоростью открывание вручную выхлопного отверстия, что приводит к снижению энергии удара, нестабильность частоты ударов и, как следствие, ненадежность работы, так как удар передается через рабочий наконечник.

Известно устройство ударного действия по патенту РФ №2072912, кл. В25D 17/00, 9/04, опубл. в БИ №4 за 1997 г., содержащее корпус с впускным и выпускным отверстиями, установленный в нем с возможностью осевого перемещения ударник, делящий корпус на камеры прямого и обратного хода, размещенный в камере обратного хода запорный клапан с упругим элементом, установленным соосно с впускным отверстием и закрепленным одним концом на запорном клапане, другим - на ударнике или корпусе.

Недостатками известного устройства являются: ненадежность работы вследствие размещения запорного клапана с упругим элементом в зоне удара и нестабильность работы из-за непостоянной длины рабочего хода.

Наиболее близким аналогом по технической сущности и совокупности существенных признаков является устройство ударного действия по патенту РФ №2105881, кл. Е21С 3/24, Е02F 5/18, опубл. в БИ №6 за 1998 г., включающее корпус с впускным и выхлопным отверстиями, установленный в корпусе с возможностью перемещения ударник, камеры прямого и обратного хода, канал в ударнике для сообщения камер прямого и обратного хода, передний кольцевой выступ и ограничитель обратного хода на внутренней поверхности корпуса, упругое кольцо, установленное в кольцевой канавке на наружной поверхности ударника с возможностью взаимодействия с внутренней поверхностью корпуса.

Недостатком этого устройства является ненадежность его работы, вызванная ранней разгерметизацией камеры обратного хода, которая приводит к последующему уменьшению длины рабочего хода и энергии удара. Это происходит при обратном ходе ударника в результате нарушения условия надежного запирания камеры обратного хода - давление в зоне контакта упругого кольца с внутренней поверхностью корпуса должно быть больше, чем давление воздуха в камере обратного хода. Причины ненадежного запирания камеры обратного хода заключаются в следующем: остаточная деформация материала упругого кольца приводит к непродолжительному изменению цилиндрической формы его наружной поверхности на коническую поверхность, а увеличенная площадь контакта между упругим кольцом и внутренней поверхностью корпуса снижает контактное давление до уровня давления в камере обратного хода. При своем скольжении упругое кольцо перемещается с конической внутренней поверхности корпуса на цилиндрическую внутреннюю поверхность. Между контактными поверхностями на непродолжительное время образуется угловая щель, в которую проникает сжатый воздух, давление которого приводит к уменьшению давления в зоне контакта упругого кольца с внутренней поверхностью корпуса и преждевременной разгерметизации камеры обратного хода.

Технической задачей предлагаемого решения является повышение надежности работы устройства ударного действия за счет компенсации остаточной деформации материала упругого кольца и повышения контактного давления между упругим кольцом и внутренней поверхностью корпуса.

Поставленная задача решается следующим образом. Предлагается устройство ударного действия, включающее корпус с отверстиями, установленный в корпусе с возможностью перемещения ударник с продольными каналами на наружной поверхности, камеры прямого и обратного хода, канал в ударнике для сообщения камер прямого и обратного хода, запорную внутреннюю поверхность корпуса с передним кольцевым выступом и ограничителем обратного хода на ее задней части, упругое кольцо, установленное в кольцевой канавке на ударнике с возможностью взаимодействия с запорной внутренней поверхностью корпуса, которая согласно техническому решению снабжена конической поверхностью, выполненной между передним кольцевым выступом и ее задней частью и сопряженной с ними, причем между поверхностью задней стенки кольцевой канавки и торцевой поверхностью упругого кольца образован острый угол, вершина которого направлена к ударнику.

Такое выполнение устройства компенсирует остаточную деформацию материала упругого кольца и повышает контактное давление между упругим кольцом и запорной внутренней поверхностью корпуса. После контакта с поверхностью кольцевого выступа упругое кольцо перемещается сначала на коническую поверхность, а затем на заднюю часть запорной внутренней поверхности корпуса. Время, в течение которого упругое кольцо будет скользить по конической поверхности, расходуется на восстановление прежней формы наружной поверхности упругого кольца и повышение контактного давления, обеспечивающего надежное запирание камеры обратного хода. Наличие при этом острого угла между поверхностью задней стенки кольцевой канавки и торцевой поверхностью упругого кольца, направленного к оси ударника, обеспечивает деформацию и поворот упругого кольца относительно запорной внутренней поверхности корпуса под действием давления сжатого воздуха, т.к. упругое кольцо своей торцевой поверхностью прижимается к поверхности задней стенки кольцевой канавки. В результате этой деформации форма цилиндрической наружной поверхности упругого кольца изменяется на коническую поверхность, которая контактирует с запорной внутренней поверхностью корпуса по меньшей контактной площади. Давление в зоне контакта упругого кольца с запорной внутренней поверхностью корпуса возрастает, что гарантирует надежную герметизацию камеры обратного хода и полный ход ударника до начала выхлопа сжатого воздуха из этой камеры. Дополнительно следует отметить и то, что после выхлопа и падения давления в камере обратного хода происходит восстановление прежней формы упругого кольца - наружная поверхность упругого кольца возвращается к своей цилиндрической форме. При этом расстояние от наружной поверхности упругого кольца до запорной внутренней поверхности корпуса увеличивается, что способствует более позднему контакту его с передним кольцевым выступом и меньшему повышению давления в камере обратного хода перед ударом, что увеличивает предударную скорость ударника и, как следствие, энергию удара.

Целесообразно указанный острый угол образовать путем выполнения поверхности задней стенки кольцевой канавки конической. Такое выполнение устройства улучшает герметизацию камеры обратного хода и обеспечивает полный ход ударника до начала выхлопа сжатого воздуха из этой камеры при использовании упругого кольца, имеющего прямоугольную форму сечения. Дополнительно это позволяет после износа передней кромки упругого кольца восстановить работоспособность устройства простым разворотом упругого кольца на ударнике другой кромкой вперед.

Целесообразно указанный острый угол образовать путем выполнения торцевой поверхности упругого кольца со стороны задней стенки кольцевой канавки конической. Такое выполнение устройства позволяет простым способом - заменой упругого кольца - обеспечить подбор величины острого угла, образованного между поверхностью задней стенки кольцевой канавки и торцевой поверхностью упругого кольца, вершина которого направлена к оси ударника, при котором повышается надежность запирания камеры обратного хода.

Целесообразно, чтобы передняя стенка кольцевой канавки имела меньший диаметр, чем ее задняя стенка. Такое выполнение устройства уменьшает радиальную деформацию упругого кольца при его монтаже на ударник и препятствует случайному снятию упругого кольца с ударника.

Целесообразно стенки кольцевой канавки сформировать двумя буртиками на наружной поверхности ударника. Такое выполнение устройства упрощает изготовление ударника и уменьшает концентрацию напряжений в теле ударника вблизи кольцевой канавки.

Целесообразно наружную поверхность упругого кольца выполнить конической и обратить меньшим диаметром назад. Такое выполнение устройства приводит к уменьшению контактной площади и большему возрастанию давления в зоне контакта. Это улучшает герметизацию камеры обратного хода.

Целесообразно заднюю часть запорной внутренней поверхности корпуса выполнить цилиндрической. Такое выполнение устройства упрощает изготовление запорной внутренней поверхности корпуса.

Целесообразно заднюю часть запорной внутренней поверхности корпуса выполнить конической. Такое выполнение устройства компенсирует остаточную деформацию материала упругого кольца и повышает контактное давление между упругим кольцом и задней частью запорной внутренней поверхности корпуса. После контакта с передним кольцевым выступом упругое кольцо перемещается сначала по конической поверхности, а затем переходит на заднюю часть запорной внутренней поверхности. Диаметр начала конической задней части запорной внутренней поверхности меньше, чем диаметр этой поверхности в месте расположения ограничителя обратного хода, поэтому при меньшем диаметре упругое кольцо сильнее прижато давлением сжатого воздуха к переходу с конической поверхности на коническую поверхность задней части запорной внутренней поверхности корпуса. Следовательно, контактное давление выше, герметизация камеры обратного хода лучше.

Целесообразно корпус снабдить наковальней, а запорную внутреннюю поверхность выполнить в ней, а на ней - передний кольцевой выступ, указанную коническую поверхность и ограничитель обратного хода. Такое выполнение устройства уменьшает воздействие ударных нагрузок на корпус, что повышает надежность работы, а также упрощает обработку внутренних поверхностей корпуса при изготовлении устройства.

Целесообразно упругое кольцо установить в кольцевой канавке с натягом. Такое выполнение устройства увеличивает упругую силу упругого кольца в результате его предварительной радиальной деформации и компенсирует линейное расширение материала упругого кольца, которое происходит в результате его циклической деформации и повышения в нем температуры. В свою очередь это увеличение упругой силы повышает скорость сжатия упругого кольца с момента начала выхлопа до момента опускания упругого кольца в кольцевую канавку ударника. Увеличение упругой силы препятствует растяжению упругого кольца в радиальном направлении под действием перепада давлений, который возникает при выхлопе или вытеснении воздуха на прямом ходу ударника, и запиранию камеры обратного хода до удара. После срабатывания упругого кольца будет открыто кольцевое выхлопное отверстие и обеспечен полный выхлоп воздуха, в результате чего ударник будет двигаться вперед, не встречая сопротивления со стороны камеры обратного хода, и нанесет удар с наибольшей предударной скоростью.

Сущность технического решения поясняется примером конкретного исполнения и чертежами, фиг.1-9. На фиг.1 изображено устройство ударного действия, общий вид в продольном разрезе, в котором поверхность задней стенки кольцевой канавки выполнена конической. На фиг.2 - то же, с ударником, который не контактирует с корпусом по боковой поверхности. На фиг.3 - изображен общий вид в продольном разрезе и увеличенном масштабе передней части устройства ударного действия, где торцевая поверхность упругого кольца со стороны задней стенки кольцевой канавки выполнена конической. На фиг.4 - то же, передняя стенка кольцевой канавки имеет меньший диаметр, чем ее задняя стенка. На фиг.5 - то же, стенки кольцевой канавки сформированы двумя буртиками на наружной поверхности ударника. На фиг.6 - то же, наружная поверхность упругого кольца выполнена конической, обращенной меньшим диаметром назад. На фиг.7 - то же, задняя часть запорной внутренней поверхности корпуса выполнена цилиндрической. На фиг.8 - то же, задняя часть запорной внутренней поверхности корпуса выполнена конической. На фиг.9 - то же, корпус снабжен наковальней с запорной внутренней поверхностью и упругим кольцом, установленным в кольцевой канавке с натягом.

Устройство ударного действия содержит корпус 1 (фиг.1) с отверстиями, ударник 2, установленный с возможностью перемещения в корпусе 1, камеру 3 прямого хода, камеру 4 обратного хода, постоянно сообщенную с камерой 3 прямого хода каналом 5, выполненным в ударнике 2. Для подачи сжатого воздуха в камеру 3 прямого хода предназначено впускное отверстие 6. На наружной поверхности ударника 2 выполнена кольцевая канавка 7, в которую установлено упругое кольцо 8 с возможностью взаимодействия с запорной внутренней поверхностью (поз. не обозначена) корпуса 1. На запорной внутренней поверхности корпуса 1 выполнен передний кольцевой выступ 9, а на краю ее задней части 10 - ограничитель 11 обратного хода в виде ряда пазов, выходящих на эту заднюю часть 10. Коническая поверхность 12 выполнена на запорной внутренней поверхности корпуса 1 между передним кольцевым выступом 9 и ее задней частью 10 и сопряжена с ними. На наружной поверхности ударника 2, которая взаимодействует с корпусом 1, выполнены продольные каналы 13, предназначенные для прохода воздуха после его выхлопа из камеры 4 обратного хода. В заднем торце корпуса 1 выполнено выпускное отверстие 14.

Ударник 2 (фиг.2) может не контактировать с корпусом 1 по его боковой поверхности. Поверхность задней стенки 15 кольцевой канавки 7 может быть выполнена конической (фиг.1, 2, 4-6) или может быть выполнена конической торцевая поверхность 16 упругого кольца 8 со стороны задней стенки 15 кольцевой канавки 7 (фиг.3). Это обеспечивает острый угол между поверхностью задней стенки 15 кольцевой канавки 7 и торцевой поверхностью 16 упругого кольца 8, вершина которого направлена к оси ударника 2. Передняя стенка 17 кольцевой канавки 7 может иметь меньший диаметр, чем ее задняя стенка 15 (фиг.4). Стенки 15 и 17 кольцевой канавки могут быть сформированы двумя буртиками 18 и 19 на наружной поверхности ударника 2 (фиг.5). Наружная поверхность 20 упругого кольца 8 может быть выполнена конической, обращенной меньшим диаметром назад (фиг.6). Задняя часть 10 запорной внутренней поверхности может быть выполнена цилиндрической (фиг.1-7) или конической (фиг.8). Корпус 1 может быть снабжен наковальней 21, а запорная внутренняя поверхность выполнена в наковальне 21 и включает передний кольцевой выступ 9, коническую поверхность 12 и ограничитель 11 обратного хода на ее задней части (фиг.9). Упругое кольцо 8 может быть установлено в кольцевой канавке 7 с натягом (фиг.9).

Устройство ударного действия (далее - устройство) работает следующим образом. Сжатый воздух через впускное отверстие 6 (фиг.1) поступает в камеру 3 прямого хода, и в ней повышается давление. Под действием давления ударник 2 перемещается в крайнее переднее (нижнее по чертежу) положение. При этом камера 4 обратного хода сообщена с атмосферой по продольным каналам 13 через выпускное отверстие 14. При крайнем переднем положении ударника 2 упругое кольцо 8 приходит в соприкосновение с передним кольцевым выступом 9, в результате чего камера 4 обратного хода закрывается. По продольному каналу 5 сжатый воздух поступает в камеру 4 обратного хода, и в ней повышается давление. Под действием давления сжатого воздуха упругое кольцо 8 своей торцевой поверхностью 16 прижимается к поверхности задней стенки 15 кольцевой канавки 7, деформируется и поворачивается относительно запорной внутренней поверхности корпуса 1. Одновременно с этим под действием давления сжатого воздуха упругое кольцо 8 прижимается к поверхности переднего кольцевого выступа 9. За счет разности площадей камер прямого 3 и обратного 4 хода ударник 2 осуществляет обратный ход и перемещается в крайнее заднее (верхнее по чертежу) положение. Вместе с ударником 2 упругое кольцо 8 скользит по запорной внутренней поверхности корпуса 1: сначала по поверхности переднего кольцевого выступа 9, затем по конической поверхности 12 и далее по задней части 10 запорной внутренней поверхности. При этом упругое кольцо 8 растягивается в радиальном направлении и сохраняет свой контакт со всеми вышеперечисленными поверхностями. Под действием давления в зоне контакта наружная поверхность упругого кольца 8 временно приобретает форму поверхности переднего кольцевого выступа 9, затем - форму конической поверхности 12 и далее - форму задней части 10 запорной внутренней поверхности. Постепенный переход от одной формы поверхности к другой компенсирует уменьшение контактного давления, которое происходит при растяжении упругого кольца 8 и возрастании упругой силы. Это происходит одновременно с поворотом упругого кольца 8 относительно запорной внутренней поверхности корпуса 1, который уменьшает контактную площадь. Контактное давление упругого кольца 8 на запорную внутреннюю поверхность корпуса 1 увеличивается, что обеспечивает герметизацию камеры 4 обратного хода вплоть до выхода упругого кольца 8 на ряд пазов ограничителя 11 обратного хода, после которого начинается сообщение камеры 4 обратного хода с атмосферой. Давление в ней снижается. За счет упругих сил, накопленных в упругом кольце 8, происходит быстрое его сжатие в радиальном направлении и восстановление его первоначальной формы - упругое кольцо 8 быстро опускается в кольцевую канавку 7 на ударнике 2. Через образовавшийся кольцевой зазор далее по продольным каналам 13 и через выпускное отверстие 14 заканчивается выхлоп сжатого воздуха в атмосферу.

Под действием давления воздуха в камере 3 прямого хода ударник 2 сначала останавливается в крайнем заднем положении, а затем совершает ускоренное движение вперед и наносит удар по внутреннему переднему торцу корпуса 1. При этом воздух вытесняется ударником 2 из камеры 4 обратного хода в атмосферу. Непосредственно перед ударом упругое кольцо 8 приходит в соприкосновение с передним кольцевым выступом 9. Камера 4 обратного хода закрывается. В ней вновь повышается давление, и цикл работы устройства повторяется.

Коническая поверхность задней стенки 15 (фиг.1) кольцевой канавки 8 или коническая торцевая поверхность 16 упругого кольца 8 (фиг.3) со стороны задней стенки 15 кольцевой канавки 7 обеспечивают между этой поверхностью и торцевой поверхностью 16 упругого кольца 8 угол, вершина которого направлена к оси ударника 2. Таким образом, при работе устройства обеспечивается поворот упругого кольца 8 относительно запорной внутренней поверхности корпуса 1 и герметизация камеры 4 обратного хода до выхода упругого кольца 8 на ограничитель 11 обратного хода.

Бесступенчатый ударник 2 (фиг.2) использует в качестве направляющей неподвижный поршень камеры 3 обратного хода.

Меньший диаметр передней стенки 17 кольцевой канавки 7 (фиг.4) препятствует случайному снятию упругого кольца 8 с ударника 2 и уменьшает радиальную деформацию упругого кольца 8 при его монтаже на ударник 2.

Формирование кольцевой канавки 7 двумя буртиками 18 и 19 (фиг.5) способствует уменьшению концентрации напряжений в теле ударника 2 вблизи кольцевой канавки 7.

Коническая наружная поверхность 20 упругого кольца 8 (фиг.6), обращенная меньшим диаметром назад, приводит к уменьшению контактной площади и к еще большему возрастанию давления в зоне контакта. Это усиливает герметизацию камеры 4 обратного хода.

Цилиндрическая форма задней части 10 запорной внутренней поверхности корпуса 1 упрощает ее изготовление.

Коническая форма задней части 10 запорной внутренней поверхности корпуса 1 (фиг.7) компенсирует остаточную деформацию материала упругого кольца 8 и повышает давление в зоне контакта. Диаметр сопряжения конической поверхности 12 с задней частью 10 запорной внутренней поверхности корпуса 1 конической формы меньше, чем при ее сопряжении с задней частью 10 запорной внутренней поверхности корпуса 1 цилиндрической формы, поэтому упругое кольцо 8 сильнее прижато к запорной поверхности, контактное давление больше, герметизация лучше.

Выполнение корпуса 1 с наковальней 21 (фиг.9) уменьшает воздействие ударных нагрузок на корпус 1 и этим повышает надежность работы, а также упрощает обработку внутренних поверхностей корпуса 1 при изготовлении устройства.

Натяг упругого кольца 8 (фиг.9) в кольцевой канавке 7 увеличивает его упругую силу и компенсирует линейное расширение материала упругого кольца 8, которое происходит при работе в результате его циклической деформации и повышения в нем температуры. В свою очередь увеличение упругой силы повышает скорость сжатия упругого кольца 8 с момента начала выхлопа до момента опускания упругого кольца 8 в кольцевую канавку 7 ударника 2 и препятствует растяжению упругого кольца 8 в радиальном направлении под действием перепада давлений, который возникает при выхлопе воздуха.

Изобретение относится к горной и строительной технике - к пневматическим устройствам ударного действия, используется для разрушения горных пород, забивания стержневых элементов в грунт и т.д. Устройство ударного действия включает корпус с отверстиями, установленный в корпусе с возможностью перемещения ударник с продольными каналами на наружной поверхности, камеры прямого и обратного хода, канал в ударнике для сообщения камер прямого и обратного хода, запорную внутреннюю поверхность корпуса с передним кольцевым выступом и ограничителем обратного хода на ее задней части, упругое кольцо, установленное в кольцевой канавке на ударнике с возможностью взаимодействия с запорной внутренней поверхностью корпуса. Запорная внутренняя поверхность корпуса снабжена конической поверхностью, выполненной между передним кольцевым выступом и ее задней частью и сопряженной с ними, причем между поверхностью задней стенки кольцевой канавки и торцевой поверхностью упругого кольца образован острый угол, вершина которого направлена к оси ударника. Острый угол образован путем выполнения поверхности задней стенки кольцевой канавки конической. Острый угол образован путем выполнения торцевой поверхности упругого кольца со стороны задней стенки кольцевой канавки конической. Передняя стенка кольцевой канавки имеет меньший диаметр, чем ее задняя стенка. Стенки кольцевой канавки сформированы двумя буртиками на наружной поверхности ударника. Наружная поверхность упругого кольца выполнена конической и обращена меньшим диаметром назад. Задняя часть запорной внутренней поверхности корпуса выполнена цилиндрической или конической. Корпус снабжен наковальней, причем запорная внутренняя поверхность выполнена в наковальне, а передний кольцевой выступ, указанная коническая поверхность и ограничитель обратного хода - на этой поверхности. Упругое кольцо установлено в кольцевой канавке с натягом. Повышается надежность работы. 9 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Устройство ударного действия, включающее корпус с отверстиями, установленный в корпусе с возможностью перемещения ударник с продольными каналами на наружной поверхности, камеры прямого и обратного хода, канал в ударнике для сообщения камер прямого и обратного хода, запорную внутреннюю поверхность корпуса с передним кольцевым выступом и ограничителем обратного хода на ее задней части, упругое кольцо, установленное в кольцевой канавке на ударнике с возможностью взаимодействия с запорной внутренней поверхностью корпуса, отличающееся тем, что запорная внутренняя поверхность корпуса снабжена конической поверхностью, выполненной между передним кольцевым выступом и ее задней частью и сопряженной с ними, причем между поверхностью задней стенки кольцевой канавки и торцевой поверхностью упругого кольца образован острый угол, вершина которого направлена к оси ударника.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что указанный острый угол образован путем выполнения поверхности задней стенки кольцевой канавки конической.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что указанный острый угол образован путем выполнения торцевой поверхности упругого кольца со стороны задней стенки кольцевой канавки конической.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что передняя стенка кольцевой канавки имеет меньший диаметр, чем ее задняя стенка.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что стенки кольцевой канавки сформированы двумя буртиками на наружной поверхности ударника.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что наружная поверхность упругого кольца выполнена конической и обращена меньшим диаметром назад.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что задняя часть запорной внутренней поверхности корпуса выполнена цилиндрической.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что задняя часть запорной внутренней поверхности корпуса выполнена конической.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что корпус снабжен наковальней, причем запорная внутренняя поверхность выполнена в наковальне, а передний кольцевой выступ, указанная коническая поверхность и ограничитель обратного хода - на этой поверхности.

10. Устройство по любому из пп.1-8, отличающееся тем, что упругое кольцо установлено в кольцевой канавке с натягом.