МОЛОТ Российский патент 2020 года по МПК B21J7/22 E21B1/12 

Предлагаемое изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в качестве кузнечного и прессового оборудования, в строительстве для забивки свай и проходки скважин, а также пневматических генераторов для очистки бункеров и вагонов.

Известен паровоздушный молот (Белецкий Б.Ф. «Строительные машины и оборудование» Ростов-на-Дону 2002 г. стр. 216 рис. 14.2а - прототип). Известное устройство содержит массивный чугунный корпус 1 с направляющими захватами 2, крышки 3, поршня 6 со штоком 7. Внутри крышки размещено распределительное устройство, состоящее из поворотного крана 5 и коромысла 4. После подъема корпуса 1 на заданную высоту открывается поворотный кран, который позволяет воздуху вытекать в атмосферу. В результате корпус молота под действием собственной силы тяжести падает вниз и наносит удар.

Это устройство изображено на Фиг. 1 и принято за прототип. Оно имеет ряд существенных недостатков:

- высокие затраты энергии на сжатие и расход воздуха;

- низкую частоту ударов.

Задачей предполагаемого изобретения является повышение частоты ударов и снижение расхода энергии.

Поставленная задача имеет развитие в том, что сердечник и якорь электромагнита содержат оболочку из диамагнитного материала, причем в оболочке сердечника установлены электрические катушки и порошок из электротехнической стали, а на оболочке якоря установлены уплотнительные устройства, а внутри порошок из электротехнической стали.

На Фиг. 2 представлено предлагаемое устройство, например для проходки скважин большого диаметра, (вид фронтальный). Оно содержит корпус 1, выполненный из диамагнитного материала, который установлен на ударную плиту 2. В корпусе 1 установлены ресивер 3, отверстие 4, оболочка сердечника 5 и оболочка якоря 6. Оболочка сердечника 5 содержит электрические катушки 7 и порошок 8 из электротехнической стали. На наружной поверхности оболочки якоря 6 установлены уплотнительные элементы 9, а внутри порошок 8. Ударная плита 2 установлена на трубу 10, а для сброса воздуха в атмосферу из трубы 10 и корпуса 1 служат отверстия 11.

Молот работает следующим образом. В исходном положении оболочка якоря 6 установлена в нижней части корпуса 1. Затем в ресивер 3 закачивают воздух, который через отверстие 4 поступает в объем между оболочкой якоря 6 и оболочкой сердечника 5, причем образованный объем равен 10% объема ресивера 3. После заполнения воздухом внутреннего объема до заданного минимального давления источник сжатого воздуха отключают от ресивера 3.

После заполнения внутреннего объема сжатым воздухом на оболочку якоря 6 действует сила:

где Р_min - минимальное давление воздуха в ресивере 3;

S₁- площадь оболочки якоря 6.

Затем подается напряжение на электрические катушки 7, которые суммируют магнитные потоки всех электрических катушек 7 и индуцируют магнитную силу между оболочками сердечника 5 и якоря 6. Магнитная сила, действующая на оболочку якоря 6, согласно формуле Максвелла будет равна:

где В - индукция магнитного поля в воздушном зазоре между оболочками сердечника 5 и якоря 6;

μ₀ - магнитная постоянная;

с - коэффициент равный отношению площади оболочки сердечника 5 к площади оболочки якоря 6.

Под действием магнитной силы согласно формуле (2) оболочка якоря 6 начинает движение к оболочке сердечника 5, только тогда когда ток в электрической катушке 7 после переходного процесса, вызванного индуктивностью катушки 7, достигнет максимальной величины. Причем движение вверх происходит с увеличением магнитной силы за счет уменьшения воздушного зазора между порошками 8 сердечника 5 и якоря 6, а также увеличением давления в ресивере 3 за счет уменьшения объема между оболочками стержня 5 и якоря 6. После контакта оболочек якоря 6 с сердечником 5 электрические катушки 7 отключаются, а кинетическая энергия оболочки якоря 6 передается оболочке сердечника 5 и воздуху в ресивере 3 за счет роста давления. После остановки оболочки якоря 6 она начнет обратное движение к ударной плите 3 под действием силы максимального давления воздуха в ресивере 3 и собственного веса. В момент упругого соударения оболочки якоря 6 с ударной плитой 2, оболочка якоря 6 передает свою кинетическую энергию ударной плите 2 и трубе 10. После удара электрические катушки 7 включаются и процесс повторяется.

В предлагаемом устройстве энергия удара существенно зависит от величины индукции насыщения электротехнического порошка 8 и объема воздуха между оболочками стержня 5 и якоря 6 согласно соотношениям:

N=P⋅V=P⋅S₁⋅L=с⋅В²/μ₀⋅S₁⋅L [Дж]

где Р - максимальное давление в ресивере 3;

V - максимальный объем между оболочками стержня 5 и якоря 6;

с - коэффициент равный отношению магнитной площади оболочки сердечника 5 к площади оболочки якоря 6;

В - индукция магнитного поля в воздушном зазоре между порошками 8 в оболочках сердечника 5 и якоря 6;

μ₀ - магнитная постоянная;

S₁ - площадь оболочки якоря 6;

L - расстояние между оболочками сердечника 5 и якоря 6. Быстродействие устройства зависит от времени роста тока в электрической катушке 7 в переходном процессе, которое будет равно:

где τ - постоянная времени цепи состоящей из индуктивности и резистора;

R - электрическое сопротивление катушки 7;

Δ - максимальный зазор между порошками 8 якоря 6 и сердечника 5;

w_К - количество витков в электрической катушке 7;

S₂ - площадь порошка 8 в сердечнике 5.

Таким образом, согласно формуле (3) в предлагаемом устройстве можно легко добиться быстродействия за счет малого количества витков электрической катушки 7 и ее повышенным сопротивлением.

Согласно расчетам, при использовании порошка 8 из электротехнической стали с индукцией насыщения 2,18Т, размером частиц 50-80 10^{-6 м} и коэффициенте С=0,365 предлагаемое устройство содержит:

- якорь электромагнита 6 массой 2100 кг, ресивер 3 объемом 1,9 м³,

максимальное давление в ресивере 3 1,05МПа и минимальное давление 0,945 МПа. Электрическая мощность, потребляемая устройством 29410 Вт, число ударов в минуту 372 при ходе оболочки якоря 6 0.065 м. Энергия удара 100 кДж при диаметре 1420 мм, длине 2500 мм и массе 10000 кг.

Аналогичные параметры устройства прототипа С-812 А соответственно равны:

- масса ударной части 8000 кг, энергия удара 100 кДж, число ударов в минуту 35-40, ход поршня 1,37 м, расход сжатого воздуха 26 м³/мин при давлении 1 МПа, электрическая мощность компрессора 600 кВт, габариты устройства 4730×1070×1270 мм, масса 11000 кг.

Сравнительный анализ показывает, что предлагаемое устройство, используя якорь электромагнита в качестве ударной части молота имеет высокую частоту ударов и практически на порядок меньше энергетические затраты. Также устройство при использовании его в качестве бурового станка не потребует буровые растворы и специальные насосы высокого давления для удаления грунта из скважины в процессе бурения, так как грунт в виде керна будет удаляться вместе с трубой 10. После замены заполненной грунтом трубы 10, процесс проходки можно продолжать.

Литература

1. Г.В. Буткевич, В.Г. Дегтярь, А.Г. Сливинская « Задачник по электрическим аппаратам» М. ВЫСШАЯ ШКОЛА 1977 г. стр. 111.

2. Х. Кухлинг « Справочник по ФИЗИКЕ» М. МИР 1985 г. стр. 112.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в строительстве для забивки свай и проходки скважин, а также для очистки бункеров и вагонов. Молот содержит корпус, в котором установлены воздушный ресивер, соединенный с источником сжатого воздуха, а также сердечник и якорь электромагнита. Сердечник выполнен в виде оболочки из диамагнитного материала, в которой расположены электрические катушки и порошок из электротехнической стали. Якорь выполнен в виде оболочки из диамагнитного материала с порошком из электротехнической стали и с уплотнительными элементами на наружной поверхности. Якорь установлен с образованием между его оболочкой и оболочкой сердечника объема, соединенного с ресивером. Якорь перемещается в корпусе до контакта с сердечником под действием магнитной силы и в обратном направлении до соударения с ударной плитой под действием давления воздуха в ресивере и собственного веса. В результате обеспечивается повышение частоты ударов. 2 ил.

Молот, содержащий корпус и ударную плиту, отличающийся тем, что он снабжен расположенными в корпусе воздушным ресивером, соединенным с источником сжатого воздуха, сердечником и якорем электромагнита, при этом сердечник выполнен в виде оболочки из диамагнитного материала, в которой расположены электрические катушки и порошок из электротехнической стали, а якорь выполнен в виде оболочки из диамагнитного материала с порошком из электротехнической стали и с уплотнительными элементами на наружной поверхности и установлен с образованием между его оболочкой и оболочкой сердечника объема, соединенного с ресивером, и с возможностью перемещения в корпусе до контакта с сердечником под действием магнитной силы и в обратном направлении до соударения с ударной плитой под действием давления воздуха в ресивере и собственного веса.