ИМПУЛЬСНЫЙ ВОДОМЕТ Советский патент 1995 года по МПК E21C45/06 

Изобретение относится к горной промышленности и предназначено для разрушения горных пород различной крепости импульсной струей воды.

Известно устройство импульсного водомета [1] который использует в качестве привода процесс внутреннего сгорания топлива и включает в себя гидроимпульсный ствол с гидровытеснительным плунжером и специальным крановым заливочным устройством, ударный поршень в разгонном трубчатом корпусе с системой обеспечения дизельного процесса, а также систему контроля заливки, связанную с запуском привода.

К числу недостатков устройства относится ударное взаимодействие поршня и плунжера, снижающее возможность применения импульсов большой энергии.

Недостатком также является практическое несоответствие времени цикла заполнения водой гидроимпульсного ствола с временем цикла привода, в результате чего цикл привода прерывается устройством защиты и вновь запускается с выполнением всех вспомогательных процессов, что будет связано с большими потерями мощности.

Известно устройство импульсного водомета [2] принятое по числу общих конструктивных признаков и достигаемому результату за прототип, включающий в себя трубчатый корпус, жестко связанный с одной стороны с гидроимпульсным стволом, а с другой стороны с однотактным поршневым приводом, причем приводной поршень жестко связан со своим штоком, который в свою очередь связан с гидровытеснительным плунжером, при этом обратный ход поршневой группы связан с возвратными пружинами.

К недостаткам прототипа относится сравнительно малая скорость плунжера в рабочем цикле при ограниченной его же длиной пути разгона поршневой группы.

Кроме того, также отсутствует возможность для синхронизации циклов ДВС и заливки воды в гидроствол без прерывания цикла ДВС, что значительно снижает производительность устройства.

Целью изобретения является повышение производительности водомета при разрушении горных пород за счет увеличения мощности гидроимпульса.

Указанная цель достигается в устройстве, включающем ствол, закрепленный на корпусе и расположенный в гидроускорительной камере ствола, плунжер, соединенный с приводом его перемещения через опорный шток, согласно изобретению импульсный водомет снабжен пневмоцилиндром, расположенным в корпусе с возможностью возвратно-поступательного перемещения и связанным с плунжером, пневматическим поршнем, закрепленным на опорном штоке и размещенным в пневмоцилиндре с образованием надпоршневой и подпоршневой полостей, заполненных газом, инерционным включателем, установленным на пневмоцилиндре, гидропневмоаккумулятором, сообщенным с гидроускорительной камерой ствола, при этом надпоршневая и подпоршневая полости соединены между собой посредством золотникового механизма с приводом, а инерционный включатель соединен с приводом перемещения плунжера и с приводом золотникового механизма с возможностью их одновременного включения.

Указанные отличительные признаки позволяют пневмоцилиндру высокого давления под действием разного рода приводов (ДВС или электромагнитного) накапливать большую энергию, повышая собственную скорость от цикла к циклу за счет пневматического амортизатора относительно фиксированного поршня. Затем при достижении необходимой энергии срабатывает золотник при движении пневмоцилиндра в сторону гидроствола, соединяя надпоршневую и подпоршневую полости. Пневмоцилиндр, реализовав всю энергию пневмоамортизатора последнего цикла, теперь имеет возможность совершить более длинный путь и совершает безударное рабочее вытеснение воды через ствол. Во время накапливания энергии поршневой группой торец плунжера не достигал канала, связывающего полость ствола с гидропневмоаккумулятором, и жидкость свободно перетекала из-под плунжера в гидропневмоаккумулятор и обратно.

Отличительные признаки позволяют синхронизировать цикл привода и заливки воды в ствол, имея различное собственное время, в широких пределах менять мощность импульса настройкой параметров срабатывания золотника, применить менее громоздкий привод и систему его обеспечения в пределах технической возможности скорости заливки водой полости гидроствола.

Указанные отличия отвечают критериям "Новизна" и "Существенные отличия".

На фиг. 1 дано устройство, разрез, с использованием двигателя внутреннего сгорания; на фиг. 2 устройство с электромагнитным приводом.

Обе модификации отвечают единому изобретательскому замыслу.

Первая из них включает в себя гидроимпульсный ствол 1 с гидроускорительной камерой 2, запорным краном 3 и уплотнительной втулкой 4. С помощью направляющих штанг 5, которые в данной модификации несут корпусные функции, гидроимпульсный ствол 1 жестко связан со станиной 6, оборудованный цилиндром 7 горения.

Поршень 8 горения связан с штоком 9, который фиксируется в станине 6 в граничных положениях поршня 8 с помощью бурта 10.

Свободный конец штока 9 оборудован пневматическим поршнем 11, а пневматический поршень 11 помещен в пневмоцилиндр 12 высокого давления, установленного на направляющие 5. Обе его полости надпоршневая 13 и подпоршневая 14 снабжены пневмоизолирующими эластичными рубашками 15 и 16 соответственно, которые при движении цилиндра и поршня один относительно другого вальцуются и обкатывают поверхности без трения. Рубашки выполнены из композитного синтетического высокопрочного материала с устойчивостью к температуре +200^оС и позволяют исключить внутриполостные утечки высоконапорного газа (воздух, СО₂, азот и т. д. ), который закачивается через соединительный канал 17 и затем периодически подпитывается через штуцер 18. Давление газа может достигать 5-10, МПа, причем в охлажденном до окружающей температуры состоянии.

Соединительный канал 17 нормально перекрывает полости 13 и 14 между собой золотниковым устройством 19, причем упорная головка золотника 20 выполнена с возможностью взаимодействия с шарнирным упором 21, связанным с электромагнитным толкателем 22 высокоскоростного срабатывания.

Передний торец пневмоцилиндра 12 оборудован замковым устройством 23 для крепления головки вытеснительного плунжера 24.

Между пневмоцилиндром 12 и стволом 1 помещены упругие элементы 25, возвращающие его в центральное положение относительно поршня 11 после гидроимпульсного цикла, связанного с соединением полостей 13 и 14 и возвращения в исходное положение для накопительных колебаний в системе привода. В верхний торец пневмоцилиндра (фиг. 1) ввинчен палец 26 с инерционным включателем 27 зажигания в камере горения, который имеет контакты 28 и 29 на плавающей втулке 30, которая имеет некоторый упругий ход при взаимодействии с головкой пальца 26.

Контакты 29 связывают электрическую сеть зажигания в камере горения, а вторая пара контактов 31 при достижении заданного дамического режима пневмоцилиндром 12 замыкается на катушке толкателя 22 и одновременно на электромагнитном приводе крана 3.

Гидроускорительная камера 2 в зоне, предшествующая рабочему взаимодействию вытеснительного плунжера 24 с жидкостью, соединена каналом 32 с пневмогидроаккумулятром 33, который в свою очередь связан с сетью питания водой 34 и подкачки сжатого воздуха 35.

Модификация с электромагнитным приводом, работающим в обе стороны, отличается наличием секционных катушек 36 с инерционными включателями 27 на обоих торцах пневмоцилиндра 12.

Шток 9 здесь закреплен в торцовой крышке 37 жестко, а канал 17 полостей 13 и 14 выполнен внутренним, в теле поршня 11 с помощью тяги, связывающей золотниковое устройство 19 с электромагнитным толкателем 22.

Тело пневмоцилиндра помещено в кольцевые направляющие 38, выполненные из графитового чугуна, причем они могут выполняться самоцентрирующимися с помощью упругих колец 39.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

В первой модификации через выхлопной канал подается пульсирующий сжатый воздух и производится раскачка пневмоцилиндра 12 до достижения им энергии, достаточной для зажигания топливной смеси в цилиндре 7 горения. После чего включается в работу пошень 8 горения, который управляется по обратной связи пневмоцилиндром 12.

При ходе пневмоцилиндра 12 в сторону камеры горения он воздействует на поршень 11 с помощью сжатого газа в полости 13, в то время как в полости 14 давление несколько снижается.

Поршень 11 вынуждает поршень 8 горения сжать топливную смесь и включить зажигание в самом конце хода пневмоцилиндра, когда включатель 27, двигаясь по инерции, во время остановки пневмоцилиндра с помощью сжатого газа в полости 13 замыкает контакты 28 и 29. При срабатывании камеры горения поршень 11 также через газовую подушку в полости 13 толкает пневмоцилиндр 12. Обратный его ход выполняется увеличившимся давлением газа в полости 14. Далее приводные накопительные циклы повторяются с наращиванием кинетической энергии пневмоцилиндра 12. При достижении такого уровня энергии, которая позволяет сжать газ в полости 13 до такого объема, что пневмоцилиндр 12 перемещает плавающую втулку 30 до замыкания контактов 31. Срабатывает электромагнитный толкатель 22 и катушка привода запорного крана 3 открывает выход из гидроускорительной камеры 2.

Шарнирный упор 21 размещен примерно на середине колебательного пути пневмоцилиндра 12. Головка золотника 20 входит во взаимодействие с упором 21 в то время, как полость 13 полностью разрядится на пневмоциилндр 12, который начинает двигаться по инерции.

Соединив в этот момент полости 13 и 14, начальное давление в них сохраняется примерно равным до конца рабочего хода без торможения.

Поскольку газовая подушка в полости 14 исчезает, пневмоцилиндр совершает наиболее длинный путь в сторону гидроускорительного канала. Плунжер 24, перекрыв канал 32, продолжает двигаться дальше и выбрасывает жидкость при высоком гидростатическом давлении.

До рабочего движения плунжер 24 свободно перегонял воду в пневмоаккумулятор и обратно без особых затрат энергии.

Электромагнитные приводы 22 и кран 3 обратный ход выполняют с замедлением, достаточным для выполнения рабочего цикла и для установки пневмоцилиндра 12 в среднее положение относительно поршня 11 при обратном ходе уже с помощью возвратных пружин 25. Канал 17 перекрывается, а сжатие топлива в новом цикле осуществляется с помощью возвратных пружин 25.

Далее цикл повторяется.

Работа второй модификации отличается только использованием другого вида энергии, имеющего экологические преимущества и действующего в обе стороны одинаково непосредственно на пневмоцилиндр посредством взаимодействия магнитного потока соленоида с наведением токов самоиндукции в теле пневмоцилиндра. Здесь представляется возможность жестко закрепить поршень 11, а соединение полостей 13 и 14 выполнить через тело поршня с помощью осевой тяги.

Инерционные включатели 27 описанным выше способом поочередно замыкают контакты 29 на контактах 28 противоположных плавающих втулок и переключают направление постоянного тока в соленоиде, причем пеpиод включения тока в каждом из двух направлений зависит от длины пальцев 26 и упругого пути втулок 30, позволяющих включателям 27 оставаться во включенном положении до момента их подхвата головками пальцев обратным ходом пневмоцилиндра 12.

Использование изобретения позволяет регулировать мощность выходного гидроимпульса при использовании сравнительно маломощного привода с меньшими габаритами. При этом достигается полная синхронизация в непрерывном режиме более продолжительного цикла заливки гидроускорительного канала с более быстрыми циклами привода, причем достигается мягкость взаимодействия частей устройства, что уменьшает износ и повышает надежность, а также применить гидроимпульсы более высокой энергии.

Использование: разрушение горной породы импульсной струей воды. Сущность изобретения: водомет содержит ствол 1, расположенный в гидроускорительной камере 2, плунжер 24 с приводом, пневмоцилиндр 12, пневматический поршень 11, инерционный включатель 27 и гидропневмоаккумулятор 33. Пневмоцилиндр 12 установлен с возможностью возвратно-поступательного перемещения и связан с плунжером 24. Пневматический поршень 11 закреплен на опорном штоке 9 и размещен в пневмоцилиндре с образованием надпоршневой 13 и подпоршневой 14 полостей. Гидропневмоаккумулятор 33 сообщен с гидроускорительной камерой 2. Полости 13, 14 соединены между собой через золотниковый механизм 19. 2 ил.

ИМПУЛЬСНЫЙ ВОДОМЕТ, включающий ствол, закрепленный на корпусе, и расположенный в гидроускорительной камере ствола плунжер, соединенный с приводом его перемещения через опорный шток, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности водомета при разрушении горных пород за счет увеличения мощности гидроимпульса, он снабжен пневмоцилиндром, расположенным в корпусе с возможностью возвратно-поступательного перемещения и связанным с плунжером, пневматическим поршнем, закрепленным на опорном штоке и размещенным в вневмоцилиндре с образованием надпоршневой и подпоршневой полостй, заполненных газов, инерционным включателем, установленным на пневмоцилиндре, и гидропневмоаккумулятором, сообщенным с гидроускорительной камерой ствола, при этом надпоршневая и подпоршневая полости соединены между собой посредством золотникового механизма с приводом, а инерционный выключатель соединен с приводом перемещения плунжера и с приводом золотниковаого механизма с возможностью их одновременного включения.