Компрессионно-вакуумная ударная машина двойного действия
DOUBLE ACTION COMPRESSION-VACUUM IMPACT MACHINE

Техническое решение относится к горному делу и строительству, а именно к машинам ударного действия, и может найти применение при отбойке монолитов, для разрушения устаревших фундаментов при реконструкции зданий и забивке свай, а также в сейсморазведке как источник возбуждения сейсмических волн на малых глубинах.
Известна компрессионно-вакуумная машина ударного действия  по патенту РФ № 2455444, Е21В 1/00, В25D 11/00, опубл. 10.07.2012, Бюл. № 19, первый вариант, содержащая корпус и размещенный в нем ударник, образующие нижнюю и верхнюю камеры, вакуум-компрессор, соединенный с верхней камерой, фиксатор для ударника, установленный в верхней части корпуса, и рабочий инструмент. Машина оснащена блоком управления, соединенным с вакуум-компрессором, а фиксатор для ударника выполнен в виде магнита с управляющей катушкой, соединенной с блоком управления, при этом нижняя камера соединена с атмосферой.
Общими признаками аналога и предлагаемого технического решения являются: корпус и размещенный в нем ударник, образующие верхнюю камеру и нижнюю камеру, соединенную с атмосферой, вакуум-компрессор, соединенный с верхней камерой, фиксатор для ударника в виде магнита, установленный в корпусе, рабочий инструмент.
Недостатком данной машины является низкая энергия удара, т.к. такая машина может работать только под действием сил гравитации и только в вертикальном положении, что резко снижает эффективность её работы. Кроме того, введение в машину блока управления усложняет и удорожает её конструкцию, приводит к учащению поломок, что снижает надежность её работы.
Наиболее близкой по технической сущности и совокупности существенных признаков является компрессионно-вакуумная машина ударного действия по патенту РФ на полезную модель № 147963, Е02D 7/10, В25D 9/16, опубл. 20.11.2014, Бюл. № 32, второй вариант, содержащая корпус и размещенный в нём ударник, образующие нижнюю и верхнюю камеры, вакуум-компрессор, фиксатор для ударника, выполненный в виде магнита с управляющей катушкой и установленный в верхней части корпуса. Машина снабжена поворотным двухлинейным распределителем рабочей среды золотникового типа, постоянно соединенным с вакуум-компрессором, попеременно двумя каналами – с нижней и верхней камерами и атмосферой  и оснащенным датчиком переключения, установленным с возможностью взаимодействия с заслонкой упомянутого распределителя и управляющей катушкой магнита.
Общими признаками прототипа и предлагаемого технического решения являются: корпус и размещенный в нем ударник, образующие нижнюю и верхнюю камеры, вакуум-компрессор, фиксатор для ударника, выполненный в виде магнита и установленный в корпусе, поворотный распределитель рабочей среды с заслонкой, постоянно соединенный с вакуум-компрессором.
Недостатком данной машины является её невысокая эффективность работы из-за необходимости использования только компрессионных функций вакуум-компрессора. Использование магнита с управляющей катушкой, а также датчика переключения, т.е. электронного оснащения, усложняет, удорожает, повышает возможность поломки машины из-за динамических процессов при её работе, что приводит к снижению надежности работы машины. Расположение поворотного распределителя вне корпуса машины увеличивает её общие габариты и ограничивает возможность использования в труднодоступных местах (например, подвалы, небольшие помещения, узкие штреки в шахтах), что также снижает эффективность её работы. Необходимость герметизации нижней камеры повышает сложность конструкции машины в изготовлении и сборке и соответственно её стоимость.  Коммутационные соединения (шланги, трубы и т.д.), подводящие рабочую среду от поворотного распределителя рабочей среды к верхней и нижней камерам, увеличивают утечки рабочей среды, при этом снижается давление рабочей среды на входе в верхнюю и нижнюю камеры, что снижает энергию и частоту ударов, а следовательно, эффективность работы машины.
Проблемы заключаются в повышении эффективности и надежности работы компрессионно-вакуумной ударной машины двойного действия за счет использования как компрессионного, так и вакуумного каналов вакуум-компрессора, и расположения поворотного распределителя рабочей среды с заслонкой внутри корпуса машины, а также отказа от использования электронного оборудования в её конструкции.
Решение проблем достигается тем, что в компрессионно-вакуумной ударной машине двойного действия, содержащей корпус и размещенный в нем ударник, образующие  нижнюю и верхнюю камеры, вакуум-компрессор, фиксатор для ударника, выполненный в виде магнита и установленный в корпусе, поворотный распределитель рабочей среды с заслонкой, постоянно соединенный с атмосферой и попеременно компрессионным каналом с вакуум-компрессором, а к нижней части корпуса присоединен обратный клапан сброса давления рабочей среды, согласно техническому решению  упомянутый поворотный распределитель рабочей среды, расположенный в верхней камере, соединен попеременно вакуумным каналом с вакуум-компрессором, а его заслонка, жестко связанная с днищем поворотного распределителя рабочей среды в его нижней части и оснащенная поворотным переключателем с пружиной кручения, установлена с возможностью попеременного соединения верхней камеры с компрессионным и вакуумным каналами вакуум-компрессора, при этом нижняя камера постоянно соединена с атмосферой, упомянутый обратный клапан установлен выше ударника в его нижнем положении, а фиксатор для ударника смонтирован на монтажном диске и подпружинен относительно него.
Использование компрессионного и вакуумного каналов вакуум-компрессора для обеспечения рабочего цикла машины значительно повышает эффективность её работы, поскольку предполагает отказ от герметизации нижней камеры и частичной герметизации верхней камеры, в которой расположен поворотный распределитель рабочей среды (полуавтомат), механически осуществляющий управление рабочим циклом, что упрощает конструкцию машины и удешевляет её изготовление и сборку.
Расположение поворотного распределителя рабочей среды в корпусе машины повышает эффективность работы за счет сокращения её габаритных размеров и позволяет эксплуатацию её в труднодоступных местах (подвалы, шахты и т.д.). Значительное сокращение длины коммутационных соединений  (шланги, трубы и т.д.) снижает утечки рабочей среды, вероятность их повреждения, относительное знакопеременное давление рабочей среды в верхней камере повышается, при этом увеличивается энергия и частота ударов машины, что приводит к повышению эффективности и надежности её работы.
Отказ от сложного электронного оборудования, быстро выходящего из строя из-за динамических нагрузок, также повышает надежность работы машины.
Подпружиненный фиксатор для ударника, смонтированный на монтажном диске, позволяет амортизировать энергию обратного хода ударника, предотвращая подброс машины вверх при взаимодействии ударника и подпружиненного фиксатора, а также её поломку.
Целесообразна установка фиксатора для ударника в средней части корпуса, что при уменьшении хода ударника значительно увеличит объем верхней камеры, которая в этом случае срабатывает как ресивер, позволяющий в 1,5-2 раза увеличить энергию удара.
Сущность технического решения поясняется примером конкретного исполнения компрессионно-вакуумной ударной машины двойного действия (далее – машина) и чертежами фиг.1,2, где на фиг.1 изображен общий вид машины в продольном разрезе в исходном положении, на фиг.2 – разрез А-А на фиг.1, стрелки на фиг.1,2 показывают движение рабочей среды.
Машина содержит (фиг.1, 2) корпус 1, размещённый в нём ударник 2, образующие нижнюю камеру 3 и верхнюю камеру 4, вакуум-компрессор 5, фиксатор 6 для ударника 2, выполненный в виде магнита и установленный в средней части корпуса 1, поворотный распределитель 7 рабочей среды (далее – распределитель 7), состоящий из днища 8 и жестко присоединенной к нему  в нижней части заслонки 9. Внутренняя боковая поверхность распределителя  7 - это верхняя часть корпуса 1, верхняя поверхность – его крышка (на фиг.1 поз. не обозначены). Элементы распределителя 7: днище 8,  заслонка 9, верхняя часть корпуса 1 и его крышка образуют рабочую камеру распределителя 7 (поз. не обозначена).  Заслонка 9 подпружинена пружиной 10 кручения к упору 11 на корпусе 1 при нагнетании давления рабочей среды в верхнюю камеру 4 вакуум-компрессором 5 через компрессионный канал 12. Упор 13 на корпусе 1 предназначен для фиксации распределителя 7 в положении, когда верхняя камера 4 соединена вакуумным каналом 14 с вакуум-компрессором 5. Распределитель 7 постоянно соединен с атмосферой через отверстие 15 в верхней части корпуса 1,  а нижняя камера 3 – через отверстия 16 корпуса 1. Заслонка 9 распределителя 7 жестко подсоединена при помощи стержня (поз. не обозначен) к поворотному переключателю 17 с пружиной 10 кручения. Для продувки машины на холостом ходу ударника 2, а также для сброса давления рабочей среды в верхней камере 4 в момент удара ударником 2 выше последнего к корпусу 1 присоединен обратный клапан 18 сброса давления рабочей среды. Фиксатор 6, выполненный в виде магнита, установлен в корпусе 1 на монтажном диске 19, имеющем отверстия. Для регулировки энергии удара монтажный диск 19 может перемещаться и фиксироваться на разных уровнях корпуса 1. Для амортизации обратного хода ударника 2 между фиксатором 6 и монтажным диском 19 на штифте 20, установленном с возможностью перемещения в центральном отверстии монтажного диска 19, установлена пружина 21.
Машина работает следующим образом. В исходном (нижнем) положении ударника 2 оператор включает вакуум-компрессор 5. Через компрессионный канал 12 вакуум-компрессора 5 рабочая среда поступает в верхнюю камеру 4 и через обратный клапан 18 сброса рабочей среды выхлопывается в атмосферу. Через отверстие 15 распределителя 7, расположенное в верхней части корпуса 1, рабочую камеру, образованную между крышкой и стенкой корпуса 1, днищем 8 и заслонкой 9 распределителя 7, вакуумный канал 14 вакуум-компрессора 5 рабочая среда из атмосферы поступает в вакуум-компрессор 5. Для взвода ударника 2 оператор поворачивает поворотный переключатель 17. Заслонка 9, жестко связанная с днищем 8 распределителя 7, поворачивается до упора 13 корпуса 1. Рабочая среда через компрессионный канал 12, рабочую камеру распределителя 7, отверстие 15 распределителя 7 выхлопывается в атмосферу, а вакуумный канал 14 соединяется с верхней камерой 4, в которой создается вакуум, в результате чего ударник 2 движется вверх до контакта с фиксатором 6. Пружина 21, сжимаясь, амортизирует энергию обратного хода ударника 2, предотвращая отскок машины  от рабочего инструмента и её поломку. После фиксации ударника 2 на фиксаторе 6 оператор отпускает поворотный переключатель 17, который посредством пружины 10 кручения возвращает заслонку 9 и днище 8 распределителя 7 в исходное положение до упора 11 корпуса 1. В верхнюю камеру 4, выполняющую также функцию ресивера, нагнетается под давлением рабочая среда через компрессионный канал 12 от вакуум-компрессора 5. При достижении максимального давления рабочей среды в верхней камере 4, превышающего силу притяжения ударника 2, происходит его отрыв от фиксатора 6. Ударник 2 движется вниз, где в конце прямого хода наносит удар по рабочему инструменту (поз. не обозначен). Одновременно из атмосферы через отверстие 15 и указанную рабочую камеру, вакуумный канал 14 рабочая среда поступает в вакуум-компрессор 5. При сейсморазведочных работах  машины оператор, проанализировав качество приемного сигнала, может изменить энергию удара, сместив вверх или вниз монтажный диск 19 корпуса 1. При отбойке монолитов оператор может поправить рабочий инструмент (например, клин) и далее продолжить работу. Рабочий цикл повторяется с необходимой рациональной частотой нанесения ударов ударником 2 по рабочему инструменту.
Разгон ударника 2 происходит не только благодаря силе тяжести, но и дополнительно от пневматического воздействия вакуум-компрессора 5 и  от установки фиксатора 6 для ударника 2 в средней части корпуса 1, при этом верхняя камера 4 выполняет функцию ресивера, что позволяет отнести данную машину к типу машин двойного действия.