Регулируемая вакуумная ударная машина

Техническое решение относится к горному делу, 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, кл. Е21В 1/00, В25D 11/00, опубл. в БИ № 19, 10.07.2012, 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, размещенный в нем ударник, образующие нижнюю и верхнюю камеры, рабочий инструмент, при этом нижняя камера соединена с атмосферой, а верхняя – с вакуум-компрессором.
Недостатком данной компрессионно-вакуумной машины ударного действия является сложность исполнения из-за использования электронного (блока управления) и магнитного (фиксатор с электрической катушкой) оборудования, что неизбежно ведет к повышению стоимости машины и вероятности её поломок.
Кроме того, как показывают экспериментальные исследования, даже оснащение её рабочего инструмента магнитом с управляющей катушкой не только повышает сложность конструкции, её стоимость и вероятность поломок, но также не предотвращает основной недостаток – повторный удар (отскок) ударника, присущий многим машинам ударного действия и являющийся причиной остаточного давления рабочей среды на ударник, что неприемлемо в таких областях применения как сейсморазведка.
Наиболее близкой по технической сущности и совокупности существенных признаков является вакуумная машина ударного действия по патенту на полезную модель № 163465, кл. Е21В 1/12, опубл. в БИ № 20, 20.07.2016г., содержащая корпус и размещенный в нем ударник, образующие нижнюю и верхнюю камеры, вакуум-компрессор, соединенный с верхней камерой, рабочий инструмент, при этом нижняя камера соединена с атмосферой. Упомянутая машина снабжена гравитационным переключателем и инерционно-фрикционным клапаном, размещенным в верхней части корпуса и содержащим подпружиненный золотник с фрикционной втулкой-седлом, при этом подпружиненный золотник в нижней части соединен с верхней частью элемента, выполненного гибким и связанного нижней частью с гравитационным переключателем, установленным с возможностью периодического взаимодействия с ударником.
Общими признаками прототипа и предлагаемого технического устройства являются: корпус и размещенный в нем ударник, образующие нижнюю и верхнюю камеры, вакуум-компрессор, соединенный с верхней камерой, рабочий инструмент, при этом нижняя камера соединена с атмосферой, гравитационный переключатель и инерционно-фрикционный клапан, размещенный в верхней части корпуса и содержащий подпружиненный золотник с фрикционной втулкой-седлом, при этом подпружиненный золотник соединен с элементом, связанным с гравитационным переключателем, установленным с возможностью периодического взаимодействия через упомянутый элемент с ударником.
Недостатком прототипа является нечеткость переключения машины с прямого хода на обратный, что обосновано упругими свойствами гибкого элемента, приводящими к нестабильности перекрывания верхней камеры при срабатывании гравитационного переключателя, что снижает эффективность работы машины. Кроме того, гибкий элемент в процессе постоянных динамических нагрузок теряет свои упругие свойства, что приводит к его износу и дальнейшей поломке, резко снижая надежность работы машины. Крепления гибкого элемента (тросиков или веревок) к золотнику и гравитационному переключателю также в процессе ударных нагрузок подвержены износу и поломке, что снижает надежность  работы вакуумной машины ударного действия.
Проблема заключается в создании регулируемой вакуумной ударной машины, в которой предусмотрено эффективное и надежное переключение с прямого хода на обратный и наоборот за счет отказа от использования в конструкции для этого гибких элементов и их креплений к жестким деталям машины.
Проблема решается тем, что в  регулируемой вакуумной ударной машине, содержащей корпус и размещенный в нем ударник, образующие нижнюю и верхнюю камеры, вакуум-компрессор, соединенный с верхней камерой, рабочий инструмент, при этом нижняя камера соединена с атмосферой, гравитационный переключатель и инерционно-фрикционный клапан, размещенный в верхней части корпуса и содержащий подпружиненные золотник с фрикционной втулкой-седлом, при этом указанный золотник соединен с элементом переключения инерционно-фрикционного клапана, связанным с гравитационным переключателем, установленным с возможностью периодического взаимодействия через упомянутый элемент с ударником, согласно техническому решению указанный элемент выполнен в виде стержня, а гравитационный переключатель установлен в верхней его части с возможностью перемещения по нему.
Выполнение элемента переключения инерционно-фрикционного клапана в виде стержня позволяет исключить изменение его свойств, размеров и т.д. в процессе работы в отличие от гибкого элемента в прототипе. Такая конструкция упомянутого элемента обеспечивает надежное и стабильное взаимодействие золотника с втулкой-седлом, и как следствие, повышает эффективность и надежность работы машины.
Перемещение гравитационного переключателя по жесткому элементу дает возможность не только регулировать энергию наносимого по рабочему инструменту удара, подавая вакуум в верхнюю камеру в необходимый момент времени, но также предотвращать и повторный удар путем предварительной подачи вакуума в верхнюю камеру и «подхвата» ударника, что особенно важно при сейсморазведке. Перечисленная совокупность признаков повышает эффективность и надежность предлагаемой регулируемой вакуумной ударной машины.
Сущность технического решения поясняется примером конкретного исполнения регулируемой вакуумной ударной машины и чертежами фиг. 1-3, где на фиг. 1  изображена схема регулируемой вакуумной ударной машины в исходном положении, продольный разрез, на фиг.2 - то же при движении ударника вверх, на фиг. 3 – то же в верхнем положении ударника.
Регулируемая вакуумная ударная машина содержит корпус 1 (фиг.1-3) и размещенный в нем ударник 2, образующие нижнюю 3 и верхнюю 4 камеры, вакуум-компрессор 5, соединенный с верхней камерой 4, рабочий инструмент 6. Нижняя камера 3 соединена каналом 7 с атмосферой. В верхней части корпуса 1 размещен инерционно-фрикционный клапан 8 (далее – клапан 8), содержащий золотник 9 с фрикционной (например, резиновой) втулкой-седлом 10, подпружиненные пружиной 11. Золотник 9 клапана 8 выполнен со сквозным продольным отверстием (поз. не обозначено) для размещения в нем элемента 12 переключения клапана 8 (далее – элемент 12). На элементе 12, выполненном в виде стержня, в верхней его части установлен гравитационный переключатель 13 большего диаметра, чем диаметр упомянутого отверстия в золотнике 9. Гравитационный переключатель 13 установлен с возможностью периодического взаимодействия через элемент 12 с ударником 2. При этом гравитационный переключатель 13 может перемещаться по элементу 12, например, посредством резьбы 14. Канал 15 соединен с верхней камерой 4 и  с атмосферой.
Машина работает следующим образом. В исходном положении клапан 8 открыт (фиг. 1) и верхняя камера 4 через канал 15 соединена с атмосферой. Ударник 2 находится на рабочем инструменте 6. Гравитационный переключатель 13, расположенный на резьбе 14 элемента 12 опирается на клапан 8. Включают вакуум-компрессор 5. Вручную нажимают на клапан 8 (элемент 12) вниз до упора, преодолевая сопротивление пружины 11. Фрикционная втулка-седло 10 золотника 9 перекрывает канал 15. Верхняя камера 4 отсекается от атмосферы. Благодаря работе вакуум-компрессора 5 в верхней камере 4 возникает вакуум. За счет разницы давлений в этих камерах 3 и 4 ударник 2 движется вверх (фиг. 2). На заданной высоте подъема ударник 2 подхватывает снизу элемент 12, свободно расположенный в отверстии золотника 9 клапана 8, и движется вверх вместе с ним и расположенным на элементе 12 гравитационным переключателем 13. В верхнем положении ударник 2 выталкивает фрикционную втулку-седло 10 золотника 9 из канала 15 (фиг. 3). Канал 15 открывается и верхняя камера 4 соединяется с атмосферой. Ударник 2 под действием силы тяжести падает вниз вместе с элементом 12 и расположенным на нем гравитационным переключателем 13. На заданной высоте элемент 12 останавливается, гравитационный переключатель 13 ударом вбивает фрикционную втулку-седло 10 золотника 9 в канал 15 и верхняя камера 4 перекрывается от атмосферы. Ударник 2 продолжает движение вниз и в конце рабочего хода наносит удар по рабочему инструменту 6. Ещё до удара в верхней камере 4 начинает образовываться вакуум. Повторного удара не происходит, поскольку ударник 2 подхватывается вакуумом в верхней камере 4 и движется вверх. Цикл повторяется в автоматическом режиме до тех пор, пока не выключат вакуум-компрессор 5 или механически не зафиксируют клапан 8 в верхнем положении. Перемещая гравитационный переключатель 13 вверх или вниз по резьбе 14 элемента 12 можно очень точно регулировать энергию удара машины.