ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ОТБОЙНЫЙ МОЛОТОК
HYDRAULIC ROCK BREAKER

Область техники, к которой относится изобретение.
Техническое решение касается гидравлического отбойного молотка (молота), относящегося к разряду переносных перфорирующих устройств ударного действия, предназначенных для разрушения горных пород, железобетона и других материалов естественного и искусственного происхождения (объект работы). Это устройство с молотом поршневого типа, возвратно-поступательного движения, в котором рабочий инструмент - зубило получает удары от сообщающего импульс элемента под напором жидкости.
Существующий уровень техники. Предпосылки к созданию изобретения.
Известные технические решения основаны на устройствах гидравлического управления ударника, представляющего промежуточный поршневой шток. Поршневой шток в средней части имеет увеличенный диаметр с функцией слабого запирания поршнем зазора цилиндра. Поскольку ударник имеет возможность контакта части поршня ударника с цилиндром в его статическом положении, необходим достаточно значительный зазор, что приводит к большим проточным потерям. Это имеет большое влияние на снижение эффективности молота. Подача напорного масла от управляющего механизма в рабочие камеры цилиндра посредством каналов несущего корпуса своим гидравлическим сопротивлением снижают эффективность молота, особенно при ударном движении ударника. Переключающий импульс регулируемого механизма в верхнем положении поступает через управляющий канал в цилиндре. Этот канал не позволяет герметизацию поршня ударника уплотняющей манжетой. Поэтому диаметр ударника принимается возможно минимальным. При этом для заданной массы увеличивается длина ударника. Следствием этого является снижение осевой жесткости, а также понижение силы удара при одинаково достигаемой скорости.
Несущий монтажный корпус и его внутренние агрегаты собираются из частей, скрепляемых удлиненными винтовыми крепежными соединениями, которые своей упругостью снижают деструкционное действие нижней части молота и ослабляют воздействие выносной стрелы рабочей машины. Крепежные соединения напряжены до такой степени, что это приводит не только к пластической деформации, но даже к разрыву самого винтового соединения. Пластическая деформация устраняется подтягиванием гаек. Избыточная энергия воспринимается рабочим инструментом через поперечную шип-цапфу. При этом повреждается посадка опоры цапфы, рабочий механизм и сама цапфа. В это время ослабленный шток рабочего инструмента вызывает поломку.
Рабочий инструмент - термически закаленная стальная втулка расположена в нижней части молота. Здесь происходит заедание посадки с постепенным расширением зазора. Вследствие этого происходит проникновение пыли и грязи к месту посадки, в результате возникновение эксцентричности удара ударником по головке рабочего инструмента. Поэтому для работы под водой в зазор посадки подается сжатый воздух. Известны решения, при которых эти проблемы решаются эластичным уплотнением при одновременном интервальном подводе смазки от агрегата рабочей машины.
Прижимная сила рабочей машины переносится на рабочий инструмент молота воздействием на круговую поверхность головки инструмента уменьшенного диаметра. Однако это ослабляет головку инструмента, что является причиной его изъяна или разрушения.
Молот как одно целое механически защищают, размещая в кожух, крепящийся на рабочую машину с помощью приспособления (адаптера). Существуют известные решения, при которых, с целью снижения неблагоприятных воздействий на рабочую машину, молот размещают в кожух упруго-эластично, или конструируют так, чтобы ограничить бесполезные (холостые) удары. Эта концепция работает с протяженным отводным протоком и при включении функции этого инструмента возрастает давление в гидравлической системе до уровня предельного давления. Это неблагоприятно влияет на всю гидравлическую систему при одновременном перегреве рабочей жидкости. Также известны решения, при которых этот кожух обкладывают акустическим изоляционным материалом, чтобы снизить внешнюю шумливость молота.
Общим признаком известных молотов является их значительная притязательная технология, большая масса, размеры и восприимчивость к обращению.
Сущность изобретения.
Упомянутые недостатки, согласно мнению изобретателя, устраняет техническое решение, основанное на инверсионной концепции, когда ударником является цилиндр, посаженный на шток и жестко соединенный с несущим корпусом. Управление осуществляется гидравлическим триггером, реагирующим только на оба крайних положения (позиции) ударника. Управляющий элемент, размещенный на штоке, переключает направление движения напорной рабочей жидкости с высокой быстротой. В крайних позициях - гидравлически заторможенный. В случае выхода рабочего инструмента за пределы рабочего хода давление рабочей жидкости в системе понижается, функция молота прекращается. Не выполняются удары вхолостую и не перегревается рабочая жидкость.
Используемый в других молотах высоконапорный аккумулятор здесь замещен преобразователем давления (мультипликатор) с цилиндром и поршнем. Поршень имеет с одной стороны газовую камеру низкого давления, совместную с ударником, и с другой стороны балансную камеру, которая соединена с газовой камерой только в исходном положении. Цилиндр мультипликатора, подсоединенный к приводу напорной рабочей жидкости, в результате параллельного движения поршня мультипликатора с ударником обеспечивает почти постоянное давление в гидравлической системе, при этом управляющим воздействием демпфера в зависимости от протока устраняются вибрации движения ударника.
Сущность гидравлического отбойного молота, по мнению изобретателя, заключается в том, что в верхней части цилиндрического несущего корпуса находится неподвижно вложенный шток с поршнем, на который установлен поршень мультипликатора, подвижное клапанное кольцо и ударник, введенный во втулку вложенным к внутренней стенке несущего корпуса. В корпусе штока создан разгонный подводящий канал с отводками, заканчивающийся управляющим (распределительным) каналом, и разгонный возвратный канал с отводкой, предназначенными для протекания напорной рабочей жидкости. В штоке созданы другие отверстия из поверхности в управляющий канал, в котором размещен переключающий элемент оболочковой конструкции. Клапанное кольцо оснащено внутренним углублением, установлено на шток нижней частью в области ее уменьшенного диаметра. Верхняя часть клапанного кольца установлена на корпусе штока со стационарным диаметром. В полости кольца, формируемой заглублением, выведен первый канал с управляющего канала. В несущий корпус с другой, нижней, стороны свободно вставлен рабочий инструмент во втулку таким образом, что не будет задира. С внешней стороны втулка защищена от рабочей среды, герметизирована и закрыта крышкой. Короткий жесткий ударник обладает большей силой удара, поэтому диаметр (площадь окружности) головки рабочего инструмента инверсионно увеличен. Инструмент не имеет ослабления для защищающей шип - цапфы. Новая форма инструмента устойчива против перелома во время напряжения. Молот может работать под грунтовой водой без подачи продувного воздуха. Для случая внезапного (резкого) разлома разрушаемого препятствия (барьера, породы - объект работы) инструмент является аксиально гибким. Против возникновения ударов вхолостую молот оснащен предохранительной циркуляцией, при которой, в отличие от известных решений, повышение давления в гидравлической системе не превышает величины допустимого (безопасного) давления. Если ударник выйдет за пределы рабочей площадки, то давление, наоборот, понизится, чем немедленно прекратится функция молота. Управляющий гидравлический триггер переключается с достаточной скоростью, в концевых позициях является гидравлически заторможенным и не является функцией гидравлических сопротивлений. Весьма трудная шумозащита реализована укладкой молота в кожух, то есть перемещением источника акустической нагрузки (ударник - рабочий инструмент) во внутрь.
Другие преимущества заключаются в уменьшении габаритов и снижением массы молота по сравнению с другими известными молотами, что расширяет его применение в большом перечне рабочих машин. Молот не содержит винтовых (болтовых) крепежных соединений. Части молота после монтажа достаточно прочно удерживаются связанными в целое давлением наполнительного газа, в качестве которого используют обычный азот. Молот не требует техобслуживания. Смазка втулок рабочего инструмента осуществляется автоматически по возвратной ветви низкого давления.
Краткое описание чертежей
Далее изобретение, пригодное для реализации на практике, будет описано более подробно со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:
на фиг.1 изображен схематичный вид исполнения гидравлического отбойного молотка в продольном разрезе;
на фиг.2 изображен схематичный вид разреза управляющего механизма на фиг.1;
на фиг.3 изображен схематичный вид гидравлического отбойного молотка в продольном разрезе с показом предохранительного кольца.
Для ясности на чертежах изобретение показано в упрощенном виде. Одинаковые ссылочные позиции на чертежах обозначают одинаковые элементы, их работа и свойства будут повторяться на чертежах в случаях необходимости их понимания.
Подробное описание изобретения. Примеры выполнения.
Гидравлический отбойный молоток включает четыре основные детали: монолитный цилиндрический несущий корпус 1, поршневой шток 2, ударник 3 и рабочий инструмент 4. В несущем корпусе находится неподвижно размещенный поршневой шток 2, его подача ограничена предохранительным кольцом 5. На шток насажен подвижный ударник 3, изготовленный как тело вращения (в форме цилиндра), в котором аксиально просверлено отверстие, соответствующее диаметру поршневого штока 2, с внутренним углублением, полость которого после насаждения ударника 3 на поршневой шток 2 делится уплотнительным поршнем 21 на первую камеру 41 и вторую камеру 42. В полости первой камеры 41 поршневой шток 2 имеет уменьшенный диаметр (уменьшенную внешнюю образующую окружность). В этом месте на поршневой шток 2 установлена клапанная кольцевая втулка (кольцо) 23. Размер клапанного кольца превышает часть поршневого штока, имеющего уменьшенный диаметр. В этом положении клапанное кольцо 23 на стороне ближе к поршню 21 выставлено так, что его лобовая часть имеет осевое отверстие, соответствующее окружности поршневого штока 2 в его несуженой части. На противоположной стороне клапанное кольцо 23 имеет осевое отверстие, соответствующее диаметру поршневого штока 2 в его суженной части. Между обеими крайними (противоположными) сторонами клапанное кольцо 23 имеет углубление, которым, после установки клапанного кольца 23 на поршневой шток 2, создана между этими двумя элементами полость 46 в кольце. Внутри поршневого штока 2 создан разгонный подводящий канал 6 с первой отводкой 7, третьей отводкой 9 и четвертой отводкой 10. На конце подводящего канала 6 предусмотрено место для помещения (вложения) переключающего элемента 20 оболочковой конструкции. Переключающий элемент 20 выполнен в форме кольца с распределенными внешними и внутренними окружностями таким образом, что целая площадь ее нижней крайней стороны больше, нежели чем площадь верхней крайней стороны. Переключающий элемент 20 имеет перепускной канал 14 и впускной канал 15. При установке переключающего элемента 20 формируются четыре полости: нижняя 47, меньшая 48, средняя 49 и верхняя 50. Нижняя полость 47 соединена с полостью 46 в кольце первым каналом 16. Меньшая полость 48 соединена с поверхностью поршневого штока 2 в первой камере 41 нижнего жиклера 22 и вторым каналом 17. Средняя полость 49 соединена с четвертой отводкой 10 подводящего канала 6. С переключающим элементом 20 связан впускной канал 15. Верхняя полость 50 соединена с подводящим каналом 6 через его третью отводку 9. С поверхностью поршневого штока 2 она связана через пятый канал 31 и верхний жиклер 11. К переключающему элементу 20 с поверхности поршневого штока 2 подведены с обеих сторон поршня 21 каналы: из первой камеры 41 третий канал 18, из второй камеры 42 четвертый канал 19. Через третий канал 18 и перепуск 14 первая камера 41 постоянно соединена с возвратным каналом 12, созданным в поршневом штоке 2.
Ударник 3 вставлен в неметаллическую, например из полимера фторопласт, герметизированную осево-подвижную втулку 24, размещенную в несущем корпусе 1. В верхней части поршневого штока 2 смонтирован малоразмерный преобразователь давления, включающий колоколобразный поршень 25, герметизированный цилиндр 43 и компенсационную камеру 44, таким образом, что полость цилиндра 43 образуется поверхностью поршня 25 и поршневого штока 2, с подсоединением к первой отводке 7 подводящего канала 6. Герметизированная компенсационная камера 44 образована между поршнем 25 и крышкой поршневого штока 2. Объем газовой камеры 45 в несущем корпусе 1 ограничен втулкой 24, ударником 3, поршневым штоком 2 и поршнем 25 преобразователя давления. В основной позиции поршня 25 преобразователя давления компенсационная камера 44 связана с газовой камерой 45 соединяющим каналом 26. Рабочий инструмент 4 в несущем корпусе 1 выставлен при посредстве неметаллической (например, из полимера фторопласт) втулки 27, которая может быть выполнена как тройчатая 27.1, 27.2, 27.3, при этом ее средняя часть выполняется как эластично-упругая вставка 27.2. Втулка 27 относительно рабочего инструмента 4 герметизирована плавающим металлическим маслосъемным кольцом 28, снабженным прокладкой, по отношению несущего корпуса 1 осево-неподвижными. Нижняя крышка 29 от выброса застрахована предохранительным кольцом 30 под постоянным предварительным напряжением, вызванным силой давления газа в газовой камере 45. Герметизация втулок 27 от несущего корпуса 1, втулки 24 от несущего корпуса 1 и ударника 3, ударника 3 от поршневого штока 2, поршня 21 от ударника 3, поршня 25 преобразователя давления от поршневого штока 2 и поршневого штока 2 от несущего корпуса 1 выполняется прокладочными манжетами (на чертежах не показаны). Описанный в примере гидравлический отбойный молоток собирается без винтовых крепежных соединений.
Гидравлический отбойный молоток оснащен предохранительной системой соединением углубления 51 с подводящим каналом 6 через первый предохранительный канал 53 и с возвратным каналом 12 через второй предохранительный канал 54. Углубление 51 выполнено из нижней лобовой части поршневого штока 2 в его нутро продольно оси поршневого штока 2, подвижной поршень 52 вложен в углубление 51.
До применения отбойного молотка в газовую камеру 45 вводят под давлением необходимое количество газа по каналу в затворе (на чертежах не показаны) поршневого штока 2. Давление сжатого газ выставит ударник 3 в положение, при котором ударник войдет в соприкосновение с втулкой 27. Этим движением головка рабочего инструмента 4 обособиться от лобовой части штока 2. Корпус ударника 3 прикроет верхний жиклер 11 и пятый канал 31. Рабочая жидкость воздействует на дне углубления 51 давлением на поршень 52, который выдвигается в постоянный контакт с рабочим инструментом 4. До тех пор, пока рабочий инструмент 4 не войдет в соприкосновение с объектом работы (или другим препятствием), его ударник 3 выдвинут на такой уровень, что и поршень 52, последующее движение рабочего инструмента 4, на своем обратном окончании, откроет до тех пор перекрытое соединение подводящего канала 6 с возвратным каналом 12 через первый и второй предохранительные каналы 53 и 54. В этом момент молот утрачивает рабочее давление жидкости, если давление ранее проявлялось. В результате такого соединения молот является неработающим. При перемещении рабочего инструмента 4 в молот - прижимом рабочей машины на объект работы - поршень 52 продвигается в поршневой шток 2 до прекращения соединения подводящего канала 6 с возвратным каналом 12 в углублении 51. Давление в отводках 7 и 10 подводящего канала 6 повысится. Полость 46 в кольце через первый канал 16 заполнится напорной рабочей жидкостью, которая переместит клапанное кольцо 23 в нижнее положение до самого ограничения. В этой позиции через нижний жиклер 22 и второй канал 17 меньшая полость 48 соединяется с первой камерой 41. Поскольку первая камера 41 постоянно соединена с возвратным каналом 12, меньшая полость 48 остается без повышенного давления. Через четвертую отводку 10 и третью отводку 9 давление повысится так же в средней полости 49 и в верхней полости 50. На лобовых частях переключающего элемента 20 возникнет, таким образом, неравномерность сил, которая приводит переключающий элемент 20 в быстрое движение по направлению к нижней полости 47. Рабочая жидкость перетекает из меньшей полости 48 в первую камеру 41 через второй канал 17 и нижний жиклер 22. В меньшей полости 48 повысится давление перекрытием второго канала 17, в результате чего переключающий элемент 20 начнет интенсивно тормозить. Опрокидывание переключающего элемента 20 заканчивается маленькой скоростью при разгрузке меньшей полости 48 в первую камеру 41 через нижний жиклер 22. Во время движения переключающего элемента 20 впускной канал 15 соединится с четвертым каналом 19 и соединение четвертого канала 19 с перепуском 14 переключающего элемента 20 прервется. Во второй камере 42 давление поднимется и введет ударник 3 в движение в направлении газовой камеры 45, преодолевая давление газа. При медленном движении тяжелого ударника 3 цилиндр 43 преобразователя давления предотвратит нарастание пика давления и поглотит разницу из константного расхода рабочей жидкости, питающей рабочую машину. Поршень 25 преобразователя давления при этом двигается против движения ударника 3. После запуска ударника 3 и достижения скорости, соответствующей питаемому расходу, поршень 25 преобразователя давления остановится в результате повышенного давления газа в газовой камере 45 и затем станет возвращаться в исходное положение. Рабочая жидкость, протекающая ныне из цилиндра 43 преобразователя давления через первую отводку 7, присоединяется к расходу жидкости, питаемой рабочую машину. В результате этого, скорость ударника 3 повышается. Надежное возвращение поршня 25 преобразователя давления в исходное положение обеспечивает гидравлическое демпфирование, поддерживаемое взаимодействием уравновешивающей камеры 44. Вследствие этого скорость ударника 3 бесперебойна, плавно снижается в соответствии с расходом жидкости рабочей машины и с этим параметром приближается к верхней поворотной (мертвой) точке рабочего хода (возвратно-поступательного движения). При этом движении лобовая часть ударника 3 в первой камере 41 перехватит клапанное кольцо 23 и понесет его с собой. Если при этом движении клапанного кольца 23 нижний жиклер 22 соединится с полостью 46 в кольце и второй канал 17 будет перекрывать корпус клапанного кольца 23, тогда давление в меньшей полости 48 будет повышаться. Поскольку поверхность лобовой части переключающего элемента 20 в нижней полости 47 и в меньшей полости 48 совместно больше, чем поверхность лобовых частей в средней полости 49 и верхней полости 50, то все полости находятся под высоким давлением рабочей жидкости, при этом переключающий элемент 20 начнет двигаться в направлении верхней полости 50. Скорость его движения скачкообразно увеличится после соединения второго канала 17 с полостью 46 в кольце. Во время этого движения вторая камера 42 отключится от подводящего канала 6 и переключится на первую камеру 41 через посредство четвертого канала 19, перепуска 14 и третьего канала 18. Взаимное соединение второй камеры 42 с первой камерой 41 происходит при заполнении меньшей полости 48 рабочей жидкостью через второй канал 17. Интенсивное замедление и торможение переключающего элемента 20 в верхнем положении выполняется посредством верхнего жиклера 11 после предшествующего перекрытия пятого канала 31 переключающим элементом 20. После отмены движущей силы во второй камере 42 движение ударника 3 в нынешнем направлении остановится и, в результате избыточного давления газа в газовой камере 45, повернется в противоположном направлении. Под действием давления в полости 46 кольца клапанное кольцо 23 вернется к нижнему ограничителю и обнажит второй канал 17 и нижний жиклер 22, в результате чего давление в меньшей полости 48 снизится. Низкое давление будет также в верхней полости 50, потому что пятый канал 31 и верхний жиклер 11 соединяют верхнюю полость 50 со второй камерой 42. Поскольку действующая поверхность лобовой части переключающего элемента 20 в нижней полости 47 больше, чем действующая поверхность лобовой части в средней полости 49, то переключающий элемент 20 остается в достигнутом положении почти все время движения ударника 3 к рабочей инструменту 4. До удара, после перекрытия пятого канала 31 ударником 3, в верхней полости 50 повысится давление, вследствие этого переключающий элемент 20 снова взводится и весь цикл повторяется. Во время движения ударника 3 к рабочему инструменту 4 в возвратный канал 12 рабочая жидкость не поступает, поэтому во второй камере 42, в первой камере 41, в меньшей полости 48 и в возвратном канале 12 давления нет. Все количество рабочей жидкости, питаемой рабочую машину, поступает лишь в цилиндр 43 преобразователя давления. В результате, поршень 25 преобразователя давления двигается в том же направлении, как ударник 3. Вследствие этого снижение давления газа в газовой камере 45 и повышение скорости ударника 3 замедлится. Если рабочая машина давит на молот, то во время движения ударника 3 при ударе головка рабочего инструмента 4 опирается на нижнюю лобовую часть поршневого штока 2, чем и предотвращается соединение подводящего канала 6 с возвратным каналом 12 через заглубление 51. После удара ударника 3 по головке рабочего инструмента 4, кинетическая энергия упругого удара передастся также на наконечник рабочего инструмента (зубило) 4. В случае резкого разлома объекта работы (прекращение сопротивления), головка рабочего инструмента воздействует на подрессоренную вставку 27.2, которая плавно примет на себя избыточную энергию рабочего инструмента. Ударник 3 опирается на втулку 27.1, и действие молота прекращается. Функция молота возобновляется после повторного нажатия рабочей машины на молот через посредство рабочего инструмента 4.
В другом примере реализации изобретения предохранительная система включает вторую отводку 8, просверленную из подводящего канала 6 на поверхность поршневого штока 2, возвратную отводку 13, выведенную из возвратного канала 12 на поверхность поршневого штока 2, из предохранительной камеры 40, изготовленной внутри верхней части ударника 3. Вторая отводка 8 и возвратная отводка 13 пролегают по линии, перпендикулярно к продольной оси молота. Остальное расположение элементов молота будет согласно предшествующему примеру.
До применения гидравлического отбойного молотка в газовую камеру 45 вводится газ требуемого давления через канал (схематически не изображен) и замыкание в поршневом штоке 2. Сжатый газ устанавливает ударник 3 в положение, при котором ударник 3 опирается на втулку 27. Этим движением головка рабочего инструмента 4 отдалится от лобовой части поршневого штока 2. Корпус ударника 3 перекрывает верхний жиклер 11 и пятый канал 31. Предохранительная камера 40, вторая отводка 8 и возвратная отводка 13 соединят подводящий канал 6 с возвратным каналом 12. В результате этого соединения молот находится в состоянии простоя. При нажатии рабочего инструмента 4 в молот от прижима рабочей машины на объект работы предохранительная камера 40 тоже продвинется. Соединение подводящего канала 6 с возвратным каналом 12 в результате этого прекратится. В отводках 7, 8, 9 и 10 подводящего канала 6 давление возрастет. Полость 46 в кольце через первый канал 16 заполнится напорной рабочей жидкостью, которая продвинет клапанное кольцо 23 в нижнее положение до отказа. С этого начинается рабочее действие молота, как это описано в первом примере реализации.
Функция предохранительной системы равным образом сработает в случае внезапного пролома объекта работы (прекращение сопротивления-помехи), рабочий инструмент 4 остановится. Молот не стучит вхолостую.
Преимуществом разработанных отбойных гидромолотов является, по мнению изобретателя, значительно повышенная рабочая мощность в результате высокого коэффициента эффективности, достигаемого величины 90%, и повышенная сила удара, которая вызвана многократной осевой жесткостью ударника 3.
Благодаря новой конструктивной форме рабочего инструмента 4 и размещению его в жесткий шлифованный монолитный корпус без отверстий, с фланцем для закрепления молота на рабочую машину через посредство адаптера, создан гидравлический отбойный молоток, предназначенный для самых сложных условий работы без ограничений.
Высокая скорость переключения в нижнем положении ударника 3 значительно снижает импульс силы откатки. Сравнительно незначительные размеры и масса молота, повышенная стойкость к повреждению позволяют использовать единый типоразмер молота для всех рабочих инструментов, массой до 12,5 тонн. Несущий корпус 1 является лишь одной цилиндрической совокупностью, без винтовых соединений и поперечных отверстий.