Вакуумная ударная машина двойного действия
DOUBLE ACTION VACUUM IMPACT MACHINE

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 вакуумная машина ударного действия по патенту РФ 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 посредством шланга, 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 аналога 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 с ударником.
Недостатком аналога является нечеткость переключения машины с прямого хода на обратный, что обосновано упругими свойствами указанного элемента, выполненного в виде тросиков или верёвок, приводящих к нестабильности перекрывания верхней камеры при срабатывании гравитационного переключателя, что снижает эффективность работы машины. Кроме того, указанный элемент в виде тросиков или верёвок в процессе постоянных динамических нагрузок теряет свои упругие свойства, что приводит к его износу и дальнейшей поломке, резко снижая надежность работы машины. Крепления этого элемента к золотнику и гравитационному переключателю также подвержены износу и поломке в процессе ударных нагрузок, что снижает надежность работы вакуумной машины ударного действия.
Другим наиболее существенным недостатком аналога является ограниченность его использования, т.к. упомянутая машина работает лишь в вертикальном положении и может наносить удар только вниз, являясь гравитационным механизмом, что значительно ограничивает её использование, а следовательно, эффективность. Расположение вакуум-компрессора вне корпуса машины увеличивает общие габариты и снижает её мобильность, приводя к износу и порыву шланга, что также снижает эффективность и надежность известной вакуумной машины ударного действия.
Наиболее близкой по технической сущности и совокупности существенных признаков является регулируемая вакуумная ударная машина по патенту РФ на полезную модель №194536, кл. Е21В 1/12, Е21С 37/24, В25D 9/08, В25D 9/14, опубл. в Бюл. №35 13.12.2019, содержащая корпус и размещенный в нем ударник, образующие нижнюю и верхнюю камеры, вакуум-компрессор, соединенный с верхней камерой посредством шланга, 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, причем указанный элемент выполнен в виде стержня, а гравитационный переключатель установлен в верхней его части с возможностью перемещения по нему.
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 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 с ударником через упомянутый элемент, который выполнен в виде стержня, а гравитационный переключатель установлен в верхней его части с возможностью перемещения по нему.
Недостатком известной машины является ограниченность её использования, т.к. она работает лишь в вертикальном положении и может наносить удар только вниз, являясь гравитационным механизмом, что значительно сужает область её применения. Кроме того, размещение вакуум-компрессора вне корпуса ударной машины влечет за собой коммутационные потери из-за шланга, соединяющего вакуум-компрессор с верхней камерой машины, что снижает её эффективность. Расположение вакуум-компрессора вне корпуса машины увеличивает общие габариты и снижает мобильность, приводя к износу и порыву шланга, что также снижает эффективность и надежность вакуумной машины ударного действия.
Проблема заключается в создании вакуумной ударной машины двойного действия с повышенной эффективностью за счет рекуперации энергии обратного хода ударника, повышения мобильности за счет снижения масса-габаритных параметров и расширения области её применения.
Проблема решается тем, что в вакуумной ударной машине двойного действия, 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 с ударником через упомянутый элемент, который выполнен в виде стержня, а гравитационный переключатель установлен в верхней его части с возможностью перемещения по нему, согласно техническому решению верхняя камера оснащена рекуператором энергии обратного хода ударника, установленным на элементе переключения инерционно-фрикционного клапана.
Разгон ударника происходит не только благодаря его силы тяжести, но и дополнительно от энергии, аккумулированной рекуператором энергии обратного хода ударника, что позволяет отнести данную машину к типу машин двойного действия.
Машина, благодаря установленному в верхней камере рекуператору энергии обратного хода ударника (энергии, аккумулированной в нём) может совершать удары в наклонном, горизонтальном направлениях и даже вверх, причем в автоматическом режиме, что значительно расширяет область её применения и, как следствие, эффективность. Регулирование энергии и частоты ударов машины при этом путем изменения энергетических параметров рекуператора обратного хода ударника позволяет осуществлять работу машины в различных режимах, что также повышает её эффективность.
Целесообразно, чтобы рекуператор энергии обратного хода ударника был выполнен в виде регулируемой пружины сжатия, что является наиболее простым и экономичным решением, повышается надежность машины, и как следствие, её эффективность.
Целесообразно, чтобы вакуум-компрессор был расположен в верхней камере вакуумной ударной машины, что снижает её масса-габаритные параметры, повышает её надежность (исключен износ и поломка шлангов), мобильность (машину проще перемещать в стесненных условиях: шахтах, подвалах, колодцах и т.д.), а значит и её эффективность.
Сущность технического решения поясняется примером конкретного исполнения вакуумной ударной машины двойного действия и чертежами фиг.1-3, где на фиг.1 изображена схема машины в исходном положении, продольный разрез, на фиг.2 – то же, при движении ударника вверх, на фиг. 3 – то же, в верхнем положении ударника.
Машина содержит корпус 1 (фиг.1-3) и размещенный в нем ударник 2, образующие нижнюю 3 и верхнюю 4 камеры, вакуум-компрессор 5, установленный в верхней камере 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), в котором размещен элемент 12 переключения клапана 8 (далее – элемент 12). На элементе 12, выполненном в виде стержня, в верхней его части установлен гравитационный переключатель 13 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, выполненный в крышке 16 корпуса 1, соединен с верхней камерой 4 и с атмосферой. Нижний торец элемента 12 оснащен опорной шайбой 17. На элементе 12 в верхней камере 4 установлен рекуператор энергии обратного хода ударника 2, например, в виде регулируемой пружины 18 сжатия, верхний конец которой установлен с упором в крышку 16 корпуса 1, а нижний конец – с упором в опорную шайбу 17 (фиг. 1).
Машина работает следующим образом. В исходном положении, когда машина установлена на рабочий инструмент 6, клапан 8 открыт (фиг. 1), верхняя камера 4 через канал 15 и через вакуум-компрессор 5 соединена с атмосферой. Нижняя камера 3 также соединена с атмосферой через канал 7. Регулируемая пружина 18 сжатия разжата. Гравитационный переключатель 13 расположен на резьбе 14 элемента 12 с упором в 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 камерах 3 и 4 ударник 2 движется вверх (фиг. 2). На заданной высоте подъема ударник 2 подхватывает снизу через опорную шайбу 17 элемент 12, свободно расположенный в отверстии золотника 9 клапана 8, и движется вверх вместе с ним и расположенным на элементе 12 гравитационным переключателем 13, сжимая при этом регулируемую пружину 18 сжатия. В верхнем положении ударника 2 элемент 12 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 и силы рекуператора обратного хода ударника 2 в виде регулируемой пружины 18 сжатия падает вниз вместе с элементом 12 и расположенным на нем гравитационным переключателем 13. На заданной высоте элемент 12 останавливается, поскольку гравитационный переключатель 13 ударом вбивает фрикционную втулку-седло 10 золотника 9 в канал 15, а клапан 8 упирается в крышку 16 корпуса 1, при этом 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 и частоту ударов машины.
Рекуператор обратного хода ударника 2, выполненный в виде регулируемой пружины 18 сжатия, позволяет осуществлять работу машины в любом положении (вертикально вниз, вверх, наклонном также вниз, вверх, горизонтальном), поскольку удар осуществляют посредством энергии, аккумулируемой в нём при обратном ходе ударника 2.