ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ ПОДЪЕМНИК
PNEUMATIC ELEVATOR

Техническое решение относится к машиностроению, в частности к машинам ударного действия, и может быть использовано в сейсморазведке, строительстве и горном деле.
Известен пневматический подъемник по патенту РФ №2055803, В66В 9/04, опубл. 10.03.1996, содержащий установленный вертикально трубчатый корпус, в котором размещено подъемное средство с уплотнением, взаимодействующее с грузонесущим элементом, и систему подачи рабочего агента, сообщенную с полостью корпуса. Подъемное средство снабжено штоком с замком одностороннего хода для грузонесущего элемента, проходящим через отверстия, выполненные в днищах корпуса, при этом подъемное средство представляет собой эластичную мембрану в виде рукава, один конец которого закреплен по периметру корпуса, а другой замкнут на замке, эластичная мембрана делит корпус на две камеры, каждая из которых сообщена с системой подачи рабочего агента.
Недостатком данного пневматического подъемника является низкая эффективность работы в связи с ограничением его подъемной силы и высоты подъема параметрами трубчатого корпуса. Из-за сложной системы подачи и отвода рабочего агента и сложности конструкции пневматического подъемника, т.к. он имеет две герметичные камеры управления и клапаны для удаления рабочего агента, происходит снижение надежности его работы.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является пневматический подъемник по патенту РФ №2497744 опубл. 10.11.2013, Бюл. №31, содержащий установленный вертикально трубчатый корпус, в котором размещено подъемное средство, представляющее собой эластичную мембрану в виде рукава, один конец которого закреплен по периметру трубчатого корпуса, а другой - на замке, взаимодействующем через шток с поднимаемым элементом, и систему подачи и отвода рабочего агента в трубчатый корпус, при этом он снабжен диском-фиксатором, оснащенным магнитом, а рукав, выполненный большего диаметра, чем диаметр трубчатого корпуса, установлен с возможностью нахождения вне и внутри трубчатого корпуса, при этом поднимаемый элемент выполнен в виде ударника с кольцевой камерой отрыва, взаимодействующего с диском-фиксатором, жестко закрепленным в нижней части штока и имеющим каналы, которыми кольцевая камера отрыва ударника соединена с рабочей камерой, расположенной между рукавом и диском-фиксатором, при этом система подачи и отвода рабочего агента выполнена в виде распределителя, соединенного с источником рабочего агента, указанной рабочей камерой и атмосферой, а камера под ударником постоянно соединена с атмосферой.
Недостатками этого пневматического подъемника является невысокая эффективность его работы в связи с использованием в данной конструкции лишь половины возможного подъемного усилия, развиваемого рукавом, т.к. в этом случае:
п
p
F=P·S/ 2,
п
где F - подъемная сила,
Р - давление от источника рабочего агента,
p
S - площадь рукава при раздутии.
В формуле появляется коэффициент 1/2 вследствие того, что один из концов рукава жестко закреплен за край трубчатого корпуса, а второй - жестко закреплен на замке диска-фиксатора. Отсюда появляется продольная сила натяжения рукава, направленная вниз и равная по величине усилию растяжения штока пневматического подъемника. Это приводит к двукратному снижению подъемной силы пневматического подъемника.
Кроме того, в данном пневматическом подъемнике отвод рабочего агента в атмосферу происходит слишком медленно, т.к. сдутие рукава производится только под действием силы тяжести диска-фиксатора, что затрудняет процесс возврата рукава в исходное положение, увеличивая время цикла ударной машины, т.е. снижает частоту ударов и, как следствие, эффективность работы пневматического подъемника.
Технические задачи - повышение эффективности работы пневматического подъемника за счет увеличения его энергетических показателей (подъемной силы и частоты ударов) без изменения геометрических размеров трубчатого корпуса, за счет повышения быстродействия путем увеличения скорости отвода рабочего агента из рукава в атмосферу и повышения его мобильности при расширении возможностей путем регулирования высоты подъема ударника и повышении надежности его работы за счет предотвращения выхода диска-фиксатора из трубчатого корпуса.
Поставленные задачи решаются тем, что в пневматическом подъемнике (далее - подъемник), содержащем установленный вертикально трубчатый корпус, в котором размещено подъемное средство, представляющее собой эластичную мембрану в виде рукава, выполненного большего диаметра, чем диаметр трубчатого корпуса и установленного с возможностью нахождения вне и внутри него, при этом один конец рукава закреплен по периметру кромки трубчатого корпуса, а другой - на замке, взаимодействующем через шток с поднимаемым элементом, выполненным в виде ударника с кольцевой камерой отрыва, взаимодействующего с диском-фиксатором, оснащенным магнитом и жестко закрепленным в нижней части указанного штока и имеющим каналы, которыми кольцевая камера отрыва ударника соединена с рабочей камерой, расположенной между рукавом и диском-фиксатором, систему подачи и отвода рабочего агента, выполненную в виде распределителя, соединенного с источником рабочего агента, указанной рабочей камерой и отводящим каналом с атмосферой, и камеру под ударником, постоянно соединенную с атмосферой, согласно техническому решению замок выполнен с возможностью свободного перемещения в нем штока, в верхнем конце которого закреплен опорный элемент.
Замок, выполненный с возможностью свободного перемещения в нем штока, в верхнем конце которого закреплен опорный элемент, позволяет использовать всю площадь рукава (а не половину, как в прототипе) при подъеме ударника за счет прямого воздействия давления рабочего агента в рукаве на всю его рабочую площадь и таким образом вдвое увеличить подъемную силу пневматического подъемника по сравнению с прототипом и, как следствие, повысить эффективность его работы.
Целесообразно, чтобы система подачи и отвода рабочего агента была оснащена рекуператором энергии выхлопа, выполненным в виде турбинки, обладающей свойством обратимости, с жестко закрепленным на ней маховиком, и расположенной на отводящем канале распределителя. Такая турбинка, обладая способностью работать и как пневматический двигатель, и как насос, с закрепленным на ней маховиком, дает возможность значительно быстрее отводить рабочий агент из рукава в атмосферу и возвращать рукав в исходное положение, используя энергию выхлопа, т.е. сокращает рабочий цикл, повышая частоту ударов, что позволяет повысить быстродействие пневматического подъемника и, как следствие, эффективность его работы.
Целесообразно, чтобы опорный элемент был выполнен в виде жесткого диска - тогда в результате очевидной простоты конструкции пневматического подъемника и его эксплуатации значительно повышается и надежность его работы.
Целесообразно, чтобы опорный элемент был выполнен складным. В этом случае геометрические размеры пневматического подъемника в исходном и транспортном положениях будут ограничиваться размерами трубчатого корпуса, т.к. опорный элемент будет складываться и размещаться в верхней части трубчатого корпуса, что повысит мобильность пневматического подъемника и, как следствие, эффективность его использования.
Целесообразно, чтобы трубчатый корпус пневматического подъемника был оснащен упором, установленным с возможностью регулирования высоты его расположения в трубчатом корпусе. Это позволит, во-первых, предотвратить вероятность выхода диска-фиксатора из трубчатого корпуса, что повышает надежность работы пневматического подъемника, а во-вторых - регулировать высоту подъема ударника, т.е. расширять возможности пневматического подъемника и таким образом повышать эффективность его работы.
Сущность технического решения поясняется примером конкретного исполнения пневматического подъемника (далее - подъемник) и чертежами фиг.1, 2, где на фиг.1 изображен подъемник в исходном положении с опорным элементом в виде жесткого диска и рекуператором энергии выхлопа в виде турбинки, обладающей свойством обратимости, с закрепленным на ней маховиком, и расположенной на отводящем канале распределителя, продольный разрез; на фиг.2 - то же, при верхнем положении ударника, со складным опорным элементом, продольный разрез; пунктиром показан опорный элемент в сложенном положении, а стрелками - направление его сложения.
Подъемник (фиг.1) содержит трубчатый корпус 1 (далее - корпус 1), в котором размещено подъемное средство, представляющее собой эластичную мембрану в виде рукава 2, один конец которого закреплен по периметру кромки корпуса 1, а другой - на замке 3, взаимодействующем через шток 4 с поднимаемым элементом, выполненным в виде ударника 5, и систему 6 подачи и отвода рабочего агента. Рукав 2, выполненный большего диаметра, чем диаметр корпуса 1, в исходном и транспортном положении провисает внутрь корпуса 1. При перемещении ударника 5 вверх рукав 2 выходит за пределы корпуса 1, расширяется относительно него и работает вне его объема (фиг.2). Ударник 5 имеет кольцевую камеру 7 отрыва и взаимодействует с диском-фиксатором 8, жестко соединенным со штоком 4. Диск-фиксатор 8 снабжен магнитом 9 и имеет каналы 10, соединяющие кольцевую камеру 7 отрыва ударника 5 с рабочей камерой 11, расположенной между стенками корпуса 1, рукавом 2 и диском-фиксатором 8. Система 6 подачи и отвода рабочего агента выполнена в виде распределителя 12 (например, трехходового крана), соединенного с источником 13 рабочего агента (далее - источник 13), рабочей камерой 11 и отводящим каналом 14 с атмосферой. Камера 15 под ударником 5 постоянно соединена с атмосферой каналом 16. Замок 3 имеет канал 17 для свободного перемещения в нем штока 4, на верхнем конце которого закреплен опорный элемент 18, выполненный, например, в виде жесткого диска (фиг.1). Опорный элемент 18 может быть выполнен складным (фиг.2). Система подачи и отвода рабочего агента оснащена рекуператором 19 энергии выхлопа (далее - рекуператор 19), выполненным в виде турбинки 20, обладающей свойством обратимости, с жестко закрепленным на ней маховиком 21, и расположенной на отводящем канале 14 распределителя 12. В нижней части корпуса 1 подъемника установлен рабочий инструмент 22, а в верхней части, на его внутренней поверхности, расположен упор 23, установленный с возможностью регулирования высоты его расположения в корпусе 1.
Подъемник работает следующим образом. В исходном, нижнем, положении ударника 5 (фиг. 1) в рабочей камере 11 посредством источника 13 создается избыточное давление рабочего агента. При этом распределитель 12 закрыт в направлении выхлопа рабочего агента. Рукав 2 начинает надуваться и выходить за пределы корпуса 1 (фиг. 2), прилегая частью площади своей поверхности к опорному элементу 18 и оказывая на него силовое воздействие, пропорциональное произведению давления на площадь, при этом он поднимает опорный элемент 18, жестко скрепленный со штоком 4. Шток 4 свободно перемещается в канале 17 замка 3 до упора замка 3 через рукав 2 в опорный элемент 18. Поскольку диск-фиксатор 8 жестко скреплен штоком 4 с опорным элементом 18, то шток 4 и диск-фиксатор 8 перемещаются вверх по корпусу 1, увлекая за собой ударник 5 посредством притяжения магнита 9. В случае, когда опорный элемент 18 имеет диаметр, превышающий диаметр рукава 2, на подъем работает вся площадь рукава 2, а не половина его площади, как имело место в прототипе, где за счет продольной компоненты силы натяжения рукава 2 по периметру его закрепления на корпусе 1 эта подъемная сила не могла достигать своего максимально возможного значения. На определенной высоте, заданной установленным на внутренней поверхности корпуса 1 упором 23, диск-фиксатор 8 и ударник 5 останавливаются. При наполнении рукава 2 рабочим агентом (фиг. 2) давление его в рабочей камере 11 продолжает увеличиваться. При отрыве 8 ударника 5 от диска-фиксатора 8 (когда сила давления рабочего агента превысит силу притяжения магнита 9) ударник 5 с начальным ускорением перемещается вниз и наносит удар в конце хода по рабочему инструменту 22. После удара распределитель 12 открывают на выхлоп рабочего агента из рабочей камеры 11 в атмосферу через отводящий канал 14, закрывая при этом поступление рабочего агента от источника 13 в рабочую камеру 11. Посредством энергии выхлопа рабочего агента происходит раскручивание турбинки 20, которая в свою очередь раскручивает маховик 21, жестко закрепленный на ней. Происходит накопление кинетической энергии вращения маховика 21, и турбинка 20 работает как пневматический двигатель. При достижении атмосферного давления в рабочей камере 11 маховик 21 по инерции продолжает вращать турбинку 20, отдавая ей накопленную кинетическую энергию. Турбинка 20, работая уже как насос, вытягивает рабочий агент из рабочей камеры 11. Сокращение объема рабочей камеры 11 происходит не только под действием веса диска-фиксатора 8, но и с помощью рекуперирования энергии выхлопа рабочего агента. Рукав 2 значительно быстрее сжимается и провисает внутрь корпуса 1. Диск-фиксатор 8 посредством магнита 9 сцепляется с ударником 5. Цикл повторяется.
Таким образом, без изменения геометрических размеров корпуса 1 и благодаря снижению продольной компоненты силы натяжения рукава 2 и выполнению опорного элемента 18 в виде жесткого диска или складным возможно увеличение подъемной силы подъемника вдвое. Складной опорный элемент 18 (фиг. 2) позволяет не только увеличивать вдвое подъемную силу путем изменения площади его контакта с рукавом 2, но и дает возможность дополнительно центрировать шток 4 подъемника, предохраняя рукав 2 от излишнего натяжения и потери устойчивости. Использование рекуператора 19 значительно сокращает рабочий цикл 9 ударной машины, увеличивая ее частоту ударов, что существенно повышает эффективность работы подъемника.