ПНЕВМОУДАРНАЯ МАШИНА ДЛЯ ЗАБИВАНИЯ ИНСТРУМЕНТОВ В ГРУНТ
PNEUMATIC PERCUSSION MACHINE TO DRIVE TOOLS INTO SOIL

Изобретение относится к горной и строительной технике, а именно к пневмоударным устройствам, и может быть использовано для забивания в грунт, в шпуры горных пород и искусственных каменных материалов клиновых инструментов различного профиля.
Известна пневмоударная машина для забивания стержней в грунт по патенту РФ №2276229, кл. Е02D 7/08, B25D 9/00, опубл. в БИ №13 за 2006 г., содержащая ударную массу, направляющий узел для движения ударной массы, узел подъема ударной массы, имеющий корпус с полостью, в которой размещено распределительное устройство, и рабочую камеру для сжатого воздуха, образованную корпусом узла подъема ударной массы и мембраной, имеющей отверстие для выхлопа сжатого воздуха. Корпус узла подъема ударной массы имеет канал для подачи сжатого воздуха из магистрали и отверстие для подачи сжатого воздуха в рабочую камеру из полости, в которой размещено распределительное устройство. Ударная масса установлена с возможностью взаимодействия с мембраной и через упомянутые отверстия - для выхлопа сжатого воздуха в мембране и для подачи сжатого воздуха в корпусе узла подъема ударной массы - с распределительным устройством, выполненным в виде подпружиненного клапана отсечки. Направляющий узел для движения размещенной в нем ударной массы имеет выхлопные окна и выполнен в виде установленной вертикально трубы с крышкой, которые соединены с корпусом узла подъема ударной массы. Корпус узла подъема ударной массы имеет ступенчатую полость, в которой размещен подпружиненный трехступенчатый стержень, по меньшей мере, два отверстия для подачи сжатого воздуха в рабочую камеру из полости, в которой размещено распределительное устройство, и крышку, выполненную заодно с трубой, в полости которой размещен нижний торец трехступенчатого стержня и верхний торец забиваемого стержня. Трехступенчатый стержень установлен с возможностью осевого смещения относительно корпуса узла подъема ударной массы и взаимодействия верхним торцом с ударной массой, а нижним - с забиваемым стержнем. Распределительное устройство установлено с возможностью взаимодействия с ударной массой через мембрану, кольцевую пластину и жесткие связи, свободно пропущенные через указанные отверстия корпуса узла подъема ударной массы. Центральная ступень трехступенчатого стержня имеет поперечный размер больше поперечного размера меньшей части ступенчатой полости корпуса узла подъема ударной массы.
Недостатком этой пневмоударной машины является то, что узел подъема ударной массы имеет малый рабочий ход эффективной площади мембраны, через которую передается усилие от давления сжатого воздуха к ударной массе, вследствие чего - относительно небольшое время воздействия сжатого воздуха на ударную массу. Это предопределяет накопление ударной массой небольшой кинетической энергии и, как следствие, сообщение забиваемому стержню сравнительно небольшого ударного импульса, что снижает эффективность работы известной пневмоударной машины. Кроме того, машина имеет сравнительно сложную конструкцию узла подъема ударной массы, что предопределяет расшатывание его элементов и износ мембраны при взаимодействии с ударной массой, и как следствие, снижает надежность работы машины.
Наиболее близким аналогом по технической сущности и совокупности существенных признаков является пневмоударная машина для забивания стержней в грунт по патенту РФ №78231, кл. Е02D 7/08, опубл. в БИ №32 за 2008 г., содержащая ударную массу, направляющий узел для движения размещенной в нем ударной массы, узел подъема ударной массы, имеющий корпус с полостью, в которой размещено распределительное устройство, и рабочую камеру для сжатого воздуха, образованную с помощью мембраны, имеющей отверстие для выхлопа сжатого воздуха. Корпус узла подъема ударной массы имеет канал для подачи сжатого воздуха из магистрали и отверстие для подачи сжатого воздуха в рабочую камеру из его полости. Ударная масса установлена с возможностью взаимодействия с мембраной и через упомянутые отверстия - для выхлопа сжатого воздуха в мембране и для подачи сжатого воздуха в корпусе узла подъема ударной массы - с указанным распределительным устройством, выполненным в виде клапана отсечки. Направляющий узел имеет выхлопные окна и выполнен в виде установленной вертикально трубы, которая соединена с корпусом узла подъема ударной массы. Корпус узла подъема ударной массы имеет также ступенчатую полость, в которой размещен ступенчатый стержень, и крышку, выполненную заодно с трубой, в полости которой размещен верхний торец забиваемого стержня. Ступенчатый стержень установлен с возможностью осевого смещения относительно корпуса узла подъема ударной массы и взаимодействия верхним торцом с ударной массой, а нижним - с торцом забиваемого стержня, причем большая по поперечному размеру ступень ступенчатого стержня имеет поперечный размер больше поперечного размера меньшей части ступенчатой полости корпуса узла подъема ударной массы. Рабочая камера для сжатого воздуха образована с помощью дополнительной мембраны с отверстием для впуска сжатого воздуха и кольцевого обода, которым соединены мембрана и дополнительная мембрана и который имеет возможность осевого смещения относительно корпуса узла подъема ударной массы. Ступенчатый стержень выполнен четырехступенчатым, а клапан отсечки установлен на верхней ступени четырехступенчатого стержня с возможностью осевого смещения по ней и взаимодействия верхним торцом с ударной массой через отверстия в мембране, дополнительной мембране и корпусе узла подъема ударной массы, а нижним торцом - с бортиком второй сверху ступени четырехступенчатого стержня. Узел подъема ударной массы снабжен промежуточной направляющей втулкой, размещенной между его корпусом и крышкой, при этом указанную ступенчатую полость образует промежуточная направляющая втулка с крышкой, а полость, в которой размещен клапан отсечки, образуют корпус, указанная втулка и верхняя ступень четырехступенчатого стержня.
Известная пневмоударная машина имеет сравнительно сложную конструкцию узла подъема ударной массы, что предопределяет износ мембран в местах их защемления и износ клапана отсечки при взаимодействии с ударной массой, а также возникновение при работе машины значительных потерь ударного импульса в системе: ударная масса - ступенчатый стержень - забиваемый стержень.
Также данная машина не позволяет при необходимости производить только одиночный удар по команде и экономить после нанесения удара сжатый воздух в полости, в которой размещено распределительное устройство, т.к. при возращении ударной массы в исходное положение она взаимодействует с клапаном отсечки и открывает доступ сжатому воздуху в рабочую камеру и затем в атмосферу.
Все это снижает надежность и эффективность работы устройства.
Технической задачей предлагаемого решения является повышение эффективности работы пневмоударной машины за счет уменьшения потерь ударного импульса в ступенчатом стержне и за счет наличия возможности производить только одиночный удар по команде при экономии сжатого воздуха, а также повышение надежности ее работы за счет упрощения конструкции.
Поставленная задача решается следующим образом. Предлагается пневмоударная машина для забивания инструментов в грунт, содержащая ударную массу, направляющий узел для движения размещенной в нем ударной массы, узел подъема ударной массы, имеющий корпус, в полости которого размещено распределительное устройство, промежуточную направляющую втулку и рабочую камеру. Узел подъема ударной массы имеет канал для подачи сжатого воздуха из магистрали, выполненный в его корпусе, и отверстие для подачи сжатого воздуха в рабочую камеру из полости его корпуса. Указанный направляющий узел выполнен в виде установленной вертикально трубы с выхлопными окнами, которая соединена с узлом подъема ударной массы. Указанный узел имеет сквозную ступенчатую полость, в которой размещен ступенчатый стержень, установленный с возможностью осевого смещения относительно корпуса узла подъема ударной массы и взаимодействия верхним торцом с ударной массой. Большая по поперечному размеру ступень ступенчатого стержня имеет поперечный размер больше поперечного размера меньшей части ступенчатой полости узла подъема ударной массы. Согласно техническому решению промежуточная направляющая втулка размещена между корпусом узла подъема ударной массы и указанным направляющим узлом и имеет на внутренней поверхности кольцевой выступ и ограничитель обратного хода ударной массы в виде пазов, а также отверстие/отверстия для подачи сжатого воздуха в рабочую камеру. Последняя образована упругим кольцевым клапаном, установленным в кольцевой канавке на наружной поверхности передней части ударной массы, внутренней поверхностью промежуточной направляющей втулки, и торцом ступенчатого стержня, которым служит ступенчатый хвостовик инструмента. Распределительное устройство выполнено в виде упругого кольцевого клапана отсечки, установленного в кольцевой канавке на наружной поверхности промежуточной направляющей втулки, а корпус узла подъема ударной массы имеет впускной канал, соединенный с магистралью дроссельным каналом, причем магистраль и дроссельный канал снабжены пусковым устройством для впуска сжатого воздуха в полость корпуса указанного узла подъема и в рабочую камеру соответственно. Упругий кольцевой клапан и указанный клапан отсечки установлены с возможностью взаимодействия с внутренними поверхностями промежуточной направляющей втулки и корпуса узла подъема ударной массы соответственно.
Размещение между корпусом узла подъема ударной массы и указанным направляющим узлом промежуточной направляющей втулки, имеющей на внутренней поверхности кольцевой выступ и ограничитель обратного хода ударной массы в виде пазов, а также отверстие/отверстия для подачи сжатого воздуха в рабочую камеру, позволяет упростить, по сравнению с прототипом, конструкцию узла подъема ударной массы и, как следствие, повышает надежность работы пневмоударной машины.
Образование рабочей камеры для сжатого воздуха упругим кольцевым клапаном, установленным в кольцевой канавке на наружной поверхности передней части ударной массы, внутренней поверхностью промежуточной направляющей втулки, и верхней частью ступенчатого стержня, а также установка указанного кольцевого клапана с возможностью взаимодействия с внутренней поверхностью промежуточной направляющей втулки, уменьшают расшатывание и износ элементов, образующих рабочую камеру, и, как следствие, повышают надежность работы машины.
Выполнение распределительного устройства в виде упругого кольцевого клапана отсечки, установленного в кольцевой канавке на наружной поверхности промежуточной направляющей втулки с возможностью взаимодействия с внутренней поверхностью корпуса узла подъема ударной массы, исключает взаимодействие указанного клапана отсечки с ударной массой и тем самым уменьшает его износ и, как следствие, повышает надежность работы машины.
Выполнение ступенчатого стержня в виде ступенчатого хвостовика забиваемого инструмента позволяет обеспечить непосредственное взаимодействие ударной массы и торца хвостовика инструмента и уменьшить потери ударного импульса в ступенчатом стержне, что повышает эффективность работы устройства.
Наличие в узле подъема ударной массы впускного канала, соединенного с магистралью дроссельным каналом, причем магистраль и дроссельный канал снабжены пусковым устройством для впуска сжатого воздуха в полость корпуса указанного узла подъема и в рабочую камеру для сжатого воздуха соответственно, позволяет при необходимости производить одиночный удар и экономить сжатый воздух в указанной полости после нанесения удара.
Совокупность указанных признаков повышает надежность и эффективность работы пневмоударной машины.
Сущность технического решения поясняется примером конкретного исполнения и чертежом, на котором изображен общий вид пневмоударной машины для забивания инструментов в грунт (продольный разрез - в момент удара).
Пневмоударная машина для забивания инструментов в грунт содержит ударную массу 1, направляющий узел для движения размещенной в нем ударной массы 1, выполненный в виде установленной вертикально трубы 2 с выхлопными окнами (поз. не обозначены), узел (поз. не обозначен) подъема ударной массы 1, соединенный с трубой 2, и инструмент 3 со ступенчатым хвостовиком 4. Узел подъема ударной массы 1 состоит из корпуса 5, промежуточной направляющей втулки 6 (далее - втулка 6), размещенной между его корпусом 5 и трубой 2, распределительного устройства (поз. не обозначено) и рабочей камеры 7. Корпус 5 и втулка 6 образуют полость 8, в которой установлено распределительное устройство и которая соединена с каналом 9 в корпусе 5 для подачи сжатого воздуха из магистрали 10 (далее - канал 9) и с рабочей камерой 7 кольцевым отверстием 11 и отверстием/отверстиями 12 втулки 6. Втулка 6 имеет сквозную ступенчатую полость 13, в которой размещен ступенчатый стержень в виде хвостовика 4 (далее - хвостовик 4) инструмента 3. Инструмент 3 установлен с возможностью осевого смещения относительно корпуса 5 и взаимодействия верхним торцом хвостовика 4 с ударной массой 1, а нижним - со средой внедрения. Рабочая камера 7 образована упругим кольцевым клапаном 14 (далее - клапан 14), наружной поверхностью ударной массы 1 и цилиндрической поверхностью 15 втулки 6. Втулка 6 имеет на внутренней поверхности ограничитель обратного хода ударной массы 1 в виде пазов 16. На внутренней поверхности втулки 6 выполнен также кольцевой, выступ 17, который расположен между ее цилиндрическими поверхностями 15 и 18. Поверхность кольцевого выступа 17 втулки 6 выполнена сферической или конической. На наружной поверхности ударной массы 1 выполнена кольцевая канавка 19, в которой установлен клапан 14 с возможностью взаимодействия наружной поверхностью (поз. не обозначена) с цилиндрической поверхностью 15 втулки 6.
Распределительное устройство выполнено в виде упругого кольцевого клапана 20 отсечки, установленного в кольцевой канавке 21 на наружной поверхности втулки 6 с возможностью взаимодействия с внутренней поверхностью 22 корпуса 5 узла подъема ударной массы 1. Последний имеет впускной канал 23, соединенный с магистралью 10 дроссельным каналом 24, причем магистраль 10 и дроссельный канал 24 снабжены пусковым устройством 25 для впуска сжатого воздуха в полость 8 и в рабочую камеру 7.
Пневмоударная машина для забивания инструментов в грунт работает следующим образом.
Перед включением машины ее устанавливают клиновой частью (поз. не обозначена) инструмента 3 (см. чертеж) в положение перед забиванием. При этом ударная масса 1 уперта в торец хвостовика 4 инструмента 3, а клапан 14 находится в соприкосновении с цилиндрической поверхностью 15. На начальной стадии погружения, когда инструмент 3 только начинают погружать в среду (поз. не обозначена), с помощью пускового устройства 25 подают сжатый воздух из магистрали 10 через канал 9, полость 8, кольцевое отверстие 11, отверстие/отверстия 12 в рабочую камеру 7. Под действием давления клапан 14 растягивается и прижимается своей наружной поверхностью к цилиндрической поверхности 15. Одновременно с этим клапан 14 давлением прижимается к верхней (по чертежу) поверхности кольцевой канавки 19 ударной массы 1. Под действием давления в камере 7 ударная масса 1 перемещается вверх (по чертежу), при этом клапан 14 скользит по сферической или конической поверхности кольцевого выступа 17.
При прохождении клапаном 14 пазов 16 происходит выхлоп сжатого воздуха из камеры 7 через выхлопные окна в трубе 2.
В этот момент давление на внутреннюю поверхность (поз. не обозначена) клапана 14 уменьшается и под действием упругих сил клапан 14 сжимается, одновременно под действием перепада давления в камере 7 и полости 8 клапан 20 отсечки растягивается и прижимается наружной поверхностью к внутренней поверхности 22 корпуса 5, перекрывая кольцевое отверстие 11. Далее ударная масса 1, подлетая до соответствующей высоты, останавливается и под действием гравитации ускоренно движется вниз и наносит удар по торцу хвостовика 4 инструмента 3. При этом наружная поверхность клапана 14 соприкасается с поверхностью 15 втулки 6 и происходит погружение инструмента 3 в среду на некоторую глубину.
Затем оператор подает сжатый воздух с помощью пускового устройства 25 через дроссельный канал 24, впускной канал 23, отверстие/отверстия 12 в рабочую камеру 7. При этом клапан 20 отсечки сжимается под действием упругих сил и открывает доступ сжатому воздуху в рабочую камеру 7 через кольцевое отверстие 11 из полости 8, находящейся до этого под давлением сжатого воздуха. И затем цикл повторяется, т.е. ударная масса 1 совершает возвратно-поступательные движения и периодически наносит удары по торцу хвостовика 4 инструмента 3, погружая его в среду.
Если прекратить подачу сжатого воздуха через впускной канал 23, то ударная масса 1 после возвращения в исходное положение не будет совершать никаких движений. Если необходимо совершить только один удар, достаточно ненадолго открыть и закрыть подачу сжатого воздуха в камеру 7 с помощью пускового устройства 25, при этом ударная масса 1 совершит один рабочий цикл и нанесет удар по хвостовику 4 инструмента 3.