СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ УСТРОЙСТВ УДАРНОГО ДЕЙСТВИЯ И СТЕНД ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
TEST METHOD OF IMPACT-ACTION DEVICES, AND TEST BENCH FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к способам и устройствам для исследования работоспособности и надежности устройств ударного действия, в частности, к ударным стендам, а именно для исследования устройств для забивания свай, и может быть использовано, например, в строительстве, горном деле.
Известны различные способы испытания устройств ударного действия, в том числе сваебойных молотов, см., например, патент US №3353362 (1967 г.), описание работы устройств по а.с. СССР №681158 (1970 г.), 905392 (1981 г.), 501133 (1976 г.), а также статью «Исследование напряженно-деформированного состояния элементов конструкции сваебойного трубчатого дизель-молота», авторы Будилов И.Н., Белов Г.В., Лукащук Ю.В., см. «Энергетическое машиностроение» №11 (2009 г.).
В качестве прототипа заявителем выбран наиболее близкий по технической сущности к предлагаемому изобретению способ испытания устройств ударного действия, известный из описания работы устройства по а.с. SU №1652463 (1991 г.).
Известный способ включает силовое нагружение конструкции ударного устройства ударными импульсами в горизонтальном направлении, при этом боек ударного устройства совершает возвратно-поступательное движение и в конце своего рабочего хода наносит удары по поршню.
Известный способ характеризуется недостаточной надежностью, а также ограниченной областью функционального использования.
Известны устройства аналогичного назначения, т.е. для испытания устройств ударного действия, например, а.с. СССР №681158 (1970 г.), №905392 (1981 г.). Кроме того, из а.с. СССР №638767 (1978 г.) и патента SU №1812856 (1995 г.) известны также тормозное устройство и гидравлический буфер, предназначенные для защиты изделий от механических воздействий и торможения движущихся тел.
Известен стенд по а.с. СССР №501133 (1976 г.), включающий станину и энергопоглотитель, содержащий упругую мембрану и цилиндр с расположенным по оси исследуемого устройства поршнем, снабженным дроссельным отверстием. Однако данный стенд не имеет устройства для возврата поршня в исходное положение после удара и поэтому позволяет регистрировать только одиночные удары. Кроме того, противодействующая удару сила сопротивления, приложенная к поршню, переменна во времени, вследствие того, что площадь дроссельного отверстия не изменяется в процессе испытаний, что приводит к погрешности результатов конкретных измерений.
Известен также стенд по а.с. SU №1652463 (1991 г.), который позволяет проводить многоцикловые испытания. Известный стенд включает жесткое основание с упором, станину с узлом крепления испытуемого устройства, первый упругоэластичный амортизатор, расположенный между станиной и упором жесткого основания, испытуемое устройство с ударником, поглотитель энергии (энергопоглотитель), масса которого больше массы ударника, выполненный в виде имеющей газовую полость вытеснительной камеры, сообщенной посредством соединительных каналов в корпусе поглотителя с закрытой по торцам крышками цилиндрической камерой, в полости которой размещен ступенчатый полый поршень, второй упругоэластичный амортизатор, установленный между станиной и поглотителем энергии. Поглотитель энергии снабжен иглой, имеющей профилированную внешнюю поверхность, установленной в корпусе поглотителя со стороны вытеснительной камеры соосно со ступенчатым полым поршнем с возможностью фиксированного осевого перемещения относительно последнего, при этом ступенчатый полый поршень имеет на внутренней поверхности кольцевой выступ, который образует с внешней профилированной поверхностью иглы первую кольцевую дросселирующую щель при смещении ступенчатого полого поршня в процессе ударного воздействия бойка, а на крышке цилиндрической камеры, расположенной со стороны ступенчатого полого поршня, выполнена кольцевая проточка, которая образует с боковой поверхностью большей ступени ступенчатого полого поршня вторую дросселирующую щель.
Однако известное устройство недостаточно надежно и имеет недостаточную область функционального использования, при этом стенд позволяет проводить испытания только в горизонтальном направлении. Кроме того, данный стенд характеризуется сложностью конструкции и требует достаточно высокой точности изготовления.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является стенд для испытаний сваебойных молотов по а.с. SU №1218307 (1986 г.), выбранный авторами в качестве прототипа. Известный стенд включает рабочий орган и камеру с шарами разного диаметра, выполняющую роль энергопоглотителя. При этом камера выполнена с переменным поперечным сечением с уширением книзу и снабжена в верхней части перемычкой с отверстием, причем рабочий орган снабжен комплектом сменных рабочих наконечников разной формы.
Таким образом, известное устройство содержит вертикально расположенные испытываемый молот, рабочий орган и содержащий корпус энергопоглотитель, размещенные соосно.
Однако известное устройство не позволяет проводить многоцикловые испытания. Кроме того, противодействующая удару сила сопротивления переменна во времени, что приводит к погрешности результатов конкретных измерений. То есть для известного устройства характерны низкая надежность и недостаточная область функционального использования.
Таким образом, недостатками известного способа и устройства является низкая надежность и недостаточная область функционального использования.
Задачей, на решение которой направлены заявляемые изобретения, является повышение надежности и расширение функциональных возможностей.
Именно заявляемые конструктивные отличия, признаки устройства (стенда) для испытания устройств ударного действия, позволяют реализовать заявляемый способ, тем самым, обеспечивая достижение поставленной задачи, что позволяет сделать вывод о том, что заявляемые изобретения связаны между собой единым изобретательским замыслом.
Для решения поставленной задачи, в отличие от известного способа, включающего силовое нагружение конструкции исследуемого ударного устройства ударными импульсами в горизонтальном направлении, в заявляемом способе воздействие (нагружение) производят в вертикальном направлении. Для этого исследуемое устройство, например сваебойный молот, располагают на копре с возможностью перемещения вдоль вертикальной оси, при этом энергопоглотитель располагают под шаботом молота соосно с последним. Испытания производят (осуществляют) при постоянной на всем пути торможения силе сопротивления, близкой к режиму отказов, как при распружинении сваи; т.е. в ситуации, когда свая не погружается в грунт, а совершает упругие колебания в грунте (при максимальных нагрузках).
Таким образом, сущность заявляемого изобретения состоит в том, что, в отличие от известного способа испытания устройств ударного действия, включающего силовое нагружение конструкции исследуемого ударного устройства ударными импульсами, согласно изобретению, воздействие (нагружение) производят в вертикальном направлении, для чего исследуемое устройство, например сваебойный молот, располагают на стенде (копре) с возможностью перемещения вдоль вертикальной оси. При этом энергопоглотитель располагают под шаботом молота соосно с последним. Испытания производят при постоянной на всем пути торможения силе сопротивления, близкой к режиму отказов, т.е. при максимальных нагрузках. При этом необходимое давление в тормозной камере устройства, реализующего заявленный способ, определяется скоростью истечения рабочей жидкости через щель между наружной поверхностью бойка и внутренней боковой поверхностью цилиндрического двухступенчатого кольца, которую выполняют в форме параболоида. Передачу энергии от ударника в энергопоглотитель осуществляют через жидкость, так как в жидкости легко сформировать наиболее эффективные ударные импульсы прямоугольной формы.
При истечении жидкости через вышеуказанную щель вся энергия затрачивается на преодоление сопротивления истечению жидкости и, в конечном счете, превращается в тепло, повышая температуру жидкости в рабочих полостях.
Кроме того, для поддержания рабочей температуры жидкости, осуществляют циркуляцию рабочей жидкости, например, через радиатор.
Также для решения поставленной задачи, сущность заявляемого изобретения - стенда для реализации заявляемого способа испытания устройств ударного действия, например, сваебойных молотов, состоит в том, что, в отличие от известного технического решения, включающего вертикально расположенные испытываемый молот, рабочий орган и содержащий корпус энергопоглотитель, размещенные соосно, согласно изобретению корпус энергопоглотителя с наружным фланцем в верхней части выполнен в виде цилиндрической полости, соосной с испытуемым молотом и снабженной глухим днищем. На обращенной внутрь корпуса торцевой поверхности глухого днища образована коаксиальная глухая двухступенчатая расточка, в которой установлено сопряженное с нею по соответствующей наружной боковой поверхности двухступенчатое кольцо, снабженное коаксиальной внутренней боковой поверхностью, выполненной в форме параболоида (т.е. параболоидальной поверхностью). Это кольцо неподвижно закреплено в осевом направлении посредством входящего в верхнюю большую по размеру ступень упомянутой расточки и сопряженного с ней по наружной боковой поверхности нижнего конца направляющего блока, закрепленного на фланце корпуса и совместно с внутренней полостью последнего образующего кольцевую изолированную полость, заполняемую жидкостью. Данная полость через отверстия в боковой стенке направляющего блока и через внутреннее пространство упомянутого кольца постоянно сообщается с внутренней полостью расточки в днище. При этом в направляющем блоке образована коаксиальная с корпусом сквозная цилиндрическая ступенчатая расточка. В этой расточке как в направляющих размещен ограниченно подвижный вдоль оси и снабженный кольцевым выступом в средней части ударник. Верхний конец ударника, выступающий из энергопоглотителя наружу, постоянно контактирует с торцевой поверхностью шабота молота. Нижний конец ударника в исходном положении расположен выше верхнего конца двухступенчатого кольца, а после ударного взаимодействия с испытуемым молотом размещается во внутренней полости расточки в днище, образуя при этом совместно с упомянутой выше профилированной поверхностью двухступенчатого кольца кольцевую щель, через которую в указанном положении ударника внутренняя полость расточки в днище сообщается с кольцевой изолированной полостью корпуса. Причем кольцевой выступ ударника постоянно размещен в наибольшей по размеру ступени сквозной расточки, сопряжен с ней по боковой поверхности и совместно с упомянутой ступенью образует заполняемую сжатым газом кольцевую изолированную полость, расположенную между нижней торцевой поверхностью кольцевого выступа и торцевой поверхностью наибольшей ступени. При этом геометрические параметры упомянутой параболоидальной поверхности цилиндрического двухступенчатого кольца зависят от энергии испытуемого молота.
Кроме того, цилиндрическое двухступенчатое кольцо является сменным и в зависимости от энергии испытуемого молота может быть заменено на любое другое кольцо с одинаковым размером наружной и другим размером внутренней боковой поверхности.
Кроме того, с целью охлаждения или нагрева жидкости, в изолированной полости корпуса направляющий блок энергопоглотителя снабжен входным и выходным патрубками, посредством которых изолированная полость трубопроводами соединяется с системой теплообмена.
Кроме того, между наружной поверхностью днища корпуса и фундаментом установлена прокладка из упругого материала, например листовой резины.
Технический результат, который может быть получен в результате использования изобретения, заключается в повышении надежности и расширении функциональных возможностей способа испытания устройств ударного действия и стенда для его реализации.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 изображен общий вид стенда для испытания устройств ударного действия, в частности, сваебойных молотов. На фиг.2 приведена гидросхема устройства.
Стенд содержит копер 1, на котором установлен испытываемый молот 2, а под шаботом молота в специальном отсеке 3 соосно размещен энергопоглотитель 4, под основанием которого установлена прокладка 5 из упругого материала, например, из листовой резины. Энергопоглотитель 4 содержит корпус 6, выполненный в виде соосной с молотом цилиндрической полости, с фланцем на верхнем и глухим днищем на нижнем конце. На фланце корпуса 6 болтами 7 закреплен направляющий блок 8. В блоке 8 с возможностью ограниченного продольного перемещения установлен рабочий орган - боек 9, в верхней части которого имеется кольцевой выступ 10, нижняя торцевая поверхность которого совместно с внутренней поверхностью блока 8 образуют замкнутую полость 11, заполненную сжатым газом (воздухом). Полость 11 соединяется с воздушной магистралью при помощи штуцера 12.
В нижней части корпуса 6 выполнена глухая двухступенчатая цилиндрическая расточка 13, выполняющая роль тормозной камеры, с горловиной, выполненной в виде сменного двухступенчатого кольца 14, с внутренней боковой поверхностью в форме параболы с наименьшим диаметром, по существу равным диаметру нижнего конца бойка 9. Кольцевая полость 15, образованная внутренней поверхностью направляющего блока 8 и наружной поверхностью бойка 9 до верхней торцевой поверхности двухступенчатого кольца 14 посредством радиальных каналов 16, сообщается с кольцевой полостью 17, заполненной рабочей жидкостью. В верхней части полости 17 имеется свободный от жидкости воздушный объем, равный объему тормозной камеры 13. Заполнение полости 17 производится через горловину 18, а контроль уровня заливки - уровнемером 19.
Охлаждение рабочей жидкости, заполняющей полости 13, 15 и 17, производится в теплообменнике 20 посредством вентилятора 21. Жидкость в теплообменнике 20 циркулирует под действием насоса 22.
Устройство работает следующим образом:
В исходном положении молот 2 свайным наголовником шабота надевается на боек 9, занимающий под действием сжатого воздуха в полости 11 крайнее верхнее положение до упора кольцевого выступа 10 в верхний фланец направляющего блока 8.
При этом нижний торец бойка 9 находится выше тормозной камеры 13 и расположен на 10-20 мм выше верхнего торца двухступенчатого кольца 14. В освободившийся объем в тормозную камеру 13 через щель между внутренней поверхностью двухступенчатого кольца 14 и поверхностью бойка 9 по каналам 16 поступает жидкость из полости 17. После нанесения удара по бойку 9 молотом 2 через свайный наголовник боек 9 совместно с молотом 2 движется вниз. При этом нижний конец бойка 9 входит в тормозную камеру, вытесняя из нее находящуюся там рабочую жидкость в полости 15 и 17 через кольцевую щель, образованную внутренней поверхностью двухступенчатого кольца 14 и наружной поверхностью бойка 9. В тормозной камере 13 создается давление жидкости, которое, действуя на нижний торец бойка 9, вызывает его торможение.
Величина давления жидкости в полости 13 определяется скоростью истечения жидкости через упомянутую щель:
<mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>ж</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msubsup><mi>υ</mi><mi>ж</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>⋅</mo><mi>γ</mi></mrow><mi>g</mi></mfrac></mrow>
,
ж
где υ - скорость истечения жидкости;
3
γ=800 кг/м - плотность жидкости;
g=9.81 м/с.
<mrow><msub><mi>υ</mi><mi>ж</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mi>π</mi><mn>4</mn></mfrac><mo>⋅</mo><msup><mi>D</mi><mn>2</mn></msup><mo>⋅</mo><msub><mi>υ</mi><mrow><mi>б</mi><mi>о</mi><mi>й</mi><mi>к</mi><mi>а</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>F</mi><mrow><mi>щ</mi><mi>е</mi><mi>л</mi><mi>и</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
При этом
,
где D - диаметр нижнего конца бойка 9;
бойка
υ - скорость движения бойка 9 в данный момент;
щели
F - площадь щели.
Сила торможения бойка 9
<mrow><mi>P</mi><mo>=</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>ж</mi></msub><mo>⋅</mo><mfrac><mi>π</mi><mn>4</mn></mfrac><mo>⋅</mo><msup><mi>D</mi><mn>2</mn></msup></mrow>
.
ж
Наиболее эффективное торможение бойка происходит при ρ=const.
Для обеспечения этого условия площадь щели определяется из соотношения:
<mrow><msub><mi>F</mi><mrow><mi>щ</mi><mi>е</mi><mi>л</mi><mi>и</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>π</mi><mo>⋅</mo><mi>γ</mi><mo>⋅</mo><msup><mi>D</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><mn>4</mn><mi>g</mi></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><msub><mi>υ</mi><mrow><mi>б</mi><mi>о</mi><mi>й</mi><mi>к</mi><mi>а</mi></mrow></msub></mrow>
.
При истечении жидкости через такую щель вся энергия затрачивается на преодоление сопротивления истечению жидкости и, в конечном счете, превращается в тепло, повышая температуру жидкости в полостях 16 и 17. Заполнение жидкости в полости 15 и 17 производится через горловину 18, а контроль уровня заливки - уровнемером 19.
Для поддержания рабочей температуры жидкости в полостях 16 и 17 жидкость циркулирует по радиатору 20 с помощью насоса 22, при этом радиатор 20 обдувается вентилятором 21.
В зависимости от мощности испытываемых молотов могут применяться различные типоразмеры двухступенчатого кольца 14.
После рабочего хода ударника происходит его движение вверх - холостой ход. Боек 9 под действием сжатого газа прижат к свайному наголовнику и перемещается совместно с ударником молота 2 вверх до тех пор, пока кольцевой выступ 10 не упрется в верхний фланец направляющего блока 8.
Далее цикл работы повторяется.
Применение изобретения позволит повысить надежность и расширить функциональные возможности способа испытания устройств ударного действия и стенда для его реализации. При этом улучшаются условия труда и эксплуатации стенда, а также удобство работы. Стенд пригоден для многоцикловых испытаний устройств ударного действия как в производственных, так и в лабораторных условиях.