Пневмоударное устройство
AIR-DRIVEN DEVICE

Техническое решение относится к строительной технике ударного действия и может быть использовано для проходки скважин в грунте, забивания стержневых элементов в грунт, извлечения из грунта строительных элементов, трамбования грунта и других строительных технологиях.
Известно устройство ударного действия (патент РФ №2549643, кл. Е21В 4/14 (2006.01), Е21В 1/30 (2006.01), Е21В 1/38 (2006.01), Е21F 7/10 (2006.01), опубл. 27.04.2015 г.), включающее корпус с патрубком, имеющим впускное отверстие, и выхлопным / выхлопными отверстиями в задней части, установленный в корпусе с возможностью перемещения ударник, камеру прямого хода, образованную патрубком и ударником, и камеру обратного хода, канал в ударнике для сообщения камер прямого и обратного хода и запорный клапан. На наружной поверхности ударника в передней его части выполнена кольцевая канавка, а корпус содержит наковальню. На внутренней поверхности корпуса выполнены передний кольцевой выступ и ограничитель обратного хода ударника. Запорный клапан выполнен в виде упругого кольца, установленного в указанной кольцевой канавке ударника с возможностью взаимодействия с внутренней поверхностью корпуса. Наковальня, передний кольцевой выступ и ограничитель обратного хода ударника выполнены в средней части корпуса, упругое кольцо запорного клапана установлено с возможностью взаимодействия с внутренней поверхностью средней части корпуса. Корпус в передней части имеет накопительную камеру сжатого воздуха с размещенным в ней клапаном отсечки. Камера прямого хода сообщена с камерой обратного хода через эту накопительную камеру, для чего последняя снабжена центральной трубкой, пропущенной в указанный канал ударника через отверстие в наковальне для подачи сжатого воздуха из накопительной камеры в камеру обратного хода, а центральная трубка имеет отверстие для подачи сжатого воздуха в накопительную камеру из магистрали. Клапан отсечки установлен на наружной поверхности центральной трубки с возможностью осевого смещения по ней и взаимодействия верхним торцом с ударником через указанное отверстие в наковальне, а нижним торцом - с буртиком наружной поверхности указанной трубки.
Недостатком этого устройства является не способность по команде оператора совершать удары по противоположной наковальне внутренней торцевой стенке корпуса. Отсутствие реверсивного режима работы устройства ударного действия снижает производительность и эффективность строительных работ. В частности, в строительных технологиях (образование набивных свай, глубинное уплотнение грунтов, установка анкерного крепления), в которых предусматривается образование вертикальных и наклонных глухих скважин пневмопробойником, необходимо после проходки извлекать из скважины пневмопробойник, что выполняют с помощью лебедки и дополнительной оснастки. Отсутствие реверсивного режима работы пневмопробойника не позволяет ему в скважине двигаться в обратную сторону к устью скважины. Это значительно снижает производительность таких работ, повышает трудоемкость.
Наиболее близким аналогом по технической сущности и совокупности существенных признаков является устройство ударного действия (по заявке на изобретение №2015127153 от 06.07.2015 г.), включающее корпус с патрубком, имеющим впускное отверстие, и выхлопным / выхлопными отверстиями в стенке задней части, установленный в корпусе с возможностью перемещения ударник, камеру прямого хода, и камеру обратного хода, канал в ударнике и запорный клапан. На наружной поверхности ударника в передней его части выполнена кольцевая канавка, а корпус содержит наковальню, причем на внутренней поверхности корпуса выполнены передний кольцевой выступ и ограничитель обратного хода ударника. Запорный клапан выполнен в виде упругого кольца, установленного в указанной кольцевой канавке ударника с возможностью взаимодействия с внутренней поверхностью корпуса. Наковальня, передний кольцевой выступ и ограничитель обратного хода ударника выполнены в средней части корпуса, упругое кольцо запорного клапана установлено с возможностью взаимодействия с внутренней поверхностью средней части корпуса. Корпус в передней части имеет накопительную камеру сжатого воздуха с размещенным в ней клапаном отсечки. Накопительная камера снабжена центральной трубкой, пропущенной в указанный канал ударника через отверстие в наковальне для подачи сжатого воздуха из накопительной камеры в камеру обратного хода, а центральная трубка имеет отверстие для подачи сжатого воздуха в накопительную камеру. Клапан отсечки установлен на наружной поверхности центральной трубки с возможностью осевого смещения по ней и взаимодействия верхним торцом с ударником через указанное отверстие в наковальне, а нижним торцом - с буртиком наружной поверхности указанной трубки. Камера прямого хода образованна патрубком, ударником и наружной поверхностью центральной трубки и не сообщена с накопительной камерой и камерой обратного хода, а центральная трубка пропущена через камеру прямого хода до магистрали, причем устройство ударного действия имеет два крана для подачи сжатого воздуха в камеру прямого хода через патрубок и в камеру обратного хода через центральную трубку. Ограничитель обратного хода ударника выполнен в виде пазов на внутренней поверхности средней части корпуса, а на наружной поверхности ударника выполнен кольцеобразный ряд впадин. Поверхность переднего кольцевого выступа выполнена сферической или конической.
Недостатком этого устройства является небольшая по сравнению с поперечным габаритом машины эффективная площадь ударника со стороны камеры прямого хода, что снижает энергию единичного удара. Кроме того, реверсивный режим устройства обеспечивается за счет управления подачей сжатого воздуха в камеры прямого и обратного хода с помощью магистральных кранов, для чего требуется определенная сноровка оператора устройства. Таким образом устройство работает неэффективно.
Технической задачей предлагаемого решения является повышение эффективности работы за счет повышения энергии и частоты ударов устройства путем увеличения отношения эффективной площади ударника со стороны камеры прямого хода к площади поперечного сечения устройства. Кроме того, повышение эффективности работы устройства ударного действия за счет обеспечения в его конструкции возможности легкоуправляемого реверсивного режима работы путем внедрения двух управляемых каналов. При одновременном полном открытии двух каналов подачи сжатого воздуха устройство ударного действия будет работать в обычном режиме и наносить удары по наковальне в передней части корпуса, а при включении только одного реверсивного канала устройство будет работать в реверсивном режиме и наносить удары по наковальне в задней части корпуса.
Поставленная задача решается следующим образом. Предлагается пневмоударное устройство, включающее корпус с патрубком, имеющим впускное отверстие, и выхлопное / выхлопные отверстия в стенке задней части, установленный в корпусе с возможностью перемещения ударник, камеру прямого хода, и камеру обратного хода, канал в ударнике и запорный клапан, при этом на наружной поверхности ударника в передней его части выполнена кольцевая канавка, а корпус содержит наковальню, причем на внутренней поверхности корпуса выполнены передний кольцевой выступ и ограничитель обратного хода ударника, а запорный клапан выполнен в виде упругого кольца, установленного в указанной кольцевой канавке ударника с возможностью взаимодействия с внутренней поверхностью корпуса, при этом наковальня, передний кольцевой выступ и ограничитель обратного хода ударника выполнены в средней части корпуса, упругое кольцо запорного клапана установлено с возможностью взаимодействия с внутренней поверхностью средней части корпуса, при этом корпус в передней части имеет накопительную камеру сжатого воздуха с размещенным в ней клапаном отсечки, причем накопительная камера снабжена центральной трубкой, пропущенной в указанный канал ударника через отверстие в наковальне для подачи сжатого воздуха из накопительной камеры в камеру обратного хода, а центральная трубка имеет отверстие для подачи сжатого воздуха в накопительную камеру, при этом клапан отсечки установлен на наружной поверхности центральной трубки с возможностью осевого смещения по ней и взаимодействия верхним торцом с ударником через указанное отверстие в наковальне, а нижним торцом - с буртиком наружной поверхности указанной трубки, изобретение имеет дополнительную камеру прямого хода, дополнительную накопительную камеру, дополнительную наковальню, дополнительное впускное отверстие для подачи сжатого воздуха в дополнительную накопительную камеру, дополнительный запорный клапан, дополнительную кольцевую канавку, задний кольцевой выступ и задний выхлопной паз, выполненные на внутренней поверхности корпуса, при этом камера прямого хода образована внутренней поверхностью патрубка и внутренней поверхностью ударника и сообщена с камерой обратного хода через накопительную камеру и центральную трубку, а дополнительная камера прямого хода образована корпусом, наружной поверхностью патрубка, дополнительной наковальней, дополнительным клапаном отсечки и дополнительным запорным клапаном, выполненным в виде упругого кольца, установленного в дополнительной кольцевой канавке в задней части ударника с возможностью взаимодействия с цилиндрической поверхностью корпуса, а выхлопное / выхлопные отверстия расположены в задней боковой части корпуса, при этом дополнительная накопительная камера образована внутренней задней частью корпуса, наружной поверхностью патрубка и дополнительным клапаном отсечки, причем дополнительный клапан отсечки установлен на наружной поверхности патрубка с возможностью осевого смещения по нему и взаимодействия нижним торцом с ударником через отверстие в дополнительной наковальне, а верхним торцом - с буртиком наружной поверхности патрубка.
Указанная совокупность признаков обеспечивает увеличение эффективной площади ударника со стороны дополнительной камеры прямого хода при неизменной площади поперечного сечения устройства, что повышает энергию и частоту ударов ударника, а значит, повышает эффективность работы устройства.
Кроме того, указанная совокупность признаков обеспечивает возможность обеспечения, по команде оператора, легкоуправляемого реверсивного режима работы устройства ударного действия за счет внедрения двух управляемых каналов (впускных отверстий). При одновременном полном открытии двух впускных отверстий для подачи сжатого воздуха устройство ударного действия работает в обычном режиме и наносит удары по наковальне в передней части корпуса, а при открытии только одного реверсивного отверстия устройство работает в реверсивном режиме и наносит удары по наковальне в задней части корпуса.
Сущность технического решения поясняется примером конкретного исполнения устройства ударного действия и чертежами фиг. 1, 2, 3, где на фиг. 1 изображен продольный разрез устройства в момент удара ударника по наковальне в передней части корпуса; на фиг. 2 изображен продольный разрез устройства в момент до начала выхлопа из камеры обратного хода; на фиг. 3 изображен продольный разрез устройства в момент удара ударника по наковальне в задней части корпуса.
Пневмоударное устройство (далее - устройство) содержит корпус 1 (фиг. 1) с патрубком 2, ударник 3, установленный в корпусе 1 с возможностью перемещения, камеру 4 прямого хода, образованную патрубком 2 и ударником 3, камеру 6 обратного хода, запорный клапан 7, клапан 8 отсечки (далее - клапан 8). Корпус 1 имеет в передней части накопительную камеру 9, в которой размещен клапан 8. Наковальня 10, передний кольцевой выступ 11 и ограничитель обратного хода, например, в виде пазов 12, выполнены в средней части корпуса 1 (пунктиром показаны линии раздела корпуса 1 на части), а направляющий элемент 13 для ударника 3 - в задней части корпуса 1. Камера 6 обратного хода образована передней частью ударника 3, наковальней 10, внутренней поверхностью 14 средней части корпуса 1 и запорным клапаном 7, выполненным в виде упругого кольца, установленного в кольцевой канавке 15 ударника 3 на наружной поверхности его передней части с возможностью взаимодействия с внутренней поверхностью 14 средней части корпуса 1. Впускное отверстие 16 сообщено с камерой 6 обратного хода через камеру 4 прямого хода, канал 17 в ударнике 3, центральную трубку 5, накопительную камеру 9 для сжатого воздуха, которая обеспечивает камеру 6 обратного хода необходимым количеством сжатого воздуха при обратном ходе ударника 3. Для этого центральная трубка 5, пропущена через отверстие 18 в наковальне 10 в канал 17 ударника 3, в которой выполнено отверстие 19 для подачи сжатого воздуха в накопительную камеру 9. Клапан 8 установлен на наружной поверхности центральной трубки 5 с возможностью осевого смещения по ней и взаимодействия верхним торцом с ударником 3 через отверстие 18 в наковальне 10 для подачи сжатого воздуха из накопительной камеры 9 в камеру 6 обратного хода, а нижним торцом - с буртиком 20 центральной трубки 5.
Устройство имеет в задней части корпуса 1 дополнительную накопительную камеру 21, дополнительную камеру прямого хода 22, дополнительную наковальню 23, дополнительное впускное отверстие 24 для подачи сжатого воздуха в дополнительную накопительную камеру 21, дополнительный запорный клапан 25, дополнительную кольцевую канавку 26, задний кольцевой выступ 27, задний выхлопной паз 28, выполненные на внутренней боковой поверхности корпуса 1 в его задней части. Камера 4 прямого хода сообщена с камерой 6 обратного хода через накопительную камеру 9 и центральную трубку 5. Дополнительная камера 22 прямого хода образована корпусом 1, наружной поверхностью патрубка 2, дополнительной наковальней 23, дополнительным клапаном 29 отсечки и дополнительным запорным клапаном 25, выполненным в виде упругого кольца, установленного в дополнительной кольцевой канавке 26 в задней части ударника 3 с возможностью взаимодействия с цилиндрической поверхностью 29 корпуса 1. Выхлопное / выхлопные отверстия 30 расположены в задней боковой части корпуса 1, при этом дополнительная накопительная камера 21 образована внутренней задней частью корпуса 1, наружной поверхностью патрубка 2 и дополнительным клапаном 29 отсечки. Дополнительный клапан 29 отсечки установлен на наружной поверхности патрубка 2 с возможностью осевого смещения по нему и взаимодействия нижним торцом с ударником 3 через отверстие 31 в дополнительной наковальне 23, а верхним торцом - с буртиком 32 наружной поверхности патрубка 2.
Ударник 3 установлен с возможностью взаимодействия с наковальней 10 и дополнительной наковальней 23 и имеет кольцеобразный ряд впадин 33 на наружной поверхности для выхлопа сжатого воздуха через выхлопное / выхлопные отверстия 30 из камеры 6 обратного хода.
Устройство работает следующим образом.
Перед включением устройства ударник 3 уперт в наковальню 10 (фиг. 1), запорный клапан 7 находится в соприкосновении с внутренней поверхностью 14 средней части корпуса 1, клапан 8 находится в соприкосновении с буртиком 20 центральной трубки 5, дополнительный клапан 29 отсечки находится в нижнем положении, как показано на фиг. 1.
При подаче сжатого воздуха одновременно через впускные отверстия 16 и 24 в корпус 1 устройства ударного действия реализуется его работа в обычном режиме (вперед), при этом происходит следующее: из магистрали сжатый воздух через впускное отверстие 16, патрубок 3, камеру 4 прямого хода, канал 17 в ударнике 3, отверстие 19 центральной трубки 5, накопительную камеру 9, отверстие 18 в наковальне 10 поступает в камеру 6 обратного хода, и в ней повышается давление. Одновременно с этим из магистрали сжатый воздух через впускное отверстие 24 поступает в дополнительную накопительную камеру 21, и в ней повышается давление.
Под действием давления в камере 6 обратного хода упругое кольцо запорного клапана 7 давлением прижимается к верхней (по чертежу фиг. 1, 2, 3) поверхности кольцевой канавки 15 ударника 3. Под действием в камере 6 обратного хода за счет разности эффективных площадей ударника со стороны камер 6 и 4 ударник перемещается в верхнее (по чертежу) положение.
При прохождении запорным клапаном 7 пазов 12 (фиг. 2, 3) происходит сброс давления сжатого воздуха из камеры 6 обратного хода через эти пазы 12, кольцеобразный ряд впадин 33 на наружной поверхности ударника 3, выхлопное / выхлопные отверстия 30. В этот момент давление на внутреннюю поверхность (поз. не обозначена) запорного клапана 7 уменьшается и под действием упругих сил запорный клапан 7 сжимается (фиг. 3). Одновременно под действием перепада давления в камере 6 обратного хода и накопительной камере 9 клапан 8 отсечки перемещается вверх и перекрывает доступ сжатому воздуху в камеру 6 обратного хода из накопительной камеры 9.
Далее ударник 3 движется вверх и упругое кольцо дополнительного запорного клапана 25 приходит в соприкосновение с цилиндрической поверхностью 29 - происходит запирание дополнительной камеры 22 прямого хода. Одновременно с этим ударник 3 воздействует на дополнительный клапан 29 отсечки, смещая его вверх (фиг. 3) и открывая доступ сжатому воздуху из дополнительной накопительной камеры 21 в дополнительную камеру 22 прямого хода через отверстие 31 в дополнительной наковальне 23.
С момента запирания дополнительным запорным клапаном 25 дополнительной камеры 22 прямого хода в ней повышается давление. Под действием давления упругое кольцо дополнительного запорного клапана 25 прижимается к нижней (по чертежу фиг. 1, 3) поверхности кольцевой канавки 26 ударника 3. При этом давление сжатого воздуха действует на внутреннюю поверхность (поз. не показана) упругого кольца дополнительного запорного клапана 25 и происходит его растяжение и прижатие наружной поверхностью (поз. не показана) к внутренней поверхности 29 корпуса 1. Под действием давления в камере 4 прямого хода и дополнительной камере 22 прямого хода ударник 3 перемещается в нижнее (по чертежу) положение.
При прохождении дополнительным запорным клапаном 25 заднего выхлопного паза 28 происходит сброс давления сжатого воздуха из дополнительной камеры 22 прямого хода через этот паз 28 и выхлопное / выхлопные отверстия 30. В этот момент давление на внутреннюю поверхность (поз. не обозначена) дополнительного запорного клапана 25 уменьшается и под действием упругих сил он сжимается. Одновременно под действием перепада давления в дополнительной камере 22 прямого хода и дополнительной накопительной камере 21 дополнительный клапан 29 отсечки перемещается вниз и перекрывает доступ сжатому воздуху в дополнительную камеру 22 прямого хода из дополнительной накопительной камеры 21.
Далее ударник 3 движется вниз и наносит удар по наковальне 10, при этом упругое кольцо запорного клапана 7 приходит в соприкосновение с цилиндрической поверхностью 14 - происходит запирание камеры 6 обратного хода. Одновременно с этим ударник 3 воздействует на клапан 8 отсечки, смещая его вниз и открывая доступ сжатому воздуху из накопительной камеры 9 в камеру 6 обратного хода через отверстие 18 в наковальне 10. Затем цикл повторяется.
При подаче сжатого воздуха только через впускное отверстие 16 (фиг. 1) в корпус 1 устройства ударного действия реализуется его работа в реверсивном режиме (назад), при этом происходит следующее: из магистрали сжатый воздух через впускное отверстие 16, патрубок 3, камеру 4 прямого хода, канал 17 в ударнике 3, отверстие 19 центральной трубки 5, накопительную камеру 9, отверстие 18 в наковальне 10 поступает в камеру 6 обратного хода, и в ней повышается давление. Под действием давления в камере 6 обратного хода упругое кольцо запорного клапана 7 давлением прижимается к верхней (по чертежу) поверхности кольцевой канавки 15 ударника 3. Под действием в камере 6 обратного хода за счет разности эффективных площадей ударника со стороны камер 6 и 4 ударник перемещается в верхнее (по чертежу) положение.
При прохождении запорным клапаном 7 пазов 12 (фиг. 2, 3) происходит сброс давления сжатого воздуха из камеры 6 обратного хода через эти пазы 12, кольцеобразный ряд впадин 33 на наружной поверхности ударника 3, выхлопное / выхлопные отверстия 30. В этот момент давление на внутреннюю поверхность (поз. не обозначена) запорного клапана 7 уменьшается и под действием упругих сил запорный клапан 7 сжимается (фиг. 3). Одновременно под действием перепада давления в камере 6 обратного хода и накопительной камере 9 клапан 8 отсечки перемещается вверх и перекрывает доступ сжатому воздуху в камеру 6 обратного хода из накопительной камеры 9.
Далее ударник 3 движется вверх и наносит удар по дополнительной наковальне 23 в задней части корпуса 1.
Далее, под действием перепада давления в камере 4 прямого хода и в камере 6 обратного хода (оно близко к атмосферному) ударник 3 перемещается в нижнее (по чертежу) положение, воздействует на клапан 8 отсечки, смещая его вниз и открывая доступ сжатому воздуху из накопительной камеры 9 в камеру 6 обратного хода через отверстие 18 в наковальне 10. При этом происходит соприкосновение запорного клапана 7 с цилиндрической поверхностью 14, т.е. запирание камеры 6 обратного хода. Ударник 3 давлением сжатого воздуха в камере 6 обратного хода останавливается, не производя удара по наковальне 10 (или удар с относительно малой энергией) и совершает обратный ход за счет перепада давления в камере 6 обратного хода и камере 4 прямого хода, ускоренно двигаясь вверх и наносит удар с относительно большой энергией по дополнительной наковальне 23 в задней части корпуса. Затем цикл повторяется.
Таким образом, подтверждается, что устройство может работать в обычном режиме и в режиме реверсивного хода ударника.