БЕСШАБОТНЫЙ МОЛОТ
COUNTERBLOW HAMMER

Изобретение относится к области обработки металлов давлением и может быть использовано в кузнечных цехах.
Из уровня техники известен бесшаботный молот, содержащий вертикальную станину, в направляющих которой установлены с возможностью возвратно-поступательного перемещения верхняя и нижняя бабы, систему средств пневмосвязи с каналом, средством перемещения верхней бабы, выполненным в виде газофазной среды, пневмотрубопроводами и приводами, установленную в верхней рабочей зоне станины систему средств гидросвязи с каналами, средством перемещения нижней бабы, выполненным в виде жидкофазной среды, и приводами, установленную в нижней рабочей зоне станины, функционально обеспечивающие перемещение соответственно верхней и нижней баб, причем приводы баб выполнены в виде центральных и боковых штоков с возможностью взаимодействия одними торцами с торцевыми поверхностями указанных баб, а другими торцами - с жидкофазным и газофазным средствами перемещения, при этом центральный шток нижней бабы выполнен с поршнем, функционально разделяющим полость центрального канала гидросвязи на две верхнюю и нижнюю технологические зоны (Ю.А. Бочаров. «Кузнечно-штамповочное оборудование». М., «Академия». 2008, с.415-416).
Недостатком известного технического решения является ненадежная работа уплотнительного узла системы средств пневмосвязи, что приводит во время работы молота к неконтролируемой утечке рабочей газофазной среды, что в свою очередь приводит к снижению надежности и безопасности работы молота в целом.
Наиболее близким решением из уровня техники по технической сути и достигаемому результату является бесшаботный молот, содержащий вертикальную станину, в направляющих рабочих зонах которой установлены с возможностью возвратно-поступательного перемещения верхняя и нижняя бабы, установленную в верхней рабочей зоне станины систему средств пневмосвязи и управления перемещением верхней бабы с каналами, трубопроводами и рабочим цилиндром, оснащенным в полости средством перемещения верхней бабы в виде газофазной среды, а также приводом в виде центрального штока-плунжера, опертым свободным концом в верхнюю плоскость указанной бабы, установленную в нижней рабочей зоне станины систему средств гидросвязи и управления с каналами, полостями, компенсатором давления, содержащим поршень, и средством перемещения нижней бабы, выполненным в виде жидкофазной среды, а также с приводами, функционально обеспечивающими перемещение соответственно верхней и нижней баб, причем приводы баб выполнены в виде центрального и боковых штоков, взаимодействующих одними своими торцами с торцевыми поверхностями указанных баб, а другими торцами - со средствами их перемещения, при этом центральный шток выполнен с поршнем, установленным по центральной оси молота, оснащенным обратным клапаном, и средством его торможения (Патент РФ на изобретение №2438824, МКИ B21J 7/28, 2010 г.).
Недостатком известного из уровня техники технического решения также является ненадежная работа уплотнительных узлов привода системы средств пневмосвязи и управления перемещением верхней бабы молота и компенсатора давления, а именно узлов уплотнения плунжера верхней бабы и поршня компенсатора из-за проявления в них эффекта сухого трения, что приводит к преждевременному износу уплотнений в упомянутых узлах и неконтролируемой утечке рабочей газофазной среды из полости привода и поршня. Надежность и безопасность работы молота при этом снижаются.
В основу заявленного изобретения была положена техническая задача повышения надежности и безопасности работы молота за счет организации работы привода верхней бабы с использованием жидкофазной среды в качестве средства его перемещения, а также за счет обеспечения в уплотнительных узлах упомянутого привода и поршня компенсатора условий для реализации эффекта жидкостного трения.
Техническим результатом заявленного изобретения является обеспечение перемещения движущихся частей молота в условиях жидкостного трения в уплотнительных узлах со снижением коэффициента и силы трения в уплотнениях в 5 раз и более, что увеличивает срок службы уплотнений и повышает надежность и безопасность работы молота в целом.
Технический результат, соответствующий поставленной технической задаче, достигается за счет совокупности признаков, изложенной в формуле изобретения, а именно за счет того, что бесшаботный молот, содержащий вертикальную станину 9, в направляющих рабочих зон которой установлены с возможностью возвратно-поступательного перемещения верхняя 8 и нижняя 10 бабы, установленную в верхней рабочей зоне станины 9 систему средств связи и управления перемещением верхней бабы 8 с каналами 23, трубопроводами 45 и рабочим цилиндром 6, оснащенным в полости 5 средством перемещения верхней бабы, а также приводом в виде центрального штока-плунжера 7, опертым свободным концом в верхнюю плоскость указанной бабы 8, установленную в нижней рабочей зоне станины 9 систему средств гидросвязи и управления с каналами 14, 21, 31, 39, полостями 13, 15, 30, компенсатором давления, содержащим поршень 19, и средством перемещения нижней бабы, выполненным в виде жидкофазной среды, а также с приводами, функционально обеспечивающими перемещение соответственно верхней 8 и нижней 10 баб, причем приводы баб выполнены в виде центрального 28 и боковых 11 штоков, взаимодействующих одними своими торцами с торцевыми поверхностями указанных баб 8, 10, а другими торцами - со средствами их перемещения, при этом центральный шток 28 выполнен с поршнем 29, установленным по центральной оси молота, оснащенным обратным клапаном 38, и средством его торможения, согласно изобретению система средств связи и управления перемещением верхней бабы 8 молота дополнительно снабжена единым пневмогидравлическим аккумулятором 1, содержащим разделенные эластичной мембраной полости 2, 3 с газофазной и жидкофазной рабочими средами соответственно, с возможностью изменения рабочего давления в жидкофазной полости 3 аккумулятора 1 за счет изменения управляющего давления в его газофазной полости 2, а средство перемещения верхней бабы 8, размещенное в полости 5 рабочего цилиндра 6 с приводом-плунжером 7, выполнено в виде жидкофазной среды, причем жидкофазная полость 3 аккумулятора 1 каналами 23 соединена с полостью 5 рабочего цилиндра 6, а также трубопроводами 42 с гидравлической полостью 18 компенсатора давления, при этом компенсатор давления оснащен размещенной под поршнем 19 в полости 18 пружиной 20, с возможностью ограничения его перемещения при разгоне.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, где схематично изображен продольный разрез бесшаботного молота.
Бесшаботный молот содержит единый пневмогидравлический аккумулятор 1, содержащий разделенные эластичной мембраной полости 2, 3 с газофазной и жидкофазной рабочими средами соответственно, и с возможностью изменения рабочего давления в жидкофазной полости 3 аккумулятора 1 за счет изменения управляющего давления в его газофазной полости 2. Жидкофазная полость 3 аккумулятора 1 соединена каналом 4 с полостью 5 рабочего цилиндра 6, оснащенного приводом-плунжером 7. Верхний торец плунжера 7 установлен в рабочем цилиндре 6, а нижний торец оперт в верхнюю бабу 8, установленную в верхней рабочей зоне станины 9 и выполненную с возможностью возвратно-поступательного движения вдоль вертикальной оси станины 9. В станине 9 с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль ее вертикальной оси установлена в нижней рабочей зоне станины 9 нижняя баба 10, которая взаимодействуют с верхней бабой 8 через подвижные элементы гидросвязи, состоящие из двух боковых штоков 11, установленных в вертикальных цилиндрах 12. Их жидкофазные полости 13 соединены каналами 14 с полостью 15 центрального гидравлического цилиндра 16 системы гидросвязи, которые заполнены средством перемещения нижней бабы 10, выполненным в виде жидкофазной среды.
Цилиндры 12 и 16 размещены в корпусе 17 системы гидросвязи, в котором выполнен компенсатор давления, состоящий из полости 18, заполненной рабочей жидкофазной средой, поршня 19 и, установленной под ним пружины 20. Полость 18 соединена каналом 21, трубопроводом 22 и каналом 23 с жидкофазной полостью 3 аккумулятора 1, а каналом 4 - с полостью 5 рабочего цилиндра 6. В исходном положении пружина 20 компенсатора прижимает верхний торец поршня 19 к нижнему торцу цилиндра 12. При этом пружина 20 установлена в полости 18 под поршнем 19 с целью уравновешивания сил, действующих на поршень 19 в исходном положении, а также снижения инерционных сил при разгоне путем уменьшения его массы. Вызвано это тем, что давление жидкости в полости 13 гидросвязи всегда выше, ввиду конструктивных особенностей молота, чем давление жидкости в полости 3 аккумулятора 1 и в полости 4 средств перемещения верхней бабы 8. Полость 13 может быть соединена каналом 24, трубопроводом 25, а также распределителем 26 со сливом 27.
В центральном цилиндре 16 системы гидросвязи установлен шток 28 с выполненным в форму стакана поршнем 29. Поршень-стакан 29 отделяет полость 15 цилиндра 16 от полости 30, образованной над поршнем 29 и соединенной каналом 31 с клапаном 32. В исходном положении полость 30 соединена распределителем 33, трубопроводами 34, 35 через обратный клапан 36 с источником 37 давления, выполненным в виде насосного или насосно-аккумуляторного привода. Для осуществления цикла клапан 32 переключают в положение, при котором полость 30 и канал 31 соединяют со сливом 27.
Полость 30 соединена также каналом 31 через обратный клапан 38 и канал 39 с полостью 15 для обеспечения заполнения полостей 13, 15, 30, каналов 14, 31, 39 жидкофазной средой в исходном положении молота.
Привод 37 через обратный клапан 36 и трубопровод 40 может быть соединен посредством распределителя 41 трубопровода 42, канала 23 с жидкофазной полостью 3 аккумулятора 1 и полостью 5 рабочего цилиндра 6. Газофазная полость 2 аккумулятора 1 соединена с источником 43 давления через вентиль 44 и трубопровод 45. Величину давления газофазной среды в полости 2 контролируют по манометру 46, а жидкофазной среды: насосного привода 37 - по манометру 47, а в полостях 15 и 30 системы гидросвязи - по манометру 48.
Для повышения надежности работы молота система средств связи и управления перемещением верхней бабы 8 может быть оснащена системой аналогично выполненных пневмогидравлических аккумуляторов 1 и 1′, соединенных между собой трубопроводом 49.
На взаимообращенных плоскостях верхней 8 и нижней 10 баб, установлены штампы 50.
Для обеспечения неразрывности потока жидкости из полости 3 аккумулятора 1 в полость 18, а также для снижения потерь давления рабочей жидкости при ее течении по каналам 21 и 23, и по трубопроводам 22 и 42 при кратковременном смещении вверх под действием пружины 20 поршня 19 при отскоке штоков 11 после удара молота, между трубопроводами 22 и 42 установлен сосуд-ресивер 51.
Принцип работы бесшаботного молота заключается в следующем.
Первоначально заполняют газофазную или пневматическую полость 2 пневмогидравлических аккумуляторов 1 и 1′, для чего полость 2 соединяют с источником 43 давления, открывая вентиль 44 и контролируя величину давления заправки в полости 2 аккумулятора 1 по манометру 46. Затем вентиль 44 закрывают и переключают распределитель 41 в положение, при котором источник 37 высокого давления жидкости соединяется через обратный клапан 36, трубопровод 42, каналы 23, 4 с гидравлическими полостями 3 аккумулятора 1, и полостью 5 рабочего цилиндра 6. Одновременно рабочая жидкость под давлением поступает по трубопроводу 22 и каналу 21 в гидравлическую полость 18 компенсатора и перемещает поршень 19 до упора в торец цилиндра 12.
Далее, распределитель 33 переключают в положение, при котором управляющую полость 30 соединяют с источником 37 давления через обратный клапан 36, трубопроводы 35 и 34, клапан 32 и канал 31. Одновременно соединяют полости 15, 14, 13 системы гидросвязи с источником 37 давления через обратный клапан 38 и канал 39. При этом нижняя баба 10 будет находиться под действием сил тяжести в крайнем нижнем положении, а верхняя баба 8 переместится в крайнее верхнее для удара положение усилием боковых штоков 11, создаваемом давлением жидкофазной среды, воздействующей в полости 13 на их нижний торец. При заполнении системы гидросвязи жидкофазной средой распределитель 26 открыт и соединяет полость 13 через канал 24 со сливом 27. При появлении рабочей жидкости в сливе 27, распределитель 26 закрывают. Молот готов к началу рабочего цикла.
Цикл начинают переключением клапана 32 в положение, при котором управляющая полость 30 соединяется со сливом 27. Давление в полости 30 падает. Шток 28 силой давления жидкости в полостях 13, 15 перемещается поршнем 29 вверх, смещая вверх нижнюю бабу 10. При движении поршня 29 вверх, давление в полостях 13, 15 гидросвязи уменьшается, что приводит к снижению силы давления жидкофазной среды на боковые штоки 11. Под действием силы давления рабочей жидкости в полости 5 цилиндра 6 на плунжер 7 начинают движение вниз верхняя баба 8 и ее подвижные элементы: плунжер 7 и боковые штоки 11.
С этого момента начинается разгон баб 8 и 10 навстречу друг другу. Он происходит за счет потенциальной энергии рабочего газа, находящегося в полости 2 аккумулятора 1. Газофазная среда в полости 2 увеличивается в объеме, вследствие уменьшения давления в полости 5 при смещении плунжера 7 вниз. При расширении рабочий газ совершает работу, поддерживая давление жидкофазной среды в полости 5 таким, чтобы обеспечить течение рабочей жидкости из полости 3 аккумулятора 1 в полость 5 гидроцилиндра 6 с минимальными потерями давления на сопротивление. В связи с чем, аккумулятор 1 установлен в непосредственной близости к цилиндру 6, а канал 4 выполнен коротким и с минимальным по сопротивлению внутренним проходным сечением. Отсутствие утечек рабочего газа, например воздуха, из полости 2 аккумулятора 1 за цикл обеспечиваются герметичностью закрытого вентиля 44 и эластичной мембраной, герметично разделяющей полости 2 и 3 аккумулятора 1.
Плунжер 7 движется при разгоне в рабочем цилиндре 6, преодолевая силы трения в уплотнительном узле между его наружной цилиндрической поверхностью и стенками цилиндра 6. В данном узле создан режим жидкостного трения, когда между наружным диаметром плунжера 7 и внутренним диаметром уплотнения (не показано) присутствует жидкостная пленка, которая существенно, по сравнению с сухим трением, снижает потери энергии сжатого газа аккумулятора 1 на трение.
При движении плунжера 7, бабы 8 и штоков 11 вниз под действием давления рабочей жидкости на плунжер 7 в полости 5 цилиндра 6 происходит повышение давления рабочей жидкости в полостях 13, 15 системы гидросвязи и замедление движения верхних подвижных частей 7, 8, 11 вниз. Повышение давления в полостях 13, 15 гидросвязи увеличивает силу давления на поршень 29, который перемешает штоком 28 нижнюю бабу 10 вверх, вытесняя при этом жидкость из управляющей полости 30 по каналу 31 через клапан 32 на слив 27. С перемещением поршня 29 вверх снижается давление жидкости в полостях 13, 15 гидросвязи, что уменьшает силу давления жидкости на штоки 11 и замедляет движение нижних подвижных частей 10, 28, 29, жидкости в полостях 13, 14, 15, нижней части штампа 50 вверх и вызывает ускорение движения верхних подвижных частей 11, 8, 7, верхней части штампа 49 вниз. Таким образом, происходит разгон с колебаниями навстречу друг другу верхней 8 и нижней 10 баб с штампами 50.
На некотором пути разгона поршень 29 перемещается выше канала 31, образуя в верхней части цилиндра 16, между его верхним дном и верхней кромкой диаметра канала 31, замкнутую полость, повышение давления жидкости в которой поршнем 29 тормозит его движение вверх. В дальнейшем шток 28 и баба 10 движутся до соударения штампов 50 по инерции.
С момента торможения поршня 29, верхние подвижные части: плунжер 7, верхняя баба 8, штоки 11 движутся вниз под действием силы давления жидкости на плунжер 7, сжимая штоками 11 жидкость в полостях 13, 15. Повышение давления в этих полостях гидросвязи увеличивает силу, с которой рабочая жидкость гидросвязи воздействует на поршень 19 компенсатора давления, смещая его вниз. Происходит сжатие пружины 20 и вытеснение жидкости из полости 18 по каналам 21, 23 и трубопроводам 22, 42 в полость 3 аккумулятора 1. Увеличение давления жидкости в полостях 13, 15 гидросвязи прижимает боковые штоки 11 к верхней бабе 8 и приводит к потерям энергии верхних подвижных масс и накопление энергии в пружине 20 и аккумуляторе 1 при разгоне.
После соударение штампов 50 и совершения рабочего хода (удара) бабы 8 и 10 отскакивают друг от друга в противоположные стороны. Энергия отражения нижней бабы 10 гасится частично эффектом гидротормоза, образуемого в поршне 28. Непогашенная энергия отражения нижних подвижных масс 10, 28, 29, 50 трансформируется в потенциальную энергию сжатия жидкости гидросвязи.
Верхняя баба 8 отскакивает вверх совместно с плунжером 7, который вытесняет жидкость из полости 4 через канал 23 в аккумулятор 1. Одновременно с ней отскакивают вверх боковые штоки 11 под действием давления жидкости в полости 13 гидросвязи и силы пружины 20. При движении штоков 11 вверх давление в полости 13 падает, но оно сразу увеличивается за счет давления жидкости, вытесняемой поршнем 19 из компенсатора силой пружины 20. Это происходит вследствие быстрого смещения вверх поршня 19 под действием силы сжатия пружины 20.
Мгновенное движение поршня 19 вверх, при внезапном падении давления в полостях 13, 15 гидросвязи, возможно при малой инерционности поршня 19 и достаточной силы пружины 20 и давления жидкости в полости 18. Давление жидкости в полости 18 зависит от сопротивления трубопроводов 43, 22 и каналов 21 и 23. В силу инерционности потоков, из-за потерь давления по каналам 22 и 23, трубопроводам 43 и 22 может возникнуть разрежение жидкости в полости 18, что не обеспечит прижатие штоков 11 к бабе 8 при отскоке. Инерционность поршня 19 зависит от его массы и сил трения о стенки полости 18. Они должны быть максимально малыми, что можно достигнуть при уменьшении диаметра поршня 19. Их значения учитываются при выборе параметров пружины 20. Для быстрого восполнения давление жидкости в полости 18 при удаленном расположении аккумулятора 1 и полости 18 в конструкции на гидролинии между ними устанавливают сосуд 51 с целью снижения потерь давления при течении жидкости из аккумулятора 1 в полость 18.
На некотором пути отскока верхние подвижные массы 7, 8, 11, 50 останавливаются силой их тяжести и давлением рабочей жидкости в полости 3 аккумулятора 1, создаваемого давлением газа в полости 2 аккумулятора 1. После останова на промежуточной высоте, верхние подвижные массы 7, 8, 11, 50 устремляются вниз, но они не достигнут плоскости соударения, которую имели штампы 50 при рабочем ходе. Повторному соударению штампов 50 будет препятствовать объем жидкости, который был вытеснен при отскоке из компенсатора в систему гидросвязи силой пружины 20 и давлением жидкости в полости 18. При этом уровень жидкости под боковыми штоками 11 будет выше, чем при ударе. Повторное вытеснение рабочей жидкости из гидросвязи в компенсатор таким же образом невозможно, так как энергия отражения верхних подвижных масс 7, 8, 11, 50 после отскока меньше их энергии при разгоне.
Нижняя баба 10, шток 28 и поршень 29 отразятся при отскоке вверх от рабочей жидкости системы гидросвязи под давлением в полостях 15, 30 центрального штока 28. Баба 10 и ее штамповая оснастка 50 не достигнут плоскости повторного соударения из-за недостатка энергии, величина которой меньше энергии нижних подвижных масс 10, 28, 29, 50 из-за ее потерь в гидротормозе поршня 29 при первом отскоке.
Затем закрывают клапан 32 и автоматически соединяют полость 30 через канал 31 и каналы (не показаны), выполненные в клапане, распределитель 33, трубопроводы 34, 35 и клапан 36 с источником давления 37. Под действием давления в полости 30 поршень 29 перемещает вниз шток 28, сжимая жидкость в полостях 13, 15 гидросвязи до давления, под действием которого на торец штоков 11 верхние подвижные массы 11, 8 и 7 перемещаются в крайнее верхнее положение, вытесняя жидкость из полости 4 в полость 3 аккумулятора 1. Нижняя баба 10 перемещается в крайнее нижнее положение под действием сил тяжести при движении вниз штока 28. При достижении бабами 8, 10 исходных для удара положений цикл завершается и молот готов к следующему удару.
Таким образом, предлагаемый бесшаботный молот обеспечивает перемещение движущихся частей молота в условиях жидкостного трения в уплотнительных узлах со снижением коэффициента и силы трения в уплотнениях в 5 раз и более, что увеличивает срок службы уплотнений и повышает надежность и безопасность работы молота в целом.
Изобретение может быть использовано в кузнечных цехах для обработки металлов давлением.
Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в формуле признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности неизвестной на дату приоритета из уровня техники необходимых признаков, достаточной для получения требуемого синергетического (сверхсуммарного) технического результата.
Заявленное решение соответствует требованию единства изобретения, т.к. в формуле охарактеризовано одно техническое решение.
Свойства, регламентированные в заявленном изобретении отдельными признаками, общеизвестны из уровня техники и не требуют дополнительных пояснений.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении может быть использован в кузнечных цехах для обработки металлов давлением;
- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в материалах заявки известных из уровня техники на дату приоритета способов, средств и методов;
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованиям условий патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.