ОТБОЙНЫЙ МЕХАНИЗМ
CHIPPING MECHANISM

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к отбойному механизму, который создает возвратно-поступательные колебания без реактивных сил. Отбойный механизм может приводиться в действие от практически любого источника энергии и может иметь практически любой размер. Потенциальными областями применения отбойного механизма являются двигатели для датчиков от нано- до макроразмеров, медицинские инструменты, ручные устройства, промышленное оборудование, оборудование для металлообработки, дробления, разрушения, сноса, скобления, трамбования, резания, перфорирования, гранулирования, создания вибраций и нагрузочных испытаний.
Предпосылки создания изобретения
Прежде всего, в нижеследующей таблице приводится перечень решений уровня техники, в котором в первой колонке указан номер патента США, во второй колонке - название/описание патента, в третьей колонке - фамилия изобретателя, и в четвертой колонке - дата публикации.
Т104801
Vibrator Mass Actuator Design
Rozicki, Marek L.
06.11.84
3159233
Seismic Transducer Construction
Clynch, F.
01.12.64
3262507
Driving and extraction of Piles and/or Encasing Structures
Hansen, F.
26.07.66
3329930
Marine Vibration Transducer
Cole, J.R.
04.07.67
3384868
Marine Vibration Device
Brown, G.L.
21.05.68
3482646
Marine Vibration Device
Brown, G.L.
09.12.69
3529681
Hydraulically Controlled Vibro-Hammer
Berrié, E.G.
22.09.70
3704651
Free Piston Power Source
John J. Kupka
05.12.72
3745885
Hydraulic Vibrator
Fair, Delbert W.
17.07.76
3934673
Vibrator Systems for Generating Elastic Waves in the Earth
Silverman, Daniel
27.01.76
4106586
Hydraulic Vibrator
Stafford, Jay H.
15.08.78
4178838
Oil Porting System for Dual Cylinder Vibrator
Stafford, Jay H.
18.12.79
4143736
Seismic Transducer Construction
Fair, Delbert W.
13.03.81
4248324
Seismic Vibrator and Method for Improving the Output of a Seismic Vibrator
Mifsud, Joseph F.
03.02.81
4314365
Acoustic Transmitter and Method to Produce Essentially Longitudinal Acoustic Waves
Peterson, Clifford W.
02.02.82
4442755
Power Stage Servo Valve for Seismic Vibrator
Rozicki, Marek L.
17.04.84
4608675
Land Seismic Source Method and Apparatus
Chelminski Stephen V.
26.08.86
4650008
Pile Driver and Extractor
Simson, Dionizy
17.03.87
4675563
Reciprocating Linear Motor
Goldowsky, Michael P.
23.06.86
4658930
Vibrator for Seismic Geophysical Prospecting
Bird, James M.
21.04.87
4785430
Hydraulic Vibrator with Wide Dynamic Range
Cole, Jack H.
15.11.88
4845996
Test System for Caissons and Piles
Bermingham, Patric
11.07.89
5038061
Linear Actuator/Motor
Olsen, John H.
06.08.91
5090485
Pile Driving Using aHydraulic Actuator
Pomonik, George M.
25.02.92
6323568
Electromagnetic Vibrator and Pump Including the same
Zabar, Nahum
27.11.01
6351089
Control System for aLinear Vibration Motor
Ibuli, Yasuo
26.02.02
6653753
Linear Motor
Kawano Shinichiro
25.11.03
6765318
Linear Driving Device
Sawada, Kiyoshi
20.07.04
6977474
Control System for aLinear Vibration Motor
Ueda, Mitsuo
20.12.05
7005810
Motor Driving Apparatus
Ueda, Mitsuo
28.02.06
7049925
Linear Actuator
Kawano Shinichiro
23.05.06
7071584
Linear Motor
Kawano Shinichiro
04.07.06
7148636
Motor Drive ControlApparatus
Ueda, Mitsuo
12.12.06
7151348
Motor Driving Apparatus
Ueda, Mitsuo
19.12.06
Наиболее распространенным использованием груза, совершающего возвратно-поступательные колебания, является область сейсморазведки. Такие вибраторы создают в грунте волны сжатия или волны сдвига продолжительностью 2-1000 миллисекунд. Для геофизических исследований были специально разработаны сейсмические вибраторы. Их выходная мощность, имеющая чистую синусоидальную форму, должна прилагаться в течение короткого времени. Поскольку время работы невелико, в конструкции не обращалось внимание ни на центрирование груза вдоль зоны смещения, ни на потребление энергии, ни на тепловыделение.
Недостатками такого сейсмического вибратора в качестве производственного инструмента является высокое потребление энергии, большое тепловыделение, необходимость в очень сложной системе управления, небольшой срок службы, отсутствие возможности создавать асимметричные силы, отсутствие возможности создавать поочередно активные "левые" и активные "правые" силы, отсутствие возможности создавать импульсы силы прямоугольной формы и отсутствие возможности немедленной остановки.
Патенты США:
3159233, 01.12.1964, F. Clynch;
3329930, 04.07.1967, J.R. Cole;
3384868, 21.05.1968, G.L. Brown;
3482646, 09.12.1969, G.L. Brown;
3745885, 17.07.1973, Fair;
3934673, 27.01.1976, Silverman;
4106586, 15.08.1978, Stafford;
4178838, 18.12.1979, Stafford;
4143736, 13.03.1979, Fair;
4248324, 03.02.1981, Mifsud;
4314365, 02.02.1982, Petersen;
4442755, 17.04.1984, Rozycki;
T104801, 06.04.1984, Rozicki;
4608675, 26.08.1987, Cheimiski;
4658930, 21.04.1987, Bird;
4785430, 15.11.1988, Colt,
- все относятся к разработкам и усовершенствованиям сейсмических вибраторов. Во всех этих патентах используется груз, имеющий возвратно-поступательные ускорения, для создания синусоидальной силы. Эта сила передается на грунт для создания сейсмических волн.
Недостатки этих устройств и способов, если рассматривать их как полезный, производительный инструмент общего назначения, заключаются в следующем:
- Они не способны производить ни импульсы силы прямоугольной формы, ни асимметричные силы.
- Они не утилизируют приводную энергию.
- Они имеют большую массу относительно производимой силы.
- Они не могут мгновенно останавливаться.
- Они не имеют функции аварийной остановки.
- Для них не существует способа определения факта нахождения груза вне допустимого диапазона перемещения.
- Для них не существует способа предотвращения выхода груза за допустимый диапазон перемещений.
- Они не способны переключаться с создания увеличенной силы "влево" на создание увеличенной силы "вправо".
- Они способны к непрерывной работе только в течение очень короткого периода времени.
Патенты США:
6351089 B1, 26.02.2002, Ibuki
6977474 B2, 20.12.2005, Ueda
7005810 B2, 28.02.2006, Ueda
7148636 B2, 12.12.2006, Ueda
7151348 B2, 19.12.2006, Ueda
- все относятся к системам управления линейным двигателем. Целью этих патентов является заставить линейный двигатель работать так, чтобы он создавал точно синусоидальную волну силы с возможностью качания частоты.
Недостатки этих устройств и способов, если рассматривать их как полезный, производительный инструмент общего назначения, заключаются в следующем:
- Они сложны, хрупки, дороги и требуют значительных объемов ремонтных работ и специальных работ по обслуживанию.
- Они не способны управлять асимметричными силами.
- Они не способны утилизировать энергию привода.
- Они не способны управлять мгновенной остановкой.
- Для них не существует способа предотвращения выхода груза за допустимый диапазон перемещений.
- Они не способны переключаться с создания увеличенной силы "влево" на создание увеличенной силы "вправо".
Патенты США:
3262507, 26.07.1966, Hansen,
3529681, 22.09.1970, Berrié
3704651, 05.12.1972, Kupka
4650008, 17.03.1987, Simson
4854996, 11.07,1989, Bermingham
5090485, 25.02.1992, Pomonik
- все относятся к устройствам для забивания свай.
Много усилий было затрачено на поиски устройства для забивания свай или вибратора для погружения свай, которые были бы основаны на силе, создаваемой ускоряющимся грузом, совершающим возвратно-поступательные колебания. В настоящее время ни одно из предложенных устройств не нашло коммерческого воплощения. Устройство по патенту США 4854996, 11.07.1989, Bermingham, в котором фактически раскрывается одноходовой молот, успешно работает как источник нагрузки при нагрузочных испытаниях свай (Statnamic) и как одноходовой свайный копер для специальных морских работ.
Устройства и способы, описанные в патентах США 3262507, 26.07.1966, Hansen, 3529681, 22.09.1970, Berrié, и 4650008, 17.03.1987, Simson, не предусматривают связи между положением груза и пилотным клапаном или приводным насосом. За короткое время работы движение груза превышает заданную зону колебаний, и груз ударяется о верхнюю или нижнюю часть цилиндра. Управлять движением такого груза очень трудно или даже нереально. Такие устройства и способы не способны создавать асимметричные силы и импульсы силы прямоугольной формы. Они не имеют возможности остановки при выходе за пределы зоны колебаний и не могут переключаться с создания увеличенной силы "влево" на создание увеличенной силы "вправо" и наоборот и, кроме того, они потребляют много энергии.
В патенте США 3704651, 05.12.1972, Kupka, описан вибратор на основе свободного поршня. Устройство содержит пассивные клапаны и, следовательно, не может утилизировать энергию привода, не может создавать импульсы силы прямоугольной формы или асимметричные силы. Оно не может мгновенно останавливаться. Общий КПД устройства, по отношению потребляемой энергии к создаваемой силе, низок.
Патент США 5090485, 25.02.1992, Pomonik, не может быть реализован. Не существует способа создания из возвратно-поступательных колебаний ускоряющегося груза непрерывной последовательности полусинусоидальных импульсов силы, направленных в одну сторону. Законы физики диктуют, что после силы, направленной "влево", должна быть сила, направленная "вправо", и так далее. В таком устройстве и способе отсутствует какая-либо связь между положением груза и управлением сервоклапаном - поэтому синхронизация между ними практически отсутствует. Это устройство и способ не способны создавать асимметричные силы, прямоугольные импульсы силы, не имеют возможности активного переключения между направлениями силы, не утилизируют энергию, не способны предотвращать выход груза за пределы диапазона перемещений и не способны к мгновенной остановке.
В патентах США
4675563, 23.06.1987, Goldowski,
5038061, 06.08.1991, Olsen,
6323568 B1, 27.11.2001, Zabar,
6653753 B1, 25.11.2003, Kawano,
6765318 B2, 20.07.2004, Sawada,
7049925 B2, 23.05.2006, Kawano,
7071584 B2, 04.07.2006, Kawano
раскрыты усовершенствования в небольших линейных электродвигателях или линейных исполнительных механизмах, которые не способы создавать асимметричные силы, прямоугольные импульсы силы, не имеют возможности переключения между активной "правой" силой и активной "левой" силой, не могут повторно использовать энергию и не способны к мгновенной остановке. У всех этих устройств имеются ограничения по мощности и сроку службы.
Сущность изобретения
Согласно настоящему изобретению предлагается реалистичный способ и устройства для создания периодической, чередующейся силы отдачи с помощью совершающего возвратно-поступательные перемещения ускоряющегося груза.
Согласно настоящему изобретению предлагается реалистичный источник нового типа силы - чередующейся, не гармонической, не симметричной. Большую часть времени график этой силы имеет прямоугольную, асимметричную форму.
Согласно настоящему изобретению предлагается не наносящие вреда окружающей среде устройства, создающие большие силы, потребляющие мало энергии и создающие низкий акустический шум.
Согласно настоящему изобретению предлагаются способ и устройства, создающие большие силы с помощью относительно небольшого груза.
Согласно настоящему изобретению предлагаются способ и устройства, которые могут переключаться между активной "левой" силой и активной "правой" силой.
Согласно настоящему изобретению предлагаются способ и устройства, которые могут иметь управляемый останов, аварийный останов, мгновенный старт и мгновенный останов.
Согласно настоящему изобретению предлагаются способ и устройства, приводимые в действие практически любым коммерчески доступным источником энергии.
Согласно настоящему изобретению предлагаются способ и устройства, которые могут быть реализованы в форме устройств любых размеров - от очень малых до очень больших.
Согласно настоящему изобретению предлагаются способ и устройства, которые могут применяться практически в любой отрасли.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - схема гидравлической системы отбойного механизма с электрическим управлением.
Фиг.2а-2g - сечение узла датчика положения поршня и цилиндра в разных положениях поршня относительно цилиндра.
Фиг.3а-3d - диаграммы сил относительно времени для отбойного механизма в двух рабочих режимах.
Фиг.4а и 4b - схематическая иллюстрация поршня, цилиндра и различных управляющих точек переключения.
Фиг.4с - схематическая иллюстрация положения поршня и датчика положения, выполненного как единственный бесконтактный выключатель.
Фиг.4d-4g - схематическая иллюстрация положений поршня и датчика положения, выполненного в форме трех бесконтактных выключателей.
Фиг.5 - схема электрической системы отбойного механизма с электрическим управлением.
Фиг.6 - схема пневматической системы отбойного механизма с электрическим управлением.
Фиг.7 - схема электромеханического отбойного механизма.
Фиг.8 - схема электропневматического отбойного механизма.
Фиг.9 - схема гидромеханического отбойного механизма.
Фиг.10 - схема пневмомеханического отбойного механизма.
Фиг.11 - схема параллельной установки отбойных механизмов, каждый из которых выполняет отдельные функции.
Фиг.12 - вариант механического соединения отбойных механизмов.
Фиг.13 - вариант привода внешнего груза отбойным механизмом или отбойными механизмами.
Фиг.14 - варианты внешнего груза.
Фиг.15 - варианты каскадных или рекурсивных отбойных механизмов.
Фиг.16 - два отбойных механизма, установленных вокруг вращающейся оси для создания индуцированного вращающего момента.
Фиг.17а и 17b - два отбойных механизма, вращающих внешний груз для создания индуцированного вращающего момента.
Фиг.18 - применение двигателя в качестве отбойного механизма для создания индуцированных вращающихся моментов.
Фиг.19а-19е - сечения узла датчика положения поршня-цилиндра в различных положениях поршня относительно цилиндра для гидравлического отбойного механизма с гидравлическим управлением.
Фиг.20 - схема гидравлической системы отбойного механизма с гидравлическим управлением.
Подробное описание вариантов
Отбойный механизм содержит груз и/или грузы, которые совершают периодические возвратно-поступательные колебания с ускорением. Движение груза или грузов может быть линейным, вращательным или комбинацией этих двух видов движения. В случае вращательного движения груза или грузов, направление вращения периодически изменяется с вращения по часовой стрелке на вращение против часовой стрелки и наоборот.
Ускорение груза или грузов может иметь любую форму и может изменяться во времени. Ускорение в одном направлении может быть таким же, как и в другом, противоположном, направлении, или может быть другим.
Выигрыш, даваемый отбойным механизмом, заключается в отношении между силой отбоя и/или моментом отбоя и массой груза или грузов. Выигрышем является ускорение отбойного механизма. Для определенного груза или грузов, и/или момента или моментов инерции ускорение определяет силу отбоя и/или момент. Согласно закону Ньютона сила отбоя является произведением массы или масс на ускорение.
2
Например, груз массой 1 тонну или приблизительно 10 кН с ускорением 50 g или приблизительно 500 м/с, индуцирует силу отбоя 50 тонн или приблизительно 500 кН. В этом случае коэффициент усиления отбойного механизма равен 50.
Отбойный механизм создает возвратно-поступательные колебательные силы и/или моменты. Силы и/или моменты в каждом направлении могут быть равными или не равными. Продолжительность времени действия сил и/или моментов, приложенных в каждом направлении, может быть одинаковой или разной.
Следует обеспечить движение груза или грузов только в пределах рабочей зоны. Контур регулирования должен обеспечивать, чтобы в каждом направлении и в любое время, когда отбойный механизм работает, от совершающего колебания груза должна отбираться вся кинетическая энергия до того, как он достигнет конца рабочей зоны.
Приводная энергия отбойного механизма может быть гидравлической, электрической, пьезоэлектрической, магнитной, электромагнитной, механической, пневматической или любой комбинацией указанных видов энергии, но она ими не ограничивается. Во всех случаях приводная энергия преобразуется в кинетическую энергию. В большинстве случаев по меньшей мере часть кинетической энергии преобразуется обратно в приводную энергию.
Один вариант реализации отбойного механизма, приводимого в действие гидравлической жидкостью под давлением и имеющего электрическую систему управлению, показан на фиг.1, 2а-2g. Деталь 200, показанная на фиг.1, является узлом датчика положения поршня-цилиндра. На фиг.2а-2g этот узел показан более подробно и для разных положений поршня относительно цилиндра.
В этом случае грузом отбойного механизма является поршень 215, который совершает колебания с ускорением влево и вправо внутри цилиндра 206. Цилиндр 206 закрыт с обеих сторон крышками 202 и 212. В поршне 215 имеется канавка, которая вместе с цилиндром 206 образует первую камеру 208. Поршень 215 вместе с цилиндром 206 и крышкой 202 образует вторую камеру 214. Поршень 215 вместе с цилиндром 206 и крышкой 212 образует третью камеру 218. Цилиндр 206 соединен с опорой 217, которая передает силы, созданные отбойным механизмом, на приводимый объект. Датчик 220 положения прикреплен к цилиндру 206 или к опоре 217 и измеряет положение поршня 215 относительно цилиндра 206 или опоры 217 и посылает информацию по первому кабелю 134 на управляющее устройство 116.
Силовой агрегат 104 гидравлического давления и источника потока содержит обычные компоненты, такие как бак 101 для жидкости, насос 102, фильтр 120, охладитель 121 и предохранительный клапан 122. Силовой агрегат 104 является обычной гидростанцией. Он может быть автономным агрегатом или частью другой машины. Управление насосом 102 может осуществляться на основе расхода, на основе давления или на основе расхода и давления. В случае данного конкретного описания управление насосом 102 на основе давления позволяет упростить конструкцию управляющего устройства 116 и поэтому является предпочтительным. Силовой агрегат 104 подает жидкость под давлением по линии 103 высокого давления и принимает обратный поток от отбойного механизма по обратной линии 124. Для управления насосом 102 управляющим устройством 116 между ними проходит кабель, либо связь осуществляется беспроводным способом. Этот кабель или система беспроводной связи на чертежах не показаны. Линия 103 высокого давления соединена с первым аккумулятором 123, первым регулирующим клапаном 132, первой камерой 208 через первый порт 216 и регулятор 105. Регулятор 105 задает минимальное давление в линии 126. Второй предохранительный клапан 127 задает максимальное давление в линии 126. Линия 126 соединена со вторым аккумулятором 125. Узлы 128 и 136 служат для аварийного останова в случае неисправности одного или более компонентов системы управления - второго регулирующего клапана 106, третьего регулирующего клапана 107, четвертого регулирующего клапана 113, управляющего устройства 116 и/или узла 114 обратных клапанов.
Если поршень 215 смещен вправо относительно цилиндра 206, относительно положения, показанного на фиг.2b, и поршень движется вправо, то поршень 215 блокирует первый порт 216, второй порт 207 и третий порт 210. Движение поршня вправо приводит к нарастанию давления в третьей камере 218. Когда поднимающееся давление превысит величину, заранее заданную для предохранительного клапана во втором узле 136 аварийного останова, гидравлическая жидкость перетекает из третьей камеры 218 в обратную линию 124 через отверстие и предохранительный клапан во втором узле 136 аварийного останова. В этом случае кинетическая энергия поршня 215 преобразуется в теплоту отверстием и предохранительным клапаном во втором узле 136 аварийного останова. Одновременно, если давление во второй камере 214 падает ниже, чем давление в линии 126, гидравлическая жидкость течет из линии 126, через обратный клапан в первом узле 128 аварийного останова, во вторую камеру 214.
Если поршень 215 относительно цилиндра 216 находится левее и его положение таково, как показано на фиг.2с, и поршень движется влево, то поршень 215 блокирует четвертый порт 204, второй порт 207 и первый порт 216. Движение поршня 215 влево приводит к нарастанию давления во второй камере 214. Когда возросшее давление превысит величину, заданную для предохранительного клапана в первом узле 128 аварийного останова, гидравлическая жидкость течет из второй камеры 214 в обратную линию 124 через отверстие и предохранительный клапан в первом узле 128 аварийного останова. В этом случае кинетическая энергия поршня 215 преобразуется в теплоту отверстием и предохранительным клапаном в первом узле 128 аварийного останова. Одновременно, если давление в третьей камере 218 падает ниже давления в линии 126, гидравлическая жидкость течет из линии 126 через обратный клапан во втором узле 136 аварийного останова в третью камеру 218.
Первый регулирующий клапан 132, с одной стороны, соединен с линией 103 высокого давления и с линией 126, а, со второй стороны, со второй камерой 214 и с третьей камерой 218. Первый регулирующий клапан 132 имеет три положения. Центральное положение блокирует все подсоединенные линии. Левое положение соединяет вторую камеру 214 с линией 103 высокого давления, а третью камеру 218 с линией 126. Правое положение соединяет вторую камеру 214 с линией 126, а третью камеру 218 с линией 103 высокого давления. Линии от первого регулирующего клапана 132 ко второй камере 214 и к третьей камере 218 проходят через отверстия в узлах 128 и 136 аварийного останова. Первый регулирующий клапан 132 управляется электрически управляющим устройством 116 по второму кабелю 109. Первый регулирующий клапан 132 позволяет управляющему устройству 116 переводить поршень 215 в регулируемое положение относительно цилиндра 206.
Первая камера 208 позволяет гидравлической жидкости течь от первого порта 216 и линии 104 высокого давления на второй порт 207 и на другую линию 108 высокого давления, только когда поршень 215 находится в допустимой рабочей зоне относительно цилиндра 206. Допустимая рабочая зона слева ограничена положением поршня 216 относительно цилиндра 206, показанным на фиг.2b, а справа ограничена положением поршня 215 относительно цилиндра 206, показанным на фиг.2с.
Вторая линия 108 высокого давления соединена с тремя регулирующими клапанами 106, 107 и 113, а также с узлом 114 обратных клапанов. Четвертый регулирующий клапан 113 осуществляет выбор между режимом работы и режимом останова. Этим клапаном электрически управляет управляющее устройство 116 по кабелю 109. Четвертый регулирующий клапан 113 имеет два положения. Положение, показанное на фиг.1, переводит отбойный механизм в режим работы. В этом положении четвертый регулирующий клапан 113 соединяет третью камеру 218 через третий порт 210 с третьим регулирующим клапаном 107, а вторую камеру 214 через четвертый порт 204 со вторым регулирующим клапаном 106. Когда четвертый регулирующий клапан 113 находится во втором положении, не показанном на фиг.1, отбойный механизм находится в режиме останова. В этом положении четвертый регулирующий клапан 113 соединяет третью камеру 218 через третий порт 210 с самыми правыми обратными клапанами узла 114 обратных клапанов, а вторую камеру через четвертый порт 204 с самыми левыми обратными клапанами в узле 114 обратных клапанов. Узел 114 обратных клапанов позволяет сбрасывать высокое давление из второй камеры 214 или из третьей камеры 218 в первый аккумулятор 123 через вторую линию 108 высокого давления, первую камеру 208 и первую линию 103 высокого давления. Узел 114 обратных клапанов обеспечивает поток от линии 126 во вторую камеру 214 и третью камеру 218. Узел 114 обратных клапанов предотвращает возникновение потока жидкости под высоким давлением в линию 126 или жидкости под высоким давлением от второй линии 108 высокого давления во вторую камеру 214 и/или в третью камеру 218.
Третий регулирующий клапан 107 электрически управляется управляющим устройством 116 по второму кабелю 109. В положении, показанном на фиг.1, третий регулирующий клапан 107 соединяет вторую линию 108 высокого давления через вторую линию 111, четвертый регулирующий клапан 113 и третий порт 210, с третьей камерой 218. В другом положении третий регулирующий клапан 107 соединяет первую линию 126 через вторую линию 111, четвертый регулирующий клапан 113 и третий порт 210 с третьей камерой 218.
Второй регулирующий клапан 106 электрически управляется управляющим устройством 116 по второму кабелю 109. В положении, показанном на фиг.1, второй регулирующий клапан соединяет первую линию 126 через третью линию 112, четвертый регулирующий клапан 113 и четвертый порт 204, со второй камерой 214. В другом положении, не показанном на фиг.1, второй регулирующий клапан 106 соединяет вторую линию 108 высокого давления через третью линию 112, четвертый регулирующий клапан 113 и четвертый порт 204 со второй камерой 214.
Датчик 115 давления измеряет гидравлическое давление во второй линии 108 высокого давления и передает информацию на управляющее устройство 116 по третьему кабелю 117. Датчик 115 давления в системе не является обязательным. Он необходим в том случае, когда управляющее устройство 116 должно управлять гидравлическим насосом 102 и/или в случае, когда управляющее устройство 116 должно управлять временем колебаний.
Управляющее устройство 116 соединено с панелью оператора четвертым кабелем 118, с датчиком давления третьим кабелем 117, с датчиком 220 положения первым кабелем 134 и с регулирующими клапанами 106, 107, 113 и 132 вторым кабелем 109.
Отбойный механизм, показанный на фиг.1 и фиг.2а-2g, имеет следующие основные признаки:
1. Негармонические, не совпадающие с "собственной частотой" нерезонансные возвратно-поступательные колебания груза или любого другого компонента.
2. Асимметричные силы. Сила в одном направлении больше, чем сила в противоположном направлении.
3. Силы отдачи прямоугольной формы.
4. Встроенная линейная блокировка приводного давления, если поршень выходит за пределы рабочей зоны.
5. Аварийный останов.
6. Мгновенный управляемый останов.
7. Мгновенный старт.
8. Активная результирующая "влево" и активная результирующая "вправо" под управлением клапана.
9. Управляемое позиционирование поршня относительно цилиндра.
10. Утилизация и повторное использование энергии.
11. Привод практически любым открытым контуром и управляемой по давлению гидростанцией.
Описание работы
При описании даются ссылки на фиг.1, 2а-2g, 3a-3d, 4a-4g.
Для лучшего понимания предполагается, что:
- Гидростанция 104 подает гидравлическую жидкость под высоким давлением в первую линию 103 высокого давления и получает возвращаемую гидравлическую жидкость по обратной линии 124.
- Насос скомпенсирован по давлению.
- Аккумуляторы 123 и 125 полностью заряжены.
- Площадь первого торца 205 больше, чем площадь второго торца 209.
- Объем аккумуляторов 123 и 125 много больше максимального объема второй камеры 214.
- Давление в первой линии 126 выше, чем давление в обратной линии 124, и много ниже, чем давление в первой линии 103 высокого давления.
- Давление в первой линии 103 высокого давления, умноженное на площадь второго торца 209, больше, чем давление первой линии 103 высокого давления, умноженное на площадь первого торца 205.
Имеется два режима работы или эксплуатации отбойного механизма. В первом режиме управляющее устройство 116 изменяет положение второго регулирующего клапана 106 и третьего регулирующего клапана 107, чтобы поддерживать возвратно-поступательные периодические колебания. Во втором режиме управляющее устройство 116 удерживает третий регулирующий клапан 107 в положении, показанном на фиг.1, в то же время изменяя положение второго регулирующего клапана 106, чтобы поддерживать возвратно-поступательные периодические колебания.
Рабочий режим 1:
Управляющее устройство 116 или оператор через управляющее устройство 116 приводит в действие первый регулирующий клапан 132 через второй кабель 109, чтобы перевести поршень 215 в положение, показанное на фиг.2d, в соответствии с информацией о положении, выдаваемой датчиком 220 положения по первому кабелю 134, в то же время переводя четвертый регулирующий клапан 113 в режим останова. Поршень 215, как показано на фиг.2d, находится рядом с левой крайней точкой зоны колебаний и слева от нее. Когда поршень 215 приходит в это положение, управляющее устройство 216 переводит четвертый регулирующий клапан в положение работы, как показано на фиг.1, и одновременно переводит второй регулирующий клапан 106 и третий регулирующий клапан 107 в положения, показанные на фиг.1. Это является начальной точкой периода колебаний, которая обозначена позицией 301 на фиг.3а и 3b. Гидравлическая жидкость под высоким давлением течет из первой линии 103 высокого давления и первого аккумулятора 123 через первый порт 216, первую камеру 208, второй порт 207, вторую линию 108 высокого давления, третий регулирующий клапан 107, вторую линию 111, четвертый регулирующий клапан 113, четвертую линию 119 и третий порт 210 в третью камеру 218, тогда как вторая камера 214 вытесняет гидравлическую жидкость в первую линию 126 и во второй аккумулятор 125 через четвертый порт 204, пятую линию 110, четвертый регулирующий клапан 113, третью линию 112 и второй регулирующий клапан 106. Высокое давление в третьей камере 218 ускоряет поршень 215 влево. Поток из второй камеры 214 заполняет второй аккумулятор 125 и поднимает давление в первой линии 126. Если давление в первой линии 126 достигнет величины, заданной на втором предохранительном клапане 127, этот второй предохранительный клапан сбрасывает гидравлическую жидкость в возвратную линию 124, чтобы поддерживать давление во второй линии 126 ниже установленной точки второго предохранительного клапана 127. Когда поршень 215 приходит в положение, показанное на фиг.2е, датчик 220 положения посылает сигнал на управляющее устройство 116 по первому кабелю 134. Управляющее устройство 116 переводит второй регулирующий клапан 106 и третий регулирующий клапан 107 в положение, не показанное на фиг.1. В этот момент третья камера 218 соединена с первой линией 126 и со вторым аккумулятором 125 через третий регулирующий клапан 107, вторую линию 111, четвертый регулирующий клапан 113, четвертую линию 119 и третий порт 210, тогда как вторая камера 214 соединена с давлением в первой линии 103 высокого давления и первого аккумулятора 123 через первый порт 216, первую камеру 208, второй порт 207, второй регулирующий клапан 106, третью линию 112, четвертый регулирующий клапан 113, пятую линию 110 и четвертый порт 204. Это - точка, обозначенная позицией 302 на фиг.3а и 3b. Гидравлическая жидкость течет из первой линии 126 и второго аккумулятора 125 в третью камеру 218, и из второй камеры 214 - в первую линию 103 высокого давления и в первый аккумулятор 123. Высокое давление во второй камере 214 ускоряет поршень 215 вправо, когда он движется влево, пока в итоге он не остановится в положении, показанном на фиг.2f или правее этого положения. Эта точка показана позицией 303 на фиг.3а и 3b. Из этой точки вышеописанное высокое давление продолжает ускорять поршень 215 вправо, когда этот поршень движется вправо до положения, показанного на фиг.2е. Во время этого движения вправо, ускоряясь вправо, гидравлическая жидкость течет из первой линии 103 высокого давления и первого аккумулятора 123 во вторую камеру 214, и из третьей камеры 218 - в первую линию 126 и во второй аккумулятор 125. При достижении положения, показанного на фиг.2е, датчик 220 положения посылает сигнал на управляющее устройство 116 по первому кабелю 134. Управляющее устройство 116 переводит второй регулирующий клапан 106 и третий регулирующий клапан 107 в положение, показанное на фиг.1. Эта точка обозначена позицией 304 на фиг.3а и 3b. Гидравлическая жидкость под высоким давлением течет из третьей камеры 218 в первую линию 103 высокого давления и в первый аккумулятор 123 через третий порт 210, четвертую линию 119, четвертый регулирующий клапан 113, вторую линию 111, третий регулирующий клапан 107, вторую линию 108 высокого давления, второй порт 207, первую камеру 208 и первый порт 216. Одновременно гидравлическая жидкость течет из первой линии 126 и второго аккумулятора 125 во вторую камеру 214 через второй регулирующий клапан 106, третью линию 112, четвертый регулирующий клапан 113, пятую линию 110 и четвертый порт 204. Высокое давление в третьей камере 218 ускоряет поршень 215 влево, когда он движется вправо, пока в итоге он не остановится в положении, показанном на фиг.2d. Эта точка обозначена позицией 305 на фиг.3а и 3b. Поршень 215 вернулся в исходное положение периода колебаний. Отсюда начинается следующий период, но управляющему устройству не нужно менять положения регулирующих клапанов 113, 107 и 106, поскольку они уже находятся в нужных положениях. С этой точки начинается новый период и так далее.
В вышеописанном процессе гидравлическая энергия преобразуется в кинетическую энергию и наоборот. Гидростанция 104 должна компенсировать потери в системе и энергию, подаваемую вовне. Поскольку аккумуляторы 123 и 125 достаточно велики, они поддерживают внутреннее давление практически постоянным. Это значит, что давление в первой линии 103 высокого давления, а также давление в первой линии 126 во время вышеописанного периода колебания остается постоянным. Сила, которая ускоряет поршень 215 влево, является произведением площади второго торца 209 на давление во второй линии 108 высокого давления минус потери на трение и минус произведение площади первого торца 205 на давление в первой линии 126. Поскольку все вышеуказанные параметры постоянны, сила также является постоянной. Сила, которая ускоряет поршень 215 вправо, является произведением площади сечения первого торца 205 на давление во второй линии 108 высокого давления минус потери на трение и минус произведение давления в первой линии 126 на площадь сечения второго торца 209. Поскольку все эти параметры постоянны, сила также является постоянной. На фиг.3а показаны силы, воздействующие на опору 217 во времени. На фиг.3b показана чистая сила, воздействующая на опору 217 во времени. На фиг.3b показано, что диаграмма силы во времени имеет прямоугольную, не симметричную форму. Сила, направленная в одну сторону, не равна силе, направленной в противоположную сторону. Вышеописанный отбойный механизм запускается мгновенно и начинает создавать силы. Этот отбойный механизм не может двигаться свободно. Ему необходимо использование клапанов, чтобы регулярно переключать вторую линию 108 высокого давления и первую линию 126 между второй камерой 214 и третьей камерой 218 и наоборот. На фиг.3b показано, помимо прочего, направление движения и ускорение поршня 215 на каждой фазе рабочего периода. Вышеописанный отбойный механизм в описанном режиме работы создает приложенную к опоре 217 результирующую силу отдачи, направленную влево, которая меньше силы отдачи, направленной вправо.
Есть три способа остановить вышеописанный отбойный механизм. Первый способ заключается в прекращении подачи гидравлического давления от гидростанции 104, оставляя регулирующие клапана 113, 106 и 107 в работе, как описано выше. В зависимости от внешней нагрузки и внутренних потерь отбойный механизм будет уменьшать длину зоны колебаний, пока не остановится. Способ, при котором подача давления от гидростанции 104 прекращается, на фиг.1 не показан. Второй способ заключается в переводе четвертого регулирующего клапана 113 в режим останова - в положение, которое не показано на фиг.1. В режиме останова как вторая камера 214, так и третья камера 218 соединены с парой обратных клапанов узла 214 обратных клапанов. Каждая пара обратных клапанов разрешает поток гидравлической жидкости от второй камеры 214 и от третьей камеры 218 во вторую линию 108 высокого давления и, далее, вплоть до первой линии 103 высокого давления, но блокирует поток в обратном направлении. Каждая пара обратных клапанов разрешает поток гидравлической жидкости во вторую камеру 214 и в третью камеру 218 от первой линии 126 и второго аккумулятора 125, но блокирует поток в обратном направлении. Если, например, поршень 215 движется вправо, когда четвертый регулирующий клапан 113 переведен в режим останова, то в третьей камере 218 нарастает давление, которое в итоге превысит давление в первой линии 103 высокого давления и в первом аккумуляторе 123 и гидравлическая жидкость в третьей камере 218 будет течь через третий порт 210, четвертую линию 119, четвертый регулирующий клапан 113 и узел 114 обратных клапанов во вторую линию 108 высокого давления и, далее, вплоть до первой линии 103 высокого давления и первого аккумулятора 123. Давление во второй камере 214 будет падать и в итоге станет меньше, чем давление в первой линии 126 и во втором аккумуляторе 125, и гидравлическая жидкость будет течь от первой линии 126 и второго аккумулятора 125 во вторую камеру 214. Режим останова четвертого регулирующего клапана 113 подвергает камеру меньшего объема (из-за движения поршня 215) действию высокого давления, а камеру большего объема (из-за движения поршня 215) - действию низкого объема. Поэтому кинетическая энергия поршня 215 преобразуется в энергию сжатого газа в первом аккумуляторе 123, заодно предотвращая возникновение разрежения. Вышеописанный второй способ остановки отбойного механизма позволяет останавливать отбойный механизм мгновенно во время текущей фазы и до выхода из рабочей зоны, как показано на фиг.2е. Третий способ остановки вышеописанного отбойного механизма заключается в использовании аварийного останова. Если поршень 215 выходит за пределы рабочей зоны, как показано на фиг.2b и 2с, вправо или влево, поршень 215 блокирует первый порт 216 и второй порт 207, поэтому вторая линия 108 высокого давления отсоединяется от первой линии 103 высокого давления и первого аккумулятора 123. Отсутствует источник движения поршня в любую сторону. Одновременно поршень 215 блокирует четвертый порт 204 или третий порт 210. Первый узел 128 аварийного останова соединен со второй камерой 214, а второй узел 136 аварийного останова соединен с третьей камерой 218. Каждый узел аварийного останова содержит отверстие, предохранительный клапан и обратный клапан. Каждый из предохранительных клапанов настроен на давление, превышающее давление в первой линии 103 высокого давления и в первом аккумуляторе 123, так что при нормальной работе отбойного механизма они оба находятся в выключенном положении, блокируя поток из второй камеры 214 и/или из третьей камеры 218 в обратную линию 124. Если, например, поршень 215, двигаясь влево, выйдет за пределы рабочей зоны влево, как показано на фиг.2с, то поршень 215 заблокирует первый порт 216 и второй порт 207, отсоединяя вторую линию 18 высокого давления от первой линии 103 высокого давления и первого аккумулятора 123, одновременно блокируя четвертый порт 204. Во второй камере 214 нарастает давление, которое в итоге превышает величину, заданную для предохранительного клапана в первом узле 128 аварийного останова, и гидравлическая жидкость начинает вытекать из второй камеры 214 через отверстие и предохранительный клапан в первом узле 128 аварийного останова. Этот поток ограничен отверстием, поэтому давление во второй камере 214 может быть выше, чем давление срабатывания предохранительного клапана. На другой стороне поршня 215 в третьей камере 218 создается низкое давление. Когда давление в третьей камере 218 становится ниже давления в первой линии 126 и во втором аккумуляторе 125, гидравлическая жидкость начинает течь из первой линии 126 через обратный клапан второго узла 136 аварийного останова в третью камеру 218. Если четвертый регулирующий клапан 113 не находится в положении работы, а второй регулирующий клапан 107 находится в положении, не показанном на фиг.1, возникнет также поток от первой линии 126 и второго аккумулятора 125 через третий регулирующий клапан 107 и четвертый регулирующий клапан 113 в третью камеру 218.
В течение каждого периода вторая камера 214 отсоединена от приводного источника, второй линии 108 высокого давления на двух фазах - на фазе 1 и на фазе 4, как показано на фиг.3а и 3b. В течение каждого периода третья камера 218 отсоединена от приводного источника, второй линии 108 высокого давления на двух фазах - на фазе 2 и на фазе 3, как показано на фиг.3а и 3b.
Рабочий режим 2:
Имеется еще один режим работы вышеописанного отбойного механизма - когда третий регулирующий клапан удерживается все время в положении, показанном на фиг.1. В этом режиме вторая линия 108 высокого давления постоянно соединена с третьей камерой 218, а вторая камера 214 соединена со второй линией 108 высокого давления или с первой линией 126 и вторым аккумулятором 125. Если процесс работы отбойного механизма запускается, когда поршень 215 находится в положении, показанном на фиг.2d, а управляющие клапаны 132, 113, 107 и 106 находятся в положении, показанном на фиг.1, тогда вторая камера 214 соединена с первой линией 126 и вторым аккумулятором 125, а третья камера 218 соединена с первой линией 103 высокого давления и с первым аккумулятором 123. Высокое давление в третьей камере 218 ускоряет поршень 215 влево, когда он движется влево. Это является точкой 301, показанной на фиг.3с и 3d. Поршень 215 продолжает ускоряться и движется влево, пока не придет в положение, показанное на фиг.2е. В этом положении датчик 220 положения посылает сигнал на управляющее устройство 116. Управляющее устройство 116 переводит второй регулирующий клапан 107 в положение, не показанное на фиг.1. Третья камера 218 остается соединенной со второй линией 108 высокого давления, в то время как вторая камера 214 теперь также соединена со второй линией 108 высокого давления. Обе камеры 214 и 218 соединены с одним и тем же источником высокого давления. Поскольку площадь первого торца 205 больше, чем площадь второго торца 209, результирующая сила, направленная вправо, ускоряет поршень 215 вправо, когда поршень движется влево. Это является точкой 302, показанной на фиг.3с и 3d. Поршень 215 теряет скорость вплоть до полной остановки. Эта точка показана на фиг.2f или немного правее. Это является точкой 303, показанной на фиг.3с и 3d. Ни один из регулирующих клапанов не меняет положения, поэтому поршень 215 продолжает ускоряться вправо и движется вправо. Движение поршня 215 вправо продолжается, пока он не придет в положение, показанное на фиг.2е. В этом положении датчик 220 посылает сигнал на управляющее устройство 116. Управляющее устройство переводит второй регулирующий клапан 106 в положение, показанное на фиг.1. Вторая камера 214 соединяется с первой линией 126 и со вторым аккумулятором 125, тогда как третья камера 218 соединена со второй линией 108 высокого давления. Высокое давление в третьей камере 218 ускоряет поршень 215 влево, пока он движется вправо. Это является точкой 304, показанной на фиг.3с и 3d. Поршень 215 продолжает двигаться вправо с отрицательным ускорением, пока в итоге не остановится. Это является точкой 305, показанной на фиг.3с и 3d. Это положение поршня 215 показано на фиг.2d. Отсюда вышеописанный период начинается вновь и так далее.
На фиг.3с показаны, помимо прочего, силы, которые отбойный механизм создает в этом режиме и которые действуют на опору 217, как функция времени. На фиг.3d показаны результирующие силы, приложенные к опоре 217, как функция времени. Если площадь первого торца 205 меньше, чем удвоенная площадь второго торца 209, тогда в этом режиме работы сила отдачи, действующая на опору 217 и направленная вправо, больше, чем сила отдачи, направленная влево, как показано на фиг.3d. Функциональность первого регулирующего клапана 132 и четвертого регулирующего клапана 113, узлов 128 и 136 аварийного останова и узла 114 обратных клапанов та же, что и первом режиме работы. В каждом периоде вторая камера 214 отсоединена от приводного источника, второй линии 108 высокого давления, на двух фазах - на фазе 1 и на фазе 4, как показано на фиг.3с и 3d. В каждом периоде третья камера 218 соединена с приводным источником, второй линией 108 высокого давления, на четырех фазах - на фазе 1, на фазе 2, на фазе 3 и на фазе 4, как показано на фиг.3с и 3d.
В рабочем режиме 1 сила, направленная влево, приложенная к опоре 217, больше, чем сила, направленная вправо. В рабочем режиме 2 сила, направленная вправо, приложенная к опоре 217, больше, чем сила, направленная влево. Эта разница между режимами работы позволяет выбирать сторону, на которой сила будет больше, и, следовательно, получать смещение в эту сторону. В обоих рабочих режимах сила, направленная вправо, приложенная к опоре 217, одинакова, тогда как сила, направленная влево в рабочем режиме 1, больше, чем в рабочем режиме 2.
В обоих режимах работы отбойный механизм создает прямоугольные импульсы силы, направленные влево и вправо, с резкими и быстрыми переключениями направления, как показано на фиг.3с и 3d. Они называются прямоугольными волнами, что напоминает термин "синусоидальная волна". Поведение прямоугольной волны отличается от поведения синусоидальной волны, что важно. Фактически прямоугольная волна не является истинной волной - поскольку она имеет две не продолжающиеся точки на каждый период, а остальное - прямые линии. Количество периодов отбойного механизма на единицу времени имеет иное значение и влияние, чем общепринятый термин "частота" для синусоидальной гармонической волны. По существу прямоугольная волна имеет лучшую приводную способность и меньшее проникновение, чем синусоидальная волна. В отбойном механизме поршень 215 движется влево и вправо путем переключения сил, которые не имеют ничего общего с "собственной частотой" или "резонансом". В описанных рабочих режимах поршень 215 не имеет возможности совершать колебания внутри цилиндра 206 без функциональности по меньшей мере второго регулирующего клапана 106.
Датчик 115 давления измеряет давление во второй линии 108 высокого давления и передает результат измерений на управляющее устройство 116 по третьему кабелю 117. Одной из функций датчика 115 давления является предотвращение работы отбойного механизма, если давление во второй линии 108 высокого давления слишком высоко или слишком низко. Если система управления насоса 102 подключена к управляющему устройству 116 и управляется им, показания датчика давления служат обратной связью для управляющего устройства 116. Кроме того, датчик давления 115 используется для регулирования создаваемых сил и продолжительности периода.
Продолжительность периода вышеописанного отбойного механизма можно менять, изменяя давление во второй линии 108 высокого давления и меняя длину зоны колебаний. Повышение давления во второй линии 108 высокого давления и/или уменьшение длины зоны колебаний приводит к уменьшению продолжительности периода отбойного механизма. Снижение давления во второй линии 108 высокого давления и/или уменьшение длины зоны колебаний увеличивает продолжительность периода отбойного механизма.
Управление:
Вышеописанный отбойный механизм не может работать без системы управления. Система управления выполняет две основные задачи. Первая задача заключается в определении положения поршня 215 относительно цилиндра 206 и переключение направления приводной силы с одной стороны на другую в нужном положении. Вторая задача заключается в компенсации потерь энергии и передачи энергии. Одним из вариантов реализации системы управления является применение датчика 220 положения, управляющего устройства 116 и второго регулирующего клапана 106 или второго и третьего регулирующих клапанов 106 и 107 - как показано на фиг.1. Датчик 220 положения может быть реализован несколькими способами. Ниже приведено подробное описание трех вариантов реализации датчика 220 положения. Выходная сила, имеющая форму прямоугольной волны, как описано выше и показано на фиг.3а, 3b, 3c и 3d, является предпочтительной выходной силой. Несмотря на то что отбойный механизм может создавать выходную силу практически любой формы, прямоугольная волна представляется наиболее эффективной и практичной. Приведенные ниже описание, расчеты и чертежи вариантов систем управления относятся к отбойному механизму, создающему выходные силы в форме прямоугольной волны. Выходная прямоугольная волна отбойного механизма может иметь одинаковые силы в обоих противоположных направлениях, или определенную силу в одном направлении, или разные силы для разных направлений. Расчетная точка переключения, как показано на фиг.4а и 4b, - это точка, в которой управляющее устройство 116 должно изменить положение второго регулирующего клапана 106 или второго и третьего управляющих клапанов 106 и 107, когда ее пересекает поршень 415. Расчетная точка переключения задается как направленная влево сила, умноженная на длину хода поршня 415 от левого предела зоны колебаний до расчетной точки переключения и равная направленной вправо силе, умноженной на длину хода поршня 415 от правого предела зоны колебаний до расчетной точки переключения. Если бы в систему не нужно было бы добавлять энергию, т.е. в идеальной ситуации, реальной точкой переключения была бы расчетная точка переключения. Однако в реальном мире происходят потери энергии, которую в отбойном механизме следует пополнять. Подача энергии осуществляется переключением второго регулирующего клапана 106 или второго и третьего регулирующих клапанов 106 и 107 через некоторое время после пересечения расчетной точки переключения. Чем больше задержка с момента пересечения расчетной точки переключения до реальной точки переключения, тем больше энергии подается в энергетическую систему отбойного механизма. Реальное положение переключения обозначено как компенсированная точка переключения, показанная на фиг.4а и 4b. На фиг.4а показан поршень 415, движущийся влево относительно цилиндра 406. Если в отбойный механизм не нужно добавлять энергию, то управляющей точкой переключения будет пересечение первым торцом 405 расчетной точки переключения. Если в отбойный механизм нужно добавить энергию, управляющая точка переключения сместится несколько влево к точке пересечения первым торцом 405 компенсированной точки переключения. На фиг.4b показан поршень 415, движущийся вправо относительно цилиндра 406. Если в отбойный механизм не нужно добавлять энергию, управляющей точкой переключения будет точка пересечения вторым торцом 409 расчетной точки переключения. Если в отбойный механизм нужно добавить энергию, управляющая точка переключения смещается несколько вправо к точке пересечения вторым торцом 409 компенсированной точки переключения. По существу, чем выше давление во второй линии 108 высокого давления, тем короче период и тем выше силы. Когда реальная зона колебаний удлиняется, продолжительность периода растет, энергия в отбойном механизме выше, но индуцированные силы на опоре 217 остаются теми же.
Энергию можно добавлять путем увеличения приводной мощности на фазе 1 и/или на фазе 3. Увеличение мощности приводного источника увеличивает ускорение груза и его кинетическую энергию. Еще одним способом добавления энергии в отбойный механизм является уменьшение мощности приводного источника на фазе 2 и/или на фазе 4. Уменьшение мощности приводного источника на фазе 2 и/или на фазе 4 увеличивает рабочий объем на соответствующей фазе, поэтому расстояние ускорения на следующей фазе будет больше и груз приобретет больше кинетической энергии.
Вариант 1:
Датчик 220 положения выполнен как датчик, измеряющий положение поршня 215 вдоль всей рабочей зоны, как описано выше и как показано на фиг.2d. В таком случае управляющее устройство 116 регулярно получает информацию о положении поршня 215 относительно цилиндра 206. Имея данные о положении поршня 215, управляющее устройство 116 может рассчитать скорость. Управляющее устройство может иметь данные о давлении во второй линии 108 высокого давления от датчика 115 давления или получить их путем расчета динамического поведения поршня 215, или путем учета рабочего давления во второй линии 108 высокого давления в качестве параметра. Имея вышеописанную информацию и получая команды от оператора по четвертому кабелю 118, управляющее устройство 116 рассчитывает положение поршня 215, в котором ему нужно переключить второй регулирующий клапан 106 или второй и третий регулирующие клапаны 106 и 107 из текущего положения в противоположное. Управляющее устройство 116 динамически рассчитывает точку переключения, рассчитывая или измеряя самое крайнее последнее положение, и требуемое самое крайнее положение на противоположной стороне, отношение между двумя силами, и направление движения поршня 215. Все эти расчеты являются простыми расчетами кинематики.
Вариант 2:
Другой вариант реализации датчика положения 220 заключается в использовании бесконтактного датчика или детектора металла или фотоэлектрического датчика, который определяет прохождение поршня 215 и положение поршня 215 слева или справа от точки пересечения. Предпочтительное положение датчика 220 находится в расчетной точке переключения, как показано на фиг.4с. Когда поршень 215 пересекает расчетную точку переключения, выход датчика 220 положения меняет состояние. Управляющее устройство 116 измеряет время, прошедшее с одного пересечения до другого. В управляющем устройстве 116 имеется справочная таблица, в которой указано, какой должна быть задержка в сигнале переключения для определенной силы, частоты и измеренного времени. Управляющее устройство 116 выжидает необходимое время задержки и затем переключает второй регулирующий клапан 106 или второй и третий регулирующие клапаны 106 и 107.
Вариант 3:
Датчик 220 положения, показанный на фиг.2а, реализован в виде трех бесконтактных переключателей 42а, 42b и 420с, как показано на фиг.4d. Датчик 420b положения расположен в расчетной точке переключения и определяет пересечение этой точки поршнем 215, включая направление пересечения. Третий датчик 420с положения расположен в точке, которая определяет необходимость добавления энергии в отбойный механизм, если поршень 215 ее не пересекает. Первый датчик положения 420а расположен в точке, в которой происходит переключение, если поршень 415 при движении влево не пересекает датчик 420с положения. Пока в отбойном механизме имеется достаточно энергии, и поршень 415 пересекает третий датчик 420с положения, как показано на фиг.4е, точкой переключения является точка пересечения поршнем 415 второго датчика 429b положения, как показано на фиг.4d. Когда поршень 415 пересекает второй датчик положения 420b при движении вправо, но не пересекает третий датчик 420с положения перед тем, как вновь пересечь второй датчик 420b положения, как показано на фиг.4f, то точкой переключения для движения поршня 415 влево будет точка пересечения первого датчика 420а положения, как показано на фиг.4g. Когда поршень 415 движется вправо, точкой переключения является пересечение при движении вправо второго датчика 420b положения, как показано на фиг.4d.
Гидравлический привод и гидравлическое управление
Отбойный механизм может быть полностью гидравлическим - все его функции реализуются гидравлически, как показано на фиг.19а-19е и на фиг.20. На фиг.20 приведена схема всей системы. Для простоты в нижеследующем описании игнорируются подсистемы предпускового позиционирования, управляемого торможения и аварийного торможения. Деталь 1900, показанная на фиг.20, является узлом поршень-цилиндр. Этот узел и различные положения поршня относительно цилиндра подробно показаны на фиг.19а-19е. Гидростанция 2018 является обычной гидростанцией. Она содержит бак 2001 для гидравлической жидкости, скомпенсированный по давлению насос 2002, первый предохранительный клапан 2017, узел 2016 охлаждения и узел 2015 фильтра. Гидростанция 2018 подает гидравлическую жидкость под высоким давлением по линии 2004 высокого давления и принимает возвращающуюся гидравлическую жидкость под низким давлением по обратной линии 2022. Регулятор 2003 поддерживает давление в линии 2021 на более высоком уровне, чем давление в обратной линии 2022, но на более низком уровне, чем давление в линии 2004 высокого давления. Второй предохранительный клапан 2020 поддерживает максимальное давление в линии 2021. Первый аккумулятор 2019 поддерживает давление в линии 2021, а второй аккумулятор 2005 поддерживает давление в линии 2004 высокого давления. Первая камера 1918 постоянно соединена с линией 2004 высокого давления. Вторая камера 1904 соединена с первым регулирующим клапаном 2006. Первый регулирующий клапан 2006 соединяет вторую камеру 1904 с линией 2021 и первым аккумулятором 2019, или с линией 2004 высокого давления и вторым аккумулятором 2005. Первый регулирующий клапан 2006 управляется давлением на одной стороне и пружиной на другой стороне. Управляющее давление на первый регулирующий клапан приходит от второго регулирующего клапана 2011. Второй регулирующий клапан 2011 управляется давлением на одной стороне и пружиной на другой стороне. Давление для управляющей линии второго регулирующего клапана 2011 приходит от первого порта 1906 в цилиндре 1911. Второй регулирующий клапан 2011 имеет два положения. В первом положении, как показано на фиг.20, второй регулирующий клапан 2011 соединяет управляющую линию первого регулирующего клапана 2006 со вторым портом 1909 и третьим портом 1912 цилиндра 1911. Во втором положении второй регулирующий клапан 2011 соединяет первую управляющую линию 2009 первого управляющего клапана 2006 с четвертым портом 1910 и с третьим портом 1912 в цилиндре 1911. Предполагается, что поршень 1901 находится в положении, показанном на фиг.19b. Первая камера 1918 соединена с линией 1004 высокого давления. Второй порт 1909 и четвертый порт 1910 соединены через третью камеру 1908 с обратной линией 2022. В любом положении второго регулирующего клапана 2011 первый регулирующий клапан 2006 получает низкое управляющее давление и, благодаря усилию пружины, устанавливается в положение, показанное на фиг.20, и соединяет вторую камеру 1904 с линией 2021. Поршень 1901 ускоряется и перемещается влево, пока не достигнет положения, показанного на фиг.19а. В этом положении третий порт 1912 соединен с первой камерой 1918 и с линией 2004 высокого давления, а второй порт 1909 и четвертый порт 1910 перекрыты поршнем 1901. Второй регулирующий клапан 2011 соединяет высокое давление с первой управляющей линией 2009 первого регулирующего клапана 2006, который меняет свое положение и соединяет вторую камеру 1904 с линией 2004 высокого давления. Теперь и вторая камера 1904, и первая камера 1918 соединены с линией 2004 высокого давления. Поскольку площадь сечения первого торца 1905 больше, чем площадь сечения второго торца 1913, поршень 1901 получает ускорение, направленное вправо, снижая скорость перемещения влево. Если потери энергии отсутствуют, поршень 1901 остановится в положении, показанном на фиг.19с. В этом положении третья камера 1908 соединяет первый порт 1906 и пятый порт 1907, а это значит, что высокое давление из линии 2004 высокого давления подается во вторую управляющую линию 2008, которая переводит второй регулирующий клапан 2011 в положение, показанное на фиг.20. В этом положении второй порт 1909 и третий порт 1912 соединены с первой управляющей линией 2009, которая управляет положением первого регулирующего клапана 2006, и направлением, в котором сила прилагается к поршню 1901. Поршень 1901 продолжает получать ускорение, направленное вправо, перемещаясь вправо, пока не достигнет положения, показанного на фиг.19а. В этом положении третья камера 1908 соединяет шестой порт 1916 и второй порт 1909, перекрывая третий порт 1912, что означает, что первая управляющая линия 2009 соединена с низким давлением. Пружина переводит первый регулирующий клапан 2006 в положение, показанное на фиг.20, и вторая камера 1904 соединяется с линией 2021. Теперь во второй камере 1904 имеется низкое давление, а в первой камере 1918 имеется высокое давление, в результате чего движущийся вправо поршень 1901 получает ускорение, направленное влево. Если потери энергии отсутствуют, поршень 1901 в итоге остановится в положении, показанном на фиг.19b. В этом положении первый порт 1906 открыт во вторую камеру 1904 и подает низкое давление во вторую управляющую линию 2008, в результате чего второй регулирующий клапан 2011 переключается в положение, не показанное на фиг.20. С этого момента вновь начинается данный период. В случае потери энергии, если период начинается, когда поршень 1901 находится в положении, показанном на фиг.19b, направленное влево ускорение при движении влево и направленное вправо ускорение при движении влево являются такими же, как описано выше, только положение остановки поршня 1901 будет таким, как показано на фиг.19d. В этом положении третья камера 1908 не соединяет первый порт 1906 с пятым портом 1907. Давление во второй управляющей линии 2008 остается низким, и второй регулирующий клапан 2011 находится в положении, задаваемом пружиной. Второй регулирующий клапан 2011 соединяет второй порт 1910 и третий порт 1912 с первой управляющей линией 2009. Это значит, что при движении поршня 1901 вправо момент переключения первого регулирующего клапана 2006 будет соответствовать моменту времени, когда поршень 1901 достигнет положения, показанного на фиг.19е, а не положения, показанного на фиг.19а. В этом случае поршень 1901 получает ускорение, направленное вправо, перемещаясь вправо на большее расстояние между вторым портом 1909 и четвертым портом 1910, чем расстояние, описанное выше для случая, когда потери энергии отсутствуют. Такой увеличенный ход поршня 1901 заряжает отбойный механизм дополнительной энергией, которая компенсирует потери.
Отбойный механизм, описанный выше, имеет очень низкие энергозатраты. Энергия, приложенная для ускорения поршня 215 влево на фазе 1, отбирается обратно при ускорении вправо на фазе 2 и хранится в первом аккумуляторе 123. Энергия, приложенная для ускорения поршня 215 вправо на фазе 3, отбирается при ускорении влево на фазе 4 и хранится в первом аккумуляторе 123. Даже гидравлическая жидкость под относительно низким давлением в первой линии 126 циркулирует между второй и третьей приводными камерами 214 и 218 и вторым аккумулятором 125. Если передача энергии вовне отсутствует, и если пренебречь не идеальной функциональностью гидравлической системы и трением, и если система управления продолжает функционировать, отбойный механизм будет совершать колебания вечно.
Отбойный механизм, описанный выше, имеет следующие признаки:
1. Не гармоническое, не на "собственной частоте", не "резонансное" движение груза или любого другого компонента, совершающего возвратно-поступательные колебания. Совершающий колебания груз активно нагружается приводной силой, которая является объектом внешнего регулирования.
2. Асимметричные силы. Сила в одном направлении больше, чем сила в противоположном направлении - если площадь первого торца 205 отличается от площади второго торца 209.
3. Силы отдачи прямоугольной формы - если аккумуляторы 123 и 125 имеют значительно больший объем, чем максимальный объем второй камеры 214.
4. Встроенный блок линии проводного давления, если поршень вышел за пределы рабочей зоны - первая камера 208.
5. Аварийный останов - узлы 128 и 136 аварийного останова.
6. Мгновенный управляемый останов - узел 114 обратных клапанов и четвертый регулирующий клапан 113.
7. Мгновенный пуск - как описано выше.
8. Активная результирующая работа "влево" и активная результирующая работа "вправо" - под управлением клапана - если площадь первого торца 205 меньше, чем удвоенная площадь второго торца 209, и больше, чем площадь второго торца 209.
9. Управляемое позиционирование поршня относительно цилиндра - первым регулирующим клапаном 132.
10. Утилизация и повторное использование энергии - как описано выше.
11. Привод практически от любого открытого проточного контура и гидростанции с управлением давлением, как описано выше.
Еще одним вариантом реализации отбойного механизма является электрический или электромагнитный привод и электрическое управление, как показано на фиг.5.
В этом случае деталь 520 является соленоидом постоянного тока, который приводит в движение деталь 519, груз, влево или вправо, в зависимости от направления тока в первом проводнике 523 и во втором проводнике 524. Деталь 519 является совершающим колебания грузом. Он получает ускорения и совершает периодические колебания вправо или влево. Сила отдачи, создаваемая при ускорении груза 519, является выходом отбойного механизма, индуцируемым на опоре 521.
Если груз 519 находится в крайнем правом расчетном положении, и первое реле 511 и второе реле 527 находятся в положении, показанном на фиг.5, то первый проводник будет соединен с землей системы, а второй проводник 524 будет соединен с первым конденсатором 508 и первым источником 501 напряжения V2. В результате текущего через соленоид 520 тока возникает сила, которая придает ускорение грузу 519, направленное влево. Датчик 525 положения измеряет положение груза 519 и посылает информацию на управляющее устройство 517 по первому кабелю 526. Когда груз 519 достигнет положения переключения, заданного управляющим устройством 517, это управляющее устройство 517 посылает сигнал на первое реле 511 по второму кабелю 512. Благодаря этому сигналу первое реле 511 меняет положение, и второй проводник 524 переключается на землю системы, а первый проводник 523 переключается на второй конденсатор 509 и второй источник 502 напряжения V1. Поскольку направление тока в проводниках 523 и 524 поменялось на противоположное, соленоид 520 индуцирует силу, направленную вправо. Эта сила придает грузу 519 ускорение, направленное вправо, которое замедляет направленное влево движение груза 519, пока он не потеряет всю свою кинетическую энергию и не остановится. Поскольку действие направленной вправо силы продолжается, груз 519 начинает двигаться, с ускорением, вправо. Ускоряющееся движение вправо продолжается, пока груз 519 не достигнет положения, заданного управляющим устройством 517. В этом положении управляющее устройство посылает на реле 511 сигнал, который переводит реле 511 в положение, показанное на фиг.5. Второй проводник 524 подключается к первому конденсатору 508 и первому источнику 501 напряжения V2, а первый проводник 523 подключается к земле системы. Поскольку направление тока на соленоиде 520 поменялось на противоположное, на груз 519 начинает действовать сила, направленная влево, которая создает направленное влево ускорение. Это направленное влево ускорение уменьшает скорость движения вправо до полной остановки груза 519. С этой точки вышеописанный процесс начинается вновь.
Управляющее устройство 517 получает информацию от датчика 525 положения, второго источника 502 напряжения V1, первого источника 501 напряжения V2 и от оператора по третьему кабелю 518. Управляющее устройство 517 управляет первым реле 511 по второму кабелю 512. Второй источник 502 напряжения V1 защищен от шумов и помех, наводимых соленоидом 520 диодами 504 и 505. Первый источник 501 напряжения V2 защищен от шумов и помех, наводимых соленоидом 520 диодами 503 и 506. Опора 522 датчика держит датчик 525 положения и соединяет его с опорой 521 отбойного механизма.
Если конденсаторы 508 и 509 имеют достаточно большую емкость, изменением напряжения в третьем и четвертом проводниках 507 и 506 для каждого положения реле 511 и груза 519 можно пренебречь. В таком случае силу в каждом направлении можно рассматривать как постоянную силу, что означает, что ускорение в каждом направлении является постоянным. Сила, индуцируемая соленоидом 520, зависит от его конструкции, от свойств груза 519 и от напряжения между первым и вторым проводниками 523 и 524. За исключением напряжения между первым и вторым проводниками 523 и 524, все остальные параметры постоянны. Это значит, что, используя разные источники напряжения V2 501 и V1 502, можно управлять силой, ускорением и перемещением груза 519 в каждом направлении. Чистый, эффективный выход описанного выше электрического отбойного механизма в значительной степени подобен чистому эффективному выходу гидравлического отбойного механизма, показанного на фиг.3b и 3d и описанного выше. В рабочем режиме второе реле 527 соединяет каждый из первого и второго проводников 523 и 524 с первым реле 511, как показано на фиг.5. В режиме останова второе реле 527 соединяет каждый из первого и второго проводников 523 и 524 с модулем 510 нагрузки. Модуль 510 нагрузки преобразует кинетическую энергию груза 519 в теплоту. Функциональность и реализация датчика 525 положения и управляющего устройства 517 аналогичны функциональности и реализации датчика 220 положения и управляющего устройства 116, показанных на фиг.1 и 2а и описанных выше. Конденсаторы 508 и 509 могут быть заменены любыми другими аккумуляторами электрической энергии. Диоды 530, 504, 505 и 506 могут быть заменены любыми другими защитными устройствами. Источники напряжения V1 502 и V2 501 могут быть импульсными, широтными, модуляторными и/или любыми другими средствами, способными изменять выходное напряжение и/или ток. Энергия, затраченная на ускорения груза 519 влево, на фазе 1 восстанавливается на фазе 2 и вводится во второй конденсатор 509 при уменьшении скорости груза 519. Энергия, затраченная на ускорение груза 519 вправо, на фазе 3 восстанавливается и вводится в первый конденсатор 508, при уменьшении скорости груза 519 на фазе 4.
Электрический отбойный механизм, описанный выше и показанный на фиг.5, имеет следующие признаки:
1. Не гармоническое, не на "собственной частоте", не "резонансное" движение груза или любого другого компонента, совершающего возвратно-поступательные колебания. Совершающий колебания груз активно нагружается приводной силой, которая является объектом внешнего регулирования.
2. Асимметричные силы. Сила в одном направлении больше, чем сила в противоположном направлении - если площадь первого торца 205 отличается от площади второго торца 209.
3. Силы отдачи прямоугольной формы - если конденсаторы 508 и 509 имеют достаточно большую емкость, и/или выходной импеданс источников напряжения V2 501 и V1 502 достаточно низок.
4. Встроенное отключение источника приводного тока, если груз 519 вышел за пределы рабочей зоны (на фиг.5 не показано).
5. Аварийный останов - узлы 128 и 136 аварийного останова.
6. Мгновенный управляемый останов - узел 510 аварийной нагрузки.
7. Мгновенный пуск - как описано выше.
8. Активная результирующая работа "влево" и активная результирующая работа "вправо" - под управлением переключателя (на фиг.5 не показано).
9. Управляемое позиционирование поршня относительно цилиндра (на фиг.5 не показано).
10. Утилизация и повторное использование энергии - как описано выше, если конденсаторы 508 и 509 имеют достаточно большую емкость.
11. Привод практически от любого источника постоянного тока.
Еще один вариант реализации отбойного механизма предусматривает привод сжатым воздухом и электрическим управлением, как показано на фиг.6.
В этом случае поршень 622 совершает возвратно-поступательные колебания с ускорением внутри цилиндра 609 и служит грузом, который создает отбойные силы, которые наводятся на опоре 621. Первая линия 601 подает сжатый воздух, который хранится в аккумуляторе 602. Вторая линия 603 открыта в атмосферу.
Предполагается, что правая сторона поршня 622 находится у первого порта 615, как показано на фиг.6, и что давление в аккумуляторе 602 сжатого воздуха и в подающей линии 601 сжатого воздуха находится в рабочем диапазоне, и что регулирующий клапан 604 находится в положении, которое соединяет первую камеру 623 с подающей линией 601 сжатого воздуха, а вторую камеру 619 соединяет со второй линией 603. В этом случае поршень 622 ускоряет влево силу, равную площади первого торца 616, умноженной на давление в подающей линии 601 сжатого воздуха, минус давление во второй камере 619, умноженное на площадь второго торца 618 и минус потери на трение. Это ускорение продолжается, пока левая сторона поршня 622 не пересечет датчик 613 положения. Датчик 613 положения посылает сигнал на управляющее устройство 612, которое переводит регулирующий клапан 604 в положение, при котором первая камера 623 соединена со второй линией 603, а вторая камера 619 соединена с подающей линией 601 сжатого воздуха. На поршень 622, движущийся влево, действует направленная вправо сила, равная площади второго торца 618, умноженной на давление в подающей линии 601, минус площадь первого торца 616, умноженная на давление в первой камере 623 и минус потери на трение, что приводит к торможению поршня 622, пока он не остановится. Поскольку пневматическая сила продолжает оставаться направленной вправо, поршень 622 начинает движение и ускоряется вправо, пока не пересечет датчик 613 положения. В этот момент датчик положения посылает сигнал на управляющее устройство 612, которое переводит регулирующий клапан 604 так, что первая камера 623 подключается к подающей линии 601 сжатого воздуха, а вторая камера 619 подключается ко второй линии 603. Сила, действующая на поршень 622, является давлением в подающей линии 601 сжатого воздуха, умноженным на площадь сечения первого торца 616 минус давление во второй камере 616, умноженное на площадь сечения второго торца 68 и минус потери на трение. На поршень 622, движущийся вправо, действует ускорение, направленное влево, пока поршень не остановится и не начнет двигаться вправо с тем же направленным вправо ускорением. Отсюда начинается следующий период.
Управляющее устройство 612 и датчик 613 положения имеют по существу такую же реализацию и ту же функциональность, что и управляющее устройство 116 и датчик 220 положения, которые показаны на фиг.1 и 2а. Положение регулирующего клапана 604, как показано на фиг.6, предназначено для торможения поршня 622. Энергия, затраченная на ускорение поршня 622 влево на фазе 1, восстанавливается на фазе 2 при уменьшении скорости поршня 622 и вводится в аккумулятор 602. Энергия, затраченная на ускорение поршня 622 вправо на фазе 3, восстанавливается при уменьшении скорости поршня 622 на фазе 4.
Пневматический отбойный механизм, описанный выше и показанный на фиг.6, обладает следующими признаками:
1. Не гармоническое, не на "собственной частоте", не "резонансное" движение груза или любого другого компонента, совершающего возвратно-поступательные колебания. Совершающий колебания груз активно нагружается приводной силой, которая является объектом внешнего регулирования.
2. Асимметричные силы. Сила в одном направлении больше, чем сила в противоположном направлении - если площадь второго торца 618 отличается от площади первого торца 616.
3. Силы отдачи прямоугольной формы - если аккумулятор 602 имеет достаточно большой объем и/или выходное сопротивление подающей линии 601 сжатого воздуха достаточно мало.
4. Встроенная отсечка подачи сжатого воздуха, если поршень 622 вышел за пределы рабочей зоны - ограниченной левым концом второй камеры 619 и правым концом первой камеры 623, как показано на фиг.6.
5. Аварийный останов - левая граница второй камеры 619 и правая граница первой камеры 623.
6. Мгновенный управляемый останов - центральное положение регулирующего клапана 604.
7. Мгновенный пуск - как описано выше.
8. Активная результирующая работа "влево" и активная результирующая работа "вправо" - под управлением клапана - если площадь второго торца 618 меньше, чем удвоенная площадь первого торца 616, и больше, чем площадь первого торца 616.
9. Управляемое позиционирование поршня относительно цилиндра - не показано на фиг.6.
10. Утилизация и повторное использование энергии - как описано выше, если аккумулятор 602 достаточно велик.
11. Привод практически от любого генератора сжатого воздуха.
На фиг.7 показан отбойный механизм, который имеет электрический соленоид 704 и пружину 701. Этот отбойный механизм использует электромагнитную силу для ускорения груза 702 влево и пружину 701 для ускорения груза 702 вправо. Еще один вариант заключается в том, чтобы использовать электромагнитную силу для ускорения груза 702 влево и вправо и использовать пружину 701 для усиления ускорения вправо и уменьшения ускорения влево. На фиг.702 не показаны приводные электрические компоненты, устройство останова груза 702 и система управления.
На фиг.8 показан отбойный механизм, имеющий электрический соленоид 805 и газовую камеру 802. Этот отбойный механизм использует электромагнитную силу для ускорения груза 803 влево, и сжатый газ в камере 802 и в аккумуляторе 801 для ускорения груза вправо. Еще один вариант заключается в том, чтобы использовать электромагнитную силу для ускорения груза 803 влево и вправо, и использовать сжатый газ в камере 802 и аккумулятор 801 для увеличения ускорения вправо и уменьшения ускорения влево. На фиг.8 не показаны электрические детали, устройство остановки груза 803 и система управления.
На фиг.9 показан отбойный механизм, который ускоряет груз 904 влево гидравлической жидкостью, а вправо - пружиной 901. Система подачи гидравлической жидкости в камеру 905, устройство остановки груза 908 и система управления на фиг.9 не показаны.
На фиг.10 показан отбойный механизм, который ускоряет груз 1005 влево пружиной 1007, а вправо - сжатым воздухом в камере 1004. На фиг.10 не показаны источник сжатого воздуха, устройство остановки груза 1005 и система управления.
Композитные отбойные механизмы, описанные выше и показанные на фиг.7, 8, 9 и 10, а также некоторые их не показанные компоненты и функции обладают следующими признаками:
1. Не гармоническое, не на "собственной частоте", не "резонансное" движение груза или любого другого компонента, совершающего возвратно-поступательные колебания. Совершающий колебания груз активно нагружается приводной силой, которая является объектом внешнего регулирования.
2. Асимметричные силы.
3. Силы отдачи прямоугольной формы.
4. Встроенная отсечка приводной среды, если груз вышел за пределы рабочей зоны.
5. Аварийный останов.
6. Мгновенный управляемый останов.
7. Мгновенный пуск.
8. Активная результирующая работа "влево" и активная результирующая работа "вправо".
9. Управляемое позиционирование груза относительно корпуса.
10. Утилизация и повторное использование энергии.
11. Привод практически от любого подходящего источника мощности.
Отбойный механизм может функционировать как автономный отбойный механизм, или в группе или в группах, для получения увеличенных сил отдачи, моментов и/или комбинаций этих сил и/или моментов.
На фиг.11 показаны два варианта параллельных отбойных механизмов 1104. Первый узел 1101 является автономным отбойным механизмом 1104. Второй узел 1102 содержит три отбойных механизма 1104, установленных параллельно относительно друг друга и рядом друг с другом. Третий узел 1103 содержит два отбойных механизма 1104, установленных на одной оси, один над другим. Каждый из отбойных механизмов 1104 работает сам по себе. Координация между отбойными механизмами 1104 при необходимости осуществляется системой управления, в которой используются датчики 1105 положения.
На фиг.12 показаны два способа механического соединения отбойных механизмов 1203. Первый узел 1201 содержит три отбойных механизма, которые механически соединены друг с другом и соединены друг с другом параллельно опорами и грузами, совершающими возвратно-поступательные колебания. Три совершающих колебания груза трех отбойных механизмов 1203 движутся совместно. Второй узел 1202 содержит два отбойных механизма 1203, которые механически соединены друг с другом и соединены друг с другом опорами на одной оси и грузами, совершающими колебания. Эти два груза двух отбойных механизмов 1203 совершают колебания совместно. Каждый узел 1201 и 1202 требует одного датчика 1204 положения.
На фиг.13 показаны три варианта привода внешнего груза 1305 отбойным механизмом или отбойными механизмами 1304. Первый узел 1301 содержит один отбойный механизм 1304, приводящий в движение внешний груз 1305. Второй узел 1302 содержит два отбойных механизма 1304, приводящих в движение внешний груз 1305. Третий узел 1303 имеет четыре отбойных механизма 1304, приводящих в движение внешний груз 1305. В случае узлов 1301, 1302 и 1303 эффективной массой будет масса совершающего колебания груза или грузов отбойного механизма 1304 и масса внешнего груза 1305. Каждый узел требует одного датчика 1306 положения.
На фиг.14 показаны два варианта реализации внешнего груза с помощью не жесткой структуры. Первый узел 1401 содержит отбойный механизм 1404, соединенный с первым контейнером 1402, внутри которого находится материал 1403. Материал 1403 может быть жидкостью, агрегатом, порошком или материалом любого типа. Первый контейнер 1402 может быть загружен материалом 1403 полностью или частично. Второй узел 1406 содержит отбойный механизм 1413, который соединен с внешним грузом 1407. Внешний груз 1407 содержит цилиндр 1409, внутренний поршень 1411 и пружину 1408. Внутренний поршень имеет выступ, который скользит в канавке в цилиндре 1409 и работает как односторонний поршень. После подачи в этот цилиндр давления через порт 1410 поршень опускается на крышку 1412 цилиндра 1409 и движется со вторым контейнером 1407 как единое целое. Если порт 1410 вентилируется, поршень 1411 может двигаться внутри цилиндра 1409 под влиянием ускорений отбойного механизма и силы, прилагаемой пружиной 1408.
На фиг.15 показаны два способа каскадного или рекурсивного включения отбойных механизмов. Узел 1501 содержит два отбойных механизма 1503 и 1505, соединенных друг с другом последовательно. Первый поршень 1504 и второй поршень 1502 соединены друг с другом в ориентации "голова к хвосту". Движение первого поршня 1504 приводит к движению обоих отбойных механизмов 1503 и 1505. Когда один из отбойных механизмов 1503 или 1505 работает самостоятельно, второй поршень 1502 зафиксирован, а цилиндр движется вверх и вниз. Когда оба отбойных механизма 1503 и 1505 работают совместно, возникают силы, которые являются комбинацией сил обоих отбойных механизмов. Другой узел 1508 содержит два отбойных механизма, один внутри другого. Деталь 1510 является поршнем для цилиндра 1511 и одновременно цилиндром для поршня 1509. Этот узел может работать в трех режимах. В режиме 1 поршень 1509 движется вместе с деталью 1510. Цилиндр 1511 в этом режиме является цилиндром, а деталь 1510 и поршень 1509 являются грузом. В режиме 2 цилиндр 1511 и деталь 1510 движутся совместно. В этом режиме поршень 1509 является грузом отбойного механизма. В третьем режиме деталь 1510 и цилиндр 1511 работают как отбойный механизм, тогда как параллельно деталь 1510 и поршень 1509 также работают как отбойный механизм.
На фиг.16 показаны два отбойных механизма 1602 и 1605, соединенных для вращения диска 1606 симметрично относительно оси 1604 вращения. Работа этих двух отбойных механизмов симметрично относительно оси 1604 вращения создает периодический возвратно-поступательный момент на приводимом диске 1606, как показано стрелками 1601.
На фиг.17а показан вид сверху вращающегося диска 1705, который вращается вокруг оси 1708. Отбойные механизмы 1706 и 1721 соединены с вращающимся диском пальцами 1707 и 1703. Вращающийся груз 1709 свободно вращается вокруг оси 1708 и соединен с отбойными механизмами 1706 и 1721 другими пальцами 1701 и 1720. Работа отбойных механизмов 1706 и 1721, симметрично установленных относительно оси 1708, создает периодические возвратно-поступательные вращательные колебания вращающегося груза 1709 и приводит к созданию периодических возвратно-поступательных колебательных моментов на вращающемся диске 1705, показанных стрелками 1702. На фиг.17b приведено сечение по линии А-А на фиг.17а.
На фиг.18 показан двигатель 1808, соединенный с плитой основания 1806 болтами 1807. Вращающийся вал 1803 двигателя 1808 соединен с грузом 1805 гайкой 1804. Груз 1805 содержит магнит 1802. Датчик положения 1801 обнаруживает магнит 1802, когда он проходит рядом с датчиком. Включение двигателя в режиме периодических возвратно-поступательных колебаний создает периодические возвратно-поступательные моменты на плите 1806 основания. Двигатель 1808 может быть реализован как любой вращающийся двигатель, при условии что он ускоряет вращающийся груз в форме периодических возвратно-поступательных колебаний.
Все узлы отбойного механизма или отбойных механизмов, описанные выше и показанные на фиг.11, 12, 13, 14, 15, 16, 17а, 17b и 18, обладают следующими признаками:
1. Не гармоническое, не на "собственной частоте", не "резонансное" движение груза или любого другого компонента, совершающего возвратно-поступательные колебания. Совершающий колебания груз активно нагружается приводной силой, которая является объектом внешнего регулирования.
2. Асимметричные силы. Сила в одном направлении больше, чем сила в противоположном направлении.
3. Силы отдачи прямоугольной формы.
4. Встроенная отсечка приводной среды, если груз вышел за пределы рабочей зоны.
5. Аварийный останов.
6. Мгновенный управляемый останов.
7. Мгновенный пуск.
8. Активная результирующая работа "влево" и активная результирующая работа "вправо" - при внешнем управлении.
9. Управляемое позиционирование груза относительно цилиндра.
10. Утилизация и повторное использование энергии.
11. Привод практически от любого готового подходящего источника мощности.
Далее даются ссылки на фиг.2а, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g, 5, 7, 8, 9, 19a, 19b, 19c, 19d и 19e.
Специалистам будет понятно, что объем настоящего изобретения не ограничен описанными примерами и в них можно внести различные изменения и модификации, не выходящие за пределы объема изобретения, определенного в приложенной формуле. Поэтому для простоты в чертежах и описании предполагается, что цилиндр 206, 520, 704, 805 и 1911 неподвижен, а поршень 215, 519, 702, 803, 904 и 1201 подвижен. В реальности, большую часть времени обе эти детали движутся в противоположных направлениях. На чертежах и в описании цилиндр 206, 520, 704, 805 и 1911 отбойного механизма соединен с опорой 217 и 521, тогда как в реальности с опорой 217 и 521 может быть соединен поршень 215, 519, 702, 803, 904 и 1901, а не цилиндр 206, 520, 704, 805 и 1911. Другими словами, если поршень 215, 519, 702, 803, 904 и 1901 является свободно движущимся, то цилиндр 206, 520, 704, 805 и 1911 соединен с опорой 217 и 521, и наоборот, если цилиндр 206, 520, 704, 805 и 1911 является свободно движущимся, то с опорой 217 и 521 соединен поршень 215, 519, 702, 803, 904 и 1901.
Следует отметить, что когда в описании и формуле изобретения применяются термины "влево" и "вправо", их не следует понимать в каком-либо ограничительном смысле. Однако для ясности используются именно эти термины, а не более общие выражения, такие как "одна сторона" и "другая, противоположная сторона". Специалистам понятно, что "влево" можно заменить на "вправо", а "вправо" можно заменить на "влево" без изменения смысла описания. Этот факт подчеркивается тем, что термины "влево" и "вправо", используемые в формуле изобретения, взяты в кавычки.
Резюмируя, можно указать следующее. Отбойный механизм - это механизм, который перемещает груз вперед и назад за счет высокого ускорения. Когда груз ускоряется, нарастает сила отдачи. Эта сила пропорциональна произведению массы груза на ускорение и имеет направление, противоположное вектору ускорения.
Отбойный механизм имеет четыре рабочих фазы. На первой фазе груз получает ускорение, направленное влево, одновременно перемещаясь влево. На второй фазе груз получает ускорение, направленное вправо, одновременно перемещаясь влево. На третьей фазе груз получает ускорение, направленное вправо, одновременно перемещаясь вправо. На четвертой фазе груз получает ускорение, направленное влево, одновременно перемещаясь вправо. Энергия, подаваемая в систему на первой фазе, ускоряет груз в том же направлении, в котором происходит движение, и преобразуется в кинетическую энергию. Эта кинетическая энергия отбирается обратно на второй фазе при замедлении груза, и запасается. На третьей фазе запасенная энергия ускоряет груз в направлении движения и преобразуется в кинетическую энергию. Эта кинетическая энергия отбирается на четвертой фазе при замедлении груза и запасается. Если пренебречь трением и неидеальным поведением системы сохранения энергии, то отбойному механизму требуется внешний источник энергии только для компенсации реальной, эффективной физической работы, которую он выполняет.
Для того чтобы добиться вышеописанного поведения, по меньшей мере одну из двух приводных сил - направленную вправо и/или влево - следует удалить или отсоединить от груза на двух фазах. Это удаление силы осуществляет система, которая учитывает возникновение приводной силы и ее длительность. Когда отбойный механизм индуцирует энергию во внешней структуре, и/или для компенсации внутренних потерь энергии, система управления должна пополнять внутреннюю энергию механизма для поддержания требуемых ускорений и необходимых перемещений. Это может осуществляться на фазе 1 и/или на фазе 3 на увеличенных расстояниях.
Еще одной задачей является удержание груза в ограниченной зоне. Это можно осуществлять переключениями, связанными с положением. Ускоряющая сила, направленная влево может отличаться от ускоряющей силы, направленной вправо, что позволяет создать несимметричный отбойный механизм. В большинстве случаев ускоряющие силы являются постоянными на каждой из четырех фаз работы отбойного механизма, а это значит, что выходная сила имеет прямоугольную форму. Отбойный механизм может изменять величину и временной период индуцируемых сил путем изменения приводных параметров источника энергии и путем изменения перемещений груза. Отбойный механизм способен к мгновенной остановке. Он может быть остановлен на любой из четырех фаз движения. Отбойный механизм может немедленно запускаться. Свою полную мощность он развивает максимум через две фазы.
Во избежание ошибок следует указать, что отбойный механизм не имеет ничего общего с гармоническими, синусоидальными или резонансными движениями.
Отбойный механизм может содержать более чем один груз. Узел отбойных механизмов может содержать более чем один отбойный механизм. Один или более отбойный механизм можно установить вокруг оси, создавая периодические возвратно-поступательные колебательные моменты отдачи. Источник энергии для отбойного механизма может быть, например, пневматическим, гидравлическим, электрическим, магнитным или любой комбинацией таких источников. Отбойный механизм может быть очень мал - размером в доли миллиметра, или очень большим - массой порядка сотен тонн.