ПНЕВМАТИЧЕСКАЯ МАШИНА ДЛЯ ЗАБИВАНИЯ В ГРУНТ ДЛИННЫХ СТЕРЖНЕЙ
PNEUMATIC MACHINE FOR LONG RODS DRIVING INTO THE GROUND

Техническое решение относится к горной и строительной технике, а именно к пневматическим машинам ударного действия, и предназначено для забивания в грунт длинных стержней.
Известна пневмоударная машина ПУМ-65 [К.С. Гурков, В.В. Климашко, А.Д. Костылев, В.Д. Плавских, Е.П. Русин, Б.Н. Смоляницкий, К.К. Тупицын, Н.П. Чепурной. Пневмопробойники. - Новосибирск: ИГД СО РАН, 1990, стр. 50, рис. 2.23], предназначенная для забивания в грунт длинных стержней (далее - машина), которая содержит корпус, ступенчатый ударник, с зазором охватывающий центральную трубку со сквозным осевым каналом для размещения длинного стержня, а также наковальню с конусными кулачками для захвата этого стержня. Ступенчатый ударник базируется на внутренней поверхности корпуса и разделяет его внутреннюю полость на камеру рабочего хода, которая включает зазор между центральной трубкой и ступенчатым ударником, и камеру обратного хода, которая постоянно связана с магистралью сжатого воздуха.
Из вышеуказанных признаков аналога совпадают с существенными признаками предлагаемого технического решения следующие. Машина содержит корпус, ступенчатый ударник, охватывающий центральную трубку со сквозным осевым каналом для размещения длинного стержня, а также наковальню с конусными кулачками для захвата этого стержня, камеру рабочего хода и камеру обратного хода.
Недостаток такой машины в том, что направляющим элементом при возвратно-поступательном движении указанного ударника является ее корпус и в данной конструкции задействованы внешние, т.е. наибольшие диаметры этого ударника. Соответственно зазоры в подвижных сопряжениях ступенчатого ударника с корпусом и потери сжатого воздуха через них максимальны. Это обусловливает низкую экономичность и низкий ресурс работоспособности машины.
Наиболее близкой по технической сущности и совокупности существенных признаков является пневматическая машина ударного действия для забивания в грунт длинных стержней по патенту RU 2567061, E02D 7/10, опубл. 27.10.2015, Бюл. №30. Машина содержит корпус, в котором расположены ступенчатая направляющая с передней и задней ступенями и со сквозным осевым каналом для размещения длинного стержня, базирующийся на ней ступенчатый ударник с передней и задней ступенями, наковальня с конусными кулачками для захвата длинного стержня, постоянно связанная с магистралью камера рабочего хода, постоянно связанная с атмосферой выхлопная камера, а также камера обратного хода с по меньшей мере одним питающим каналом на боковой стороне ступенчатой направляющей, выполненным с возможностью перекрытия его ступенчатым ударником. На передней ступени этого ударника размещен кольцевой упругий клапан, приспособленный для взаимодействия с внутренней поверхностью корпуса. Камера рабочего хода размещена в задней ступени упомянутого ударника и замкнута задней ступенью ступенчатой направляющей.
Признаки прототипа, которые совпадают с существенными признаками предлагаемого устройства, следующие. Машина содержит расположенные в корпусе направляющую со сквозным осевым каналом для размещения длинного стержня, базирующийся на ней ступенчатый ударник с передней и задней ступенями на его наружной стороне, из которых передняя ступень оснащена кольцевым упругим клапаном, приспособленным для взаимодействия с внутренней поверхностью корпуса, постоянно связанную с магистралью камеру рабочего хода, постоянно связанную с атмосферой выхлопную камеру, камеру обратного хода с по меньшей мере одним питающим каналом на наружной стороне направляющей, выполненным с возможностью перекрытия его ступенчатым ударником, наковальню с конусными кулачками для захвата длинного стержня.
Недостаток этой машины заключается в том, что направляющая здесь выполнена ступенчатой с двумя существенно разными по диаметру ступенями. Диаметр передней ступени определяется диаметром забиваемого длинного стержня, а задняя ступень ограничивает камеру рабочего хода, размещенную в полости ступенчатого ударника, ее диаметр соответствует диаметру камеры рабочего хода и она имеет существенно больший размер. Ступени наружной поверхности ступенчатой направляющей контактируют с соответствующими ступенями внутренней поверхности указанного ударника. Этими подвижными сопряжениями обеспечивается базирование ступенчатого ударника. Кольцевые зазоры в подвижных сопряжениях ступенчатого ударника и ступенчатой направляющей являются источником непроизводительной потери, утечки сжатого воздуха. Вместе с тем эти зазоры должны обеспечить свободное движение этого ударника и их абсолютная величина должна быть тем больше, чем больше диаметр сопряжения. Наличие в данной конструкции ступенчатой направляющей со ступенью большого диаметра предопределяет наличие в машине источника повышенной утечки сжатого воздуха, что снижает экономичность машины. Чем больше диаметр подвижного сопряжения, особенно при посадке на два разных диаметра, тем больше зазор, соответственно, выше интенсивность падения ресурса работоспособности машины и ее экономичности в процессе эксплуатации.
Кроме того, ступенчатая форма направляющей, размещение камеры рабочего хода внутри ступенчатого ударника и посадка его на два существенно разных диаметра весьма нетехнологичны. Такое конструктивное решение усложняет и удорожает устройство, а также снижает ресурс работоспособности.
Решаемая проблема заключается в увеличении ресурса работоспособности и экономичности машины за счет такого изменения ее конструкции, которое позволяет избавиться от ступенчатой формы направляющей и обеспечить базирование ступенчатого ударника по поверхности, которая по всей длине имеет одинаковый диаметр, т.е. базирование на направляющей без ступеней, с возможно меньшим диаметром при повышении технологичности, упрощении конструкции и снижении стоимости.
Проблема решается тем, что в пневматической машине для забивания в грунт длинных стержней, включающей расположенные в корпусе направляющую со сквозным осевым каналом для размещения длинного стержня, базирующийся на ней ступенчатый ударник с передней и задней ступенями на его наружной стороне, из которых передняя ступень оснащена кольцевым упругим клапаном, приспособленным для взаимодействия с внутренней поверхностью корпуса, постоянно связанную с магистралью камеру рабочего хода, постоянно связанную с атмосферой выхлопную камеру, камеру обратного хода с по меньшей мере одним питающим каналом на наружной стороне направляющей, выполненным с возможностью перекрытия его ударником, наковальню с конусными кулачками для захвата длинного стержня, согласно техническому решению наружная поверхность направляющей, на которой базируется ударник, имеет по всей длине одинаковый диаметр, а корпус оснащен эластомерным кольцом, приспособленным для взаимодействия с наружной поверхностью задней ступени ударника, и размещенным в нем с радиальным зазором превышающим радиальный зазор между ударником и корпусом в месте размещения эластомерного кольца.
В такой машине ступенчатый ударник базируется на направляющей без ступеней, имеющей предельно малый диаметр, который только возможен при наличии в ней сквозного осевого канала для прохода забиваемого длинного стержня. Здесь диаметр подвижного сопряжения определяется только заданной величиной максимального диаметра забиваемого длинного стержня и прочностными требованиями к толщине стенки направляющей. Меньше быть не может. Соответственно, в данной машине кольцевые зазоры в подвижных сопряжениях ступенчатого ударника и направляющей минимальны, т.е. до минимума снижены и потери сжатого воздуха через эти подвижные сопряжения. Это повышает экономичность работы машины.
Кроме того, размещенное в корпусе с радиальным зазором эластомерное кольцо, приспособленное для взаимодействия с наружной поверхностью задней ступени ступенчатого ударника, герметизирует камеру рабочего хода, а благодаря радиальному зазору, превышающему радиальный зазор между ударником и корпусом в месте размещения эластомерного кольца, устраняется возможность деформирования эластомерного кольца при отклонении от соосности ступенчатого ударника и корпуса и последующего негативного влияния этого отклонения на герметичность уплотнения, что также способствует повышению экономичности.
От конструктивного исполнения подвижных сопряжений во многом зависит и ресурс работоспособности машины. При работе ударных устройств в местах сопряжений ударника и направляющей происходит интенсивный износ деталей. При одинаковой величине радиального износа приращение проходного сечения зазора утечек тем больше, чем больше диаметр подвижного сопряжения. Перенос подвижных сопряжений на меньший диаметр и устранение посадки ступенчатого ударника на два разных диаметра обеспечивает снижение прироста утечек, что приводит к снижению темпов падения энергетических параметров машины Сопряжение ступенчатого ударника с направляющей по одному предельно малому диаметру способствует увеличению ресурса работоспособности машины.
Кроме того, устранение задней ступени направляющей и устранение полости в задней ступени ударника резко упрощает форму этих деталей, повышая технологичность, снижая стоимость и увеличивая ударную прочность.
Целесообразно эластомерное кольцо выполнить в поперечном сечении прямоугольной формы с фаской на внутренней стороне, занимающей со стороны выхлопной камеры не менее 10% ширины эластомерного кольца. В этом случае на внутренней стороне эластомерного кольца на всей ширине фаски гарантировано действие атмосферного давления. Такое исполнение эластомерного кольца обеспечивает более надежную герметизацию камеры рабочего хода, увеличивая ресурс работоспособности машины. Это достигается за счет эффекта самоуплотнения, который обусловлен обжатием эластомерного кольца по его наружному диаметру высоким давлением в камере рабочего хода и низким противодавлением, распирающим внутреннюю поверхность этого кольца, которая разгружена благодаря фаске, обращенной к выхлопной камере с атмосферным давлением, поскольку полость под фаской постоянно связана с выхлопной камерой гарантированным радиальным зазором между ударником и корпусом. Понятно, что с уменьшением ширины фаски эффект самоуплотнения ослабевает. Как показали эксперименты, при ее ширине менее 10% ширины эластомерного кольца положительный эффект практически не ощущается.
Сущность технического решения поясняется примером конкретного исполнения пневматической машины для забивания в грунт длинных стержней и иллюстрируется чертежами фиг. 1, 2, где на фиг. 1 схематично показан продольный разрез машины, на фиг. 2 - фрагмент поперечного разреза эластомерного кольца прямоугольного сечения с фаской, размещенного в корпусе машины.
Пневматическая машина для забивания в грунт длинных стержней содержит корпус 1 (фиг. 1), в котором размещены ступенчатый ударник 2 (далее - ударник 2), направляющая 3 со сквозным осевым каналом для размещения забиваемого длинного стержня 4 (далее стержень 4), наковальня 5 с конусными кулачками 6 для передачи энергии удара от ударника 2 на стержень 4. Наковальня 5 связана с корпусом 1 через упругий амортизатор 7. Поджатие конусных кулачков 6 к наковальне 5 осуществлено пружиной 8. При своем возвратно-поступательном движении ударник 2 полностью базируется на наружной поверхности направляющей 3, которая по всей длине, контактирующей с ударником 2, имеет одинаковый диаметр. Внутренняя полость корпуса 1 разделена ударником 2 на три камеры: камеру 9 рабочего хода, которая при работе постоянно связана с магистралью сжатого воздуха, камеру 10 обратного хода и выхлопную камеру 11, которая постоянно связана с атмосферой выхлопным каналом 12. Камера 10 обратного хода управляется ударником 2. Она связана с камерой 9 рабочего хода по меньшей мере одним питающим каналом 13, который целесообразно выполнить на наружной стороне направляющей 3. Питающий канал 13 выполнен с возможностью перекрытая его отсечной кромкой А ударника 2. Для лучшего поступления ежа-того воздуха в камеру 10 обратного хода из камеры 9 рабочего хода через по меньшей мере один питающий канал 13 на ударном торце наковальни 5 выполнены радиальные пазы 14. На наружной стороне 15 передней ступени ударника 2 размещен кольцевой упругий клапан 16, приспособленный для взаимодействия при обратном ходе ударника 2 с внутренней поверхностью корпуса 1. Корпус 1 оснащен эластомерным кольцом 17, размещенным в нем с радиальным зазором 18 и приспособленным для взаимодействия с наружной поверхностью 19 задней ступени ударника 2. Посадка ударника 2 на направляющую 3 выполнена с минимальным зазором, обеспечивающим свободное осевое перемещение ударника 2. Этот зазор на порядок меньше минимальных гарантированных зазоров 20 и 21 между ударником 2 и внутренней поверхностью корпуса 1. При этом зазор 18 между эластомерным кольцом 17 и корпусом 1 заведомо больше зазора 20 между корпусом 1 и ударником 2, как изображено на фиг. 1, 2.
Для лучшей герметизации камеры 9 рабочего хода целесообразно, как это изображено на фиг. 2, размещенное в корпусе 1 эластомерное кольцо 17 выполнить в поперечном сечении прямоугольной формы с фаской 22 на внутренней стороне, занимающей со стороны выхлопной камеры не менее 10% ширины эластомерного кольца.
Работа машины осуществляется следующим образом. Сжатый воздух из магистрали поступает в камеру 9 рабочего хода и благодаря герметизирующему действию эластомерного кольца 17 постоянно поддерживает в ней давление, близкое к сетевому. При переднем расположении ударника 2, как изображено на фиг. 1, сжатый воздух из камеры 9 рабочего хода по меньшей мере по одному каналу 13 и пазам 14 поступает в камеру 10 обратного хода. Ударник 2 разгоняется на обратный ход, поскольку площадь торца ударника 2 со стороны камеры 10 обратного хода больше, чем со стороны камеры 9 рабочего хода, а выхлопная камера 11 постоянно связана с атмосферой выхлопным каналом 12. При этом герметизация камеры 10 обратного хода обеспечивается кольцевым упругим клапаном 16. По мере перемещения назад ударник 2 своей кромкой А перекрывает поступление сжатого воздуха в камеру 10 обратного хода. Далее ударник 2 движется по инерции, кольцевой упругий клапан 16 выходит в зону выхлопного канала 12 выхлопной камеры 11, давление в камере 10 обратного хода резко падает. После этого под действием давления в камере 9 рабочего хода ударник 2 тормозится и меняет движение на обратное. Начинается рабочий ход. Ударник 2 разгоняется и наносит удар по наковальне 5. Через конусообразные кулачки 6 удар передается стержню 4, происходит его очередное продвижение в грунт. Далее цикл повторяется.